Penentuan Energi Eksitasi Elektron dan Panjang Gelombang Foton Menggunakan Percobaan Franck-Hertz Evi Nurafida (081411331018), Rahmatul Izza N.A. (081411331028), Miftachul Nur Afifah (081411331062) Laboratorium Fisika Modern, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Kampus C Universitas Airlangga, Surabaya 60155, Indonesia Abstrak Percobaan Franck-Hertz merupakan percobaan yang dilakukan pada tahun 1914 yang mengukuhkan asas atom Bohr dan teori kuantum. Dalam teori ini menjelaskan bahwa elektron menduduki pada tingkatan diskrit yakni dalam keadaan terkuantisasi. Selain itu, percobaan ini bertujuan untuk menentukan energi eksitasi suatu elektron dan panjang gelombang fotonnya yang menggunakan piranti Franck-Hertz sehingga diperoleh energi eksitasi elektron dengan atom Neon sebesar (17.33 ± 0.70) ev dengan prosentase kesalahan perhitungan sebesar 4 %. Selain itu, diperoleh pula panjang gelombang foton sebasar (716.0 ± 28.9) Å. Kata Kunci : Franck-Hertz; teori kuantum; energy eksitasi. Pendahuluan Pada tahun 1914, James Franck dan Gustav Hertz melakukan percobaan yang menunjukkan adanya keadaan tereksitasi pada atom Merkuri di mana percobaan ini membuktikan prediksi teori kuantum yang menjelaskan bahwa elektron akan menduduki tingkatan yang diskrit, keadaan terkuantisasi. Elektron-elektron meninggalkan katoda karena pemanasan filamen pada anoda. Gambar 1. Piranti Percobaan Franck-Hertz Elektron-elektron ini kemudian dipercepat dengan adanya beda potensial antara katoda dengan anoda sehingga dapat menembusi kisi dan jatuh pada plat anoda. Beda potensial ini dapat diatur, jika V lebih besar daripada V o, maka suatu tegangan akan memperlambat aliran elektron antara kisi dan plat katoda. Arus elektron yang mencapai plat anoda diukur menggunakann Ammeter [1].
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 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 (V e ). Energi eksitasi atom merupakan perkalian antara muatan listrik elektron dengan tegangan eksitasi yaitu : = Energi ini digunakan untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dan kemudian tereksitasi kembali dengan memancarkan foton yang memiliki panjang gelombang λ sehingga : = h 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. Metode Percobaan ini cukup mudah dilakukan yakni dengan memilih tombol AUTO untuk mengatur tegangan kisi secara otomatis antara tabung katoda dengan G 1 pada piranti Frank-Hertz. Kemudian untuk mengukur arus anoda yang mengalir antara G 2 dengan plate (P), maka menggunakan saklar INTERNAL.
Gambar 2. Perangkat Percobaan Franck-Hertz yang digunakan saat ini Gambar 3. Grafik percobaan Franck-Hertz Untuk mengetahui grafik arus anoda sebagai fungsi tegangan pemercepat, maka dilakukan dengan cara memutar saklar tegangan dan arus sampai jarum menunjukkan nol. Kemudian saklar tegangan diputar ke kanan sehingga tegangan pemercepatnya naik yang berakibat naiknya arus dan pada titik tertentu arus akan mengalami penurunan. Perubahan tegangan dan arus pada setiap titik dicatat yang kemudian akan dibuat grafik arus sebagai fungsi tegangan seperti Gambar 3. Hasil V ± 2 (volt) I ± 2 (µa) 0 0 4 2 8 12 12 22 16 30 20 28 22 16 26 34 30 48 34 56 36 42 38 30 dengan grafik sebagai berikut. Tabel 1. Hasil Percobaan V terhadap I V ± 2 (volt) I ± 2 (µa) 40 38 44 60 48 76 50 80 54 66 58 62 60 70 64 94 68 98 70 96 74 92 80 100
Arus Anoda (µa) 120 100 80 60 40 20 0 Grafik Arus Anoda sebagai Fungsi Tegangan Kisi 0 20 40 60 80 100 Tegangan Pemercepat (volt) y Grafik 1. Arus anoda sebagai fungsi pemercepat tegangan Pembahasan Percobaan Franck-Hertz yang telah dilakukan bertujuan untuk membuktikan teori kuantum. Selain itu, bertujuan untuk menentukan energi eksitasi elektron dan panjang gelombang foton. Metode percobaan ini hampir sama dengan percobaan yang dilakukan Franck dan Hertz sekitar seabad lalu, yaitu elektron-elektron meninggalkan katoda akibat dari pemanasan filamen menyebabkan beda potensial di antaranya sehingga semua elektron mampu menembus kisi dan jatuh pada plat anoda. Namun, yang berbeda dalam percobaan ini dengan percobaan Franck-Hertz yakni atom yang digunakan adalah Neon. Pada percobaan ini menghasilkan data hubungan antara arus elektrik I dengan tegangan V sehingga diperoleh grafik hubungannya sesuai dengan Grafik 1. Berdasarkan Grafik 1 dapat diketahui bahwa arus elektrik akan naik pada saat tegangannya dinaikkan, namun pada titik tertentu arus elektriknya mengalami penurunan. Hal ini dapat terjadi karena suatu elektron yang diberi beda tegangan tertentu dan jatuh pada plat anoda mengalami tumbukan dengan atom Neon, namun tidak ada energi yang dilepaskan dalam tumbukan ini (tumbukan elastik sempurna). Supaya suatu elektron dapat melepaskan energinya, maka diperluakn energi yang cukup sehingga atom Neon bertransisi ke suatu keadaan eksitasi. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa pada saat elektron mencapai tegangan puncak 16 V (berdasar Tabel 1) maka elektron akan bertumbukan dengan atom Neon (tumbukan tak elastik). Tumbukan ini mengakibatkan energi elektron berkurang sehingga pada saat elektron melewati kisi, elektron tersebut tidak mampu untuk mengatasi tegangan perlambat rendah. Hal ini mengakibatkan sulitnya elektron sampai ke anoda sehingga arus elektriknya mengalami penurunan. Proses ini akan terjadi terus menerus pada saat tegangannya 34 V, 50 V, dan 58 V. Namun, keadaan eksitasi ini terjadi pada kelipatan 16 dan 18 V yang seharusnya hanya memiliki 1 kelipatan saja. Dalam percobaan ini membuktikan adanya energi diskrit yang mengukuhkan teori kuantum. Dari grafik hubungan arus elektrik I dengan tegangan V dapat diperoleh energi eksitasi elektron dengan atom Neon sebesar (17.33 ± 0.70) V dengan prosentase kesalahan tertinggi sekitar 7.89 % dan prosentase kesalahan terendah sekitar 0.47 %. Selain itu, diperoleh pula panjang gelombang foton sebasar (716.0 ± 28.9) Å.
Kesimpulan Percobaan Franck-Hertz mengukuhkan asas atom Bohr dan teori kuantum yang menjelaskan bahwa elektron menduduki pada tingkatan diskrit yakni dalam keadaan terkuantisasi dengan energi eksitasi elektron dengan atom Neon sebesar (17.33 ± 0.70) ev dengan prosentase kesalahan perhitungan sebesar 4 %. Selain itu, diperoleh pula panjang gelombang foton sebasar (716.0 ± 28.9) Å. Referensi [1] Krane, Kenneth. 2006. Fisika Modern. Penerjemah : Hans J. Wospakrik. Pendamping : Sofia Niksolihin. Cetakan 1. Jakarta : UI-Press. 253-255.
Lampiran I Analisis Data 1. Menetukan Energi Eksitasi Elektron Untuk menentuka energi eksitasi suatu elektron menggunakan persamaan : = V ± 2 (volt) V 1 16 V 2 34 V 3 50 V 4 68 Tabel 2. Tegangan Kisi pada Puncak Grafik V 21 = V 2 V 1 = (34-16) volt = 18 volt V 32 = V 3 - V 2 = (50-34) volt = 16 volt V 43 = V 4 V 3 = (68-50) volt = 18 volt Karena terdapat 3 nilai tegangan eksitasi elektron, maka = = volt = ( ) volt = 17.33 volt Menentukan nilai ketelitian dengan standart deviasi = = ( ) ( ) ( ) = = ( ) ( ) ( ) (. ) ( ) = = 0.70 volt sehingga diperoleh nilai tegangan eksitasi elektron = ( ± ) = (17.33 ± 0.70) volt Menentukan Energi Eksitasi Elektron = = 17.33 dengan ketelitian standart deviasi = = 0.70 volt
= 0.70 ev Sehingga energi eksitasi elektron Neon adalah sebesar = (17.33 ± 0.70) volt Prosentase Kesalahan Perhitungan % = 100% % =.. % = 4 % 100% 2. Menentukan Panjang Gelombang Foton Untuk menentukan panjang gelombang suatu foton dapat menggunakan persamaan : = h maka dapat dihitung dengan berdasarkan tegangan eksitasi rata-rata = =. / (. ) = 7.16 10 m = 716 Å Ketelitian standart deviasi Δ = ( ) Δ = Δ =. / 0.70 (. ) Δ = 28.9 Å sehingga panjang gelombang foton tersebut bernilai = ( ± ) = (716.0 ± 28.9) Å Prosentase Kesalahan Perhitungan % = 100% % =. 100% % = 4 %