Eksperimen Franck Hertz

James Franck dan Gustav Hertz pada tahun 1914 melakukan eksperimen dengan cara menembaki atom-atom merkuri atau raksa (Hg) dengan electron. Eksperimen ini dilakukan untuk membuktikan teori quantum bahwa setiap atom itu memiliki tingkat-tingkat energi pada kulitnya. Sehingga jika electron pada suatu kulit akan berpindah tempat ke energi kulit yang lebih rendah, maka dia membutuhkan sejumlah energi tertentu untuk melakukannya.

Franck-Hertz melakukan eksperimennya dengan menggunakan tabung yang berisi raksa (Hg) dalam fasa gas. Didalam tabung tersebut diletakkan sebuah ujung katoda, anoda, dan plat pengumpul. Selain itu pada katoda juga diletakkan pemanas agar katoda dapat melepaskan elektron dengan mudah. Selanjutnya antara katoda dengan anoda diberikan sebuah beda potensial, yang mana beda potensial (Vak) ini akan memberikan energi kinetik (Ek) pada elektron yang terlepas dari katoda bergerak menuju anoda. Sedangkan anoda sendiri dibuat dengan plat yang berlubang-lubang mirip jaring. Sehingga sebagian elektron yang menuju anoda akan diloloskan dan ditangkap oleh plat kolektor.

Hubungan antara plat kolektor dengan anoda dipasang sebuah amperemeter. Amperemeter ini berfungsi mengukur arus yang timbul ketika plat kolektor menangkap sejumlah elektron dari katoda. Selanjutnya penelitian ini akan memperlihatkan pengaruh beda potensial Vak yang mana merupakan energi kinetik elektron menuju anoda dan kolektor dengan besar arus yang ditimbulkan pada kolektor-anoda Iac.

Hasil eksperimen tersebut memperlihatkan bahwa jika tegangan Vak dinaikkan dari nol maka kuat arus yang terukur padakolektor-anoda akan mengalami kenaikan. Namun kenaikan hanya sampai pada nilai tegangan 4,9 Volt yang menunjukkan energi kinetik elektron sebesar 4,9 eV. Pada nilai 4,9 arus akan mengalami penurunan, dan jika tegangan Vak ditingkatkan terus maka nilai arus akan kembali naik. Kenaikan ini juga tidak bertambah terus, melainkan arus akan kembali turun pada nilai 9,8 Volt. Hal ini terus terjadi (penurunan arus) setiap tegangan mencapai nilai kelipatan 4,9 volt.

Hasil eksperimen Franck-Hertz ini menunjukkan pada saat terjadi penurunan arus pada kolektor mengindikasikan jumlah elektron yang mencapai kolektor menjadi berkurang. Kemana hilangnya elektron tersebut? Karena elektron yang berasal dari katoda menuju kolektor membawa energi gerak (energi kinetik), maka dapat disimpulkan elektron yang tidak mencapai kolektron mengalami kehilangan energi kinetik. Hilangnya energi kinetik karena adanya peristiwa ‘pembegalan’ pada elektron. Siapa yang mengambil energi elektron tersebut? Sudah dijelaskan diawal bahwa isi tabung tersebut adalah gas merkuri, jadi ketika elektron berpindah dari katoda ke anoda ataupun ke kolektor elektron-elektron tersebut bertumbukan dengan atom-atom raksa.

Menariknya, atom-atom raksa yang tertumbuk elektron tidak menyerap energi melainkan hanya pada nilai energi tertentu. Energi yang diserap oleh atom raksa hanya pada nilai 4,9 eV dan kelipatannya. Pada nilai tegangan dibawah 4,9 Volt, tumbukan antara elektron dengan atom raksa hanya berupa tumbukan lenting sempurna. Tidak ada energi kinetik elektron yang diserap oleh atom raksa. Ketika energi kinetik elektron mencapai 4,9 maka seluruhnya akan diserap oleh raksa. Sedangkan jika lebih dari 4,9 eV, misalkan 5,9 eV, maka yang 4,9 elektron volt akan terserap dan sisanya 1 eV akan digunakan oleh elektron menuju anoda atau kolektor sehingga nilai arus akan kembali naik. Begitu juga dengan nilai kelipatan 4,9 eV. Untuk melihat perubahan nilai arusnya dapat dilihat dari grafik hubungan kuat arus terhadap tegangan berikut.

Jadi kesimpulan finalnya atom raksa hanya akan mengalami eksitasi (perpindahan elektron kulit atom dari tingkat energi dasarnya) jika memperoleh energi sebesar 4,9 volt dan kelipatannya. Ketika atom raksa mendapat tambahan energi sebesar 4,9 volt, maka elektronnya akan berpindah ketingkat energi yang lain. Namun hal ini hanya akan berlangsung sebentar karena setelah itu atom akan berusaha mengembalikan keadaannya setabil seperti semula. Energi yang diterima sebelumnya akan dilepas kembali dalam bentuk gelombang atau energi foton sebesar. 

Jika energi eksitasi yang diperlukan oleh elektron untuk berpindah dari keadaan dasarnya

  

Maka panjang gelombangnya adalah

 
Dengan lamda panjang gelombang, h tetapan Planck (6,626X10^-34 Js), c kecepatan cahaya (2,998 x 10^8 m/s), e adalah muatan elektron (1,602 x 10^-19 C), dan V adalah besar tegangan Vak.

Jika nilai Vak sebesar 4,9 V kita masukkan kedalam persamaan di atas maka akan didapat panjang gelombang yang dipancarkan oleh raksa adalah sebesar 253 nm. Nilai energi eksitasi setiap atom berbeda-beda. Jika untuk raksa sebesar 4,9 eV, maka untuk Neon 16,71 eV. Setiap atom memiliki tingkat energi eksitasi berbeda-beda.

Untuk saran dan masukan serta diskusi dapat berkomentar pada kolom di bawah.