JURNAL FISIKA MODERN KNSTANTA PLANCK

Abstrak—Telah dilakukan percobaan dengan judul Konstanta Planck, yang bertujuan untuk menentukan nilai konstanta planck dan untuk menentukan fungsi kerja suatu material . 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 prinsip efek fotolistrik. Pada percobaan ini didapatkan nilai Vs(stopping potensial) yang nantinya digunakan untuk menentukan nilai konstanta Planck. Variasi pada percobaan ini yaitu intensitas (1,2,3,4) dan sensitifitas sensitivitas (0,1 μA dan 1 μA. Dari data percobaan yang telah dilakukan, dapat dihitung nilai dari Konstanta Planck dan nilai dari fungsi kerja. Dari percobaan konstanta planck ini dapat disimpulkan bahwa nilai dari konstanta planck

pada sensitifitas 1μA 6.29x10-34 J. S pada sensitifitas 0.1μA 5.42x10-34 J.s Fungsi kerja yang dihasilkan sebesar 1.291 eV dan eror yang terjadi sebesar 5.0784%.

Kata Kunci— fungsi kerja, intensitas cahaya.Konstanta planck,

I. PENDAHULUANipahami sebelumnya bahwa cahaya memiliki sifat dualisme. Pada saat tertentu cahaya bisa bertindak

sebagai gelombang dan pada saat tertentu pula cahaya bertindak sebagai partikel. Sebagai gelombang, paket-paket cahaya (foton) tersebar diseluruh ruang dan menunjukkan fenomena gelombang seperti pembiasan oleh lensa dan interferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain. Sebagai partikel, paket-paket cahaya (foton) hanya dapat berinteraksi dengan materi dan memindahkan energi sejumlah:

D

E = ………………………………......(1)[1]

Pertanda pertama yang menunjukkan bahwa gambaran gelombang klasik tentang radiasi elektromagnet tidak seluruhnya benar, tersimpulkan dari kegagalan teori gelombang untuk menerangkan spektrum radiasi termal yang diamati jenis radiasi elektromagnet yang dipancarkan berbagai benda semata–mata karena suhunya. Kita dapat melihat berbagai benda karena cahaya yang dipantulkan. Pada suhu ruang radiasi termal banyak terdapat dalam daerah spektrum inframerah (λ maks 10 µm), pada daerah mata kita tak lagi peka. Bila benda tersebut kita panasi, mereka akan mulai memancarkan cahaya tampak. Radiasi yang dipancarkan benda biasa tidak hanya bergantung pada suhu, tetapi juga pada sifat–sifat lainnya, seperti rupa benda, sifat permukaannya, bahan pembuatnya. Radiasi juga bergantung pada apakah ia memantulkan atau tidak memantulkan radiasi dari lingkungan sekitar yang jatuh padanya.[2]

Eksperimen menyatakan bahwa elektron dipancarkan dari permukaan logam, jika cahaya yang frekuensinya cukup tinggi jatuh pada permukaan itu yang dikenal sebagai efek fotolistrik. Gambar 2.1 memberi ilustrasi jenis alat yang dipakai dalam eksperimen. Tabung yang divakumkan berisi dua elektroda yang di hubungkan dengan rangkaian eksternal dengan keping logam yang permukaanya mengalami radiasi mempunyai energi yang cukup untuk mencapai katoda walaupun muatan negatifnya dan elektron serupa membentuk arus yang dapat diukur oleh ammeter dalam rangkaian itu.

Gambar 2.1 Skema peralatan efek fotolistrik

Ketika potensial perintang v ditambah, lebih sedikit elektron yang mencapai katoda dan arusnya menurun. Akhirnya, ketika v sama dengan atau melebihi suatu harga Vo yang besarnya dalam orde beberapa volt, tidak ada elektron yang mencapai katoda dan arusnya terhenti.[1]

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: [2]

eVs = (1/2 mv2)maks = h f – W..........................(2) 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

Konstanta PlanckLatifatul Hidayah, Ridlo Fajritammam, Aris Widodo

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut TeknologiSepuluh Nopember

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111E-mail: latifatul57@gmail.com

1

JURNAL FISIKA MODERN KNSTANTA PLANCK

W = h f =h ...................................................(3)

maka, λc = ................................................................(4)

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.[3] Jumlah energi yang dipancarkan atau diserap dalam bentuk radiasi elektromagnetik disebut kuantum. Adapun besarnya kuantum dinyatakan dalam persamaan berikut:

.................................................................(5)

dimana E adalah energi (J), h adalah konstanta Planck (J.s), υ adalah frekuensi cahaya (Hertz), dan c adalah kecepatan cahaya (3 x 108 m/s). Karena memperoleh satu fotoelektron untuk setiap foton yang terserap, maka penaikkan intensitas sumber cahaya akan berakibat semakin banyak fotoelektron yang di pancarkan. Namun demikian semua fotoelektron ini akan memiliki energi kinetik yang sama. Tetapan planck dipandang sebagai salah satu tetapan alam, dan telah diukur dengan ketelitian yang sangat tinggi dalam berbagai percobaan. Nilai yang sekarang diterima adalah h = 6.6261 x 10-34 J.s . [1]

Sebuah sifat dasar yang menonjol dari spektrum kontinu adalah panjang gelombang pancung (cut off wavelength) λmin

yang di definisikan secara tujuan dimana tidak terdapat spektrum kontinu tersebut, panjang gelombang minimum ini menunjukkan sebuah peristiwa perlambatan pada salah satu dari elektron yang masuk tersebut (dengan energi kinetik awal eV) kehilangan semua energinya dalam sekali pertemuan, dan meradiasikan energi itu sebagai sebuah foton tunggal. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber di hubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dari kutub negatif sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol. Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (stopping potential).[2]

II. METODE

Langkah pertama yang dilakukan dalam praktikum ini yaitu disiapkan alat. Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini adalah Planck’s constant experiment apparatus, tegangan AC 220 Volt, dan filter warna (merah, kuning, hijau, dan biru). Kemudian alat disusun seperti ditunjukkan pada gambar 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. Pada Planck’s constant experiment apparatus, terdapat bagian bagian dengan fungsi yang berbeda – beda pula. Selanjutnya filter warna dimasukkan pada folter inlet, 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 μA dan 1 μA) serta variasi filter warna (merah, kuning, hijau, biru). Kemudian dibuat grafik hubungan stopping potensial dengan frekuensi.

Gambar 1. Planck’s constant experiment apparatus

Dari grafik yang dibuat, akan didapatkan nilai regresi linier:

y = mx + 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 berikut:

Kmaks = eVs ..........................................................(7) Dan persamaan :

Kmaks = hf - W......................................................(8) Persamaan (7) disubstitusikan ke persamaan (8)

eVs = hf – W ........................................................(9)sehingga diperoleh persamaan:

Vs = .............................................(10)

Persamaan (9) dan (10) ekivalen sehingga untuk mencari nilai konstanta planck (h) dan fungsi kerja(W) dapat menggunakan persamaan:

h = a.e (J.s) ..............................................(11)W = ∣b∣ (eV) ….........................................(12)

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 ±

2

f - W

JURNAL FISIKA MODERN KNSTANTA PLANCK

0.05. Eror pada alat ini menyebabkan eror pada perhitungan. Untuk menghitung eror perhitungan, digunakan rumus:

% (10)

Pada percobaan ini dapat dijelaskan mengenai alat-alat yang akan digunakan seperti filter warna yang berfungsi sebagai alat untuk mengetes energi yang ada ketika diberi panjang gelombang yang berbeda, kemudian tegangan 220volt yang berfungsi sebagai pemberi beda potensial agar ada arus yang menggalir pada rangkaian, lalu ada Planck’s constant experiment apparatus dan pada alat tersebut ada banyak macam tombol, seperti zero ADJ yang fungsinya untuk mengnolkan alat, Gain ADJ yang berfungsi sebagai ground, sensitivity berfungsi untuk memberikan variasi sensitivitas terhadap percobaan yaitu sebesar 0,1 dan 1 µA, ada juga light ADJ yang fungsinya untuk memberi variasi intensitas cahaya, ada power yang berfungsi untuk menghidupkan dan mematikan alat, ada tombol meas/calib yang berfungsi untuk mengukur dan mengkalibrasi, lalu INT/EXT untuk membaca filter warna yang dimasukkan pada folder inter, dan yang terakhir anode V. ADJ untuk mengnolkan arus agar besar tegangannya dapat diukur. Flow chart percobaan:

Gambar 3.2 Flow chart

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah dilakukan percobaan Konstanta Planck , 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

Dari data yang diperoleh tersebut dapat dianalisis sebagai berikut. Dari arus yang diperoleh, arus akan bertambah besar ketika intensitas cahaya yang diberikan diperbesar, tetapi arus akan cenderung mengecil ketika sensitivitasnya diperbesar, akan tetapi untuk penggunaan filter warna kuning dan biru, arus pada sensitivitas 0,1dan 1 µA sama besar ditiap-tiap intensitas cahaya yang diberikan. Kemudian analisis mengenai nilai tegangan yang diperoleh, seharusnya tegangan akan bertambah besar ketika panjang gelombangnya semakin pendek, berarti pada pemakaian filter warna biru akan mempunyai tegangan yang paling besar dan pada warna merah akan mempunyai tegangan yang paling kecil. Tetapi ada beberapa data yang tidak cocok, hal ini dapat disebabkan karena kesalahan instrumentasi, seperti

3

JURNAL FISIKA MODERN KNSTANTA PLANCK

kesalahan kalibrasi, kesalahan dalam menentukan titik nol, keausan alat.

Untuk dapat menghitung nilai dari konstanta Planck dan fungsi kerjanya, salah satunya diperlukan adanya referensi panjang gelombang tiap-tiap warna. Panjang gelombang ini yang nantinya diolah dan akan mendapat frekuensi dari warna tersebut. Panjang gelombang dan frekuensi dari cahaya yang telah melewati filter warna adalah sebagai berikut pada table 2.

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

Tabel 1 dan Tabel 2 menunjukkan hasil dari data percobaan. Terlihat bahwa semakin besar intensitas cahaya maka menimbulkan arus keluaran (Iout) yang juga semakin besar. Hal ini terjadi karena semakin besar sudut pancarannya maka semakin besar pula intensitasnya. Pada percobaan efek foto listrik, sudut pancaran sinar terbaik yaitu 900. Pada frekuensi cahaya, semakin besar intensitas cahaya semakin frekuensinya. Pengaruh intensitas cahaya lebih kepada transfer energi foton. Pada intensitas cahaya yang besar, energi foton yang dibawa lebih banyak, 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 0.1μA menghasilkan arus lebih besar dari pada sensitivitas 1μA, hal ini dikarenakan sensitivitas 0.1μA lebih sensitiv dalam menunjukkan perubahan arus yang kecil sehingga arus yang ditunjukkan pada ampermeter lebih besar daripada sensitivitas 1μA. Pada percobaan ini ada beberapa faktor yang menyebabkan tinggi atau rendahnya tegangan yang diperoleh, kemudian juga cocok atau tidaknya konstanta planck yang didapatkan. Faktor-faktor tersebut antara lain intensitas cahaya yang diberikan, lalu panjang gelombang yaitu yang terdapat pada filter warnanya (merah, kuning, hijau, dan biru), dan stopping potensialnya. Telah diketahui bahwa pemasangan filter warna untuk mengetahui pengaruh panjang gelombang terhadap efek fotolistrik yang nantinya digunakan untuk mencari nilai konstanta Planck. Maka semakin besar panjang gelombangnya, energi yang dihasilkan juga akan semakin kecil, karena energi pada hal ini besarnya sama dengan tegangan yang dicari, oleh karena itu ketika menggunakan filter warna merah yang juga telah diketahui bahwa memiliki panjang gelombang yang besar, akan dihasilkan tegangan yang kecil. Kemudian untuk intensitas cahaya yang diberikaan dengan menggunakan empat variasi, dengan menggunakan intensitas cahaya yang rendah maka akan didapatkan tegangan yang rendah pula, tetapi apabila menggunakan intensitas yang besar maka tengangan pun ikut bertambah besar. Dapat dikatakan bahwa

intensitas sebanding dengan energi yang dihasilkan. Lalu untuk stopping potensial juga berpengaruh pada percobaan ini, karena dengan adanya stopping potensial dapat mengetahui energi kinetic. Dengan menggunakan stopping potensial maka elektron tidak mempunyai energi yang cukup untuk memanjati bukit potensial yang terpasang. Karena elektron yang berenergi tinggi tidak dapat melewati potensial penghenti ini, maka pengukuran Vs merupakan suatu cara yang digunakan untuk menentukan energi kinetik maksimum electron. Hal ini didapatkan bahwa laju pancaran electron diukur sebagai arus listrik(ammeter), sedangkan energy kinetiknya mengenakan suatu (retarding potensial), sehingga electron di anoda tidak mempunyai energy yang cukup untuk memanjati “bukit potensial” yang terpasang. Oleh karena itu perlu dilakukan variasi filter warna dari panjang gelombang kecil sampai panjang gelombang besar, dalam hal ini merah, kuning, hijau, dan biru. Variasi selanjutnya yaitu intensitas cahaya, karena intensitas cahaya juga ikut mempengaruhi harga dari energi atau tegangan, lalu sensitivitas. Meskipun stopping potensial juga berpengaruh terhadap percobaan ini, tetapi tidak divariasi karena stopping potensial nantinya berguna untuk mencari energi kinetik elektron yang lepas dari logam.

Setelah didapatkan hasil perhitungan f dan Vs, maka dibuatkalh grafik. 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. Jadi pada laporan ini terdapat 8 grafik yang dihasilkan. Berikut adalah salah satunya:

Grafik 1. Hubungan stopping potensial dengan frekuensi saat intensitas 3 dan

sensitivitas 1 μA.

Regresi linier grafik tersebut adalah:y = 393.1x – 1.291dan a = 393.1; b = -1.291nilai konstanta planck dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (11):h = a.eh = (393.1 x 10-17) x (1.602 x 10-19)h = 6.2896 x 10-34 J.sfaktor pengali 10-17 diberikan karena frekuensi yang digunakan dalam satuan 1017 Hz. Sedangkan untuk

4

JURNAL FISIKA MODERN KNSTANTA PLANCK

menghitung fungsi kerja dapat menggunakan persamaan (12):W = ∣b∣W = ∣-1.291∣W = 1.291 eVUntuk 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

SensitivitasInten-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 antara f(pada sumbu x) dan Vs(pada sumbu y. Dari hasil perhitungan, didapatkan nilai konstanta Planck yang bervariasi. Nilai yang paling mendekati nilai konstanta Planck yaitu pada sensitifitas 1 pada intensitas 3 yaitu sebesar 6.29x10-34. Dengan nilai eror terkecil yaitu 5.0784%. Pada grafik yang lain, nilainya tidak jauh berbeda dengan grafik 1. Hanya saja berbeda pada persamaan regresi liniernya, sehingga pada perhitungan nilai konstanta planck pada ketujuh grafik tersebut berbeda dengan nilai konstanta planck sesungguhnya. Hal ini dikarenakan beberapa grafik terlihat bahwa tidak sesuai dengan teori yang seharusnya, dengan semakin besar frekuensi cahaya maka energinya juga semakin besar. Tetapi apabila grafik tersebut disesuaikan dengan teori akan terbentuk pola linear y=x, dan semakin linear maka nilai konstanta Planck yang dicari tidak sesuai dengan nilai konstanta Planck yang sesungguhnya. Perbedaan nilai h antara percobaan dengan teori, bisa jadi dikarenakan karena kesalahan instrumentasi, seperti kesalahan kalibrasi, kesalahan dalam menentukan titik nol, keausan alat. Kemudian ada juga kemungkinan disebabkan oleh fluktuasi-fluktuasi yang sulit dikendalikan, misalnya fluktuasi tegangan listrik PLN. Dan kemungkinan kesalahan dapat pula terjadi karena keteledoran pengamat dalam pembacaan

skala alat ukur. Nilai kerja yang paling besar yaitu 1.847 eV terjadi pada sensitifitas 0.1 dan pada intensitas 1.

KESIMPULANDari percobaan konstanta planck ini dapat disimpulkan

bahwa nilai konstanta planck pada sensitivitas yang paling mendekati nilai konstanta planck sesungguhnya terjadi pada sensitifitas 1 pada intensitas 3 yaitu sebesar 6.29x10-34J.s. Dengan nilai eror terkecil yaitu 5.0784%. Fungsi kerja yang dihasilkan sebesar 1.291 eV dan eror yang terjadi sebesar 5.0784%.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten laboratorium fisika modern, Ridlo Fajrittammam dan Aris Widodo (asisten dalam percobaan konstanta planck), yang telah bersedia membantu baik sebelum maupun pada saat percobaan hingga jurnal ini selesai ditulis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada tim satu kelompok atas kerja samanya dalam melaksanakan praktikum ini, serta seluruh pihak yang terlibat dalam pembuatan laporan ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Beiser, Arthur. 1983. Konsep Fisika Modern Edisi Ke Tiga. Erlangga : Jakarta

[2] Savin, Gautreau, “Schaum’s Outline of Theory and Problem of Modern Physics, second edition” Erlangga, Jakarta, pp.51, 2006.

[3] Krane, Kenneth S, “Fisika Modern”UI Press, Jakarta, 1992.[4] Halliday, Resnick. 1986. Fisika Modern. Erlangga :

Jakarta.

5