�ݺ�ߣ

Eksperimen Franck-Hertz [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Modern Universitas Airlangga
1
LAPORAN
FISIKA EKSPERIMENTAL I
Menentukan Energi Eksitasi Elektron dan Panjang Gelombang Foton Emisi
Dengan Eksperimen Franck �C Hertz
Pelaksanaan Praktikum
Hari : Rabu Tanggal: 07 April 2014 Jam : 10.40 �C 12.20
Oleh :
Nama : Fachrun Nisa
Nim : 081211332010
Anggota Kelompok :
1. Nur Aisyiyah Nim : 081211331002
2. Dewi Puji Lestari Nim : 081211331128
3. Diana Nim : 081211331135
4. Arief Danar Ibnu Nim : 081211333023
Dosen Pembimbing : Andi Hamim Zaidan, S.Si, M.Si, P.hD
LABORATORIUM FISIKA MODERN
UNIVERSITAS AIRLANGGA

2
Menentukan Energi Eksitasi Elektron dan Panjang Gelombang Foton Emisi
Dengan Eksperimen Franck �C Hertz
1
Fachrun Nisa, 2
Nur Asyiyah, 3
Dewi Puji Lestari, 4
Diana, 5
Arief Danar Ibnu
Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Jl.Mulyorejo Kampus C Unair, Surabaya 60115
Email: fachrun99@gmail.com
Abstrak, Percobaan Franck-Hertz bertujuan untuk mengetahui kebenaran teori kuantum bahwa energi
eksitasi elektron atom terkuantisasi secara diskrit serta untuk menentukan tegangan eksitasi atom Neon
dan panjang gelombang foton yang diemisikan. Pada percobaan Franck-Hertz elektron-elektron
meninggalkan katoda setelah dipanasi oleh filamen pemanas. Kemudian elektron itu di percepat menuju
sebuah kisi oleh beda potensial Vg (ditambahkan energi kinetik), yang dapat diatur. Elektron dengan
kecepatan Vg dapat menembus kisi dan mencapai plat anoda. Arus elektron yang mencapai plat anoda
tersebut diukur dengan multimeter. Jika arus electron tersebut dihalangi dengan suatu atom (Neon), maka
elektron �C elektron dengan kecepatan Vg itu dapat menumbuk atom �C atom Neon, namun tidak ada
pelepasan energi karena yang terjadi adalah tumbukan elastis sempurna. Untuk membuat elektron
melepaskan energinya adalah jika elektron memiliki energi yang cukup untuk menyebabkan atom Neon
bertransisi ke suatu keadaan eksitasi. Setelah elektron mengalami tumbukan tersebut maka akan bergerak
dengan energi lebih rendah. Dengan demikian jika elektron harus melewati kisi dan energinya tidak
cukup untuk mengatasi tegangan perlambat rendah, ia tidak akan dapat mencapai plat anoda, sehingga
arus pada multimeter pun akan mengalami penurunan. Dari percobaan ini diketahui bahwa panjang
gelombang Neon adalah ? �� ?�� = ( 720��2,8) ? dan energi eksitasi yang diperlukan adalah (17,1 �� 0,67
) eVolt.
Kata Kunci : eksperimen franck-hertz, energi eksitasi, panjang gelombang foton,
1. Pendahuluan
Niels Bohr memperkenalkan model atom pada tahun 1913. Menurut model Bohr, sebuah
atom terpencil terdiri dari inti atom positif dimana elektron didistribusikan di sekitar lintasan yang
berturut-turut. Dia juga menyatakan bahwa lintasan elektron memiliki sudut momentum yang
merupakan integral lipatan dari h/2�� dimana h adalah konstanta Planck.
Model Bohr juga mampu memprediksikan energi total dari sebuah elektron atom. Meskipun
tidak perlu berusaha untuk memperoleh pernyataan yang sama selama elektron berada dalam
multielektron atom, itu jelas bahwa menurut model energi total dari masing-masing elektron juga
akan diukur dan, akibatnya, hal yang sama haruslah benar pada daya muat energi total dari sebuah
atom. Ini terlihat masuk akal dari model Bohr yang hanya dikarenakan elektron-elektron bisa
melakukan peralihan menurun dari keadaan energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah, mereka
bisa mengeksitasi ke keadaan energi yang lebih tinggi dengan penyerapan justru besarnya energi
menunjukkan perbedaan antara keadaan yang lebih rendah dan yang lebih tinggi.
James Franck dan Gustav Hertz menunjukkan bahwa hal ini tentu saja merupakan kasus
dalam percobaan yang berderet pada tahun 1913; tahun yang sama di saat Bohr mengajukan
modelnya. Franck dan Hertz menggunakan sebuah berkas cahaya yang mempercepat elektron untuk
mengukur energi yang ada di elektron pada keadaan dasar dari gas merkuri ke keadaan tereksitasi
pertama.

3
2. Landasan Teori
Spektrum Garis Atomik
Spektroskopi optik yang dilakukan sejak akhir abad ke �C 19 telah banyak memberikan
kontribusi terhadap pemahaman mengenai struktur atom. Namun sampai awal abad ke �C 20 belum
ditemukan landasan teoritis yang menerangkan munculnya spektrum garis yang dipancarkan oleh
atom (ketika itu yang dipelajari adalah atom hidrogen). Pada saat itu hanya ditemukan beberpa deret
spektrum garis pancaran hidrogen pada daerah frekuensi tertentu yang dihasilkan dari serangkaian
eksperimen. Eksperimen ini dimulai oleh Balmer pada tahun 1855 hingga Paschen pada tahun 1908
yang ternyata membentuk suatu persamaan umum yang ditemukan secara empirik yang dikenal
sebagai persamaan Rydberg-Ritz sebagai berikut :
1
? ??
= ?
1
?2
?
1
?2
Dengan ? ?? dan R= 1,096776 x 107
m-1
merupakan panjang gelombang emisi dan tetapan Rydberg.
Sedangkan m dan n merupakan bilangan bulat yang memenuhi ? �� ?. Nama deret dan ketentuan
pasangan bilangan bulat n dan m memenuhi hubungan berikut :
Deret N M Daerah Frekuensi
Lymann 1 �� 2 UV
Balmer 2 �� 3 Sinar Tampak
Paschen 3 �� 4 IR
Brackett 4 �� 5 IR
Pfund 5 �� 6 IR
Akhirnya pada tahun 1913, disusun suatu teori yang dapat menjelaskan persamaan empirik untuk
semua deret spektrum garis hidrogen yang dikenal dengan teori model atom bohr.
Model Atom Bohr
Dari hasil diatas, bohr mengatakan bahwa walaupun sebagian dari model atom Rutherford
benar, tetapi ada dua hal yang harus dikoreksi. Pertama, Rutherford melakukan predikisi bahwa
cahaya yang dipancarkan atom memiliki rentang frekuensi yang kontinu sedangkan dari hasil
spektroskopi bersifat diskret dan yang kedua, Rutherford mengatakan bahwa atom bersifat tidak stabil
tetapi pada kenyataanya atom secara umum bersifat stabil. Untuk menyempurnakan model atom
Rutherford, maka bohr menambahkan beberapa postulat :
1) Elektron bergerak mengelilingi inti dengan orbit lingkaran tapi hanya pada orbit �C orbit
tertentu (diskret).
2) Elektron memiliki energi tertentu dan mengorbit tanpa meradiasikan energi.
3) Cahaya diemisikan hanya ketika elektron berpindah dari satu orbit ke orbit yang lebih dalam.
Dari postulat bohr, secara matematis dapat dirumuskan kuantisasi radius atom hidrogen rn sebagai
berikut :
?? =
4?? ?
?
2?
2
??2 ? ?
?2
= ? ? ?2
dengan ? ? = 0,529 ? 10?10
? dan dikenal dengan radius bohr dan kuantisasi energinya juga dapat
diberikan didalam bentuk matematis berikut :

4
? ? =
?2
?4
? ?
8? ?
2
?2
1
?2
= ?
13,6
?2
??
Tingkat energi ini bernilai negatif yang artinya elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk
keluar dari inti. Tingkat energi (serta beberapa keadaan didalam atom) direpresentasikan dengan
bilangan kuantum n nya.
Percobaan Franck �C Hertz
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 juga membesar.
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 �C 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 �C 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 plotting tegangan pemercepat dengan arus anoda untuk merkuri dapat dilihat pada
gambar berikut ini

5
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 :
?? = ? ??
Energi ini digunakan untuk bereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dan kemudian tereksitasi
kembali dengan memancarkan foton yang memiliki panjang gelombang �� sehingga :
? =
??
???
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.
3. Alat dan Bahan
Pada eksperimen ini digunakan peralatan sebagai berikut :
1) Franck �C Hertz Apparatus (No. Seri OSK 5221 Ogawa Seiki, Ltd. Jepang)
Gambar 3.1. Franck-Hertz Apparatus

6
4. Prosedur Percobaan
Pada percobaan ini, digunakan prosedur �C prosedur sebagai berikut :
1) Diamati terlebih dahulu fungsi �C fungsi yang terdapat pada pesawat Franck �C 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 �C 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 �C Hertz. Apabila digunakan pengukur arus secara eksternal, pilih
saklar ��EXTERNAL�� dan hubungkan amperemeter dengan panel P �C Ge.
4) Kemudian tegangan pemercepat dinaikan pelan �C 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 �C nilai dari tegangan kritis yang telah didapatkan dan dapat
dilakukan tahapan perhitungan sebagai berikut :
a. Menghitung beda nilai tegangan kritis (antara maksimum ke �C n) : ??? =
?? ? + 1 ? ?? dengan n = 1,2, 3... N
b. Kemudian dihitung rata �C 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
Setelah dilakukan eksperimen mengenai ��Eksperimen Franck-Hertz��, pengamat memperoleh
data hasil pengamatan sebagai berikut:
1. Percobaan I
Vg (V) Ia (A) Vg (V) Ia (A) Vg (V) Ia (A) Vg (V) Ia (A)
1 1 21 10 41 11 61 19
2 2 22 8 42 12 62 20
3 2 23 7 43 13 63 22
4 2 24 6 44 14 64 25
5 2 25 8 45 15 65 28
6 2 26 10 46 17 66 32
7 2 27 10 47 20 67 38
8 3 28 10 48 22 68 39
9 3 29 11 49 26 69 42
10 4 30 13 50 29 70 41
11 6 31 16 51 31 71 40
12 7 32 19 52 33 72 40
13 8 33 21 53 32 73 38
14 9 34 23 54 29 74 37
15 11 35 22 55 25 75 37
16 12 36 22 56 21 76 37
17 13 37 18 57 20 77 36

7
18 14 38 16 58 19 78 36
19 13 39 13 59 18 79 38
20 12 40 10 60 18 80 41
2. Percobaan II
Tegangan kritis ke - Nilai Tegangan
1 18 V
2 33 V
3 51 V
4 68 V
3. Percobaan III
Tegangan kritis ke - Nilai Tegangan
1 17 V
2 33 V
3 50 V
4 68 V
7. Hasil Analisis dan Pembahasan
Data dari hasil eksperimen di atas kita sajikan dalam sebuah grafik,Dimana grafik
tersebut hampir sama dengan grafik yang ada pada referensi. Berikut hasil grafik plotting
tegangan dengan arus anoda;
Grafik 1.1 Diagram Eksitasi Ne
Dimana Elektron yang dipercepat bertumbukan dengan atom (Neon) dan memberikan
energinya ke elektron pada atom, menyebabkan elektron pada atom dapat berpindah ke tingkat energi
yang lebih tinggi (mengalami eksitasi elektron).
Adanya eksitasi elektron juga dapat ditunjukkan dengan adanya penurunan arus yang nampak
pada percobaan Franck �C Hertz. Hal ini disebabkan karena adanya elektron yang melepaskan
energinya. Elektron menumbukkan dirinya pada atom �C atom Neon dan setelah itu akan bergerak
dengan energi yang lebih rendah. Dengan demikian jika elektron harus melewati kisi dan energinya
tidak cukup untuk mengatasi tegangan perlambat rendah, ia tidak akan dapat mencapai plat anoda,
sehingga arus pada amperemeter pun akan mengalami penurunan. Dan hal ini pulalah yang
menyebabkan grafik nampak seperti gambar diatas.
0
10
20
30
40
50
0 50 100
ArusAnoda(mA)
Tegangan pemercepat (Volt)
Diagram Eksitasi Ne
Series1

8
Tegangan kisi antara yang di sett secara automatis dengan yang manual menunjukkan hasil
yang tidak jauh berbeda. Tegangan eksitasi (Ve) dari penghitungan analisis adalah Ve = (17,1 �� 0,67 )
Volt dengan simpangan 9,52 % . Hal ini disebabkan karena pengamatan yang kurang teliti. Selain itu,
kenaikan tegangan terjadi begitu singkat sehingga pengamat tidak bisa menentukan nilanya secara
tepat.
Hasil dari percobaan menunjukkan bahwa energy foton yang dihasilkan adalah 17,1 eV
dengan simpangan sebesar 2,3 % yang artinya elektron pada atom neon berada pada keadaan
metastabil (state eksitasi yang memiliki lifetime relatif panjang), sehingga probabilitas untuk kembali
ke ground state sangat kecil. dimana energy foton literature sebesar 16,71 eV. Hal ini
mengindikasikan bahwa elektron Neon juga bisa mengalami transisi elektron pada energi 17,1 eV.
Selain itu elektron dapat bereksitasi sampai di kulit p dengan energi eksitasi terbesar adalah 19,5 eV.
Berdasarkan hasil tegangan eksitasi dapat dihitung panjang gelombang foton yang
dipancarkan, yaitu diperoleh hasil sebesar �� = ( 720��2,8) ? dengan simpangan sebesar 3,09%.
6. Kesimpulan
a. Penurunan arus ( I ) yang terjadi dalam percobaan Franck �C Hertz dikarenakan adanya
electron yang melepaskan energinya setelah bertumbukan dengan atom neon sehingga
electron dari atom �C atom neon dapat bereksitasi ke tingkat energy yang lebih tinggi.
b. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh tegangan eksitasi (Ve) atom Neon sebesar
V = (17,1 �� 0,67 ) Volt dengan simpangan 9,52 %
c. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh energi eksitasi (Ee) atom Neon sebesar Eeks
= 17,1 eVolt dengan simpangan 3,2 %.
d. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh panjang gelombang foton yang dipancarkan
sebesar : �� = ( 720��2,8) ? dengan penyimpangan sebesar 3,09 %.
7. Daftar Pustaka
[ 1 ] Alonso, M. dan Finn, E.J., Fundamental University Physics, Volume II, Addison
Wisley, 1983.
[ 2 ] Krane, Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia
Nikhsolihin, Jakarta : Penerbit UI
[ 3 ] Zaidan, A.,2009, Pengantar Fisika Modern, tidak dipublikasikan

9
LAMPIRAN I
1. Nilai Tegangan Eksitasi :
V1 =
18+18+17
3
=
53
3
= 17,6 volt
V2 =
34+33+33
3
=
100
3
= 33,3 volt
V3 =
52+51+50
3
=
153
3
=51 volt
V4 =
70+68+68
3
=
206
3
= 68,7 volt
Ve1= V2 - V1
= 33,3 �C 17,6
= 15,7 volt
Ve2= V3 �C V2
= 51 �C 33,3
= 17,8 volt
Ve3= V4 �C V3
= 68,7 �C 51
= 17,7 volt
2. Nilai rata-rata Tegangan Eksitasi :
Oleh karena ada tiga buah selisih tegangan pemercepat puncak dari hasil percobaan set 1,
maka rata �C rata dilakukan dengan menggunakan :
?? =
Ve1+Ve2+Ve3
3
=
15,7+17,8+17,7
3
=
51,2
3
= 17,1 volt
??2
= 15,72
+ 17,82
+ 17,72
= 876,6 volt

10
?? 2
=
Ve1+Ve2+Ve3
3
2
=
15,7+17,8+17,7
3
2
=
51,2
3
2
= 17,1 2
= 292,41 volt
Standart deviasinya :
??? =
??2?? ?? 2
? ??1
=
876,6?3 292,41
3 3?1
=
876,6?873,81
6
=
2,8
6
= 0,46
= 0,67 volt
Sehingga ( ?? �� ???) = (17,1 �� 0,67) volt
% Kesalahan Ve =
17,1?18,9
18,9
�� 100%
= 9,52%
Untuk atom neon, memiliki energi eksitasi dengan besar yang dapat dihitung sebagai berikut:
?? = ? ?? = 1,602 ? 10?19
17,1 = 27,3942? 10?19
? = 17,1 ??
Menurut literatur, energi eksitasi neon adalah sebesar 16,71 eV dan menurut hasil pengamatan dalam
percobaan menghasilkan energi eksitasi neon sebesar 17,1 eV sehingga terjadi prosentasi kesalahan
sebesar :
% ????????? =
17,1 ? 16,71
16,71
?100% == 0,023 ? 100% = 2,3%
3. Nilai Panjang gelombang Foton
Dari perhitungan energi eksitasi dan tegangan eksitasi, maka dapat dihitung panjang
gelombang foton emisi yang diemisikan saat terjadi eksitasi dengan :
? =
??
???
=
6,6��10?34 3��108
1,6��10?19 17,1
=
19,8��10?26
27,36��10?19
= 0,72 �� 10?7
m
= 720 ?

11
?�� =
?2��
?Ve
2
Sve
2
=
??
?Ve
???
= ?
??
???2 ???
=
??
???2 ???
=
6,6��10?34 3��108
1,6��10?19 16,5 2 ��0,67
=
19,8��10?26
467,8��10?19 �� 0,67
= 0, 028 �� 10?8
m
= 2,8 ?
Sehingga panjang gelombang Foton yang dipancarkan:
? �� ?�� = ( 720��2,8) ?
%kesalahan �� terhadap literatur =
720 ? 743
743
�� 100%
= 3,09%

12
LAMPIRAN II

13

�ݺ�ߣ

081211332010 eksperimen franck hertz

More Related Content

081211332010 eksperimen franck hertz