DILATASI WAKTU DAN PARADOKS KEMBAR
KATA PENGANTAR
Puji syukur atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan kesehatan dan kesempatan kepada kami semua, sehingga tugas makalah yang berjudul “Dilatasi Waktu dan Paradoks Kembar” dapat kami selesaikan.
Ucapan terimah kami ucapkan kepada semua pihak yang telah membantu dalam penuyusan makalah ini. Yang senantiasa memberikan materi maupun pikirannya.
Dan harapan kami semoga makalah ini dapat menambah wawasan bagi setiap pembacanya. Dan menjadi bahan referensi kedepannya serta melengkapi kekuarangan yang terdapat dalam makalah ini. Mengingat kurangnya pengetahuan maupun pengalaman kami, sehingga makalah ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu kami sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca demi kesempurnaan makakah ini.
Majene, 18 September 2019
Penulis
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR i
DAFTAR ISI ii
BAB I PENDAHULUAN
Latar Belakang 1
Rumusan Masalah 2
Tujuan 2
BAB II KAJIAN PUSTAKA
Dilatasi Waktu 3
Paradoks Kembar 4
Kesimultanan 5
Massa, Energi, dan Momentum Relativistik 6
BAB III KESIMPULAN
Kesimpulan 8
Saran dan Kritik 8
DAFTAR PUSTAKA 9
BAB I
PENDAHULUAN
LATAR BELAKANG
Siapa yang tidak kenal rumus Einstein E = mc atau paradoks si kembar yang mendapati saudara kembarnya sudah jauh lebih tua setelah ia melakukan perjalanan dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya? Namun, tidak semua orang tahu kalau “Keajaiban” tersebut hanyalah sebagian kecil dari teori relativitas Einstein.
Teori relativitas adalah sebutan untuk kumpulan dua teori fisika yaitu relativitas umum dan relativitas khusus. Kedua teori ini di ciptakan untuk menjelaskan bahwa gelombang elektromagnetik (cahaya) tidak sesuai dengan teori gerakan newton. Gelombang elektromagnetik dibuktikan bergerak pada kecepatan yang konstan, tanpa di pengaruhi gerakan sang pengamat. Inti pemikiran dari kedua teori ini adalah bahwa dua pengamat yang bergerak relatif terhadap masing-masing akan mendapatkan waktu dan interval ruang yang berbeda untuk kejadian yang sama, namun isi hukum fisika akan terlihat sama oleh keduanya.
Gerak relatif antara dua benda atau lebih dengan kecepatan yang besar, mendekati kecepatan cahaya maka akan mengalami keadaan relativistik. Dalam keadaan relativistik maka gerak relatif menyebabkan timbulnya fenomena dilatasi waktu. Namun, fenomena dilatasi waktu ini memunculkan berbagai paradoks, diantaranya paradoks kembar.
Paradoks Si kembar merupakan satu kasus yang muncul dari efek relativistik dan sampai saat ini masih ramai dibicarakan orang. Termasuk para ilmuan, guru-guru fisika dan orang-orang awam yang sekedar tertarik dengan kasus tersebut. Para ilmuan dari waktu kewaktu selalu mencari ide, membuat model maupun ilustrasi bagaimana dapat meyakinkan orang bahwa paradox merupakan sesuatu yang berada pada jalur ilmiah dan logis, bukan sekedar cerita fiksi.
RUMUSAN MASALAH
Adapun rumusan masalah yang akan dibahas adalah :
Apa yang dimaksud dengan Dilatasi Waktu ?
Apa yang dimaksud dengan Paradoks Kembar ?
Bagaimana peristiwa dikatakan Simultan ?
Bagaimana persamaan atau Rumus Massa, Energi, serta Momentum Relativistik ?
TUJUAN
Adapun tujuan dari makalah ini adalah:
Untuk Mengetahui apa yang dimaksud dengan dilatasi waktu.
Untuk Mengetahui bagaimana fenomena paradoks kembar.
Untuk Menjelaskan peristiwa kesimultanan.
Untuk mengetahui rumus atau persamaan Massa, Energi, dan Momentum Relativistik.
BAB II
KAJIAN PUSTAKA
Dilatasi Watku
Waktu selalu berjalan dalam kecepatan yang konstan. Einstein tidak berpikir demikian. Ide dia adalah semakin kita mendekati kecepatan cahaya, semakin lambat waktunya relatif dibandingkan kondisi orang yang tidak bergerak. Dia menyebutnya melambatnya waktu karena gerakan. Tidak mungkin, kamu bilang? Oke, bayangkan ini. Kamu berdiri di bumi, memegang jam. Teman baikmu ada di dalam roket dengan kecepatan 250.000 km/detik. Temanmu juga memegang sebuah jam. Kalau kamu bisa melihat jam yang dibawa temanmu, kamu akan melihat bahwa jam itu tampak berjalan lebih lambat daripada jam kamu. Sebaliknya temanmu akan merasa jam yang ia bawa berjalan biasa-biasa saja (tidak melambat), dia pikir malah jam kamu yang tampak berjalan lebih lambat. Untuk melihat perbedaan waktu yang signifikan, kita analisis parameter lain yang terpengaruh secara relativitas, yaitu besaran waktu. Suatu kejadian dalam selang waktu tertentuakan terpengaruh secara relativitas, bila di ukur oleh dua pengamat yang bergerak secara relativitas. Pengamat yang bergerak terhadap kejadian akan mengukur kejadian tersebut lebih lama, dibandingkan dengan hasil pengukuran yang diukur oleh pengamat yang diam terhadap peristiwa tersebut.
Untuk mudah memahami dalam penurunannya, kita tinjau nyala lilin dan padam lilin dalam kerangka O dan juga diamati oleh pengamat dalam kerangka O1 seperti dalam gambar dibawah ini :
Menurut pengamat O, yang diam tehadap peristiwa, mencatat bahwa lilin nyala pada t1 dan padam pada t2, maka lama lilin tersebut menyala adalah t = t2 – t1. Sementara pengamat O1, yang bergerak relatif terhadap peristiwa nyala lilin, mencatat lilin menyala pada t1’ dan padam pada t2’, dengan demikian lama lilin menyala t = t2’ – t1’. Berdasarkan Transformasi Lorentz yang dirumuskan dalam persamaannya dapat dikaitkan dengan waktu yang diamati oleh kedua pengamat dalam bentuk,
Transformasi Lorentz :
Dalam kasus ini terdefinisi ialah :
Selisih keduanya Ξt = t2’ – t1’ didapat,
Menurut pengamat yang diam terhadap lilin (atau pada kerangka O) posisi lilin tidak berubah mulai saat menyala sampai dengan lilin tersebut padam kembali, yaitu pada x2 = x1, sehingga suku
Dengan demikian persamaan di atas dapat ditulis kembali :
Contoh Soal :
Sebuah roket melaju dengan kecepatan v, loncengnya berbunyi 1 detik terlambat dalam 1 jam relatif terhadap lonceng di bumi. Berapa kecepatan roket tersebut?.
Jawab :
lonceng di pesawat diam menurut pengamat di pesawat, jadi to = 360 detik, sedangkan lonceng di pesawat menurut pengamat di bumi bergerak, sehingga t = 3601 detik. Dengan menerapkan rumus pemuaian waktu :
Paradoks Kembar
Paradoks si kembar merupakan satu kasus yang muncul dari efek relativistic dan sampai saat ini masih ramai dibicarakan orang, termasuk para ilmuwan, guru-guru fisika dan orang-orang awam yang sekedar tertarik dengan kasus tersebut. Para ilmuwan dari waktu ke waktu selalu mencari ide, membuat model maupun ilustrasi bagaimana dapat meyakinkan orang bahwa paradoks merupakan sesuatu yang berada pada jalur ilmiah dan logis, bukan sekedar cerita fiksi.
Misalnya ada 2 orang kembar, Yudi dan Yuni. Yudi pergi ke luar angkasa menuju ke sebuah planet X yang berjarak 30 tahun cahaya dari bumi sedangkan Yuni berdiam diri di Bumi dan pada saat itu mereka berumur 20 tahun. Pesawat antariksa yang dipakai Yudi memiliki kecepatan yang hampir mencapai kecepatan cahaya. Setelah tiba di planet X, Yudi mendapat informasi bahwa planet X yang didatanginya tidak aman atau berbahaya dan mendaapat perintah untuk segera kembali ke Bumi dengan kecepatanan yang sama. Ketika tiba di Bumi, Yudi melihat banyak yang telah berubah di kota yang ditinggalkannya, kotanya menjadi supermodern dan saudara kembarnya, Yuni, telah berumur 70 tahun dan menderita sakit tua. Yona sendiri hanya bertambah usia 10 tahun menjadi 32 tahun. Ini terjadi karena proses biologi dalam tubuhnya mengalami perlambatan selama perjalanannya mengarungi antariksa.
Kesimultanan
Dua kejadian dikatakan simultan (terjadi secara bersamaan) terhadap seorang pengamat jika pengamat tersebut mendapati bahwa kedua kejadian tersebut muncul pada waktu yang sama. Dalam fisika klasik, ketika seorang pengamat mendapati bahwa dua kejadian merupakan kejadian simultan, sehingga t’=t menurut transformasi Galileo. Maka semua pengamat yang lain juga akan mendapati bahwa kedua kejadian tersebut simultan. Dalam fisika relativistik, kasusnya berbeda, dua kejadian yang di katakana simultan terhadap seorang pengamat adalah pada umumnya tidak simultan terhadap pengamat lain.
Sebagai contoh anggaplah bahwa kejadian A dan B simultan ketika di pandang oleh O’, sehingga t’A = t’B.. maka pengamat O mengukur separasi waktu untuk kedua kejadian yang sama ini sebagai :
Jika dua kejadian terjadi di lokasi(ruang) yang sama , sehingga Xb’= Xa’ , maka kedua kejadian tersebut juga simultan dalam pandangan O, Namun jika Xb’ ≠ Xa’ , akan mendapat bahwa kedua kejadian tersebut tidak simultan. Perhatikan bahwa jika kedua kejadian tersebut berada di ruang yang sama. Maka hanya ada satu buah penunjuk waktu yang diperlukan oleh setiap pengamat untuk menentukan apakah kejadian-kejadian tersebut berlangsung simultan. Di lain pihak, jika dilokasi dua kejadian tersebut dipisahkan oleh suatu jarak yang tertentu, maka setiap pengamat memerlukan dua penunjuk waktu, yang mesti saling disinkronkan, untuk menentukan apakah kejadian-kejadian tersebut simultan atau tidak.
Massa, energy, dan Momentum Relativistik
Massa Relativistik
Sebuah benda ketika diukur dalam kerangka diam relatif terhadap benda memiliki massa diam m0 Ketika benda diukur dalam kerangka bergerak relatif terhadap benda maka massanya menjadi m yang disebut sebagai massa relativistik. Hubungan antara massa diam m0 dan massa relativistik m dinyatakan dalam hubungan :
dimana
Contoh Soal :
Partikel yang massanya mo bergerak dengan kecepatan 0,6c, berdasarkan teori relativitas Einstein massa partikel selama bergerak adalah ... .
Jawab :
Penyelesaian :
Energy Relativistik
Besarnya usaha yang dibutuhkan untuk menggerakkan benda dari kecepatan 0 sampai kecepatan v , yang tidak lain merupakan energi kinetik relativistik dinyatakan dengan :
Suku konstan pada persamaan di atas yaitu m0c2 disebut energy diam E0 Jadi
Sedangkan suku merupakan penjumlahan dari energi kinetik dan energi diamnya. Dengan demikian kita definisikan besaran ini sebagai energi totalnya, E.
Atau simplenya
Penjabarannya dimulai dari :
Dimana
Maka hasil dari integralnya berikut :
Energi kinetic, k, menyatakan selisi hantara energy total, πΈ∙, benda yang bergerak dan energy diam, E, benda ketika diam, sehingga berlaku :
Jika energy diam dipilih sedemikian rupa sehingga E = ππ2, maka energy tersebut tidak lain adalah hubungan antara energy dengan massa yang sangat terkenal dari Einstein, yaitu :
Contoh Soal :
Energi dari sebuah partikel yang massa diamnya 5,5 × 10−27 kg setara dengan .... (π = 3 × 108 m/s)
Jawab :
πΈππππ = m0.c2
= 5,5 × 10−27 × (3 × 108)2
= 5,5 × 10−27 × 9 × 1016
= 49,5 × 10−11
= 4,95 × 10−10 J
Momentum Relativistik
Jika sebuah benda memiliki massa diam m0 bergerak dengan kelajuan v maka ada dua hal yang perlu diperhatikan yaitu :
a. Jika v << c maka momentum p = m0 v
b. Jika v cukup besar maka tetapi p ≠ m0 v
tetapi :
pejabaran nya mulai dari persamaan momentum relativistik
Kemudian untuk mendapatkan rumus momentum relativistic kedua ruas masing-masing di kalikan v. sehingga:
sehingga
BAB III
PENUTUP
KESIMPULAN
Dilatasi waktu ialah sebuah fenomena ini terdapat 2 pengamat yang memiliki acuan yang berbeda dan mendapatkan hasil yang berbeda pula. Peristiwa paradoks kembar ialah salah satu contoh kejadian dimana kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya dapat memanipulasi usia sesorang.
Kesimultanan ialah kejadian dimana dua peristiwa terjadi diwaktu yang sama tetapi dilokasi(diruang) yang berbeda, dan jika terjadi ditempat yang sama maka bukan kesimultanan karna acuannya sama.
Massa, Energi dan Momentum Relativistik dalam hasil penggunaan rumusnya selalu dipengaruhi oleh konstanta relativistik.
SARAN
Meskipun kami menginginkan kesempurnaan makalah ini, akan tetapi pada pada kenyataannya masih banyak kekurangan yang perlu kami perbaiki. Hal ini disebabkan masih minimnya pengetahuan kami. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun dari para pembaca sangat kami harapkan sebagai bahan evaluasi kedepannya.
DAFTAR PUSTAKA
Semayangboy. 2009. Paradoks Kembar. http://semayangboy.blogspot.com/2009/04/ 14 september 2019
Yunifina. 2013. fisika modern teori relativitas khusu dan umum. http://yunifina.blogspot.com/2013/10 14 September 2019
Ronald Gautreau, William Savin. 2002. Fisika Modern. Jakarta : Erlangga.
Selasa, 15 Oktober 2019
Efek Fotolistrik
BAB I
PENDAHULUAN
Untuk membangkitkan tenaga listrik dari cahaya matahari kita mengenal istilah sel surya. Namun tahukah kita bahwa sel surya itu sebenarnya memanfaatkan konsep efek fotolistrik. Efek ini akan muncul ketika cahaya tampak atau radiasi UV jatuh ke permukaan benda tertentu. Cahaya tersebut mendorong elektron keluar dari benda tersebut yang jumlahnya dapat diukur dengan meteran listrik. Konsep yang sederhana ini tidak ditemukan kemudian dimanfaatkan begitu saja, namun terdapat serangkain proses yang diwarnai dengan perdebatan para ilmuan hingga ditemukanlah definisi cahaya yang mewakili pemikiran para ilmuan tersebut, yakni cahaya dapat berprilaku sebagai gelombang dapat pula sebagai pertikel. Sifat mendua dari cahaya ini disebut dualisme gelombang cahaya.
Meskipun sifat gelombang cahaya telah berhasil diaplikasikan sekitar akhir abad ke-19, ada beberapa percobaan dengan cahaya dan listrik yang sukar dapat diterangkan dengan sifat gelombang cahaya itu. Pada tahun 1888 Hallwachs mengamati bahwa suatu keping itu mula-mula positif, maka tidak terjadi kehilangan muatan. Diamatinya pula bahwa suatu keping yang netral akan memperoleh muatan positif apabila disinari. Kesimpulan yang dapat ditarik dari pengamatan-pengamatan di atas adalah bahwa chaya ultraviolet mendesak keluar muatan litrik negatif dari permukaan keping logam yang netral. Gejala ini dikenal sebagai efek fotolistrik.
Uraian diatas merupakan pengantar untuk memasuki sebuah penjelasan yang lebih detail dan mendalam tentang efek fotolistrik. Ada beberapa hal yang akan dibahas oleh penulis disini seperti sejarah penemuan Efek Foto Listrik,sekilas tentang Efek Foto Listrik, pengertian dan pengkajian mendalam tentang Efek Foto Listrik, soal-soal dan pembahasan dan aplikasi Efek Foto Listrik dalam kehidupan sehari-hari.
Terdapat begitu banyak manfaat dari Efek Foto Listrik ini, tentunya akan kita ketahui melalui pengkajian yang mendalam melalui materi ini dan harapan kita tentunya agar kita dapat mengaplikasikannya atau minimal dapat menjelaskannya kepada orang disekitar kita tentang sebuah fenomena fisika yang begitu memukau ini.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 sejarah Penemuan Teori Efek Foto Listrik
Seratus tahun lalu, Albert Einstein muda membuat karya besarnya. Tak tanggung-tanggung, ia melahirkan tiga buah makalah ilmiah yang menjadikan dirinya ilmuwan paling berpengaruh di abad ke-20. Tahun itu dianggap annus mirabilisatau Tahun Keajaiban Einstein. Salah satu makalah itu adalah tentang efek fotolistrik. Oleh panitia Hadiah Nobel Fisika, makalah itu dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1921.
Einstein termashur dengan teori relativitasnya. Hampir semua orang kenal formula E = mc2, namun sedikit saja yang mengetahui apa itu efek fotolistrik yang mengantarkan Einstein sebagai ilmuwan penerima hadiah Nobel. Pada tahun 1921 panitia hadiah Nobel menuliskan bahwa Einstein dianugrahi penghargaan tertinggi di bidang sains tersebut atas jasanya di bidang fisika teori terutama untuk
penemuan hukum efek fotolistrik. Lantas mengapa ia tidak menerima Nobel dari teori relativitas yang berdampak filosofis tinggi tersebut?
penemuan hukum efek fotolistrik. Lantas mengapa ia tidak menerima Nobel dari teori relativitas yang berdampak filosofis tinggi tersebut?
Apa hubungan Max Planck dan Albert Einstein? Pada 1990, Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947), ilmuwan dari Universitas Berlin, Jerman, mengemukakan hipotesisnya bahwa cahaya dipancarkan oleh materi dalam bentuk paket-paket energi yang ia sebut quanta. Ia memformulakannya sebagai hv. Penemuan Planck itu membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel Bidang Fisika pada 1918.
Gagasan ini diperluas oleh Einstein lima tahun setelah itu. Dalam makalah ilmiah tentang efek fotolistrik, menurut Einstein, cahaya terdiri dari partikel-partikel yang kemudian disebut sebagai foton. Ketika cahaya ditembakkan ke suatu permukaan logam, foton-fotonnya akan menumbuk elektron-elektron pada permukaan logam tersebut sehingga elektron itu dapat lepas. Peristiwa lepasnya elektron dari permukaan logam itu dalam fisika disebut sebagai efek fotolistrik.
Efek fotolistrik merupakan proses perubahan sifatsifat konduksi listrik di dalam material karena pengaruh cahaya atau gelombang elektromagnetik lain. Efek ini mengakibatkan terciptanya pasangan elektron dan hole di dalam semikonduktor, atau pancaran elektron bebas dan ion yang tertinggal di dalam metal. Fenomena pertama dikenal sebagai efek fotolistrik internal, sedangkan fenomena kedua disebut efek fotolistrik eksternal.
Einstein menyelesaikan paper yang menjelaskan efek ini pada tanggal 17 Maret 1905 dan mengirimkannya ke jurnal Annalen der Physik, persis 3 hari setelah ulang tahunnya yang ke 26. Di dalam paper tersebut Einstein untuk pertama kalinya memperkenalkan istilah kuantum (paket) cahaya. Pada pendahuluan paper ia berargumentasi bahwa prosesproses seperti radiasi benda hitam, fotoluminesens, dan produksi sinar katode, hanya dapat dijelaskan jika energi cahaya tersebut tidak terdistribusi secara kontinyu.
Pada kenyataanya, inilah ikhwal lahirnya fisika modern yang menampik asumsi teor-teori mapan saat itu. Salah satunya adalah teori Maxwell yang berhasil memadukan fenomena kelistrikan dan kemagnetan dalam satu formula serta menyimpulkan bahwa cahaya merupakan salah satu wujud gelombang elektromagnetik. Jelas dibutuhkan waktu cukup lama untuk meyakinkan komunitas fisika jika cahaya memiliki sifat granular.
Dalam kenyataanya dibutuhkan hampir 11 tahun hingga seorang Robert Millikan berhasil membuktikan hipotesis Einstein. Tidak tanggung-tanggung juga, Millikan menghabiskan waktu 10 tahun untuk pembuktian tersebut.
Pada saat itu Einstein mempublikasikan paper lain berjudul Teori Kuantum Cahaya. Di dalam paper ini ia menjelaskan proses emisi dan absorpsi paket cahaya dalam molekul, serta menghitung peluang emisi spontan dan emisi yang
diinduksi yang selanjutnya dikenal sebagai koefisien EinsteinA danB. Kedua koefisien ini bermanfaat dalam menjelaskan secara teoretis penemuan laser di kemudian hari. Tujuh tahun kemudian Arthur Compton berhasil membuat eksperimen yang membuktikan sifat kuantum cahaya tersebut dengan bantuan teori relativitas khusus.
diinduksi yang selanjutnya dikenal sebagai koefisien EinsteinA danB. Kedua koefisien ini bermanfaat dalam menjelaskan secara teoretis penemuan laser di kemudian hari. Tujuh tahun kemudian Arthur Compton berhasil membuat eksperimen yang membuktikan sifat kuantum cahaya tersebut dengan bantuan teori relativitas khusus.
Ide Einstein memicu Louis de Broglie menelurkan konsep gelombang materi. Konsep ini menyatakan benda yang bergerak dapat dianggap sebagai suatu gelombang dengan panjang gelombang berbanding terbalik terhadap momentumnya. Sederhananya, ide de Broglie ini merupakan kebalikan dari ide Einstein. Kedua ide ini selanjutnya membantu melahirkan mekanika kuantum melalui
persamaan Schroedinger yang menandai berakhirnya masa fisika klasik.
persamaan Schroedinger yang menandai berakhirnya masa fisika klasik.
2.2 Sekilas Tentang Efek Foto Listrik
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 hf. Percobaan yang dilakukan Einstein lebih dikenal dengan sebutan efek fotolistrik. Peristiwa efek fotolistrik yaitu terlepasnya elektron dari permukaan logam karena logam tersebut disinari cahaya.
Gambar (7.4) menggambarkan skema alat yang digunakan Einstein untuk mengadakan percobaan. Alat tersebut terdiri atas tabung hampa udara yang dilengkapi dengan dua elektroda A dan B dan dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah (DC). Pada saat alat tersebut dibawa ke dalam ruang gelap, maka amperemeter tidak menunjukkan adanya arus listrik. Akan tetapi pada saat permukaan Katoda (A) dijatuhkan sinar amperemeter menunjukkan adanya arus listrik. Hal ini menunjukkan adanya aliran arus listrik. Aliran arus ini terjadi karena adanya elektron yang terlepas dari permukaan (yang selanjutnya disebut elektron foto) A bergerak menuju B. 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 (-Vo), amperemeter menunjuk angka nol yang berarti tidak ada arus listrik yang mengalir atau tidak ada elektron yang keluar dari keping A. Potensial Vo ini disebut potensial henti, yang nilainya tidak= tergantung pada intensitas cahaya yang dijatuhkan. Hal ini menunjukkan bahwa energi kinetik maksimum elektron yang keluar dari permukaan adalah sebesar:
Ek = mv2 = e Vo …. (7.4)
dengan :
Ek = energi kinetik elektron foto (J atau eV)
m = massa elektron (kg)
v = kecepatan elektron (m/s)
e = muatan elektron (C)
Vo = potensial henti (volt)
Berdasarkan hasil percobaan ini ternyata tidak semua cahaya (foton) yang dijatuhkan pada keping 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 dipakai. Selanjutnya, marilah kita pelajari bagaimana pandangan teori gelombang dan teori kuantum (foton) untuk menjelaskan peristiwa efek fotolistrik ini. Dalam teori gelombang ada dua besaran yang sangat penting, yaitu frekuensi (panjang
gelombang) dan intensitas.
Ternyata teori gelombang gagal menjelaskan tentang sifat-sifat penting yang terjadi pada efek fotolistrik, antara lain :
a. Menurut teori gelombang, energi kinetik elektron foto harus bertambah besar jika intensitas foton diperbesar. Akan tetapi kenyataan menunjukkan bahwa energi kinetik elektron foto tidak tergantung pada intensitas foton yang dijatuhkan.
b. 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 yang tertentu agar dapat timbul elektron foto.
c. Menurut teori gelombang diperlukan waktu yang cukup untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Akan tetapi kenyataannya elektron terlepas dari permukaan
logam dalam waktu singkat (spontan) dalam waktu kurang 10-9 sekon setelah waktu penyinaran.
d. Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa energi kinetik maksimum elektron foto bertambah jika frekuensi foton yang dijatuhkan diperbesar. Teori kuantum mampu menjelaskan peristiwa ini karena menurut teori kuantum bahwa foton memiliki energi yang sama, yaitu sebesar hf, sehingga menaikkan intensitas foton berarti hanya menambah banyaknya foton, tidak menambah energi foton selama frekuensi foton tetap.
Menurut Einstein energi yang dibawa foton adalah dalam bentuk paket, sehingga energi ini jika diberikan pada elektron akan diberikan seluruhnya, sehingga 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(Wo) atau energi ambang. Besarnya Wo 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 (hf < Wo) tidak akan menyebabkan elektron foto. Frekuensi foton terkecil yang mampu menimbulkan elektron foto disebut frekuensi ambang. Sebaliknya panjang gelombang terbesar yang mampu menimbulkan elektron foto disebut panjang
gelombang ambang. Sehingga hubungan antara energi foton, fungsi kerja dan energi kinetik elektron foto dapat dinyatakan
dalam persamaan :
E = Wo + Ek atau Ek = E – Wo
Ek = hf – hfo = h (f – fo) …. (7.5)
dengan :
Ek = energi kinetik maksimum elektron foto
h = konstanta Planck
f = frekuensi foton
fo = frekuensi ambang
2.3 Pengkajian Mendalam Tentang Efek Foto Listrik
Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.
Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut.
- hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam itu.
- ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar.
- ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya.
Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.
Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf.
Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai
Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron
E = W0 + Ekm
hf = hf0 + Ekm
Ekm = hf – hf0
Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekm adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai
Dimana m adalah massa elektron dan veadalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10−19 J.
Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan 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). Jika V0adalah potensial penghenti, maka
Ekm = eV0
Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V).
2.4 Soal-Soal dan Pembahasan
1. Frekuensi ambang suatu logam sebesar 8,0 × 1014 Hz dan logam tersebut disinari dengan cahaya yang memiliki frekuensi 1015 Hz. Jika tetapan Planck 6,6× 10-34 Js, tentukan energi kinetik elekton yang terlepas dari permukaan logam tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui: f0 = 8,0 × 1014 Hz
f = 1015 Hz
h = 6,6 × 10-34 Js
Ditanya: Ek = …?
Jawab: Ek = h.f – h.f0
= 6,6 × 10-34(1015 – (8,0 × 1014))
= 1,32 × 10-19 J
2. Sebuah logam mempunyai frekuensi ambang 4 x 1014 Hz. Jika logam tersebut dijatuhi foton ternyata elektron foto yang dari permukaan logam memiliki energi kinetik maksimum sebesar 19,86 × 10-20 Joule. Hitunglah frekuensi foton tersebut!
(h = 6,62 × 10-34 Js)
Penyelesaian :
Diketahui : f o = 4 × 1014 Hz
Ek = 19,86 × 10-20 J
h = 6,62 × 10-34 Js
Ditanyakan : f = …?
Jawab : Wo = hfo
= 6,62 × 10-34 × 4 × 1014 J
= 26,48 × 10-20 J
E = Ek + Wo= hf
f = Ek+ Wo /h
=(19,86 ×10-20+26,48×10-20)/ 6,62×10-34
= 7 × 1014 Hz
Jadi frekuensi foton sebesar 7 × 1014 Hz
Soal Latihan :
1. Frekuensi ambang suatu logam adalah 6.1014 Hz, jika logam tersebut disinari cahaya dengan gelombang yang frekuensinya 1015 Hz. Hitunglah energi kinetik elektron foto yang terlepas dari permukaan logam tersebut! (h = 6,62 × 10-34 Js).
2. Sebuah elektron baru akan terlepas dari permukaan logam jika disinari cahaya dengan panjang gelombang 5000 Γ
. Tentukan : (h = 6,62 × 10-34 Js dan c = 3 × 108 m/s)
a. fungsi kerja logam tersebut. (Wo = 3,972 × 10-19 J)
b. energi kinetik elektron foto yang terlepas jika disinari cahaya dengan frekuensi 8 x 1014 Hz! (Ek = 1,324 × 10-19 J).
3. Bila diketahui fungsi kerja sebuah logam 2,1 eV. Jika foton dengan panjang gelombang 5 × 10-7 m dijatuhkan ke permukaan logam tersebut, tentukan berapa kecepatan maksimum elektron yang terlepas! (massa elektron (m) = 9,1 × 10-31 kg, muatan elektron (e) = 1,6 × 10-19 C, dan h = 6,62 × 10-34 Js).
2.5 Aplikasi Efek Foto Listrik Dalam Kehidupan Sehari-Hari
Sangat mengherankan jika kita mendengar bahwa aplikasi pertama efek fotolistrik berada dalam dunia hiburan. Dengan bantuan peralatan elektronika saat itu suara dubbing film direkam dalam bentuk sinyal optik di sepanjang pinggiran keping film. Pada saat film diputar, sinyal ini dibaca kembali melalui proses efek fotolistrik dan sinyal listriknya diperkuat dengan menggunakan amplifier tabung sehingga menghasilkan film bersuara.
Aplikasi paling populer di kalangan akademis adalah tabung foto-pengganda (photomultiplier tube). Dengan menggunakan tabung ini hampir semua spektrum radiasi elektromagnetik dapat diamati. Tabung ini memiliki efisiensi yang sangat tinggi, bahkan ia sanggup mendeteksi foton tunggal sekalipun. Dengan menggunakan tabung ini, kelompok peneliti Superkamiokande di Jepang berhasil menyelidiki massa neutrino yang akhirnya dianugrahi hadiah Nobel pada tahun 2002. Di samping itu efek fotolistrik eksternal juga dapat dimanfaatkan untuk tujuan spektroskopi melalui peralatan yang bernama photoelectron spectroscopy atau PES.
Efek fotolistrik internal memiliki aplikasi yang lebih menyentuh masyarakat. Ambil contoh foto-diode atau foto-transistor yang bermanfaat sebagai sensor cahaya berkecepatan tinggi. Bahkan, dalam komunikasi serat optik transmisi sebesar 40 Gigabit perdetik yang setara dengan pulsa cahaya sepanjang 10 pikodetik (10-11 detik) masih dapat dibaca oleh sebuah foto-diode.
foto-transistor yang sangat kita kenal manfaatnya dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik melalui efek fotolistrik internal. Sebuah semikonduktor yang disinari dengan cahaya tampak akan memisahkan elektron dan hole. Kelebihan elektron di satu sisi yang disertai dengan kelebihan hole di sisi lain akan menimbulkan beda potensial yang jika dialirkan menuju beban akan menghasilkan arus listrik.
Akhir-akhir ini kita dibanjiri oleh produk-produk elektronik yang dilengkapi dengan kamera CCD (charge coupled device). Sebut saja kamera pada ponsel, kamera digital dengan resolusi hingga 12 Megapiksel, atau pemindai kode-batang (barcode) yang dipakai diseluruh supermarket, kesemuanya memanfaatkan efek fotolistrik internal dalam mengubah citra yang dikehendaki menjadi data-data elektronik yang selanjutnya dapat diproses oleh komputer.
Jadi, tanpa kita sadari kita telah memanfaatkan efek fotolistrik baik internal mau pun eksternal dalam kehidupan sehari-hari.
BAB III
PENUTUP
3.1. Kesimpulan
Gejala foto listrik adalah munculnya arus listrik atau lepasnya elektron yang bermuatan negatif dari permukaan sebuah logam akibat permukaan logam tersebut disinari dengan berkas cahaya yang mempunyai panjang gelombang atau frekuensi tertentu. Ditemukan seratus tahun lalu oleh Albert Einstein muda. Pada tahun itulah ia membuat karya besarnya. Salah satunya adalah tentang efek fotolistrik. Oleh panitia Hadiah Nobel Fisika, makalah itu dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1921.
Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai
Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron
E = W0 + Ekm
hf = hf0 + Ekm
Ekm = hf – hf0
Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein.
Terdapat berbagai macam aplikasi Efek Foto Listrik dalam kehidupan kita, diantaranya : proses dubbing film, foto-transistor, sel surya, kamera CCD (charge coupled device) dan aplikasi paling populer di kalangan akademis yakni tabung foto-pengganda (photomultiplier tube).
DAFTAR PUSTAKA
Siswanto. 2008. Kompetensi Fisika Untuk SMA. Jakarta: Departemen Pendidkan
Nasional.
Handayani, Sri. Fisika Untuk SMA dan MA Kelas XII. Jakarta: Departemen
Pendidkan Nasional
Tidak ada komentar:
Posting Komentar