LABORATORIUM FISIKA LANJUT
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
JALAN GANESHA 10, BANDUNG, 40132, TELEPON (022) 2534161
Modul 06
Eksperimen Franck-Hertz
I.
TUJUAN PRAKTIKUM
1. Praktikan memahami pengertian atau prinsip eksitasi atom dari model atom Bohr,
2. Praktikan memahami munculnya eksitasi atom melalui peristiwa tumbukan elastik dan
inelastik,
3. Praktikan memahami proses percobaan Franck Hertz.
II.
ALAT DAN BAHAN
1. Sensor Cassy
524 010
2. CASSY LAB
524 220
3. Tabung Ne Frank-Hertz
555 870
4. Holder dengan socket
555 871
5. Kabel penghubung NE-FH
555 872
6. Franck-Hertz supply unit
555 880
7. Kabel merah dan biru
501 46
8. Komputer dengan Windows XP/Vista/7/8
III.
TEORI DASAR
Review Spektrum Garis Atomik
Spektroskopi optik yang dilakukan sejak akhir abad 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
beberapa deret spektrum garis pancaran hidogen pada daerah frekuensi tertentu yang dihasilkan
dari serangkaian percobaan yang dimulai oleh J. J. Balmer pada tahun 1855 hingga Paschen
pada tahun 1908, yang ternyata membentuk suatu persamaan empirik (umum) yaitu:
1
1
𝑉𝑛𝑚 = 3,288 × 1015 [ 2 − 2 ].
𝑛
𝑚
(1)
dengan Vnm adalah … m dan n adalah ….. denagn m ≥ n. Sedangkan nama deret dan ketentuan
pasangan bilangan bulat n dan m memenuhi hubungan berikut:
Tabel 1. Deret spektrum atom.
Deret
Lyman
Balmer
Paschen
Bracket
Pfund
n
1
2
3
4
5
m
≥2
≥3
≥4
≥5
≥6
Daerah Frekuensi
UV
Sinar Tampak
IR
IR
IR
Baru pada tahun 1913 disusun suatu teori yang menerangkan persamaan empirik tentang harga
λ dan ν untuk semua deret spektrum garis atom hidrogen, yang dikenal sebagai model atom
(hidrogen) Bohr.
Review Model Atom Bohr
Pikiran pokok Bohr tentang (model) atom merupakan kuantitasi sistem yang membentuk atom.
Karena cahaya yang dipancarkan atom bersifat diskrit, maka atom hidrogen yang
memancarkan radiasi juga akan kehilangan energi secara diskrit. Dari prinsip ini, Bohr
kemudian mengemukakan 4 postulat yang dikenal sebagai postulat Bohr. Dari keempat
postulat inilah, secara matematis, dapat dirumuskan kuantitasi radius atom hidrogen rn dan
kuantitasi energi elektron atom hidrogen 𝐸0 sebagai
atau 𝐸𝑛 = −
Bohr.
13,60
𝑛2
ℎ 2
4𝜋𝜀0 ( )
2𝜋 𝑛2
𝑟𝑛 =
2
𝑍𝑒 𝑚0
𝑍 2 𝑒 4 𝑚0 1
𝐸𝑛 = −
8𝜀02 ℎ2 𝑛2
(2)
(3)
eV dan 𝑟𝑛 = 𝑎0 𝑛2 dengan 𝑎0 = 9,529 × 10−10 m dikenal sebagai radius
Percobaan Franck Hertz Sebagai Bukti Teori (Model Atom) Bohr
Eksitasi Atomik
Terdapat dua mekanisme utama yang dapat mengeksitasikan sebuah atom ke tingkat energi di
atas tingkat dasar, sehingga menyebabkan atom tersebut memancarkan radiasi. Salah satu
mekanisme (yang menjadi fokus bahasan pada percobaan ini) ini ialah melalui tumbukan
dengan partikel lain, sehingga sebagian energi kinetik partikel penumbuk diserap oleh atom.
Atom yang tereksitasi melalui tumbukan ini akan kembali ke tingkat dasar dalam waktu ratarata 10-8 s dengan memancarkan foton.
Kondisi tereksitasi ini dapat terjadi misalnya dalam tabung lucutan muatan listrik (discharge
tube) dalam gas bertekanan rendah, yaitu atom suatu unsur tertentu ditumbuk oleh elektron
yang sedang bergerak dari katoda ke anoda. Dari proses ini, maka akan timbul medan listrik
yang mempercepat elektron dan ion atomik sampai energi kinetiknya mampu mengeksitasikan
atom ketika terjadi tumbukan. Tumbukan ini dapat menyebabkan pindahnya energi kinetik
elektron ke atom, baik untuk meningkatkan energi kinetik atom (tumbukan elastik), maupun
mengeksitasi atom (tumbukan tak elastik), atau kedua-duanya. Karena transfer energi berharga
maksimum jika partikel yang saling bertumbukan memiliki massa yang sama, maka elektron
dalam pelucutan listrik ini jauh lebih efektif daripada ion dalam pemberian energi pada elektron
atomik. Lampu merkuri (air raksa) merupakan contoh yang biasa dijumpai dari mekanisme
medan listrik kuat yang terpasang di antara elektroda dalam tabung berisi gas menimbulkan
emisi radiasi spektral karakteristik dari gas tersebut, yaitu berwarna kebiru-biruan untuk Hg
(Beiser: 1992).
Eksperimen Franck-Hertz (1914)
Pada percobaannya, James Franck dan Gustav Hertz menembaki uap merkuri (Hg) dengan
elektron yang energinya diketahui. Beda potensial Vo dipasang di antara kisi G dan keping
pengumpul P sehingga setiap elektron yang mempunyai energi lebih besar dari harga minimum
tertentu memberi kontribusi pada arus I yang melalui amperemeter. Ketika potensial
pemercepat V bertambah, elektron yang datang pada keping juga bertambah sehingga arus
listrik I juga membesar.
Dalam percobaan ini, tabung yang digunakan berisi gas Neon. Katoda dalam tabung
dipanaskan dengan menggunakan filamen untuk memancarkan elektron, proses ini disebut
sebagai emisi termionik. Elektron bebas kehilangan energi akibat tumbukan dengan atom neon.
Setelah menyerap energi dari tumbukan dengan elektron, elektron dari atom Neon akan
tereksitasi dan kemudian mengalami relaksasi yang akan memancarkan cahaya yang dapat
teramati di tabung secara langsung.
Gambar 1. Skema percobaan Franck-Hertz.
Apabila tegangan pada G2 ditingkatkan dan bagian-bagian lain dijaga agar tetap konstan, arus
kolektor yang bersangkutan akan terus meningkat, nilai ini akan menjadi maksimum ketika
energi kinetik dari elektron yang dekat dengan bagian depan grid G2 cukup untuk mentransfer
energi yang diperlukan untuk mengeksitasi atom neon melalui tumbukan. Arus kolektor akan
turun secara drastis, setelah tumbukan elektron tidak lagi dapat mengerem tegangan UGA .
Selama tegangan U2 ditingkatkan, elektron mencapai tingkat energi yang diperlukan untuk
mengeksitasi atom neon pada jarak yang lebih besar dari G2 . Setelah tumbukan, elektronelektron dipercepat sekali dan, ketika tegangan percepatan mencukupi kembali, akan timbul
titik maksimum yang kedua, dengan nilai U2 yang lebih besar. Dapat teramati lapisan pancaran
warna merah di antara G1 dan G2 ,
Dan berkat percobaan ini, pada tahun 1925 Franck dan Hertz akhirnya dianugerahi
hadiah Nobel.
IV.
TUGAS PENDAHULUAN
1. Sebutkan dan jelaskan postulat-postulat Bohr mengenai atom!
2. Sebutkan dan jelaskan 5 sifat fisik dari Ne: nomor atom, nomor massa, konfigurasi
atomnya, spektrum emisi, potensial eksitasi Neon.
3. Gambarkan skema eksperimen Franck-Hertz, Sebutkan nama bagian-bagian pada alat.
Buat penjelasan mengenai prinsip kerja alat yang digunakan serta kegunaan setiap
bagian-bagiannya.
4. Jelaskan fungsi dari 𝑈1 , 𝑈2 , 𝑑𝑎𝑛 𝑈3 dan variabel apa yang akan divariasikan dalam
eksperimen, mengapa demikian?
5. Gambarkan kurva Franck-Hertz untuk gas Ne, berikan penjelasan dalam 1 paragraf
singkat.
6. Buatlah flowchart mengenai praktikum kali ini.
V.
METODE PERCOBAAN
Gambar 2. Skema susunan alat pada eksperimen Franck-Hertz.
Prosedur Keamanan
1. Selalu putar knob secara perlahan dengan penuh kehati-hatian.
2. Jangan membawa supply unit Franck-Hertz dengan keadaan tabung terpasang pada
supply unit.
3. Jangan menyentuh lampu selama lampu sedang beroperasi.
4. Jangan mengatur nilai tegangan U1 lebih besar dari 5V.
Prosedur Percobaan
1. Pasang tabung Franck-Hertz pada socket yang berada pada Holder dan hubungkan
Holder dengan connection cable menuju socket “Franck-Hertz tube” dari Franck-Hertz
supply unit.
2. Atur mode operasi dari Franck-Hertz supply unit ke mode RESET. Nyalakan FranckHertz supply unit.
3. Hubungkan Voltage input A dari Sensor-CASSY dengan output UA sebagai tegangan
collector dan Voltage input B dari Sensor-CASSY dengan U2 /10 sebagai tegangan
akselerasi
4. Hubungan Sensor-CASSY dengan komputer yang terdapat CASSY LAB.
5. Click “load setting” → “Physics” → “Franck-Hertz Experiment” → “load setting”
6. Atur nilai U1 = 1,5 V dan U3 = 5 V.
7. Tekan tombol
untuk melakukan pengukuran, pengukuran akan mati secara otomatis
setelah 40 detik.
8. Secara bersamaan, atur mode dari RESET menuju AUTO.
9. Simpan setiap data yang didapatkan dalam format txt.
10. Ulangi percobaan sebanyak 3 kali dan pastikan mode telah diubah kembali ke dalam
mode RESET sebelum kembali melakukan pengukuran.
11. Lakukan langkah percobaan yang sama dengan memvariasikan nilai U1 menjadi 1 V
dan 2 V. Pertahankan agar nilai dari U3 tetap 5 V. Lakukan 3 kali percobaan untuk
masing-masing nilai U1 .
12. Lakukan langkah percobaan yang sama dengan memvariasikan nilai U3 menjadi 3 V
dan 7 V. Pertahankan agar nilai dari U1 tetap 1.5 V. Lakukan 3 kali percobaan untuk
masing-masing nilai U3
Pengolahan Data
1. Dari data yang diperoleh lakukan plot nilai dari arus pada kolektor dengan nilai
tegangan akselerasi (U2) pada masing-masing pengambilan data.
2. Tentukan nilai tegangan saat arus mencapai maksimum-maksimum lokal pada kurva.
Lalu tentukan nilai dari masing-masing ∆U dan tampilkan pada kurva. Ambil nilai ratarata dari ∆U yang diperoleh sebagai nilai tegangan eksitasi gas Neon.
Gambar 3. Kurva arus terhadap nilai tegangan.
3. Tabulasikan data yang diperoleh dalam bentuk tabel seperti pada bagian di bawah ini
Tabel 1. Hasil Percobaan dalam satu variasi.
Percobaan
Orde
∆𝑈(V)
∆𝑈𝑟𝑒𝑓 (V)
Galat (%)
1
1
2
1
2
2
1
3
2
̅
∆𝑈
4. Hitung nilai energi eksitasi dari Neon. Bandingkan nilai dari setiap nilai ∆U yang
didapatkan dengan nilai referensi. Hitung nilai presentasi error yang didapatkan.
Nyatakan dalam tabel.
Tabel 2. Hasil percobaan untuk setiap variasi.
No.
U1 (V)
U3 (V)
∆E (eV)
∆E𝑟𝑒𝑓 (eV)
Galat (%)
VI.
PERTANYAAN DAN ANALISIS
Pertanyaan
Jelaskan apa yang dimaksud dengan tingkat-tingkat energi ?
Apakah hal yang dicapai pada eksperimen Franck-Hertz sehingga dapat mendukung
bahwa tingkat-tingkat energi bersifat diskrit. Kaitkan dengan pemodelan atom Bohr.
Analisis
Dalam tabung terjadi tumbukan antara elektron dan atom. Berdasarkan hasil
pengamatan tentukan pada saat kapan elektron bertumbukan inelastik dengan atom.
Jelaskan mengapa terjadi tumbukan inelastik.
Tumbukan elastik terjadi elektron menumbuk gas tanpa kehilangan energi. Pada kurva,
Tentukan pada saat kapan elektron bertumbukan elastik dengan atom. Jelaskan
mengapa hal ini bisa terjadi.
Perhatikan hasil kurva yang didapatkan, Jelaskan karakteristik dari kurva Eksperimen
Franck-Hertz.
Berdasarkan hasil yang didapatkan, berapa nilai energi eksitasi dari gas Neon? Transisi
apakah yang terjadi dalam atom Neon tersebut?
Jelaskan pengaruh dari nilai U1 dan U3 terhadap kurva eksperimen Franck-Hertz dan
energi eksitasi yang didapatkan. Mengapa hal tersebut dapat terjadi?
Bandingkan energi eksitasi yang didapatkan secara eksperimen dengan referensinya!
Jelaskan!
Open Problem
Pada tabung akan teramati emisi foton yang dapat teramati secara langsung. Bagaimana
bentuk dari pancaran foton, jelaskan mengapa dapat terjadi seperti itu.
Jelaskan mengapa pada percobaan ini gas yang digunakan menggunakan Ne. Mengapa
tidak menggunakan gas lain seperti hidrogen atau merkuri?
Berdasarkan nilai energi eksitasi gas neon yang diperoleh melalui eksperimen, tentukan
panjang gelombang foton yang diemisikan dan jelaskan apakah hasil perhitungan yang
diperoleh sesuai dengan keadaan saat eksperimen (cahaya yang diemisikan berwarna
jingga)?
Carilah referensi percobaan Franck-Hertz pada lampu gas Merkuri (Hg)! Kemudian
buktikan bahwa eksperimen klasik Franck-Hertz yang dilakukan ini dapat
mengkonfirmasi fenomena fisika kuantum.
VII.
[1]
[2]
[3]
[4]
VIII.
REFERENSI
Beiser, Arthur. 2003. Concept of Modern Physics 6th Edition. McGraw-Hill.
Melissinos, A. C., Napolitano,. Jim., 2003, Experiments in Modern Physics, Second
Ed, Academic Press, California 92101-4495, USA, p 10 -19
Preston, Daryl W. dan Dietz, Eric R.. 1991. The Art of Experimental Physics. New
York: John Wiley and Sons
MIT Physics Department. 2001 / 2002 Junior Physics Lab. Experiment no 7 FranckHertz Experimen
MATAKULIAH TERKAIT
1. FI-2203 – Fisika Modern
2. FI-3104 – Fisika Kuantum