f_41130_fh.docx

Eksperimen Franck - Hertz

Pengukuran Energi Eksitasi dan Panjang Gelombang Foton Menggunakan Percobaan Franck - Hertz

1Sarasati Istiqomah, 2Hanu Lutvia, 3Ika Wahyuni, 4Kamelia, 5Muthia Ayu

Laboratorium Fisika Modern, Departemen FisikaFakultas Sains dan Teknologi

Universitas AirlanggaSurabaya

Email : [email protected]

Abstrak

Elektron dari suatu atom bergerak mengelilingi inti sesuai dengan lintasan orbit yang dimilikinya, dimana orbit tersebut memiliki suatu tingkatan energi tertentu. Pada saat elektron terkuantisasi (berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah) maka elektron tersebut akan memancarkan energi berupa foton dengan panjang gelombang tertentu. Panjang gelombang dari foton tersebut bergantung dari nilai energi eksitasi dari atom tersebut. Besar energi eksitasi dan panjang gelombang foton yang diemisikan dapat dihitung menggunakan percobaan Franck – Hertz. Eksitasi elektron atom dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi dapat terjadi karena adanya serapan tenaga kinetik elektron yang menumbuk atom gas Neon yang ada di dalam tabung Franck – Hertz. Bila tenaga kinetik elektron sama dengan tenaga ionisasi atom Neon, maka elektron-elektron dapat mengionkan atom-atom gas tersebut, gejala ionisasi ditandai dengan meningkatnya kuat arus anoda.

Kata kunci : foton, energi eksitasi, panjang gelombang, percobaan Franck-Hertz

PENDAHULUAN

Atom memiliki sebuah inti yang terdiri dari proton dan neutron, serta elektron yang mengelilingi inti tersebut dan menempati kulit. Kulit pada atom merupakan tempat elektron mengorbit sehingga sering disebut orbital. Elektron dapat berpindah dari orbital dalam ke orbital luar dengan menyerap sejumlah energi, yang sering disebut energi eksitasi. Saat elektron berpindah dari obital luar ke orbital dalam, maka elektron tersebut kehilangan sejumlah energi yang sebelumnya mempertahankan posisinya pada orbital asal. Pemikiran tersebut muncul setelah beberapa fisikawan banyak yang melakukan penelitian tentang keberadaan struktur atom. Neils Bohr pada tahun 1913 menerapkan ide kuantum pada struktur atomik untuk mendapatkan model atom, walaupun masih terdapat kekurangan dan harus diganti secara mekanika kuantum agar ketelitian dan kegunaannya lebih besar.

Akhirnya pada tahun 1914 James Franck dan Gustav Hertz melakukan sederetan eksperimen yang membuktikan tentang kebenaran teori Bohr dan tentang eksitasi atom. Percobaan inilah yang sering disebut percobaan Franck-Hertz. Disini Franck dan Hertz menggunakan gas yang dimasukan didalam sebuah tabung dengan tekanan rendah dan didalamnya dilengkapi dengan sebuah lempeng logam dan dua buah elektroda yang diberi beda tegangan tertentu dan dihubungkan dengan multimeter. Apabila lempeng logam dipanaskan maka akan terdapat elektron bebas yang tercipta dan kemudian digunakan untuk menumbuk elektron yang dikandung oleh gas. Bila model atom bohr yang mengatakan bahwa akan terjadi eksitasi elektron benar maka akan terjadi pembacaan arus listrik didalam multimeter yang awalnya naik hingga suatu titik maksimum dan kemudian turun. Dari data hasil bacaan multimeter maka akan dapat dihitung besarnya energi eksitasi dan panjang gelombang foton yang diemisikan.

DASAR TEORIPada 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

Sha Ra .IQ/ Universitas Airlangga


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

Dalam tabung, tekanan udara relatif lebih rendah dibandingkan dengan tekanan udara pada laboratorium sehingga elektron didalam tabung dapat menumbuk atom Hg tanpa kehilangan energi. Dengan kata lain, tumbukan pada tabung bersifat elastik sempurna. Satu – satunya mekanisme agar elektron kehilangan energinya setelah tumbukan ialah besar energi penumbuk telah mencapai harga tertentu menyebabkan atom Hg melakukan transisi keluar dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Sehingga berdasarkan percobaan Franck – Hertz lakukan, saat energi elektron telah mencapai hingga melampaui harga A eV, elektron akan menumbuk Hg secara inelastik sehingga energinya diserap oleh atom Hg (yang kini telah berada didalam keadaan tereksitasi) tersebut dengan besar energi yang sama, dan elektron penumbuk yang terpantul dengan energi yang sangat kecil. Dengan kata lain, pada saat energi telah melampaui A eV maka arus pada keping akan menurun. Lalu, seiring pembesaran harga tegangan pemercepat arus pada keping akan kembali membesar dan menurun kembali seperti pada peristiwa diatas yaitu pada saat energi 2A eV dan 3A eV. Penjelasannya: Saat tegangan pemercepat V kembali dinaikan hingga 2A Volt, maka elektron akan kembali menumbuk atom secara inelastik sehingga mengakibatkan atom kembali tereksitasi. Sehingga, elektron hasil tumbukan tersebut kembali kehilangan energi sebesar A eV. Dan, Saat V mencapai 3A Volt maupun kelipatan A Volt lainnya, mekanisme serupa akan kembali terjadi.

Hasil energi kritis sebesar A eV ini juga ternyata mengemisikan atom sehingga menimbulkan spektrum UV atau foton dengan panjang gelombang sebesar B nm, yang juga muncul saat energi kritis sebesar A, 2A, dan 3A . Jarak antara dua puncak berdekatan merupakan besarnya tegangan eksitasi atom (Ve). Energi eksitasi atom merupakan perkalian antara muatan listrik elektron dengan tegangan eksitasi yaitu :

Ee=eV e

Energi ini digunakan untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dan kemudian tereksitasi kembali dengan memancarkan foton yang memiliki panjang gelombang λ sehingga :

λ= h ceV e

Eksperimen ini kemudian menjadi bukti dari teori model atom bohr yang menerangkan bahwa elektron harus memiliki energi minimum tertentu untuk dapat melakukan tumbukan inelastik dengan atom dan energi minimum tersebut dapat diartikan sebagai energi dari sebuah keadaan eksitasi pada atom.



ALAT DAN BAHAN

Pada percobaan ini akan digunakan beberapa macam peralatan yaitu sebagai berikut ini :

1) Franck – Hertz Apparatus (No. Seri OSK 5221 Ogawa Seiki, Ltd. Jepang)2) Multimeter

PROSEDUR PERCOBAANPada percobaan ini diamati terlebih dahulu fungsi – fungsi yang terdapat pada pesawat Franck – Hertz sebelum dilakukan eksperimen agar eksperimen dapat berjalan dengan lancar.

1) Kemudian pilih saklar “MANU” untuk tegangan kisi (Vg), bila tegangan antara katoda tabung franck – hertz dinaikkan dengan grid kedua (G2) secara manual, atau dipilih “AUTO” bila tegangan akan dinaikan secara otomatis.

2) Kemudian selanjutnya, dipilih saklar “INTERNAL” untuk mengatur arus antara grid kedua dengan plate (P) Franck – Hertz. Apabila digunakan pengukur arus secara eksternal, pilih saklar “EXTERNAL” dan hubungkan amperemeter dengan panel P – Ge.

3) Kemudian tegangan pemercepat dinaikan pelan – pelan dan arus anoda yang terukur diamati untuk setiap nilai tegangan pemercepat. Kemudian dilakuakn terus perubahan nilai tegangan pemercepat dan hasil arus anoda yang terukur hingga diperoleh grafik seperti pada gambar diatas.

4) Selanjutnya, ditentukan nilai – nilai dari tegangan kritis yang telah didapatkan dan dapat dilakukan tahapan perhitungan sebagai berikut :

a. Menghitung beda nilai tegangan kritis (antara maksimum ke – n) : ∆ V m=V m (n+1 )−V m dengan n = 1,2, 3... N

b. Kemudian dihitung rata – rata dari tegangan kritis dengan ∆ V m=∑ ∆ V mn

N dan

standard deviasinya

DATA HASIL PENGAMATANDari hasil praktikum didapatkan data sebagai berikut :

Tabel 1. Data nilai Vpuncak dan Arus dengan variasi konfigurasiVariasi V (volt) I (μA) Set 1 20 8

38 1052 1870 30

Set 2 22 836 2254 4772 78

Set 3 18 834 1650 3068 50



Tabel 2. Data V dan I untuk set 3No V (volt) I (μA)

1 2 02 4 13 6 14 8 25 10 46 12 57 14 68 16 79 18 810 20 411 22 112 24 513 26 914 28 1215 30 1316 32 1517 34 1618 36 819 38 320 40 4

21 42 1022 44 1823 46 2424 48 2725 50 3126 52 2427 54 1328 56 1129 58 1430 60 1931 62 2832 64 3833 66 4834 68 5235 70 4936 72 4437 74 4538 76 4939 78 5740 80 68

Gambar 2. Grafik Ploting antara V dan I untuk set 3

PEMBAHASAN

Sebuah atom dapat mengeksitasi ke tingkat energi di atas tingkat energi dasar yang menyebabkan atom tersebut memancarkan radiasi. Salah satu caranya adalah dengan tumbukan dengan partikel lain


0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

50

60

70

80

Tegangan Pemercepat (V)

Arus

(uA)


seperti yang dilakukan pada praktikum ini. Pada saat tumbukan, sebagian dari energi kinetik partikel akan diserap oleh atom. Atom yang tereksitasi akan kembali ke tingkat dasarnya dengan memancarkan satu foton atau lebih. Pada praktikum ini akan ditentukan besarnya energi eksitasi dan panjang gelombang juga menginterpretasikan grafik arus sebagai fungsi tegangan.

Pada praktikum ini digunakan atom neon dengan nonor atom : 10, massa atom : 20,179 g/mol, titik lebur : -249 ° C, dan titik didih : -246 ° C. Neon termasuk kelompok gas mulia yang tak berwarna dan lembam (inert). Neon memiliki kemampuan mendinginkan refrigrator 40 kali lipat dari helium cair dan 3 kali lipat lebih dari hidrogen. Dibandingkan dengan semua gas mulia, pelepasan muatan Neon memiliki intensitas lebih tinggi, tegangan dan arus yang luar biasa, karena sebab inilah pada percobaan ini digunakan atom Neon.

Pada percobaan ini dilakukan 3 konfigurasi yang berbeda untuk ditentukan tegangan puncaknya sebanyak 4 puncak. Dengan satu konfigurasi dilakukan dengan memberikan tegangan pemercepat mulai dari 0 volt sampai 80 volt. Hasil grafik dari ploting data ini seperti pada gambar 2. Dari sinilah terlihat bahwa terdapat puncak-puncak tegangan pada arus tertentu, selisih dari kedua puncak inilah yang disebut tegangan kritis seperti yang dijelaskan pada dasar teori.

Dari hasil perhitungan data diperoleh rata-rata tegangan puncaknya adalah (16,67 ± 0,62 )V sehingga energi eksitasinya sebesar (16,67 ± 0,62 ) eV , sedangkan foton yang diemisilan memiliki panjang gelombang sebesar (74,4 ± 2,8)nm dan panjang gelombang ini termasuk dalam rentang spektrum gelombang elektromagnetik ultraviolet. Jika dibandingkan dengan energi eksitasi atom neon menurut literatur yang sebesar 16,71 eV, maka prosentase kesalahan dalam praktikum ini adalah sebesar 0,24 % . Jadi dari hasil yang diperoleh bila energi elektron kurang dari 16,67 eV , maka tumbukan bersifat elastik dan energi dalam atom neon tidak berubah. Tetapi jika energi elektron lebih besar dari 16,67 eV , maka sebagian energi elektron diambil menjadi energi dalam atom neon dan sisanya tetap sebagai energi kinetik elektron.

Jika dilihat dari prosentase kesalahan yang nilainya lebih kecil dari 1% menandakan eksperimen dari penentuan energi eksitasi dan panjang gelombang foton emisi diperoleh data yang cukup valid, penyebab masih adanya perbedaan sebesar 0,24 % adalah mungkin adanya kesalahan pada saat membaca skala ampermeter untuk mengukur arus anoda dan voltmeter untuk tegangan pemercepat.

KESIMPULANBerdasarkan hasil eksperimen Franck-Hertz, maka dapat ditentukan besarnya energi eksitasi dan panjang gelombang foton yang diemisikan untuk atom neon yang digunakan pada praktikum ini, yaitu untuk energi eksitasinya sebesar 16,67 eV dan panjang gelombangnya sebesar 74,4 nm .


http://id.wikipedia.org/wiki/Gas_mulia


DAFTAR PUSTAKA

[1] Alonso, M. dan Finn, E.J., Fundamental University Physics, Volume II, Addison Wisley, 1983 (Book)

[2] Halliday, David dan Robert Resnick. 1990 . Fisika Modern edisi III, alih bahasa Pantur Silaban. Jakarta : Erlangga (Book)

[3] Krane, Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia Nikhsolihin, Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia (Book)

[4] Zaidan, A. , 2009. Pengantar Fisika Modern, tidak dipublikasikan, Departemen Fisika., Universitas Airlangga., Surabaya (Thesis)



LAMPIRAN

Perhitungan data

a. Rata-rata tegangan pemercepat puncak dari ketiga konfigurasi

V 1=V k1

+V k2+V k3

3=20+22+18

3=60

3=20 V

V 2=V k1

+V k2+V k3

3=38+36+34

3=118

3=36 V

V 3=V k1

+V k2+V k3

3=52+54+50

3=156

3=52 V

V 4=V k1

+V k2+V k3

3=70+72+68

3=210

3=70 V

b. Selisih tegangan pemercepat puncak (tegangan eksitasi) dan hasil rata-ratanyaDari hasil rata-rata tegangan pada poin a., maka selisihnya adalah :

∆ V e1=V 2−V 1=36−20=16 V

∆ V e2=V 3−V 2=52−36=16 V

∆ V e3=V 4−V 3=70−52=18V

Oleh karena ada tiga buah selisih tegangan pemercepat puncak dari hasil percobaan set 1, maka rata – rata dilakukan dengan menggunakan :

∆ V e=∆ V e1

+∆ V e2+∆ V e3

3=16+16+18

3=50

3=16,67 V

SD ∆ V e=√∑ ( ∆ V m )2−n ( ∆ V m )2

n (n−1 ), n=3

¿√ (162+162+182 )−3 (16,67 )2

3 (3−1 )=√ 836−3 (277,8889 )

6

¿√ 2,33336

¿√0,3889=0,62

V e=∆V m± SD ∆V m=16,67 ± 0,62V

c. Energi eksitasi



Ee=eV e=(1,602 x10−19 ) (16,67 )=26,7 x 10−19 J=16,67 eV

∆ Ee=|∂ Ee

∂V e|SD ∆ V m=|∂ eV e

∂ V e|(0,62 V )=e (0,62V )=0,62 eV

Ee= (16,67± 0,62 ) eV

d. Panjang gelombang foton emisi

Dari perhitungan energi eksitasi dan tegangan eksitasi, maka dapat dihitung panjang gelombang foton emisi yang diemisikan saat terjadi eksitasi dengan :

λ= hceV e

=( 6,626 x 10−34 ) (2,998 x108)

(1,602 x10−19 ) (16,67 )

¿ 19,864748 x 10−7

26,7=0,715 x10−7m

¿0,744 x 10−7 m

¿74,4 nm

∆ λ=| ∂ λ∂ V e|( SD ∆ V m )=|∂ hc

eV e

∂ V e|(0,62 V )=|−hc

eV e2|(0,62V )

¿(6,626 x10−34 ) (2,998 x108 )

(1,602 x10−19) (16,67 )2(0,62 V )=0,028 x 10−7 m

¿2,8 nm

λ=(74,4 ±2,8)nm

Analisis Error

Menurut literatur, energi eksitasi neon adalah sebesar 16,71 eV dan menurut hasil pengamatan dalam percobaan menghasilkan energi eksitasi neon sebesar 16,67 eV, sehingga prosentasi kesalahannya sebesar :

%kesalahan=|E e−Eeliteratur

Eeliteratur|x 100 %=|16,67−16,71

16,71 |x100 %

¿0,24 %



Data Pengamatan


f_41130_fh.docx

Documents