Laporan Eksperimen Fisika Percobaan Franck-Hertz

PERCOBAAN FRANCK-HERTZ

Heri Setiawan, Alimuddin Hamzah P., Anuhgraini Jumaru, Nurfadia Adlina, Nurfitrah H., Yuliastuti

Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA

Universitas Negeri Makassar

Abstrak. Telah dilakukan percobaan dengan judul Percobaan Franck-Hertz. Tujuan percobaan ini adalah untuk menghitung energi eksitasi atom Argon. Pada percobaan ini digunakan perangkat percobaan Franck-Hertz – Lambda Scientific dan Osiloskop. 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 elastik sempurna. Ketika elektron mencapai energy 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 eksperimen Franck-Hertz ini diperoleh nilai eksitasi atom Argon sebesar .

KATA KUNCI: Franck-Hertz, Energi Eksitasi, Energi Ionisasi, kuantisasi electron.

PENDAHULUAN

Tahun 1914, James Franck dan Gustav Hertz, keponakan Heinrich Hertz, bekerja bersama-sama di Institut Fisika Universitas Berlin. Keduanya berasal dari Hamburg dan saling mengenal satu sama lain ketika mengikuti perayaan hari mahasiswa (student days). Saat itu Hertz merupakan seorang asisten sedangkan Franck adalah seorang Privatdozent, yaitu ilmuwan yang memiliki hak untuk memberi kuliah, tetapi tidak memiliki jabatan guru besar.

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. [2]

Hasil eksperimen yang dilakukan berjalan sesuai dengan harapan. Mula-mula arus naik dengan kenaikan potensial U hingga tercapai sebuah nilai potensial U_o. Setelah potensial U_o ini tercapai, arus turun secara drastis tetapi arus ini segera meningkat kembali pada tegangan U = 2U_o, dan seterusnya. Nilai U_o yang dihitung oleh Franck dan Hertz adalah sebesar 4,9 V.

Franck dan Hertz menjelaskan hasil ini sebagai berikut. Pada saat energi elektron lebih kecil dari E_o = eU_o, elektron tidak dapat mengalami kehilangan energi dalam proses tumbukan dengan atom-atom raksa. Saat elektron mencapai grid, energi yang dimilikinya cukup besar untuk melawan medan yang timbul antara grid dengan elektrode luar. Pada tegangan yang sedikit lebih besar dari U_o, elektron mencapai nilai energi E_o sebelum sampai di grid. Pada kondisi ini, elektron akan kehilangan energi saat terjadi tumbukan, dan elektron tersebut tidak dapat lagi memperoleh energi yang cukup dari medan untuk melawan medan yang bersifat menolak dari luar grid. Oleh karena itu arus turun. Pada saat tegangan dinaikkan terus, peristiwa tumbukan akan terjadi lebih awal yaitu di daerah dekat kawat asal lepasnya elektron. Dengan demikian, setelah bertumbukan, elektron tersebut masih dapat memperoleh energi yang cukup untuk mencapai elektrode yang lebih luar. Akibatnya arus akan naik lagi dan akan turun kembali saat tegangan mencapai 2U_o, dan seterusnya. Berdasarkan hasil ini, Franck dan Hertz yakin bahwa nilai E_o ini merupakan nilai energi ionisasi atom-atom raksa.

Dari eksperimen ini, Franck dan Hertz juga dapat menunjukkan bahwa energi E_o dapat dihubungkan  dengan frekuensi v_o dengan menggunakan persamaan E_o = hv_o, dimana h adalah konstanta Planck. Dengan demikian, keduanya tidak hanya berhasil menunjukkan bahwa energi kinetik elektron yang hilang akibat tumbukan dengan atom-atom raksa terjadi dalam bentuk kuanta energi E_o, tetapi mereka juga berhasil menunjukkan bahwa kuanta energi ini sama dengan energi cahaya yang dipancarkan oleh atom-atom yang sama jika interpretasi hipotesis kuantum cahaya Einstein diterima. Pada eksperimen kedua yang dilakukan oleh kolaborasi ini, mereka bahkan dapat menunjukkan bahwa mereka dapat mengeksitasi pemancaran sebuah spektrum dengan sebuah garis tunggal berfrekuensi v_o dengan menggunakan elektron yang memiliki energi sedikit di atas E_o.

TEORI

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

GAMBAR 1. Skema diagram perangkat Franck-Hertz.

Elektron-elektron meninggalkan katoda, yang dipanasi dengan sebuah filamen pemanas. Semua elektron 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 pelat anoda. Jika V lebih besar daripada V_o, suatu tegangan perlambat kecil Antara kisi dengan pelat katoda. Arus elektron yang mencapai pelat anoda diukur dengan menggunakan ammeter A. [3]

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 elektronmengalami dua tumbukan inelastic.

GAMBAR 2. Hubungan mempercepat Potensial pada nilai Arus.

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

GAMBAR  3.  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 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.

GAMBAR 4. Elektron memiliki EK sama dengan ΔE.

.Ketika EK elektron lebih besar dari ΔESebagai 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 V_o dipasang diantara kisi dan 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. [4]

Tujuan eksperimen adalah untuk menentukan energi eksitasi atom argon.

METODOLOGI EKSPERIMEN

GAMBAR 5. Rancangan Perangkat Eksperimen Franck-Hertz

 

            Alat dan bahan yang digunakan pada praktikum ini adalah Perangkat Percobaan Franck-Herzt, Osiloskop , dan Probe Osiloskop. Langkah pertama untuk melakukan eksperimen Franck-Hertz yaitu memanaskan gas argon dengan filament voltage (V) sebesar 5,5 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 V_G1 (Tegangan Grid 1) pada posisi 2,5 V, mengatur V_G2 (Tegangan Grid 2) pada posisi 7,5 V dan mengatur V_G3 (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 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

GAMBAR 6. Grafik Eksitasi atom Argon hasil percobaan Frank-Hertz

 

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

NO.	Arus (I) ( )	Tegangan (V) (Volt)
1	6,0	1,0
2	14,0	4,5
3	21,0	8,0

Analisis Perhitungan

Hasil pengamatan

Analisis Perhitungan

Selisih tegangan antara ;

Selisih tegangan antara ;

Tegangan rata-rata;

 

Jadi, Energi Eksitasi diperoleh:

GAMBAR 7. Grafik hubungan tegangan (V) Volt dan Arus (A) amper pada percobaan Franck-Hertz.

Pembahasan

Percobaan yang dilakukan kali ini adalah Percobaan Franck-Hertz yang bertujuan 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 V_p 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. Berdasarkan analisis data percobaan ini diperoleh nilai energi eksitasi atom Argon sebesar |4,5 ± 2| 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.

SIMPULAN

Pada Eksperimen Franck-Hertz diperoleh nilai eksitasi atom Argon sebesar |4,5 ± 2| Volt.

REFERENSI

[1]Anonim. 2014. http://eksperimen-Franck-Hertz.html . Makassar: diakses pada tanggal 1 November 2014.

[2]Halliday, D dan Resnick, R. 1999. Physics (terjemahan Pantur Silaban dan Erwin Sucipto). Jilid 2. Edisi 3. Penerbit Erlangga: Jakarta

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

[4]Subaer, dkk. 2014. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.