Percobaan Thomson

Gambar berikut ini memperlihatkan tabung kaca yang hampir hampa udara yang di dalamnya terdapat dua elektrode, yaitu katode (negatif) dan anode (positif). Ketika antara katode dan anode diberi beda potensial yang sangat tinggi, berkas sinar terpancar dari katode. Sinar tersebut dinamakan dengan sinar katode. Loncatan muatan listrik pada tabung lecutan gas merupakan permulaan dari penemuan elektron.

Membeloknya sinar katode ketika dilewatkan pada medan listrik dan medan magnet mengantarkan pada kesimpulan bahwa sinar katode terdiri atas partikel-partikel bermuatan listrik negatif. Selanjutnya, J.J. Thomson melakukan eksperimen untuk menentukan besar muatan partikel-partikel tersebut. Skema sederhana peralatan eksperimen Thomson diperlihatkan pada Gambar berikut.

Sinar katode (digambarkan sebagai sebuah muatan negatif yang besarnya e) dilewatkan pada daerah bermedan listrik (E) dan bermedan magnet (B) yang saling tegak lurus. Akibatnya, sinar katode mendapat gaya listrik (F=eE) dan gaya magnetik (F_m = evB) yang arahnya saling berlawanan. Besar medan magnet diatur sedemikian rupa sehingga besar gaya magnet sama dengan besar gaya listrik (evB = eE). Keadaan yang diharapkan terjadi adalah sinar katode merambat lurus dengan kecepatan yang memenuhi persamaan berikut.

       E

v = ----

       B

Selanjutnya, sinar katode melewati daerah bermedan magnet saja. Akibatnya, sinar katode akan dibelokkan dan menempuh lintasan melingkar dengan jari-jari R. Dalam hal ini, gaya magnet bertindak sebagai gaya sentripetal sehingga berlaku

            mv²

evB  = -----

            R

dan diperoleh

 e         v

----  = -----

 m       BR

dimana

       E

v = ----

       B

maka diperoleh

e          E

----  = -----

 m       B²R

Besaran-besaran E, B, dan R dapat diukur. Akan tetapi, meskipun muatan ee dan massa m tidak dapat ditentukan secara terpisah, perbandingan e/m  dapat ditentukan. Nilai e/m yang diterima saat ini adalah 1,76 x 10¹¹ C/kg. Sinar katode kemudian dikenal sebagai berkas partikel yang disebut elektron.

Meskipun Thomson tidak berhasil menentukan massa dan muatan elektron, tetapi ia yakin bahwa elektron memiliki massa yang jauh lebih kecil dari atom. Menurut Thomson, atom bukanlah bagian terkecil dari suatu unsur, melainkan tersusun oleh muatan-muatan positif (disebut proton) yang tersebar merata di seluruh atom dan dinetralkan oleh elektron-elektron.

Keyakinan Thomson terbukti setelah R. A. Millikan (1868-1953) berhasil menentukan muatan elektron melalui eksperimen yang disebut percobaan tetes minyak Millikan. Millikan menyemprotkan minyak melalui lubang kecil pada anode, seperti diperlihatkan pada Gambar berikut.

Tetes-tetes minyak akan masuk ke daerah bermedan listrik antara anode dan katode. Tetes-tetes minyak tersebut ada yang terus jatuh, ada yang diam, dan ada pula yang bergerak ke atas kembali ke anode. Millikan hanya mengamati tetes-tetes minyak yang diam karena pada keadaan tersebut berlaku persamaan

qE = mg

dengan: q = muatan tetes minyak (C), dan g = percepatan gravitasi (m/s²).

Melalui eksperimen ini, Millikan berhasil menentukan muatan elektron, yaitu e = -1,6 x 10-¹⁹ C.  Selain itu, Millikan juga menyimpulkan bahwa muatan benda merupakan kelipatan bilangan bulat dari muatan elektron. Selanjutnya, dengan menggunakan Persamaan

 e          E

----  = -----

 m       B²R

diperoleh massa elektron m = 9,11 x 10^-31 kg.

Contoh Soal

1.      Pada eksperimen Thomson, medan magnet dan medan listrik yang digunakan masing-masing bernilai 2 x 10^-4 T dan 3,52 x 10² V/m. Tentukan jari-jari lintasan elektron yang terukur sehingga menghasilkan e/m  = 1,76 x 10¹¹ C/kg.

Jawab

Diketahui: B = 2 x 10^-4  T , E = 3,52 x 10² V/m, dan e/m = 1,76 x 10¹¹ C/kg.

2.      Sebuah tetesan minyak mengandung muatan sebesar 3,2 x 10^-18 C. Berapakah jumlah elektron dalam tetesan minyak tersebut?

Jawab

Diketahui: muatan tetesan minyak q = 3,2 x 10^-18 C. Menurut hasil eksperimen Millikan, muatan benda merupakan kelipatan bilangan bulat dari muatan elektron  e = 1,6 x 10^-19 C.

Jumlah elektron n adalah

Latihan Soal

1.      Tuliskan pernyataan model atom menurut Dalton.

2.      Alasan apa yang mendasari Thomson dalam menyatakan model atomnya?

3.      Pada percobaan Thomson, berapakah kelajuan elektron saat melewati medan listrik dan medan magnet jika masing-masing besarnya 5 x 10² V/m dan 2,5 x 10^-4 T?

4.      Pada eksperimen tetes minyak Millikan, muatan sebuah tetes minyak yang diamati memiliki massa 4 x 10-^I5 kg dan mengandung 5 buah elektron. Dengan mengatur beda potensial antara dua keping, tetesan minyak tersebut dibuat diam di dalam ruang antara dua keping. Jarak antara dua keping 4,0 cm.

a.       Tentukanlah muatan tetesan minyak.

b.      Berapakah medan listrik antara dua keping?

c.       Tentukanlah beda tegangan antara dua keping.

LINK FISIKA

| HOME | TEORI ATOM DALTON |PERCOBAAN THOMSON | TEORI ATOM THOMSON | PERCOBAAN RUTHERFORD | TEORI ATOM RUTHERFORD | SPEKTRUM ATOM HIDROGEN | TEORI ATOM BOHR | TEORI ATOM MEKANIKA KUANTUM | BIL. KUANTUM UTAMA | BIL. KUANTUM ORBITAL | BIL. KUANTUM MAGNETIK | BIL. KUANTUM SPIN | EFEK ZEMAN |KONFIGURASI ELEKTRON|