PERCOBAAN FRANCK-HERTZ

Rifqah B, Rezki Aulia Imran, Khusnul Khatimah, Jumaing

Laboraturium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA

Universitas Negeri Makassar

Abstrak. Percobaan Franck-Hertz bertujuan untuk mengukur nilai eksitasi atom Argon. Percobaan ini dilakukan dengan cara memanaskan sebuah filamen pemanas sehingga elektron-elektron meninggalkan katoda menuju sebuah kisi yang dipercepat dengan beda potensial V yang dapat diatur. Jika tegangan terus dinaikkan dari nol makin banyak elektron yang mencapai pelat anoda dan bersamaan dengan itu naik pula arus elektriknya. Elektron-elektron dalam tabung tentu saja dapat menumbuk atom-atom Argon namun tidak ada energi yang dilepasakan karena tumbukannya elastik sempurna. Ketika elektron mencapai energi eksitasinya maka akan terjadi perpindahan energi dari elektron ke atom Argon karena terjadi tumbukan tak-elastik. Setelah itu energi dari elektron akan menurun, jika tegangan terus dinaikkan maka akan terjadi tumbukan jamak (multiple collisions). Pada percobaan Franck-Hertz ini tegangan eksitasi di dapat dari nilai rata-rata sehingga di dapat nilai Veks = Volt dan Energi eksitasi = eV.

KATA KUNCI: Franck-Hertz, Energi Eksitasi, Atom Argon, Elastik Sempurna.

PENDAHULUAN

Pada tahun 1914 James Franck dan Gustav Hertz melakukan eksperimen untuk menguji secara langsung hipotesis Bohr yang menyebutkan bahwa energi atom itu terkuantisasi.Atom gas bertumbukan dengan elektron elektron dan memperoleh energfi dari tumbukan hanya jika energi elektron melampaui ambang tertentu.Eksperimen ini menunujukkan secara langsung bahwa tingkat energi atomik memang ada dan tingkat tingkat ini sama dengan tingkat tingkat yang terdapat pada spektreum garis.

Pada saat elektron terkuantisasi (berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah) maka elektron tersebut akan memencarkan energi berupa foton dengan panjang gelombang tertentu. Panjang gelombang dari foton tersebut bergantung dari nilai energi eksitasi dari atom tersebut sehingga pada eksperimen ini akan dilakukan pengukuran energi ekstasi atom Argon. Untuk mengukur energi ionisasi ini, Franck dan Hertz membuat sebuah alat yang dapat mereka gunakan mempelajari ionisasi yang dihasilkan dalam atom-atom sebuah gas atau uap oleh elektron yang dipancarkan sebuah kawat panas melalui proses emisi termionik. Elektron ini kemudian dipercepat dalam sebuah medan listrik sehingga energinya dapat diketahui dengan baik. Dari eksperimen yang mereka lakukan mereka mendapatkan bahwa energi elektron minimum 4,9 eV untuk mengeksitasi garis spektral air raksa 253,6 nm foton cahaya 253,6 nm berenergi tepat 4,9 eV.

TEORI

Pada percobaannya, James Franck dan Gustav Heinrich Hertz menembaki uap merkuri (Hg) dengan elektron yang energinya diketahui. Skema percobaan yang dilakukan oleh franck dan hertz dapat dilihat pada gambar dibawah ini . Beda tegangan Vo dipasang diantara kisi G1 dan G2 sehingga tiap elektron yang mempunyai energi lebih besar dari harga minimum tertentu memberi kontribusi pada arus Ia juga membesar.

Gambar 1. Rangkaian percobaan Franck Hertz

Eksitasi elektron atom dari keadaaan dasar ke keadaan tereksitasi dapat terjadi karena adanya serapan tenaga kinetik elektron yang menumbuk atom gas Neon di dalamtabung Frenck-Hertz. Bila tenaga kinetik elektron sama dengan tenaga ionisasi atom, maka elektron-elektron dapat mengionkan atom-atom gas tersebut. Gejala ionisasi ini ditandai oleh meningkatnya kuat arus anoda secara drastic [1].

Mekanisme eksitasi yang berbeda terpaut jika sebuh atom menyerap sebuah atom cahaya yang energinya cukup untuk menaikkan atom tersebut ke tingkat energi yang lebihtinggi. Jika cahaya putih yang mengandung semua panjang gelombang dilewatkan melalui gas hidrogen, foton dengan panjang gelombang yang bersesuaian dengan transisi antartingkat energi yang bersangkutan akan diserap. Atom hidrogen yang tereksitasi yangditimbulkannya akan memancarkan kembali energi yang eksitasinya hampir saat itu juga, tetapi foton keluar dalam arah rambang dengan hanya beberapa daya yang berarah sama dengan berkas semula dari cahaya putih tersebut. Jadi garis gelap dalam spektrum absorbsi tidak 100% hitam hanya hitam karena terjadi kontras dengan latarbelakang yang terang. Garis yang seharusnya dalam spektrum absorbsi setiap unsur bersesuaian dengan garis pada spektrum emisi yang menyatakan transisi ke ingkat dasar yang cocok dengan hasil eksperimen [3]

Gambar 2. Hubungan mempercepat Potensial pada nilai Arus.

Jika energi elektron dalam berkas kurang dari pemisahan energi keadaan tereksitasi pertama, maka tidak ada energi yang dialihkan dengan tumbukan elastis. Jika energi sama dengan atau lebih besar dari pemisahan, maka energi diserap oleh elektron menuju keadaan eksitasi dan terjadi tumbukan tidak elastis. Jika potensial ditingkatkan lagi dari drop pertama,arus akan mulai naik lagi hingga mencapai nilai ketika turun tajam lagi maka elektron mengalami dua tumbukan inelastic.

Gambar 3. EK lebih kecil 4,9 eV

Jika elektron masuk memiliki energi kinetik (EK) yang kurang dari perbedaan tegangan dengan tingkat energi merkuri (E), maka menghasilkan tumbukan elastis terlihat pada gambar 3. Ini adalah kasus ketika EK lebih kecil 4,9 eV.

Gambar 4. Elektron memiliki EK sama dengan E.

Jika elektron memiliki EK sama dengan E, atom merkuri menjadi dipercepat. Sebuah elektron dibangkitkan dan seluruh energi elektron dipindahkan ke atom seperti pada gambar 4. Secara implisit dianggap energi elektron dibentuk oleh energi kuantum yang unik. Atom bergerak tidak stabil dan dalam interval waktu singkat, jatuh pada keadaan bawah dengan mengemisikan foton.

Ketika EK elektron lebih besar dari E. Sebagai contoh, sebuah elektron dengan EK6 eV menumbuk atom merkuri 4,9 eV dan elektron tetap dengan 1,1 eV seperti pada gambar 5. Maka elektron mengalami tumbukan elastis dengan atom merkuri lainnya sehingga konduktivitas gas meningkat [2]

Jika energi kinetik kekal dalam tumbukan antara elektron dan sebuah atom uap, elektronnya hanya terpental dalam arah yang berbeda dengan arah datangnya. Pada proses ini, atom hampir tidak kehilangan energi. Setelah energi kritis tercapai, arus keping menurun secara tiba-tiba. Tafsiran dari efek ini adalah bahwa elektron yang bertumbukan dengan atom memberikan sebagian atau seluruh energi kinetiknya untuk mengeksitasi atom ke tingkat energi di atas tingkat dasar. Tumbukan semacam ini disebut tak elastik, sebagai lawan dari tumbukan elastik yang berlangsung dengan energi kinetik kekal. [3]

Dengan demikian, percobaan ini memberikan kita suatu bukti langsung mengenai kehadiran keadaan eksitasi atom. Sayangnya, tidaklah mudah untuk melakukan percobaan ini dengan atom hidrogen, karena secara alamiah hidrogen tidak hadir dalam bentuk atom, melainkan dalam bentuk molekul H2. Kareena molekul menyerap energi dengan berbagai cara, penafsiran percobaannya akan menjadi kabur. Pada tahun 1914, percobaan serupa dilakukan oleh Franck dan Hertz, dengan menggunakan tabung uap berisi air raksa [4]

METODOLOGI EKSPERIMEN

Alat dan Bahan

Perangkat percobaan Franck-Hertz Lambda Scientific. OsiloskopProbe osiloskop

Prosedur Kerja

Gambar Rancangan Perangkat Percobaan Franck-Hertz

Langkah pertama untuk melakukan eksperimen Franck-Hertz yaitu memanaskan gas argon dengan filament voltage (V) sebesar 4,5 V, selama 1 jam.Kemudian mengatur scanning dalam posisi manual setelah itu melakukan penyetelan arus plat pengumpul atau current multiple pada posisi 10-8 Asetelahitumengatur VG1 (Tegangan Grid 1) pada posisi 2,5 V, mengatur VG2 (Tegangan Grid 2) pada posisi 7,5 V dan mengatur VG3 (Tegangan Grid 3) pada posisi 70 V, kemudian menghubungkan Channel 1 pada osiloskop ke X-Output pada perangkat Franck-Hertz dan Channel 2 ke Y-Output. Selanjutnya mengatur Channel 1 sebesar 5 V dan Channel 2 sebesar 2 mV pada osiloskop dan menggeser posisi scanning ke arah auto selanjutnya mengatur scanning untuk menampilkan gambar yang baik dan yang terakhir menghitung tegangan dan arus listrik pada osiloskop.

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA

Grafik Eksitasi atom Argon hasil percobaan Frank-Hertz

VG 1 = 1,5 Volt

VG 2 = 4,5 Volt

VG 3 = 62 Volt

Filamen Voltage = 4,5 Volt

Current Multiple = 10-8 A

NST arus = 1 mV

NST Tegangan = 1 Volt

TABEL.Hubungan Antara Arus (Ampere) dengan Tegangan (volt)

No

V (Volt)

I (1x10-11 A)

1

2

7

2

5,5

11

3

9

20

Analisis Perhitungan

2 Volt

5,5 Volt

9Volt

Vrentang 1 =

=) Volt

= 3,5 Volt

Vrentang 2 =

=) Volt

= 3,5 Volt

Vrata-rata =

= Volt

Veksitasi = 3,5 Volt

Vrata-rata = Volt

Eeksitasi = Veks x e

= 3,5 eV

Eeksitasi = eV

PEMBAHASAN

Percobaan ini bertujuan untuk mengukur energi eksitasi atom Argon berdasarkan percobaan Franck-Hertz. Adapun alat yang digunakan pada percobaain ini yaitu perangkat percobaan Franck-Hertz lambda scientific, probe osiloskop dan osiloskop.

Dari percobaan yang dilakukan diketahui bahwa fenomena tumbukan elektron dengan atom argon terjadi saat katoda dipanasi sebuah filamen sebesar 4,5 Volt selama kurang lebih 1 jam sehingga semua elektron dipercepat menuju kisi oleh beda potensial V yang dapat diatur. Elektron-elektron yang dipercepat tersebut kemudian bertumbukan dengan atom argon namun tidak ada energi yang digunakan dalam tumbukan ini jadi tumbukannya adalah elastik sempurna. Agar elektron dapat melepas energinya dalam suatu tumbukan dengan atom Argon, elektron harus memiliki energi yang cukup untuk menyebabkan atom Argon terkuantisasi ke suatu keadaan eksitasi. Dengan demikian apabila energi elektron sedikit lebih besar dari energi eksitasinya (atau ketika tegangan mencapai puncak pertama) maka elektron akan melakukan tumbukan tidak elastis dengan atom Argon, dan meninggalkan energi sebesar nilai eksitasi pada atom Argon, sedangkan elektron setelah terjadi tumbukan dengan atom Argon memiliki energi yang lebih rendah, tetapi setelah penurunan tegangan tersebut masih terdapat penyimpangan pada jarum galvanometer maka dapat disimpulkan bahwa elektron masih mempunyai energi untuk melewati kisi (tegangan penghalang) sehingga elektron masih dapat mencapai pelat anoda. Jadi, apabila telah mencapai nilai energi eksitasinya, akan terjadi penurunan arus. Bila tegangan (Vp) dinaikkan terus, arusnya akan naik kembali, dan kemudian akan turun lagi pada kelipatan dari energi eksitasinya, proses ini akan kembali sesuai dengan kelipatan energi eksitasi dan seterusnya, selain itu, jika tegangan (Vp) dinaikkan terus maka akan terjadi efek tumbukan jamak (multiple collisions). Artinya, apabila telah mencapai energi eksitasi maka ia akan mengeksitasi atom Argon dan akan terjadi penurunan energi dari elektron, tetapi sisa energi dari elektron tersebut masih dapat digunakan lagi untuk mengeksitasi atom Argon.

Pada percobaan ini diperoleh nilai energi eksitasi atom Argon sebesar 3,5 eV hasil ini diperoleh melalui analisis perhitungann dimana perhitungannya dilakukan berdasarkan kurva yang tergambar pada osiloskop.

Berdasarkan kurva yang terbentuk, terlebih dahulu menentukan nilai tegangan rentang. Nilai ini diperoleh dari hasil perhitungan antarpuncak. Adapun nilai yang diperoleh antara puncak ketiga dan puncak kedua yaitu 3,5 Volt dan nilai antara puncak kedua dan pertama yaitu 3,5 volt sehingga diperoleh nilai Veksitasi yaitu 3,5 Volt. Selanjutnya Veksitasi dikalikan dengan e yang hasilnya eV, nilai inilah yang disebut dengan energi eksitasi.

Dari hasil percobaan juga dapat dibuat grafik hubungan antara tegangan dan arus. Dari grafik menunjukkan bahwa semakin besar tegangan maka arusnya juga akan semakin besar sehingga grafiknya linear.

SIMPULAN

Berdasarkan hasil eksperimen Franck-Hertz, maka dapat ditentukan besarnya energi eksitasi atom Argon yang digunakan pada praktikum ini, yaitu untuk energi eksitasinya sebesar .

REFERENSI

[1]Anonim. 2014. https://www.scribd.com /doc/84763397/Percobaan-Frank-Hertz . Makassar: diakses pada tanggal 12 November 2014.

[2]Anonim. 2014. http://eksperimen-Franck-Hertz.html . Makassar: diakses pada tanggal 12 November 2014.

[3]Beiser, Arthur. 1987.Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga.

[4]Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern. Universitas Indonesia, Jakarta.