LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf ·...

12
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

Transcript of LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf ·...

Page 1: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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

Page 2: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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

Page 3: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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)

Page 4: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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 :

Page 5: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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

Page 6: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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

Page 7: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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

( =(

)

= (

)

Page 8: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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

Page 9: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]

Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 9

= 40,5 Å

Sehingga panjang gelombang Foton yang dipancarkan:

= ( 750

|

|

Page 10: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

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

Page 11: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]

Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 11

LAMPIRAN III

Page 12: LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.idweb.unair.ac.id/admin/file/f_41146_FM1.pdf · Fisika Unair] Laboratorium Fisika ... Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu ... buah elektroda

Eksperimen Franck Hertz [Fisika Unair]

Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 12