Laporan Fisika Modern : Eksperimen Nilai e/m JJ Thomson

Percobaan 1

EksperimenJJ. Thomson

Disusun Oleh:

Nama : Dila Yolanda

Nim : 1303112164

Kelas : Fisika-B

Dosen : Drs. Walfred Tambunan, M.Si

Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

UNIVERSITAS RIAU

2015

EksperimenJ J. Thomson

TUJUAN PERCOBAAN

1.Menentukan nilai dari sinar elektron pada tabung J.J. Thomson, kemudian membandingkan nilai sinar elektron dari teori.

2.      Memahami prinsip percobaan J.J. Thomson

TEORI

Pada tahun 1897 J.J. Thomson menyelidiki kelakuan sinar katoda. Sinar katoda adalah aliran elektron-elektron yang keluar dari katoda dan masuk ke anoda. Pada percobaannya Thomson berhasil menunjukkan bahwa sinar katoda merupakan partikel-partikel yang jauh lebih ringan dari pada atom dan berada di semua bentuk benda. Hal ini ditunjukkan dengan menentukan perbandingan muatan per massa elektron Partikel yang menjadi bagian dari sebuah atom tersebut dinamakan elektron. Interaksi medan magnet seragam dengan elektron yang bergerak menghasilkan lintasan elektron. Hal ini dikarenakan elektron mengalami gaya akibat medan magnet. Pada percobaan ini, medan magnet berasal dari kumparan koil Helmholtz yang menghasilkan medan seragam. Tabung berisi helium dilengkapi dengan senapan elektron dan pelat difeleksi.          .

Model struktur atom pertama adalah yang dikemukakan oleh J.J. Thomson yang telah terkenal karena keberhasilannya mencirikan elektron dan mengukur nisbah muatan terhadap massa elektron. Model atom Thomson ini berhasil menerangkan banyak sifat atom yang diketahui seperti: ukuran, massa, jumlah elektron, dan kenetralan muatan elektrostatik. 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). Thomson mengukur dan mendapatkan suatu nilai yang tidak bergantung pada bahan katodanya dan sisa gas dalam tabung. Dengan demikian Thomson-lah yang dipandang sebagai penemu partikel subatom, yaitu elektron.

Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui setelah percobaan yang dilakukan oleh J J. Thomson, yaitu dengan menggunakan peralatan tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan medan listrik dan medan magnet. Tabung sinar katoda adalah tabung hampa udara yang dibuat dengan memanfaatkan teknik pevakuman Geisler yang dapat memancarkan elektron dalam bentuk sinar katoda ketika saklar dihubungkan. Percobaan ini dilakukan oleh Julius plocker. Penentuan nilai perbandingan elektron (e) dan massa elektron (m) dapat diperoleh dengan mengukur jari-jari sinar katoda (r) pada setiap nilai arus kumparan Helmholtz (I) dengan beberapa 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 linear yang timbul akibat beda potensial antara katoda dengan anoda. Bertolak dari percobaan yang pernah dilakukan oleh Thomson tersebut, eksperimen ini mencoba untuk membuktikan kembali hubungan-hubungan tersebut.

Eksperimen ini berdasarkan pada eksperimen Thomson tersebut, yaitu penentuan nilai perbandingan elektron (e) dan massa elektron (m) yang secara teoritis bernilai= . Eksperimen ini penting, karena dari hasil eksperimen J.J. Thomson ditemukan sifat aneh pada sinar katoda. Keanehan ini terletak pada fakta bahwa rasio massa terhadap muatannya memiliki orde 1000 kali lebih kecil dibandingkan ion yang paling ringan yaitu ion hidrogen. Selain menentukan nilai perbandingan elektron (e) dan massa elektron (m) eksperimen ini juga dapat memberikan informasi karakteristik sinar katoda.

Pembahasan J J. Thomson ini dimulai dari pengamatan tabung sinar elektron berikut:

Jika plat katoda C dan anoda A dihubungkan dengan tegangan listrik DC sebesar V, maka elektron bergerak keluar dari plat katoda dengan kecepatan V_x, maka energi kinetik elektron :

  E_k =m V_x²     ..... (1)

Energi potesial elektron :

  E_p = eV      .....(2)

Karena elektron bergerak akibat tegangan listrik, maka :

E_k = E_p

mV_x² =  eV

V_x² = V

 V_x² =       .... (3)

Namun bila elektron bergerak dalam waktu t sejauh X, maka :

X = V_x . t

 t =      ..... (4)

Penyimpangan elektron di ujung plat ( P.Q) :

Y = V_{y .} t + a_{y .}t² =  a_y ( )²

  Y =  a_y     ..... (5)

Keterangan : a_{y =} percepatan ke arah _Y

Gaya listrik ke Y :

F_y = e . E

m . a_y = e . E

a_y =

sehingga : Y =      ..... (6)

Jika lintasan elektron membentuk kurva lingkaran maka sepanjang geraknya, elektron mengalami 2 buah gaya, yaitu :

1.Gaya sentripetal  F_s = m

2.      Gaya sentrifugal F_f = V_x . e B

Jadi , F_s = F_f

m = V_x . e B  =>   =     ..... (7)

Jika tabung sinar elektron diiris membujur, maka :

Dari ∆OU Z

O Z² = W Z² + OW²

R² = X² + (R-Y)²

R² = X² + R² – 2RY + Y²

2RY = X² + Y²

  R =     .....(8)

Jika    Y<< X, maka :

Y ᵙ 0

 R =    .....(9)

Di daerah

e E = V_x e B (jika lintasannya berbentuk lingkaran)

sehingga :    E = V_x . B   .....(10)

Subtitusi persamaan (10) ke persamaan Y, di bawah ini :

  Y =

 Y =     .....(11)

Dari persamaan (7) : =

Lalu di persamaan (3) :  V_x² =

Persamaan (3) dan persamaan (7) dikuadratkan, maka menghasilkan :

V_x ² = V  .....(*)

=    .....(* *)

Isikan persamaan (*) ke dalam persamaan (* *) sehingga :

=

= .....(12)

Dimana :

V= tegangan listrik yang digunakan (volt)

R= jari-jari berkas sinar elektron (cm,m)

B = kuat medan magnet (Weber/m²)

Nilai B diambil dari persamaan :

B = .....(13)

EKSPERIMEN

a)      Alat-alat yang digunakan:

1.      Tabung sinar elektron

2.      Power supply tegangan tinggi DC

3.      Power supply tegangan rendah DC variabel

4.      Kumparan sepasang kawat Helmholtz

5.      Voltmeter

6.      Amperemeter

7.      Kabel-kabel

b)     Gambar rangkaian:

c)      Prosedur eksperimen:

1.      Susunlah alat seperti gambar di atas.

2.      Pastikan alat-alat tersebut dalam keadaan Off (mati).

3.      Periksalah sambungan-sambungan kabel listriknya.

4.      Lihat kertas grafik sebagai layar di dalam tabung sinar elektron.

5.      Nyalakanlah Power Supply high Voltage sekitar 3V supaya sinar elektron kelihatan di dalam sinar elektron.

6.      Nyalakanlah DC Power Supply Voltage variabel agar sinar elektron terdeteksi sepanjang plat P dan plat Q.

7.      Catat jauhnya simpangan berkas sinar elektron ke arah X dan Y, pada kertas grafik.

8.      Catat nilai I dan catat nilai V  yang terbaca pada Multimeter.

9.      Ulangi percobaan seperti di atasuntuk nilai I dan V yang berbeda.

DATA dan PERHITUNGAN

Tabel Hasil Pengamatan

No.	I (Ampere)	V (Volt)	Y (m)	X (m)	R2 (m2)	B (Weber/m2)	(C/Kg)
1.	0,03	0,164	0,5x10-2	5,5x10-2	3,05x10-3	3,081x10-5	1,133x
2.	0,065	0,395	1x10-2	6,5 x10-2	4,325 x10-3	6,676x	0,41x
3.	0,09	0,55	1,5x10-2	7,5 x10-2	5,85 x10-3	9,243x	0,22x
4.	0,125	0,741	2x10-2	8,5 x10-2	7,625 x10-3	1,288x	1,171x
5.	0,165	0,95	2,5x10-2	9 x10-2	8,725 x10-3	1,694x	0,759x

Perhitungan

Diketahui :  N = 640 lilitan

                      a = 7cm = 7x10^-2m

I₁= 0,03A         V₁  = 0,164V      Y₁ = 0,5cm = 0,5x10^-2 m      X₁ = 5,5cm = 5,5x10^-2m

I₂ = 0,065A       V₂ = 0,395V      Y₂ = 1cm = 1x10^-2 m             X₂ = 6,5cm = 6,5x10^-2m

I₃ = 0,09A         V₃ = 0,55V         Y₃ = 1,5cm = 1,5x10^-2m      X₃ = 7,5cm = 7,5x10^-2m

I₄ = 0,125 A      V₄ = 0,741V       Y₄ = 2cm = 2x10^-2m             X₄ = 8,5cm = 8,5x10^-2m

I₅ = 0,165A       V₅ = 0,95V         Y₅ = 2,5cm = 2,5x10^-2m       X₅ = 9cm = 9 x10^-2m

Ditanya :

 , R², dan B.....?

Jawab :

² = X^{2 +}  Y²

1.      R₁² = (5,5x10^-2m)²  + (0,5x10^-2m)²

= 3,05x10^-3 m²

2.      R₂² = (6,5x10^-2m)²  + (1x10^-2m )²

=  4,325x10^-3 m²

3.      R₃² = (7,5x10^-2m)² + (1,5x10^-2m)²

=  5,85x10^-3 m²

4.      R₄²= (8,5x10^-2m)² + (2x10^-2m)²

=  7,625x10^-3 m²

5.      R₅² = (9 x10^-2m)² + (2,5x10^-2m)²

=  8,725x10^-3 m²

B  =

1.B_{1 =}

       =

         =

         = 3,081x10^-5 Weber/m²

2.B_{2 =}

         ⁼

         =

         = 6,676x Weber/m²

3.B_{3 =}

         =

         =

         =  9,243xWeber/m²

4.B₄ =

          =

          =

          = 1,288xWeber/m²

5.B₅ =

         =

    =

    = 1,694x Weber/m²

=

1.=

     =

     = 1,133x C/Kg

2.=

     =

     = 0,41x C/Kg

3.=

     =

     = 0,22x C/Kg

4.=

     =

     = 1,171x C/Kg

5. =

     =

     = 0,759x C/Kg

PEMBAHASAN

            Pada percobaan e/m elektron ini, kita akan mempelajari sifat medan magnet dalam kumparan Helmholtz serta menentukan nilai e/m elektron. Nilai muatan e/m dapat ditentukan dengan percobaan yang dilakukan pada sebuah tabung vakum yang terdiri dari dua pelat logam yang berbeda, yaitu anoda (positif) dan katoda (negative) dan dikelilingi kumparan Helmholtz. Interaksi medan magnet yang dihasilkan kumparan Helmholtz dengan elektron yang bergerak akibat adanya arus akan mengahsilkan pembelokan lintasan. Ini tidak bisa dilihat dengan mata, makanya dalam pratikum, alat yang digunakan menggunakan zat tertentu, yaitu pada ruang vakum di dalam tabung kaca. Dimana akibat dari zat tertentu, sinar katoda (elektron dari katoda menembus atau menumbuk zat tertentu itu sehingga berbentuk seperti sebuah sinar) yang agak berwarna kebiru-biruan. Warna biru ini diakibatkan oleh panjang gelombang yang dicapai oleh elekron valensi zat tertentu ketika bertumbukan dengan elektron pada katoda.

Sinar yang pratikan lihat dari bola vakum tersebut adalah sinar berbentuk spiral atau bulat, diakibatkan oleh kumparan Helmholtz disekeliling bola vakum tersebut. Sehingga disini teradi gaya Sentripetal dan gaya Lorentz. Berdasarkan data hasil percobaan, kita dapat memperoleh hasil e/m elektron. Nilai yang kita peroleh ini bisa diperoleh secara analitik dan secara grafik. Kemudian kita membandingkan keduanya.

Nilai tegangan berpengaruh besar terhadap besarnya jari-jari lingkaran sehingga berpengaruh terhadap nilai e/m. Semakin besar nilai tegangan, maka lingkaran semakin besar, nilai e/m semakin kecil. Ini terjadi karena semakin besar tegangan yang diberikan, lingkaran yang merupakan lintasan yang akan dilalui elektron semakin besar pula, sehingga pergerakan elektron semakin melambat. Sebab itulah nilai e/m menjadi semakin kecil.

KESIMPULAN

            Tegangan pemercepat elektron mengakibatkan elektron terlepas dari katoda dan ditarik oleh medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan Helmholtz. Lintasan elektron berbentuk lingkaran akibat arah kecepatan elektron dibelokkan oleh medan magnet dari oleh kumparan Helmholtz sehingga mendapatkan gaya sentripetal pada lajunya. Besarnya jari – jari berkas elektron berbanding lurus dengan tegangan pemercepat dan berbanding terbalik dengan arus anoda. Lintasan yang berbentuk lingkaran tersebut akan berubah menjadi lebih kecil jika diberikan beda potensial tetap dan arus dinaikan, dan Lintasan yang berbentuk lingkaran tersebut akan berubah menjadi lebih besar jika diberi kuat arus tetap dan beda potensial dinaikkan.

DAFTAR PUSTAKA

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

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

Persentase kesalahan

% =│ x 100%

_teori  = = 1,756x10¹¹ C/kg

1.% = │ │x 100%

     =  0,35x100%

     =  35%

2.% = │ │x 100%

     =  0,76x100%

     =  76%

3.% = │ │x 100%

     =  0,87 x100%

     =  87%

4.% = │ │x 100%

     =  0,9x100%

     =  90%

5.% = │ │x 100%

     =  0,95x100%

     =  95%