Percobaan Franck-Hertz

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.  Latar Belakang

Niels Bohr memperkenalkan model atom pada tahun 1913. Menurut model Bohr, sebuah atom terpencil terdiri dari inti atom positif dimana elektron didistribusikan di sekitar lintasan yang berturut-turut. Dia juga menyatakan bahwa lintasan elektron memiliki sudut momentum yang merupakan integral lipatan dari h/2π dimana h adalah konstanta Planck.

            Model Bohr juga mampu memprediksikan energi total dari sebuah elektron atom. Meskipun tidak perlu berusaha untuk memperoleh pernyataan yang sama selama elektron berada dalam multielektron atom, itu jelas bahwa menurut model energi total dari masing-masing elektron juga akan diukur dan, akibatnya, hal yang sama haruslah benar pada daya muat energi total dari sebuah atom. Ini terlihat masuk akal dari model Bohr yang hanya dikarenakan elektron-elektron bisa melakukan peralihan menurun dari keadaan energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah, mereka bisa mengeksitasi ke keadaan energi yang lebih tinggi dengan penyerapan justru besarnya energi menunjukkan perbedaan antara keadaan yang lebih rendah dan yang lebih tinggi.

            James Franck dan Gustav Hertz menunjukkan bahwa hal ini tentu saja merupakan kasus dalam percobaan yang berderet pada tahun 1913; tahun yang sama di saat Bohr mengajukan modelnya. Franck dan Hertz menggunakan sebuah berkas cahaya yang mempercepat elektron untuk mengukur energi yang ada di elektron pada keadaan dasar dari gas merkuri ke keadaan tereksitasi pertama.

1.2.  Tujuan

   1. Untuk memperlihatkan secara langsung kebenaran teori kuantum bahwa tenaga electron atom itu bertingkat-tingkat (terkuantitasi).

   2.  Untuk menentukan tegangan eksitasi atom gas Neon dan panjang gelombang foton yang dipancarkan.

   3.  Untuk mengetahui aplikasi dari percobaan Franck-Hertz.

   4.  Untuk mengetahui gambaran sederhana mengenai percobaan Franck-Hertz.

   5.  Untuk mengetahui bagaimana cara pembentukan cincin sinar katoda di dalam tabung gas Neon.

BAB II

DASAR TEORI

Revolusioner mengubah pemahaman tentang fenomena mikroskopis yang mendapat tempat selama 27 tahun pertama pada abad ke-20 yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam sejarah ilmu pengetahuan alam. Tidak hanya menyaksikan banyaknya limitasi dari validitas fisika klasik, akan tetapi bisa pula menemukan teori alternatif yang menggantikan teori fisika klasik menjadi jauh lebih beranekaragam dalam kesempatan dan jauh lebih beranekaragam dalam jajaran pemakaiannya.

            Cara yang paling tradisional untuk memulai sebuah pelajaran mekanika kuantum adalah mengikuti perkembangan sejarahnya – hukum radiasi Planck, model atom Bohr, dan seterusnya – bersama dengan hati-hati menganalisis beberapa kunci percobaan seperti efek Compton, dan percobaan Franck-Hertz.

(J.J.Sakurai, 1985)

Pada tahun 1914, J.Franck dan G.Hertz melaporkan sebuah percobaan luwes yang tak biasa yang membuktikan bahwa energi mekanik, seperti energi elektromagnetik, diserap oleh atom-atom dalam kuantitas yang berlainan. Karena begitu sederhana dan meyakinkan, maka percobaan ini berhak mendapatkan sedikit pertimbangan yang terperinci.

Peralatan yang dipergunakan oleh  Franck dan Hertz terdiri dari sebuah kabel pemanas listrik yang ditempatkan sejajar dengan sumbu pada jaringan silinder, yang mana dikelilingi oleh sebuah pengumpul. Alat tersebut ditempatkan dalam pagar yang berisi dengan uap air merkuri. Suatu tegangan yang dipercepat berada diantara pemanas dan jaringan, sedangkan suatu tegangan yang diperlambat berada diantara jaringan dan pengumpul.

Dari bermacam pengumpul arus dengan tegangan yang diperlambat, energi elektron yang telah melewati uap air merkuri dapat ditentukan. Itu menandakan bahwa elektron yang energi totalnya lebih kecil dari 4,9 ev tidak dapat dideteksi setelan tubrukan dengan atom merkuri. Banyak tubrukan antara energi terendah elektron dan atom dari uap air seharusnya mengalami lenting sempurna, yang tidak memberikan energi terhadap atom terkecuali untuk lompatan yang dapat diabaikan. Namun, ketika percepatan potensial meningkat di atas 4,9 volt, tubrukan tanpa lentingan terjadi dekat jaringan, yang berarti elektron menyerahkan seluruh energi kinetik mereka kepada atom merkuri. Setelah kehilangan energi mereka pada tubrukan tanpa lentingan, electron tidak mampu melewati ruang yang dipersempit, dan pengumpul arus bernilai minimum.

Sebuah peningkatan yang jauh pada tegangan yang dipecepat menggerakkan area dimana elektron mencapai energi kritis sebesar 4,9 ev mendekat ke pusat kabel. Setelah mencapai energi kritis dan kehilangan energi kinetic saat tubrukan, elektron dapat mengambil energi baru sekarang sambil menuju ke jaringan, jadi pengumpul arus meningkat lagi. Sebuah arus minimum kedua yang dihasilkan dengan adanya percepatan potensial kira-kira 10 volt, seharusnya berada pada area kedua dari tubrukan tanpa lentingan di sekitar jaringan. Dari hasil percobaan ditunjukkan bahwa atom merkuri menyerap energi mekanik sebanyak 4,9 ev.

Pertanyaan yang segera muncul adalah apakah atom akan kembali meradiasi kuantitas dari energi yang sama. Frekuensi dari radiasi yang dipancarkan akan menjadi 1,18 x 10¹⁵ sec^-1, yang mana dapat disesuaikan terhadap cahaya ultraviolet yang memiliki panjang gelombang sebesar 2530 Å.  Franck dan Hertz mengulang percobaan mereka pada seperempat wadah, menembus radiasi ultraviolet, dan menggambarkan pemancaran spektrum dari uap air merkuri. Sebuah garis tajam tampak pada 2536 Å, sesuai dengan nilai perhitungan dalam limit error. 

Suatu perubahan energi kuantum alami diakui, fisikawan teoritis dihadapkan dengan tugas yang menyarankan suatu mekanisme dari banyaknya penyerapan dan pengeluaran yang sesuai dengan keterangan spektroskopis. Tentu saja mekanisme ini sangat bergantung pada sebuah model atom yang memuaskan. Informasi yang paling penting dari struktur atom ditemukan oleh Rutherford pada tahun 1911. Dalam sebuah kertas lama, Rutherford menganalisis hasil percobaan dari Geiger dan Marsden dengan sejumlah kecil partikel alpa dari kertas logam tipis. Percobaan ini menunjukkan bahwa sedikit peristiwa dari partikel alpa (dalam hal ini 20.000) didefleksikan pada sudut rata-rata  bernilai 90^o melewati sebuah kertas emas tipis (4 x 10^-5 cm). Rutherford menganggap bahwa lebar defleksi dihasilkan dalam suatu pertemuan tunggal dari sebuah partikel alpa dengan atom, dikarenakan perhitungan sebelumnya mendasar pada perkalian sejumlah kecil partikel alpa yang tidak memberikan hasil yang memuaskan. Dia menunjukkan bahwa hasil percobaan dapat dijelaskan jika atom dianggap terdiri dari harga positif yang kuat atau negatif dari pusat, memfokuskan jarak yang kurang dari 3 x 10^-12 cm dan dikelilingi oleh sebuah bidang elektrifikasi yang harganya berlawanan memperpanjang seluruh sisa dari atom, sebagai contoh, untuk jarak yang kira-kira sepanjang 10^-8 cm. Kemudian sejumlah kecil partikel alpa dapat dianggap pokok harga dari pusat atau inti, yang akan menyebabkan partikel alpa menggambarkan garis edar hiperbola dengan pusat dari atom sebagai satuan fokus.

            Geiger dan Marsden dapat menghitung dari data mereka bahwa harga inti atom diperkirakan setengah dari berat atom tersebut. Ini sangat menarik untuk dicatat bahwa sebuah inti atom telah siap dipertimbangkan secara matematik oleh Nagaoka pada tahub 1904, tetapi itu merupakan analisis Rutherford yang menetapkan konsep ini sebagai fakta dari percobaan yang telah dilakukan. Masalah segera muncul, biarpun, memperhatikan stabilitas dari suatu system.

Pada tahun 1913, Niels Bohr  dapat memecahkan pertanyaan stabilitas dari atom Rutherford. Bohr merumuskan sebuah teori struktur atom baru secara lengkap, berdasarkan dalil-dalil yang pada dasarnya menyimpang dari pola fisika klasik. Bohr bekerja di konstitusi yang merupakan salah satu perusahaan yang paling cemerlang di fisika modern dan merupakan dasar dalam perkembangan teori kuantum.

Dalam dalil pertamanya, Bohr menganggap adanya keadaan yang tak seimbang pada atom, dengan elektron-elektron yang bergerak di sekitar inti positif pada lintasan yang mana dapat dihitung dari teori klasik. Dalam hal yang sederhana, atom hidrogen, sebuah elektron tunggal dianggap menggambarkan suatu lingkaran, atau elips dengan inti pada satuan fokus. Energi total atom pada keadaan tetap berlawanan dengan perubahan klasik elektron yang tidak diradiasi.

(John L. Powell dan Bernd Crasemann, 1961)

Teori Planck dalam radiasi benda hitam juga memprediksikan bahwa dalam proses emisi dan absorpsi dari radiasi, atom yang ada di dinding berlubang bertindak dahulu karena mereka mengukur keadaan energi. Oleh sebab itu, menurut teori kuantum lama, setiap atom hanya mampu memisahkan keadaan energi yang berlainan.

            Pengesahan langsung bahwa keadaan energi dalam atom yang diukur berasal dari sebuah percobaan sederhana yang dilakukan oleh Franck dan Hertz pada tahun 1914. Elektron dipancarkan dengan panas pada energi rendah dari pemanas katoda C. Mereka dibawa ke anoda A oleh sebuah beda potensial V yang diterapkan diantara dua elektroda. Beberapa elektron melewati lubang di A dan melintasi pelat P, asal saja energi kinetik mereka meninggalkan A sudah cukup mengatasi perlambatan beda potensial V yang kecil, berada diantara P dan A. Seluruh tabung diisikan pada tekanan rendah dengan sebuah gas atau uap air dari atom yang diteliti. Percobaan melibatkan kadar arus elektron yang mencapai P (ditunjukkan oleh arus I yang mengalir pada alat ukur) sebagai sebuah fungsi dari percepatan tegangan V.

            Percobaan pertama dilakukan dengan tabung yang berisikan uap air Hg. Pada percepatan tegangan yang rendah, arus I dijalankan agar meningkat dengan peningkatan tegangan V. Ketika V mencapai 4,9 V, arus jatuh secara tiba-tiba atau curam atau terjal. Ini ditafsirkan sebagai petunjuk bahwa beberapa interaksi antara elektron dan atom Hg dengan tiba-tiba mulai mencapai 4,9 eV pada energi kinetik elektronnya. Ternyata sebuah pecahan yang penting dari elektron membangkitkan energi atom Hg ini dan juga kehilangan seluruh energi kinetik mereka. Jika V hanya sedikit dari banyaknya energi kinetik  sebesar 4,9 V, proses eksitasi pasti hanya terjadi di depan ANODA a, dan setelah proses elektron tidak dapat mencapai energi kinetik yang cukup jatuh ke arah A untuk mengatasi perlambatan tegangan V_P dan mencapai pelat P. Pada besaran V, elektron dapat mencapai energi kinetik yang cukup setelah proses eksitasi mengatasi V_P dan mencapai P. Ketajaman dari perubahan kurva menunjukkan bahwa energi elektron kurang dari 4,9 eV tidak dapat memindahkan energi mereka ke sebuah atom Hg. Tafsiran ini sesuai dengan adanya keadaan energi yang berlainan terhadap atom Hg. Anggapan pertama yang membangkitkan keadaan Hg menjadi 4,9 eV lebih tinggi pada energi dibandingkan keadaan yang mula-mula, sebuah atom Hg yang sederhana tidak bisa menerima energi dari serangan elektron kecuali kalau elektron ini setidak-tidaknya mencapai 4,9 eV.

             Sekarang, jika pemisahan antara keadaan mula-mula dan keadaan pertama yang membangkitkan secara tepat 4,9 eV, seharusnya ada sebuah garis pada spektrum emisi Hg yang sesuai dengan hilangnya nilai atom sebesar 4,9 eV melalui peralihan dari keadaan pertama yang membangkitkan ke keadaan mula-mula. Franck dan Hertz menemukan bahwa ketika energi dari serangan elektron kurang dari 4,9 eV tidak ada garis nyata yang dipancarkan dari uap air Hg dalam tabung, dan ketika energi tidak lebih sedikit dari jumlah volt elektron yang lebih tinggi maka nilai ini hanya sebuah garis tunggal dilihat dari spektrum. Garis ini memiliki panjang gelombang 2536 Å, yang mana sangatlah tepat dan sesuai dengan energi foton sebesar 4,9 eV.

            Percobaan Franck-Hertz memberikan bukti yang menyolok bagi banyaknya jumlah energi dari atom. Itu juga menetapkan sebuah cara untuk pengukuran langsung perbedaan energi antara keadaan kuantum suatu atom – jawaban tampak pada voltmeter! Ketika kurva I vs V dipanjangkan ke tegangan yang lebih tinggi, penambahan perubahan ditemukan. Beberapa elektron mengeksitasi keadaan tereksitasi atom pada banyaknya peristiwa pemisahan sepanjang perjalanan merka dari C menuju ke A; tetapi beberapa eksitasi yang seharusnya lebih tinggi mengeksitasi keadaan, dan dari posisi kisi, perbedaan energy diantara keadaan tereksitasi yang lebih tinggi ke keadaan dasar dapat diukur secara langsung.

            Metode eksperimen yang lain menetapkan pemisahan antara keadaan energy dari sebuah atom adalah untuk mengukur spectrum atomnya dan kemudian secara empiris untuk membangun suatu kumpulan dari keadaan energy yang mana menggiring spectrum. Dalam praktiknya, ini sering menyulitkan untuk dilakukan karena kumpulan garis terdapat pada spectrum, sama halnya dengan kumpulan dari keadaan energy yang sering sangat rumit; biarpun, pada umumnya dengan semua teknik spektrokopis, itu merupakan metode yang sangat akurat. Dalam semua hal yang mana penetapan pemisahan diantara keadaan energy atom dibuat pasti, menggunakan kedua teknik ini dan teknik Franck-Hertz, hasil yang ditemukan menjadi persetujuan yang unggul.

            Pemisahan antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi pertama dan kedua diketahui, dari percobaan Franck-Hertz, ialah 4,9 eV dan 6,7 eV. Bilangan ini dapat disahkan, dan dalam fakta yang ditetapkan dengan ketelitian yang tinggi, oleh pengukuran panjang gelombang dari dua garis spectral yang sesuai untuk peralihan sebuah electron dalam atom Hg dari dua keadaan ini ke keadaan dasar. Energy ɛ = -10,4 eV, dari keadaan dasar yang relative ke keadaan nol suatu energy total, tidak ditentukan oleh percobaan Franck-Hertz. Biarpun itu dapat ditemukan oleh pengukuran panjang gelombang dari garis yang sesuai untuk peralihan sebuah atom electron  dari keadaan nol suatu energy total ke keadaan dasar. Ini adalah rentetan limit dari rangkaian yang berakhir pada keadaan dasar. Energy ɛ juga dapat diukur oleh pengukuran energy yang harus disediakan sebuah atom Hg supaya mengirim satu elektronnya  dari keadaan dasar ke keadaan nol suatu energy total. Dikarenakan electron dari nol energy total tidak sampai melewati batas atom, ɛ merupakan energy yang hendak mengionisasikan atom dan oleh karena itu, ɛ  disebut energy ionisasi.

(Robert Eisberg dan Robert Resnick, 1974)

Gejala ionisai ditandai oleh meningkatnya kuat arus anoda secara drastik. Elektron ini tidak akan mampu lagi mencapai anoda jika tenaga sisanya kurang dari tenaga penghalang, sehingga terjadi pemerosotan arus anoda. Bila tegangan kisi dinaikkan lagi lebih lanjut, maka arus anoda akan naik lagi, tetapi kemudian merosot lagi bila tegangan kisi sama dengan kelipatan bulat tegangan eksitasi (Ve).

http://www.physics.ucla.edu/demoweb/demomanual/modern_physics/quantum_mechanics_and_atomic_physics/frank_hertz_experiment.html

Energi eksitasi atom merupakan perkalian antara tegangan eksitasi atom (Ve) dengan muatan elektron (e).

E_eks =  e V_e …………………………………………………………….. (1)

Energi ini digunakan untuk memancarkan foton yang memiliki panjang gelombang λ, yang terkait dengan persamaan energi foton.

 (http://septiadiah.files.wordpress.com/2011/10/radiasi-2-percobaan-franck-hertz.pdf.)

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Peralatan dan Fungsi

          1. Franck-Hertz Apparatus (No. seri osk 5221 Ogawa Seiki, Ltd, Jerman).

              Fungsi: untuk mengatur tegangan input (otomatis dan manual) tegangan eksitasi.

     Terdiri dari:

-  Pesawat Franck-Hertz.

Fungsi: sebagai rangkaian untuk tabung pelucutan.

- Tabung pelucutan

Fungsi: untuk membuktikan cincin pada gas yang membentuk orbital atom-atom neon.

-  Banana cables.

                 Fungsi : untuk menghubungkan Apparatus Franck-Hertz dengan pesawat Franck-

                 Hertz.

2. Seperangkat Komputer.

Terdiri dari:

-  CPU

Fungsi: sebagai prosesor perangkat keras dari sensor cassy untuk menyimpan data.

-  Monitor

Fungsi: untuk menampilkan data, grafik, serta pengaturan otomatis pada sensor.

-  Keyboard

Fungsi: untuk memasukkan nama data dan grafik.

-  Mouse

Fungsi: untuk mengarahkan kursor.

3. Sensor Cassy.

Fungsi: untuk mendeteksi tegangan eksitasi (U₂) dan waktu yang dibutuhkan dalam pembentukan cincin pada tabung pelucutan.

4. UPS.

Fungsi: untuk menyalurkan tegangan pada semua peralatan.

5. Adaptor.

Fungsi: untuk menurunkan tegangan tinggi ke rendah sesuai yang dibutuhkan.

6. Kabel.

Terdiri dari:

-  Kabel USB.

Fungsi: untuk menghubungkan mouse, keyboard, dan sensor ke CPU.

-  Kabel

Fungsi: untuk menghubungkan sensor dengan Apparatus Franck-Hertz.

-  Kabel (cok sambung).

Fungsi: untuk menghubungkan UPS ke adaptor.

3.2 Prosedur Percobaaan

   1.      Dipersiapkan semua peralatan

   2.      Dirakit perangkat

   3.      Dihubungkan perangkat yang sudah di rakit ke arus PLN

   4.      Dihidupkan adaptor

   5.      Dihidupkan CPU kemudian monitor akan hidup secara otomatis

   6.      Dihidupkan perangkat Franck-Herz

   7.      Dihubungkan sensor Cassy ke arus listrik

   8.      Di klik ikon Cassy Lab 2 yang ada di monitor kemudian akan muncul XY Recorder

   9.      Ditentukan XY Recorder dengan ketentuan yang pertama di klik adalah sumbu X

   10.  Ditentukan range untuk U_B1 dan U_A1

   11.  Ditentukan tegangan untuk  U₁ dan U₃

   12.  Diklik start untuk memulai

   13.  Dilihat terbentuknya cincin pertama, kedua, dan ketiga

   14.  Dicatat tegangan pada setiap terbentuknya cincin

   15.  Di stop jika sudah terlihat cincin ketiga

   16.  Dilihat dan ditentukan puncak grafik

   17.  Dicatat tegangan puncak (U₂)

   18.  Disimpan data ke komputer

   19.  Dicetak grafik dan tabel

   20.  Di ulangi percobaan 8-17 pada praktikan lainnya

3.3 Gambar

Terlampir.

3.4 Diagram Alir

DAFTAR REFERENSI

Eisberg, Robert. 1974. “QUANTUM PHYSICS OF ATOM, MOLECULES, SOLIDS, NUCLEI,

            AND PARTICLES”. Second Edition. John Wiley & Sons : United States of America.

            Pages : 107-110

Powell, John L. 1961. “QUANTUM MECHANICS”. Addison-Wesley Publishing Company :

United States of America.

Pages : 11-15

Sakurai, J.J. 1985. “MODERN QUANTUM MECHANICS”. The Benjamin/Cummings

            Publishing Company : Canada.

            Page : 1

http://septiadiah.files.wordpress.com/2011/10/radiasi-2-percobaan-franck-hertz.pdf.

            Diakses Tanggal: 24/09/2013

  Pukul   : 18:45

http://www.physics.nus.edu.sg/~L3000/Level3manuals/Franck%20Hertz.pdf.

            Diakses Tanggal: 24/09/2013 

  Pukul   : 18:56

http://www.physics.ucla.edu/demoweb/demomanual/modern_physics/quantum_mechanics_and_atomic_physics/frank_hertz_experiment.html

            Diakses Tanggal: 24/09/2013 

  Pukul   : 19:02

Medan, 25 September 2013

    Asisten,                                                                                                     Pratikan,

(Kartika Sari)                                                                                       (Josapat Simangunsong)