PERCOBAAN FRANK-HERTZ

Muchlis1), Nur Alisya Ibrahim 2), Siti Halija3), Ahmad Sahabuddin4) Hangger Citra Aryo

Laboratorium Fisika Modern Universitas Negeri Makassar

Abstrak - Percobaan Frank-Hertz bertujuan untuk mengukur energi eksitasi atom argon. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan sebuah filamen pemanas yang dipanasi sehingga elektron-elektron meninggalkan katoda,. Semua elektron itu kemudian dipercepat menuju sebuah kisi oleh beda potensial V, yang dapat diatur. Pada saat energi elektron lebih kecil dari energi yang dibutuhkan atom untuk bertransisi ke keadaan eksitasi, maka akan terjadi tumbukan elastik sempurna. Untuk menghasilkan terjadinya pelepasan energi pada elektron (tumbukan takelastik), maka atom mengalami transisi ke suatu keadaan eksitasi. Percobaan ini menggunakan gas argon dengan perangkat percobaan Frank-Hertz Lambda Scientific yang disambungkan dengan osiloskop menggunakan probe untuk menampilkan grafik eksitasi atom argon. Hasil yang diperoleh pada grafik yaitu |2,5±0,5|V,|3,0±0,5|V,|4,0±0,5|V untuk masing masing puncak pada grafik. Selanjutnya berdasarkan hasil analisis data diperoleh bahwa energi yang dibutuhkan untuk mengeksitasi atom argon berdasarkan percobaan Franck-Hertz yang telah dilakukan adalah sebesar |3,1±0,5| eV.

KATA KUNCI: Frank-Hertz, Eksitasi, Tumbukan Elastik sempurna, Tumbukan Tak-elastik.

Abstract - The Frank-Hertz experiment aims to measure the excitation energy of argon atoms. This experiment is carried out by using a heated filament heater so that the electrons leave the cathode. All of these electrons are then accelerated towards a lattice by a potential difference V, which can be adjusted. When the electron energy is smaller than the energy needed by an atom to transition to an excitation state, a perfect elastic collision will occur. To produce an energy release to electrons (not elastic collisions), the atoms transition to an excitation state. This experiment uses argon gas with the Frank-Hertz Lambda Scientific experiment device which is connected to an oscilloscope using a probe to display the graph of excon atom excitation. The results obtained on the graph are |2,5±0,5|V,|3,0±0,5|V,|4,0±0,5|V for each peak on the graph. Furthermore, based on the results of data analysis, it was found that the energy needed to excite argon atoms based on the Franck-Hertz experiment carried out was |3,1±0,5| eV

KEY WORDS: Frank-Hertz, Excitation, Perfect Elastic Collision, Not elastic Collision.

PENDAHULUAN

Dalam kehidupan sehari-hari kita sering mengalami peristiwa ionisasi, misalnya saat berolahraga. Saat kita berolahraga lalu berkeringat, tanpa kita sadari kita kehilangan elektron yang keluar bersama dengan keringat. Oleh karena itu terdapat minuman yang mengandung ion untuk menggantikan ion-ion yang hilang dari tubuh. Begitu juga dengan atom. Pada dasarnya atom yang mengalami ionisasi membutuhkan energi untuk melepaskan elektronnya tersebut. Frank dan Hertz pada zamannya adalah dua orang ilmuan yang tertarik pada peristiwa ionisasi [2].

Atom merupakan salah satu cabang ilmu fisika (fisika inti) yang mengalami perkembangan sangat pesat setelah J.J Thomson menemukan partikel berupa elektron. Penemuan ini telah berhasil mengubah pendapat para ahli fisika pada saat itu. Atom bukan lagi partikel terkecil dari unsur, karena ternayata atom masih bisa dibagi lagi menjadi beberapa bagian seperti elektron. Berawal dari penemuan J.J Thomson tersebut, para ahli fisika melakukan berbagai penelitian untuk menemukan gambaran (model) atom yang sebenarnya. Salah satu model atom tersebut adalah model atom Niels Bohr. Model atom ini berhasil menjelaskan spektrum garis radiasi atom hidrogen dengan memperkenalkan adanya tingkat tingkat energi diskrit dalam atom [1].

Tahun 1914, James Franck dan Gustav Hertz, keponakan Heinrich Hertz, bekerja bersama-sama di Institut Fisika Universitas Berlin. 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 sebuuah 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 [5].

Terdapat dua mekanisme eksitasi elektron dari tingkat dasar menuju ketingkat lebih tinggi yang akan memancarkan radiasi dan menimbulkan spektrum, mekanisme tersebut antara lain tumbukan dengan partikel menyebabkan sebagian energi kinetik diserap. Yang kedua lucutan istrik dalam gas bertekanan rendah menimbulkan medan listrik yang mempercepat electron. Kedua mekanisme ini digunakan untuk menyelidiki tingkat energi diskrit dalam atom [6].

Marilah kita bayangkan percobaan berikut yang dilakukan dengan peralatan yang diperlihatkna pada gambar 1, elektron elektron meninggalkan katoda, yang dipanasi dengan sebuah filamen pemanasan. 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 dari pada V_0,suatu tegangan perlambat kecil antara kisi dan pelat katoda. Arus elektron yang mencapai pelat anoda diukur dengan menggunakan ammeter A [4].

Sekarang, andaikanlah tabungnya diisi dengan gas atom hidrogen. Jika tegangan dinaikkan dari nol, makin banyak elektron yang mencapai plat anoda, dan bersamaan dengan itu naik pula arus elektriknya. Elektron-elektron di dalam tabung tentu saja dapat menumbuk atom atom hidrogen, namun tidak ada energi yang dilepas dalam tumbukan ini (tumbukan elastik sempurna). Satu-satunya cara elektron elektron dapat melepaskan energinya dalam suatu tumbukan dengan atom hidrogen adalah jika eletktron memiliki energi yang cukup untuk menyebabkan atom hidrogen bertransisi ke suatu keadaan eksitasi. Dengan demikian, apabila energi elektron mencapai dan sedikit melebihi energi 10,2 eV (atau ketiga tegangan mencapai dan sedikit elebihi energi 10,2 eV) elektron dapat melakukan tumbukan tak-elastik dengan atom hidrogen, dan meninggalkan energi 10,2 eV pada atom hidrogen (yang sekarang berada pada tingkat n=2), sedangkan elektron setelah tumbukan bergerak dengan energi yang lebih rendah. Dengan demikian, jika elektron harus melewati kisi dan energinya tidak cukup untuk mengatasi tegangan perlambat rendah, ia tidak dapat mencapai plat anoda. Jadi, apabila V=10,2 V, akan teramati penurunan arus. Jika V dinaikkan terus, akan segera tampak efek tumbukan jamak (multiple collisions). Artinya apabila V = 20,4 V, sebuah elektron mengeksitasi atomnya ke keadaan n = 2. Pada proses ini, elektron kehilangan energi 10,2 eV, sehingga setelah tumbukan ia bergerak dengan energi 10,2 eV, yang cukup untuk mengeksitasi atom hidrogen kedua lewat tumbukan takelastik. Jadi, jika penurunan arus diamati terjadi pada tegangan V, penurunan serupa akan teramati pada tegangan-tegangan 2V, 3V, ..... Lebih umum, jika penurunan arus teramati pada tegangan V₁ dan V₂, maka penurunan arus yang sama akan teramati pula pada tegangan-tegangan V₁ + V₂, 2V₁ + V₁, V₁ + 2V₂, dan seterusnya[3].

gambar 2. Perubahan I terhadap V, bila tabung berisi uap Hg

Hasil percobaan frank-hertz diperlihatkan pada gambar 2, yang memperlihatkan secara jelas bukti kehadiran sebuah keadaan eksitasi pada 4,9 eV apabila tegangannya merupakan kelipatan dari 4,9 eV, maka tampak suatu penurunan dalam arus. Dan bertepatan dengan itu, spektrum pancar dari uap air raksa memperlihatkan suatu garis benderang ultra violet pada panjang gelombang 254 nm, yang berkaitan dengan energi sebesar 4,9 eV; dan ini dapat terjadi dari transisi antara keadaan eksitasi dengan energi 4,9 eV yang sama ke tingkat dasarnya [3]

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[5].

METODE EKSPERIMEN

Percobaan ini bertujuan untuk mengukur energi eksitasi atom Argon berdasarkan percobaan Franck-Hertz. Adapun Alat dan bahan yang digunakan pada eksperimen kali ini adalah perangkat percobaan Franck-Hertz Lamda Scientific, Osiloskop dan Probe Osiloskop.

Metode percobaan yang dilakukan adalah dengan menyetel perangkat Franck-Hertz Lamda Scientific sebelum digunakan yaitu dengan memanaskan gas argon dengan filament voltage sebesar 5,5 V, atom argon dipanaskan selama 30 menit. Selanjutnya mengatur scanning dalam posisi auto serta penyetelan arus plat pengumpul atau current multiple pada posisi 10^-8 A. Setelah mengatur posisi scanning dan arus plat pengumpul, selanjutnya mengatur posisi untuk masing-masing tegangan grid yang digunakan pada percoaban ini. Terdapat tiga tegangan grid yang digunakan dimana tegangan grid 1 diatur pada posisi 2,5 V, tegangan grid 2 diatur pada posisi 7,5 V dan tegangan grid 3 daitur pada posisi 50 V.

Kemudian menghubungkan Channel 1 pada osiloskop ke X-Output pada perangkat Franck-Hertz dan Channel 2 ke Y-Output serta mengatur Channel 1 sebesar 5 V dan Channel 2 sebesar 10 mV pada osiloskop. Selanjutnya geser posisi scanning ke arah auto untuk menampilkan gambar yang baik sehingga pembacaan skala pada arus dan tegangan lebih mudah.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada percobaan Franck-Hertz ini dilakukan untuk mengukur energi eksitasi atom Argon. Prinsip dasar yang digunakan pada percobaan ini adalah adanya postulat model atom Bohr yang menjelaskan bahwa sistem atom hanya ada pada keadaan diskrit yang digambarkan dengan energi yang diskit pula. Elektron dapat berpindah dari satu kulit dengan tingkat energi tertentu ke tingkat energi lainnya. Frank Hertz melakukan percobaan untuk membuktikan postulat Niels Bohr dengan cara menembakkan elektron dengan atom merkuri. Namun pada percobaan ini yang digunakan adalah atom argon yang digunakan sebagai pengganti atom merkuri.

Prinsip kerja dari percobaan ini yaitu ketika plat katoda dipanaskan dengan sebuah filamen pemanas maka elektron-elektron tersebut akan meninggalkan plat katoda menuju plat anoda dengan menembus sebuah kisi. Semua elektron yang terlepas tadi akan dipercepat dengan beda potensial pemercepat V yang dapat diatur. Tentu saja elektron-elektron dalam tabung dapat menumbuk atom-atom argon ketika percobaan dilakukan. Jika tegangan pemercepat terus dinaikkan dari nol, maka makin banyak elektron yang dapat melewati penghalang antara kisi dan pelat keping pengumpul dan akan mencapai plat anoda, dan bersamaan dengan itu naik pula arus elektriknya. Sehingga pada percobaan ini di dapatkan data berupa grafik pada osiloskop seperti yang di tunjukkan pada gambar 4, dengan masing masing puncak sebagai berikut :

Tabel 1. Hubungan antara tegangan dan kuat arus hasil percobaan Frank-Hertz

no	Puncak	Tegangan
1	1-2	2,5 ± 0,5
2	2-3	3,0 ± 0,5
3	3-4	4,0 ± 0,5

Grafik pada osiloskop menampilkan beberapa puncak, jarak antara puncak dapat diketahui dengan melihat skala pada layar osiloskop sebanyak 5 skala, karena sebelumnya pada sumbu X osiloskop sudah diatur sebesar 5 V, maka satu skala di osiloskop untuk sumbu X bernilai 1 V. Sedangkan untuk jarak antara puncak 1 ke 2 bernilai 2 setengah skala, sehingga data yang diperoleh yaitu 2,5 V begitupun untuk jarak puncak 2 ke 3, dan 3 ke 4 yang ditunjukkan pada tabel. Untuk puncak 4 ke 5 tidak dicantumkan lagi di dalam data karena sudah jauh berbeda dari teori. Adapun grafik hasil percobaan sebagai berikut:

gambar 4. Grafik hubungan antara tegangan dan kuat arus pada osiloskop

Grafik hubungan antara tegangan dan kuat arus yang ditampilkan pada layar osiloskop. Dari grafik tampak bahwa pada saat tegangan dinaikkan maka arus yang ditampilkan pada grafik terus meningkat hal ini dikarenakan energi elektron belum cukup untuk mengeksitasi atom-atom argon sehingga energi elektron tidak diserap oleh atom argon (terjadi tumbukan elakstik sempurna) menyebabkan elektron tersebut memiliki energi yang cukup untuk mampu sampai pada plat anoda.

Selanjutnya, dari grafik tampak dari posisi puncak pertama, dan tiba tiba arus yang terbaca terus menurun secara drastis dimana hal ini menunjukkan tidak adanya elektron yang sampai pada plat anoda. Hal ini terjadi karena pada keadaan ini energi elektron sama dengan energi eksitasi dan sedikit melebihi energi eksitasi atom-atom argon sehingga seluruh energi elektron diserap oleh atom-atom argon untuk bereksitasi (tumbukan tak-elastik) menyebabkan elektron bergerak dengan memiliki energi yang kecil untuk mampu sampai pada plat anoda sehingga arus menurun secara drastis.

Kemudian dari grafik tampak arus kembali meningkat dimana berdasarkan teori pada saat tegangan terus dinaikkan maka akan ada lagi elektron yang dapat sampai pada plat anoda. Hal ini ditunjukkan dari arus yang terbaca pada grafik kembali meningkat namun pada saat mencapai puncak kedua arus kembali menurun secara drastis dan kembali naik tetapi sampai pada posisi puncak ketiga arus yang terbaca kembali menurun drastis. Dari grafik diatas diperoleh besar tegangan dilihat dari puncak ke puncak sebesar :

Energi eksitasi = E_eks=Ve =3,1 eV

E_eks= |3,1±0,9| eV

Untuk ketidakpastian diperoleh dari hasil V rata-rata dikurang dengan masing-masing tegangan (V) yang diperoleh, sehingga didapatkan deviasi sebesar 0,9 V dilihat dari deviasi maksimum hasil analisis kesalahan. Jadi dapat dituliskan dalam bentuk pelaporan fisika yaitu PF=|3,1±0,9| eV. Untuk energi eksitasinya yaitu V.e, sehingga berdasarkan hasil analisis data diperoleh bahwa energi yang dibutuhkan untuk mengeksitasi atom Argon berdasarkan percobaan Franck-Hertz yang telah dilakukan adalah sebesar |3,1±0,9| eV.

Selain itu, adanya tingkat-tingkat energi eksitasi dari elektron yang ditunjukan dari grafik hubungan antara tegangan dan kuat arus menunjukkan bahwa energi dari elektron itu bertingkat-tingkat (terkuantisasi)

KESIMPULAN

Tingkat-tingkat energi ekstasi dari elektron menunjukkan bahwa energi dari elektron itu bertingkat-tingkat terkuantitsasi dan mengukuhkan kebenaran dari teori kuantum
Berdasarkan analisis data pengamatan di peroleh tegangan eksitasi atom argon sebesar |3,1±0,9|eV. Hasil pengamatan ini tidak sesauai dengan teori (2,5 - 3,0 eV) dikarenakan kerusakan alat (tegangan Grid 3) pada perangkat percobaan Franck-Hertz.

DAFTAR PUSTAKA

Beise, Athur. 2000. Fisika Modern. Jakarta: Erlangga.
Dewi, Sulistiyawati, dkk. 2016. Frank Hertz (Eksperiment). Institut Teknologi Sepuluh November: Surabaya.
Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern. Universitas Indonesia: Jakarta.
Purwanto, A., 2002. Distribusi Energi Atom Berdasarkan Temperatur Pada Percobaan Frank Hertz 21.
Subaer, dkk. 2019. Modul Praktikum Eksperimen Fisika 1. Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM. Makassar: Jurusan Fisika UNM.
Tipler, Paul A. 2001. Fisika Untuk Sains Dan Teknik. Jakarta: Erlangga

Muchlis

Add Comment

Kamis, 23 April 2020

Kiseki No Fisika