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 (Fm = 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.