Laporan Percobaan Franck-Hertz

PERCOBAAN FRANCK-HERTZ

Mukri Syam*, Milpa Lapa, Waren Crhistoper M, Reski Kampa
Laboratorium Fisika Modern
Jurusan Fisika
Universitas Negeri Makassar
Tahun 2015


Abstrak. Percobaan Franck-Hertz bertujuan untuk membuktikan bahwa energi eksitasi elektron atom terkuantisasi serta untuk mengukur nilai energi eksitasi atom Argon. Berdasarkan literatur, nilai energi eksitasi atom Argon yaitu sekitar 2.5 – 3.0 Volt. Eksperimen 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 elastic sempurna. Ketika electron mencapai energy eksitasinya maka akan terjadi perpindahan energy dari electron ke atom Argon karenaterjaditumbukantak-elastik.Setelahituenergidarielektronakanmenurun, jika tegangan terus dinaikkan maka akan terjadi tumbukan jamak ( multiple collisions). Pada eksperimen Franck-Hertz ini diperoleh nilai eksitasi atom Argon sebesar.

KATA KUNCI: Franck-Hertz, Energi Eksitasi,Energi Ionisasi, kuantisasi elektron,medan magnetic.

PENDAHULUAN

Eksperimen Franck-Hertz dilakukan oleh James Franck dan Gustav Hertz pada tahun 1914. Keduanya secara khusus tertarik pada peristiwa ionisasi. Untuk dapat 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 dari sebuah kawat panas melalui proses emisi termionik. Elektron ini kemudian dipercepat dalam sebuah medan listrik sehingga energinya dapat diketahui dengan baik. Untuk sebuah elektron dengan energi yang lebih kecil daripada energi ionisasi, Franck dan Hertz berharap tidak terjadi perpindahan energi antara elektron dan atom-atom. Sebaliknya, untuk energi yang lebih besar, mereka mengharapkan terjadinya kehilangan energi elektron yang besarnya sama dengan besar energi ionisasi. Hasil eksperimen yang dilakukan berjalan sesuai dengan harapan. Mula-mula arus naik dengan kenaikan potensial U hingga tercapai sebuah nilai potensial Uo. Setelah potensial Uo ini tercapai, arus turun secara drastis tetapi arus ini segera meningkat kembali pada tegangan U = 2Uo, dan seterusnya. Nilai Uo yang dihitung oleh Franck dan Hertz adalah sebesar 4,9 V.

TEORI

Konsep atom Born mengatakan bahwa atom memiliki tingkat energi diskrit. KonsepBohr ini diverifikasi melalui eksperimen Franck-Hertz yang dilakukan pada tahun 1914dengan menembak atom yang terisolasi dengan elektron dan menunjukkan adanya energi diskrit elektron yang hilang bergantung pada karakteristik setiap elemen. Selanjutnya, merekamampu menunjukkan bahwa penembakan elektron pada energi yang tepat akan menyebabkanemisi optik pada spektrum frekuensi yang sesuai dengan energi itu.Percobaan ini melibatkan sebuah tabung berisi gas bertekanan rendah yang dilengkapidengan tiga elektroda: sebuah katoda memancarkan elektron, sebuah grid untuk percepatan,dan anoda. Anoda memiliki potensial listrik relatif sedikit negatif terhadap grid (meskipunpositif dibandingkan dengan katoda), sehingga elektron harus memiliki setidaknya energikinetik untuk mencapai anoda setelah melewati grid.

Elektron-elektron meninggalkan katoda, yang dipanasi dengan sebuah filament pemanas. Semua electron itu kemudian dipercepat menuju sebuah kisi oleh beda potensial V yang dapat diatur. Elektron dengan energi V elektron volt dapat menembus kisi dan jatuh pada pela tanoda. Jika V lebih besar daripada Vo, suatu tegangan perlambat kecil Antara kisi dengan pelat katoda. Arus elektron yang mencapai pelat anoda diukr dengan menggunakan ammeter A. [2]


Jika energi elektron dalam berkas kurang dari pemisahan energi keadaan tereksitasipertama, maka tidak ada energi yang dialihkan dengan tumbukan elastis. Jika energi samadengan atau lebih besar dari pemisahan, maka energi diserap oleh elektron menuju keadaaneksitasi 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 elektronmengalami dua tumbukan inelastic.

Jika elektron masuk memiliki energi kinetik (EK) yang kurang dari perbedaantegangan dengantingkat energi merkuri (ΔE), makamenghasilkan tumbukan elastis. Ini adalah kasus ketika EK lebih kecil 4,9 eV.

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

.Ketika EK elektron lebih besar dariΔESebagai contoh, sebuah elektron dengan EK6 eV menumbuk atom merkuri 4,9 eV dan elektron tetap dengan 1,1 eV seperti pada gambar5. Maka elektron mengalami tumbukan elastis dengan atom merkuri lainnya sehinggakunduktivitas gas meningkat. [1]

Sebuah atom dapat mengeksitasi ke tingkat energi di atas tingkat energi dasar yang menyebabkan atom tersebut memancarkan radiasi melalui dua cara. Salah satunya adalah melalui tumbukan dengan partikel lain. Sederetan eksperimen yang berdasarkan pada tumbukan dilakukan oleh Franck dan Hertz yang dimulainya pada tahun 1914. Eksperimen ini menunjukkan secara langsung bahwa tingkat energi atomik memang ada dan tingkat-tingkat ini sama dengan tingkat-tingkat yang terdapat pada spektrum garis.

Franck dan Hertz menembaki uap berbagai unsur dengan elektron yang energinya diketahui dengan rangkaian eksperimen Franck-hertz. Perbedaan potensial kecil Vo dipasang diantara kisidan keping pengumpul, sehingga setiap elektron yang mempunyai energi lebih besar dari harga minimum tertentu memberi kontribusi (sumbangan) pada arus I yang melalui ammeter. Kemampuan elektron untuk melewati grid dan mencapai anoda dipengaruhi oleh 3 faktor, yaitu:potensial pemercepat, potensial pelawan dan keadaan tumbukan antara molekul-molekul gas dalam tabung.

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]

METODOLOGI EKSPERIMEN
Alat dan Bahan
1. Perangkat percobaan Franck-Hertz – Lambda Scientific.
2. Osiloskop
3. Probe osiloskop


PROSEDUR KERJA

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 A setelah itu mengatur VG1 (Tegangan Grid 1) pada posisi 2,5 V, mengatur VG2 (Tegangan Grid 2) pada posisi 7,5 Vdanmengatur 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 mengaturChannel 1 sebesar 5 V dan Channel 2 sebesar 10 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 ANALISA DATA

PEMBAHASAN

Eksperimen Franck-Hertz dilakukan untuk mengukur energi eksitasi atom Argon dimana prinsip kerja dari eksperimen ini yaitu ketika elektron dipanaskan dengan sebuah filamen pemanas maka elektron-elektron tersebut akan meninggalkan pelat katoda menuju pelat anoda dengan menembus sebuah kisi. Semua elektron yang akan menembus sebuah kisi akan dipercepat dengan beda potensial pemercepat Vp yang dapat diatur. Jika tegangan (Vp) terus dinaikkan dari nol, maka makin banyak elektron yang akan mencapai pelat anoda, dan bersamaan dengan itu naik pula arus elektriknya yang ditandai dari makin menyimpangnya jarum galvanometer. Elektron-elektron di dalam tabung dapat menumbuk atom di dalam tabung tersebut (dalam hal ini digunakan 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 energy 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 energy 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 eksperimen ini diperoleh nilai energi eksitasi atom Argon sebesar 3,4 Volt . Dengan demikian eksperimen ini memberikan kita suatu bukti langsung mengenai eksitasi elektron. Grafik (lampiran) memberikan gambaran tingkat-tingkat eksitasi dari elektron yang menunjukkan bahwa energi dari elektron itu bertingkat-tingkat (terkuantisasi) yang mengukuhkan kebenaran dari teori kuantum.

KESIMPULAN

PadaEksperimen Franck-Hertz diperolehnilaieksitasi atom Argon sebesar 3,4 Volt

REFERENSI

[1]Anonim. 2013. http://eksperimen-Franck-Hertz.html . Makassar: diaksespadatanggal 2 oktober 2013.

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

[3]Subaer, dkk. 2013. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.


























Postingan terkait:

Belum ada tanggapan untuk "Laporan Percobaan Franck-Hertz"

Post a Comment