MENENTUKAN RASIO MUATAN EM
BAB I
PENDAHU
Percobaaan e/m ialah percobaan yang dilakukan oleh seorang fisikawan bernama J.J Thomson pada tahun 1897. Ia
berhasil mencirikan elektron dan mengukur nisbah muatan terhadap massa (e/m) elektron. Model atom Thomson ini berhasil menerangkan banyak sifat atom yang
diketahui seperti ukuran, massa, jumlah elektro, dan kenetralan muatan
elektrik. Dalam model ini, sebuah atom dipandang
mengandung Z elektron yang dibenamkan dalam suatu bola
bermuatan positif
seragam. Tujuan utama percobaannya yaitu untuk mengetahui apakah ada partikel lain yang lebih kecil daripada atom, sehingga dengan percobaan ini, ia
berhasil mengidentifikasi
elektron sebagai
suatu partikel tersebut, dengan cara menggunakan
tabung katoda.
Percobaan e/m dilakukan dengan menggunakan tabung sinar katoda
yang
dihubungkan dengan arus dan tegangan. Kedua elektroda ini dipasang
dengan tegangan tertentu, sehingga terdapat suatu partikel yang tereksitasi, yang
ditunjukkan dengan sinar
berpendar yang
tampak dalam tabung
tersebut yang
membawa energi dan bergerak dari katoda
ke anoda. Diketahui, bahwa partikel tersebut bermuatan negatif
dan
disebut dengan
elektron dan sebagai partikel negatif, elektron akan mempengaruhi arus yang dihasilkan. Lebih jauh lagi, ketika terdapat medan magnetik dengan kekuatan tertentu yang
dihasilkan oleh kumparan helmholtz, elektron
memasuki
medan
magnet.
Oleh karena itu, dengan menggunakan data jari-jari lintasan elektron dan medan magnet yang mempengaruhi, serta dengan menggunakan berbagai persamaan yang terkait, maka nilai perbandingan antara muatan elektron dengan massa elektron (e/m) dapat ditentukan.
1.2
Tujuan
1. Untuk menentukan
rasio muatan dan
massa elektron
secara praktek.
2. Untuk mengetahui
hubungan arus (I)
dan tegangan (V) dengan jejak elektron.
3. Untuk mengetahui
cara kerja atau
prinsip
kerja tabung mata kucing.
BAB II
DASAR TEORI
Kita telah melihat bahwa sinar katoda terdiri dari elektron-elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi dan bahwa elektron-elektron ini masuk ke
dalam konstitusi masing-masing tipa atom. Oleh karena itu di tempat pertama, perlu untuk
menentukan muatan dan massa
yang terkait dengan
elektron.
Karena jumlah ini adalah
konstanta dasar yang muncul dibanyak rumus dalam fisika atomik, mereka harus diukur dengan akurasi yang sangat besar. Karena
kuantisasi ini adalah konstanta fundamental yang muncul dalam banyak rumus dalam Fisika
Atom, mereka harus dirubah dengan sangat akurat ke dalam muatan dan massa elnctron
mengarah pada kesimpulan
penting yang dikenal sebagai
teori Elektron, dengan
rintihan yang fenomena fisiknya
berbeda. Seperti konduksi listrik dalam matals, Zeeman offeet, dll. Dapat
dijelaskan dengan cukup baik.
Dari beberapa sumber elektron penting
selain tabung pelepasan, liko emisi fotolistrik
dan
Ihermionik, yang
akan mengkonfirmasi bahwa klektron identik di alam, memiliki muatan dan massa yang
sama, apa pun asalnya. Akhirnya kita harus berurusan dengan beberapa aplikasi praktis paling penting dari beama elektronik dalam aojence dan industri sebanyak
katup termionik, sel fotolistrik,
osiloskop sinar katoda dan
mikroskop elektron.
Prof. J.
J. Thomson, di laboratorium Cavendish, Cambridge, adalah pekerja perintis
dalam penentuan muatan dan massa elektron. Pada tahun 1897, menggunakan sinar katoda dan menjadikannya bidang
elektrik dan magnet, pertama-tama ia menentukan nilai e/m, rasio muatan terhadap massa elektron, yang
dikenal sebagai muatan spesifik. Kemudian menggunakan ruang awan Wilson ia mengukur muatan e elektronik dan menggabungkan dua
hasilnya memperoleh nilai dari massa elektronik. Rasio e / m dapat ditentukan tanpa kesulitan besar, tetapi pengukuran e lebih banyak masalah. Dengan peralatan maka tersedia ia tidak bisa
membuat beberapa pengukuran akurasi,
tetapi
perbaikan
teknis
selanjutnya
yang dilakukan oleh
H. A. Wilson, Millikan dan lainnya dapat
menyebabkan
nilai yang
jauh lebih baik untuk muatan
dan massa.
Saat ini terdapat
beberapa
metode eksperimen
yang sama sekali berbeda
dengan
presisi tinggi, yang tidak dapat kami jelaskan di sini.
Kita
akan membatasi diri pada
studi terperinci dari eksperimen-eksperimen awal yang penting secara historis, seperti penentuan Thomson tentang e
/ m
dari elektron dalam sinar katoda, ruang awan dan metode
tetesan
minyak Millikan untuk mengukur
muatan elektronik e. Metode Thomson untuk menentukan
e/m
pada elektron. Fakta bahwa sinar katoda dibelokkan oleh medan listrik dan magnet
digunakan dalam metode ini. Dengan menundukkan jika ada
pensil sempit ke
medan listrik
dan
magnetik yang
bertindak satu sama lain, dan mengukur defleksi pensil yang disebabkan oleh
dua bidang, e /
m dapat ditentukan.
Sinar katoda yang dihasilkan dalam debit yang sangat dievakuasi adalah mal ke gnet MM diagram dan neld dan arah eld akan memengaruhi sinar katoda n
runwarda dengan menggunakan
sebagai Ada dan
ditembakkan normal katoda C direduksi menjadi pensil
sempit dengan membuat melewati elit-elit halus di anoda A dan di sumbat logam B yang
secara
elektrik semua ini ke permukaan dan dihubungkan dengan
A. pensil,
bepergian
dalam garis lurus dengan kecepatan yang
saya kenali antara C dan A
tetapi tetap seragam di luar A, menyerang dan
mengembangkan
SS dan menghasilkan atchlaminasi mal di P bidang listrik
dan
magnetio pensil diatur
sebagai berikut: listrik lapangan diproduksi dengan
mempertahankan dua pelat horisontal D dan E pada n perbedaan potensial yang tinggi; acta
bidang ini
di plano diagram
dan pada sudut
kanan ke arah gerak partikel sinar
katoda.
Sinar katoda yang
melewati bidang tersebut akan dibelokkan pada bidang
vertikal ke arah pelat yang terisi positif. Medan magnet dalam diproduksi
oleh elektromagnet MM
dengan arahnya tegak lurus terhadap bidang
dingram dan dipertajam pada sudut kanan baik terhadap
medan
elektrio maupun
arah
gerak
sinar katoda. Fiold seperti itu akan membelokkan sinar katoda juga dalam bidang
vertikal, ke bawah atau ke atas, sesuai dengan bidang
diarahkan dari depan ke belakang atau ke belakang ke depan. Dengan demikian pensil
sinar cathodo dapat dikenakan medan listrik dan magnetio yang
bersilangan yang
bertindak dalam arah porpendicular dengan sendirinya. Garis-garis forco dari kedua bidang tersebut diatur untuk bertindak
di atas wilayah yang
sama, sehingga sinar katoda akan berada di
bawah
pengaruh mereka di atas panjang
jalur yang
sama. Di jalur teori dengan asumsi bahwa sinar katoda terdiri dari partikel bermuatan dengan
massa, muatan, dan kecepatan
yang setara dengan m, e dan v masing-masing, mari kita perhatikan efeknya karena kedua medan, firat bekerja secara terpisah
dan
kemudian secara bersamaan.
Defleksi elektrostatik. Biarkan intensitas medan yang seragam antara pelat D dan E menjadi
X dan pelat atas
D positif.
Di bawah pengaruh
bidang ini, sinar katoda
akan
dibelokkan ke atas dan luminous patch pada layar fluorescent, yang
berada di P sebelum pengenalan bidang, bergerak ke
posisi Q. Pergeseran PQ patch ini dapat diperkirakan sebagai mengikuti Mempertimbangkan
salah satu
partikel dalam pensil
sinar katoda,
kekuatan yang
diberikan padanya oleh medan listrik = Xe (dalam pengarahan bidang). Oleh karena itu percepatan partikel dalam arah yang
sama = Karena forco dan akselerasi selalu konstan dan
tegak lurus dengan arah partikel, mirip dengan kasus Xe/m.horisontal yang disalurkan ke percepatan vertikal konstan karena gravitasi, jalur partikel akan menjadi parabola. Jika itu
|
adalah waktu penerbangan dari bidang partikel dengan panjang 1, nghapusan partikel dari elektrik di atas ke atas karena baru saja muncul dari lapangan
e / m). Sejak t = l/v, defleksi elektrostatik 1 (Xe / m) (l/v)2.
Di luar medan listrik, karena tidak ada agen intelek
lain partikel bergerak sepanjang garis lurus tangensial ke jalurnya di titik keluar dari bidang
dan akhirnya menyerang fluorescent scroen di Q. Dengan demikian dapat PQ dari deposisi patch bercahaya pada dua
faktor, yaitu, defleksi yang disebabkan oleh medan dan jarak fluoresen
dari
medan.
(Rajam, 1950)
Menurut Thomson, itu bukan hanya tekanan mekanis karena
dampak dari sinar katoda pada baling-baling mika yang bertanggung jawab untuk
gerakan memutar roda, karena tekanan ini tidak bisa berarti banyak.
Kemungkinan besar karena Coede R dampak sinar
katoda ,, sisi baling-baling yang menghadap katoda menjadi panas dibandingkan dengan sisi berlawanan.
Akibatnya molekul gas di dekat sisi panas memperoleh energi kinetik rata-rata yang lebih
besar daripada molekul di sisi
lain. Sebagai akibat dari dampak molekul-molekul ini, tekanan
yang relatif lebih tinggi diberikan pada sisi baling-baling yang dipanaskan yang
menyebabkan
roda berguling ke arah anoda.
Efek ini karena itu mirip dengan tindakan radiometer yang
terkenal dari anoda aplikasi dis pendek A yang dipancarkan dari lubang di t ada sangat l antara radiasi
termal, ditemukan oleh
Crookes.
Arah percobaan Thomson menetapkan bahwa sinar katoda
terdiri dari berkas partikel
bermuatan negatif.
Karena perbedaan potensial yang sangat besar yang
diterapkan antara dua
elektroda dalam tabung pelepasan, mereka memperoleh energi kinetik yang sangat tinggi dalam perjalanan dari katoda
ke anoda. Akibatnya, mereka bergerak dengan kecepatan sangat tinggi di dalam tabung pelepasan.
Telah ditemukan bahwa terlepas dari sifat gas yang ada
dalam
tabung,
partikel bermuatan
negatif ini selalu memiliki susunan aslinya, katoda pengarah, sama bidang adalah konstituen universal dari semua sifat yang sama. Ini
menunjukkan bahwa hal itu penting.
Ini sejak itu dinamai elektron, nama yang awalnya diciptakan oleh Johnstone
Stoney selama masa studinya di bidang
elektrolitik. Karena semua zat terdiri dari atom dan karena elektron ada dalam semua zat, kita
dapat menyimpulkan bahwa mereka harus ada di dalam atom semua
zat. Karena atom-atom itu netral secara
elektris, maka atom-atom itu harus terdiri
dari dua bagian, yang salah satunya
membawa listrik positif
dan
yang lainnya sama-sama
memiliki jumlah listrik negative. Perubahan produksi magnet dapat dilakukan melalui
penentuan muatan spesifik sinar
katoda untuk menentukan sifat sinar katoda, perlu diukur massa (m) dan muatan listriknya (e). Dimungkinkan untuk
menentukan rasio muatannya terhadap massa (e / m) secara cukup akurat. Rasio ini dikenal sebagai muatan spesifiknya.
Jika muatan e diukur secara independen,
maka dari
muatan
spesifik, massa
m
dapat
ditentukan. J.J.
Thomson
adalah orang pertama
yang menentukan
muatan
spesifik
sinar katoda (1897). Eksperimennya dijelaskan di bawah ini.
Tabung
pelepasan pendek di mana
sinar katoda diproduksi oleh penerapan perbedaan potensial tinggi antara katoda C dan anoda A.
Tekanan dalam T dijaga sangat rendah, sinar katoda yang dipancarkan dari C terkumpul
dalam
melewati
berturut-turut
melalui
jalan sempit lubang
di anoda A dan di
celah S ditempatkan di belakangnya.
Balok terkolimasi kemudian memasuki tabung T yang lebih
besar
dan
lebih luas di mana tekanannya juga sangat rendah, di antaranya medan listrik didirikan tegak lurus dengan arah awal katoda, balok berkolimasi mengalami defleksi dari jalur aslinya berlawanan dengan arah.
Ada pengaturan untuk menerapkan medan magnet juga pada tempat yang
sama (M) dalam arah tegak lurus terhadap medan listrik
dan
arah sinar katoda,
karena gaya magnet yang bekerja pada katoda sinar arah yang
sama dengan gaya listrik.
Dengan memilih dengan tepat arah medan magnet, defleksi akibat medan
listrik dan magnet dapat dibuat berseberangan satu
sama lain. Sinar sinar
katoda setelah kemunculan dari daerah medan listrik dan medan magnet
jatuh pada layar P di mana ia menghasilkan tempat bercahaya.
Karena aksi bidang, spot
mengubah
posisinya
dan perpindahannya
dari posisi yang
tidak terdeteksi
dapat
dengan
mudah diukur.
Biarkan e
dan m menjadi muatan
dan massa sinar katoda dan
u
kecepatannya.
Misalkan X adalah
medan listrik
dan B sebagai densitas
fluks magnetik yang
dilaluinya sinar
katoda. Kemudian gaya yang
diberikan pada mereka oleh medan listrik adalah A pada saat
efek efek lainnya adalah melewati antara dua pelat logam paralel E, F = Xe . Gaya magnet adalah Fm =Bev . Jika Fe, dan Fm bertindak dalam arah yang
berlawanan, maka bidang dapat begitu disesuaikan sehingga defleksi tempat bercahaya pada P yang
dihasilkan oleh sinar katoda karena satu bidang persis dikompensasi oleh tindakan yang
lain. Dalam kondisi
ini kedua gaya sama dan berlawanan, Jika
Xo menjadi medan listrik dalam kasus ini, maka
kita dapat menulis
X0e
=
Be sehingga dengan demikian v
= X0/B kecepatan u katoda sinar
dapat
ditentukan Mengetahui v, muatan elm spesifik dapat ditentukan dengan mencatat defleksi listrik atau defleksi magnetik. Kita melihat bahwa
sinar katoda bergerak bersama x sebelum
memasuki
medan
listrik antara kedua pelat E dan F. (Ghoshal, 1991) Jika sebuah elektron bergerak dalam suatu medium maka kehilangan energi kinetik elektron
disebabkan oleh dua hal yakni: (1) ionisasi,apabila
energi elektron rendah,dan (2) radiasi, apabila
energi
elektron
tinggi. Proses ionisasi
terjadi
seperti halnya
pada
zarah berat bermuatan, yakni tumbukan inelastik antara elektron datang dengan elektron-elektron atom medium. Penurunan secara teoritis kehilangan energi kinetik karena ionisasi oleh elektron
sama dengan kehilangan energi kinetik pada zarah bermuatan. Perbedaanya adalah terutama
disebabkan oleh kedua zarah yang bertumbukan adalah sama yakni elektron dengan elektron.
Menurut Bethe kehilangan energi kinetik persatuan panjang lintasan untuk elektron secara
non relativistik. Kehilangan energi elektron karena radiasi hanya terjadi jika
energi elektron datang
tinggi. Proses terjadi karena zarah bermuatan elektron dipercepat sehingga
memancarkan radiasi gelombang
elektromagnetik. Kehilangan energi karena radiasi persatuan
panjang, berbanding
terbalik dengan kuadrat masa zarah datang. Oleh karena itu pada zarah berat
bermuatan
proses ini
dapat diabaikan.
(Wiyatmo, 2012) Thomson memperbaiki teori yang diajukan Dalton, dia memfokuskan pada muatan listrik
yang ada dalam sebuah atom. Dengan eksperimen dengan menggunakan sinar katoda
membuktikan adanya partikel
lain yang bermuatan
negatif dalam
atom
partikel
tersebut
adalah elektron.Thomson juga
memastikan bahwa atom bersifat netral,sehingga didalam atom
juga
terdapat partikel yang bermuatan positif.
Selanjutnya Thomson mengajukan model atom, yang dinyatakan bahwa atom
merupakan bola yang
bermuatan positif dan elektron tersebar dipermukaanya. Model atom Thomson didasarkan pada asumsi bahwa massa elektron lebih kecil dari massa
atom, dan elektron merupakan partikel penyusun atom. Hal ini mendukung
keberadaan proton dalam
atom. Thomson membangun model atom berdasarkan teori fisika
klasik, yaitu: (a) Dinamika suatu atom mengikuti teori mekanika Newton. (b) Radiasi dari suatu atom mengikuti teori
gelombang
elektromagnet Maxwell.
(c) Thomson menemukan bahwa elektron mempunyai rasio antara massa dan muatan elektron yang berarti bahwa elektron adalah sebuah partikel
bukan sinar katoda (gelombang).
J.J Thomson bersama Lord Kevin mengemukakan teori atom pada tahun 1907 sebagai berikut: (a) atom tersusun atas muatan positif
yang tersebar merata di dala seluruh volume
bola. (b) Di dalam bola
bermassa positif ini, muatan negatif
menempel pada
titik titik tertentu.
(c)
Massa keseluruhan atom terdistribusi
secara merata dalam
seluruh volume
atom. (d)
Elektron-elektron tidak diam,tetapi berosilasi pada frekuensi tertentu di sekitar posisi
rata- ratanya. (e) Elektron tidak bergerak melingkar.Model atom ini
menyatakan muatan positif tersebar merata dan muatan negatif berada posisi tertentu. Gaya tarik menarik antara
muatan positif dan negatif di netralkan oleh gaya tolak menolak antar elektron,sehingga
elektron
tetap berada pada
keadaan seimbang. Gaya tolak menolak antar elektron membuat elektron mengatur posisinya sendiri di permukaan bola
positif. Menurut model atom Thomson
karena atom bermuatan netral ,atom hidrogen yang hanya mempunyai satu elektron berosilasi dengan
frekuensi tertentu sehing kenyataanya memiliki banyak garis-garis spektrum yang berbeda berupa gambaran garis garis spektrum secara umumnya. (Jumini, 2018)
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1.
Peralatan dan Fungsi
1. Tabung mata kucing
Fungsi
: sebagai tempat untuk
melihat terjadinya penyimpangan jejak electron
2. Kumparan
Fungsi
: untuk membangkitkan medan magnetik
di dalam tabung mata kucing
3. PSA
Fungsi
:sebagai sumber tegangan pada rangkaian
4. Wayer
– wayer
Fungsi
: sebagai penghubung antara peralatan satu dengan peralatan yang lain
5. EHT (Earth
High
Tention)
Fungsi
: sebagai pembangkit
tegangan tinggi
pada rangkaian
6. LT
(Low Tention)
Fungsi
: sebagai pembangkit
tegangan rendah
pada rangkaian
7. Penggaris
Fungsi
: untuk mengukur jejak
penyimpangan elektron
8. Cok sambung
Fungsi
: sebagai pembagi sumber tegangan dari
PLN
9. Multimeter
Fungsi
: untuk mengukur arus dan
tegangan yang mengalir
10. Tisu Gulung
Fungsi
: untuk membersihkan semua peralatan
3.2.
Prosedur Percobaan
1. Disiapkan semua peralatan
percobaan
2. Dirangkai percobaan seperti
pada gambar percobaan
3. Dihubungkan EHT (6kV) dengan anoda pada tabung mata kucing
4. Dihubungkan LT (3kV) dengan katoda pada tabung mata kucing sehingga didapat perbedaan antara katoda dengan
anoda.
5. Dipasang kumparan pada tabung mata kucing agar terdapat medan elektromagnetik
pada tabung mata kucing.
6. Dihubungkan PSD, LT
dengan EHT agar terdapat beda potensial pada rangkaian.
7. Dihidupkan
PSA.
8. Dihidupkan LT (3kV).
9. Dihidupkan
EHT (6kV) sehingga dimuai tampa jejak
elektron.
10. Diatur arus dengan
menggunakan
ammeter dengan
kelipatan 10 mA.
11. Diukur perubahan arus setiap pertambahan
arus 10 mA.
12. Diukur jejak penyimpangan elektron
setiap pertambahan 10 mA.
13. Dilakukan percobaan
tersebut
sebanyak dua kali.
14. Dicatat hasil percobaan
pada data percobaan.
3.3 Gambar Percobaan
(Terlampir)
BAB IV
HAIL DAN ANALISA
BAB V
KESIMPULAN
DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
1.
Ratio muatan dan massa electron
merupakan elektron yang bergerak dengan lintasan melingkar dengan jari-jari lintasan r dan terdiri dari kumparan yang
memiliki lilitan dan arus yang melalui kumparan tersebut. Maka secara sistematis
ratio e/m dapat ditentukan dengan menggunakan rumus :
Secara teori yaitu 1,75 x 1011 C/kg dan didapat ratio muatan dan massa elektron secara praktek :
· Tegangan (V) tetap (180 Volt), arus listrik (I) berubah-ubah
·
(
·
(
·
(
·
(
·
(
·
(
· Arus listrik (I) tetap (1,8 A), tegangan (V) berubah-ubah
·
(
·
(
·
(
·
(
·
(
·
(
2. Hubungan antara arus (I) dan tegangan (v) dengan jejak elektron adalah:
Berbanding lurus dengan jejak elektron, artinya semakin besar beda potensial (v) dan arus (I) yang mengalir, maka jejak elektron juga akan semakin jauh menyimpang dari keadaan semula. Lintasan lingkaran (jejak elektron) tersebut akan berubah menjadi lebih kecil jika tegangan yang diberikan tetap dan arus dinaikkan, dan berubah akan menjadi lebih besar jika diberi kuat arus tetap dan tegangan di perbesar.
3. Cara kerja tabung mata kucing adalah EHT terhubung
dengan anoda pada tabung mata kucing dan LT terhubung dengan katoda pada tabung
mata kucing sehingga didapat perbedaan antara katoda dengan anoda. Ketika anoda
dan katoda diberikan beda potensial pada kumparan, maka elektron-elektronnya
ditembakkan dan dipercepat dalam medan listrik. Pada LT dan EHT terdapat medan
elektromagnetik yaitu terlihatnya jejak elektron Jejak electron tersebut
terlihat ketika terjadi penambahan arus.
4. Aplikasi dari percobaan penentuan ratio e/m ini adalah pada monitor komputer, osiloskop dan pesawat televisi. Pada pesawat televisi yaitu pada bagian tabung tv terdapat filamen yang akan melepaskan sejumlah elektron yang akan membentuk layar fosfor sehingga terpendar dan akan menghasilkan gambar.
DAFTAR PUSTAKA
Ghoshal, S. 1991. Atomic Physics Modern Physics. New Delhi: S. Chand & Company Ltd
Pages : 15-17
Jumini, S. 2018. FISIKA INTI. Edisi Pertama.
Wonosobo : Mangkubumi Media
Pages : 4-5
Rajam, J. 1950.
Atomic Physics. First Edition. New
Delhi : S. Chand & Company Ltd
Pages : 34-35
Wiyatmo, Y. 2012. FISIKA NUKLIR. Edisi Ketiga.
Yogyakarta : Pustaka Pelajar
Halaman : 104-105
