Pengukuran e/m oleh Thomson - Fakultas keguruan dan ilmu pendidikan universitas muhammadiyah prof. Dr. Hamka jakarta selatan

Pengukuran e/m oleh Thomson
Sekarang kita akan membicarakan bagaimana Thomson mengukur perbandingan antara muatan dan massa, e/m, untuk apa yang disebutnya “korpuskul katoda”, tetapi disini kita sebut elektron. Alat yang dipakainya terdiri atas sebuah tabung dari gelas yang hampir hampa, sedangkan di dalamnya dipatrikan beberapa elektroda dari logam. Elektroda C ialah katoda dari mana elektron memancar. Elektroda A adalah anoda yang potensialnya positif dan dijaga agar tetap tinggi. Sebagian besar elektron ini membentur pada elektroda A tetapi sebagian bergerak terus melewati lubang kecil yang ada pada A. Selanjutnya elektron-elektron ini dihambat oleh elektroda A’ yang juga ada lubangnya. Maka terjadilah seberkas kecil elektron yang bergerak terus ke daerah antara kedua pelat ini elektron-elektron tersebut membentur ujung tabung seraya menyebabkan bahan fluoresen di S menjadi pijar.
Pelat defleksi P dan P’ dipisahkan oleh suatu jarak yang diketahui, sehingga bila perbedaan potensial antara pelat-pelat ini diketahui, maka medan listrik antara keduanya dapat dihitung. Kita anggap saja medan itu merata untuk jarak L antara kedua pelat dan nol di luarnya. Bila pelat atas P dibuat positif, medan listrik mendefleksi elektron-elektron negatif di atas. Sesudah meninggalkan daerah antara pelat, elektron ini bergerak melintasi daerah bebas-medan di luar pelat ke layar fluoresen di S. Perihal defleksi telah dibicarakan dalam bab sebelumnya, dimana kita memperoleh hasil:
30-5
Huruf E pada yE menandakan bahwa defleksi ditimbulkan oleh sebuah medan listrik.
Jika e/m dipandang sebagai satu-satunya faktor yang tak diketahui maka ada dua faktor yang diketahui dalam persamaan ini. Kecepatan awal v harus ditentukan sebelum e/m dapat dicari. Kita memerlukan sebuah persamaan lain yang mengandung kecepatan awal v, sehingga kecepatan yang tak diketahui dapat dieliminir antara persamaan baru ini dan persamaan di atas.
Gambar 30-5 Alat ukur Thomson guna mengukur perbandingan e/m sinar katoda
Thomson merumuskan sebuah persamaan lain lagi dengan memakai medan magnet yang tegaklurus baik pada berkas elektron maupun pada medan listrik. Dalam gambar 30-2 medan listrik dilukis tegaklurus pada halaman merata di mana-mana dalam daerah yang ditandai dengan silang-silang. Jadi semua elektron mengalami gaya listrik dan gaya magnet dalam ruang geometrik yang sama.
Gambar 30-6 memperlihatkan situasi bila hanya ada medan magnet.
Elektron negatif mengalami gaya awal ke bawah, tetapi gaya ini tidak konstan arahnya, sehingga dengan demikian elektron bergerak dalam lintasan yang melingkar. Persamaan lintasan ini dengan mengambil pusat ditengan lengkungan C, ialah:
Maka berdasarkan persamaan ini dan berdasarkan geometrik alat ukur tersebut (debail perhitungannya tidak akan diberikan disini), defleksi YM yang ditimbulkan medan magnet tadi ialah
30-6
Gambar 30-6 Defleksi magnetik sinar katoda.
Di sini perlu kiranya disinggung bahwa berkas elektron dalam tabung gambar pada semua televisi modern didefleksi oleh medan-medan magnet, seperti dalam gambar 30-6. Untuk menghasilkan gambar berukuran (luas) tertentu dengan cara defleksi listrik, diperlukan tegangan pendefleksi yang besar atau tabung yang lebih panjang.
Persamaan 30-6 mirip dengan persamaan 30-5. Persamaan tersebut mengandung e/m dan v, dan juga beberapa besaran yang dapat diukur, sehingga v dapat dieleminir, dan e/m dapat dicari. Adalah menarik untuk mengikuti cara Thomson menentukan v dengan memakai medan listrik dan medan magnet secara simultan. Jika medan listrik dan medan magnet ini disesuaikan diatur demikian rupa sehingga tidak ada penyimpangan pada layar, maka gaya medan listrik terhadap sebuah elektron akan terimbangi oleh gaya medan magnet. Maka
30-7
Untuk perbandingan antara kedua medan seperti ini khususnya, elektron itu bergerak lurus melewati kedua medan. Elektron tersebut tidak mendefleksi, dan karena itu pengukuran v tidak bergantung kepada geometri tabung. Kecepatan yang ditentukan berdasarkan hal ini dengan demikian dapat disubstitusikan ke dalam persamaan 30-6.
Thomson mengukur e/m “korpuskul katoda”nya dan mendapatkan satu harga untuk barisan ini, yang tak bergantung kepada bahan katoda dan sisa gas dalam tabung. Ketidakbergantungan ini mendapatkan bahwa korpuskul katoda itu merupakan unsur yang terdapat pada semua zat. Harga mutakhir untuk e/m itu ialah (1,758897 ± 0,000032) x1011 C kg-1. Dengan demikian maka Thomson lah yang dipandang sebagai penemu pertama partikel subatom, yaitu elektron. Ia menemuka pula bahwa kecepatan elektron itu dalam berkas yang dimaksud kira-kira seperseparuh kecepatan cahaya, jauh lebih besar dari pada kecepatan partikel materi yang sebelumnya pernah diukur.
Karena muatan elektron e 1,602x10-19 C dan perbandingan muatan terhadap massa e/m 1,759x1011 C kg-1, maka massa elektron
-
Sinar Positif
Dalam tahun 1886, Goldstein mengetahui bahwa bila dibuat beberapa celah pada katoda tabung pelepas muatan, akan muncul kilatan-kilatan cahaya dalam gas pada sisi jauh dari anoda. Jalur-jalur cahaya ini mula-mula disebut “channel rays” dan mudah dibuktikan bahwa partikel bermuatanlah yang menimbulkannya. Semua partikel ini bergerak dalam arah medan listrik yang menimbulkan pelucutan muatan, dan defleksi oleh medan magnet dan medan listrik dalam arah yang membuktikan bahwa muatan terhapat massa, sinar positif ini. Maka segera dapat diketahui bahwa q/m untuk sinar positif jauh lebih kecil daripada untuk elektron dan bahwa q/m itu bergantung kepada jenis gas yang tersisa dalam tabung. Kecepatan sinar positif itu ternyata tidak seragam dan jauh lebih kecil daripada kecepatan elektron.
Thomson memakai metode lain untuk mengukur q/m sinar positif yang kecepatannya tidak uniform ini. Gambar 30-7(a) memperlihatkan alat yang dipergunakannya. Pelucutan utama muatan terjadi dalam bola besar A disebelah kiri, dimana K adalah katoda dan D adalah anoda. Gas yang hendak diteliti diperlahan-lahan dibiarkan masuk melalui tabung L dan sekaligus dipompakan ke luar dari F. Dengan demikian gas itu menjadi selalu berada pada tekanan rendah. Sebagian besar sinar positif diproduksi dalam bola itu mengenai katoda dan memanaskannya. Katoda ini mempunyai “saluran” di dalamnya, sehingga sejumlah sinar positif itu melintas ke bagian kanan alat. Tepat disebelah kanan katoda M dan N, yaitu kutub-kutub sebuah elektromagnet. Ujung-ujung M dan N ini secara listrik disekat oleh lempengan I, sehingga bagian-bagian ujung magnet itu dapat pula dipergunakan sebagai pelat-pelat sebuah kapasitor untuk menimbulkan medan listrik. Tanpa adanya medan listrik ataupun magnet, sinar positif tadi bergerak lurus melalui ruang C ke lapisan peka di S. Lapisan peka ini dapat berupa emulasi pelat foto atau dapat pula berupa layar flouresen. Berkas sinar tersebut jelas sekali batas-batasnya berkat lubang sempit didalam katoda yang dilewatinya tadi. Tidak seperti medan-medan dalam aparat sinar positif itu tegaklurus pada sinar dan paralel satu sama lain. Medan listrik mengarah ke bawah dan medan induksi kemagnetan mengarah ke atas, sehingga dalam gambar 30-7(b) gaya listrik mengarah ke jurusan bawah halaman bawah sepanjang sumbu – y dan gaya magnet “ke luar” dari halaman buku menuju pembaca sepanjang sumbu – z.
Misalkan sebuah partikel q/m-nya tidak diketahui memasuki daerah antara pelat-pelat elektrik dengan kecepatan tak diketahui vx sepanjang sumbu – x. Jika panjang tempuhnya dalam tiap medan antara pelat-pelat itu L, maka partikel itu akan mempunyai percepatan ke bawah qE/m untuk waktu yang lamanya L/vx, sehingga kecepatan ke bawahnya ketika meninggalkan pelat adalah
Karena juga bergerak dalam medan magnet, partikel itu akan dipercetak dalam arah z sebesar qVxB/m untuk waktu yang lamanya L/Vx dan karena itu memperoleh kecepatan dalam arah z sebesar
Lama waktu yang dibutuhkan partikel itu menempuh jarak sejauh D di dalam ruang bebas medan di luar pelat ialah D/Vx, bila faktor waktu dan kecepatan sedah diketahui dan dimisalkan D L, kita dapat menghitung koordinat – y dan koordinat –z titik tempat partikel akan membentur. Kedua koordinat ini ialah
Kedua persamaan ini merupakan persamaan parametrik parabola, di mana Vx adalah parameternya. Karena Vx ini berbeda untuk tiap partikel dari jenis yang sama, maka pola pada layar bukanlah sebuah titik melainkan berupa kumpulan sejumlah titik. Dengan mengeleminir Vx persamaan di atas, maka didapatkan
yang tak lain ialah persamaan parabola.
Beberapa bentuk parabola yang diperoleh dengan metode Thomson diperlihatkan dalam gambar 30-8. Bahwasanya satu percobaan menghasilkan beberapa harga q/m, terlihat dari adanya beberapa parabola. Jelas kiranya bahwa metoda yang dipakai tidak mampu menghasilkan ketelitian yang tinggi karena parabola-parabola tersebut tidak tajam.
Gambar 30-7 (a) diagram aparat Thomson untuk analisis sinar positif. (b) Terbantuknya parabola sinar positif.
Thomson mengansumsikan bahwa tiap partikel sinar positif mengandung muatan yang sama dan berlawanan dengan muatan elektron, dan ia berpendapat bahwa muatan yang menyebabkan parabola-parabola itu berbeda-beda ialah masa yang berbeda-beda. Ia mengansumsikan bahwa sinar positif itu adalag positif karena masing-masing kehilangan satu elektron. Thomson dapat mengidentifikasi parabola tertentu berdasarkan ion tertentu. Jadi untuk atom hidrogen, ia dapat membuktikan bahwa q/m yang diukurnya sama dengan harga yang diperoleh bila muatan elektron dibai massa per atom. Sebab partikel positif bergerak lebih lambat dari elektron dan harga q/m-nya sekarang menjadi lebih jelas, partikel positif jauh lebih padat (massive). Harga q/m terbesar partikel positif ialah harga q/m partikel positif elemen teringan, yaitu hidrogen. Berdasarkan harga q/m ini ternyata bahwa massa ion atau proton hidrogen 1836,13 ± 0,01 kali massa elektron. Massa elektron merupakan bagian sangat kecil sekali dari massa benda nyata.
-
Isotop
Penemuan isotop memecahkan berbagai persoalan, penemuan ini menjelaskan dua parabola yang diamati Thomson dan memberikan penjelasan yang masuk akal tentang mengapa bobot atom neon 20,2. Berbeda begitu jauh dari harga integral. Jika neon kimiawi merupakan campuran neon yang bobot atomnya 20 dengan neon yang bila bercampur akan mempunyai bobot atom 20,2.
-
Spektroskopi Massa
Penelitian yang seksama menemukan isotop semua elemen memerlukan teknik lebih cermat. Aston-lah yang pertama-tama menciptakan apa yang disebut spectrometer massa (dalam tahun 1919), yaitu salah satu dari banyak alat untuk keperluan tersebut. Alatnya mempunyai ketepatan satu dibagi sepuluh ribu dan ia menemukan banyak elemen yang ada isotopnya. Tetapi yang akan kita bahas disini bukan alatnya, melainkan alat yang dibuat oleh Bainbridge. Spectrometer Bainbridge mempunyai sumber ion yang diletakkan diatas .ion melewati celah dan dan bergerak kebawah,kedalam medan listrik antara pelat P dan pelat P′. dalam daerah medan listrik juga ada medan magnet B yang tegak lurus pada kertas. Jadi ion masuk ke daerah medan listrik dan medan magnet yang bersilangan seperti yang dipakai oleh Thomson untuk mengukur kecepatan elektron dalam menemukan e/m. ion yang kecepatannya lain dihalangi oleh celah , semua ion yang keluar dari sama kecepatannya. Daerah persilangan kedua medan dinamakan selector kecepatan.
Dengan menganggap muatan pada masing-masing ion itu sama dank arena B′ dan v sama untuk semua ion, ternyata massa ion tersebut berbandingan dengan radio lintasanya. Ion isotop-isotop yang berlainan mengumpul diberbagai titik yang tidak sama pada pelat fotografi. Banyak relative isotop diukur berdasarkan kerapatan bayangan foto yang dihasilkan. Bilangan didekat bayangan isotop bukan menunjukkan berat atom isotop yang bersangkutan tetapi bilangan bulat yang berdekat pada berat atom. Bilangan-bilangan ini disebut bilangan massa atau nomor massa dan setiap isotop dituliskan dengan mencantumkan nomor massa sebagai superskrip symbol kimiannya. Nomor massa dilambangkan dengan huruf A.
Seperti dalam hal neon, penemuan isotop berbagai unsur membuktikan bahwa banyak berat atom zat kimia bukanlah bilangan bulat. Kalau nomor massa germanium 70,72,73,74 dan 76, tidak menghirankan bila campuran isotop germanium mempunyai berat atom kimia 72,6.
-
Berat Atom, Satuan Massa Atom
Salah satu dari banyak penemuan pertama dibidang spektroskopi massa ialah bahwa oksigen seperti yang terdapat dalam udara, oksida, sulfat dan sebagainya merupakan campuran tiga macam isotop. Berat atom campuran ini secara sekehendak diberi harga 16 dan bilangan ini secara bertahun-tahun dipergunakan sebagai dasar berat atom. Tetapi pada tahun 20-an dan 30-an aston dempster, Bainbridge dan lain-lainnya telah berhasil membuat spectrometer massa yang mampu mengukur dengan ketepatan yang demikian tingginya sehingga dirasakan perlu untuk memberikan bilangan 16 itu hanya untuk isotop oksigen yang terbanyak, sedangkan untuk dua isotopnya yang lain diberi sebutan dan .
Ahli-ahli kimia tidak mau menuruti ketentuan ini begitu saja, sehingga akibatnya ada dua system berat atom yang dipakai; selisih antara system yang satu dengan system yang lain kira-kira 275 per sejuta. Selain itu, beberapa konstanta universal seperti bilangan Avogadro dan konstanta universal gas, mempunyai selisih harga yang bergantung kepada dasar yang mana yang dipakai.
Sesudah terjadi banyak kekacauan dan berkali-kali diadakan konftensi internasional, para kimiawan dan fisikawan pada tahun 1961 akhirnya sepakat untuk memakai skala yang didasarkan atas ketentuan yang menetapkan bilangan 12 untuk isotop karbon stabil yang teringan dan terbanyak.satuan massa atom disebut amu (atomic mass unit), berdasarkan definisi ialah 1/12 massa . Karena massa sebuah atom sama dengan berat atom itu dibagai bilangan Avogadro, maka berdasarkan devinisi itu 1 amu sama dengan
Massa atom netral bila dinyatakan dengan amu disebut massa isotopnya. Harga yang tertera dibawah lambang kimia dalam petak daftar berkala yang dimuat dalam buku ini didasarkan atas system .
-
Siklotron
Silotron adalah sebuah alat yang mula-mula dibuat dalam tahun 1931 oleh ernest O lowrence dan M. Stanley Livingston diuniversitas California , Berkeley, dengan maksud untuk menghasilkan seberkas partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan tinggi. Meskipun sangat besar ukurannya dan alat rumit knstruksinya, tetapi teori dasar pengopersiannya boleh dikatakan mudah.
Bagian terpenting siklotron itu ialah sepasang ruang yang terbuat dari logam, berbentuk silinder yang terbelah melalui garis tengahnya. Misalkan sebuah ion muatannya q dan massanya m, keluar dari sumber ion S pada saat positif.ion itu dipercepat oleh medan listrik dalam celah antara kedua “D” lalu masuk kedaerah bebas medan didalam dengan kecepatan . Karena gerakkannya tegak lurus pada medan magnet, maka ion tersebut membentuk suatu lintasan berbentuk lingkaran yang radiusnya:
Lalu kecepatan sudut ion itu adalah:
Dari sini dapat kita lihat bahwa kecepatan sudut itu tidak tergantung kepada kecepatan ion dan kepada radius lingkaraan yang ditempuh, tetapi tergantung massa (q/m) ion. Karena itu medan listrik membalik dalam selang waktu yang teratur,tapi kalinya sama dengan waktu yang dibutuhkan ion untuk menjalani setengah lingkaran dan medan di dalam celah akan selalu cepat arahnya untuk mempercepat sebuah ion setiap kaliion itu menyeberangi celah.
Lintasan ion agak berbetuk sepiral, terdiri atas sejumlah busur yang hamper berbentuk lingkaran yang radiusnya secara berangsur-angsur makin besar dan dipersamungkan oleh segmen-segmen pendek.
Jika R adalah radius luar “D” dan kecepatan ion saat bergerak menjadi:
Dan energy kinetic ion adalah
Ion dapat selalu seirama dengan muatan listrik yang menyebebkan terjadinya bolak-balik dalam siklotron hanya bila kecepatan sudutnya konstan dank arena tergantung pada massa m ion, maka pertambahan relativistic massa menimbulkan tergantung kecepatan ekiuvalen
BAB III
KESIMPULAN
-
Kesimpulan
Dari penjelasan diatas maka dapat disimpulkan bahwa magnet alam adalah pecahan-pecahan kasar biji sejenis besi yang ditemukan dekat kota kuno magnesia, magnet alam bersifat menarik besi yang tidak magnetik; efek tarikan itu paling kontra dibagian tertentu magnet yang disebut kutub-kutubnya. Pada abad kesebelas magnet sudah dimanfaatkan oleh pelaut untuk navigasi.
Suatu titik dikatakan ada medan magnetic bila ada gaya bekerja terhadap sebuah muatan bergerak dititik itu.lalu medan magnet dapat dilukiskan dengan sejumlah garis yang disebut garis induksi;arahnya disetiap titik sama dengan arah vector induksi kemagnetan.
Pada orbit partikel bermuatan dalam medan magnet,usaha dan gaya kemagnetan terhadap partikel bermuatan selalu nol,karena gaya ini selalu tegak lurus pada arah gerak, dan bukan menambah atau mengurangi besar kecepatan. Untuk mengukur perbandingan antara muatan,massa, e/m Thomson menggunakan “korpuskul katoda” yang dalam makalah ini kita sebut elektron.alat yang dipakai terdiri dari sebuah tabung dari gelas yang hamper hampa, sedangkan didalamnya dipatrikan beberapa elektroda dari logam.
Selanjutnya Goldstein berhasil mengukur bahwa bilaa dibuat beberapa celah pada katoda tabung pelepas muatan, akan muncul kilatan-kilatan cahaya dengan gas pada sisi jauh dari anoda.jalur-jalur cahaya ini,mula-mula disebut “channel rays” dan mudah dibuktikan bahwa partikel bermuatan yang menimbulkannya.
Penemuan isotop memecahkan berbagai persoalan, penemuan ini menjelaskan dua parabola yang diamati Thomson dan memberikan penjelasan yang masuk akal tentang mengapa bobot atom neon 20,2. Berbeda begitu jauh dari harga integral. Spectrometer Bainbridge mempunyai sumber ion yang diletakkan diatas .ion melewati celah dan dan bergerak kebawah,kedalam medan listrik antara pelat P dan pelat P′. dalam daerah medan listrik juga ada medan magnet B yang tegak lurus pada kertas. Jadi ion masuk ke daerah medan listrik dan medan magnet yang bersilangan seperti yang dipakai oleh Thomson untuk mengukur kecepatan elektron dalam menemukan e/m. ion yang kecepatannya lain dihalangi oleh celah , semua ion yang keluar dari sama kecepatannya. Daerah persilangan kedua medan dinamakan selector kecepatan.
Sesudah terjadi banyak kekacauan dan berkali-kali diadakan konftensi internasional, para kimiawan dan fisikawan pada tahun 1961 akhirnya sepakat untuk memakai skala yang didasarkan atas ketentuan yang menetapkan bilangan 12 untuk isotop karbon stabil yang teringan dan terbanyak.satuan massa atom disebut amu (atomic mass unit), berdasarkan definisi ialah 1/12 massa . Karena massa sebuah atom sama dengan berat atom itu dibagai bilangan Avogadro, maka berdasarkan devinisi itu 1 amu sama dengan
Silotron adalah sebuah alat yang mula-mula dibuat dalam tahun 1931 oleh ernest O lowrence dan M. Stanley Livingston diuniversitas California , Berkeley, dengan maksud untuk menghasilkan seberkas partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan tinggi. Meskipun sangat besar ukurannya dan alat rumit knstruksinya, tetapi teori dasar pengopersiannya boleh dikatakan mudah.
DAFTAR PUSTAKA
D.Halliday, R.Resnick. Fundamentals Of Physics,edisi ke-2. New York.1981
Giancoli. Fisika Edisi Kelima Jilid-2.Jakarta: Erlangga.2001
Zemansky, Sears. Fisika Untuk Universitas 2 Listik Magnet. Bandung: Bina Cipta. 1962
|