LAPORAN
FISIKA EKSPERIMENTAL I
Eksperimen Franck Hertz
Pelaksanaan Praktikum
Hari : Rabu
Tanggal: 2 April 2014 Jam : 10.40 – 12.20
Oleh :
Nama : Novi Tri Nugraheni
NIM : 081211333009
Anggota Kelompok :
1. Muhimatul Fadlilah A.
NIM : 081211331130
2. Khoirotun Nisa
NIM : 081211332007
3. Puspita Ningtiyas
NIM : 081211332001
4. Ratna Yulia Sari
NIM : 081211332002
Dosen Pembimbing
:
Bapak Herlik Wibowo
LABORATORIUM FISIKA MODERN
UNIVERSITAS AIRLANGGA
Eksperimen Franck Hertz
Novi Tri Nugraheni
1, Muhimatul Fadlilah A.
2,Khoirotun Nisa
3, Puspita Ningtiyas
4, Ratna
Yulia Sari
5Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Jl.Mulyorejo Kmapus C Unair, Surabaya 60115
Email: [email protected]
Abstrak
,
Suatu atom terdiri dari elektron yang mana merupakan sebuah partikel sub – atomik bermuatan negatif. Elektron bergerak mengelilingi inti atom sesuai dengan lintasan orbit yang dimilikinya dimana orbit tersebut memiliki suatu tingkatan energi tertentu. Apabila suatu elektron bebas dengan energi tertentu ditumbukkan pada suatu atom maka akan terjadi ekistasi elektron dan disertai dengan adanya foton emisi yang mana muncul karena elektron yang tereksitasi ingin kembali ke keadaannya semula. Untuk mengukur besar energi eksitasi dan panjang gelombang foton yang diemisikan dapat digunakan set – up eksperimen Franck – Hertz. Dimana didalam percobaan ini digunakan gas Neon sebagai atom yang ditumbuk dan elektron bebas berasal dari suatu lempengan logam yang dipanaskan. Berdasarkan literatur, nilai energi eksitasi atom Neon berkisar antara 18,3 – 19,5 Volt. Melalui percobaan ini diperoleh nilai energi eksitasi atom Neon sebesar (16,5 0,9 ) eVolt dengan presentase kesalahan sebesar 12.7 % dan panjang gelombang foton yang dipancarkan bernilai ( 750 dengan presentase kesalahan sebesar 0.9 %. Pada saat elektron terkuantisasi (berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah) maka elektron tersebut akan memencarkan energi berupa foton dengan panjang gelombang tertentu. Panjang gelombang dari foton tersebut bergantung dari nilai energi eksitasi dari atom tersebut.Kata Kunci : Atom, Elektron, Gas Neon, Eksistasi, Foton.
1.
Pendahuluan
Model atom yang hingga kini diyakini sebagai bentuk pendekatan yang cukup rasional mengenai atom adalah model atom yang dimiliki oleh Niels Bohr. Niels Bohr mengatakan bahwa elektron yang ada didalam atom berputar mengelilingi inti atom dengan orbit tertentu dan dimana orbit tersebut memiliki energi tertentu pula.
Selain mengorbit mengelilingi inti dengan tingkatan energi tertentu, bohr mengatakan bahwa apabila elektron tersebut mendapatkan energi dari luar maka akan terjadi eksitasi elektron dimana eksitasi elektron adalah loncatnya elektron dari tingkat energinya menuju tingkatan energi yang lain dan ketika telah berpindah maka tingkat menetapnya elektron didalam tingkatan energi yang baru cukup singkat sehingga cenderung untuk kembali kedalam keadaannya semula dengan diserta emisi foton. Berikut ini adalah gambar model atom bohr dan gambar skema eksitasi elektron:
Dengan adanya model atom bohr tersebut, dua orang fisikawan bernama Franck dan Heinrich Hertz mulai melakukan pembuktian untuk membuktikan kebenaran dari model atom bohr tersebut secara eksperimen. Disini Franck dan Hertz menggunakan gas yang dimasukan didalam sebuah tabung dengan tekanan rendah dan didalamnya dilengkapi dengan sebuah lempeng logam dan dua buah elektroda yang diberi beda tegangan tertentu dan dihubungkan dengan multimeter. Apabila
Gambar (a) Model Atom Bohr
lempeng logam dipanaskan maka akan terdapat elektron bebas yang tercipta dan kemudian digunakan untuk menumbuk elektron yang dikandung oleh gas.
Bila model atom bohr yang mengatakan bahwa akan terjadi eksitasi elektron benar maka akan terjadi pembacaan arus listrik didalam multimeter yang awalnya naik hingga suatu titik maksimum dan kemudian turun.
Dari data – data yang diperoleh dari hasil bacaan multimeter maka akan dapat dihitung besarnya energi eksitasi dari elektron atom gas yang mengalami tumbukan dan panjang gelombang foton yang diemisikan. Oleh karena itu, percobaan franck – hertz dapat digunakan untuk hal tersebut.
2.
Landasan Teori
Eksitasi elektron atom dari keadaaan dasar ke keadaan tereksitasi dapat terjadi
karena adanya serapan tenaga kinetik elektron yang menumbuk atom gas Neon di dalam tabung Frenck-Hertz. Bila tenaga kinetik elektron sama dengan tenaga ionisasi atom Neon, maka elektron-elektron dapat mengionkan atom-atom gas tersebut. Gejala ionisasi ini ditandai oleh meningkatnya kuat arus anoda secara drastis.
Rangkaian / skema dasar eksperimen ini ditunjukkan oleh gambar 1. elektron yang dipancarkan oleh pemanasan (F) pada katoda (k) akan dipercepat oleh tegangan kisi (Vg), sehingga energi kinetiknya bertambah besar. Pada tegangan kisi tertentu, energi kinetik elektron dapat mengeksitasi atom Neon, dan elektron akan kehilangan tenaga sebesar tenaga eksitasi atom Neon. Elektron ini tidak akan mampu lagi mencapai anoda jika tenaga sisanya kurang dari tenaga penghalang (Vp), sehingga terjadi pemerosotan arus anoda (Ia). 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). Hali ini terjadi karena elektron sebelum sampai di kisi telah beberapa kali mengeksitasi atom Neon dan akan mengeksitasi lagi di daerah dekat kisi, sehingga tidak mencapai anoda.
Dengan demikian grafik arus anoda (Ia) sebagai fungsi tegangan kisi (Vg) akan memperlihatkan puncak-puncak dan lembah-lembah seperti pada gambar 2. Jarak antara dua puncak berdekatan merupakan besarnya tegangan eksitasi atom (Ve) tersebut.
Gambar 1. Pesawat Franck-Hertz
Energi eksitasi atom (Neon) merupakan perkalian antara tegangan eksitasi atom (Ve) dengan muatan elektron (e)
Eeks = eVe (1)
Energi ini digunakan untuk memancarkan foton yang memiliki panjang gelombang λ, yang terkait dengan persamaan energi foton.
(2)
Dari persamaan (1) dan (2) selanjutnya akan diperoleh panjang gelombang (λ) foton yang dipancarkan dari eksitasi atom Neon, yaitu :
Dengan h : tetapan planck (6,626 .10-34 Js = 4,136 . 10-15 eVs), c : kecepatan cahaya ( 2,998 . 108 ms-1 ), dan e adalah muatan elektron ( 1,602 . 10-19 C ).
Pesawat Franck-Hertz pada percobaan ini terdiri atas tabung berisi gas Neon bertekanan rendah dilengkapi dengan filamen pemanas katoda K, dan kisi G1 dan G2, plat anoda P, serta meter tegangan dan arus.
Tombol G1-K berfungsi untuk mengatur besarnya tenaga kinetik elektron yang keluar dari kisi G1 menuju anoda P. Tombol G2-P berfungsi untuk mengatur / menetapkan besarnya tegangan penghalang elektron sampai di anoda P. yang perlu diperhatikan adalah penggunaan kedua panel tersebut harus dilakukan secara hati - hati agar arus yang terbaca pada mikroamperemeter tidak melampaui jangkauannya.
3.
Alat dan Bahan
Pada percobaan ini akan digunakan beberapa macam peralatan yaitu sebagai berikut ini adalah Franck Hertz Aparatus (No. Seri osk 5221 Ogawa Seiki, Ltd, Jepang)
4.
Prosedur Percobaan
Pada percobaan ini, didalam memperoleh datanya, digunakan prosedur – prosedur sebagai berikut yaitu :
1) Diamati terlebih dahulu fungsi – fungsi yang terdapat pada pesawat Franck – Hertz sebelum dilakukan eksperimen agar eksperimen dapat berjalan dengan lancar.
2) Kemudian pilih saklar “MANU” untuk tegangan kisi (Vg), bila tegangan antara katoda tabung franck – hertz dinaikkan dengan grid kedua (G2) secara manual, atau dipilih “AUTO” bila tegangan akan dinaikan secara otomatis.
3) Kemudian selanjutnya, dipilih saklar “INTERNAL” untuk mengatur arus antara grid kedua dengan plate (P) Franck – Hertz. Apabila digunakan pengukur arus secara eksternal, pilih saklar “EXTERNAL” dan hubungkan amperemeter dengan panel P – Ge.
4) Kemudian tegangan pemercepat dinaikan pelan – pelan dan arus anoda yang terukur diamati untuk setiap nilai tegangan pemercepat. Kemudian dilakuakn terus perubahan nilai tegangan pemercepat dan hasil arus anoda yang terukur hingga diperoleh grafik seperti pada gambar diatas.
5) Selanjutnya, ditentukan nilai – nilai dari tegangan kritis yang telah didapatkan dan dapat dilakukan tahapan perhitungan sebagai berikut :
a. Menghitung beda nilai tegangan kritis (antara maksimum ke – n) : ( dengan n = 1,2, 3... N
b. Kemudian dihitung rata – rata dari tegangan kritis dengan ̅̅̅̅ ∑ dan standard deviasinya
6) Setelah itu, bandingkan hasilnya dengan literatur apakah sudah mendekati nilai secara teoritis 7) Kemudian, dihitung panjang gelombang foton yang dipancarkan dari eksitasi atom Neon
6.
Data Hasil Eksperimen
1. Percobaan I
Vg (V) Ia (A) Vg (V) Ia (A) Vg (V) Ia (A) Vg (V) Ia (A)
1 0 21 6 41 4 61 20 2 0 22 3 42 8 62 26 3 0 23 1 43 11 63 32 4 0 24 0 44 15 64 39 5 0 25 5 45 25 65 46 6 0 26 10 46 32 66 52 7 0 27 15 47 38 67 54 8 0 28 20 48 45 68 57 9 2 29 24 49 49 69 58 10 8 30 28 50 52 70 53 11 9 31 31 51 52 71 47 12 12 32 33 52 42 72 42 13 14 33 35 53 33 73 35 14 14 34 36 54 23 74 33 15 16 35 28 55 15 75 32 16 16 36 20 56 15 76 32 17 19 37 14 57 10 77 32 18 20 38 6 58 10 78 34 19 15 39 3 59 12 79 36 20 11 40 0 60 17 80 43 2. Percobaan II
Tegangan kritis ke - Nilai Tegangan
1 20 V
2 35 V
3 51 V
4 68 V
3. Percobaan III
Tegangan kritis ke - Nilai Tegangan
1 20 V
2 35 V
3 51 V
4 69 V
7.
Hasil Analisis dan Pembahasan
Jika tegangan (Vp) terus dinaikkan dari nol, maka makin banyak elektron yang akan mencapai pelat anoda, dan bersamaan dengan itu naik pula arus elektriknya yang ditandai dari makin menyimpangnya jarum galvanometer. Elektron-elektron di dalam tabung dapat menumbuk atom di dalam tabung tersebut (dalam hal ini digunakan gas Neon), namun tidak ada energi yang digunakan dalam tumbukan ini, jadi tumbukannya adalah elastik sempurna. Agar elektron dapat melepas energinya dalam suatu tumbukan dengan atom Neon, electron harus memiliki energi yang cukup untuk menyebabkan atom Neon bertransisi ke suatu keadaan eksitasi. Dengan demikian apabila energi elektron sedikit lebih besar dari 18 eV (atau ketika tegangan mencapai puncak pertama pada 18 V), elektron akan melakukan tumbukan tidak elastis dengen atom Neon, dan meninggalkan energi sebesar 18 eV pada atom Neon, sedangkan elektron setelah terjadi tumbukan
dengan atom Neon memiliki energi yang lebih rendah, tetapi setelah penurunan tegangan tersebut masih terdapat penyimpangan pada jarum galvanometer maka dapat disimpulkan bahwa elektron masih mempunyai energi untuk melewati kisi (tegangan penghalang) sehingga elektron masih dapat mencapai pelat anoda. Jadi, apabila V = 18 V, akan terjadi penurunan arus. Bila tegangan (Vp) dinaikkan terus, arusnya akan naik kembali, dan kemudian akan turun lagi pada 17 V, proses ini kembali terjadi pula pada tegangan 18 V, dan seterusnya. Selain itu, jika tegangan (Vp) dinaikkan terus maka akan terjadi efek tumbukan jamak (multiple collisions). Artinya, apabila V = 18 V maka ia akan mengeksitasi atom Neon dan akan terjadi penurunan energi dari elektron, tetapi sisa energi dari elektron tersebut masih dapat digunakan lagi untuk mengeksitasi atom Neon kedua tumbukan tak elastik. Jadi, jika penurunan arus diamati terjadi pada tegangan V maka penurunan serupa akan teramati pula pada tegangan-tegangan 2V, 3V, dst. Lebih umum, jika penurunan arus teramati pada V1 dan V2, maka penurunan arus yang sama akan teramatai pula pada tegangan-tegangan V1 + V2, 2V1 + V2, V1 + 2V2.
Dengan demikian percobaan ini memberikan kita suatu bukti langsung mengenai eksitasi elektron. Grafik (lampiran) memberikan gambaran tingkat-tingkat eksitasi dari elektron yang menunjukkan bahwa energi dari elektron itu bertingkat-tingkat (terkuantisasi) yang mengukuhkan kebenaran dari teori kuantum.
Pada saat elektron terkuantisasi maka elektron tersebut akan memencarkan energi berupa foton dengan panjang gelombang tertentu. Panjang gelombang dari foton tersebut bergantung dari nilai energi eksitasi dari atom tersebut. Karena atom Neon memiliki energi eksitasi sebesar V = (16,5 0,9 ) eVolt dengan presentase kesalahan sebesar 12.7 % maka atom tersebut akan memancarkan foton dengan panjang gelombang sebesar λ = λ = ( 750 dengan presentase kesalahan sebesar 0.9 %
8.
Kesimpulan
(1) Tingkat-tingkat energi eksitasi dari elektron menunjukkan bahwa energi dari elektron itu bertingkat-tingkat (terkuantisasi) dan mengukuhkan kebenaran dari teori kuantum.
(2) Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh tegangan eksitasi (Ve) atom Neon sebesar : V = (16,5 0,9 ) Volt
(3) Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh energi eksitasi (Ee) atom Neon sebesar : Eeks = (16,5 0,9 ) eVolt
(4) Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh panjang gelombang foton yang dipancarkan sebesar : λ = ( 750
Referensi
[1].
Alonso, M. dan Finn, E.J., Fundamental University Physics, Volume II, Addison
Wisley, 1983.
[2].
Kusminarto, Esensi Fisika Modern, 2012. Bandung : Penerbit Andi.
[3].
Krane, Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia
Nikhsolihin, Jakarta : Penerbit UI
LAMPIRAN I 1. Nilai Tegangan Eksitasi :
V1 = = = 19,3 volt V2 = = = 34,7 volt V3 = = = 51 volt V4 = = = 68,7 volt Ve1 = V2 - V1 = 34,7 – 19,3 = 15,4 volt Ve2 = V3 – V2 = 51 – 34,7 = 16,3 volt Ve3 = V4 – V3 = 68,7 – 51 = 17,7 volt
2. Nilai rata-rata Tegangan Eksitasi: ̅̅̅̅ = = = = 16,5 volt = 237,2+265,7+313,3 = 816,2 volt ( =( ) = ( )
= ( ) = ( = 271,2 volt = √∑ ( ( = √ ( ( = √ ( = √( = √ = 0,9 volt Sehingga ( ̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅ = (16,5 0,9 ) volt % Kesalahan ukurVe = = 12,7 % Jadi Nilai energi Eksitasi:
Eeks = (16,5 0,9 ) eVolt 3. Nilai Panjang gelombang Foton:
̅ ̅̅̅̅ = ( )( ) ( ( = = 0,75 m = 750 Å ̅̅̅ = √( ) = | | = | | = | | = |( ( )( ( )| 0,9 = |( | = 0 m
= 40,5 Å
Sehingga panjang gelombang Foton yang dipancarkan: ̅ ̅̅̅ = ( 750
|
|
LAMPIRAN II Grafik hubungan Kuat Arus dan Tegangan Vg
0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100
