laporan fisika eksperimental i - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_fm1.pdf ·...
TRANSCRIPT
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 1
LAPORAN
FISIKA EKSPERIMENTAL I
Eksperimen Franck Hertz
Pelaksanaan Praktikum
Hari : Rabu Tanggal: 2 April 2014 Jam : 10.40 – 12.20
Oleh :
Nama : Novi Tri Nugraheni
NIM : 081211333009
Anggota Kelompok :
1. Muhimatul Fadlilah A. NIM : 081211331130
2. Khoirotun Nisa NIM : 081211332007
3. Puspita Ningtiyas NIM : 081211332001
4. Ratna Yulia Sari NIM : 081211332002
Dosen Pembimbing : Bapak Herlik Wibowo
LABORATORIUM FISIKA MODERN
UNIVERSITAS AIRLANGGA
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 2
Eksperimen Franck Hertz
Novi Tri Nugraheni1, Muhimatul Fadlilah A.
2,Khoirotun Nisa
3, Puspita Ningtiyas
4, Ratna
Yulia Sari 5
Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Jl.Mulyorejo Kmapus C Unair, Surabaya 60115
Email: [email protected]
Abstrak, Suatu atom terdiri dari elektron yang mana merupakan sebuah partikel sub – atomik bermuatan
negatif. Elektron bergerak mengelilingi inti atom sesuai dengan lintasan orbit yang dimilikinya dimana
orbit tersebut memiliki suatu tingkatan energi tertentu. Apabila suatu elektron bebas dengan energi tertentu
ditumbukkan pada suatu atom maka akan terjadi ekistasi elektron dan disertai dengan adanya foton emisi
yang mana muncul karena elektron yang tereksitasi ingin kembali ke keadaannya semula. Untuk
mengukur besar energi eksitasi dan panjang gelombang foton yang diemisikan dapat digunakan set – up
eksperimen Franck – Hertz. Dimana didalam percobaan ini digunakan gas Neon sebagai atom yang
ditumbuk dan elektron bebas berasal dari suatu lempengan logam yang dipanaskan. Berdasarkan literatur,
nilai energi eksitasi atom Neon berkisar antara 18,3 – 19,5 Volt. Melalui percobaan ini diperoleh nilai
energi eksitasi atom Neon sebesar (16,5 0,9 ) eVolt dengan presentase kesalahan sebesar 12.7 % dan
panjang gelombang foton yang dipancarkan bernilai ( 750 dengan presentase kesalahan sebesar
0.9 %. Pada saat elektron terkuantisasi (berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah) 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.
Kata Kunci : Atom, Elektron, Gas Neon, Eksistasi, Foton.
1. Pendahuluan
Model atom yang hingga kini diyakini sebagai bentuk pendekatan yang cukup rasional
mengenai atom adalah model atom yang dimiliki oleh Niels Bohr. Niels Bohr mengatakan bahwa
elektron yang ada didalam atom berputar mengelilingi inti atom dengan orbit tertentu dan dimana
orbit tersebut memiliki energi tertentu pula.
Selain mengorbit mengelilingi inti dengan tingkatan energi tertentu, bohr mengatakan bahwa
apabila elektron tersebut mendapatkan energi dari luar maka akan terjadi eksitasi elektron dimana
eksitasi elektron adalah loncatnya elektron dari tingkat energinya menuju tingkatan energi yang
lain dan ketika telah berpindah maka tingkat menetapnya elektron didalam tingkatan energi yang
baru cukup singkat sehingga cenderung untuk kembali kedalam keadaannya semula dengan diserta
emisi foton. Berikut ini adalah gambar model atom bohr dan gambar skema eksitasi elektron:
Dengan adanya model atom bohr tersebut, dua orang fisikawan bernama Franck dan Heinrich
Hertz mulai melakukan pembuktian untuk membuktikan kebenaran dari model atom bohr tersebut
secara eksperimen. 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 Gambar (a) Model Atom Bohr
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 3
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 – data yang diperoleh dari hasil bacaan multimeter maka akan dapat dihitung besarnya
energi eksitasi dari elektron atom gas yang mengalami tumbukan dan panjang gelombang foton
yang diemisikan. Oleh karena itu, percobaan franck – hertz dapat digunakan untuk hal tersebut.
2. Landasan 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 (Vg), 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.
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 (Ve) tersebut.
Gambar 1. Pesawat Franck-Hertz
Gambar 2. Grafik arus anoda Ia sebagai fungsi tegangan kisi (Vg)
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 4
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.
(2)
Dari persamaan (1) dan (2) selanjutnya akan diperoleh panjang gelombang (λ) foton yang
dipancarkan dari eksitasi atom Neon, yaitu :
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.
3. Alat dan Bahan
Pada percobaan ini akan digunakan beberapa macam peralatan yaitu sebagai berikut ini
adalah Franck Hertz Aparatus (No. Seri osk 5221 Ogawa Seiki, Ltd, Jepang)
4. Prosedur Percobaan
Pada percobaan ini, didalam memperoleh datanya, digunakan prosedur – prosedur sebagai
berikut yaitu :
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) : ( dengan n = 1,2, 3... N
b. Kemudian dihitung rata – rata dari tegangan kritis dengan ∑
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
Dari percobaan yang dilakukan, dapat diperoleh tabel pengamatan sebagai berikut :
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 5
1. Percobaan I
Vg (V) Ia (A)
Vg (V) Ia (A)
Vg (V) Ia (A)
Vg (V) Ia (A)
1 0
21 6
41 4
61 20
2 0
22 3
42 8
62 26
3 0
23 1
43 11
63 32
4 0
24 0
44 15
64 39
5 0
25 5
45 25
65 46
6 0
26 10
46 32
66 52
7 0
27 15
47 38
67 54
8 0
28 20
48 45
68 57
9 2
29 24
49 49
69 58
10 8
30 28
50 52
70 53
11 9
31 31
51 52
71 47
12 12
32 33
52 42
72 42
13 14
33 35
53 33
73 35
14 14
34 36
54 23
74 33
15 16
35 28
55 15
75 32
16 16
36 20
56 15
76 32
17 19
37 14
57 10
77 32
18 20
38 6
58 10
78 34
19 15
39 3
59 12
79 36
20 11
40 0
60 17
80 43
2. Percobaan II
Tegangan kritis ke - Nilai Tegangan
1 20 V
2 35 V
3 51 V
4 68 V
3. Percobaan III
Tegangan kritis ke - Nilai Tegangan
1 20 V
2 35 V
3 51 V
4 69 V
7. Hasil Analisis dan 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
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 6
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 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 V =
(16,5 0,9 ) eVolt dengan presentase kesalahan sebesar 12.7 % maka atom tersebut akan
memancarkan foton dengan panjang gelombang sebesar λ = λ = ( 750 dengan presentase
kesalahan sebesar 0.9 %
8. 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 : V
= (16,5 0,9 ) Volt
(3) Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh energi eksitasi (Ee) atom Neon sebesar : Eeks
= (16,5 0,9 ) eVolt
(4) Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh panjang gelombang foton yang dipancarkan
sebesar : λ = ( 750 Referensi
[1]. Alonso, M. dan Finn, E.J., Fundamental University Physics, Volume II, Addison
Wisley, 1983.
[2]. Kusminarto, Esensi Fisika Modern, 2012. Bandung : Penerbit Andi.
[3]. Krane, Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia
Nikhsolihin, Jakarta : Penerbit UI
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 7
LAMPIRAN I
1. Nilai Tegangan Eksitasi :
V1 =
=
= 19,3 volt
V2 =
=
= 34,7 volt
V3 =
=
= 51 volt
V4 =
=
= 68,7 volt
Ve1 = V2 - V1
= 34,7 – 19,3
= 15,4 volt
Ve2 = V3 – V2
= 51 – 34,7
= 16,3 volt
Ve3 = V4 – V3
= 68,7 – 51
= 17,7 volt
2. Nilai rata-rata Tegangan Eksitasi:
=
=
=
= 16,5 volt
= 237,2+265,7+313,3
= 816,2 volt
( =(
)
= (
)
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 8
= (
)
= (
= 271,2 volt
= √∑ (
(
= √ (
(
= √
(
= √
(
= √
= 0,9 volt
Sehingga ( = (16,5 0,9 ) volt
% Kesalahan ukur Ve =
= 12,7 %
Jadi Nilai energi Eksitasi:
Eeks = (16,5 0,9 ) eVolt
3. Nilai Panjang gelombang Foton:
= ( )( )
( (
=
= 0,75 m
= 750 Å
= √(
)
= |
|
= |
|
= |
|
= |( )( )
( ( | 0,9
= |
( |
= 0 m
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 9
= 40,5 Å
Sehingga panjang gelombang Foton yang dipancarkan:
= ( 750
|
|
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 10
LAMPIRAN II
Grafik hubungan Kuat Arus dan Tegangan Vg
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100
Aru
s A
nod
a (
mA
)
Tegangan Pemercepat (V)
Diagram Eksitasi Ne
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 11
LAMPIRAN III
Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 12