Atom memiliki sebuah inti yang
terdiri dari proton dan neutron, serta elektron yang mengelilingi inti tersebut
dan menempati kulit. Kulit pada atom merupakan tempat elektron mengorbit
sehingga sering disebut orbital. Elektron dapat berpindah dari orbital dalam ke
orbital luar dengan menyerap sejumlah energi, yang sering disebut energi
eksitasi. Saat elektron berpindah dari obital luar ke orbital dalam, maka
elektron tersebut kehilangan sejumlah energi yang sebelumnya mempertahankan
posisinya pada orbital asal. Pemikiran tersebut muncul setelah beberapa
fisikawan banyak yang melakukan penelitian tentang keberadaan struktur atom.
Neils Bohr pada tahun 1913 menerapkan ide kuantum pada struktur atomik untuk
mendapatkan model atom, walaupun masih terdapat kekurangan dan harus diganti
secara mekanika kuantum agar ketelitian dan kegunaannya lebih besar.
Akhirnya pada tahun 1914 James
Franck dan Gustav Hertz melakukan sederetan eksperimen yang membuktikan tentang
kebenaran teori Bohr dan tentang eksitasi atom. Percobaan inilah yang sering
disebut percobaan Franck-Hertz. 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 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 hasil
bacaan multimeter maka akan dapat dihitung besarnya energi eksitasi dan panjang
gelombang foton yang diemisikan.
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.
Gambar 1. Rangkaian percobaan Franck
-Hertz
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 – 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 – 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 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 λ 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.
Sumber :
Pengukuran Energi Eksitasi dan Panjang Gelombang Foton Menggunakan Percobaan Frank-Herzt oleh Sarasati Istiqomah, Hanu Lutvia, Ika Wahyuni, Kamelia, Muthia Ayu, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
