LAPORANPRAKTIKUM FISIKA EKSPERIMEN I

PERCOBAAN FRANCK - HERTZ

Disusun oleh:

Nama : Nurhayati (H1C006049) Bhakti Yuda Perwira (H1C006050)

Hari/Tanggal Praktikum : Sabtu, 1 November 2008

Pengumpulan Laporan : Sabtu, 22 November 2008

Asisten : Riyanto, S.Si

DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONALUNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNIKJURUSAN MIPA-FISIKA

PURWOKERTO2008

PERCOBAAN FRANCK-HERTZOleh:

Nurhayati (H1C006049)Bhakti Yudha Perwira (H1C006050)

ABSTRAK

Laporan ini bertujuan untuk menggunakan kurva Franck-Hertz serta memahami

peristiwa penyerahan energi yang tidak kontinu dari elektron bebas pada atom mercury.

Untuk menghasilkan terjadinya pelepasan energi, mka atom mengalami transisi ke suatu

keadaan eksitasi. Metode yang digunakan adalah menggunakan tabung Franck Hertz dan

set up eksperimen Franck Hertz seperti pada gambar 1 dan 3. Data hasil pengamatan

diolah dengan menggunakan program exel dan selanjutnya dibuat grafik hubungan antara

tegangan pemercepat dengan arus anoda.

Kurva Franck-Hertz pada U1 = 1,5 V; U3 = 3,0V memberikan hasil EHg adalah

4,85 volt. Dan menurut referensi EHg adalah 4,9 volt. Grafik yang diperoleh sesuai dengan

referensi.

Kata kunci : Eksitasi atom, penyerahan energi, kurva Franck-Hertz.

ABSTRACT

For produce discharge of energy transfer, so atom realize transition to excitation

condition. Mechanism of energy transfer can happened at inelastic crash between electron

and atom.

The experiment of Franck-Hertz had been done in physics Experiment Laboratory

at Tuesday, October, 21th 2008 in Mathematics and Natural Sciences, Jenderal Soedirman

University, Purwokerto .The objectives are study Franck-Hertz curve and discontinue

energy transfer from free electron to mercury atoms.

Curve of Franck-Hertz at U1 = 1,5V; U3 = 3,0V give result of EHg is 4,85 volt. And

according to reference of EHg is 4,9 volt.

Key word: Atom excitation, absorbs of energy, Franck-Hertz curve

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Leukipos dan Demokritos dua ilmuan yang mengembangkan konsep atom. Mereka

menyatakan bahwa atom bagian terkecil suatu zat/partikal yang tidak dapat dibagi lagi.

Konsep ini bertahan hingga abad XIX. Pada akhir abad ke XIX banyak ilmuan yang

berusaha mengungkap rahasia atom (Usuludin, 1999) .

Teori atom Bhor memperkenalkan atom sebagai sejenis miniatur planit mengitari

matahari, dengan elektron-elektron mengelilingi orbitnya sekitar bagian pokok, tapi

dengan perbedaan yang sangat penting. Bilamana hukum-hukum fisika klasik mengatakan

tentang perputaran orbit dalam segala ukuran, Bhor membuktikan bahwa elektron-elektron

dalam sebuah atom hanya dapat berputar dalam orbitnya dalam ukuran spesifik tertentu.

Atau dalam kalimat rumus lain : elektron-elektron yang mengitari bagian pokok berada

pada tingkat energi (kulit) tertententu tanpa menyerap atau memancarkan energi. Elektron

dapat berpindah dari lapisan dalam ke lapisan luar jika menyerap energi. Sebaliknya,

elektron akan berpindah dari lapisan luar ke lapisan lebih dalam dengan memancarkan

energi.

Kemampuan teori Bhor yang menjelaskan spektrum dari hydrogen atom, yakni

telah diketahui bahwa gas hydrogen jika dipanaskan pada tingkat kepanasan tinggi, akan

mengeluarkan cahaya dari suatu frekuensi tertentu. Nilai terbesar teori Bhor tentang atom

dari hipotesa sederhana tapi sanggup menjelaskan dengan ketetapan yang mengagumkan

tentang gelombang panjang yang persis dari semua garis spektral (warna) yang

dikeluarkan oleh hidrogen

Tetapi teori Niels Bohr terdapat kekurangan dan harus diganti secara mekanika

kuantum, agar ketelitian dan kegunaannya lebih besar. Berdasarkan permasalahan inilah,

pada tahun 1914 ilmuwan bernama James Franck dan Gustav Hertz melakukan sederetan

eksperimen yang membuktikan kebenaran teori Bohr yakni juga mengenai kehadiran

eksitasi atom.

1.2 Tujuan

Dengan dilaksanakannya praktikum ini tujuan yang ingin dicapai adalah:

1. Mampu menggunakan kurva Franck-Hertz

2. Memahami peristiwa penyerahan energi yang tidak kontinu dari elektron-

elektron bebas kepada atom mercury (raksa).

II. DASAR TEORI

Sebuah atom dapat mengeksitasi ke tingkat energi di atas tingkat energi dasar yang

menyebabkan atom tersebut memancarkan radiasi melalui dua cara. Salah satunya adalah

tumbukan dengan partikel lain. Pada saat tumbukan, sebagian dari energi kinetik pada

partikel akan diserap oleh atom. Atom yang tereksitasi dengan cara ini akan kembali ke

tingkat dasar dalam waktu rata-rata 10-8 detik dengan memancarkan satu foton atau lebih.

Cara lainnya adalah dengan lecutan listrik dalam gas bertekanan rendah, sehingga timbul

medan listrik yang mempercepat elektron dan ion atomic sampai energi kinetiknya cukup

untuk mengeksitasi atom ketika terjadi tumbukan. Misalnya pada lampu neon dan uap air

raksa, medan listrik kuat yang terpasang antara elektroda dalam tabung berisi gas

menimbulkan emisi radiasi spektral karakteristik dari gas itu yang ternyata merupakan

cahaya berwarna kemerah-merahan (dalam kasus neon) dan cahaya kebiru-biruan (dalam

kasus uap air raksa) dalam percobaan ini menggunakan uap air raksa sebagai media.

Mekanisme eksitasi yang berbeda terpaut jika sebuh atom menyerap sebuah atom

cahaya yang energinya cukup untuk menaikkan atom tersebut ke tingkat energi yang lebih

tinggi. Jika cahaya putih yang mengandung semua panjang gelombang dilewatkan melalui

gas hydrogen, foton dengan panjang gelombang yang bersesuaian dengan transisi antara

tingkat energi yang bersangkutan akan diserap. Atom hidrogen yang tereksitasi yang

ditimbulkannya akan memancarkan kembali energi yang eksitasinya hampir saat itu juga,

tetapi foton keluar dalam arah yang rambang dengan hanya beberapa daya yang berarah

sama dengan berkas semula dari cahaya putih tersebut. Jadi garis gelap dalam spektrum

absorbsi tidak 100% hitam dan hanya terlihat hitam karena terjadi kontras dengan latar

belakang yang terang. Garis yang seharusnya dalam spektrum absorbsi setiap unsur

bersesuaian dengan garis pada spektrum emisi yang menyatakan transisi ke tingkat dasar

yang cocok dengan hasil eksperimen (Beisser, 1992).

Pada tahun 1914 James Frank dan Gustav Hertz melaporkan energi yang hilang

akibat elektron yang melewati uap mercury, dan adanya pancaran sinar ultraviolet dengan

panjang gelombang 254 nm. Kemudian percobaan Frank-Hertz ini dijadikan percobaan

klasik untuk menjelaskaan teori kuantum (Leyboed, internet).

Gambaran sederhana mengenai percobaan ini adalah sebagai berikut: dalam tabung

elektron-elektron meninggalkan katoda karena dipanasi dengan sebuah filamen pemanas,

semua elektron kemudiaan dipercepat menuju sebuah kisi oleh beda potensial yang diatur.

Apabila energi elektron lebih besar dari pada Vo, yaitu tegangan perlambat kecil antara kisi

dan plat katoda maka elektron dengan energi V eV (elekron volt) dapat menembus kisi dan

jatuh pada plat anoda. Arus elektron yang mencapai plat anoda tersebut dapat diukur

menggunakan ampermeter. Semakin banyak elektron yang mencapai anoda maka arus

listriknya akan lebih besar. Atom-atom dalam tabung saling bertumbukan akan tetapi tidak

ada energi yang dilepaskan dalam tumbukan ini. Jadi tumbukannya secara elastis

sempurna. Dan untuk menghasilkan terjadinya pelepasan energi, maka atom mengalami

transisi kesuatu keadaan eksitasi dan hal ini dapat dilakukan dengan cara tabung elektron

diisi dengan gas hidrogen, maka elektron akan mengalami tumbukkan dan juga jika

tegangan V dinaikkan lagi maka arus listriknya juga akan ikut naik.

Pada percobaan ini menggunakan atom mercury atau raksa atau Hidrargium

(80Hg200,6) mempunyai sifat-sifat fisis sebagai berikut :

1. Bersifat cair dan berwarna putih keperakan

2. Nonkunduktor

3. Logam yang tidak dapat ditempa

4. Tidak mengkilap

5. Titik didih pada 630 oK

6. Titik lebur pada 234 oK

Hydragyrum atau raksa mempunyai konfigurasi sebagai berikut :

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6

Diagram tingkat-tingkat energi untuk air raksa. Dalam masing-masing tingkat eksitasi satu

elektron terluar berada dalam keadaan dasar, dan pelambangan tingkat energi dalam

diagram bersesuaian dengan elektron terluar (Beiser,1987).

c

III. METODE PERCOBAAN

Frank dan Hertz menembaki uap berbagai unsur dengan elektron yang energinya

diketahui dengan memakai alat seperti yang terlihat pada gambar 1. 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. Ketika potensial pemercepat V

bertambah, elektron yang datang pada keping bertambah banyak dan arus i naik (Gambar

2). Sehingga atom-atom dalam tabung saling bertumbukan akan tetapi tidak ada energi

yang dilepaskan dalam tumbukan ini. Jadi tumbukannya secara elastis sempurna.

IA

AUf

G1 G2

U3U2U1

- + - + + -

Gambar 1. Diagram Tabung Frank-Hertz

S

f

f k

Gambar 2. Diagram eksitasi energi mercury (Hg)

UA

Lebih jelasnya lihat gambar 3.

Gambar 6. Diagram alat percobaan Franck-Hertz

Percobaan akan siap jika rangkaian terlebih dahulu sudah di set dan pipa lampu

akan semakin panas dan temperatur oven juga akan sampai kira-kira 175° C dan memulai

tegangan pada anoda untuk 0 V serta membuat Elektrometer Keithleuy yang skalanya

harus diperhitungkan, lalu tegangan diturunkan sedikit demi sedikit sampai kita

mendapatkan sinyal yang pasti pada elektrometer lalu catat tegangannya setelah itu

tegangan anoda itu juga dinaikkan perlahan-lahan ( kenaikkan anoda maksimum 30 V )

maka elektrometer itu akan menangkap perubahannya secara lambat karena untuk

memberikan waktu kepada reaksinya dan arus yang dipakai dari minimum sampai

maksimum lalu catat tegangan yang disesuaikan dengan arusnya.

3.1 Waktu Dan Tempat

Percobaan statistik peluruhan radioaktif ini dilaksanakan pada:

Hari,tanggal : Sabtu, 1 Nopember 2008

Waktu : 10.00-12.00 WIB

Tempat : Laboratorium Fisika Eksperimen

Gambar 3. Diagram alat percobaan Franck-Hertz

3.2 Alat Dan Bahan

1. 1 tabung Frank Hertz

2. 1 rangka sambung untuk tabung

3. 1 tabung oven listrik

4. kabel penghubung

5. Osiloskop

6. Multimeter

3.3 Cara Kerja

Menyusun peralatan seperti gambar 3. Memasukkan tabung Frank-Hertz dalam

kerangkanya dan memanaskannya dalam tabung oven sampai 110 V. Mengatur U1 dan

U3 sehingga diperoleh kurva Franck-Hertz pada layar osiloskop. Memvariasi nilai U2

untuk setiap kenaikan 0,2 V hingga 24 V dan mencatat besarnya arus IA pada tabel

pengamatan dan membuat grafik eksitasi energi mercury.

Diagram Alir Percobaan Franck Hertz

Gambar 4. Diagram alir untuk percobaan Frank-Hertz

Sudah

Mulai

Menyusun peralatan

Menunggu lampu power suplly berwarna hijau (110 V)

Mengatur nilai U1dan U3 hingga diperoleh kurva Franck-Hertz

Mencatat nilai IA untuk masing-masing variasi nilai U2 (0, 0.2, 0.4, …, 24 volt)

Apakah nilai IA untuk masing-masing U2 sudah di dapat ?

Selesai

Belum

IV.HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Pengamatan

UA (V) IA (mA) UA (V) IA (mA) UA (V) IA (mA)0.0 41.0 8.2 46.0 16.2 56.00.2 41.2 8.4 47.1 16.4 55.60.4 41.4 8.6 48.9 16.6 55.00.6 41.5 8.8 50.0 16.8 55.00.8 41.7 9.0 49.9 17.0 54.91.0 41.8 9.2 51.0 17.2 55.01.2 41.9 9.4 51.0 17.4 55.31.4 42.3 9.6 52.0 17.6 55.51.6 42.4 9.8 53.0 17.8 55.71.8 42.6 10.0 54.0 18.0 55.92.0 42.9 10.2 53.1 18.2 56.02.2 42.7 10.4 54.1 18.4 56.32.4 42.6 10.6 53.9 18.6 56.72.6 42.8 10.8 53.1 18.8 56.92.8 43.1 11.0 52.0 19.0 57.03.0 43.3 11.2 50.7 19.2 57.53.2 43.5 11.4 50.4 19.4 57.73.4 44.0 11.6 50.5 19.6 57.83.6 44.4 11.8 50.6 19.8 57.93.8 44.8 12.0 50.7 20.0 58.04.0 45.2 12.2 50.9 20.2 58.94.2 45.9 12.4 51.5 20.4 58.54.4 46.1 12.6 52.6 20.6 59.04.6 46.5 12.8 53.0 20.8 60.04.8 47.0 13.0 53.9 21.0 60.35.0 47.2 13.2 54.0 21.2 60.55.2 47.3 13.4 55.5 21.4 60.95.4 47.6 13.6 56.0 21.6 61.25.6 47.4 13.8 57.0 21.8 61.45.8 47.2 14.0 56.9 22.0 61.76.0 47.0 14.2 58.0 22.2 61.96.2 46.6 14.4 59.0 22.4 62.26.4 46.2 14.6 59.1 22.6 62.26.6 45.9 14.8 58.9 22.8 62.06.8 45.6 15.0 58.8 23.0 61.77.0 45.1 15.2 58.6 23.2 61.57.2 45.0 15.4 58.0 23.4 61.27.4 45.1 15.6 57.5 23.6 61.07.6 45.2 15.8 57.2 23.8 60.97.8 45.3 16.0 57.0 24.0 60.58.0 45.4        

4.2 Hasil dan Perhitungan

Grafik Hubungan Tegangan Pemercepat dengan Arus Anoda

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

0.0 10.0 20.0 30.0

Teganan Pemercepat (V)

Aru

s A

no

da

(m

A)

Series1

Gambar 5. Grafik hubungan antara U2 dan IA pada percobaan 1

Dari kurva diatas maka dapat ditentukan nilai EHg adalah:

U21 = Puncak II – Puncak I

= 9,8 V – 4,8 V

= 5 V

U32 = Puncak III – Puncak II

= 15,6 V – 9,8 V

= 5,8V

U43 = Puncak IV – Puncak III

= 18,8 V – 15,6 V

= 3,2V

U54 =Puncak V – Puncak IV

= 24,2V – 18,8

=5,4V

Urata = V

EHg = e x Urata = 4,9 eV

4.3 Pembahasan

Dari percobaan yang dilakukan diketahui bahwa fenomena tumbukan antara

elektron dengan atom mercury terjadi saat katoda dipanasi sebuah filamen pemanas,

sehingga semua elektron dipercepat menuju kisi oleh beda potensial V yang dapat diatur.

Elektron-elektron yang dipercepat tersebut kemudian bertumbukan dengan atom

mercury yang telah diuapkan hingga 175 o Celcius, sehingga memudahkan tumbukan

antara keduanya terjadi.

Bertumbukannya elektron dengan atom mercury ada dua kemungkinan yakni

tumbukan elastis sempurna dimana elektron tidak melepaskan energi. Dan yang kedua

tumbukan elastis tidak sempurna dimana elektron dapat melepaskan energinya dengan cara

elektron harus mempunyai energi yang cukup untuk menyebabkan atom mercury

bertransisi ke suatu keadaan eksitasi. Dengan demikian apabila energi elektron mencapai

4,9 eV elektron dapat melakukan tumbukan tak elastik dengan atom mercury dan

meninggalkan energi 4,9 eV pada atom mercury.

Saat setelah mengalami tumbukan, elektron masih dapat berjalan atau bergerak

dengan energi yang dimiliki lebih rendah dan jika elektron melewati kisi energinya tidak

cukup untuk melewati tegangan perlambatan rendah. Elektron tidak dapat melewati plat

anoda sehingga arus yang dihasilkan akan turun.

Pada percobaan diketahui elektron yang bertumbukan dengan atom memberikan

energi kinetiknya sebagian atau seluruhnya untuk mengeksitasikan atom ke tingkat energi

di atas tingkat dasar. Tumbukan semacam ini tidak elastik, sebagian lawan dari tumbukan

elastik (lenting) yang berlangsung dengan energi kinetik kekal. Dari hasil percobaan dapat

dilihat bahwa pada setelah atom mengalami eksitasi maka arusnya akan turun.

Besarnya nilai EHg untuk masing – masing puncak berdasarkan referensi adalah 4,9

eV dan hasil dari percobaan yang telah dilakukan adalah :

U21 = 5

U32 = 5,8

U43 = 3,2

U54 = 5,4

Urata-rata = 4,9 V , EHg = 4,9 eV

Nilai EHg menunjukan energi yang diperlukan untuk mempromosikan elektron

atom gas merkury ketingkat yang lebih tinggi pada saat bertumbukan. Setelah nilai

perhitungan grafik dibandingkan dengan nilai referensi, ternyata hasil yang didapat hampir

sama.

V. KESIMPULAN

Dari hasil percobaan yang telah dilakukan, dapat diketahui bahwa besarnya nilai

EHg selalu sama untuk setiap puncak, sehingga penyerahan energi dari elektron dapat

berlangsung untuk nilai EHg yang sama. Grafik Frank-Hertz menggambarkan besarnya

potensial yang dibutuhkan untuk mengeksitasi atom ke tingkat yang lebih tinggi, yaitu

ketika berada pada tegangan 4.9 eV. Adapun nilai yang didapat dari percobaan ini adalah :

U21 = 5

U32 = 5,8

U43 = 3,2

U54 = 5,4

Urata-rata = 4,9 V, EHg = 4,9 eV

DAFTAR PUSTAKA

Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga..

Hartono,dkk. 2007. Panduan Praktikum Fisika Eksperimen I.Purwokerto:MIPA.

Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern. Jakarta: Universitas Indonesia.

Usuludin.1999. Fisika.Klaten:Intan Pariwara.