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.