isi prak esr

PRAKTIKUM ELEKTRON SPIN RESONANSI (ESR)

I. Tujuan Praktikum

1. 1 Menetukan medan magnet dengan frekuensi resonansi elektron yang berbeda-beda

1. 2 Menentukan tingkat energi dari elektron pada frekuensi resonansi

II. Alat-Alat Yang Digunakan

2. 1 ESR BU (Elektron Spin Resonansi Basic Unit)

2. 2 2 Coil helmhotz

2. 3 ESR (Elektron Spin Resonansi Control Unit)

2. 4 Osiloskop yang memiliki 2 chanel/saluran

2. 4 Ampermeter

2. 5 Kabel-kabel secukupnya

III. Landasan Teori

Resonansi spin electron dari suatu electron terhadap medan magnet luar yang diberikan kepada electron tersebut. Namun bila suatu electron berputar mengelilingi inti atom. Maka atom tersebut mempunyai moment magnet yang mirip dengan batang magnet yang berputar dimana moment magnet sejajar dengan batang magnetnya. ESR dijumpai pada electron yang mempunyai moment magnet dan momentum magnet. Disebut ESR karena pada putarannya electron tersebutm empunyai frekuensi yang paling tinggi. Sebagai contoh atom hydrogen (H+).

Jika electron berputar mengelilingi inti dengan frekuensi banyak putaran / detik adalah µ . Maka arus listrik yang dihasilkan electron :

i=ev . . . . . . . . ( 1 )

e : muatan electron ( coulomb )

v : frekuensi putaran ( 1/detik )

i : arus listrik (coulomb

detik=Ampere ¿

Momen magnet yang di timbulkan electron

µ=i A=ev . π r2

µ=π r2 .e v

Momentum sudut electron :

L=p ×r=m .V ×rPraktikum Elektron Spin Resonansi Page | 1

L=m.2π r .V ×rL=m2π Vr2

Resonansi spin elektron (ESR) adalah cabang spektroskopi penyerapan dimana radiasi yang memiliki frekuensi di daerah gelombang mikro diserapoleh zat paramagnetik untuk mendorong transisi antara tingkat energimagnetik elektron dengan spin berpasangan. Pemisahan energi magnetic dilakukan dengan menggunakan medan magnet statis.

ESR merupakan partikel bermuatan yang berputar di sekitar sumbu dan ini menyebabkan ia bertindak seperti sebuah magnet batang kecil. Dalam bahasa teknis kita mengatakan bahwa ia memiliki momen magnetik, yang disebut dengan magneton Bohr. Jika medan magnet luar tehubung dengan sistem, elektronakan menjadi sejajar sendiri dengan arah bidang dan proses disekitarsumbu ini. Perilaku ini analog dengan berputar dalam medan gravitasi bumi. Meningkatkan medan magnet akan mendorong elektron berproses lebih cepat dan memperoleh lebih banyak energi.

Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.

Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.

Elektron selain mengorbit inti, juga melakukan putaran (pusing) terhadap dirinya sendiri yang disebut spin. Ini dibuktikan melalui berbagai analisis eksperimen terhadap garis-garis halus (fine-structure) dengan mengijinkan atom dari berbagai materi melalui medan magnet eksternal baik yang homogen maupun tidak homogen. Walaupun sesungguhnya dari teori klasik elektromagnetik, bahwa ketika elektron mengelilingi inti masif pada orbit stasioner akan menghasilkan medan magnit internal.

Suatu elektron bergerak mengelilingi inti dengan kecepatan maka arus listrik akan timbul dalam atom tersebut. jika arus lsitrik yang timbul adalah luas permukaan atom yang dialiri arus maka moment magnet dari dipole magnet adalah:

µ = i x A ……………..(1)

Dimana :

I = Arus listrik (A)

A = Luas permukaan batang magnet (m2)

µ = Momen Magnet

Gerak orbital elektron dalam atom hidrogen juga bergantung dengan momentum sudut (L). Jika satu elektron berputar mengelilingi inti dengan melakukan putaran/detik, maka momen magnet elektron sebagai berikut :

i = -e υ ………….(2)Praktikum Elektron Spin Resonansi Page | 2

Sedangkan momentum sudut elektronnya adalah sebagai berikut :

μ= πr2υe…….….(3)

L = 2πυmr2..… …..(4)

Jika dibuat maka : μL= eπ r2 υ

2 πυ r2 m= e

2 m

Sehingga :

µ = e

2mL…………….(5)

Subtitusikan menghasilkan persamaan Magneton Bohr yaitu :

µB = e2me

h2 π

…………….(6)

Dimana :

µB = Magneton Bohr (5,79 x 10-5 eV/Tesla)

e = muatan elektron (1,6 x 10-19 C)

L = Momentum sudut

µ = Momen magnetik

h = Konstanta Planck (6,62 x 10-34 Js)

Menurut mekanika klasik bahwa elektron dianggap berbentuk bulatan kecil yang berputar mengelilingi inti dan mempunyai momentum sudut Ls dan momen magnet µs. kedua besaran ini saling berlawanan selama elektron berputar. Bila s merupakan bilangan kuantum elektron maka s = ½, sehingga secara empiris bahwa momentum sudut spin elektron dapat dinyatakan dengan :

LS = √s (¿ s+1)¿………………….(7)

S = + 12 maka elektron mengalami Spin Up

S = −12 maka elektron mengalami Spin Down

Setiap partikel/elektron bila bergerak dalam satu orbit tertentu, maka partikel ini akan memiliki momentum sudut orbital (L) dan momentum sudut Spin (S).

Dimana : LS = √ L(¿ L+1)¿

S = √s (¿ s+1)¿

Ket : = 0,1,2,3,….(n-1)

Praktikum Elektron Spin Resonansi Page | 3

Jika electron berputar dengan frekuensi υ perdetik, maka arus yang dihasilkan

i = e. υ

Putaran electron dipengaruhi oleh momen magnet electron (μs) dan momentum sudut electron (S) yang arahnya saling berlawanan. Momen magnet electron dapat dirumuskan sebagai berikut :

μSz=−gs μB msz

Dimana gs = factor spin electron (0,0231)

IV. Prosedur Percobaan

4. 1 Rangka alat-alat seperti gambar di atas

4. 2 Hubungan ESR CU dan osiloskop ke sumber PLN

4. 3 Hidupkan semua peralatan concan

4. 4 Mulailah memberikan frekuensi resonansi untuk elektron didalam bahan Cu dari 16 sampai 25 MHz dan seterusnya secara bertahap (pada ESR CU)

4. 5 Buat tegangan listrik untuk elektron yang beresonansi mulai dari 0,5 Volt-5 Volt secara bertahap pada

ESR CU

4. 6 Atur Tombol osiloskop supaya frekuensi dan tegangan diberikan membentuk pulsa pada layar osiloskop

4. 7 Catat data yang di tampilkan pada alat kedalam tabel percobaan

V. Tabel

No. f (MHz) V (Volt) I (A) CH 1 (Volt) CH 2 (Volt) Time/div (ms)1 16 0,5 0,0013 0,2 0,5 22 17 1 0,06 1 0,5 2


3 18 1,5 0,13 1 0,5 24 19 2 0,25 5 0,5 25 20 2,5 0,265 5 0,5 26 21 3 0,48 5 0,5 27 22 3,5 0,58 10 0,5 28 23 4 0,68 10 0,5 29 24 4,5 0,76 10 0,5 2

10 25 5 0,86 10 0,5 2

VI. Perhitungan

1. Diket : f = 16 MHz = 16 x 106 Hz

V = 0,5 Volt

Ditanya : B = ……?

Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32) (16 x106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 5.709 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(5.709 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 5,3 x 10−27 J

2. Diket : f = 17 MHz = 167x 106 Hz

V = 1 Volt


g = 2,0023

μB = 5,79 x 10−5 eV /T = 9.2732 x 10−24 J /T

ms= ± 1/2

t = 2 ms = 5 x 10−3 s

f = v


Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32) (17 x106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 6,066 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(6,066 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 5,637 x 10−27 J

3. Diket : f = 18 MHz = 18 x 106 Hz

V = 1,5 Volt


Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32) (18 x 106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 6,423 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(6,626 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 5,963 x 10−27 J

4. Diket : f = 19 MHz = 19 x 106 Hz

V = 2 Volt


Em = ……?


Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32) (19 x 106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 6.78 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(6.78 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 6,294x 10−27 J

5. Diket : f = 20 MHz = 20 x 106 Hz

V = 2,5 Volt


Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32) (20 x 106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 7,137 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(7,137 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 6,625x 10−27 J

6. Diket : f = 21 MHz = 21 x 106 Hz

V = 3 Volt


Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB


= (6,626 x10−32) (21 x 106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 7,493 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(7,493 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 6,956 x 10−27 J

7. Diket : f = 22 MHz = 22 x 106 Hz

V = 3,5 Volt


Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32) (22 x 106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 7,85 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(7,85 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 7,287 x 10−27 J

8. Diket : f = 23 MHz = 23 x 106 Hz

V = 4 Volt


Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32) (23 x 106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)


= 8,207 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(8,207 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 7,619 x 10−27 J

9. Diket : f = 24 MHz = 24 x 106 Hz

V = 4,5 Volt


Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32)(24 x106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 8,564 x 10−4 T

Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(8,564 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 7,95 x 10−27 J

10. Diket : f = 25 MHz = 25 x 106 Hz

V = 5 Volt


Em = ……?

Jawab : B = hv

g μB

= (6,626 x10−32) (25 x 106)(2.0023 )(9.2732 x10−24)

= 8,92 x 10−4 T


Em = g μB B ms

= (2,0023)(9.2732 x 10−24 ¿(8,92 x 10−4 ¿(± 1/2)

= ± 8,28 x 10−27 J

Tabe l data B terhadap f

No B (T) f (MHz)1 5.709 x 10−4 162 6,066 x 10−4 173 6,423 x 10−4 184 6.78 x 10−4 195 7,137 x 10−4 206 7,493 x 10−4 217 7,85 x 10−4 228 8,207 x 10−4 239 8,564 x 10−4 2410 8,92 x 10−4 25

5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.50

5

10

15

20

25

30

Grafik hubungan B terhadap f

f (MHz)

Tabel data Em terhadap f

No Em (J) f (MHz)1 ± 5,3 x 10−27 162 ± 5,637 x 10−27 173 ± 5,963 x 10−27 184 ± 6,294x 10−27 195 ± 6,625x 10−27 206 ± 6,956 x 10−27 217 ± 7,287 x 10−27 22


8 ± 7,619 x 10−27 239 ± 7,95 x 10−27 2410 ± 8,28 x 10−27 25

Table data B terhada p Em

No B (T) Em (J)1 5.709 x 10−4 ± 5,3 x 10−27

2 6,066 x 10−4 ± 5,637 x 10−27

3 6,423 x 10−4 ± 5,963 x 10−27

4 6.78 x 10−4 ± 6,294x 10−27

5 7,137 x 10−4 ± 6,625x 10−27

6 7,493 x 10−4 ± 6,956 x 10−27

7 7,85 x 10−4 ± 7,287 x 10−27

8 8,207 x 10−4 ± 7,619 x 10−27

9 8,564 x 10−4 ± 7,95 x 10−27

10 8,92 x 10−4 ± 8,28 x 10−27


0 2 4 6 8 10 120

5

10

15

20

25

30

Grafik hubungan Em terhadap f

f (MHz)

5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.50

1

2

3

4

5

6

7

8

9Grafik hubungan B terhadap Em

B

VII. Tugas Akhir

1. Bagaimana terjadi nya Resonansi Spin Electron?Resonanasi spin electron terjadi karena adanya pengaruh medan luar.

2. Bagaimana hubungan medan magnet sebagai fungsi terhadap frekuensi?Hubungan medan magnet (B) terhadap frekuensi (f) adalah berbanding lurus, dimana semakin besar medan magnet maka semakin besar pula frekuensi. Hal ini juga dapat kita lihat pada persamaan dibawah ini :

B= hυgμB

3. Faktor apa yang menyebabkan resonansi tersebut dan lakukan penganalisaannya?Faktor yang mempengaruhi resonansi adalah momen magnet dan presisi spin.

a. Momen magnet Partikel bermuatan listrik bergerak pada suatu orbit akan membentuk dipole magnet yaitu sepasang kutub magnet yang momen magnetnya sama besar. Momen magnet dari suatu dipole magnetic sama dengan besarnya arus kali luas bidang dipole magnet. Karena gerak magnet electron orbital dalam sebuah atom hydrogen bergantung dari momentum sudut L. besar dan arah L terhadap medan menentukan besar sambungan magnetic pada energi total atom jika terletak dalam medan magnet.

b. Presisi spinElektron memiliki momentum sudut intrinsic yang bebas dan momentum sudutorbitalnya yang berkaitan dengan momentum sudut itu terdapat momentum magnetic.Bilangan kuantum s yang diperbolehkan sama dengan ½ persyaratan ini diperoleh dari teori Direc.

VIII. Analisa


Berdasarkan percobaan electron spin resonansi dapat dianalisa dari data percobaaan bahwa semakin besa nilai frekuensi maka nilai arus ( I ) akan semakin besar artinya frekuensi dan arus itu berbanding lurus. Berdasarkan percobaan ini juga dapat diketahui bahwa nilai pada CH1 dan CH2 dapat ditentukan dengan tegangan yang telah ditetapkan pada pecobaan , maka nilai pada CH1 berbanding luus dengan tegangan artinya semakin tinggi tegangan maka nilai CH1 akan semakin besar, tetapi pada CH2 bernilai konstan.

IX. Kesimpulan

1. Begitu pula teerhadap hubungan Em dengan f, juga berbanding lurus.

2. Medan magnetik elektron tidak berpasangan dengan total momentum sudut dalam suatu medan magnetik dengan asumsi bagian energi yang diskrit.

3. Faktor g sedikit terdevisiasi dari elektron bebas (g=2.0023), dan frekuensi resonansi V dalam keadaan medan magnet 1m T kira – kira 78 MHz.

4. Konfigurasi sederhananya pada eksperimen pertama medan magnet yang memenuhi kondisi elektron ditentukan dari 3 frekuensi resonansi yang berbeda.

5. Jika diberikan frekuensi yang besar, maka nilai B yang diperoleh juga besar, dan sebaliknya jika diberikan frekuensi yang kecil, maka nilai B yang diperoleh juga akan semakin kecil.

6. Semakin kuat medan magnet yang dihasilkan, maka energinya juga akan semakin besar, sebaliknya semakin lemah kuat medan magnet yang dihasilkan, maka energinya juga akan semakin kecil.

Daftar Pustaka

Wiyatmo,yusman.2010.fisika atom(dalam perspektif klasik,semiklasik dan kuantum).Yogyakarta: Pustaka Pelajar

Beiser,Arthur.1992.konsep Fisika Modern.Jakarta: Erlangga

http://www.scribd.com/doc/54899414/Resonansi-Spin-Elektron-Esr Diakses tanggal 9 mei 2013

http://www.spin elektron resonansi.com Diakses tanggal 9 mei 2013


http://www.spin/

isi prak esr

Documents