081211332010 eksperimen franck hertz

Eksperimen Franck-Hertz [Fisika Unair]

Laboratorium Fisika Modern Universitas Airlangga 1

LAPORAN

FISIKA EKSPERIMENTAL I

Menentukan Energi Eksitasi Elektron dan Panjang Gelombang Foton Emisi

Dengan Eksperimen Franck – Hertz

Pelaksanaan Praktikum

Hari : Rabu Tanggal: 07 April 2014 Jam : 10.40 – 12.20

Oleh :

Nama : Fachrun Nisa

Nim : 081211332010

Anggota Kelompok :

1. Nur Aisyiyah Nim : 081211331002

2. Dewi Puji Lestari Nim : 081211331128

3. Diana Nim : 081211331135

4. Arief Danar Ibnu Nim : 081211333023

Dosen Pembimbing : Andi Hamim Zaidan, S.Si, M.Si, P.hD

LABORATORIUM FISIKA MODERN

UNIVERSITAS AIRLANGGA



Menentukan Energi Eksitasi Elektron dan Panjang Gelombang Foton Emisi

Dengan Eksperimen Franck – Hertz

1Fachrun Nisa,

2Nur Asyiyah,

3Dewi Puji Lestari,

4Diana,

5Arief Danar Ibnu

Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga

Jl.Mulyorejo Kampus C Unair, Surabaya 60115

Email: [email protected]

Abstrak, Percobaan Franck-Hertz bertujuan untuk mengetahui kebenaran teori kuantum bahwa energi

eksitasi elektron atom terkuantisasi secara diskrit serta untuk menentukan tegangan eksitasi atom Neon

dan panjang gelombang foton yang diemisikan. Pada percobaan Franck-Hertz elektron-elektron

meninggalkan katoda setelah dipanasi oleh filamen pemanas. Kemudian elektron itu di percepat menuju

sebuah kisi oleh beda potensial Vg (ditambahkan energi kinetik), yang dapat diatur. Elektron dengan

kecepatan Vg dapat menembus kisi dan mencapai plat anoda. Arus elektron yang mencapai plat anoda tersebut diukur dengan multimeter. Jika arus electron tersebut dihalangi dengan suatu atom (Neon), maka

elektron – elektron dengan kecepatan Vg itu dapat menumbuk atom – atom Neon, namun tidak ada

pelepasan energi karena yang terjadi adalah tumbukan elastis sempurna. Untuk membuat elektron

melepaskan energinya adalah jika elektron memiliki energi yang cukup untuk menyebabkan atom Neon

bertransisi ke suatu keadaan eksitasi. Setelah elektron mengalami tumbukan tersebut maka akan bergerak

dengan energi lebih rendah. Dengan demikian jika elektron harus melewati kisi dan energinya tidak

cukup untuk mengatasi tegangan perlambat rendah, ia tidak akan dapat mencapai plat anoda, sehingga

arus pada multimeter pun akan mengalami penurunan. Dari percobaan ini diketahui bahwa panjang

gelombang Neon adalah 𝜆 ± ∆λ = ( 720±2,8) Å dan energi eksitasi yang diperlukan adalah (17,1 ± 0,67 ) eVolt.

Kata Kunci : eksperimen franck-hertz, energi eksitasi, panjang gelombang foton,

1. Pendahuluan

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.



2. Landasan Teori

Spektrum Garis Atomik

Spektroskopi optik yang dilakukan sejak akhir abad ke – 19 telah banyak memberikan

kontribusi terhadap pemahaman mengenai struktur atom. Namun sampai awal abad ke – 20 belum

ditemukan landasan teoritis yang menerangkan munculnya spektrum garis yang dipancarkan oleh

atom (ketika itu yang dipelajari adalah atom hidrogen). Pada saat itu hanya ditemukan beberpa deret spektrum garis pancaran hidrogen pada daerah frekuensi tertentu yang dihasilkan dari serangkaian

eksperimen. Eksperimen ini dimulai oleh Balmer pada tahun 1855 hingga Paschen pada tahun 1908

yang ternyata membentuk suatu persamaan umum yang ditemukan secara empirik yang dikenal sebagai persamaan Rydberg-Ritz sebagai berikut :

1

𝜆𝑛𝑚= 𝑅

1

𝑛2−

1

𝑚2

Dengan 𝜆𝑛𝑚 dan R= 1,096776 x 107 m

-1 merupakan panjang gelombang emisi dan tetapan Rydberg.

Sedangkan m dan n merupakan bilangan bulat yang memenuhi 𝑛 ≤ 𝑚. Nama deret dan ketentuan

pasangan bilangan bulat n dan m memenuhi hubungan berikut :

Deret N M Daerah Frekuensi

Lymann 1 ≥ 2 UV

Balmer 2 ≥ 3 Sinar Tampak

Paschen 3 ≥ 4 IR

Brackett 4 ≥ 5 IR

Pfund 5 ≥ 6 IR

Akhirnya pada tahun 1913, disusun suatu teori yang dapat menjelaskan persamaan empirik untuk

semua deret spektrum garis hidrogen yang dikenal dengan teori model atom bohr.

Model Atom Bohr

Dari hasil diatas, bohr mengatakan bahwa walaupun sebagian dari model atom Rutherford

benar, tetapi ada dua hal yang harus dikoreksi. Pertama, Rutherford melakukan predikisi bahwa

cahaya yang dipancarkan atom memiliki rentang frekuensi yang kontinu sedangkan dari hasil

spektroskopi bersifat diskret dan yang kedua, Rutherford mengatakan bahwa atom bersifat tidak stabil

tetapi pada kenyataanya atom secara umum bersifat stabil. Untuk menyempurnakan model atom

Rutherford, maka bohr menambahkan beberapa postulat :

1) Elektron bergerak mengelilingi inti dengan orbit lingkaran tapi hanya pada orbit – orbit

tertentu (diskret).

2) Elektron memiliki energi tertentu dan mengorbit tanpa meradiasikan energi.

3) Cahaya diemisikan hanya ketika elektron berpindah dari satu orbit ke orbit yang lebih dalam.

Dari postulat bohr, secara matematis dapat dirumuskan kuantisasi radius atom hidrogen rn sebagai

berikut :

𝑟𝑛 =4𝜋𝜀𝑜

ℎ2𝜋

2

𝑍𝑒2𝑚𝑜𝑛2 = 𝑎𝑜𝑛2

dengan 𝑎𝑜 = 0,529 𝑥 10−10 𝑚 dan dikenal dengan radius bohr dan kuantisasi energinya juga dapat

diberikan didalam bentuk matematis berikut :



𝐸𝑛 =𝑍2𝑒4𝑚𝑜

8𝜀𝑜2ℎ2

1

𝑛2 = −

13,6

𝑛2𝑒𝑉

Tingkat energi ini bernilai negatif yang artinya elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk

keluar dari inti. Tingkat energi (serta beberapa keadaan didalam atom) direpresentasikan dengan

bilangan kuantum n nya.

Percobaan Franck – Hertz

Pada percobaannya, James Franck dan Gustav Heinrich Hertz menembaki uap merkuri (Hg)

dengan elektron yang energinya diketahui. Skema percobaan yang dilakukan oleh franck dan hertz

dapat dilihat pada gambar dibawah ini . Beda tegangan Vo dipasang diantara kisi G1 dan G2 sehingga

tiap elektron yang mempunyai energi lebih besar dari harga minimum tertentu memberi kontribusi

pada arus Ia juga membesar.

Dalam tabung, tekanan udara relatif lebih rendah dibandingkan dengan tekanan udara pada

laboratorium sehingga elektron didalam tabung dapat menumbuk atom Hg tanpa kehilangan energi.

Dengan kata lain, tumbukan pada tabung bersifat elastik sempurna. Satu – satunya mekanisme agar

elektron kehilangan energinya setelah tumbukan ialah besar energi penumbuk telah mencapai harga

tertentu menyebabkan atom Hg melakukan transisi keluar dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi.

Sehingga berdasarkan percobaan Franck – Hertz lakukan, saat energi elektron telah mencapai hingga

melampaui harga A eV, elektron akan menumbuk Hg secara inelastik sehingga energinya diserap oleh

atom Hg (yang kini telah berada didalam keadaan tereksitasi) tersebut dengan besar energi yang sama,

dan elektron penumbuk yang terpantul dengan energi yang sangat kecil. Dengan kata lain, pada saat

energi telah melampaui A eV maka arus pada keping akan menurun. Lalu, seiring pembesaran harga

tegangan pemercepat arus pada keping akan kembali membesar dan menurun kembali seperti pada

peristiwa diatas yaitu pada saat energi 2A eV dan 3A eV. Penjelasannya: Saat tegangan pemercepat V

kembali dinaikan hingga 2A Volt, maka elektron akan kembali menumbuk atom secara inelastik

sehingga mengakibatkan atom kembali tereksitasi. Sehingga, elektron hasil tumbukan tersebut

kembali kehilangan energi sebesar A eV. Dan, Saat V mencapai 3A Volt maupun kelipatan A Volt

lainnya, mekanisme serupa akan kembali terjadi.

Hasil plotting tegangan pemercepat dengan arus anoda untuk merkuri dapat dilihat pada

gambar berikut ini



Hasil energi kritis sebesar A eV ini juga ternyata mengemisikan atom sehingga menimbulkan

spektrum UV atau foton dengan panjang gelombang sebesar B nm, yang juga muncul saat energi

kritis sebesar A, 2A, dan 3A . Jarak antara dua puncak berdekatan merupakan besarnya tegangan

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

tegangan eksitasi yaitu :

𝐸𝑒 = 𝑒 𝑉𝑒

Energi ini digunakan untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dan kemudian tereksitasi

kembali dengan memancarkan foton yang memiliki panjang gelombang λ sehingga :

𝜆 =ℎ𝑐

𝑒𝑉𝑒

Eksperimen ini kemudian menjadi bukti dari teori model atom bohr yang menerangkan bahwa

elektron harus memiliki energi minimum tertentu untuk dapat melakukan tumbukan inelastik dengan

atom dan energi minimum tersebut dapat diartikan sebagai energi dari sebuah keadaan eksitasi pada

atom.

3. Alat dan Bahan

Pada eksperimen ini digunakan peralatan sebagai berikut :

1) Franck – Hertz Apparatus (No. Seri OSK 5221 Ogawa Seiki, Ltd. Jepang)

Gambar 3.1. Franck-Hertz Apparatus



4. Prosedur Percobaan

Pada percobaan ini, digunakan prosedur – prosedur sebagai berikut :

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) : ∆𝑉𝑚 =𝑉𝑚 𝑛 + 1 − 𝑉𝑚 dengan n = 1,2, 3... N

b. Kemudian dihitung rata – rata dari tegangan kritis dengan ∆𝑉 𝑚 =

∆𝑉𝑚 𝑛

𝑁 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

Setelah dilakukan eksperimen mengenai “Eksperimen Franck-Hertz”, pengamat memperoleh

data hasil pengamatan sebagai berikut:

1. Percobaan I

Vg (V) Ia (A)

Vg (V) Ia (A)

Vg (V) Ia (A)

Vg (V) Ia (A)

1 1

21 10

41 11

61 19

2 2

22 8

42 12

62 20

3 2

23 7

43 13

63 22

4 2

24 6

44 14

64 25

5 2

25 8

45 15

65 28

6 2

26 10

46 17

66 32

7 2

27 10

47 20

67 38

8 3

28 10

48 22

68 39

9 3

29 11

49 26

69 42

10 4

30 13

50 29

70 41

11 6

31 16

51 31

71 40

12 7

32 19

52 33

72 40

13 8

33 21

53 32

73 38

14 9

34 23

54 29

74 37

15 11

35 22

55 25

75 37

16 12

36 22

56 21

76 37

17 13

37 18

57 20

77 36



18 14

38 16

58 19

78 36

19 13

39 13

59 18

79 38

20 12

40 10

60 18

80 41

2. Percobaan II

Tegangan kritis ke - Nilai Tegangan

1 18 V

2 33 V

3 51 V

4 68 V

3. Percobaan III

Tegangan kritis ke - Nilai Tegangan

1 17 V

2 33 V

3 50 V

4 68 V

7. Hasil Analisis dan Pembahasan

Data dari hasil eksperimen di atas kita sajikan dalam sebuah grafik,Dimana grafik

tersebut hampir sama dengan grafik yang ada pada referensi. Berikut hasil grafik plotting

tegangan dengan arus anoda;

Grafik 1.1 Diagram Eksitasi Ne

Dimana Elektron yang dipercepat bertumbukan dengan atom (Neon) dan memberikan

energinya ke elektron pada atom, menyebabkan elektron pada atom dapat berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi (mengalami eksitasi elektron).

Adanya eksitasi elektron juga dapat ditunjukkan dengan adanya penurunan arus yang nampak

pada percobaan Franck – Hertz. Hal ini disebabkan karena adanya elektron yang melepaskan energinya. Elektron menumbukkan dirinya pada atom – atom Neon dan setelah itu akan bergerak

dengan energi yang lebih rendah. Dengan demikian jika elektron harus melewati kisi dan energinya

tidak cukup untuk mengatasi tegangan perlambat rendah, ia tidak akan dapat mencapai plat anoda,

sehingga arus pada amperemeter pun akan mengalami penurunan. Dan hal ini pulalah yang menyebabkan grafik nampak seperti gambar diatas.

0

10

20

30

40

50

0 50 100

Aru

s A

no

da

(mA

)

Tegangan pemercepat (Volt)

Diagram Eksitasi Ne

Series1



Tegangan kisi antara yang di sett secara automatis dengan yang manual menunjukkan hasil

yang tidak jauh berbeda. Tegangan eksitasi (Ve) dari penghitungan analisis adalah Ve = (17,1 ± 0,67 ) Volt dengan simpangan 9,52 % . Hal ini disebabkan karena pengamatan yang kurang teliti. Selain itu,

kenaikan tegangan terjadi begitu singkat sehingga pengamat tidak bisa menentukan nilanya secara

tepat.

Hasil dari percobaan menunjukkan bahwa energy foton yang dihasilkan adalah 17,1 eV

dengan simpangan sebesar 2,3 % yang artinya elektron pada atom neon berada pada keadaan

metastabil (state eksitasi yang memiliki lifetime relatif panjang), sehingga probabilitas untuk kembali ke ground state sangat kecil. dimana energy foton literature sebesar 16,71 eV. Hal ini

mengindikasikan bahwa elektron Neon juga bisa mengalami transisi elektron pada energi 17,1 eV.

Selain itu elektron dapat bereksitasi sampai di kulit p dengan energi eksitasi terbesar adalah 19,5 eV.

Berdasarkan hasil tegangan eksitasi dapat dihitung panjang gelombang foton yang

dipancarkan, yaitu diperoleh hasil sebesar λ = ( 720±2,8) Å dengan simpangan sebesar 3,09%.

6. Kesimpulan

a. Penurunan arus ( I ) yang terjadi dalam percobaan Franck – Hertz dikarenakan adanya

electron yang melepaskan energinya setelah bertumbukan dengan atom neon sehingga

electron dari atom – atom neon dapat bereksitasi ke tingkat energy yang lebih tinggi.

b. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh tegangan eksitasi (Ve) atom Neon sebesar

V = (17,1 ± 0,67 ) Volt dengan simpangan 9,52 %

c. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh energi eksitasi (Ee) atom Neon sebesar Eeks

= 17,1 eVolt dengan simpangan 3,2 %. d. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh panjang gelombang foton yang dipancarkan

sebesar : λ = ( 720±2,8) Å dengan penyimpangan sebesar 3,09 %.

7. Daftar Pustaka

[ 1 ] Alonso, M. dan Finn, E.J., Fundamental University Physics, Volume II, Addison

Wisley, 1983.

[ 2 ] Krane, Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia

Nikhsolihin, Jakarta : Penerbit UI

[ 3 ] Zaidan, A.,2009, Pengantar Fisika Modern, tidak dipublikasikan



LAMPIRAN I

1. Nilai Tegangan Eksitasi :

V1 = 18+18+17

3

= 53

3

= 17,6 volt

V2 = 34+33+33

3

= 100

3

= 33,3 volt

V3 = 52+51+50

3

= 153

3

=51 volt

V4 = 70+68+68

3

= 206

3

= 68,7 volt

Ve1= V2 - V1

= 33,3 – 17,6

= 15,7 volt

Ve2= V3 – V2

= 51 – 33,3

= 17,8 volt

Ve3= V4 – V3

= 68,7 – 51

= 17,7 volt

2. Nilai rata-rata Tegangan Eksitasi :

Oleh karena ada tiga buah selisih tegangan pemercepat puncak dari hasil percobaan set 1,

maka rata – rata dilakukan dengan menggunakan :

𝑉𝑒 = Ve1+Ve2+Ve3

3

= 15,7+17,8+17,7

3

= 51,2

3

= 17,1 volt

𝑉𝑒2 = 15,72 + 17,82 + 17,72 = 876,6 volt



𝑉𝑒 2 = Ve1+Ve2+Ve3

3

2

= 15,7+17,8+17,7

3

2

= 51,2

3

2

= 17,1 2

= 292,41 volt

Standart deviasinya :

∆𝑉𝑒 = 𝑉𝑒 2−𝑛 𝑉𝑒 2

𝑛 𝑛−1

= 876,6−3 292,41

3 3−1

= 876,6−873 ,81

6

= 2,8

6

= 0,46 = 0,67 volt

Sehingga ( 𝑉𝑒 ± ∆𝑉𝑒) = (17,1 ± 0,67) volt

% Kesalahan Ve =

17,1−18,9

18,9× 100%

= 9,52%

Untuk atom neon, memiliki energi eksitasi dengan besar yang dapat dihitung sebagai berikut:

𝐸𝑒 = 𝑒 𝑉𝑒 = 1,602 𝑥 10−19 17,1 = 27,3942𝑥 10−19 𝐽 = 17,1 𝑒𝑉

Menurut literatur, energi eksitasi neon adalah sebesar 16,71 eV dan menurut hasil pengamatan dalam percobaan menghasilkan energi eksitasi neon sebesar 17,1 eV sehingga terjadi prosentasi kesalahan

sebesar :

% 𝐾𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 = 17,1 − 16,71

16,71 𝑥100% == 0,023 𝑥 100% = 2,3%

3. Nilai Panjang gelombang Foton

Dari perhitungan energi eksitasi dan tegangan eksitasi, maka dapat dihitung panjang gelombang foton emisi yang diemisikan saat terjadi eksitasi dengan :

𝜆 = ℎ𝑐

𝑒𝑉𝑒

= 6,6×10−34 3×108

1,6×10−19 17,1

= 19,8×10−26

27,36×10−19

= 0,72 × 10−7 m = 720 Å



∆λ = ∂2λ

∂Ve

2

Sve2

= 𝜕𝜆

𝜕Ve 𝑆𝑣𝑒

= −ℎ𝑐

𝑒𝑉𝑒 2 𝑆𝑣𝑒

= ℎ𝑐

𝑒𝑉𝑒 2 𝑆𝑣𝑒

= 6,6×10−34 3×108

1,6×10−19 16,5 2 ×0,67

= 19,8×10−26

467,8×10−19 × 0,67

= 0, 028 × 10−8 m

= 2,8 Å

Sehingga panjang gelombang Foton yang dipancarkan:

𝜆 ± ∆λ = ( 720±2,8) Å

%kesalahan λ terhadap literatur = 720 − 743

743 × 100%

= 3,09%



LAMPIRAN II

081211332010 eksperimen franck hertz

Documents