PERCOBAAN FRANCK-HERTZ

Nurmayani J.said, Rahmayuni, Fitri Ayu Andari, Ibnu Maksum, Dan Muhajrin.

Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Makassar

Abstrak. Percobaan yang telah dilakukan yaitu percobaan Franck-Hertz bertujuan untuk mengukur energy eksitasi atom Argon berdasarkan percobaan Franck-Hertz. 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 yang menyebabkan arus elektriknya juga semakin tinggi. Karena dalam tabung diisi dengan atom argon maka elektron-elektron dalam tabung tentu saja dapat menumbuk atom-atom Argon namun tidak ada energi yang dilepasakan karena tumbukannya elastik sempurna. Namun ketika electron memiliki cukup energy untuk menyebabkan atom bertransisi ke keadaan eksitasi maka akan terjadi perpindahan energi dari elektron ke atom Argon karena terjadi tumbukan tak-elastik. Setelah itu energi dari elektron akan berubah menjadi kecil untuk melewati kisi dan sampai dianoda sehingga arus akan turun secara drastic pada tegangan Uo selanjutnya arus akan naik kembali hingga tercapai kelipatan Uo yaitu 2Uo , pada tegangan tersebut arus turun kembali secara drastic dan seterusnya. Selish antara dua tegangan puncak dapat diperoleh energy eksitasi atom argon dengan mengalikan selisih tegangan kedua puncak yang terbentuk dengan e. Pada eksperimen Franck-Hertz ini diperoleh nilai energy eksitasi atom Argon sebesar .

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

PENDAHULUAN

Percobaan Franck Hertz adalah percobaan yang dilakukan oleh James Franck dan Gustav Hertz pada tahun 1914. Kedua ilmuan tersebut berasal dari Hamburg dan saling mengebal satu sama lain karena bekerja bersama-sama di Institut Fisika Universitas Berlin. Franck dan Hertz, keduanya secara khusus tertarik pada peristiwa ionisasi. Dan untuk mengukur dan mengetahui energy ionisasi tersebut, keduanya membuat sebuah alat yang dapat mererka gunakan untuk mempelajari ionisasi dalam atom-atom sebuah gas atau uap oleh electron yang dipancarkan oleh sebuah kawat panas melalui emisi termionik. Electron tersebut kemudian dipercepat dalam sebuah medan listrik sehingga energinya dapat diketahui dengan baik. Dalam percobaan yang dilakukan oleh Franck dan Hertz, keduanya berharap jika electron memiliki energy yang lebih kecil daripada energy ionisasi, maka tidak terjadi perpindahan energy antara electron dan atom-atom. Dan sebaliknya jika electron memiliki energy yang lebih besar, mereka mengharapkan terjadi kehilangan energy pada electron yang dipindahkan oleh electron ke atom sebesar energy ionisasi atom tersebut. Ternyata hasil eksperimen yang dilakukan berjalan sesuai dengan harapan Franck dan hertz. Mula-mula arus naik dengan kenaikan potensial U hingga tercapai sebuah nilai potensial Uo. Pada saat tercapai potensial Uo tersebut, arus tiba-tiba melonjat turun secara drastic, namun arus tersebut segera meningkat kembali pada tegangan U=2Uo, keadaan tersebut berlanjut seterusnya dan arus meningkat jika potensial yang dicapai merupakan kelipatan dari Uo. Nilai Uo yang dihitung Franck-Hertz sebesar 4,9 V. Dari eksperimen ini, Franck dan Hertz juga dapat menunjukkan sebuah energy ionisasi Eo dapat dihubungkan dengan frekuensi vo dengan menggunakan persamaan , dimana h adalah konstanta Planck. Dengan demikian, keduanya tidak hanya berhasil menunjukkan bahwa energy kinetic electron yang hilang akibat tumbukan elektron dengan atom-atom raksa terjadi dalam bentuk kuanta energy Eo, namun mereka juga dapat menunjukkan bahwa kuanta energy ini sama dengan energy cahaya yang dipancarkan oleh atom-atom yang sama jika interfrestasi hipotesis kuantum cahaya Einstein diterima. Pada eksperimen kedua yang dilakukan oleh Franck dan Hertz, keduanya dapat menunjukkan bahwa mereka dapat mengeksitasi pemancaran sebuah spectrum dengan sebuah garis tunggal berfrekuensi vo dengan menggunakan electron yang memiliki energy sedikit diatas Eo. Pada saat keduanya menuliskan makalahnya tentang hal tersebut pada tahun 1914, Franck dan Hertz belum mengetahui teori baru Bohr pada tahun 1913. Bohr lah yang menunjukkan pada tahun 1915 bahwa Eksperimen Franck dan Hertz kemungkinan besar konsisten dengan asumsi bahwa Eo bukanlah energy ionisasi tetapi hanya energy yang dibutuhkan untuk menghasilkan sebuah keadaan tereksitasi pada atom-atom raksa.TEORI

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 Vo, suatu tegangan perlambat kecil Antara kisi dengan pelat katoda. Arus elektron yang mencapai pelat anoda diukur dengan menggunakan ammeter A. [1]

GAMBAR 1. Peralatan Franck-Hertz

Andaikan tabung diisi dengan atom gas hydrogen. Jika tegangan dinaikkan dari nol, makin banyak electron yang mencapai plat anoda, maka bersamaan dengan itu naik pula arus elektriknya. Electron-elektron di dalam tabung tentu saja dapat menumbuk atom-atom hydrogen, namun tidak ada energy yang dilepaskan dari tumbukan ini. Jadi tumbukannya elastis sempurna. [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 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. [2]

GAMBAR 2. Skema Dasar Eksperimen Franck -Hertz

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. Kemudian ketika potensial pemercepat V bertambah besar, arus keeping bertambah lagi. Akhirnya penurunan arus keeping I yang sangat tajam dan eksitasi tingkat energy yang sama pada atom yang lain seperti terlihat pada gambar 3. Sederetan potensial kritis untuk atom tertentu di dapatkan denga cara seperti itu. Jadi potensial tertinggi diperoleh dari beberapa tumbukan dan merupakan kelipatan dari yang terendah.Franck dan Hertz mengamati spectrum emisi uap ketika ditembaki electron. Dalam hal uap air raksa, mereka mendapatkan bahwa energy electron minimum 4,9 eV diperlukan untuk mengeksitasi garis spectral air raksa 253,6 nm - foton cahaya 253,6 nm berenergi tepat 4,9 eV. [2]Dengan demikian, percobaan ini memberikan kita suatu bukti langsung mengenai kehadiran keadaan eksitasi atom. Sayangnya tidak mudah untuk melakukan percobaan ini dengan menggunakan atom hydrogen, karena secara alamiah hydrogen tidak hadir dalam bentuk atom, melainkan dalam bentuk molekul H2 . Karena molekul menyerang energy dalam berbagai cara. Penafsiran percobaannya akan menjadi kabur. [1]Karena ketidakmudahan menggunakan hydrogen, maka eksperimen dilakukan dengan menggunakan gas argon (Ar). Hal ini dilakukan agar hasil percobaan mudah ditafsirkan. Grafik hasil eksperimen dengan menggunakan atom argon diperlihatka pada gambar 3. [2]

GAMBAR 3. Contoh Grafik Eksitasi Atom Argon Pada Percobaan Franck - Hertz

METODOLOGI EKSPERIMEN

Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan Franck-Hertz adalah Perangkat percobaan Franck-Hertz Lambda Scientific, Osiloskop, dan Probe osiloskop.Untuk melakukan percobaan Franck-Hertz maka semua alat harus dirangkai seperti gambar 4. Sebelum merangkai alat tersebut, harus dilakukan penyetelan peralatan terlebih dahulu.

GAMBAR 4. Rancangan Perangkat Eksperimen Franck-Hertz

Langkah pertama untuk melakukan percobaan Franck-Hertz yaitu memanaskan gas argon dengan filament voltage (V) sebesar 5,5 V, selama 1 jam. Kemudian mengatur scanning dalam posisi manual selanjutnya 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 V dan mengatur VG3 (Tegangan Grid 3) pada posisi 70 V. Setelah mengatur tegangan Grid, selanjutnya menghubungkan Channel 1 pada osiloskop ke X-Output pada perangkat Franck-Hertz dan Channel 2 ke Y-Output, lalu mengatur Channel 1 sebesar 5 V dan Channel 2 sebesar 10 mV pada osiloskop. Kemudian menggeser posisi scanning ke arah auto dan terakhir mengatur scanning untuk menampilkan gambar yang baik dan menghitung tegangan dan arus listrik pada osiloskop.

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATA

GAMBAR 5. Grafik Eksitasi atom Argon hasil percobaan Frank-Hertz

Hasil pengamatan

TABEL. Hubungan Antara Tegangan (volt) dengan Arus (Ampere)NoV (Volt)I (A)

116

2512

3819

Analisis Perhitungan

Selisih tegangan antara ;

Selisih tegangan antara ;

Tegangan rata-rata;

PEMBAHASAN

Percobaan Franck-Hertz yang dilakukan yaitu untuk mengukur energi eksitasi atom Argon. Dimana prinsip kerja dari percobaan Franck Hertz 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. Setelah electron melewati kisi, electron tersebut akan melawan tegangan perlambat kecil, dimana anoda memiliki potensial lebih negative sehingga electron harus melewati potensial penghalang antara kisi dengan plat pengumpul (anoda). Jika electron memiliki cukup energy untuk melewati tegangan penghalang maka electron dapat mencapai anoda dan terbaca arus pada ammeter. Jika tegangan (Vp) terus dinaikkan dari nol, maka makin banyak elektron yang akan mencapai pelat anoda, dan bersamaan dengan itu naik pula arus elektriknya. Karena di dalam tabung terdapat atom-atom argon makan elektron-elektron di dalam tabung dapat menumbuk atom di dalam tabung tersebut, namun tidak ada perpindahan energy antara electron dan atom argon dalam tumbukan ini, jadi tumbukannya adalah elastik sempurna. Namun jika electron memiliki energi yang cukup untuk menyebabkan atom Argon terkuantisasi ke suatu keadaan eksitasi maka pada saat tumbukan dengan atom argo., elektron dapat melepas energinya ke atom argon yang menyebabkan atom argon dapat bereksitasi sehingga electron memiliki sedikit energy untuk sampai ke anoda yang menyebabkan arus turun secara drastic, namun setelah itu arus kembali naik lagi hingga tercapai kelipatan energy awal pada saat terjadi eksitasi. Pada percobaan yang telah dilakukan diperoleh nilai tegangan dan nilai arus pada puncak grafik yang terbentuk pada layar osiloskop. Pada percobaan ini di batasi hanya tiga data yaitu tiga data nilai tegangan dan tiga data nilai arus. Nilai tegangan yang diperoleh yaitu 1 V, 5 V, dan 8V dengan nilai arus 6 A, 12 A dan 19 A. melalui data tersebut memberikan bukti langsung mengenai kehadiran keadaan eksitasi atom atau dapat diketahui bahwa atom itu memiliki tingkat energy. Jadi, dapat disimpulkan bahwa percobaan yang dilakukan telah benar dimana grafik hasil percobaan menunjukkan hasil percobaan seperti pada teori percobaan Franck Hertz yaitu pertama arus naik hingga tercapai tegangan 1 volt, pada tegangan 1 volt tersebut arus tiba-tiba turun secara drastic, lalu arus naik kembali hingga tercapai tegangan 5 volt, dan pada tegangan 5 volt arus turun kembali secara drastic, selanjutnya naik kembali hingga tercapai tegangan 8 volt dan seterusnya. Melalui analisis data diperoleh nila eksitasi atom argon sebesar . Nilai eksitasi atom tersebut diperoleh dari nilai rata rata Va (selisih tegangan kedua dengan tegangan pertama ) dan Vb (selisih tegangan ketiga dengan tegangan kedua) lalu dikalikan dengan e karena besar energy eksitasi dapat dihitung dengan rumus E = e Vrata-rata. Dimana seharusnya nilai tegangan eksitasi yaitu Veksitasi = Va = Vb, tetapi hasil analisis data menunjukkan Va tidak sama dengan Vb sehingga diambil nilai rata-ratanya. Ketidaktepatan hasil ini diakibatkan karena probe osiloskop yang digunakan tidak terlalu baik. Namun nilai Va dan Vb tidak terlalu jauh berbeda. Dan grafik hubungan antara tegangan dan arus membentuk garis linear, hal ini menunjukkan bahwa percobaan tersebut telah benar.

SIMPULAN

Berdasarkan percobaaan Franck-Hertz yang dilakukan diperoleh nilai energy eksitasi atom Argon sebesar 3,5 eVolt.

REFERENSI

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

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