Eksperimen Franck-Hertz
Muhammad Rizal Fahlepy
Universitas Negeri Makassar
Pendahuluan
Atom memiliki sebuah inti yang terdiri dari proton dan neutron, serta elektron yang mengelilingi inti tersebut dan menempati kulit. Kulit pada atom merupakan tempat elektron mengorbit sehingga sering disebut orbital. Elektron dapat berpindah dari orbital dalam ke orbital luar dengan menyerap sejumlah energi, yang sering disebut energi eksitasi. Saat elektron berpindah dari obital luar ke orbital dalam, maka elektron tersebut kehilangan sejumlah energi yang sebelumnya mempertahankan posisinya pada orbital asal. Pemikiran tersebut muncul setelah beberapa fisikawan banyak yang melakukan penelitian tentang keberadaan struktur atom. Neils Bohr pada tahun 1913 menerapkan ide kuantum pada struktur atomik untuk mendapatkan model atom, walaupun masih terdapat kekurangan dan harus diganti secara mekanika kuantum agar ketelitian dan kegunaannya lebih besar.
Akhirnya pada tahun 1914 James Franck dan Gustav Hertz melakukan sederetan eksperimen yang membuktikan tentang kebenaran teori Bohr dan tentang eksitasi atom. Percobaan inilah yang sering disebut percobaan Franck-Hertz. 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 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 hasil bacaan multimeter maka akan dapat dihitung besarnya energi eksitasi dan panjang gelombang foton yang diemisikan.
Kajian Teori
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.
Gambar 1. Rangkaian Percobaan Franck-Hertz
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 (Ve). Energi eksitasi atom merupakan perkalian antara muatan listrik elektron dengan tegangan eksitasi yaitu:
(1)
Energi ini digunakan untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dan kemudian tereksitasi kembali dengan memancarkan foton yang memiliki panjang gelombang λ sehingga:
(2)
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.
Hasil dan Pembahasan
Sebuah atom dapat mengeksitasi ke tingkat energi di atas tingkat energi dasar yang menyebabkan atom tersebut memancarkan radiasi. Salah satu caranya adalah dengan tumbukan dengan partikel lain seperti yang dilakukan pada praktikum ini. Pada saat tumbukan, sebagian dari energi kinetik partikel akan diserap oleh atom. Atom yang tereksitasi akan kembali ke tingkat dasarnya dengan memancarkan satu foton atau lebih. Pada praktikum ini akan ditentukan besarnya energi eksitasi dan panjang gelombang juga menginterpretasikan grafik arus sebagai fungsi tegangan. Berikut adalah analisis data yang dilakukan:
Pada percobaan ini dilakukan konfigurasi yang berbeda untuk ditentukan tegangan puncaknya sebanyak 3 puncak. Hasil dari tegangan dari puncak-puncak yang dilihat berdasarkan citra pada osiloskop itulah kemudian dianalisis. Dari hasil analisis data diperoleh rata-rata tegangan puncaknya adalah |6.2 ± 0,2| V sehingga energi eksitasinya sebesar |6.2 ± 0,2|eV. Hasil grafik yang diperoleh dari citra osiloskop adalah sebagai berikut:
Gambar 2. Pola Tegangan Puncak ke Puncak
Hasil Hasil grafik dari ploting data ini seperti pada gambar 2. Dari sinilah terlihat bahwa terdapat puncak-puncak tegangan pada arus tertentu, selisih dari kedua puncak inilah yang disebut tegangan kritis seperti yang dijelaskan pada dasar teori.
Kesimpulan
Berdasarkan hasil eksperimen Franck-Hertz, maka dapat ditentukan besarnya energi eksitasi dan panjang gelombang foton yang diemisikan untuk atom neon yang digunakan pada praktikum ini, yaitu untuk energi eksitasinya sebesar |6.2 ± 0,2| eV.
Referensi
[Alonso, M. dan Finn, E.J., Fundamental University Physics, Volume II, Addison Wisley, 1983 (Book)
Halliday, David dan Robert Resnick. 1990 . Fisika Modern edisi III, alih bahasa Pantur Silaban. Jakarta : Erlangga (Book)
Krane, Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia Nikhsolihin, Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia (Book)
Zaidan, A. , 2009. Pengantar Fisika Modern, tidak dipublikasikan, Departemen Fisika., Universitas Airlangga., Surabaya (Thesis)
M R, Fahlepy., A D Permatasari, Wahyuni. 2017 Percobaan Franck – Hertz. Lab. Fisika Modern FMIPA UNM.