MAKALAH

PERCOBAAN JAMES FRANC DANSPEKTRUM ATOM HIDROGEN

OLEH :

1.FADILLAH ULFA NASUTION2.HERYANTO ROMARIO SIHITE3.KARTIKA SARI DEWI SARAGIH4.NURHAYATI PURBA

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI MEDAN

20141

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang.Atom merupakan unit terkecil dari molekul. Atom terdiri atas

proton, electron dan neutron. banyak percobaan yang dilakukanoleh penemu-penemu untuk mengetahui sifat-sifat dan keunikandari atom, misalnya besar energinya, lintasan atom dan lain-lain. Beberapa penemu tersebut adalah :

Niels Bohr (1913) sebuah atom terpencil terdiri dari intiatom positif dimana elektron didistribusikan di sekitarlintasan yang berturut-turut. Lintasan elektron memiliki sudutmomentum yang merupakan integral lipatan dari h/2π dimana hadalah konstanta Planck.

James Franck dan Gustav Hertz menunjukkan bahwa hal initentu saja merupakan kasus dalam percobaan yang berderet padatahun 1913 yakni tahun yang sama di saat Bohr mengajukanmodelnya. Franck dan Hertz menggunakan sebuah berkas cahayayang mempercepat elektron untuk mengukur energi yang ada dielektron pada keadaan dasar dari gas merkuri ke keadaantereksitasi pertama.

1.2 Tujuan.1. Untuk mengetahui sifat-sifat atom.2. Untuk mengetahui percobaan Franc-Hertz.3. Untuk mengetahui spektrum dasar hidrogen.4. Untuk mengetahui deret spektrum atom hidrogen dengan deret

balmer.

1.3 Rumusan Masalah.1. Apa itu atom ?, dan bagaimana sifat atom ?2. Bagaimana bentuk percobaan Franc-Hertz ?3. Bagaimana spectrum dasar Hidrogen ?4. Bagaimana bentuk deret balmer ?

2

BAB IIISI

2.1 Model Atom BohrModel atom Bohr dikemukakan oleh Niels Bohr yang berusahamenjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen yangtidak dapat dijelaskan oleh model atom Rutherford. Model atomBohr memuat tiga postulat sebagai berikut.

1. Di dalam atom hidrogen, elektron hanya dapat mengelilingilintasan tertentu tertentu yang diijinkan tanpa membebaskan(melepaskan) energi. Lintasan ini disebut lintasan stasionerdan memiliki energi tertentu yang sesuai.

2. Electron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan yanglain. Energi dalam bentuk foton cahaya akan dilepaskan jikaelektron berpindah ke lintasan yang lebih dalam, sedangkanEnergi dalam bentuk foton cahaya akan diserapkan supayaelektron berpindah ke lintasan yang lebih luar. Energidilepas atau diserap dalam paket sebesar hf sesuai denganpersamaan Planck.

3

E = hfDimana :  h adalah konstanta Planck

f adalah frekuensi cahaya atau foton yang dilepasatau diserap.

3. lintasan-lintasan stasioner yang diijinkan untuk ditempatielektron memiliki momentum sudut yang merupakan kelipatanbulat dari nilai (nilai ini biasa ditulis juga sebagai ћ)

Model atom Bohr berhasil menjelaskan kestabilan elektron denganmemasukkan konsep lintasan atau orbit stasioner dimana elektrondapat berada di dalam lintasannya tanpa membebaskan energi.Spektrum garis atomik juga merupakan efek lain dari model atomBohr. Spektrum garis adalah hasil mekanisme elektron di dalamatom yang dapat berpindah lintasan dengan menyerap atau melepasenergi dalam bentuk foton cahaya.

Dengan demikian, struktur atom berdasarkan model atom Bohr adalahelektron dapat berada di dalam lintasan-lintasan stasioner denganenergi tertentu. Lintasan elektron dapat juga dianggap sebagaitingkat energi elektron.

Elektron yang berada di lintasan tertentu yang stasioner denganjari-jari tertentu dikatakan memiliki energi tertentu. Elektronyang berada di lintasan ke-n berada pada jari-jari lintasan danenergi sebagai berikut.

Dalam persamaan ini, jari-jari r dinyatakan dalam satuannanometer (nm) dan energi E dinyatakan dalam satuan elektron volt(eV).

2.2 Spektrum Garis Atomik

Jika sebuah gas diletakkan di dalam tabung kemudian arus listrikdialirkan ke dalam tabung, gas akan memancarkan cahaya. Cahayayang dipancarkan oleh setiap gas berbeda-beda dan merupakan

4

karakteristik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalam bentukspektrum garis dan bukan spektrum yang kontinu.

Kenyataan bahwa gas memancarkan cahaya dalam bentuk spektrumgaris diyakini berkaitan erat dengan struktur atom. Dengandemikian, spektrum garis atomik dapat digunakan untuk mengujikebenaran dari sebuah model atom.

2.3 Spektrum Emisi Atom Hidrogen

Tabung sinar hidrogen adalah suatu tabung tipis yang berisi gashidrogen pada tekanan rendah dengan elektroda pada tiap-tiapujungnya. Jika didalam tabung  dialirkan  tegangan tinggi(seperti 5000 volt), tabung akan menghasilkan sinar berwarnamerah muda yang terang. Jika sinar tersebut dilewatkan padaprisma atau kisi difraksi, sinar akan terpecah menjadi beberapawarna. Warna yang dapat dilihat merupakan sebagian kecil darispektrum emisi hidrogen. Sebagian besar spektrum tak terlihatoleh mata karena berada pada daerah infra-merah atau ultra-violet. Ada lebih banyak lagi spektrum hidrogen selain tiga garisyang dapat dilihat dengan mata telanjang. Hal ini memungkinanuntuk mendeteksi pola garis-garis pada daerah ultra-violet daninfra-merah spektrum dengan baik. Hal ini memunculkan sejumlah"deret" garis yang dinamakan dengan nama penemunya.

Jika sebuah gas diletakkan di dalam tabung kemudian arus listrikdialirkan ke dalam tabung, gas akan memancarkan cahaya. Cahayayang dipancarkan oleh setiap gas berbeda-beda dan merupakankarakterisktik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalam bentukspektrum garis dan bukan spektrum yang kontinu. Kenyataan bahwagas memancarkan cahaya dalam bentuk spektrum garis diyakiniberkaitan erat dengan struktur atom. Dengan demikian, spektrumgaris atomic dapat digunakan untuk menguji kebenaran dari sebuahmodel atom.

Sejak ditemukannya partikel-partikel dasar atom, teori atombanyak mengalami perubahan. Hal ini menggoyahkan teori atomDalton yang menyatakan bahwa atom tidak dapat dibagi-bagi. Atomdalam suatu unsur dapat menghasilkan spektrum emisi (spektrum

5

diskrit) dengan menggunakan alat spektrometer, sebagai contohspektrum hydrogen. Atom hydrogen memiliki struktur yang palingsederhana. Spektrum garis atom hydrogen berhasil dijelaskan olehNiels Bohr, pada tahun 1913.

Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya denganpanjang gelombang berbeda. Untuk gas hydrogen yang merupakan atomyang paling sederhana, deret panjang gelombang ini ternyatamempunyai pola tertentu yang dapat dinyatakan dalam bentukpersamaan matematis. 

2.4 Spectrum garis berbagai gasSpektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya denganpanjang gelombang berbeda. Untuk gas hidrogen yang merupakan atomyang paling sederhana, deret panjang gelombang ini ternyatamempunyai pola tertentu yang dapat dinyatakan dalam bentukpersamaan matematis. Seorang guru matematika Swiss bernama Balmermenyatakan deret untuk gas hidrogen sebagai persamaan berikut

ini. selanjutnya, deret ini disebut deret Balmer. Dimanapanjang gelombang dinyatakan dalam satuan nanometer (nm).Beberapa orang yang lain kemudian menemukan deret-deret yang lainselain deret Balmer sehingga dikenal adanya deret Lyman, deretPaschen, Bracket, dan Pfund. Pola deret-deret ini ternyata serupadan dapat dirangkum dalam satu persamaan. Persamaan ini disebutderet spektrum hidrogen.

Dimana R adalah konstanta Rydberg yang nilainya 1,097 × 107 m−1.

a. Deret Lyman (m = 1)dengan n = 2, 3, 4, ….

b. Deret Balmer (m = 2)dengan n = 3, 4, 5 ….

6

c. Deret Paschen (m = 3), dengan n = 4, 5, 6 ….

d. Deret Bracket (m = 4) dengan n = 5, 6, 7, ….

e. Deret Pfund (m = 5) dengan n = 6, 7, 8 ….

Dalam model atom Rutherford, elektron berputar mengelilingi intiatom dalam lintasan atau orbit. Elektron yang berputar dalamlintasan seolah-olah bergerak melingkar sehingga mengalamipercepatan dalam geraknya. Menurut teori elektromagnetik,elektron yang mengalami percepatan akan memancarkan gelombangelektromagnetik secara kontinu. Ini berarti elektron lamakelamaan akan kehabisan energi dan jatuh ke dalam tarikan intiatom. Ini berarti elektron tidak stabil. Di pihak lain elektronmemancarkan energi secara kontinu dalam spektrum kontinu. Inibertentangan dengan kenyataan bahwa atom memancarkan spektrumgaris.

Ketidakstabilan elektron dan spektrum kontinu sebagai konsekuensidari model atom Rutherford tidak sesuai dengan fakta bahwa atomharuslah stabil dan memancarkan spektrum garis. Diperlukanpenjelasan lain yang dapat menjelaskan kestabilan atom danspektrum garis atom hidrogen.

Cahaya yang dipancarkan oleh suatu gas yang bersuhu tinggi atauyang dirangsang oleh beda potensial, bergantung jenis gas yangdigunakan, Pengkajian mengenai cahaya yang dipancarkan oleh bendapadat atau gas pada umumnya meliputi panjang gelombang danintensitasnya.

Pengamatan menunjukkan bahwa gas bersuhu tinggi memancarkanspektrum yang ditandai oleh suatu deret garis spektral yangmemiliki keteraturan tinggi. Adanya spektrum garis dalam cahayayang dipancarkan oleh gas bersuhu tinggi menunjukkan bahwa energielektron di dalam atom hanya boleh memiliki harga-harga tertentu,atau ada pada tingkat-tingkat energi tertentu. Bila energielektron berubah ke tingkat yang lebih rendah, maka akanterpancarlah foton dengan kuantum sebesar perubahan energitersebut. Proses pancaran cahaya ini pertama kali dipikirkan olehNiels Bohr pada tahun 1913.

7

Tenaga elektron-elektron di dalam atom bersifat diskritsecara teratur. Tenaga-tenaga yang dapat dimiliki oleh elektrondi dalam atom akan membentuk susunan tingkat-tingkat energi yangdisebut dengan state energy.

Pada tahun 1855, J.J. Balmer berhasil menemukan rumusanempiris dengan ketepatan. yang cukup teliti dalam menentukanpanjang gelombang garis spectrum Hidrogen yang terletak di daerahcahaya tampak.

Panjang gelombang dan frekuensi dari spektrum atom hidrogendi daerah cahaya tarnpak disajikan dalam tabel sebagai berikut :

Gambar : Panjang gelombang dan frekuensi dari spectrum atomhydrogen di daerah cahaya tampak.

dengan n = 3, 4,5, ...

8

λ = panjang gelombang garis spektrum R = konstanta Rydberg

Garis Hα bersesuaian dengan n = 3, garis Hβ bersesuaiandengan n = 4, dan seterusnya. Batas deret bersesuaian dengan n =~ sehingga panjang gelombangnya sama dengan 4/R. Selanjutnyadiketahui bahwa ternyata spektrum atom hidrogen memiliki banyakderet yang masing-masing berada dalam daerah radiasielektromagnet yang berbeda-beda. Dalam daerah ultra ungu terdapatderet Lyman, dan dalam daerah inframerah terdapat deret Paschen,Brackett, Pfund.

Kedaaan energi elektron dinyatakan dengan sekumpulanbilangan-bilangan kuantum n, l, m1 dan ms, dalam hal ini : n = bilangan kuantum utorna l = bilangan kuantum orbital ml = bilangan kuantum magnetik orbital ms = bilangan kuantum. magnetik spin

Elektron-elektron yang menempati keadaan energi tertentumempunyai energi yang konstan. Elektron-elektron ini disebutdalam keadaan stasioner. Elektron dalam atom mempunyaikecenderungan untuk mengisi keadaan energi yang lebih rendahdengan melepaskan kelebihan energinya dalam bentuk radiasielektromagnetik. Elektron dalam atom dapat menerima energi dariluar untuk menempati keadaan energy yang lebih tinggi danmengosongkan keadaan energi stasioner.

Perpindahan elektron dari suatu keadaan energi ke keadaanenergi yang lain harus memenuhi syarat :

Δl = ± 1 Δml = 0, ± 1

yang dikenal dengan kaidah seleksi. Sedangkan radiasielektromagnetik yang dipancarkan memenuhi syarat frekuensi Bohr-Enstein :

dengan : f : frekuensi radiasi elektromagnctik

9

λ : panjang gelombang radiasi elektrornagrrctiK h : konstanta Pladck c : cepat rarnbat cahaya di udara E1 : keadaan energi awal E2: keadaan energi akhir

Jika radiasi dapat diukur, maka kita dapat menghitung hargaE1 – E2. Jika selisih antara dua keadaan energi diperolehdiperoleh gambaran adanya keadaan-keadaan energi elektron dalamatom. Sebagian besar emisi atom terletak di daerah cahaya (sinartampak) sehingga pengukuran panjang gelombang secara optik dapatdilakukan dengan mudah. Tetapi untuk alat ukur yang daya pisahnyakurang baik tidak bisa membedakan dua panjang gelombang yangberdekatan.

2.5 Teori Franck-Hertz1. Profil Franc-Hertz.

James Franck (lahir 26 Agustus 1882 – meninggal 21 Mei 1964 padaumur 81 tahun) adalah fisikawan Jerman yang mendapat PenghargaanNobel dalam Fisika dengan Gustav Ludwig Hertz pada 1925 untukpenemuan mereka pada hukum yang menentukan dampak elektron padaatom.

James Franck dilahirkan di Hamburg, Jerman. Ia belajar kimiaselama setahun di Universitas Heidelberg, dan kemudian belajarfisika di Universitas Berlin, di mana ia meraih gelar doktornyapada 1906. Pada 1911, ia menerima kedudukan dosen fisika diUniversitas Berlin, di mana ia tetap di sana sampai 1918. Antara1912-1914, Franck bekerja secara intensif pada eksperimen Franck-Hertz dengan Gustav Hertz. Riset ini mencari untuk menyelidikitingkat energi atom secara eksperimental. Penelitian inimerupakan penegasan penting mengenai model atom Bohr, denganelektron yang mengelilingi inti atom dengan eneregi spesifik dandiskret. Mereka membuktikan bahwa atom hanya dapat menyerapenergi dalam jumlah tertentu.

2. Percobaan Franc-Hertz.

10

Eksitasi elektron atom dari keadaaan dasar ke keadaan tereksitasidapat terjadi karena adanya serapan tenaga kinetik elektron yangmenumbuk atom gas Neon di dalam tabung Frenck-Hertz. Bila tenagakinetik elektron sama dengan tenaga ionisasi atom Neon, makaelektron-elektron dapat mengionkan atom-atom gas tersebut. Gejalaionisasi ini ditandai oleh meningkatnya kuat arus anoda secaradrastis. Pada gambar :

Gambar : Pesawat Percobaan Franck-Hertz

Gambar : Grafik arus anoda Ia sebagai fungsi tegangan kisi (Vg)

Electron yang dipancarkan oleh pemanasan (F) pada katoda (k) akandipercepat oleh tegangan kisi (Vg), sehingga energi kinetiknyabertambah besar. Pada tegangan kisi tertentu, energi kinetikelektron dapat mengeksitasi atom Neon, dan elektron akan

11

kehilangan tenaga sebesar tenaga eksitasi atom Neon. Elektron initidak akan mampu lagi mencapai anoda jika tenaga sisanya kurangdari tenaga penghalang (Vp), sehingga terjadi pemerosotan arusanoda (Ia). Bila tegangan kisi dinaikkan lagi lebih lanjut, makaarus anoda akan naik lagi, tetapi kemudian merosot lagi bilategangan kisi sama dengan kelipatan bulat tegangan eksitasi (Ve).Hali ini terjadi karena elektron sebelum sampai di kisi telahbeberapa kali mengeksitasi atom Neon dan akan mengeksitasi lagidi daerah dekat kisi, sehingga tidak mencapai anoda.Dengan demikian grafik arus anoda (Ia) sebagai fungsi tegangankisi (Vg) akan memperlihatkan puncak-puncak dan lembah-lembahseperti pada gambar 2. Jarak antara dua puncak berdekatanmerupakan besarnya tegangan eksitasi atom (Ve) tersebut.Energi eksitasi atom (Neon) merupakan perkalian antara teganganeksitasi atom (Ve) dengan muatan elektron (e) .

Energi ini digunakan untuk memancarkan foton yang memilikipanjang gelombang λ, yang terkait dengan persamaan energi foton.

Dari persamaan (1) dan (2) selanjutnya akan diperoleh panjanggelombang (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 muatanelektron ( 1,602 . 10-19 C ). Pesawat Franck-Hertz pada percobaan ini terdiri atas tabungberisi gas Neon bertekanan rendah dilengkapi dengan filamenpemanas katoda K, dan kisi G1 dan G2, plat anoda P, serta metertegangan dan arus. Tombol G1-K berfungsi untuk mengatur besarnya tenaga kinetikelektron yang keluar dari kisi G1 menuju anoda P. Tombol G2-Pberfungsi untuk mengatur / menetapkan besarnya teganganpenghalang elektron sampai di anoda P. yang perlu diperhatikanadalah penggunaan kedua panel tersebut harus dilakukan secara

12

hati - hati agar arus yang terbaca pada mikroamperemeter tidakmelampaui jangkauannya.

13

BAB III

KESIMPULAN

1. Atom merupakan unit terkecil dari molekul, atom terdiri atasproton, electron dan neutron.

2. Tingkat-tingkat energi eksitasi dari elektron menunjukkanbahwa energi dari elektron itu bertingkat-tingkat(terkuantisasi) dan mengukuhkan kebenaran dari teorikuantum.

3. J.Franck dan G.Hertz melaporkan sebuah percobaan luwes yangtak biasa yang membuktikan bahwa energi mekanik, sepertienergi elektromagnetik, diserap oleh atom-atom dalamkuantitas yang berlainan.

4. Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya denganpanjang gelombang berbeda.

5. Untuk gas hidrogen yang merupakan atom yang palingsederhana, deret panjang gelombang ini ternyata mempunyaipola tertentu yang dapat dinyatakan dalam bentuk persamaanmatematis.

14

DAFTAR PUSTAKA

Eisberg, Robert. 1974. “Quantum Physics Of Atom, Molecules, Solids, Nuclei, And Particles”. Second Edition. John Wiley & Sons : United States ofAmerica.Gribbin, John. 2003. Fisika Kuantum. Jakarta : ErlanggaKrane, Kenneth. 1992. Fisika Modern. Jakarta : UniversitasIndonesia.Kusminarto. 1994. Pokok – Pokok Fisika Modern. Yogyakarta : UniversitasGajah Mada.

Powell, John L. 1961. “Quantum Mechanics”. Addison-Wesley Publishing Company : United States of America.

Sakurai, J.J. 1985. “Modern Quantum Mechanics”. The Benjamin/Cummings Publishing Company : Canada.

15