BAB V

RANCANGAN ALAT PERCOBAAN EFEK FOTOLISTRIK

Seperti dijelaskan pada sub bab 2.2 diatas, pada prinsipnya efek fotolistrik

terjadi karena elektron pada suatu atom menerima energi dari foton yang

dipancarkan sehingga elektron mengalami emisi. Energi elektron ini sangat

bergantung pada besar energi foton yang diserap. Sedangkan jumlah elektron yang

lepas sangat bergantung pada nilai intensitas cahaya yang dipancarkan. Sehingga

dalam percobaan efek fotolistrik diperlukan suatu perangkat yang akan mengukur

jumlah elektron yang dilepaskan setiap waktu dan berapa energi elektron setelah

terlepas dari atom. Untuk kepentingan ini maka dirancanglah sebuah skema

percobaan efek fotolistrik seperti pada gambar V.1.

V

+5V

+3V

V

Logam Emiter(katoda)

Anoda

Sumber Cahaya

PengubahIntensitasCahaya

StoppingPotensial

Pengukur aruselektron hasilfotolistrik dengan mengubahnya dahulu menjadi tegangan

Pengukur Stopping Potensial (berkaitan dengan Energi Kinetik elektron)

RL1 RL2 RL3

Phototube

Gambar V.1 Sketsa Rangkaian Alat Percobaan Efek Fotolistrik Alat percobaan efek fotolistrik terdiri dari phototube yang berisi katoda dan anoda, sumber cahaya monokromatik berupa LED, sumber tegangan untuk stopping potensial dan alat ukur tegangan.

Bagian utama rangkaian alat percobaan efek fotolistrik adalah phototube,

yaitu tabung tempat terjadinya efek fotolistrik. Phototube ini berupa tabung

vakum yang didalamnya terdapat dua buah elektroda yaitu katoda (logam emiter)

dan anoda, sumber cahaya monokromatik, sumber tegangan antara 0-3V serta alat

ukur arus atau tegangan. Peran dan fungsi masing-masing bagian alat percobaan

akan dijelaskan pada bab ini.

Efek fotolistrik akan terjadi ketika sumber cahaya yang dalam rancangan

ini berupa LED, menyinari logam emiter (katoda) pada Phototube. Hal ini

mengakibatkan sebagian elektron dalam logam tersebut terlepas dan bergerak

menuju anoda. Sejumlah elektron yang bergerak menuju anoda ini kemudian akan

menghasilkan arus pada rangkaian. Karena arus ini sangat kecil maka arus akan

diubah menjadi tegangan untuk kemudian diberi penguatan. Sehingga secara tidak

langsung jumlah elektron yang terlepas dari katoda dapat diukur.

Kebutuhan lain adalah mengetahui energi elekton yang lepas dari logam.

Seperti diuraikan diatas bahwa elektron dari katoda akan bergerak menuju anoda

dengan energi kinetik (EK) tertentu bergantung pada panjang gelombang foton

yang dipancarkan. Energi kinetik ini akan kita hitung dengan cara memberikan

beda tegangan antara katoda dan anoda. Pada saat tegangan katoda lebih positif

dari anoda maka elektron akan tertahan dan mengalami pengurangan kecepatan.

Dan pada nilai tegangan tertentu maka elektron ini akan berhenti, yaitu pada saat

beda potensial katoda dan anoda sebesar energi kinetik setiap muatan elektron.

Tegangan inilah yang dimaksud dengan stopping potensial pada penjelasan

sebelumnya.

e

EKVo

5-1

5.1 LED sebagai Sumber Cahaya

Cahaya yang digunakan dalam efek fotolistrik adalah cahaya yang

memiliki satu nilai panjang gelombang (cahaya monokromatik). Hal ini salah

satunya berkaitan dengan kemudahan kita untuk menganalisa perhitungan

konstanta Planck. Selain bersifat monokromatik, panjang gelombang yang

dibutuhkan juga harus cukup pendek sehingga bisa menghasilkan energi yang

cukup untuk mengemisi elektron dari logam. Untuk mendapatkan cahaya

monokromatik diantaranya dapat dilakukan dengan cara melewatkan cahaya

polikromatik kepada monkromator atau filter. Selain itu kita juga dapat langsung

menggunakan sumber cahaya monokromatik seperti LED. Berikut ini adalah data

beberapa nilai frekuensi dan panjang gelombang untuk cahaya tampak:

Tabel V.1 Nilai Frekuensi dan Panjang Gelombang Cahaya Tampak

Warna Frekuensi (Hz) Panjang Gelombang (nm)

Kuning 5,18672 x 1014 578

Hijau 5,48996 x 1014 546,074

Biru 6,87858 x 1014 435,835

Violet 7,40858 x 1014 404,656

Ultraviolet 8,20264 x 1014 365,483

Dalam perancangan alat praktikum efek fotolistrik ini akan digunakan

LED sebagai sumber cahaya. Ada beberapa keuntungan dari pemilihan LED

sebagai sumber cahaya ini. Pertama, rangkaian yang dibuat relatif sederhana dan

dapat disertai tombol pengubah intensitas. Kedua, untuk beberapa jenis LED

dipasaran telah memiliki rentang panjang gelombang yang relatif sempit sehingga

bisa didapatkan sumber cahaya yang monokromatik. Dan ketiga, LED pada

umumnya memiliki harga yang cukup murah sehingga mudah didapatkan dan

disediakan oleh pihak sekolah tingkat SMA. Tetapi meski begitu, untuk

memberikan gambaran yang lebih utuh tetap akan dibahas beberapa alternatif

sumber cahaya yang dapat digunakan untuk percobaan ini seperti filter dan

monokromator.

Filter merupakan benda tembus

cahaya yang dirancang hanya dapat

meneruskan satu nilai panjang

gelombang tertentu dan menahan panjang

gelombang yang lainnya. Walaupun pada

kenyataannya beberapa filter masih

memiliki rentang panjang gelombang

yang tidak sempit. Tetapi untuk

kebutuhan tertentu hal ini cukup

membantu.

Gambar V.2 Filter untuk empat warna

Tabel V.2 Jenis Filter dengan Panjang Gelombang Tertentu

Warna Nomor Filter Frekuensi

Violet 49-B 6.88 x 1014 Hz

Hijau 74 5.49 x 1014 Hz

Orange 22 5.19 x 1014 Hz

Merah 29 4.34 x 1014 Hz

Gambar V.3 Skema monokromator

Sedangkan monokromator

terdiri dari prisma yang berfungsi

untuk mendispersi cahaya

(menguraikan cahaya menurut

panjang gelombangnya), kemudian

kita akan memilih panjang

gelombang yang kita inginkan

dengan melewatkannya pada sebuah

celah sempit.

Gambar V.3 menunjukan skema sederhana dari sebuah monokromator.

Pada saat cahaya putih (polikromatik) dilewatkan maka cahaya tersebut akan

terdispersi.Untuk memilih panjang gelombang yang diperlukan kita dapat

mengubah posisi celah pada sudut tertentu terhadap garis nolmal bidang prisma.

Dibanding alat yang lain, monokromator ini merupakan alat yang cukup ideal

untuk mendapatkan nilai panjang gelombang yang monokromatik. Hal ini

disebabkan kita dapat mengatur sudut antara sumber cahaya dengan prisma

sehingga sudut deviasi pun dapat dengan mudah kita atur. Semakin besar sudut

deviasi maka pemisahan cahaya akan semakin lebar dan memudahkan kita untuk

memilih panjang gelombang tertentu.

Selain dua alternatif diatas, LED adalah pilihan lain untuk mendapatkan

sumber cahaya monokromatik.

Gambar V.4 Skema LED (kiri) dan jenis-jenis LED (kanan)

LED merupakan sumber cahaya monokromatik, sehingga tidak perlu lagi

menggunakan filter atau monokromator. Seperti dijelaskan dalam bab IV, pada

dasarnya LED merupakan dua buah semikonduktor yang berperan sebagai

elektroda yang menghasilkan foton saat elektron berpindah dari pita konduksi ke

pita valensi. Cara kerja dan teknis merangkaian sebuah LED ini secara lebih rinci

telah dibahas pada Bab IV diatas. Berikut ini adalah beberapa spesifikasi LED

yang akan digunakan dalam percobaan efek fotolistrik. Data ini didapatkan dari

datasheet komponen yang dibeli.

Tabel V.3 Data Sheet LED yang Digunakan dalam Alat Percobaan

Warna Parameter

Merah Orange Kuning

Panjang gelombang dominan d (nm) 630 608 590

Panjang golombang peak peak (nm) 639 612 592

Intensitas saat tegangan max VI (mcd) 3700 3600 3000

Tegangan Max LV (Volt) 2.0 2.0 2.0

Arus Max I (µA) 100 100 100

Grafik pada gambar V.5 berikut menunjukan besar intensitas untuk masing-

masing panjang gelombang pada LED merah, dapat dilihat bahwa panjang

gelombang dengan intensitas tertinggi didapatkan pada panjang gelombang sekitar

630nm.

Gambar V.5 Grafik panjang gelombang terhadap intensias untuk LED merah

Gambar V.6 Grafik sebaran intensitas terhadap sudut penyebaran sinar untuk LED merah

Grafik pada gambar V.6 menunjukan hubungan nilai intensitas terhadap

sebaran sinar LED merah. Pada sudut yang kecil akan didapatkan intensitas yang

lebih besar. Dari kedua grafik ini dapat dilihat bahwa LED ini memiliki lebar

panjang gelombang yang tidak terlalu besar. Sehingga dapat direkomendasikan

sebagai sumber cahaya yang bisa digunakan untuk tinggat SMU.

Karena salah satu hal yang akan ditampilkan dalam percobaan ini adalah

bagaimana pengaruh perubahan intensias cahaya terhadap besar arus output, maka

Rangkaian LED dibuat sedemikian sehingga intensitasnya dapat diubah-ubah.

Rangakaian tersebut dapat kita lihat pada gambar V.7

+5V

Sumber CahayaLED, dirancang hanya satu LEDyang bisa menyala

R1

RL

VL

VR

R2

R3

R4

Gambar V.7 Rangkaian LED untuk percobaab efek fotolistrik

Pada rancangan ini dipasang beberapa LED dengan nilai panjang

gelombang yang berbeda-beda. Untuk menghindari kerusakan LED, maka dibuat

sedemikian rupa agar nilai hambatan RL sesuai dengan tegangan maksimum

masing-masing LED. Nilai RL di hitung dengan sesuai persamaan 2-4.

L

LSL I

VVR

VS = tegangan sumber = 5 volt

VL = tegangan maksimum LED = 2 volt (sesuai data sheet LED yang digunakan)

IL = arus maksimum LED = 100µA = 10-4A

44

10.310

25LR

Resistor R1, R2, R3 dan R4 dipasang berfungsi untuk mengubah arus pada LED

sehingga intensitas LED dapat diubah.

5.2 Phototube Jenis 1P39

Tabung yang digunakan harus vakum dan transparan. Bersifat transparan

berguna agar cahaya dapat sampai pada emiter dengan baik. Dan sifat vakum

berguna untuk menghindari proses ionisasi elektron terhadap partikel udara karena

jika hal ini terjadi akan mempengaruhi jumlah elektron bebas dalam tabung.

Selain itu juga kondisi vakum menghindari tumbukan elektron dengan partikel

udara yang akan menyebabkan perubahan kecepatan geraknya, karena jika itu

terjadi akan mengakibatkan perbedaan energi kinetik elektron yang diukur dengan

energi kinetik elektron saat tepat lepas dari atom.

Tabung vakum yang digunakan dalam percobaan ini adalah tabung vakum

jenis 1P39 produk Daedalon Corporation. Bahan yang sering digunakan untuk

tabung vakum adalah kuarsa, kuarsa memiliki daya tahan terhadap tekanan yang

lebih baik dari kaca sehingga memudahkan ketika proses pemvakuman. Kuarsa

adalah salah satu mineral yang umum ditemukan di kerak kontinen bumi. Mineral

ini memiliki struktur kristal heksagonal yang terbuat dari silika trigonal

terkristalisasi (silikon dioksida, SiO2), dengan skala kekerasan Mohs 7 dan

densitas 2,65 g/cm³. Bentuk umum molekul kuarsa adalah prisma segienam yang

memiliki ujung piramida segienam.

Gambar V.8 Skema Phototube Terdiri dari tabung vakum, logam emiter dan anoda

Seperti yang terlihat, phototube atau tabung tempat terjadinya efek

fotolistrik terdiri dari dua bagian utama yaitu logam emiter (katoda) yang berupa

sebuah plat logam dari jenis tertentu dan logam katoda yang berupa batang

konduktor biasa. Keduanya tersimpan dalam sebuah tabung vakum yang terbuat

dari bahan bening.

a. Logam Emiter (Katoda)

Logam emiter (katoda) adalah logam tempat terjadinya efek fotolistrik.

Elektron pada logam ini akan teremisi setelah mendapat energi yang ‘cukup’ dari

foton yang menumbuknya. Energi yang cukup ini adalah minimal sebesar energi

ambang logam atau energi ikat antara elektron dengan atom. Pada alat percobaan

efek fotolistrik ini akan digunakan cahaya tampak sebagai sumber foton. Seperti

disebutkan pada tabel V.3 bahwa panjang gelombang terpendek yang digunakan

adalah 630 nm, maka energi ambang logam yang digunakan dapat kita hitung

dengan persamaan 2-3. Dengan memasukan nilai EK nol.

Ko

Ehchc

K

oo E

hchcW 5-1

eVJWo 9,110.155,310.630

10.3.10.63,6 199

834

Berikut ini adalah data energi ambang beberapa logam yang telah

diketahui. Data ini dapat menjadi acuan kita untuk menentukan jenis logam yang

dapat kita pakai.

Tabel V.4 Data Fungsi Kerja Logam

Bahan Fungsi

Kerja (eV)

Bahan Fungsi Kerja

(eV)

Bahan Fungsi Kerja

(eV)

Ag 4,26 Al 4,28 As 4,79

Au 5,1 Ba 2,52 Bi 4,34

Ca 2,87 Co 4,97 Cr 4,44

Cs 1,95 Cu 4,65 Fe 4,6

Ga 4,35 Ge 5,15 In 4,08

K 2,3 Mn 4,08 Mo 4,49

Na 2,36 Ni 5,15 Pb 4,25

Pd 5,4 Pt 5,63 Rb 2,05

Ru 4,71 Sb 4,56 Si 4,95

Sn 4,28 Ta 4,3 Ti 4,33

U 4,33 W 4,55 Zn 3,63

Logam yang paling mungkin digunakan untuk efek fotolistri dengan LED merah

adalah logam Cesium (Cs). Logam ini memiliki energi ambang 1,95eV. Jenis-

jenis katoda yang dikenal diantaranya adalah S-1 dengan bahan Ag-CsO-Cs

dengan panjang gelombang maksimum 1200nm dan puncak sensitifitas 800nm.

Katoda S-3 dengan bahan Ag-Rb dengan panjang gelombang maksimum 900nm

dan paling sensitif untuk panjang gelombang 430nm. Dan katoda S-4 dengan

bahan Sb3Cs yang memiliki batas panjang gelombang 700nm dan sangat sensitive

pada panjang gelombang 400nm. Sehingga katoda jenis S-4 ini sangat cocok

untuk nilai panjang gelombang yang akan kita gunakan. Selain itu, katoda S-4

memiliki efesiensi kuantum yang lebih baik dari jenis lainnya yaitu sekitar 0,1,

sedangkan S-1 dan S-3 hanya mencapai 0,004. Efesiensi kuantum adalah

perbandingan antara jumlah fotoelektron terhadap jumlah foton yang datang.

Bahan logam emiter biasanya merupakan campuran antara logam dan

semikonduktor, hal ini dilakukan untuk menurunkan nilai energi ambang logam.

b. Logam Anoda

Logam anoda merupakan tempat yang akan dituju elektron setelah lepas

dari emiter (katoda). Biasanya kedua logam ini kita hubungkan dengan beda

potensial tertentu untuk mengatur aliran dan laju gerak elektron dalam tabung.

Selain itu, elektron yang diterima katoda juga dapat kita ukur untuk dapat

mengetahui banyak elektron yang lepas dari emiter. Logam katoda tidak

ditentukan harus jenis tertentu, karena sifat yang diperlukan hanyalah sifat

konduktornya.

5.3 Rangkaian Current to Voltage Converter, Penguat dan Stopping

Potensila

a. Current to Voltage Converter dan Rangkaian Penguat

Pada saat terjadi emisi elektron dari emiter, maka elektron akan bergerak

menuju katoda dan dialirkan melewati amperemeter untuk diukur besar arusnya

sehingga diketahui jumlah elektron yang lepas. Tetapi yang menjadi masalah

adalah arus yang keluar dari rangkaian sangat kecil, bahkan bisa berorde piko

Ampere (pA). Sehingga kita memerlukan rangkaian penguat arus agar arus tetap

bisa dibaca oleh amperemeter.

Ada beberapa alternatif untuk melakukan penguatan, diantaranya adalah

dengan menggunakan transistor atau menggunakan Op Amp. Pada rangkaian ini

dipilih rangkaian Op Amp sebagai penguat. Salah satu alasan tidak menggunakan

transistor adalah kesulitan mencari transistor dengan nilai arus trigger berorde

piko Ampere. Gambar V.9 merupakan gambar rangkaian penguat tegangan.

Arus dari anoda akan menjadi input bagi op amp pertama yaitu Op Amp

jenis CA3140 yang memiliki arus input 10pA dan impedansi input 1,5MO.

Penguatan oleh Op Amp yang pertama ini ditentukan oleh resistor feedback yang

kita gunakan dalam hal ini adalah sebesar R7 = 1,2MO. Penguatan yang kedua

menggunakan Op Amp TL081CN dengan besar penguatan merupakan

perbandingan R9 = 2,7kO dan R8 = 0,47kO.

Gambar V.9 Rangkaian Penguat dengan Op Amp non inverting

b. Stopping Potensial

Salah satu tujuan dari percobaan efek fotolistrik adalah mengetahui energi

kinetik elektron saat lepas dari emiter. Hal ini didapatkan dengan cara mengubah

potensial listrik antara katoda dan anoda (emiter). Setelah elektron (dengan

muatan elementer -1,6.10-19C) memiliki energi kinetik dari hasil interaksi dengan

foton, kemudia diberikan nilai potensial listrik pada kedua elekktroda yang akan

menghentikan geraknya. Dengan demikian dapat dihitung besar energi kinetik

elektron dengan rumus:

stopingKinetik VeE .

5-2

Nilai stopping potensial dibuat antara 0 volt sampai +3 volt yang besarnya akan

diatur dengan resistor variabel (potensio). Nilai interval 0 volt sampai +3volt ini

berkaitan dengan nilai energi ambang logam yang kita gunakan yaitu Cesium (Cs)

yang memiliki fungsi kerja (energi ambang) 1,95 eV dan energi terkecil dari foton

yang cahaya yang digunakan yaitu sekitar 3,1 eV sehingga akan menghasilkan

energi kinetik elektron terbesar adalah 1,15 eV. Artinya stopping potensial yang

harus diberikan untuk menghentikan elektron tercepat adalah 1,15 Volt.

Gambar V.10 Rangkaian Power Supply, penghasil tegangan maksimum untuk stopping potensial dan kemudian besarnya akan diatur dengan potensio.

Rangkaian ini memiliki 3 buah keluaran, keluaran pilot LED untuk menyalakan

lampu indikator sebagai tanda rangkaian fotolistrik sedang aktif. Dan dua

tegangan lainnya adalah tegangan +3V dan 0 yang digunakan untuk batas

stopping potensial.

5.4 Alat Ukur Arus Elektron dan Stopping Potensial

Alat percobaan efek fotolistrik ini dilengkapi dengan dua buah alat ukur,

yaitu voltmeter untuk mengukur tegangan penghenti (stopping potensial) dan

voltmeter yang didisplay sebagai amperemeter untuk mengukur besar arus yang

keluar dari anoda. Pada umumnya amperemeter yang digunakan adalah

amperemeter analog. Tetapi untuk rangkaian yang dibuat ini akan menggunakan

voltmeter digital dengan menggunakan ICL7017 yang kemudian didisplay sebagai

amperemeter dengan cara melakukan kalibrasi sesuai dengan keluaran arus yang

sebenarnya. Hal ini bertujuan untuk memudahkan pembacaan data saat praktikum

Perubahan display ini dilakukan berkaitan dengan rangkaian penguat

tegangan yang sudah disebutkan pada Sub Bab 5.3. Dalam rangkaian tersebut

diggunakan current to voltage converter dan kemudian dilakukan penguat

tegangan dengan op amp non inverting. Sehingga walaupun keluaran dari anoda

adalah arus elektron tetapi yang dapat terukur dari rangkaian adalah tegangan.

Rancangan voltmeter ini secara lebih rinci telah dibahas pada bab IV

diatas. Berikut ini adalah profil rangkaian voltmeter yang digunakan dalam alat

percobaan efek fotolistrik yang dibuat.

Gambar V.11 Voltmeter menggunakan ICL7107

5.5 Kotak Tertutup

Bagian yang juga perlu untuk alat percobaan efek fotolistrik adalah sebuah kotak

atau ruang tertutup. Kotak ini tidak hanya berfungsi sebagai wadah tetapi yang

lebih penting adalah agar cahaya yang menyinari katoda benar-benar bersifat

monokromatik. Profil kotak yang akan dibuat adalah sebagai seperti gambar V.12

dibawah ini.

Gambar V.12 Kotak atau ruang tertutup untuk percobaan efek fotolistrik.