Efek Fotolistrik

Tujuan    :           
1.  Mengamati Perilaku Cahaya Sebagai Gelombang Menurut Teori Klasik
2.  Mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum   
3.  Menentukan besarnya konstanta Plank ( h )   

Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu logam pada saat permukaan logam tersebut disinari cahaya ( foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi ambang ( fungsi kerja) logam. Efek fotolistrik ditemukan pertama kali oleh Hertz. Efek ini tidak dapat dijelaskan jika cahaya dipandang sebagai gelombang. Efek ini berhasil dijelaskan dengan baik oleh Einstein pada tahun 1905 dengan memandang cahaya sebagai paket-paket energi yang disebut foton, seperti yang telah dikemukakan oleh teori Planck.Jika berkas cahaya yang mengenai permukaan logam memiliki frekuensi f maka energi tiap foton cahaya adalah hf. 

Elektron-elektron  didekat permukaan logam terikat dalam struktur atom. Besar energi ikatan ini bergantung pada jenis logam, dan disebut energi ambang atau fungsi kerja logam (Wo). Jika energi hf dari foton cahaya datang lebih kecil dari pada energi ambang logam ( hf Wo) akan menyebabkan elektron-elektron keluar  dari permukaan logam walaupun  intensitas cahaya kecil. Jika hf > wo barulah intensitas cahaya akan menentukan jumlah elektron yang keluar dari  permukaan logam. Makin besar intensitas cahaya akan menentukan jumlah elektron yang keluar  dari permukaan logam. Makin besar intensitas cahaya makin besar foton yang bertumbukan dengan elektron-elektron dekat permukaan. Sebagai hasilnya semakin banyak elektron yang keluar dari permukaan logam . ( Ingat, satu foton hanya dapat mengeluarkan satu elektron ).

Di dalam emisi fotolistrik, cahaya yang menumbuk sebuah benda menyebabkan elektron lepas. Model gelombang klasik meramalkan elektron bahwa ketika intensitas cahaya dinaikkan, amplitudo dan energi cahaya yang juga bertambah. Hal ini akan menyebabkan semakin banyak fotoelektron energi kinetik yang dipancarkan. Akan tetapi, menurut teori kuantum, kenaikkan frekuensi cahaya akan menghasilkan dengan energi yang membesar, tidak bergantung pada intensitas. Sumbangan pemikiran dari Albert Einstein dalam masalah efek fotolistrik menguatkan gagasan Max Planck tentang kuantitasi energi dan sekaligus membuktikan bahwa cahaya ( foton ) yang mengenai logam bersifat sebagai partikel. Dengan demikian gagasan Max Planck yang semula masih diragukan, akhirnya dapat diterima secara luas.

Illustrasi alat yang digunakan untuk membangkitkan hejala fotolistrik adalah sebagai berikut:

                                             Katoda             cahaya

                                                                                     anoda

                                                     elektron

                                                                                    A  mikro amperemeter

                                                          V

                                              rheostat                    

                                                                  

Dalam percobaan fotolistrik, berkas cahaya ditembakkkan ke permukaan logam yang diletakkan di dalam suatu tabung vakum sehingga elektron terpencar keluar dari permukaan tersebut

Jika elektron yang terpencar dari logam emitter mempunyai cukup energi, yaitu lebih besar dari potensial penghenti, maka elektron tersebut akan mampu mencapai kolektor dan terdeteksi sebagai arus listrik (I) oleh amperemeter. Untuk dapat mencapai kolektor ( katoda), elektron harus mempunyai energi kinetik sama atau lebih besar dan energi potensial listrik yang diperlukan elektron bergerak dari emitter (anoda) ke kolektor (eV). Dengan demikian secara matematis dapat dituliskan:    

Ø    Ek = ½ m_ev²  ...................................................................................    (1)

Jika elektron lebih kecil dari eV, maka elektron tidak akan mencapai katoda, akibatnya tidak akan ada arus elektron yang terdeteksi oleh amperemeter. Jika energi kinetik maksimum adalah energi elektron yang paling energetik yang dibebaskan melalui efek fotolistrik, maka energi tersebut dapat ditentukan dengan mencari beda potensial Vo, di mana tegangan Vo ini adalah tegangan pada saat ampermeter menjadi nol ( arus elektron menjadi nol). Pada keadaan ini, maka berlaku hubungan :

Ø     Ek = e Vo  ................................................................................................   (2)

     Dimana, Vo  adalah potensial pemberhenti ( stopping potensial )

Dengan menggunakan teori Planck, Einstein menemukan gejala fotolistrik dengan persamaan :

Ø     E = hf = Ek_max + W_o  ................................................................................   (3)

Di mana,    Ek_max = Energi kinetik maximum

                              W_o       = fungsi kerja

Persamaan di atas memungkinkan pengukuran  konstanta Planck ( h) dengan analisis sebagai  berikut:

Cahaya dengan energi  hf  menabrak elektron katoda di dalam tabung hampa elektron memanfaatkan energi minimum W_o untuk melepaskan diri  dari katoda keluar beberapa energi maksimum Ek _max. Umumnya elektron tersebut mencapai anoda dan dapat diukur sebagai arus fotoelektron. Ek_max dapat ditentukan dengan mengukur potensial balik minimum yang diperlukan untuk menghentikan fotoelektron dan mengurangi arus fotolistrik hingga mencapai nol. Hubungan antar energi kinetik dan potensial penghenti diberikan  oleh .

Ø Ek_max = eV  ................................................................................     (4)

Maka, didapat persamaan Einstein :

Ø hf = eV + W_o ..............................................................................     (5)

Bila v dan f diplot, akan diperoleh grafik seperti berikut:

          V

                                                   h/e

 

                                                            f

Perpotongan  kurva dengan V sama dengan W_o/e dan kemiringan kurva  adalah h/e . Dengan mengetahui nilai e, konstanta h dapat ditentukan .

METODE EKSPERIMEN

A.      Variabel

1.       Variabel Terukur

       -  Potensial penghenti

2.       Variabel Terhitung

-    Energi kinetik

-    Konstanta planck

B.       Alat dan Bahan

1.       Digital Voltmeter ( SE- 9589)

2.       h/e apparatus (AP-9368)

3.       h/e Apparatus Ascessory Kit (AB-9369)

4.       Mercury vapor Light Source ( OS-9286)

C.       Prosedur Kerja

      Percobaan I

      Percobaan ini menyelidiki energi maksimum fotoelectrón sebagai fungís intensitas.

1. Mengukur h/e apparatus sehingga hanya satu bagian dari pita warna kuning yang jatuh pada mask foto dioda. Meletakkan filter kuning pada white reflective mask.
2. Meletakkan filter yang bersesuaian dengan warna spektrum pada white reflective mask.

3. Meletakkan variabel transmissian filter di depan white reflective mask sehingga cahaya melewati bagian yang bertanda 100% dan mencapai foto dioda.
4. Mencatat tegangan VDM pada tabel disediakan. Menggerakkan variabel transmissian filter sehingga bagian berikutnya tepat pada cahaya datang. Mencatat  VDM  memperkirakan waktu pemuatan ( recharge) setelah tombol discharge ditekan dan dilepaskan.
5. Mengulangi langkah satu sampai ke empat untuk kelima bagian filter telah diuji. Mengulangi seluruh langkah dengan warna kedua yang berbeda. Lihat tabel 1dan 2.

Percobaan 2

Percobaan ini bertujuan menyelidiki hubungan antara energi, panjang gelombang   dan cahaya. Dari hubungan tersebut konstanta Planck dapat ditentukan.

1.   Memeriksa 5 jenis warna dan dua orde pada spektrum mercury.

2. Mengukur h/e  apparatus dengan hati – hati sehingga satu warna dari orde pertama (orde palingterang ) yang jatuh pada bukaan mask foto dioda.

3.   Untuk setiap warna pada setiap orde, mengukur potensial penghenti dengan DVM dan mencatat hasilnya pada tabel yang diberikan. Menggunakan filter kuning dan hijau pada reflection mask ketika pengukuran dengan cahaya kuning dan hiaju dilakukan.

4.  Melanjutkan pengukuran untuk orde kedua dengan mengulangi seluruh proses di atas.  Lihat tabel (3).

DAFTAR PUSTAKA

Kamanjaya.1996. Penuntun belajar Fisika 3 Berdasarkan kurikulum  1994.Bandung.Ganeca Exact

Sutopo.2004. Pengantar Fisika Kuantum. Malang.FMIPA UNM Malang

Kenneth  Krane. 2006 . Fisika Moderen. Jakarta. UI Jakarta

Tim Dosen Eksperimen Fisika .2010. Penuntun Eksperimen Fisika ,makassar. FMIPA UNM makassar