|
Konstanta Planck
|
|
Yulita Inayatus Shiddiqah, Ridlo Fajrittamam
Jurusan
Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi
Sepuluh
Nopember
Jl. Arief
Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: vivat.itsku@gmail.com |
Abstrak—Sebuah percobaan konstanta planck telah selesai dilakukan. Percobaan ini bertujuan untuk menentukan fungsi kerja suatu material dan nilai konstanta planck. Peralatan
dan bahan yang digunakan pada percobaan ini yaitu planck’s constant experiment apparatus, tegangan AC 220 volt,
dan filter warna (merah, kuning, hijau, biru). Percobaan
ini menggunakan konsep efek fotolistrik. Data yang diperoleh berupa arus keluaran
(Iout) dan stopping potensial (Vs). Percobaan dilakukan
dengan memberikan variasi pada intensitas cahaya (intensitas 1, 2, 3, dan 4),
variasi pada frekuensi cahaya (filter warna merah, kuning, hijau dan biru)
serta variasi sensitivitas (0,1 dan 1). Fungsi kerja dan nilai konstanta planck
diperoleh dari perhitungan berdasarkan regresi linier pada grafik hubungan
frekuensi dengan stopping potensial. Dari percobaan konstanta planck ini dapat disimpulkan bahwa konstanta planck yang paling mendekati nilai konstanta planck
sesungguhnya terjadi pada saat sensitivitas 1,
intensitas 3 yaitu sebesar 6.2896x10-34 J.s. Fungsi kerja yang
dihasilkan sebesar 1.291 eV dan eror
yang terjadi sebesar 5.0784%.
Kata Kunci—Konstanta
planck, fungsi kerja, intensitas cahaya.
I. PENDAHULUAN
|
|
cahaya mempunyai sifat yang dapat dipantulkan dan
dibiaskan. Jika kita melihat benda yang berasa didalam air maka benda akan
kelihatan lebih dekat. Hal ini karena peristiwa pembiasan atau refraksi.
Sedangkan pada pemantulan dapat dibedakan berdasarkan bidang pantulnya, dimana
cahaya akan terpantul sempurna jika dipantulkan oleh bidang datar dan akan
memantul secara tidak teratur jika pada bidang yang tidak rata.
Perambatan cahaya paling baik dijelaskan dengan model gelombang tetapi
pemahaman tentang pemancaran dan penyerapan memerlukan pendekatan partikel.
Dari semua analisis pengukuran sampai tahun 1983, nilai yang paling mungkin
untuk laju cahaya saat itu adalah[6]
C = 2,99792458 x 108 m/s (1.1)
Dalam
studi experimental terhadap efek fotoelektrik, kita menggunakan tabung yang divakumkan dengan dua
elektroda yang digubungkan dengan rangkaian eksternal. Keping logam yang
permukaannya mengalami radiasi, digunakan sebagai anode. Sebagian dari foto
elektron yang muncul dari permukaan yang mengalami radiasi memiliki energi yang
cukup untuk mencapai katode, walaupun muatannya negatif, dan elektron tersebut
menbentuk arus yang dapat diukur dalam amperemeter. Ketika potensial v
diperbesar, elektron yang mencapai katode lebih sedikit dan arusnya menurun
akhirnya ketika v sama dengan atau melebihi suatu harga Vo yng besarnya dsn
orde beberapa volt, maka tidaka ada elektron yang mencapai katode dan arusnya terhenti. [5]
Kita akan mempelajari bagaimana
laju dan energi kinetik elektron yang terpancar bergantung pada intensitas dan
panjang gelombang sumber cahaya. Laju pancaran elektron diukur sebagai arus
listrik pada rangkaian luar dengan menggunakan sebuah ammeter, sedangkan energi
kinetiknya ditentukan dengan mengenakan suatu potensial perlambat (retarding
potential) pada anoda sehingga elektron tidak mempunyai energi yang cukup untuk
“memanjati” bukit potensial yang terpasang. Secara eksperimen, tegangan
perlambat terus diperbesar hingga pembacaan arus pada ammeter menurun ke nol.
Tegangan yang bersangkutan ini disebut potensial henti (stopping potential) Vs.
Karena elektron yang berenergi tertinggi tidak dapat melewati potensial henti
ini, maka pengukuran Vs merupakan suatu cara untuk menentukan energi kinetik
maksimum elektron Kmaks:
Kmaks
= e Vs
(1.2)
e adalah
muatan elektron. Nilai khas Vs adalah dalam orde beberapa volt.[2]
Einstein
mengasumsikan bahwa “kuantitas energi yang digunakan Planck dalam menyelesaikan
permasalahan radiasi benda hitam, ternyata merupakan sifat universal cahaya”.
Energi cahaya yang terkuantisasi sebesar h
f, ketika salah satu kuanta yang disebut foton menumbuk permukaan katoda,
seluruh energi ini dapat diserap sempurna oleh elektron tunggal. Bila W adalah
energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari permukaan (W disebut
fungsi kerja dan merupakan karakteristik logam), energi kinetik maksimum
elektron untuk meninggalkan permukaan adalah sebesar h f – W sebagai konsekuensi dari konservasi energi. Jadi, potensial
henti diberikan oleh: [3]
eVs = (1/2 mv2)maks = h f – W (1.3)
Sebuah
foton yang memasok energi sebesar W, yang adalah tepat sama dengan energi yang
dibutuhkan untuk melepaskan sebuah elektron, berkaitan dengan cahaya yang
panjang gelombangnya sama dengan panjang gelombang pancung ( λc ).
Pada panjang gelombang ini, tidak ada kelebihan energi yang tersisa bagi energi
kinetik fotoelektron, sehingga
W = h f = h (1.4)
maka,
λc = (1.5)
Karena kita memperoleh satu foto elektron
untuk setiap foton yang terserap maka penaikan intensitas sumber cahaya akan
berakibat semakin banyak foto elektron yang dipancarkan, namun demikian semua
foto elektron ini akan memiliki energi kinetik yang sama, karena semua foton
memiliki energi yang sama.[2]
Radiasi elektromagnetik
terdiri dari paket energi diskret mirip partikel yang disebut foton atau
kuantum. Setiap foton memiliki energi E yang bergantung hanya pada frekuensi
radiasi f dan dengan h=6,626 x 10-34
J.s adalah konstanta planck.[1]
II. METODE
Langkah
pertama yang dilakukan dalam praktikum ini yaitu disiapkan alat dan bahan yang diperlukan yaitu
planck’s constant experiment apparatus, tegangan AC 220 volt, dan filter warna
(merah, kuning, hijau, biru) seperti ditunjukkan pada gambar 2.1. Langkah selanjutnya yaitu dipastikan
ampermeter dan voltmeter pada planck’s constant experiment dalam posisi nol
dengan cara memutar zero adjusting. Kemudian alat dihubungkan dengan tegangan 220
volt, lalu dinyalakan dengan memutar power switch pada posisi on (pilot lamp
menyala). Meas/calib diatur pada posisi meas dan inter/exter pada posisi inter.
Selanjutnya filter warna dimasukkan pada folter intel, dan kemudian ditutup
kembali. Langkah berikutnya diatur sensitivity pada alat, lalu light adjusting
dial diputar agar incandescent lampu menyala. Kemudian diamati dan dicatat
nilai arus pada amperemeter. Selanjutnya anodic voltage adjusting dial diputar
ke kanan agar beda potensial pada foto katoda naik sampai ampermeter
menunjukkan angka nol. Lalu diamati dan dicatat besar potensial pada voltmeter.
Percobaan ini diulangi untuk intensitas yang berbeda (intensitas 1,2,3,4) dan
dilakukan variasi sensitivitas (0.1
dan 1) serta variasi filter warna (merah, kuning, hijau, biru). Kemudian dibuat
grafik hubungan stopping potensial dengan frekuensi.
Dari grafik yang dibuat, akan didapatkan nilai regresi linier:
y = ax + b (6)
yang digunakan untuk menghitung nilai
konstanta planck dan fungsi kerja. Sumbu y pada grafik adalah nilai stopping potensial
(Vs) sedangkan sumbu x adalah nilai frekuensi cahaya (f). Berdasarkan
pada persamaan (1.2) yaitu:
Kmaks = eVs
h = a.e (J.s) (2.4)
W = ∣b∣ (eV)
(2.5)
Pada percobaan ini terdapat eror pada alat sebesar setengah dari
skala terkecil pada voltmeter. Skala terkecil pada voltmeter adalah 0.1
sehingga eror alatnya sebesar ± 0.05. Eror pada alat ini menyebabkan eror pada
perhitungan. Untuk menghitung eror perhitungan, digunakan rumus:
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah
dilakukan percobaan, didapatkan data berupa nilai Iout (μA) dan
stopping potensial Vs (Volt) yang ditunjukkan pada tabel 1 berikut
ini.
Tabel 1. Data arus dan stopping potensial yang
dihasilkan dalam percobaan
|
Warna
|
Sensitivitas
|
Intensitas
|
I(μA)
|
Vs(volt)
|
|
Merah
|
0.1
|
1
|
15
|
0,3
|
|
2
|
15
|
0,4
|
||
|
3
|
20
|
0,5
|
||
|
4
|
25
|
0,5
|
||
|
1
|
1
|
5
|
0,2
|
|
|
2
|
6
|
0,25
|
||
|
3
|
7,5
|
0,3
|
||
|
4
|
9
|
0,4
|
||
|
Kuning
|
0.1
|
1
|
33
|
0,75
|
|
2
|
45
|
0,8
|
||
|
3
|
52,5
|
1
|
||
|
4
|
57,5
|
1,01
|
||
|
1
|
1
|
17,5
|
0,6
|
|
|
2
|
20
|
0,7
|
||
|
3
|
27,5
|
0,78
|
||
|
4
|
31
|
0,9
|
||
|
Hijau
|
0.1
|
1
|
25
|
0,79
|
|
2
|
37
|
0,83
|
||
|
3
|
45
|
1,3
|
||
|
4
|
50
|
1,35
|
||
|
1
|
1
|
5
|
0,65
|
|
|
2
|
15
|
0,7
|
||
|
3
|
21
|
0,75
|
||
|
4
|
26
|
0,8
|
||
|
Biru
|
0.1
|
1
|
25
|
0,9
|
|
2
|
42,5
|
1
|
||
|
3
|
55,5
|
1,35
|
||
|
4
|
65
|
1,5
|
||
|
1
|
1
|
25,5
|
0,8
|
|
|
2
|
42,5
|
1,1
|
||
|
3
|
55
|
1,25
|
||
|
4
|
65
|
1,35
|
Untuk mencari
nilai frekuensi cahaya (f), digunakan
persamaan (2.1) maka didapat hasil :
Tabel 2. Hasil perhitungan frekuensi cahaya
|
Warna
|
Rentang
panjang gelombang (nm)
|
Rata-rata
|
c (108 m/s)
|
Frekuensi
(1017
Hz)
|
|
|
Merah
|
625
|
750
|
685
|
3
|
0.000436364
|
|
Kuning
|
570
|
590
|
580
|
3
|
0.005172414
|
|
Hijau
|
495
|
570
|
532.5
|
3
|
0.005633803
|
|
Biru
|
450
|
495
|
472.5
|
3
|
0.006349206
|
Berdasarkan
data pada Tabel 1 dan Tabel 2, menunjukkan bahwa semakin besar frekuensi cahaya
menimbulkan arus keluaran (Iout) yang juga semakin besar.
Pengaruh filter warna dalam
percobaan ini adalah pada keluaran cahaya yang dihasilkan. Karena filter warna
tertentu hanya meloloskan cahaya dengan panjang gelombang tertentu pula.
Semakin kecil panjang gelombang warna maka akan semakin besar pula arus serta
stopping potensial yang dihasilkan. Kecuali pada filter warna biru. Nilai arus
cenderung menurun dibandingakan filter sebelumnya. Ini disebabkan karena
kesalahan pembacaan pada amperemeter analog.
Sedangkan pengaruh intensitas
pada percobaan ini adalah semakin besar intensitas cahaya yang diberikan maka
akan semakin besar pula arus dan stopping potensial yang dihasilkan. Intensitas
ini berkaitan dengan banyak sedikitnya foton yang dipancarkan. Maka semakin
besar intensitasnya akan semakin banyak foton yang dipancarkan maka akan
semakin besar pula arus dan stopping potensial yang dihasilkan.
Arus bertambah besar
berbanding lurus dengan frekuensi ini terjadi karena semakin besar
frekuensi cahaya, semakin besar energi pancarannya. Sehingga fotoelektron yang
dihasilkan dari penyinaran ini semakin banyak yang menyebabkan arus yang
mengalir semakin besar. Semakin besar arus menyebabkan stopping potensialnya
juga semakin besar.
Sedangkan pengaruh
sensitivitas pada percobaan ini yaitu sensitivitas 0.1 menghasilkan arus lebih besar dari pada
sensitivitas 1, hal ini dikarenakan sensitivitas 0.1 lebih sensitiv dalam
menunjukkan perubahan arus yang kecil sehingga arus yang ditunjukkan pada
ampermeter lebih besar daripada sensitivitas 1.
Metode
pengolahan data untuk mencari nilai konstanta planck dan fungsi kerja pada
percobaan ini menggunakan metode regresi linier. Regresi linier didapatkan
dengan membuat grafik hubungan stopping potensial (Vs) dengan
frekuensi (f). Stopping potensial (Vs)
sebagai sumbu y dan frekuensi (f)
sebagai sumbu x. Grafik dibuat tiap variasi sensitivitas dan variasi intensitas
cahaya. Sehingga terdapat 8 grafik yang dihasilkan, salah satunya ditunjukkan
oleh Grafik 1 berikut ini :
Grafik 1. Hubungan stopping
potensial dengan frekuensi saat intensitas 3 dan sensitivitas 1 μA.
Regresi linier grafik tersebut
adalah:
y = 393.1x – 1.291
dan a = 393.1; b = -1.291
nilai konstanta planck dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan (2.4):
h = a.e
h = (393.1 x 10-17)
x (1.602 x 10-19)
h = 6.2896 x 10-34
J.s
nilai h yang dihasilkan memiliki
selisih 0,3314. Nilai h yang tidak sama persis ini disebabkan oleh beberapa
faktor. Fakto yang pertama adalah ketelitian pembacaan arus dan stopping
potensial karena menggunakan multimeter analog. Sehingga nilai desimal
dibelakang koma dari pengukuran tidak dapat diketahui secara pasti. Faktor yang
kedua adalah adanya faktor-faktor mikromatis yang dalam percobaan diabaikan
pengaruhnya terhadap percobaan konstanta planck ini
faktor pengali 10-17
diberikan karena frekuensi yang digunakan dalam satuan 1017 Hz.
Sedangkan untuk menghitung fungsi kerja dapat menggunakan persamaan (9):
W = ∣b∣
W
= ∣-1.291∣
W
= 1.291 eV
Untuk menghitung nilai eror
perhitungan, digunakan persamaan (10):
Error = 5.0784021%
Selanjutnya,
hasil perhitungan konstanta planck, fungsi kerja dan eror dengan menggunakan
metode regresi linier pada grafik hubungan stopping potensial (Vs)
dengan frekuensi (f ) disajikan dalam
Tabel 3 berikut ini.
Tabel
3. hasil perhitungan nilai konstanta planck, fungsi kerja dan eror perhitungan
|
Sensitivitas
|
Inten-
sitas
|
h (J.s)
|
W
(eV)
|
Eror
(%)
|
|
0.1
|
1
|
7.93x10-34
|
1.847
|
19.6239
|
|
2
|
4.86x10-34
|
0.274
|
26.5933
|
|
|
3
|
5.42x10-34
|
0.236
|
18.2143
|
|
|
4
|
5.17x10-34
|
0.084
|
21.933
|
|
|
1
|
1
|
4.07x10-34
|
0.795
|
38.5461
|
|
2
|
4.07x10-34
|
0.745
|
38.5461
|
|
|
3
|
6.29x10-34
|
1.291
|
5.0784
|
|
|
4
|
4.95x10-34
|
0.614
|
25.3377
|
Grafik
1 adalah grafik yang menunjukkan nilai konstanta planck yang paling mendekati
nilai konstanta planck sesungguhnya. Dengan nilai eror terkecil yaitu 5.0784%.
Nilai ini diperoleh pada saat menggunakan sensitivitas 1 dan intensitas 3. grafik yang lain tidak
jauh berbeda dengan grafik 1. Hanya saja berbeda pada persamaan regresi
liniernya. Nilai konstanta planck pada ketujuh grafik tersebut juga mendekati
nilai konstanta planck sesungguhnya akan tetapi yang paling mendekati adalah
grafik 1. Eror terbesar terjadi pada saat sensitivitas 1, intensitas 1 dan
intensitas 2 yaitu sebesar 38.5461%.
IV. KESIMPULAN
Dari percobaan konstanta
planck ini dapat disimpulkan bahwa
konstanta planck yang paling mendekati nilai konstanta planck sesungguhnya
terjadi pada saat sensitivitas 1, intensitas 3 yaitu sebesar 6.29x10-34 J.s. Fungsi
kerja yang dihasilkan sebesar 1.291 eV
dan eror yang terjadi sebesar 5.0784%.
UCAPAN TERIMA KASIH
penulis mengucapkan
terima kasih kepada asisten Arum Puspita Sari, muhammad Nasrullah, Aris Widodo Ridlo fajrittamam, rekan-rekan praktikan dan semua pihak terkait praktikum
konstanta planck dalam melakukan percobaan dan penyelesaian laporan ini
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Beiser,
Arthur, 1986 “Konsep Fisika
Modern Edisi tiga” Erlangga, Jakarta.
[2]
Chang,Raymond.
2004 “Kimia Dasar”. Erlangga.Jakarta
[3]
Halliday,
Resnick. 1986 ”Fisika Modern”. Erlangga,Jakarta
[4]
Krane, Kenneth S, 1992 “Modern Physics”. John Willey & Sons, Inc. London.
[5]
Tipler, Llewellyn, “Modern Physics, fifth edition” W.H
Freeman and Company, New York, pp. 129, 2008.
[6]
Young,
Freedman. 2008. “FISIKA UNIVERSITAS”. Erlangga, Jakarta.
0 komentar:
Posting Komentar