PERCOBAAN FRANCK-HERTZ A. TUJUAN 1. Memperlihatkan secara langsung kebenaran teori kuantum bahwa tenaga elektron atom itu bertingkat-tingkat (terkuantisasi). 2. Mengamati hubungan antara arus anoda Ia dengan besarnya tegangan kisi Vg. 3. Menentukan tegangan eksitasi atom Neon dan panjang gelombang foton yang dipancarkan. B. ALAT DAN BAHAN 1. Franck-Hertz Apparatus (No. seri osk 5221 Ogawa Seiki, Ltd, Jepang) 2. Banana cables 3. Multimeter 4. XY Recorder C. DASAR 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 (V g), 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.
1
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 (V e) tersebut.
Gambar 1. Pesawat Franck-Hertz
Gambar 2. Grafik arus anoda Ia sebagai fungsi tegangan kisi (Vg) 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.
E
hc
(2)
2
Dari persamaan (1) dan (2) selanjutnya akan diperoleh panjang gelombang (λ) foton yang dipancarkan dari eksitasi atom Neon, yaitu :
hc eVe
(3)
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. D. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Mengamati fungsi-fungsi peralatan yang terdapat pada pesawat Franck-Hertz sebelum melakukan percobaan, agar pada saat melakukan percobaan bisa berjalan lancar. 2. Memilih saklar “MANU” untuk tegangan kisi (Vg), bila menaikkan tegangan antara katoda tabung Franck-Hertz dengan grid kedua (G2) secara manual, atau pilih “AUTO” bila tegangan akan dinaikkan secara otomatis. 3. Memilih saklar “INTERNAL” untuk mengukur arus antara grid kedua dengan plat (P) Franck-Hertz.
Kemudian
memilih
saklar
“EKSTERNAL”
apabila
hendak
menggunakan pengukur arus (Ammeter) secara eksternal, dan menghubungkan ammeter tersebut dengan panel P-Ge (i). 4. Menaikkan tegangan kisi (Vg) pelan-pelan dan mengamati arus anoda yang terukur Ia untukj setiap Vg. Melakukan terus perubahan Vg dan pengukuran Ia sedemikian hingga telah yakin memperoleh grafik seperti pada gambar 2. 5. Melakukan pengukuran tegangan kisi (Vg) dan arus anoda (Ia) menggunakan XY Recorder. Caranya dengan menghubungkan panel-panel input horizontal (X) dan vertical (Y) dari XY Recorder dengan panel H dan panel V pada pesawat FranckHertz (dan E dengan Ground XY recorder).
3
E. HASIL PENGAMATAN V (Volt)
I (μAmpere)
V (Volt)
I (μAmpere)
2
2
42
19
4
3
44
22
6
4
46
25
8
4
48
28
10
6
50
28
12
9
52
28
14
10
54
26
16
12
56
23
18
14
58
22
20
12
60
22
22
11
62
26
24
11
64
29
26
14
66
32
28
17
68
34
30
20
70
34
32
22
72
32
34
22
74
31
36
18
76
30
38
16
78
32
40
16
80
33
F. ANALISIS DATA PENGAMATAN Tegangan eksitasi ke- Beda tegangan (Volt) I
15
II
17
III
19
TOTAL
51
a. Menentukan tegangan eksitasi (Ve)
4
Tegangan eksitasi atom Neon adalah : Sehingga energi eksitasinya adalah : b. Menentukan panjang gelombang foton yang dipancarkan
Sehingga, panjang gelombang foton yang dipancarkan adalah sebesar :
G. 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 5
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
maka atom tersebut akan memancarkan foton
dengan panjang gelombang sebesar
.
H. 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 : 3. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh energi eksitasi (Ee) atom Neon sebesar : 4. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh panjang gelombang foton yang dipancarkan sebesar : DAFTAR PUSTAKA Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern, alih bahasa : Hans J. Wospakrik dan Sofia Niksolihin. Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia. http://google.co.id http://id.wikipedia.org
6
LAMPIRAN
Grafik Arus Anoda terhadap Tegangan Kisi Arus Anoda Ia (mikroAmpere)
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tegangan Kisi Vg (Volt)
7
