PERCOBAAN FRANK-HERTZ

Sebuah atom dapat mengeksitasi ke tingkat energi di atas tingkat energi dasar yang

menyebabkan atom tersebut memancarkan radiasi melalui dua cara. Salah satunya adalah

tumbukan dengan partikel lain. Pada saat tumbukan, sebagian dari energi kinetik pada partikel

akan diserap oleh atom. Atom yang tereksitasi dengan cara ini akan kembali ke tingkat dasar

dalam waktu rata-rata 10-8 sekon dengan memancarkan satu foton atau lebih. Cara lainnya adalah

dengan lucutan listrik dalam gas bertekanan rendah sehingga timbul medan listrik yang

mempercepat elektron dan ion atomik sampai energi kinetiknya cukup untuk megeksitasi atom

ketika terjadi tumbukan.

Mekanisme eksitasi yang berbeda tempat jika sebuah atom menyerap sebuah atom

cahaya yang energinya cukup untuk menaikkan atom tersebut ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Jika cahaya putih yang mengandung semua panjang gelombang dilewatkan melalui gas hidrogen,

foton dengan panjang gelombang yang bersesuaian dengan transisi antara tingkat energi yang

bersangkutan akan diserap. Atom hidrogen yang tereksitasi yang ditimbulkannya akan

memancarkan kembali energi eksitasinya hampir saat itu juga, tetapi foton keluar dalam arah

yang rambang dengan hanya beberapa daya yang berarah sama dengan berkas semula dari

cahaya putih tersebut. Jadi garis gelap dalam spektrum absorpsi tidak 100% hitam dan hanya

terlihat hitam karena terjadi kontras dengan latar belakang yang terang. Garis yang seharusnya

dalam spektrum absorpsi setiap unsur bersesuaian dengan garis pada spektrum emisi yang

menyatakan transisi ke tingkat dasar yang cocok dengan hasil eksperimen.

Pada tahun 1914, James Franck dan Gustar Ludwig Hertz melaporkan bahwa energi

yang hilang akibat elektron yang melewati uap mercury dan adanya pancaran sinar ultraviolet

dengan panjang gelombang 254nm. Kemudian percobaan Frank-Hertz tersebut dijadikan

percobaan klasik untuk menjelaskan teori kuantum. Gambaran sederhana mengenai percobaan

ini adalah dalam tabung, elektron-elektron meinggalkan katoda karena dipanasi dengan sebuah

filamen pemanas, semua elektron kemudian dipercepat menuju sebuah kisi oleh beda potensial

yang diatur. Apabila energi elektron lebih besar dari energi pada V0, yaitu tegangan perlambat

kecil antara kisi dan pelat katoda, maka elektron dengan energi V eV dapat menembus kisi dan

jatuh pada plat anoda. Arus elektron yang mencapai plat anoda tersebut dapat diukur dengan

menggunakan amperemeter. Semakin banyak elektron yang mencapai anoda maka arus

listriknya makin besar. Atom-atom dalam tabung saling bertumbukan akan tetapi tidak ada

energi yang dilepaskan ddalam tumbukan ini. Jadi tumbukannya secara elastis. Untuk

menghsilkan terjadinya pelepasan energi, maka atom mengalami transisi ke suatu keadaan

eksitasi dan hal ini dapat dilakukan dengan cara tabung elektron diisi dengan gas hidrogen, maka

elektron akan mengalami tumbukan dan jika tegangan dinaikkan lagi maka arus listriknya juga

akan ikut naik. Jika energi kinetik kekal dalam tumbukan antar elektron dan sebuah atom uap gas

hidrogen, elektronnya hanya terpental dalam arah yang berbeda dengan arah datangnya.karena

atom tersebut lebih masif dari elektron, atom hampir tidak kehilangan energi dalam proses

tersebut.

Setelah energi kritis tercapai, ternyata arus menurun secara tiba-tiba. Tafsiran dari

effek ini ialah bahwa elektron yang bertumbukan dengan atom memberikan sebagian atau

seluruh energi di atas tingkat dasar. Tumbukan semacam ini disebut tak elastis. Energi kritis

elektron bersesuaian dengan energi yang diperlukan untuk menaikkan atom ke tingkat eksitasi

terendah.

Pada percobaan Frank-Hertz mengggunakan sinar elektron yang dipercepat untuk

mengukur besarnya energi eksitasi pertama pada atom gas mercury (Hg). Elektron yang

dihasilkan dari proses termionik pada katoda akan dipercepat diantara katoda dan anoda, dalam

tabung uap-Hg elektron tersebut akan mengalami tumbukan dengan atom hidrogen. Proses

tumbukan yang terjadi meliputi tumbukan elstik dan non elastik.

Percobaan Frank-Hertz adalah suatu eksperimen untuk menguji hipotesis Bohr. Neils

Bohr telah mengembangkan kekurangan dari teori yang dikemukakan oleh Rutherford pada

tahun 1913 melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen. Penjelasan Bohr tentang

atom hidrogen melibatkan gabungan antara teori klsik dari Rutherford dan teori kuantum dari

Planck yang diungkapkan dalam 4 postulat, yaitu:

a.       Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu elektron dalam atom

hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner (menetap) elektron dan merupakan

lintasan melingkar disekeliling inti.

b.      Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi

dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.

c.       Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke satu lintasan stasioner lain. Pada

peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat yang besarnya sesuai dengan persamaan ΔE=hυ

d.      Lintasan elektron yang dibolehkan memiliki besaran dengan sifat-sifat tertentu, terutama sifat

yang disebut momentum sudut. Besarnya momentum sudut merupakan kelipatan dari  atau

, dengan n adalah bilangan bulat dan h adalah tetapan planck.

Dengan demikian, stuktur atom berdasarkan model atom Bohr adalah elektron dapat

berada di dalam lintasan-lintasan stasioner dengan energi tertentu. Dimana lintasan elektron

dapat juga dianggap sebagai tingkat energi elektron. Meskipun model atom Bohr dapat

menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen, model atom Bohr tidak dapat

digunakan untuk menentukan spektrum atom berelektron banyak. Jadi model atom Bohr tersebut

memiliki kelebihan dapat menjelaskan bahwa atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat

berpindahnya elektron. Sedangkan kelemahannya adalah tidak dapat menjelaskan efek zeeman

dan efek strack.

Percobaan Frank - Hertz berhasil membuktikan bahwa atom dapat menyerap energi dan atom tersebut mempunyai level-level energi...

Inilah Set-up Eksperimennya,kemudian didapatkan kurva arus terhadap tegangan yang naik turun.

Pertama-tama tabung Frank - Hertz yang dipanaskan mengeluarkan elektron, kemudian elektron dipercepat menuju grid dan kemudian sampai ke anoda. Pada percobaannya ternyata didapatkan arus yang menurun pada tegangan tertentu. Hal ini dapat disimpulkan bahwa elektron dari pemanas ada yang tidak berhasil mencapai anoda sehingga arus tercatat turun. Elektron yang berasal dari pemanas tersebut tidak berhasil mencapai anoda dikarenakan elektron tersebut kehilangan energi. Energi tsb diserap oleh elektron pada atom gas untuk naik ke level energi yang lebih tinggi. Syaratnya energi yang dibawa oleh elektron dari pemanas tsb harus sama dengan perbedaan antar dua energi level atom tersebut. Jika energi yang dibawa tidak sama dengan perbedaan antar dua energi level atom tersebut, maka atom gas tidak menyerap energi yang dibawa oleh elektron yang berasal dari pemanas dan yang terjadi hanya tumbukan kemudian berhasil mencapai anoda. Itulah yang kemudian arus yang terbaca naik.Hal ini terus terjadi dan arus yang terbaca naik turun. naik ketika elektron dari pemanas hanya bertumbukan dengan atom gas dan berhasil mencapai anoda, turun ketika energi elektron pemanas diserap oleh elektron pada atom gas untuk pindah energi level. Pada grafik juga terlihat bahwa arus yang terbaca tidak turun sampai nol. Ini dikarenakan ada elektron dari pemanas yang tidak berinteraksi dengan atom gas baik interaksi melalaui tumbukan maupun penyerapan energi. Sebagai konsekuensi elektron pemanas yang tidak berinteraksi tsb dapat mencapai anoda.

Referensihttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Imgmdl/FHZd.gifhttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Imgmdl/FHZt.gif

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 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 = (17±1,16) eVolt  maka atom tersebut akan memancarkan foton dengan panjang gelombang sebesar λ = (731,25±49,88) Å .

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 = (17±1,16) Volt

3. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh energi eksitasi (Ee) atom Neon sebesar : V = (17±1,16) eVolt

4. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh panjang gelombang foton yang dipancarkan sebesar : λ = (731,25±49,88) Å.