Percobaan Frank Hertz

LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA EKSPERIMEN I PERCOBAAN FRANCK - HERTZ

Disusun oleh: Nama

: Nurhayati Bhakti Yuda Perwira

(H1C006049) (H1C006050)

Hari/Tanggal Praktikum

: Sabtu, 1 November 2008

Pengumpulan Laporan

: Sabtu, 22 November 2008

Asisten

: Riyanto, S.Si

DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK JURUSAN MIPA-FISIKA PURWOKERTO 2008

PERCOBAAN FRANCK-HERTZ Oleh: 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 elektronelektron 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).

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. G1

f

G2

c Uf

fk

A U1

U2

U3

-+

-+

+-

Gambar 1. Diagram Tabung Frank-Hertz

Gambar 2. Diagram eksitasi energi mercury (Hg)

IA

S

UA

Lebih jelasnya lihat gambar 3.

Gambar 3. Diagram alat percobaan Franck-Hertz 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

:

Waktu Tempat

Sabtu, 1 Nopember 2008 :

:

10.00-12.00 WIB

Laboratorium Fisika Eksperimen

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 I A pada tabel pengamatan dan membuat grafik eksitasi energi mercury.

Diagram Alir Percobaan Franck Hertz

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 ?

Belum

Sudah Selesai Gambar 4. Diagram alir untuk percobaan Frank-Hertz

IV.HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Pengamatan UA (V) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0

IA (mA) 41.0 41.2 41.4 41.5 41.7 41.8 41.9 42.3 42.4 42.6 42.9 42.7 42.6 42.8 43.1 43.3 43.5 44.0 44.4 44.8 45.2 45.9 46.1 46.5 47.0 47.2 47.3 47.6 47.4 47.2 47.0 46.6 46.2 45.9 45.6 45.1 45.0 45.1 45.2 45.3 45.4

UA (V) 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0 10.2 10.4 10.6 10.8 11.0 11.2 11.4 11.6 11.8 12.0 12.2 12.4 12.6 12.8 13.0 13.2 13.4 13.6 13.8 14.0 14.2 14.4 14.6 14.8 15.0 15.2 15.4 15.6 15.8 16.0

IA (mA) 46.0 47.1 48.9 50.0 49.9 51.0 51.0 52.0 53.0 54.0 53.1 54.1 53.9 53.1 52.0 50.7 50.4 50.5 50.6 50.7 50.9 51.5 52.6 53.0 53.9 54.0 55.5 56.0 57.0 56.9 58.0 59.0 59.1 58.9 58.8 58.6 58.0 57.5 57.2 57.0

UA (V) 16.2 16.4 16.6 16.8 17.0 17.2 17.4 17.6 17.8 18.0 18.2 18.4 18.6 18.8 19.0 19.2 19.4 19.6 19.8 20.0 20.2 20.4 20.6 20.8 21.0 21.2 21.4 21.6 21.8 22.0 22.2 22.4 22.6 22.8 23.0 23.2 23.4 23.6 23.8 24.0

IA (mA) 56.0 55.6 55.0 55.0 54.9 55.0 55.3 55.5 55.7 55.9 56.0 56.3 56.7 56.9 57.0 57.5 57.7 57.8 57.9 58.0 58.9 58.5 59.0 60.0 60.3 60.5 60.9 61.2 61.4 61.7 61.9 62.2 62.2 62.0 61.7 61.5 61.2 61.0 60.9 60.5

4.2 Hasil dan Perhitungan

Grafik Hubungan Tegangan Pemercepat dengan Arus Anoda 70.0

Arus Anoda (mA)

60.0 50.0 Series1

40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0.0

10.0

20.0

30.0

Teganan Pemercepat (V)

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 =5V

 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 = EHg

∑U n



5  5,8  3,2  5,4  4,85 V 5

= 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.