LAPORAN AKHIR

MATA KULIAH EKSPERIMEN FISIKA 1

EFEK FOTOLISTRIK

Disusun untuk memenuhi tugas Eksperimen Fisika 1

Oleh :

Nurfaizatul Jannah

NIM. 141810201051

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS JEMBER

2016

EFEK FOTOLISTRIK

Nurfaizatul Jannah1

1Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Jember

* Email: andersgabriella.kelvin@gmail.com

19 Desember 2016

ABSTRAK

Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam ketika disinari oleh cahaya yang memiliki energi lebih besar daripada fungsi kerja logam. Tujuan percobaan efek fotolistrik selain untuk mengetahui konstanta Planck dan fungsi kerjanya, juga untuk mengetahui pengaruh intensitas dan frekuensi cahaya terhadap besarnya potensial penghenti yang terbaca. Data yang dicari adalah potensial penghenti, dengan pengulangan sebanyak 3 kali. Variasi yang dilakukan untuk mengetahui pengaruh intensitas dan frekuensi terhadap potensial penghenti berturut-turut adalah persentase filter transmisi dari 20% hingga 100% dan frekuensi dari rendah ke tinggi (kuning-ungu) untuk orde 1 dan 2. Hasil menunjukkan bahwa konstanta Planck untuk orde 1 dan 2 berturut-turut sebesar 3,87×10−15eV . s dan 4,00 × 10−15 eV . s dengan deskripansi sekitar 8% dan 3%. Sementara fungsi kerja fotodioda yang diperoleh ialah 2,2 ×10−20 V untuk orde 1 dan 4,6 × 10−20 V untuk orde 2. Diketahui pula bahwa tidak ada pengaruh intensitas terhadap potensial penghenti, karena yang mempengaruhi adalah frekuensi.

Kata kunci: Efek Fotolistrik, Frekuensi, Konstanta Planck, Fungsi Kerja.

1. PENDAHULUAN

Efek fotolistrik adalah peristiwa

terlepasnya elektron dari permukaan logam

karena logam tersebut disinari cahaya. Untuk

menguji teori kuantum yang dikemukakan

oleh Max Planck, kemudian Albert Einstein

mengadakan suatu penelitian yang bertujuan

untuk menyelidiki bahwa cahaya merupakan

pancaran paket-paket energi yang kemudian

disebut foton yang memiliki energi sebesar

h f . Percobaan yang dilakukan Einstein lebih

dikenal dengan sebutan efek fotolistrik

(Purwanto,1999).

Gambar 1.1 Skema Percobaan Efek Fotolistrik

(Sumber : Soedojo, 1998)

Gambar di atas menggambarkan skema

alat yang digunakan Einstein untuk

mengadakan percobaan. Alat tersebut terdiri

atas tabung hampa udara yang dilengkapi

dengan dua elektroda, yaitu katoda dan anoda

yang dihubungkan dengan tegangan arus

searah (DC). Pada saat alat tersebut dibawa

ke ruang gelap, maka amperemeter tidak

menunjukkan adanya arus listrik. Akan tetapi

pada saat permukaan katoda dijatuhkan sinar,

amperemeter menunjukkan adanya arus

listrik. Aliran arus ini terjadi karena adanya

elektron yang terlepas dari permukaan (yang

selanjutnya disebut fotoelektron) katoda

bergerak menuju anoda. Apabila tegangan

baterai diperkecil sedikit demi sedikit,

ternyata arus listrik juga semakin mengecil

dan jika tegangan terus diperkecil sampai

nilainya negatif, ternyata pada saat tegangan

mencapai nilai tertentu (−V 0), amperemeter

menunjuk angka nol yang berarti tidak ada

arus listrik yang mengalir atau tidak ada

elektron yang keluar dari keping katoda.

Potensial V 0 ini disebut potensial penghenti

yang nilainya tidak tergantung pada intensitas

cahaya yang dijatuhkan. Hal ini menunjukkan

bahwa energi kinetik maksimum elektron

yang keluar dari permukaan adalah sebesar :

Ek=12

mv2=eV 0 (1.1)

Berdasarkan hasil percobaan ini ternyata

tidak semua cahaya (foton) yang dijatuhkan

pada keping katoda akan menimbulkan efek

fotolistrik. Efek fotolistrik akan timbul jika

frekuensinya lebih besar dari frekuensi

tertentu. Demikian juga frekuensi minimal

yang mampu menimbulkan efek fotolistrik

tergantung pada jenis logam yang digunakan

(Krane, 1992).

Ternyata teori gelombang gagal

menjelaskan tentang sifat-sifat penting yang

terjadi pada efek fotolistrik, antara lain :

Pertama, menurut teori gelombang, energi

kinetik fotoelektron harus bertambah besar

jika intensitas foton diperbesar. Akan tetapi

kenyataan menunjukkan bahwa energi kinetik

fotoelektron tidak bergantung pada intensitas

foton yang dijatuhkan. Kedua, menurut teori

gelombang, efek fotolistrik dapat terjadi pada

sembarang frekuensi, asal intensitasnya

memenuhi. Akan tetapi kenyataannya efek

fotolistrik baru akan terjadi jika frekuensi

melebihi harga tertentu dan untuk logam

tertentu dibutuhkan frekuensi minimal

tertentu agar dapat timbul fotoelektron.

Ketiga, menurut teori gelombang, diperlukan

waktu yang cukup untuk melepaskan elektron

dari permukaan logam. Akan tetapi

kenyataannya elektron terlepas dari

permukaan logam dalam waktu singkat

¿10−9 s setelah waktu penyinaran. Terakhir,

teori gelombang tidak dapat menjelaskan

mengapa energi kinetik maksimum

fotoelektron bertambah jika frekuensi foton

yang dijatuhkan diperbesar (Beiser,1999).

Menurut Muljono (2003), teori

kuantum mampu menjelaskan peristiwa efek

fotolistrik karena menurut teori kuantum,

foton memiliki energi yang sama, yaitu

sebesar h f , sehingga menaikkan intensitas

foton berarti hanya menambah banyaknya

foton, tidak menambah energi foton selama

frekuensi foton tetap. Menurut Einstein,

energi yang dibawa oleh foton adalah dalam

bentuk paket, sehingga jika diberikan pada

elektron akan diberikan seluruhnya dan foton

tersebut lenyap. Oleh karena elektron terikat

pada energi ikat tertentu, maka diperlukan

energi minimal sebesar energi ikat elektron

tersebut. Besarnya energi minimal yang

diperlukan untuk melepaskan elektron dari

energi ikatnya disebut fungsi kerja (ϕ0) atau

energi ambang. Besarnya ϕ0 tergantung pada

jenis logam yang digunakan. Apabila energi

foton yang diberikan pada elektron lebih

besar dari fungsi kerjanya, maka kelebihan

energi tersebut akan berubah menjadi energi

kinetik elektron. Akan tetapi jika energi foton

lebih kecil dari energi ambangnya (h f <ϕ0 ¿

tidak akan menyebabkan elektron terlepas

dari logam. Frekuensi foton terkecil yang

mampu meampu melepaskan elektron dari

logam disebut frekuensi ambang. Sebaliknya

panjang gelombang terbesar yang mampu

melepaskan elektron dari logam disebut

panjang gelombang ambang. Sehingga

hubungan antara energi foton, fungsi kerja

dan energi kinetik fotoelektron dapat

dinyatakan dalam persamaan :

E=ϕ0+Ek (1.2)

Ek=E−ϕ0 (1.3)

Sehingga

Ek=hf −h f 0=h( f − f 0) (1.4)

Gambar 1.2 Grafik Hubungan Ek dengan f

(Sumber : Soedojo, 1998)

dengan :

Ek=Energi kinetik maksimum fotoelektron

E=Energi kuantum foton

ϕ0=Fungsi kerja logam

f =Frekuensi foton

f 0=Frekuensiambang

Berdasarkan percobaan yang telah

dilakukan oleh Einstein, praktikan mencoba

Start

Rangkai alat

Hidupkan sumber cahaya merkuri

Hidupkan h/e apparatus dan atur posisinya

Tekan “push to zero” / “discharge”

Gunakan filter kuning

Pilih intensitas transmisi

Catat potensial penghenti yang terbaca

Intensitas cahaya sudah terpakai semua

Ganti intensitas cahaya

Filter kuning sudah digunakan

Ganti filter hijau

End

melakukan eksperimen efek fotolistrik

kembali untuk mencari fungsi kerja dari

fotodioda yang digunakan dalam ekpserimen

dan konstanta Planck yang didapatkan, serta

pengaruh intensitas dan frekuensi cahaya

terhadap potensial penghenti (stopping

potential) yang terukur.

2. METODE EKSPERIMEN

2.1 Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan dalam

eksperimen efek fotolistrik adalah sumber

cahaya merkuri yang berfungsi sebagai

sumber cahaya, h/e apparatus berfungsi

sebagai tempat terjadinya fotolistrik, lensa

atau grating sebagai pendifraksi cahaya

merkuri, relative transmission sebagai

peredup intensitas cahaya, voltmeter digital

sebagai pembaca potensial penghenti, light

block sebagai pemblock cahaya, dan filter

hijau serta kuning untuk meneruskan

spektrum warna hijau dan kuning.

2.2 Desain Eksperimen

Desain percobaan yang digunakan

dalam ekperimen efek fotolistrik adalah

sebagai berikut :

Gambar 2.1 Skema Percobaan Efek Fotolistrik

(Sumber : Tim Penyusun, 2016)

2.3 Langkah Kerja

2.3.1 Pengaruh intensitas cahaya terhadap

potensial penghenti

Start

Rangkai alat

Hidupkan sumber cahaya merkuri

Hidupkan h/e apparatus dan atur posisinya

Pastikan spektrum warna kuning tepat mengenai bagian tengah fotodioda

Gunakan filter warna (hanya untuk spektrum kuning dan hijau)

Tekan “push to zero” / “discharge”

Catat potensial penghenti yang terbaca

Spektrum kuning sudah digunakan

Ganti spektrum warna lain

dari merkuri

Orde satu sudah diamati

Ganti spektrum

warna pada orde dua

End

2.3.2 Pengaruh frekuensi cahaya terhadap

potensial penghenti

2.4 Analisis Data

Analisis data yang digunakan dalam

ekperimen efek fotolistrik adalah sebagai

berikut :

2.4.1 Tabel Data Pengamatan

Tabel 2.1 Pengaruh filter transmisi (jumlah

foton) terhadap besar potensial penghenti

Tabel 2.2 Pengaruh frekuensi gelombang

elektromagnetik terhadap besar potensial

penghenti

2.4.2 Persamaan yang Digunakan

Dengan memplot grafik hubungan

antara frekuensi dan tegangan penghenti yang

dihasilkan, didapatkan persamaan garis

regresi sebagai berikut :

y=mx+c

y=∆ V=he

υ−ϕe

Atau

Filter Transmisi (%)

Tegangan Penghenti (Volt)

Frekuensi (Hz)

Tegangan Penghenti (Volt)

m=he=

N∑ xi y i−∑ x i∑ y i

N∑ x2i−(∑ x i)

2

c=ϕe=∑ y i−m∑ x i

N

Dengan ralat grafik

Δ y=√ 1N −2 (∑i=1

N

y i2−m∑

i=1

N

x i y i−c∑i=1

N

y i) Δ m= Δ y N1 /2

[ N∑ x2i−(∑ x i )

2 ]1 /2

Δ c=√ Δm 1N ∑

i=1

N

x2i

2.4.3 Grafik

a. Grafik hubungan filter transmisi

terhadap besar potensial penghenti

b. Grafik hubungan frekuensi transmisi

terhadap besar potensial penghenti

3. HASIL

Berdasarkan percobaan efek fotolistrik

yang telah dilakukan, diperoleh hasil sebagai

berikut :

Tabel 3.1 Pengaruh filter transmisi (jumlah

foton) terhadap besar potensial penghenti

Filter

Transmisi

(%)

Potensial Penghenti (Volt)

Kuning Hijau Biru Ungu

20 1,15 1,42 1,87 2,38

40 1,32 1,62 2,07 2,53

60 1,48 1,76 2,25 2,63

80 1,57 1,83 2,31 2,72

100 1,92 2,12 2,53 2,97

Gambar 3.1 Grafik hubungan filter transmisi

terhadap besar potensial penghenti

Tabel 3.2 Pengaruh frekuensi gelombang

elektromagnetik terhadap besar potensial

penghenti pada orde satu

Warna Frekuensi (Hz)Potensial

Penghenti (V)

Kuning 5,187 ×1014 2,14

Hijau 5,49 ×1014 2,27

Biru 6,879 ×1014 2,85

Ungu 7,409 ×1014 2,98

h (eV.s) Δh (eV.s) ɸ (V) Δ ɸ (V)

3,8769

×10−15

2,09577

×10−16

2,24532

×10−20

2,11585

×10−20

Gambar 3.2 Grafik hubungan frekuensi

tranmisi terhadap potensial penghenti pada

orde satu

Gambar 3.3 Grafik eror hubungan frekuensi

transmisi terhadap potensial penghenti pada

orde satu

Tabel 3.3 Pengaruh frekuensi gelombang

elektromagnetik terhadap besar potensial

penghenti pada orde dua

Warna Frekuensi (Hz)Potensial

Penghenti (V)

Kuning 5,187 ×1014 1,73

Hijau 5,49 ×1014 1,98

Biru 6,879 ×1014 2,41

Ungu 7,409 ×1014 2,7

h (eV.s) Δh (eV.s) ɸ (V) Δ ɸ (V)

4,0003

×10−15

4,14286

×10−16

4,6669

×10−20

4,1826

×10−20

Gambar 3.4 Grafik hubungan frekuensi

transmisi terhadap besar potensial penghenti

pada orde dua

Gambar 3.5 Grafik eror hubungan frekuensi

transmisi terhadap besar potensial penghenti

pada orde dua

4. DISKUSI

Efek fotolistrik adalah peristiwa

terlepasnya elektron dari permukaan logam

ketika energi foton lebih besar dari fungsi

kerja yang dimiliki oleh logam tersebut,

dimana besarnya energi foton selain

tergantung pada frekuensi juga bergantung

pada konstanta Planck. Untuk mengetahui

fungsi kerja fotodioda yang digunakan serta

konstanta Planck yang diperoleh berdasarkan

eksperimen, maka dapat dilakukan analisa

pada garis regresi yang merupakan hasil plot

antara frekuensi dan potensial penghenti.

Hasil pada tabel 3.2 dan 3.3 menunjukkan

bahwa nilai konstanta Planck yang diperoleh

pada orde 1 dan orde 2 berturut-turut sebesar

3,87×10−15eV . s dan 4,00 × 10−15 eV . s. Nilai

tersebut sedikit menyimpang dari nilai

konstanta Planck secara teori, yakni

4,135 × 10−15 eV . s dengan deskripansi orde 1

dan 2 berturut-turut sebesar 8,1 % dan dan

3,3 %. Nilai deskripansi tersebut menyatakan

bahwa semakin kecil persentasenya, maka

nilai konstanta Planck yang diperoleh

berdasarkan eksperimen semakin mendekati

nilai yang seharusnya. Sementara itu fungsi

kerja fotodioda yang dihasilkan pada orde 1

dan 2 berturut-turut sebesar 2,2×10−20 V dan

4,6× 10−20 V . Nilai tersebut tidak dapat

dibandingkan dengan nilai referensi karena

tidak ada data referensi yang menyebutkan

nilai fungsi kerja fotodioda tersebut.

Berdasarkan grafik hubungan antara

persentase filter transmisi dan potensial

penghenti untuk masing-masing spektrum

warna, diketahui bahwa seiring bertambahnya

persentase filter transmisi, maka potensial

penghenti yang terukur semakin besar,

dimana persentase transmisi menyatakan

besar kecilnya intensitas foton yang

dikenakan pada fotodioda. Hasil tersebut

kurang sesuai dengan teori yang ada, dimana

Krane menyebutkan dalam bukunya bahwa

kenaikan intensitas sumber cahaya akan

berakibat pada semakin banyaknya

fotoelektron yang dipancarkan, namun

demikian semua fotoelektron memiliki energi

kinetik yang sama. Tidak sesuainya hasil

ekperimen dengan referensi yang ada

diindikasikan karena saat cahaya memasuki

filter transmisi, terdapat perbedaan indeks

bias antara bahan dan udara, sehingga

mengakibatkan fase gelombang cahaya

sedikit berubah, dengan komponen

perubahannya adalah frekuensi. Dengan

demikian, adanya filter transmisi

mengakibatkan adanya perubahan frekuensi

cahaya datang, sehingga potensial penghenti

yang terukur sedikit menyimpang seiring

kenaikan intensitas atau persentase filter

transmisi.

Tujuan ekperimen yang ingin dicapai

selanjutnya adalah mengetahui pengaruh

frekuensi sinar yang digunakan terhadap nilai

potensial penghenti. Berdasarkan hasil

eksperimen, diketahui bahwa semakin besar

frekuensi yang digunakan, maka semakin

besar pula potensial penghentinya. Hal

tersebut bersesuaian dengan teori yang ada,

dimana secara teori disebutkan bahwa energi

cahaya yang menembak logam (dalam hal ini

fotodioda) tergantung pada frekuensi.

Sehingga, semakin besar frekuensi cahaya,

semakin besar pula energinya dan semakin

besar potensial penghenti yang diperlukan

untuk menahan arus yang mengalir.

5. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan eksperimen efek fotolistrik

yang telah dilakukan, dapat disimpulkan

bahwa :

1. Konstanta Planck untuk orde 1 dan 2

berturut-turut adalah 3 , 87 ×10−15eV . s

dan 4,00 × 10−15 eV . s. Sementara

fungsi kerja yang diperoleh untuk orde

1 adalah 2,2 ×10−20 V dan 4,6 × 10−20 V

untuk orde 2.

2. Intensitas cahaya tidak berpengaruh

pada potensial penghenti.

3. Frekuensi cahaya berbanding lurus

dengan potensial penghenti

5.2 Saran

Berdasarkan pengalaman praktikan

dalam melaksanakan ekperimen efek

fotolistrik, disarankan agar referensi dari

fungsi kerja fotodioda dicantumkan, sehingga

memudahkan praktikan dalam

membandingkan antara hasil ekperimen

dengan nilai yang seharusnya. Selain itu, ada

baiknya fotodioda yang telah digunakan

diganti terlebih dahulu terkait dengan

sensitivitas dan perolehan data yang lebih

kredibel.

DAFTAR PUSTAKA

1. Beiser, Arthur. 1999. Konsep Fisika

Modern. Jakarta : Erlangga.

2. Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern.

Jakarta : Universitas Indonesia.

3. Muljono. 2003. Fisika Modern.

Yogyakarta : Andi.

4. Purwanto, Agus. 1999. Fisika Kuantum.

Yogyakarta : Penerbit Gaya Media.

5. Soedojo, Peter, B.Sc. 1998. Fisika Dasar.

Yogyakarta : Andi.

6. Tim Penyusun Buku Panduan Praktikum

Eksperimen Fisika 1. 2016. Buku

Panduan Praktikum Eksperimen

Fisika 1. Jember : FMIPA Universitas

Jember.