EKSPERIMEN VIRTUAL EFEK FOTOLISTRIK

Johannes V.D. Wirjawan 1, Frans Hadi Prasetyo 2

1. Dosen P.MIPA PSP Fisika Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya, 2. Mahasiswa P.MIPA PSP Fisika Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya

Program Studi Pendidikan Fisika

Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya

Intisari

Kegiatan eksperimen di laboratorium merupakan bagian yang tidak terpisahkan pada pembelajaran bidang sains. Kesulitan pengadaan alat eksperimen karena mahalnya harga alat, misalnya Planck apparatus pada percobaan efek fotolistrik, dapat diatasi dengan membuat program eksperimen virtual yang memanfaatkan program animasi dan simulasi komputer dikombinasikan dengan data spesifikasi alat serta harga-harga besaran yang telah ditabelkan. Program eksperimen virtual efek fotolistrik dapat dirancang lebih realistis dengan menambahkan faktor random dalam perhitungan besaran yang diukur untuk mengakomodasikan ketidak pastian yang selalu terjadi dalam kegiatan pengukuran.

Kata-kata kunci : Efek fotolistrik, Planck apparatus, Rancangan eksperimen virtual.

VIRTUAL EXPERIMENT ON PHOTOELECTRIC EFFECT

Abstract

Experimental activity in a laboratory is an inevitable part of learning activity in science. The difficulty to provide laboratory with expensive experimental devices such as Planck apparatus for photoelectric effect experiment can be overcome by designing a virtual experiment using computer animation and simulation program combined with device specification data and the tabulated standard values. Virtual experiment on photoelectric effect can be designed more realistically by adding random factor on the calculated value of the measured quantity to accommodate uncertainty accompanying every measurement.

Keywords : photoelectric effect, Planck apparatus, virtual experiment design.


I. PENDAHULUAN

Pembelajaran sains, khususnya fisika, tidak mungkin dapat terlepas dari kegiatan eksperimen (laboratorium). Hal ini lebih menjadi perhatian dan lebih ditekankan pada Kurikulum 2004 Standar Kompetensi (Diknas, 2003) yang lebih dikenal sebagai Kurikulum Berbasis Kompetensi (KBK) dan mulai diterapkan di sekolah-sekolah menengah mulai tahun ajaran 2004. Kegiatan praktikum di laboratorium sebagai penunjang pengajaran fisika dalam KBK merupakan suatu keharusan yang tidak dapat ditawar lagi. Namun demikian, di sekolah-sekolah banyak dijumpai kesulitan untuk melaksanakan hal tersebut karena tidak tersedianya alat-alat praktikum. Kesulitan ini umumnya banyak dijumpai dalam pokok bahasan fisika modern, misalnya efek fotolistrik karena mahalnya peralatan ( Planck Apparatus ) yang digunakan dalam eksperimen.

Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya sebagian elektron pada permukaan logam akibat penyinaran dengan berkas cahaya. Dalam fisika Modern efek fotolistrik merupakan salah satu pokok bahasan yang mempunyai kedudukan istimewa karena interpretasi mekanisme terjadinya peristiwa ini telah mengantarkan fisika pada tahapan baru yang melahirkan fisika kuantum. Karenanya pemahaman efek fotolistrik yang optimal pada pembelajaran fisika modern amat diperlukan sehingga kegiatan laboratorium yang tidak dapat terlaksana karena tidak tersedianya Planck Apparatus perlu digantikan dengan kegiatan serupa. Salah satu alternatif yang dapat ditempuh adalah dengan merancang kegiatan eksperimen virtual yang memanfaatkan program aplikasi komputer untuk menampilkan hasil perhitungan yang disertai dengan animasi dan simulasi.

II. TEORI

Suatu berkas cahaya yang didatangkan pada permukaan logam alkali (Li, Na, K, Cs) akan menyebabkan terjadinya efek fotolistrik. Secara skematik rangkaian eksperimen efek fotolistrik terdiri atas dua plat logam (elektroda), yang ditempatkan dalam vakum dan terpisah pada jarak tertentu, dan dihubungkan dengan amperemeter dan potensiometer (yang dilengkapi dengan voltmeter) dalam suatu rangkaian seri seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.

Ketika pertama kali peristiwa ini ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887, interaksi antara berkas cahaya dan elektron-elektron logam menunjukkan beberapa sifat yang belum pernah dikenal sebelumnya, yaitu:

•  efek fotolistrik hanya terjadi pada frekuensi cahaya yang lebih besar daripada harga minimum tertentu (frekuensi ambang) yang bergantung pada jenis logam yang disinari.

•  terjadinya efek fotolistrik hampir bersamaan dengan saat datangnya sinar pada plat logam.

•  energi kinetik maksimum elektron fotolistrik pada logam tertentu hanya bergantung pada frekuensi berkas cahaya yang datang, tidak bergantung pada intensitas cahaya yang datang.

•  besar arus fotolistrik sebanding dengan intensitas cahaya yang datang.

Gambar 1. Rangkaian eksperimen efek fotolistrik.

Sifat-sifat di atas hanya dapat dijelaskan jika cahaya yang datang pada permukaan logam diperlakukan sebagai paket-paket energi yang disebut foton (Einstein, 1905). Dengan mengadopsi teori radiasi benda hitam (Planck, 1901) Einstein menyatakan bahwa besar energi masing-masing foton tersebut hanya ditentukan oleh frekuensi ( f ) foton, yaitu:

(1)

dengan h suatu konstanta yang besarnya 6,626 ´ 10 - 34 J.s dan selanjutnya dikenal sebagai konstanta Planck.

Efek fotolistrik hanya dapat terjadi jika energi foton datang lebih besar daripada rata-rata energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Energi ini dikenal sebagai fungsi kerja yang besarnya bergantung pada jenis logam dan sering disimbolkan sebagai . Besaran inilah yang menentukan frekuensi minimum atau frekuensi ambang ( ) yang dapat menghasilkan efek fotolistrik pada suatu permukaan logam, yaitu

(2).

Dalam interaksi antara foton datang dan elektron logam yang menghasilkan efek fotolistrik, energi seluruh foton diserap oleh elektron. Jika energi foton lebih besar daripada fungsi kerja logam maka selisih antara energi foton dan fungsi kerja akan terbawa oleh elektron sebagai energi kinetik ( ) sehingga elektron-elektron tersebut dapat melintasi ruang vakum antara kedua plat logam dan menghasilkan arus fotolistrik dalam rangkaian. Besar elektron fotolistrik dapat ditentukan dengan memberikan potensial perintang atau stopping potential, , dalam rangkaian untuk menghentikan arus fotolistrik. Besar hanya bergantung pada jenis logam ( ) dan frekuensi foton datang:

(3)

dengan menyatakan besar muatan elektron, yaitu 1,602 ´ 10 - 19 C.

Hubungan antara arus fotolistrik pada beberapa frekuensi dan potensial perintang pada suatu logam secara kualitatif ditunjukkan pada gambar 2. Dapat dilihat bahwa besar stopping potential membesar dengan bertambahnya frekuensi, sesuai dengan yang dirumuskan dalam persamaan (3).

Gambar 2. Arus fotolistrik oleh beberapa frekuensi

sebagai fungsi potensial perintang.

Data eksperimen menunjukkan bahwa untuk penyinaran dengan frekuensi di atas frekuensi ambang, besarnya arus berbanding lurus dengan intensitas penyinaran. Hal ini sesuai dengan yang diramalkan oleh persamaan (1) karena daya yang dibawa cahaya sebanding intensitas cahaya datang dan sebanding pula dengan jumlah foton persatuan volum per satuan waktu. Hubungan antara arus fotolistrik dengan potensial perintang pada dua harga intensitas ( I dan 2I ) ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 3. Kuat arus fotolistrik sebagai fungsi potensial

pada dua harga intensitas ( I dan 2I ).

Data eksperimen juga menunjukkan bahwa arus pada intensitas tertentu tanpa adanya potensial perintang kuat arus fotolistrik berharga sama. Hal ini menunjukkan bahwa efisiensi terjadinya interaksi antara foton dan elektron bergantung pula pada frekuensi foton.

III. PERANCANGAN MODEL DAN SIMULASI

Mengacu pada rangkaian eksperimen fotolistrik dalam gambar 1 maka eksperimen virtual ditampilkan secara intuitif sehingga user dapat dengan mudah mengoperasikan program ini. Program eksperimen virtual efek foto- listrik dirancang dengan menggunakan Flash Macromedia yang cukup fleksibel untuk memberikan tampilan yang intuitif dan menarik serta mampu melakukan perhitungan-perhitungan yang diperlukan dalam eksperimen fotolistrik. Dalam rancangan ini rangkaian eksperimen fotolistrik dilengkapi dengan pilihan frekuensi, jenis logam, dan besar intensitas cahaya seperti yang ditampilkan dalam gambar 4.

Gambar 4. Tampilan eksperimen virtual fotolistrik

Program eksperimen virtual efek fotolistrik ini dirancang sebagai simulasi eksperimen laboratoris efek fotolistrik secara semi-kuantitatif, khususnya untuk harga arus fotolistrik pada berbagai harga potensial perintang dan intensitas. Agar program memberikan hasil yang sedekat mungkin dengan hasil eksperimen laboratoris maka harga-harga pilihan frekuensi yang disediakan disesuaikan dengan harga-harga frekuensi karakteristik yang dihasilkan oleh lampu merkuri (Hg) yang umumnya digunakan dalam eksperimen efek fotolistrik. Demikian pula apabila diperlukan sebagai konstanta yang diketahui, harga fungsi kerja logam yang digunakan disesuaikan dengan harga yang ditabelkan. Variabel intensitas cahaya disediakan untuk memperoleh profil arus fotolistrik seperti yang ditunjukkan dalam gambar 2 dan gambar 3. Berbeda dengan harga potensial perintang yang diperoleh secara kuantitatif, kuat arus fotolistrik yang terbaca pada program ini diperoleh secara semi-kuantitatif. Perhitungan secara kuantitatif tidak dapat dilakukan karena informasi tentang spesifikasi alat amat terbatas. Dalam perhitungan semi-kuantitatif, arus fotolistrik dengan profil seperti yang ditunjukkan dalam gambar 2 maupun gambar 3 didekati dengan fungsi gaussian (yang terpotong).

Eksperimen laboratoris selalu melibatkan ketidak pastian, baik yang terkait dengan ketelitian alat ukur maupun faktor-faktor lain. Agar program eksperimen virtual ini nampak realistis, ketidak pastian ini diakomodasikan dalam perhitungan besaran yang diukur dengan menambahkan faktor random dikalikan 5 % harga variabel terukur (hasil perhitungan). Dengan demikian pengulangan yang dilakukan dalam eksperimen virtual akan memberikan fluktuasi pada harga terukur maksimum sebesar 5 %.

Dengan mengubah variabel-variabel yang digunakan, program eksperimen virtual efek fotolistrik dapat digunakan untuk menentukan konstanta Planck, frekuensi ambang plat logam, hubungan antara intensitas dan kuat arus fotolistrik, dan sebagainya. Dalam praktek program ini dilengkapi dengan petunjuk praktikum seperti layaknya suatu eksperimen laboratoris dilakukan. Pengolahan data dan grafik dilakukan di luar program, misalnya dengan program Microsoft Excel.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Sebagai contoh hasil yang diperoleh dari program eksperimen virtual efek fotolistrik untuk menentukan konstanta Planck maka intensitas cahaya ditetapkan pada harga tertentu, kemudian frekuensi cahaya divariasi dengan menggunakan pilihan harga-harga frekuensi yang disediakan. Data tentang energi kinetik maksimum elektron fotolistrik dapat diperoleh melalui stopping potential yang diperlukan untuk menghentikan arus fotolistrik. Harga stopping potential yang diperoleh dari program untuk tiga kali pengukuran ditunjukkan dalam tabel 1. Pengulangan yang dilakukan di sini hanya untuk menunjukkan bahwa input yang sama tidak selalu menghasilkan keluaran yang sama karena penambahan faktor random yang menyebabkan terjadinya fluktuasi harga yang terukur.

Tabel 1. Potensial pemberhenti pada logam Caesium pada berbagai frekuensi

f ( 10 ^14 Hz)

V 1 (volt)

V 2 (volt)

V 3 (volt)

4.81

0.095

0.094

0.092

5.19

0.251

0.256

0.249

5.49

0.381

0.387

0.388

6.88

0.993

0.963

0.977

7.40

1.216

1.218

1.219

8.20

1.539

1.545

1.544

Dengan bantuan program Microsoft Excel data di atas dapat ditampilkan dalam bentuk grafik seperti yang ditunjukkan dalam gambar 5. Konstanta Placnck dapat ditentukan dari grafik dengan mengidentifikasikan kemiringan grafik yang terbaca dari persamaan regresi sebagai ( ) sehingga diperoleh:

J.s (4).

Gambar 5. Grafik energi kinetik elektron fotolistrik

untuk berbagai frekuensi pada logam Caesium.

Untuk mensimulasikan profil kuat arus fotolistrik pada suatu harga frekuensi tertentu pada berbagai harga potensial dan beberapa harga intensitas cahaya program memberikan data seperti yang ditampilkan dalam tabel 2 dan grafik yang merepresentasikan data tersebut dapat dilihat pada gambar 6. Demikian pula, untuk mensimulasikan profil kuat arus pada berbagai frekuensi terhadap variasi potensial perintang program memberikan data seperti yang ditampilkan dalam tabel 3 dan grafik yang merepresentasikan data tersebut dapat dilihat pada gambar 7.

Tabel 2. Arus fotolistrik pada berbagai potensial dan intensitas

V (volt)

Arus (nA)

300 W/m2

600 W/m2

900 W/m2

- 0.32

16.03

32.75

49.61

-0.29

67.35

137.57

209.53

-0.05

2676.87

5532.65

8384.15

0.09

3001.94

6017.31

9022.86

0.22

2983.98

5945.86

8915.63

Gambar 6. Profil arus fotolistrik pada berbagai potensial perintang

dan pada berbagai harga intensitas yang berbanding sebagai 1 : 2 : 3.

Tabel 3. Arus fotolistrik pada berbagai harga frekuensi dan potensial perintang.

V (volt)

Arus fotolistrik (nA)

f = 4.81 10 14

f = 5.19 10 14

f =5.49 10 14

f = 6.88 10 14

f = 7.40 10 14

f = 8.20 10 14

0

4981.103

4984.277

5090.921

5176.884

5193.124

5138.243

-0.1

5032.686

2445.9

3631.448

4852.297

4924.352

4879.981

-0.2

0

206.419

1329.944

4202.598

4525.415

4634.76

-0.3

0

0

221.783

3174.866

3744.959

4253.716

-0.4

0

0

0

2272.815

2901.784

3707.597

-0.5

0

0

0

1381.648

2215.538

2215.538

-0.6

0

0

0

766.628

1446.81

2443.215

-0.7

0

0

0

367.699

362.681

1847.953

-0.8

0

0

0

145.178

146.159

1341.779

-0.9

0

0

0

30.794

30.669

924.975

-1

0

0

0

0

124.573

609.334

-1.1

0

0

0

0

35.642

378.919

-1.2

0

0

0

0

0

213.023

-1.3

0

0

0

0

0

107.014

-1.4

0

0

0

0

0

39.787

-1.5

0

0

0

0

0

0

Gambar 7. Profil arus fotolistrik pada berbagai frekuensi

sebagai fungsi potensial perintang.

V. KESIMPULAN

Program eksperimen virtual efek fotolistrik yang dirancang dengan Flash Macromedia dapat menampilkan hasil yang mendekati hasil pengukuran eksperimen laboratoris untuk memperoleh konstanta Planck, fungsi kerja, maupun profil arus fotolistrik pada berbagai frekuensi sebagai fungsi potensial perintang. Dengan mengakomodasikan ketidakpastian yang selalu terjadi pada pengukuran di laboratorium sebagai faktor random dalam program, eksperimen virtual efek fotolistrik memberikan hasil yang lebih realistik.

UCAPAN TERIMA KASIH

{ Isi Ucapan Terima Kasih }

DAFTAR PUSTAKA

 

See who's visiting this page. View Page Stats
See who's visiting this page.