unit docx

PENGUKURAN BERDASARKAN PERCOBAAN J. J. THOMPSON

Rustam Hafid, Muhammad Amin, Andi Asliani, Riningsih, Nur Awa

Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPAUniversitas Negeri Makassar

Abstrak. Telah dilakukan ekperimen tentang pengukuran e/m berdasarkan percobaan J. J. Thomson yang bertujuan untuk memahami prinsip kerja dari percobaan J. J. Thomson, dan menentukan nilai e/m partikel elektron. Prinsip kerja dari percobaan J. J. Thomson ini, tegangan pemercepat (V) mengakibatkan filamen pada katoda menyala yang akhirnya akan membuat elektron menuju ke anoda dengan lintasan lurus. Namun, pada saat mencapai medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz yang dialiri arus listrik (I), membuat lintasan elektron menyimpang dari lintasan awalnya hingga berubah menjadi lingkaran. Lintasan elektron yang diakibatkan oleh kumparan Helmholtz berupa lingkaran yang akan berubah menjadi lebih kecil jika arus kumparan Helmholtz diperbesar, dan akan berubah menjadi lebih besar jika beda potensial (tegangan pemercepat elektron) dinaikkan. Dalam eksperimen ini akan ditentukan Jari-jari berkas lintasan elektron (r) dengan mengamati diamter yang terbaca pada perangkat perocabaan terlebih dahulu. Untuk penentuan e/m menggunakan persamaan .Nilai e/m yang diperoleh pada eksperimen ini dapat dilihat sebagaimana pada tabel 2 berdasarkan pada kenaikan kuat arus listriknya. Melalui analisis grafik, nilai e/m yang diperoleh adalah .

KATA KUNCI: tegangan pemercepat, kumparan Helmholtz, jari-jari berkas lintasan elektron, e/m.

PENDAHULUAN

Contoh penggunaan pemilih kecepatan adalah percobaan terkenal yang dilakukan oleh J.J Thomson pada tahun 1897 dimana ia menunjukan bahwa sinar dalam tabung katoda dapat dibelokan oleh medan listrik dan medan magnetik sehingga dapat diketahui bahwa sinar tersebut mengandung partikel-partikel yang bermuatan listrik. Dengan mengukur besarnya penyimpangan partikel sinar yang disebabkan oleh medan listrik dan medan magnetik ini, Thomson dapat menunjukan bahwa semua partikel memiliki perbandingan muatan terhadap massa (e/m) relatif sama. Ia juga menunjukan bahwa partikel dengan perbandingan muatan terhadap massa ini dapat diperoleh dengan menggunakan sembarang bahan untuk katodanya. Partikel yang terkandung dalam sinar ini, sekarang disebut elektron dan merupakan bahan dasar seluruh materi. Pengukuran e/m berdasarkan percobaan J. J. Thomson yang bertujuan untuk memahami prinsip kerja dari percobaan J. J. Thomson, dan menentukan nilai e/m partikel elektron.Penentuan nilai perbandingan elektron (e) dan massa alektron (m) dapat diperoleh dengan mengukur jari-jari sinar katoda (r) pada setiap nilai arus kumparan Helmholtz (I) dengan menetapkan nilai tegangan pemercepat (V). Hubungan antar ketiganya dapat diketahui dari sifat-sifat kumparan Helmholtz yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat lintasan elektron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda. Nilai diperoleh dari hubungan gaya antara gaya sentripetal elektron dan gaya Lorentz.

TEORI

Model struktur atom pertama adalah yang dikemukakan oleh J. J. Thompson yang telah terkenal karena keberhasilannya mencirikan elektron dan mengukur nisbah muatan terhadap massa elektron. Model atom Thompson ini berhasil menerangkan banyak sifat atom yang diketahui seperti: ukuran, mass, jumlah elektron, dan kenetralan muatan eltrik. Dalam model ini, sebuah atom dipandang mengandung Z elektron yang dibenamkan dalam suatu bola bermuatan positif seragam. muatan positif total bola adalah Ze, massanya pada dasarnya adalah massa atom (massa elektron terlalu ringan sehingga tidak banyak mempengaruhi massa atom), dan bahwa jari-jari R bola ini adalah jari-jari atom pula. (Model ini seringkali dikenal dengan nama model kue puding prem atau pulm pudding, karena elektron-elektron tersebar di seluruh atom seperti halnya kismis yang tersebar dalam kue puding prem atau roti kismis). Aspek penting dari pengukuran e/m Thompson adalah bahwa dia dapat nilai tunggal untuk kuantitas ini. Nilai ini tidak tergantung pada bahan katoda, gas residu dalam tabung itu, atau apapun tentang eksperimen itu. Ketergantungan ini memperlihatkan bahwa partikel-partikel dalam susunan itu, yang kita namakan elektron, adalah pembentuk bersama dari semua materi. Jadi Thompson diberi penghargaan atas penemuan dari paartikel subatomik pertama, yakni electron. Dia juga mendapatkan bahwa laju electron dalam sinar itu kira-kira sepersepuluh laju cahaya, yang jauh lebih besar dari pada setiap laju partikel materi yang diukur sebelumnya.Eksperimen ini serupa dengan eksperimen J.J. Thompson yang dilakukan pada tahun 1897. Pada eksperimen ini, berkas elektron dipengaruhi oleh gaya magnetik . Gaya magnetik tersebut berperan sebagai gaya sentrifugal . Oleh karena itu, dengan menyamakan kedua gaya tersebut kita dapat menuliskan persamaan.

(1)

(2)

(3)

(4)

Elektron dipercepat melalui potensial pemercepat V, dengan demikian energi kinetik elektron adalah

(5)

(6)

Subtitusi persamaab (6) ke persamaan (4)

(7)

(8)Diperoleh persemaan sebagai berikut(9)dimana (10)Dengan V = tegangan pemercepat (volt), I = kuat arus kumparan Helmholtz (A), dan r = jari-jari berkas elektron (m). Thomson mengukur e/m dan mendapatkan suatu nilai yang tidak bergantung pada bahan katodanya dan sisa gas dalam tabung. Ketidakbergantungan ini menandakan bahwa korpuskul katoda merupakan unsur yang terdapat pada semua zat. Harga muktahir untuk e/m itu ialah Dengan demikian Thompson-lah yang dipandang sebagai penemu partikel subatom, yaitu elektron[3].METODOLOGI EKSPERIMENPertama-tama dilakukan yaitu menghubungkan kabel discharge tube power supply ke stabilizer 110 volt dan memeriksa rangkaian listrik .

GAMBAR. Rangkian percobaan

Kemudian mengatur kuat arus kumparan Helmholtz sehingga terlihat filamen menyala dan mengatur tegangan anoda hingga tampak berkas elektron keluar dari penembak elektron dan akan melengkung akibat kehadiran medan magnet dari kumparan helmholtz dengan diameter 10 cm yang diukur dengan mistar dalam tabung vakum. Mencatat penunjukkan tegangan anoda, kuat arus kumparan Helmholtz, dan diameter berkas elektron pada tabel pengamatan. Setelah itu, mengatur kuat arus kumparan Helmholtz hingga diameter berkas elektron 9,5 cm dan tegangan anoda dibuat konstan. Mencatat penunjukkan tegangan anoda, kuat arus kumparan Helmholtz, dan diameter berkas elektron pada tabel pengamatan. Mengulangi pengaturan kuat arus sampai diameter berkas elektron mengecil dengan selisih 0,5 cm hingga pada diameter 7,5 cm. Mencatat setiap penunjukkan tegangan anoda, kuat arus kumparan Helmholtz, dan diameter berkas elektron pada tabel pengamatan. Kuat arus kumparan Helmholtz dibuat konstan, kemudian mengatur tegangan anoda hingga tampak diameter berkas elektron membesar dengan kenaikan 0,5 cm hingga diameter berkas elektron kembali 10 cm. Mencatat setiap penunjukkan tegangan anoda, kuat arus kumparan Helmholtz, dan diameter berkas elektron pada tabel pengamatan.

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA

Hasil PengamatanJari-jari kumparan Helmholtz, a= 5x10-2 mTegangan Pemercepat,V= 170 voltNST mistar= 0,5 cm

TABEL. Hubungan antara Tegangan Pemercepat (V), Kuat Arus Kumparan Helmholtz (I) dan Diameter Berkas Elektron (d)NoTegangan Pemercepat, V (volt)Kuat Arus Kumparan Helmholtz, I (A)Jari-Jari Berkas Elektron, r (cm)

1

2

3

4

5

6

7

8

Analisis Data

Dengan menggunakan persamaan

dimana

dengan ketidakpastian kuat medan magnet (B)

dan ketidakpastian

Dengan menyuubtitusi nilai yang telah dihitung sebelumnya ke persamaan

A. Analisis Perhitungan1. Untuk data 1

2. Untuk data 2

3. Untuk data 3

4. Untuk data 4

5. Untuk data 5

6. Untuk data 6

7. Untuk data 7

8. Untuk data 8

B. Analisis Ketidakpastian1. Untuk data 1

2. Untuk data 2

Menghitung besar kesalahan relatif

3. Untuk data 3

Menghitung besar kesalahan relatif

4. Untuk data 4

Menghitung besar kesalahan relatif (KR)

5. Untuk data 5


6. Untuk data 6


7. Untuk data 7


8. Untuk data 8


Nilai rata-rata yang di peroleh adalah

C. Analisis Grafik

GAMBAR 2. Grafik hubungan r2 terhadap (1/I2)Analisis data

= 0,0299 x 104

dimana

dimana 0,0299 x 104Jadi

= x 104= 1,671KetidakpastianDK = R2 x 100%= (0,9978) x 100%= 99,78 %KR = 100% - DK= 100% - 99,78 % = 0,22 %

= 0,0022 x 1,671= 0,0037

=

Berdasarkan analisis data, diperoleh nilai e/m pada kisaran kuat arus listrik yang semakin dinaikkan. Nilai ini kemudian dapat dianalisis sehingga nilai e/m dapat diperoleh yang kemudian dibandingkan dengan nilai e/m pada teori yakni 1.75 x 10^11 Ckg. Nilai teori ini memiliki selisih yang kecil dengan nilai e/m yang didapat pada analisis data pada eksperimen ini dengan rentang kesalahan relatif dibawah 5% yang menyatakan bahwa eksperimen yang telah dilakukan berhasil. Adapun nilai kesalahan ini disebabkan dari ke-kurang cermat-an praktikan saat mengambil data tepatnya pada saat membaca pembacaan jari-jari berkas elektron. Nilai e/m teori juga memiliki selisih yang kecil dengan yang diperoleh melalui analisis grafik yakni |1,6710,003|x10^11 Ckg. SIMPULAN

Prinsip kerja dari percobaan J. J. Thomson ini memanfaatkan penembak elektron untuk menembakkan elektron ke dalam tabung vakum, yang kemudian lintasan dari elektron tersebut yang sebelumnya merupakan garis lurus, lintasan berubah menjadi lingkaran akibat medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz yang diberikan kuat arus listrik. Diameter berkas lintasan elektron (lingkaran) inilah yang akan diukur menggunakan penggaris yang kemudian ditentukan jari-jarinya, lalu menentukan nilai e/m dari elektron tersebut yang persamaannya terletak pada bagian teori dalam laporan ini.Besarnya nilai e/m berdasarkan grafik yang diperoleh dari hasil analisis data adalah |1,6710,003|x10^11 Ckg.

REFERENSI

[1]Krane S., Kenneth. 1992. Fisika Modern. Universitas Indonesia. Jakarta.

[2]Subaer, dkk. 2014. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.

[3]Zemanky, Mark dan Francais Weston Sears. 1962. Fisika untuk Universitas (terjemahan Nabris Chatib). Jakarta

unit docx

Documents