Menentukan Ratio e PER m

BAB I

PENDAHULUAN

1.1              Latar Belakang

Seberkas sinar katoda dihasilkan oleh katoda dan anoda dengan cara yang biasa dalam tabung sangat vakum. Hal tersebut memberikan kesimpulan bahwa elektron merupakan partikel fundamental yang ada dalam semua atom, yang sampai sekarang terbukti kebenarannya bahwa semua atom mengandung jumlah integral elektron. Jika suatu gas ditempatkan dalam tabung kaca di antara dua keping penghantar listrik, dan diberi beda potensial listrik di antara keduanya, maka arus akan melewati gas tadi, besarnya arus dapat diukur dalam rangkaian eksternal yang menghubungkan kedua keping logam tersebut. Ketika sebuah elektron bertumbukan dengan positron, keduanya kemungkinan dapat saling berhambur ataupun musnah total.

Setelah perbandingan muatan terhadap massa elektron ditentukan, maka diperlukan eksperimen berikutnya untuk menentukan nilai dari muatan dan massa elektron, hal ini dapat ditentukan dengan melakukan praktikum sehingga didapat nilai rasio muatan dan massa elektron secara praktek dengan menggunakan alat tabung mata kucing. Dengan dilakukan praktikum ini kita juga dapat melihat jejak elektron yang terdapat dalam tabung mata kucing.

1.2            Tujuan

1.    Untuk menentukan rasio muatan dan massa elektron secara praktek (metode lain  
dari pembelokan medan magnet) dengan menggunakan tabung yang sama.

2.    Untuk mengetahui hubungan arus dengan jejak elektron.

3.    Untuk mengetahui cara kerja atau prinsip kerja tabung mata kucing.

4.    Untuk mengetahui hubungan antara floresensi dengan fosforesensi..

5.    Untuk mengetahui aplikasi dari penentuan rasio e/m.

BAB II

DASAR TEORI

Elektron adalah partikel sebuah atom yang umumnya ditulis sebagai e^- dan bermuatan negatif. Elektron memiliki massa sekitar 1/1836 massa proton. Elektron tidak memiliki komponen dasar ataupun substruktur apapun yang diketahui, sehingga ia dipercayai sebagai partikel elementer. Momentum sudut (spin) instrinsik elektron adalah setengah nilai integer dalam satuan yang berarti bahwa ia termasuk fermion. Ketika sebuah elektron bertumbukan dengan positron, keduanya kemungkinan dapat saling berhambur ataupun musnah total, menghasilan sepasang (atau lebih) foton sinar gama. Positron disebut sebagai antipartikel elektron, yang identik dengan elektron, tapi bermuatan positif. Elektron, yang termasuk ke dalam generasi keluarga partikel lepton pertama berpartisipasi dalam interaksi gravitasi, interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah. Sama seperti semua materi, elektron dapat bertumbukan dengan partikel lain dan berdifraksi seperti cahaya karena elektron memiliki sifat bak partikel maupun bak gelombang (dualitas gelombang-partikel). Oleh karena elektron termasuk fermion, dua elektron berbeda tidak dapat menduduki keadaan kuantum yang sama sesuai dengan asas pengecualian Pauli.

(http://www.scribd.com/doc/134828625/Rasio-Muatan-Dan-Massa-Elektron)

Elektron-elektron berputar mengelilingi inti atom sebagaimana bumi berputar mengelilingi matahari. Karena adanya suatu gaya tarik menuju inti yang mengandung proton (pembawa muatan positif) dalam jumlah yang sama besar dengan jumlah elektron, maka elektron-elektron berada pada satu kulit atau lebih, tertahan di lintasan-lintasan orbitalnya. Istilah yang diberikan untuk aliran elektron-elektron (atau pembawa muatan negatif) adalah arus listrik. Aliran arus konvesional pada suatu rangkaian adalah titik dengan potensial yang lebih positif ke titik dengan potensial negatif terbesar. Ketika arus mengalir melalui sebuah konduktor, akan terbentuk suatu medan magnetik di sekeliling konduktor tersebut. Karena muatan-muatan yang sejenis akan saling tolak–menolak dan muatan-muatan yang berbeda jenis akan saling tarik-menarik, elektron-elektron yang bermuatan negatif akan tertarik menuju proton-proton yang bermuatan positif. Prinsip yang sama dapat diamati pada sofat tarik-menarik antara dua magnet permanen, kedua kutub utara dari magnet-magnet tersebut akan saling tolak-menolak sementara dua kutub utara dan kutub selatan akan saling tarik-menarik.

Keberadaan medan magnetik itu sendiri dapat diketahui dengan menggunakan kompas (yang akan menyimpang dari posisi utara-elatan yang merupakan posisi normalnya). Jika dua buah konduktor berarus diletakkan berdekatan satu sama lainnya, medan magnet dari keduanya akan saling berinteraksi sehingga konduktor-konduktor tersebut akan mengalami gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak (bergantung pada arah relatif dari arus pada masing-masing konduktor). Kekuatan medan akan sebanding dengan arus yang dberikan dan berbanding terbalik dengan jarak tegak lurus dari konduktor. Kekuatan medan magnet memperlihatkan seberapa besar kerapatan dari fluks medan magnetik tersebut pada suatu titik tertentu. Maka :

B =  ……………………………………………………..(2.1)

Dimana B adalah kerapatan fluks magnetik (dalam tesla), I adalah arus (dalam ampere), d adalah jarak dari konduktor (dalam meter), dan k adalah konstanta. Dengan mengasumsikan bahwa mediumnya adalah vakum atau ruang hampa, kerapatan dari fluks magnetik akan diberikan oleh :

B =  ………………………………………………………..(2.2)

Dimana B adalah kerapatan fluks (dalam tesla), adalah permeabilitas ruang hampa (4π × 10^-7 atau 12,57 × 10^-7), I adalah arus (dalam ampere) dan d adalah jarak dari pusat konduktor (dalam meter).

(Michael Tooley, 2002)

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 atom Thomson berhasil menerangkan banyak sifat atom yang diketahui seperti: ukuran, massa, jumlah elektron, dan kenetralan muatan elektrik. Model struktur atom pertama kali dikemukakan oleh J.J Thomson, yang telah terkenal karena keberhasilannya mencirikan elektron dan mengukur nisbah muatan terhadap massa (e/m) elektron. (Model ini sering kali dikenal dengan nama model kue”puding prem”(plum pudding), karena elektron-elektron tersebar di seluruh atom seperti halnya kismis yang tersebar dalam kue puding prem atau roti kismis).

            Gaya pada sebuah elektron yang berjarak r dari pusat sebuah bola bermuatan positif berjari-jari R dapat dihitung dengan menggunakan rumus-rumus dasar elektrostatik. Fraksi volume sebuah bola berjari-jari r dari volume keseluruhan bola berjari-jari R sama dengan fraksi muatan dalam bola itu dari muatan Ze. Jadi,

q_dalam = Ze  = ……………………………………...(2.3)

Menurut hukum Gauss, medan elektrik pada jarak r dapat dicari dari muatan total yang terkandung di dalam boa berjari-jari r

 =  q_dalam....................................................................( 2.4)

Karena sifat simetri bola dari persoalannya, medan elektrik E tetap nilainya di seluruh permukaan bola, sehingga integralnya dapat langsung dihitung dengan hasil E.4 . Jadi,

E =     ………................................................................(2.5)

Dengan menggunakan persamaan (2.1) bagi muatan total yang terkandung di dalam bola, kita peroleh :

E =    r ……………………………………………….. (2.6)

Karena sebuah elektron dengan muatan e menderita gaya sebesar F = eE, maka

 F =  r = kr ……………………………………………(2.7)

Dengan k =  , gaya ini cenderung menarik elektron menuju pusat atom, sehingga hasilnya dapat memberantakkan atom. Gaya tambahan ini dipasok oleh gaya tolak-menolak antara elektron sehingga semua elektron tetap dalam kesetimbangan mantap. Oleh karena itu, harus ada gaya lain, yang melawan tarikan elektrik ini agar semua elektron dipertahankan tetap setimbang pada jari-jari r. Keadaan ini sama seperti yang dialami sebuah benda bermassa m yang tergantung pada sebuah pegas dengan tetapan pegas k, dalam medan gravitasi bumi. Gaya pegas yang dialami benda, yang besarnya F= kx, berlawanan arah dengan tarikan gravitasi bumi, yang besarnya F= mg. Bendanya setimbang di bawah tarikan kedua gaya yang berlawanan arah itu. Jika bendanya kita pindahkan sedikit jauh dari kedudukan setimbangnya, kemudian dilepaskan, ia akan bergetar (osilasi) dengan frekuensi v = (1/2  )  . Oleh karena itu, kita juga memperkirakan bahwa elektron-elektron dalam atom Thomson akan bergetar sekitar kedudukan setimbangnya dengan frekuensi v = (1/2  )   dengan k adalah tetapan. Karena muatan elektrik yang bergetar memancarkan gekombang electromagnet dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi getarnya, dapatlah kita perkirakan, bahwa berdasarkan model Thomson, semua frekuensi radiasi yang dipancarkan atom akan memperlihatkan frekuensi ciri khas ini. Kesulitan lain dari tafsiran ini muncul bilamana kita meninjau penyerapan radiasi oleh atom. Tentunya kita memperkirakan bahwa sebuah elektron dalam model atom Thomson memancarkan radiasi pada frekuensi getarnya, dengan akibat amplitudo getarnya menurun, atau menyerap suatu radiasi pada frekuensi yang sama pula, dengan akibat amplitudo getarnya meningkat. Sebagaimana dikemukakan sebelumnya, ternyata seringkali atom-atom tidak memancarkan atau menyerap radiasi pada frekuensi yang sama. Kenyataan ini sulit diterangkan oleh model atom Thomson. Kegagalan mencolok model atom Thomson muncul dari hamburan partikel (proyektil) bermuatan atom. Tinjaulah gerak sebuah partikel bermuatan positif yang menerobos sebuah atom. Karena adanya gaya elektrik dari atom terhadap partikel tersebut, maka lintasannya mengalami pembelokan yang cukup berarti dari arah gerak semulanya. Gaya-gaya tersebut adalah (1) gaya tolak yang ditimbulkan muatan positif atom dan (2) gaya tarik oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif.

Kita menganggap bahwa massa partikel yang dibelokkan tersebut lebih besar daripada massa elektron, tetapi lebih kecil daripada massa atom. Pada peristiwa interaksi antara partikel dengan sebuah elektron, gaya tari-menarik antara keduanya tentulah sama besar (menurut hokum ketiga newton), sehingga yang terutama merasakan akibatnya adalah elektron yang massanya jauh lebih kecil,sedangkan efeknya pada proyektil dapatlah diabaikan. (Bayangkan sebuah bola bowling yang menggelinding menerobos sekumpulan bola ping-pong). Karena itu, hanyalah muatan positif atom yang perlu kita tinjau sebagai penyebab pembelokan lintasan partikel. Semua atom mengandung elektron bermuatan negatif, namun netral. Pembelokan lintasan sebuah partikel, yang bergerak dengan laju v (kita menganggap v << sehingga dengan menggunakan mekanika tek relativistik, K = ½ mv²) sepanjang sebuah garis lurus berjarak b dari pusat atom seandainya tidak dibelokkan. Dengan alasan yang sama, kita abaikan pula gerak atom, yang lebih besar massanya, sebagai akibat pengaruh proyektil bermuatan yang lewat tersebut. Dengan demikian, percobaan kita adalah hamburan sebuah partikel bermuatan positif oleh bagian atom yang paling padat dan bermuatan positif dalam keadaan diam.                    

( Kenneth S.Krane, 2011 )

Sebuah partikel bermuatan q coulomb pada titik A, dimana potensialnya adalah Ф_A. Partikel bergerak dari A ke B, dimana potensialnya adalah Ф_B. Anggap bahwa kecepatan awal partikel di A adalah V_o kemudian kecepan di B adalah V. Dimana V memenuhi persamaan berikut:

¹/₂mv² = ¹/₂mv_o² + q(Ф_A-Ф_B) ………………..………………….(2.8)

(energi kinetik di B bila q berjalan dari A ke B)

Ingat bahwa persamaan (2.8) diperoleh berdasarkan prinsip kekekalan energi. Kecepatan v dapat diperoleh dari persamaan ini tanpa perlu mengetahui rincian gaya pada partikel bermuatan. Dalam subbab ini kita menghitung gaya Lorentz dan kemudian menggunakan hukum N ewton untuk mencari lintasan dari partikel bermuatan sehingga menunjukkan bahwa, jika fungsi potensial diketahui dari medan E dan jika perhitungan lintasan diperlukan, kecepatan dari sebuah partikel bermuatan dapat diperkirakan secara langsung, Energi kinetik dari partikel bermuatan di titik A sama dengan energi potensial qVdimana partikel berhenti agar dapat mencapai kecepatan akhirnya v, jadi

          ¹/₂  mv² = qV ……………………………………………….... (2.9)

Yang menghasilkan

          v = ……………………………………..……………………. (2.10)

untuk sebuah elektron dengan muatan q = -1,6 × 10^-19 C dan massa m = 9,11 × 10^-31 kg yang bergerak melalui beda potensial V = -100 volt, kecepatan elektronnya akan menjadi v = 5,93 × 10⁶ m/s kita juga harus mengingat bahwa, jika v mendekati kecepatan cahaya, kita harus memperhitungkan efek relativitas. Massa elektron akan menjadi m(1 - v²/c²)^-1/2, dimana c adalah kecepatan cahaya. Dalam satuan SI, energi dinyatakan dalam Joule. Satuan ini terlalu besar untuk diterapkan dalam fisika atom. Satu elektronvolt adalah satu satuan energi yang didapat oleh sebuah electron setelah melintasi sebuah potensial sebesar satu volt. 1 eV = -1.6 x 10^-19 J.

(Liang Chi Sheng, 2001)

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1     Peralatan dan Fungsi

1.        Tabung mata kucing

Fungsi : sebagai tempat untuk melihat terjadinya penyimpangan jejak elektron.

2.        Kumparan

            Fungsi : untuk membangkitkan medan magnetik didalam tabung mata kucing.

3.        Ammeter

Fungsi : sebagai mengukur besarnya arus pada rangkaian.

4.        PSA

Fungsi : sebagai sumber tegangan pada rangkaian.

5.        Wayer – wayer

Fungsi : sebagai penghubung antara peralatan satu dengan peralatan yang lain.

6.        EHT (Earth High Tention)

Fungsi : sebagai pembangkitkan tegangan tinggi pada rangkaian

7.        LT (Low Tention)

Fungsi : sebagai pembangkit tegangan rendah pada rangkaian

8.        Penggaris

Fungsi : untuk mengukur jejak penyimpangan elektron

9.        Cok sambung

Fungsi : sebagai pembagi sumber tegangan dari PLN

10.     Multimeter

Fungsi : untuk mengukur arus dan tegangan yang mengalir

11.    Tissue Gulung

Fungsi : untuk membersihkan semua peralatan

12.    Voltmeter

Fungsi : sebagai pengukur tegangan

3.2       Prosedur

  1. Dibuat rangkaian peralatan seperti gamabar di bawah ini:

2.    Dihubungkan EHT (6 kv) dengan anoda pada tabung mata kucing

3.    Dihubungkan LT (3kv) dengan katoda pada tabung mata kucing sehingga di dapat

perbedaan tegangan antara katoda dengan anoda.

4.    Dipasang kumparan pada tabung mata kucing agar terdapat beda potensial pada

rangkaian.

5.    Dihubungkan PSA, LT dengan EHT sehingga terdapat medan elektromagnetik pada

tabung mata kucing

6.    Dihidupkan PSA

7.    Dihidupkan LT (3kv)

8.    Dihidupkan EHT (6kv) sehingga dimulai tampak jejak elektron.

9.    Diatur arus dengan menggunakan ammeter dengan kelipatan 10 mA.

10.  Diukur perubahan arus setiap pertambahan arus 10 mA.

11.  Diukur jejak penyimpangan elektron setiap pertambahan 10 mA, dengan

menggunakan penggaris.

12.  Dilakukan percobaan tersebut sebanyak 2 kali.

13.  Dicatat hasil percobaan pada data percobaan.

3.3       Gambar

(Terlampir)

DAFTAR PUSTAKA

Krane, Kenneth S. 2011. “FISIKA MODERN” . Jakarta : Universitas Indonesia.

           Halaman :221-224.

Sheng, Liang C. 2001. “APLIKASI ELEKROMAGNETIK”.Edisi ketiga. Jakarta: Erlangga.

            Halaman :49-50.

Tooley, Michael. 1994. “RANGKAIAN ELEKTRONIK”Edisi Kedua. Jakarta: Erlangga.

            Halaman :5-12.

http://www.scribd.com/doc/134828625/Rasio-Muatan-Dan-Massa-Elektron

Tanggal Akses : 12 November 2013

Pukul : 19.25 WIB