Laporan Praktikum Frank Hertz - 01111540000007 PDF

Preview

Summary

JURNAL SAINS DAN SENI ITS 1 FRANK HERTZ Sulistiyawati Dewi K., Gilang Baswara Anggara P., Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected] Abstrak— Per...

Description

JURNAL SAINS DAN SENI ITS

1

FRANK HERTZ Sulistiyawati Dewi K., Gilang Baswara Anggara P., Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected] Abstrak— Percobaan Frank Hertz dilakukan dengan tujuan untuk memahami model atom Bohr dan fenomena eksitasi, memahami percobaan Frank Hertz, menentukan tegangan eksitasi atom, dan menentukan spektrum atom neon yang mungkin berdasarkan energi yang didapat. Adapun prinsip dasar 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. Percobaan ini dilakukan dengan melakukan pengaturan pada Tegangan Grid 1Katoda dan Tegangan Grid 2-Anoda yang diatur pada posisi I. Titik awal Tegangan Grid 2-Katoda mulai dari nol. Percobaan dilakukan dengan dilakukannya penambahan tegangan sebanyak 2 volt pada Tegangan Grid 2-Katoda lalu besar arus yang terlihat pada amperemeter dicatat. Penambahan dilakukan hingga tegangan 80 volt. Pada percobaan ini digunakan variasi G1-KI / G2-AI, G1KI / G2-AII, G1KI / G2-AIII, G1KII / G2-AI, G1KIII / G2-AI. Dari percobaan yang telah dilakukan dapat di simpulkan bahwa fenomena eksitasi berkaitan dengan postulat Bohr dimana suatu elektron akan berpindah dari energi rendah ke energi yang lebih tinggi. Percobaan ini membuktikan bahwa energi pada atom itu diskrit (tidak kontinu). Tegangan eksitasi atom yaitu ketika tegangan berada di puncak-puncak grafik, karena hal itu memiliki kemungkinan yang besar agar terjadi eksitasi. Percobaan ini menunjukkan secara langsung bahwa tingkat energi atomic memang ada dan tingkat-tingkat ini sama dengan tingkat-tingkat spektrum garis. Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan spektrum atom yang mungkin untuk atom neon adalah merah. Kata Kunci— Atom Bohr, eksitasi, Frank Hertz, tegangan eksitasi.

I. PENDAHULUAN alam 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.

D

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 tingkattingkat energi diskrit dalam atom. Setelah Niels Bohr menemukan tingkat-tingkat energi dalam atom, ilmuwan Franck dan Hertz ingin membuktikan model atom Niels Bohr dengan melakukan eksperimen menggunakan atom mercury yang ditumbuk oleh elektron dari katoda. Frank dan Hertz berhasil membuktikan adanya tingkat-tingkat energi diskrit dalam atom dan tingkat-tingkat energi ini sama dengan yang terdapat pada spektrum garis [1]. Pada tahun 1914 Franck dan Hertz membuat sebuah alat yang dapat mereka gunakan untuk 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]. Eksperimen Frank Hertz dapat di lihat pada gambar (1). Frank Hertz menembaki uap berbagai unsur dengan menggunakan elektron yang energinya diketahui. Perbedaan potensial kecil dipasang di antara kisi dan keeping pengumpul, sehingga setiap elektron yang mempunyai energi lebih besar dari harga minimum tertentu memberi sumbangan pada arus yang melalui amperemeter. Ketika potensial pemercepat bertambah, elektron yang datang pada keping bertambah banyak dan aruspun naik. Jika energi kinetik kekal dalam tumbukan antara electron dan sebuah atom uap itu, elektronnya hanya terpental dalam arah yang berbeda dengan arah datangnya. Karena atom itu jauh lebih massif dari elektron, atom hampir tidak kehilangan energi dalam proses itu. Setelah suatu energi kritis tercapai, ternyata arus keeping menurun secara tiba-tiba. Tafsiran dari efek ini adalah bahwa electron yang bertumbukan dengan atom memberikan sebagian atau seluruh energi kinetiknya untuk menegeksitasi atom ke tingkat energi yang lebih tinggi [3].

JURNAL SAINS DAN SENI ITS

2

Gambar 1. Rangkaian percobaan yang dilakukan Frank Hertz 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 [4]. Mekanisme di atas berperan penting dalam percobaan Frank Hertz, pada percobaan ini elektron yang mempunyai energi kurang dari harga minimum tertentu, maka akan menimbulkan arus. Jika besaran tegangan bertambah, elektron bertambah sehingga menyebakan arus naik. Perhatikan gambar (2) yang berisi tentang grafik hasil percobaan Frank Hertz yang menunjukkan potensial kritis dalam air raksa. Tumbukan elektron dengan atom uap, dengan energi kekal, menyebabkan electron terpental dalam arah yang datangnya Setelah mencapai energy kritis, arus pada keeping menurun tiba-tiba. Elektron yang bertumbukan dengan atom memberikan sebagian atau seluruh energi kinetiknya untuk mengeksitasi atom ke tingkat energi yang lebih tinggi [4]. Franck dan Hertz menembaki uap berbagai unsur dengan elektron yang energinya diketahui dengan rangkaian eksperimen pada gambar 1. Perbedaan potensial kecil Vo dipasang di antara 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]. 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 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 I.untuk mengeksitasi atom ke tingkat energi di atas tingkat dasar. Tumbukan semacam ini disebut tak elastik, sebagai

Gambar 2. Hasil percobaan Frank Hertz yang menunjukkan potensial kritis dalam uap air lawan dari tumbukan elastik yang berlangsung dengan energi kinetik kekal [3]. Kemudian, ketika potensial pemercepat V bertambah besar, arus keping bertambah lagi. Akhirnya, penurunan arus keping I yang sangat tajam dan eksitasi tingkat energi yang sama pada atom lain. Seperti terlihat pada gambar 2, sederetan potensial kritis untuk atom tertentu didapatkan dengan cara seperti itu. Jadi, potensial tertinggi diperoleh dari beberapa kali tumbukan dan merupakan kelipatan dari yang terendah. Franck dan Hertz mengamati spektrum emisi uap ketika ditembaki elektron. Dalam hal uap air raksa, mereka mendapatkan bahwa energi elektron minimum 4,9 eV diperlukan untuk mengeksitasi garis spektral air raksa 253,6 nm – foton cahaya 253,6 nm berenergi tepat 4,9 eV. Karena tidak mudah melakukan percobaan dengan menggunakan hidrogen, maka eksperimen dilakukan dengan menggunakan gas argon (Ar). Hal ini dilakukan agar hasil percobaan dapat lebih mudah ditafsirkan. Hidrogen secara alamiah muncul dalam bentuk molekul bukan atom[ 3]. 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 [5]. II. METODE A.

Alat dan Bahan

JURNAL SAINS DAN SENI ITS

3 berdasarkan percobaan tiap variasi grid. Berikut merupakan grafik percobaan.

Gambar 3. Skema alat percobaan Frank Hertz Pada percobaan ini alat dan bahan yang digunakan adalah satu set Franck Hertz Apparatus yang di dalamnya sudah termasuk tabung gas neon sebagai wadah gas neon, heater untuk memanaskan katoda, pengatur tegangan grid 1 dan 2, voltmeter pengukur tegangan, dan amperemeter untuk pengukur arus yang dihasilkan, voltmeter eksternal ( di luar Franck Hertz Apparatus) supaya pengukuran lebih teliti, dan satu set kabel capit buaya untuk menghubungkan voltmeter eksternal dengan Franck Hertz Apparatus.

Gambar 4. Grafik hasil percobaan untuk G1-K

B. Skema Alat Skema alat pada percobaan ini dapat di lihat pada gambar percobaan Frank hertz yaitu pada gambar 3 yang berisi tentang Frank Hertz Apparatus. C. Cara Kerja Pada percobaan Frank Hertz ini langkah kerja yang harus dilakukan yaitu alat dan bahan disiapkan seperti pada gambar 3. Kemudian, Tabung dipanaskan dengan mengatur heater vol adjustment pada I. Kemudian tegangan di grid 1 diatur diatur pada I. Tegangan di grid 2 diatur dengan anoda iatur pada grid I. Kemudian pada tegangan di grid 2 katoda dinaikkan perlahan-lahan 2 volt dan kelipatannya hingga mencapai 80 V. Arus yang ditunjukkan pada amperemeter kemudian dicatat untuk setiap penambahan tegangan grid 2. Hal ini diulang untuk variasi lain yaitu G1-KI / G2-AI, G1KI / G2-AII, G1KI / G2-AIII, G1KII / G2-AI, G1KIII / G2-AI. Data yang didapat dicatat, kemudian dibuat grafik untuk tiap variasi grid. D. Flowchart Adapun flowchart pada percobaan ini dapat dilihat pada gambar 4.

III. HASIL DAN DISKUSI A. Analisa Data Setelah dilakukan percobaan dengan berbagai variasi grid maka didapat data seperti pada lampiran.

Gambar 5. Grafik hasil percobaan untuk G2-A C. Perhitungan Setelah dilakukan pengumpulan data serta grafik maka kemudian dilakukan perhitungan. Pehitungan yang dilakukan bertujuan untuk mencari nilai dari tegangan ekitasi, energi puncak rata-rata, serta panjang gelombang dan spektrum yang dihasilkan. Berikut merupakan contoh perhitungan.: Diketahui tegangan puncak pada grafik Grid I-I: Tegangan puncak adalah 20, 36, 54, 70 Ditanya : Energi puncak rata-rata dan panjang gelombang Jawab : E1 = = = Untutk cara yang sama didapatkan E2 = 5,76 x 10-18 E3 = 8,64 x 10-18 E4 = 1,12 x 10-17 Maka E rata-rata 1

B. Grafik Berdasarkan data yang diperoleh maka diperoleh grafik sebagai berikut. Grafik yang diperoleh merupakan grafik hubungan antara tegangan dengan arus yang didapatkan

= = 7,2 x 10-18

= = =

(

)

JURNAL SAINS DAN SENI ITS

4

= 7,7 x 10-7 m = 770 nm Dengan cara yang sama maka didapatkan besar energi puncak rata-rata dan panjang gelombang. Berikut merupakan tabel hasil perhitungan untuk setiap variasi data yang didapatkan. Tabel 1. Hasil perhitungan tegangan eksitasi rata-rata tiap variasi

Grid I-I

I-II

I-III

II-I

III-I

Energi Tegangan eksitasi 20 3,200E-18 36 5,760E-18 54 8,640E-18 70 1,120E-17 20 3,200E-18 36 5,760E-18 54 8,640E-18 72 1,152E-17 21 3,360E-18 37 5,920E-18 54 8,640E-18 75 1,200E-17 20 3,200E-18 36 5,760E-18 52 8,320E-18 70 1,120E-17 20 3,200E-18 36 5,760E-18 53 8,480E-18 70 1,120E-17

Rata-rata 7,200 x 10-18

7,280 x 10-18

7,480 x 10-18

7,120 x10-18

7,160 x10-18

Tabel 4. Hasil perhiungan panjang gelombang

Grid I-I

Variasi E2-E1 E3-E2 E4-E3

I-II

E2-E1 E3-E2 E4-E3

I-III

E2-E1 E3-E2 E4-E3

II-I

E2-E1

Rata-rata 7,765E-07 7,477 x 6,902E-07 10-7 7,765E-07 7,190 x 7,765E-07 10-7 6,902E-07 6,902E-07 6,996 x 10-7 7,765E-07 7,308E-07 5,916E-07 7,477 x 7,765E-07 10-7

III-I

E3-E2 E4-E3

7,765E-07 6,902E-07

E2-E1 E3-E2 E4-E3

7,765E-07 7,308E-07 7,308E-07

7,460 x 10-7

D. Pembahasan Percobaan Frank Hertz bertujuan untuk memahami model atom Bohr dan fenomena eksitasi, memahami percobaan Frank Hertz, menentukan tegangan eksitasi atom, serta menentukan spektrum atom neon yang mungkin berdasarkan energi yang didapat. 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 mercury. Elektron yang ditembakkan kemudian menumbuk atom mercury dan kemungkinan kecil elektron menumbuk elektron mercury pula. Adanya tumbukan tersebut memberikan energi pada atom mercury untuk terjadinya eksitasi. Elektron mercury tersbut akan bergerak hingga melewati grid, sampai pada plat anoda sehingga menimbulkan arus, dan dapat terhitung menggunakan amperemeter. Pada percobaan ini yang digunakan bukanlah mercury seperti percobaan Frank Hertz, melainkan neon. Proses yang terjadi selama percobaan yaitu sebagai berikut. Ketika katoda dipanaskan maka elektron-elektron pada katoda tersebut akan mulai bergetar karena panas yang ada. Akibat getaran tersebut, maka akan menimbulkan energi kinetik sehingga elektron dapat bergerak keluar dari katoda. Setelah itu elektron kemudian melewati grid 1. Didalam grid 1, berupa seperti kisi sehingga ada elektron yang lolos ada pula yang tidak. Setelah melewati grid 1 maka elektron akan melewati grid 2. Di antara grid 1 dan grid 2 akan terjadi peristiwa dimana elektron akan saling bertumbukan dengan atom-atom gas neon. Tumbukan yang terjadi akan memberikan energi bagi atom neon untuk terjadinya eksitasi pada elektronnya. Apabila tumbukan yang terjadi tepat mengenai elektron atom neon maka energi yang dihasilkan bertambah besar pula. Adanya energi tersebut juga menyebabkan elektron neon dapat terpental keluar dari atom. Elektron yang keluar dari atom neon tersebut digantikan oleh elektron bebas disekitarnya. Elektron neon hasil tumbukan tersebut kemudian melewati grid 2 dan ditangkap di anoda sehingga terjadi arus listrik. Arus listrik tersebut dapat diukur menggunakan amperemeter. Tegangan eksitasi adalah tegangan yang diperlukan oleh atom neon agar dapat tereksitasi. Pada dasarnya tegangan ini diperlukan untuk mempercepat keluarnya elektron dari logam. Tegangan eksitasi juga disebut sebagai tegangan puncak yang digunakan dalam mencari nilai energi puncak. Pada grafik digambarkan sebagai puncak dari gunung dan lembah.Dari gambar 4 dan 5 pada grafik percobaan terlihat bahwa adanya kenaikan dan penurunan (Fluktuasi). Hal ini dikarenakan gas

JURNAL SAINS DAN SENI ITS neon memiliki tingkat-tingkat energi eksitasi sehingga tidak semua tegangan yang masuk mampu membuat elektron bereksitasi. Pada puncak didalam grafik tersebut menunjukkan aktivitas eksitasi yang besar sehingga dapat diperkirakan tegangan tersebut mencukupi untuk mencapai tingkat energi yang dibutuhkan untuk dapat melakukan eksitasi secara optimal. Eksitasi akan terjadi apabila energi elektron yang datang lebih besar daripada energi eksitasi dari atom gas neon. Jika energi elektron yang datang lebih kecil dari energi eksitasi dari atom gas neon maka gas neon hanya akan mengambil energi dari elektron lalu memberi elektron tersebut energi sebagai reaksi normal dan kurangnya energi tersebut menjadikan hanya terjadi tumbukan elastis sehingga elektron hanya terpental dalam arah yang berbeda dengan datangnya tumbukan, dengan demikian energi atom neon tidak berubah. Bila energi elektron yang datang lebih besar dari energi eksitasi elektron atom gas neon maka terdapat sisa energi yang tidak terserap oleh gas neon dan energi tersebut akan menjadi energi kinetik elektron yang akhirnya terjadilah eksitasi. 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. Pada percobaan ini tegangan yang digunakan adalah kelipatan 2 V hingga mencapai 80 V. Berdasarkan data dan yang diperoleh terlihat bahwa pada grafik hubungan antara beda potensial dan arus naik turun secara beraturan. Tegangan eksitasi yang dihasilkan kemudian digunakan untuk mendapatkan besar energi puncak. Pada percobaan ini digunakan variasi G1-KI / G2-AI, G1KI / G2-AII, G1KI / G2AIII, G1KII / G2-AI, G1KIII / G2-AI. Pada percobaan yang telah dilakukan didapatkan bahwa energi puncak yang diperlukan atom neon untuk tereksitasi rata-rata adalah sebesar7,248 x 10-18 Joule dan panjang gelombang rata-rata sebesar 732 nm yang merupakan spektrum dari atom neon adalah merah. IV. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan sebagai berikut. Fenomena eksitasi berkaitan dengan postulat Bohr dimana suatu elektron akan berpindah dari energi rendah ke energi yang lebih tinggi. Percobaan ini membuktikan bahwa energi pada atom itu diskrit (tidak kontinu). Tegangan eksitasi atom yaitu ketika tegangan berada di puncak-puncak grafik, karena hal itu memiliki kemungkinan yang besar agar terjadi eksitasi. Percobaan ini menunjukkan secara langsung bahwa tingkat energi atom memang ada dan tingkat-tingkat ini sama dengan tingkattingkat spektrum garis. Pada percobaan yang telah dilakukan didapatkan bahwa energi puncak yang diperlukan atom neon untuk tereksitasi rata-rata adalah sebesar7,248 x 10-18 Joule dan panjang gelombang rata-rata sebesar 732 nm yang merupakan spektrum dari atom neon adalah merah. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih saya ucapkan kepada dosen mata kuliah Fisika

5 Modern, Prof. Eddy Yahya yang telah membimbing dan memberikan ilmu serta pengetahuan mengenai Fisika Modern dan asisten laboratorium Fisika Modern Gilang Baswara A.P. yang telah membimbing dalam pelaksanaan praktikum Frank Hertz serta teman-teman yang membantu dalam kelancaran pelaksanaan praktikum ini. DAFTAR PUSTAKA Beise, Athur.2000.”Fisika Modern.”JakartaμErlangga. Beiser...