Percobaan Franck Hertz PDF

Preview

Summary

PERCOBAAN FRANCK-HERTZ Titis Amelia (140310150002)*, Fajar B.C. (140310150059), Ghita A.N. (140310150075) Program Studi Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran Selasa, 17 April 2018 (10.00-12.00 WIB) Asisten: M. Rizal Fauzi Abstrak Percobaan Frank-Hertz merupakan percobaan fisika yang memberikan perny...

Description

PERCOBAAN FRANCK-HERTZ Titis Amelia (140310150002)*, Fajar B.C. (140310150059), Ghita A.N. (140310150075) Program Studi Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran Selasa, 17 April 2018 (10.00-12.00 WIB) Asisten: M. Rizal Fauzi Abstrak Percobaan Frank-Hertz merupakan percobaan fisika yang memberikan pernyataan terhadap model atom Bohr. Bohr mengemukakan sebuah teori tentang atom yang menyatakan bahwa atom terdiri dari inti yang dikelilingi oleh elektron. Dimana elektron yang mengelilingi atom tersebut berputar mengelilinginya dengan lintasan stasioner, namun elektron yang mengelilingi atom ini dapat bereksitasi. Sebuah atom dapat bereksitasi ke tingkat energi di atas tingkat energi dasar yang menyebabkan atom tersebut memancarkan radiasi melalui dua cara yaitu dengan tumbukan dengan partikel lain dan dengan lucutan listrik dalam gas bertekanan rendah sehingga timbul medan listrik yang mempercepat elektron dan ion atomik sampai energi kinetiknya cukup untuk megeksitasi atom ketika terjadi tumbukan. Eksitasi elektron dari keadaaan dasar ke keadaan tereksitasi dapat terjadi karena adanya serapan tenaga kinetik elektron yang menumbuk atom gas merkuri di dalam tabung Franck-Hertz. Dari data hasil percobaan diperoleh nilai Vkritis dimana melalui nilai dari Vkritis ini dapat dihitung energi eksitasinya. Dari data hasil percobaan diperoleh tegangan eksitasi sebesar 5,333 V dengan energi eksitasinya sebesar 5,3248 eV. Jika dibandingkan dengan nilai energi eksitasi literatur yaitu sebesar 4,9 eV maka diperoleh KSR sebesar 8,66% dan jika dibandingkan dengan energi eksitasi pada percobaan Bohr diperoleh KSR sebesar 56,6%. Keyword : model atom Bohr, eksitasi energi atom Bohr, percobaan Franck-Hertz

I. Pendahuluan Perkembangan teori atom memunculkan beberapa model atom seperti model atom Dalton, Thomson, Rutherford, dan model atom Bohr. Pada model atom Bohr dalam postulat khususnya disebutkan bahwa suatu atom memiliki tingkatan energi dan memiliki energi tertentu pada setiap keadaan stasioner. Energi itu tidak kontinyu melainkan diskrit, artinya terkuantifikasi. Paketpaket energi yang terkuantifikasi ini dalam bentuk radiasi atau gelombang disebut kuanta energi.[3] Dalam keadaan aktif, suatu elektron dapat meloncati tingkatan energi tersebut. Untuk mengetahui adanya tingkatan-tingkatan energi atomik dalam atom, maka dilakukanlah percobaan Franck-Hertz ini. Adapun tujuan dari percobaan ini yaitu memahami prinsip eksitasi atom dari model atom Bohr, memahami munculnya eksitasi atom melalui peristiwa tumbukan elastik dan inelastik, kemudian memahami proses percobaan FranckHertz, dan menunjukkan kebenaran teori kuantum bahwa energi elektron atom terkuantisasi, serta menetukan tegangan eksitasi atom merkuri.

yang ada disekitar inti atom. Pada penjelasan Bohr mengenai atom hidrogen telah melibatkan gabungan antara teori kuantum dari Plank dan teori klasik dari Rutherford yang telah diungkapkan dengan menggunakan empat postulat yaitu sebagai berikut.

2.1 Model Atom Bohr

1. Hanya terdapat seperangkat orbit tertentu yang dapat diperbolehkan bagi satu elektron berada dalam atom hidrogen. Orbit ini disebut sebagai kondisi gerak stasioner dan merupakan suatu lintasan yang melingkar disekeliling inti. 2. Selama elektron itu berada didalam lintasan stasioner, maka energi elektron akan tetap sehingga tidak ada energi dalam bentuk radiasi yang akan dipancarkan maupun diserap. 3. Elektron hanya bisa berpindah dari satu lintasan mengearah ke lintasan stasioner lainnya. Pada peralihan tersebut, sejumlah energi tentunya akan terlibat. Adapun besar energinya itu sesuai dengan persamaan planck ΔE=hv. 4. Pada lintasan stasioner yang dibolehkan memiliki besaran dengan adanya sifat-sifat tertentu, terutama untuk sifat yang disebut sebagai momentum sudut. Adapun besarnya momentum sudut merupakan sebuah kelipatan pada h/2𝜋 atau nh/2𝜋, dimana n adalah suatu bilangan bulat dan h merupakan tetapan Planck.

Pada tahun 1913 seorang pakar fisika Denmark yang bernama Neils Bohr telah memperbaiki kegagalan dari atom Rutherford melalui percobaan mengenai spektrum atom hidrogen. Percobaan tersebut berhasil memberikan suatu gambaran kondisi elektron dalam menempati suatu daerah

Menurut model atom Bohr, terdapat beberapa elektron yang mengelilingi inti pada lintasanlintasan tertentu yang dikenal sebagai tingkat energi atau kulit elektron. Tingkat energi yang paling rendah ialah kulit elektron yang berada paling dalam, dimana semakin diluar maka nomor kulitnya

II. Teori Dasar

akan semakin besar dan semakin tinggi tingkat energi yang dibutuhkan. Model atom Bohr digambarkan sebagai berikut:

Gambar 2.1 Model Atom Bohr [1] Adapun kelemahan teori atom Bohr yaitu tidak dapat menjelaskan adanya spektrum warna dari atom yang memiliki elektron yang banyak.[1] 2.2 Eksitasi Energi Dalam sistem nuklir, atom, dan molekul, keadaan-keadaan tereksitasi tidak terus didistribusikan tetapi memiliki nilai energi diskrit tertentu saja. Dengan demikian, energi eksternal (energi eksitasi) dapat diserap dalam jumlah diskrit. Dalam atom hidrogen yang terdiri dari elektron yang mengorbit terikat dengan inti satu proton, (energi eksitasi 10,2 eV) diperlukan untuk mendorong elektron dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi pertama. Sebuah energi eksitasi yang berbeda (12,1 eV) akan dibutuhkan untuk menaikkan elektron dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi kedua. Demikian pula, proton dan neutron dalam inti atom merupakan sistem yang dapat dinaikkan secara diskrit menjadi tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyediakan energi eksitasi yang tepat. Energi eksitasi nuklir kira-kira 1.000.000 kali lebih besar daripada energi eksitasi atom. Energi eksitasi disimpan dalam atom yang tereksitasi dan inti yang memancarkan cahaya biasanya terlihat dari atom dan sebagai radiasi gamma dari inti karena kembali ke keadaan dasar. Energi ini juga bisa hilang oleh tumbukan.

elektromagnetik (foton), seperti cahaya, dan dengan dipanaskan atau terionisasi oleh dampak partikel bermuatan, seperti elektron dan partikel alpha. Dalam atom, energi eksitasi diserap oleh elektron yang mengorbit yang diangkat ke tingkat energi yang berbeda yang lebih tinggi. Dalam inti atom, energi diserap oleh proton dan neutron yang ditransfer ke keadaan tereksitasi. Dalam molekul, energi yang diserap tidak hanya oleh elektron, yang sangat antusias untuk tingkat energi yang lebih tinggi, tetapi juga oleh seluruh molekul, yang sangat tereksitasi untuk keadaan diskrit dari getaran dan rotasi.[2] 2.3 Percobaan Franck-Hertz Secara teoretis, tingkat-tingkat energi pada atom hidrogen dapat dijelaskan secara memuaskan dengan teori atom Bohr. Secara eksperimen, adanya tingkat energi elektron ditunjukkan oleh ilmuwan Franck-Hertz.

Gambar 2.3 Skema prinsip percobaan Frank Hertz. G adalah kisi, P adalah keping pengumpul.[4] Secara teori Franck dan Hertz telah memahami adanya tingkat-tingkat energi dalam atom. Lalu keduanya berusaha membuktikan kebenaran teori tersebut melalui eksperimen. Anoda dibuat menyerupai kisi (pelat berlubang-lubang). Hal itu dilakukan agar elektron dapat lolos melalui kisi sehingga sampai pada kolektor. Aliran elektron tersebut mengakibatkan amperemeter A teraliri arus listrik. Ketika tegangan anoda diperbesar secara periodik, maka arus yang mengalir pada amperemeter ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 2.2 Proses Terjadinya Eksitasi [2] Proses eksitasi merupakan salah satu sarana utama dimana materi menyerap pulsa energi

Gambar 2.4 Grafik arus yang mengalir pada tegangan anoda.[4]

Pada percobaan kedua, tabung diisi dengan uap raksa (Hg). Dengan cara menaikkan tegangan anoda secara periodik, Franck-Hertz berharap pada tegangan anoda tertentu arus yang mengalir akan turun kemudian naik lagi. Dengan kenaikan tegangan yang sama (ΔV sama), diharapkan diperoleh peristiwa yang sama. Ternyata, hasil eksperimen Franck-Hertz menunjukkan adanya tingkat-tingkat energi dalam atom yang sesuai dengan teori atom Bohr. Hasil percobaan menunjukkan bahwa setiap kenaikan tegangan kelipatan 4,9 V, arus akan turun. Hal itu menunjukkan bahwa atom Hg hanya mengambil energi dari elektron sebesar 4,9 eV. Energi sebesar itu akan disimpan sebagai energi dalam atom Hg. Hal tersebut dapat dipahami karena energi elektron bersifat diskrit. Jadi, apabila penambahan energi kurang dari 4,9 eV, antara elektron bebas dan elektron yang terikat atom Hg terjadi tumbukan lenting sempurna.[4]

III. Metode Penelitian

dikalibrasi, kemudian menghidupkan control unit Fanck-Hertz dan mengatur parameter yang akan digunakan pada percobaan. Mengatur parameter awal, yaitu suhu atomisasi (Tnominal) pada 175°C, tegangan pemercepat (U1) 30 V dan tegangan henti (U2) 1V. Menyalakan oven dan mengatur pemanas. Tunggu sampai 15-30 menit setelah Tactual stabil di suhu 175oC dan lampu indikator (LED) pada control unit Franck-Hertz sudah berhenti berkedip lalu tekan tombol start. Mencatat data dan grafik pada osiloskop. Setelah semua selesai, ulangi kembali prosedur tersebut dengan memvariasikan nilai U1 dan U2. Variasikan U1 pada 30V, 35V, 40V, 45V, 50V, 55V dan 60V dengan masing masing U1 divariasikan juga untuk U2 dengan nilai 1 V, 1,5 V, dan 2 V.

IV. Hasil dan Pembahasan 4.1 Pengolahan Data 1. Menghitung Arus (CH2) I = div x A/div

(1)

Vkritis = V2 − V1

(2)

2. Menghitung Tegangan Kritis

3. Menghitung rata-rata tegangan kritis ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ = ∑ Vkritis Vkritis N

Gambar 3.1 Susunan alat percobaan Franck-Hertz 3.1 Alat dan bahan Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini yaitu Franck-Hertz Control Unit sebagai tombol untuk menyalakan alat percobaan Franck-Hertz, tabung Franck-Hertz berisi Hg (merkuri) dilengkapi dengan oven sebagai alat percobaan yang akan diamati pada praktikum kali ini serta osiloskop sebagai alat untuk melihat tampilan grafik pada percobaan. 3.2 Metode eksperimen Tabung Frank-Hertz

Frank-Hertz Control Unit

Osiloskop

Percobaan Frank-Hertz dilakukan dengan memasang semua instrumen yang digunakan, yaitu tabung Frank-Hertz berisi gas mercury (Hg), control unit dan osiloskop. Semua alat dipasang seperti pada gambar di atas. Kemudian kalibrasi osiloskop, periksa kabel probe yang digunakan pada osiloskop. Setelah alat dipasang dan

(3)

4. Menghitung Energi Eksitasi Eeksitasi = e . ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ Vkritis

(4)

Contoh perhitungan : • I = 0,6 div x 0,2

A

div

= 0,12 𝑛𝐴

• Vkritis = 15 volt − 10 volt = 5 volt

̅̅̅̅̅̅̅̅̅ = 0+5+7+3+10+5+6+10+2 • Vkritis 9 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ Vkritis = 5,333 volt

• Eeks = (1,6 x 10−19 ) (6,24 x 1018 ) (5,333) Eeks = 5,3248 eV

Dari perhitungan diatas diperoleh data seperti pada Tabel 4.1.

4.2 Data Percobaan Tabel 4.1 Tabel Data Percobaan Franck-Hertz U2 (Volt) U1 (Volt) 10 15 22 25 35 40 46 56 58 12 16 24 30 36 41 48 53 60 10 16 24 30 35 40 47 52 58

1

1,5

2

div 0,6 0,8 1 1,2 1,3 1,4 1,6 1,8 2 0,7 0,9 1,1 1,2 1,4 1,5 1,6 1,8 2 0,6 0,8 1 1,1 1,3 1,4 1,6 1,8 2

CH2 (I) A/div 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

I (nA) 0,12 0,16 0,2 0,24 0,26 0,28 0,32 0,36 0,4 0,14 0,18 0,22 0,24 0,28 0,3 0,32 0,36 0,4 0,12 0,16 0,2 0,22 0,26 0,28 0,32 0,36 0,4

Tegangan Rata-rata Tegangan Energi Eksitasi (V) Kritis (v) Kritis (V) 0 5 7 3 5,333333333 5,3248 10 5 6 10 2 0 4 8 6 5,333333333 5,3248 6 5 7 5 7 0 6 8 6 5,333333333 5,3248 5 5 7 5 6

λ eksitasi (m)

2,32734E-07

Gambar 4.1 Grafik Franck-Hertz Tegangan terhadap Arus saat U2 1 volt

2,32734E-07

2,32734E-07

Gambar 4.2 Grafik Franck-Hertz Tegangan terhadap Arus saat U2 1,5 volt

Energi Eksitasi Energi Eksitasi λ eksitasi KSR Energi KSR Energi KSR λ eksitasi (%) Teori (eV) Bohr (eV) Literatur (m) Eksitasi Teori (%) Eksitasi Bohr (%)

8,669387755

5,66E+01

7,98E+00

Gambar 4.3 Grafik Franck-Hertz Tegangan terhadap Arus saat U2 2 volt 4.3 Pembahasan Hasil 4,9

3,4

2,53E-07

8,669387755

5,66E+01

7,98E+00

8,669387755

5,66E+01

7,98E+00

Pada percobaan Frank-Hertz yang telah dilakukan diperoleh hasil pengukuran tegangan eksitasi dan energi eksitasi dari atom merkuri (Hg). Adapun prinsip kerja dari percobaan ini yaitu elektron dipanaskan menggunakan filamen pemanas dengan temperatur atomisasi (T nominal = 175°C) sehingga elektron-elektron tersebut akan meninggalkan pelat katoda menuju pelat anoda dengan menembus sebuah kisi. Kemudian pada percobaan ini nilai tegangan hentinya (U2) konstan untuk tiga variasi tegangan yaitu 1 volt, 1,5 volt dan 2 volt sedangkan tegangan pemercepatnya (U1) divariasikan mulai dari 0-60 volt untuk setiap variasi U2. Dalam hal ini semua elektron yang akan menembus kisi akan dipercepat geraknya dengan tegangan pemercepat (U1) yang berada pada rentang 0-60 volt. Ketika tegangan pemercepat (U1) semakin besar, maka elektron yang akan mencapai pelat anoda juga semakin banyak seiring

dengan meningkatnya nilai arus (I) sampai arus mencapai nilai maksimum. Keadaan ini disebut dengan tumbukan elastik karena terjadinya tumbukan antara elektron dengan atom merkuri (Hg) tanpa menyebabkan kehilangan energi pada elektron. agar atom merkuri (Hg) dapat bereksitasi maka atom merkuri (Hg) harus memiliki energi yang cukup untuk dapat terkuantisasi ke keadaan eksitasi dengan cara menyerap energi elektron yang menumbuknya, dimana elektron harus memiliki energi yang lebih besar daripada energi eksitasi atom merkuri (Hg). Dari percobaan yang dilakukan diperoleh nilai energi eksitasi sebesar 5,3248 eV sedangkan energi eksitasi literatur atom merkuri (Hg) adalah sebesar 4,9 eV. Jika dibandingkan hasil percobaan dengan nilai literatur maka diperoleh kesalahan relatif KSR sebesar 8,66%, namun jika dibandingkan dengan energi eksitasi menurut persamaan Bohr yaitu sebesar 3,4 eV maka diperoleh KSR yang cukup besar yaitu 56,6%. Hal ini disebabkan karena energi eksitasi yang dihasilkan pada saat percobaan sangat jauh jika dibandingkan dengan energi eksitasi dari percobaan Bohr. Kemudian untuk panjang gelombang eksitasi hasil percobaan diperoleh sebesar 2,3x10-7 m dengan panjang gelombang eksitasi literatur sebesar 2,53x10-7 m sehingga diperoleh KSR sebesar 7,98%. Dari hasil diatas dapat dikatakan bahwa apabila energi elektron sedikit lebih besar daripada energi eksitasinya maka akan terjadi tumbukan inelastik antara elektron dengan atom merkuri (Hg). Apabila tegangan U1 dinaikkan terus menerus maka arusnya akan naik kembali sesuai dengan kelipatan energi eksitasi sampai seterusnya. Namun jika tegangan U1 terus dinaikkan maka akan terjadi efek tumbukan jamak yaitu apabila telah mencapai energi eksitasi maka elektron akan mengeksitasi atom merkuri (Hg) dan akan terjadi penurunan energi dari elektron, tetapi sisa energi dari elektron masih dapat digunakan untuk mengeksitasi atom merkuri (Hg). Dari proses ini diperolehlah grafik Franck-Hertz tegangan terhadap arus yang berbanding lurus (linier).

V. Simpulan Dari praktikum mengenai Percobaan FranckHertz ini dapat disimpulkan bahwa : 1.

2.

Prinsip eksitasi atom dari model atom Bohr dinyatakan dengan atom akan tereksitasi ketika mendapat energi yang cukup untuk tereksitasi, salah satunya yaitu melalui tumbuka dengan elektron sehingga dapat memancarkan radiasi. Munculnya eksitasi atom disebabkan karena adanya tumbukan inelastik dimana terjadi penyerapan energi kinetik oleh atom merkuri (Hg) dari gerak elektron, sedangkan pada tumbukan elastik hanya terjadi tumbukan tanpa terjadi penyerapan energi oleh atom merkuri (Hg) karena energi yang dimiliki elektron tidak cukup untuk mengeksitasi atom merkuri (Hg).

3.

4.

5.

Proses percoban Franck-Hertz yaitu melalui pemanasan elektron menggunakan sebuah filamen pemanas sehingga elektron-elektron akan bergerak meninggalkan pelat katoda menuju pelat anoda dengan menembus kisi dan menyebabkan terjadinya tumbukan elastik dan inelastik antara elektron dan atom merkuri (Hg). Kebenaran teori kuantum dapat ditunjukkan dengan energi elektron atom merkuri (Hg) terkuantisasi secara diskrit berdasarkan tingkat energinya dari tingkat energi dasar ke tingkat energi eksitasi. Dari percobaan yang telah dilakukan diperoleh nilai tegangan eksitasi atom merkuri (Hg) sebesar 5,33 volt dan energi eksitasi sebesar 5,3248 eV.

Daftar Pustaka [1]

Information on http://informasiana.com/teori-atom-danperkembangannya-dari-dulu-sampaisekarang/ diakses pada 31 Maret 2018 pukul 17.00 WIB

[2]

Information on http://fungsi.web.id/2015/07/pengertianeksitasi.html diakses pada 31 Maret 2018 pukul 19.00 WIB

[3]

Information on http://www.naqsdna.com/2011/03/teorikuantum-telepati-teleportasi.html diakses pada 15 April 2018 pukul 10.30 WIB

[4]

Information on http://www.rumusfisika.com/2015/06/energi-elektronberdasarkan-teori-bohr.html diakses pada 15 April 2018 pukul 13.00 WIB...