TETES MINYAK MILIKAN DASAR TEORI

Transkripsi

1 TETES MINYAK MILIKAN I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Robert A. Milikan ( ) melakukan percobaan dengan meneteskan minyak melalui dua plat logam dengan beda potensial yang dapat diatur sehingga gaya elektrolistrik mampu membuat tetes minyak berhenti. Pada eksperimen tersebut, jatuhan minyak akan mengalami percepatan kebawah yang disebabkan oleh gaya gravitasi dan pada saat yang sama gerak tetes minyak tersebut dihambat oleh gaya stokes. Sehingga akan terjadi keseimbangan gaya gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik diantara dua plat konduktor tersebut. Dalam eksperimen minyak milikan, dibutuhkan Milikan Oil-drop Apparatus, adaptor DC 12 Volt, high voltage DC power supply, multimeter digital, atomizer + minyak, stopwatch, barometer, dan lampu halogen DC 12 Volt. Eksperimen ini dimulai dengan menyemprotkan Atomizer kedalam chamber yang telah dibuka setelah terisi pindahkan pada posisi ionisasi tunggu beberapa detik kemudian pindahkan ke posisi off. Dalam perlakuan ini, dilakukan pengamatan terhadap tetesan minyak yang telah disemprot tersebut pada mikroskop. Kemudian dilakukan pengaturan jarak dan waktu yang telah ditentukan baik pada saat kecepatan naik maupun turun. Dari hal tersebut, kemudian dihubungkan dengan persamaan yang sudah umum diketahui guna didapatkan nilai muatan elektron dengan hubungannya pada ketetapan Avogadro. Eksperimen tetes minyak Milikan merupakan eksperimen dalam menentukan muatan satuan elektron (e) dan bilangan Avogadro (N) berdasarkan persamaan Faraday dengan mengetahui sifat diskrit dari muatan elektron. Mengingat hal tersebut merupakan asas paling fundamental dalam mempelajari karakteristik atomik maupun kelistrikan secara mikro, maka eksperimen ini dinilai perlu untuk dilakukan. B. Tujuan Percobaan 1. Menentukan sifat diskrit muatan listrik 2. Menentukan muatan keunsuran (e). II. DASAR TEORI

2 Tetes minyak milikan adalah merupakan percobaan yang menunjukkan bahwa muatan electron bersifat diskrit yaitu gaya ke bawah pada tetes milikan (percepatan ke bawah) akan terhambat oleh suatu gaya stokes (gaya penghambat). Percobaan ini dilakukan dengan menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada diantara dua buah pelat konduktor. (Kennet Krane, 1992: 181). Robert Millikan melakukan percobaan dengan menyeimbangkan gaya- gaya antara gravitas dan gaya listrik pada suatu tetes minyak yang ada diantara dua buah pelat konduktor. Ketika minyak jatuh diudara akan mengalami percepatan kebawah ynag disebabkan oleh gaya grafitasi dan pada saat yang sama gerak tetes minyak tersebut dihambat oleh gaya penghambat (gaya stokes). Menurut stokes, bila sebuah benda dilepaskan tanpa kecepatan awal didalam fluida, benda mula-mula akan mendapat kecepatan. (Sissom,1987)Karena mendapat kecepatan maka benda akan bertambah besar pula, hingga mencapai keadaan stasioner. Pada keadaan seperti ini dpat digambarkan hubungan antara gaya stokes dan gaya gravitasi berdasar persamaan berikut: Fg= Fs..(1) M.g = K.Vf.(2) Dalam keadaan stasioner menjadi: Fc= Fg+ Fs.(3) Een = mg + KVr.. (4) Dimana E merupakan kuat medan listrik. Secara umum didefinisikan bahwa kuat medan listrik E di dalam ruang sebagai gaya elektrostatis yang bekerja pada satu satuan muatan di dalam ruang tersebut. (Soedojo,1985). Percobaan milikan disebut juga sebagai percobaan Oil Drop. Electron mempunyai peran penting dalam mempelajari gejala kelistrikan kemagnetan. Dengan mengembangkan gaya-gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada diantara dua pelat elektroda, masing-masing plat berdiameter 20 cm dan terpisah sejauh 7.67cm. Minyak diteteskan dengan tetesan kecil melalui dua plat logam dengan dua buah plat yang dapat menarik muatan listrik dari tetesan minyak pada palat bagian atas. Jika beda tegangan diatur agar mengimbangi gaya gravitasi pada tetes minyak, maka artikel-partikel minyak yang mengandung muatan akan melayang karena keseimbangan gaya tersebut. Pada keadaan ini gaya gravitasi sama dengan gaya elektrostatik, sehingga muatan dapat diketahui besarnya. (Finn, 1992)

3 Melalui banyak percobaan dengan tetes minyak milikan yang beragam maka secara umum muatan dapat diperoleh: e n =mg[(vf+vr)/evf]....(5) Dimana besaran massa m dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan m=4/3πα3σ, sehingga persamaan di atas menjadi: e n =(4/3) πα3σg[(vf+vr)/evf]....(6) Muatan listrik Q di dalam suatu ruang, akan menyebabkan timbulnya mdan listrik did ala ruang tersebut, artinya setiap muatan lain Q yang berada di dalam ruang itu akan mengalami gaya elekstrotati makin banyak Q makin kuat gaya F dan makin medan listrik yang ditimbulkan oleh Q tersebut. Sehingga kuat medan listrik di dalam ruang, ditentukan oleh banyaknya muatan Q yang menimbulkan medan listrik tersebut, serta tergantung pada jaraknya dari muatan Q (Peter, 1985: 14). Percobaan yang dilakukan oleh millikan dapat menyingkap secara meyakinkan bagiamana sifat muatan listrik dan harga muatan suatu electron (en) maupun bilangan Avogadro (N) dalam satuan system internasional yaitu dengan persamaan: e n =(4/3)πα3σg[1/(1+b/pa)] 3/2 [(Vf+Vr) / (ΔV)Vf]..(7) Nilai dari bilangan Avogadro (N) adalah: N = 9,625x10 7 (C/kgberat ekivalen) / e (C) (8) e n = muatan tetes minyak (Columb) Terbukti bahwa beberapa bintik minyak bermuatan listrik, karena efek gesekan. Bintikbintik itu dapat pula memperoleh muatan jika udara dalam apara tersebut diionisasi oleh sinar X atau oleh secuil benda Radioaktif beberapa electron atau ion lalu bertumbukan dengan bintikbintik minyak itu. (Zemansky,1986). Dari percobaan Millikan menyimpulkan q e = e merupakan kelipatan bilangan bulat dari nilai tertentu yaitu 1,6 x10 19 C dan tdak pernah didapatkan nilai q e = e kurang dari 1,6 x C. Selanjutnya nilai 1,6 x10 19 C disebut muatan elementar (muatan elektron). (Silaban, 1986). Melalui percobaan tetes minyak milikan ini, tidak hanya electron yang digunakan sebagai acuan di dalam dasar teori, akan tetapi analisa fluida juga memiliki peranan di dalam percobaan. Aliran fluida merupakan garis lurus didalam medan aliran yang dibuat pada saat waktu tertentu.(pitts,1977)

4 III. PEMBAHASAN Pada praktikum tetes minyak milikan ini terdapat 2 tujuan, yaitu yang pertama menentukan sifat diskrit muatan listrik dan yang kedua yaitu menentukan muatan keunsuran dari tetes minyak tersebut. Percobaan tetes minyak Milikan dirancang untuk mengukur muatan listrik elektron dengan menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada di antara dua buah pelat elektroda. Dengan mengetahui besarnya medan listrik, muatan pada tetes minyak yang dijatuhkan (droplet) dapat ditentukan. Dengan mengulangi eksperimen ini sampai beberapa kali, Robert Milikan menemukan bahwa nilai-nilai yang terukur selalu kelipatan dari suatu bilangan yang sama. Ia lalu menginterpretasikan bahwa bilangan ini adalah muatan dari satu elektron : Coulomb. Prinsip yang digunakan pada percobaan milikan adalah pengaruh gaya gravitasi dan gaya listrik pada partikel bermuatan ( tetesan minyak ). Tetesan minyak yang dihamburkan dalam ruang pengamatan dipengaruhi oleh medan listrik, medan listrik sendiri yaitu efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan listrik, seperti elektron, ion, atau proton dalam ruangan di sekitarnya. Medan listrik tersebut ditimbulkan dari beda potensial antara elektroda positif ( atas ) dan elektroda negatif ( bawah ) yang diberikan pada pelat kondensator. Pada saat gaya gravitasi sama dengan gaya listrik maka tetesan minyak tersebut akan mengambang. Tetesan minyak dalam medan listrik dipengaruhi oleh beberapa gaya yaitu gaya berat, gaya Stokes yang merupakan gaya penghambat, gaya dorong dan gaya elektrostatis. Dalam percobaan ini praktikan mengalami kesulitan dalam pengambilan data dikarenakan sulitnya mengamati tetes minyak tersebut. Minyak disemprotkan ke dalam plat sejajar dengan cara disemprotkan melalui celah sempit sehingga hanya sedikit tetes minyak yang lolos ke dalam pengamatan. Selain itu, kecerahan citra yang terlihat pada mikroskop (teleskop) sangat kurang (buram), sehingga praktikan kesulitan mengamati tetes minyak tersebut dan menyebabkan mata pengamat menjadi gampang lelah karena berakomodasi maksimum dalam waktu yang lama. Secara teori, tetes minyak akan mengarah ke bawah (jatuh) karena adanya pengaruh gaya gravitasi. Namun, pada waktu melakukan percobaan, praktikan mengamati kecepatan jatuh dari tetes minyak justru mengarah ke atas karena sifat lensa pada mikroskop yang memperbesar sekaligus membalik bayangan sehingga tetes minyak yang teramati mengarah ke atas sebelum diberikan tegangan.

5 Pada praktikum ini, tetes minyak yang jatuh mengalami percepatan gravitasi, tetapi adanya gaya gesekan menyebabkan kecepatan minyak tetap. Kecepatan ini diperlukan untuk menentukan keseimbangan gaya, pada tetes minyak bergerak akan terdapat gaya elektrostatik. Melalui beda potensial antara dua keping dapat diatur sehingga gaya elektrostatik mampu membuat tetes minyak berhenti, sehingga terjadi keseimbangan. Setelah diberikan tegangan tertentu, tetes minyak berada pada keadaan setimbang. Seperti pada mesin atomisasi (atomizer machine) yang berfungsi untuk mengubah ukuran benda menjadi mikroskopis, terjadi gesekan antara material (cairan) dengan mesin. Adanya gesekan ini akan menyebabkan material-material kecil yang keluar dari mesin menjadi bermuatan listrik (akibat adanya listrik statis). Beberapa elektron atau ion lalu bertumbukan dengan tetes minyak tersebut sehingga menjadikannya bermuatan negatif ataupun positif, tergantung ion atau elektron yang menumbuknya. Ketika tetes minyak kecil ini jatuh di daerah yang ada medan listrik, maka partikel kecil ini akan tertarik ke arah kutub yang berlawanan dengan muatannya. Tetes minyak pada percobaan Millikan bermuatan negatif. Bila pada tutup chamber bagian atas kita buat bermuatan positif, maka tetes tersebut akan tertarik ke atas. Jika kedua plat diberikan tegangan, maka partikel (tetesan minyak) yang telah bermuatan akan bergerak, di mana partikel yang bergerak ke atas (atau ke bawah dalam pengamatan) merupakan partikel elektron (-) sedangkan yang bergerak ke bawah adalah proton (+). Dari data yang diperoleh dapat dibuat grafik hubungan antara Q (muatan keunsuran) dengan r (jari-jari keunsurannya). Dimana dapat dilihat dari grafik yang berbentuk titik-titik yaitu semakin besar r maka semakin besar juga Q, jadi r berbanding lurus dengan Q. Berdasarkan teori, jari-jari digunakan untuk mencari kecepatan tetes minyak ke atas dan ke bawah, kemudian untuk mencari muata keunsuran digunakan variabel kecepatan. Jadi grafik sudah sesuai teori yaitu r berbanding lurus dengan Q. Melalui analisis data dengan metode dinamis, diperoleh nilai muatan elektron q untuk masing-masing variasi (350 V, 400 V, 450 V, dan 500 V) sebesar x C; x C; x C; dan x C, sedangkan menurut literatur adalah 1, Coulomb, sehingga hanya terdapat satu saja yang mendekati dengan teori yaitu pada variasi tegangan 500 V (sebesar x C). Perbedaan nilai q antara literatur dengan hasil percobaan yang lumayan jauh kemungkinan disebabkan oleh: a. Ketidaktelitian pengamatan tetes minyak karena mata pengamat yang terlalu lelah.

6 b. Tetes-tetes minyak yang ukurannya tidak sama besar (tidak homogen) sehingga (mungkin) menyebabkan kecepatan jatuhnya berbeda-beda. c. Ketidaksigapan praktikan dalam penentuan selang waktu. IV. KESIMPULAN A. Kesimpulan Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa : 1. Kecepatan naik dan kecepatan turun tetes minyak milikan berpengaruh terhadap penentuan nilai muatan tetes dimana pada keduanya bekerja interaksi gaya stokes, percepatan grafitasi dari bumi (gaya berat), gaya arcimedes(dari fluida minyak), dan gaya listrik. 2. Nilai bilangan Avogadro (N= x10²⁵) dapat dibuktikan berdasarkan persaman Faraday dari eksperimen milikan yang dilakukan. 3. Indikasi dan karakteristik sifat diskrit dari muatan elektron dapat diketahui dari bentuk paket paket yang disebut kuanta yang memiliki nilai yaitu e=1, C. 4. Nilai muatan satuan elektron berdasarkan percobaan dan sifat diskrit dari muatan elektron adalah sesuai dengan variasi tegangan 350 V, 400 V, 450 V, dan 500 V secara berturut-turut yaitu sebesar x C; x C; x C; dan x C, sedangkan menurut literatur adalah 1, Coulomb, sehingga hanya terdapat satu saja yang mendekati dengan teori yaitu pada variasi tegangan 500 V (sebesar x C). Perbedaan nilai q antara literatur dengan hasil percobaan yang lumayan jauh kemungkinan disebabkan oleh beberapa sumber ralat.. B. Saran Eksperimen mengenai tetes minya milikan ini mencakup partikel-partikel mikroskopik yang berbeda dengan kerangka pengamatan secara makro. Oleh karena itu, jika eksperimen ini dilakukan dengan jumlah variabel pengamatan yang lebih banyak akan dapat memberikan hasil yang lebih valid karena peluang validitas yang akan lebih tinggi Oleh karena itu, penulis memberikan saran agar dilakukan eksperimen serupa dengan variabel pengamatan yang lebih luas dan spesifik, sehingga dapat diperoleh data yang kredibel. Juga sebelum melakukan eksperimen ini sebaiknya belajar dulu tentang materi-materi yang terkait dengan percobaan ini, agar dalam percooan yang nantinya akan dilakukan dapat berjalan lancar dan mendapatkan hasil yang sesuai dengan teori. Jagalah alat untuk generasi selanjutnya.

7 V. DAFTAR PUSTAKA Krane, Kenneth S Fisika Modern, alih bahasa : Hans J. Wospakrik dan Sofia Niksolihin. Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia MILIKAN EFEK ZEEMAN I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Dalam medan magnetik, energi keadaan atomik tertentu bergantung pada harga m l seperti juga pada n. Keadaan dengan bilangan kuantum total n terpecah menjadi beberapa sub-keadaan jika atom itu berada dalam medan magnetik, dan energinya bisa sedikit lebih besar atau lebih kecil dari keadaan tanpa medan magnetik. Gejala itu menyebabkan terpecahnya garis spektrum individual menjadi garis-garis terpisah jika atom dipancarkan ke dalam medan magnetik, dengan jarak antara garis bergantung dari besar medan itu. Efek Zeeman adalah gejala tambahan garisgaris spektrum jika atom-atom tereksitasi diletakan dalam medan magnet (terpecahnya garis spektral oleh medan magnetik). Efek Zeeman, nama ini diambil dari nama seorang fisikawan Belanda Zeeman yang mengamati efek itu pada tahun Percobaan efek zeeman merupakan suatu percobaan yang membuktikan bahwa spektrum atom akan terpecah ketika diberikan medan magnet dalam percobaan ini dilakukan pengamatan mengenai spektrum yang tebentuk ketika sebuah atom diberi pengaruh medan magnet tersebut,medan magnet yang diberikan berasal dari sebuah kumparan yang diberikan arus listrik sehingga menghasilkan medan magnet yang besar kemudian di antara kumparan tersebut dipasang lampu katmium sebagai sumber atom yang akan di uji.

8 Efek zeeman tidak dapat dijelaskan dengaan menggunakan atom bohr dengan demikian diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum untuk menjelaskan efek zeeman dan spektrum elektron banyak (faisal gifar,2010). Gerak magneton elektron orbital dalam sebuah atom hidrgen bergantung terhadap momen sudut L. Untuk itu perlu dilakukan percobaan efek Zeeman untuk lebih mudah kita mempelajari atau memahami tentang apa itu efek Zeeman dan hal-hal yang terkait dengannya. B. TUJUAN 1. Mengamati perpecahan garis sepektrum emisi atom ccadmium menjadi dua garis menggunakan interferometer Febry-Perot yang diukur dalam bilangan gelombang sebagai fungsi rapat fluks magnet. 2. Menentukan nilai magneton borh. II. DASAR TEORI Peristiwa Efek Zeeman merupakan bukti yang jelas dari kuantisasi ruang. Dikarenakan m1 dapat memiliki 2l + 1 harga dari +l melewati 0 hingga l, suatu keadaan dimana bilangan kuantum orbital l terpecah menjadi 2l + 1 buah pecahan sub keadaan yang berbeda energi dengan μ b B jika atom tersebut diletakkan dalam medan magnetik. Namun, karena perubahan m 1 terbatas pada m 1 = 0, ± 1, kita dapat mengharapkan bahwa garis spektral yang timbul dari transisi antara dua keadaan dengan l berbeda hanya terpecah menjadi tiga komponen, seperti terlihat pada gambar dibawah. Efek Zeeman normal terdiri dari garis spektral berfrekwensi v 0 terpecah menjadi tiga komponen berfrekuensi. Gerak magnetik elektron orbital dalam sebuah atom hidrogen bergantung dari momentum sudut L, besar serta arah L terhadap medan akan menentukan berapa besar sumbangan magnetik pada energi total atom apabila terletak dalam medan magnetik. Momen magnetik adalah sebuah arus (current loop) dimana : Dalam peristiwa efek Zeeman ini, apabila seberkas atom hidrogen yang terdiri atas jumlah bagian atom yang sama (masing-masing dalam keadaan m l = -1, 0, dan +1) dilewatkan pada suatu daerah yang didalamnya terdapat suatu medan magnet tak seragam. Karena atom-atom dengan m l = +1 mengalami neto gaya ke atas, maka mereka dibelokkan ke atas, atom-atom dengan m l = -1 dibelokkan ke bawah, dan atom dengan m l = 0 tidak dibelokkan. Setelah

9 melewati medan magnet, berkas atom dijatuhkan pada suatu layar, di situ berkas membentuk sebuah titik terang. Apabila medan magnetnya dihilangkan, maka hanya terdapat satu titik di pusat layar, karena berkas sama sekali tidak mengalami pembelokan. Apabila medan magnetnya dinyalakan, maka akan terdapat tiga buah titik pada layar, satu di pusat (berkaitan dengan m l = 0), satu diatas pusat (m l = +1), dan satu dibawah pusat (m l = -1). Peristiwa Efek Zeeman merupakan bukti yang jelas dari kuantisasi ruang. Dikarenakan m1 dapat memiliki 2l + 1 harga dari +l melewati 0 hingga l, suatu keadaan dimana bilangan kuantum orbital l terpecah menjadi 2l + 1 buah pecahan sub keadaan yang berbeda energi dengan μ b B jika atom tersebut diletakkan dalam medan magnetik. Namun, karena perubahan m1 terbatas pada m 1 = 0, ± 1, kita dapat mengharapkan bahwa garis spektral yang timbul dari transisi antara dua keadaan dengan l berbeda hanya terpecah menjadi tiga komponen, seperti terlihat pada gambar dibawah. Efek Zeeman normal terdiri dari garis spektral berfrekwensi vo terpecah menjadi tiga komponen berfrekuensi. Dalam menganalisis transisi antara keadaan ml yang berbeda, seringkali kita perlu untuk menggunakan aturan seleksi kedua : bahwa transisi yang terjadi hanyalah yang mengubah ml sebanyak 0, +1, atau -1. Perubahan ml sebanyak dua atau lebih tidak diperkenankan. Dengan kata lain, transisi elektron antara kedua kelompok pecahan itu harus memenuhi aturan seleksi yaitu : M = 0, ± 1 III. PEMBAHASAN Percobaan efek zeeman merupakan suatu percobaan yang membuktikan bahwa spektrum atom akan terpecah ketika diberikan medan magnet dalam percobaan ini dilakukan pengamatan mengenai spektrum yang tebentuk ketika sebuah atom diberi pengaruh medan magnet tersebut,medan magnet yang diberikan berasal dari sebuah kumparan yang diberikan arus listrik sehingga menghasilkan medan magnet yang besar kemudian di antara kumparan tersebut dipasang lampu katmium sebagai sumber atom yang akan di uji,untuk memudahkan pengamatan maka pada rangkaian optik diberikan filter cahaya, cahaya yang diteruskan hanyalah cahaya merah sehigga dari lensa optik dapat dilihat pola melingkar dari garis garis spektrum tersebut. Percobaan efek zeeman dilakukan untuk memahami prinsip terjadinya pemecahan spektrum atomik yang diakibatkan oleh pengaruh medan magnet dan menentukan magnetron bohr elektron. Alat dan bahan yang digunakan pada percobaan ini ialah lampu cadmium yang merupakan sebagai sumber cahaya atau atom yang akan di uji pada percobaan ini.prinsip kerja

10 dari efek zeeman ialah menguji lampu cadmium tanpa menggunakan medan magnetik cahaya yang dipancarkan oleh lampu tersebut kemudian melewati rangkaian optik interferometer agar pada layar dapat diketahui pola gelap dan pola terang,pada layar akan terlihat garis spektral yang terpisah anatra satu garis dengan garis yang lainya,apabila medan magnetik diperbesar maka akan terlihat suatu garis yang terpecah dari garis awalnya variasi yang digunakan pada percobaan ini ialah memvariasi arus pada medan magnetik karena semakin besar arus yang diberikan terhadap kumparan maka medan listrik yang dihasilkan juga semakin besar hal ini dapat mempengaruhi spktral atom tersebut Pada percobaan ini menggunakan filter cahya berwarna merah sehingga cahaya yang dilewatkan cahaya merah saja, ketika medan magnetik besar maka garis spektral atom akan terpecah namun ketika arus yang digunakan kecil maka hanya terjadi pundaran saja pada spektral atomik namun ketika arus yang diberikan semakin besar maka pecahan spektral atomik semakin jelas dan jari jari yang dihasilkan semakin lebar dalam percobaan ini data yang diambil merupakan jari jari dari perpecahan spektral atomik atom tersebut. IV. PENUTUP A. Kesimpulan Efek Zeeman adalah gejala tambahan garis-garis spektrum jika atom-atom tereksitasi diletakan dalam medan magnet (terpecahnya garis spektral oleh medan magnetik). Periswa efek zeemen terjadi ketika sebuah atom yag dipengaruhi oleh medan magnet maka spektrumnya akan terpecah dan energi yang dihasilkan akan berkurang. B. Saran Untuk pratikan selanjutnya, agar memahami konsep terlebih dahulu, sebelum memulai pratikum, agar dalam praktikum dapat berjalan dengan lancar dan hasil yang didapat lebih sesuai dengan teori yang ada. Selain itu, untuk melihat multimeter, agar lebih hati hati dan teliti. Dan jagalah alat, untuk generasi berikutnya. V. DAFTAR PUSTAKA Beiser,Arthur.1982.konsep fisika modern.jakrta:erlangga Giancoli,D.C.1998 Physisc Principle and Aplication.Pretice-Hall Halliday.1978.Physics 3 rd edition.inc :john wiley.sans

11 FRANK HERTZ I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Leukipos dan Demokritos dua ilmuan yang mengembangkan konsep atom. Mereka menyatakan bahwa atom bagian terkecil suatu zat/partikal yang tidak dapat dibagi lagi. Konsep ini bertahan hingga abad XIX. Pada akhir abad ke XIX banyak ilmuan yang berusaha mengungkap rahasia atom (Usuludin, 1999).Teori atom Bhor memperkenalkan atom sebagai sejenis miniatur planit mengitari matahari, dengan elektron-elektron mengelilingi orbitnya sekitar bagian pokok, tapi dengan perbedaan yang sangat penting. Bilamana hukum-hukum fisika klasik mengatakan tentang perputaran orbit dalam segala ukuran, Bhor membuktikan bahwa elektron-elektron dalam sebuah atom hanya dapat berputar dalam orbitnya dalam ukuran spesifik tertentu. Atau dalam kalimat rumus lain : elektron-elektron yang mengitari bagian pokok berada pada tingkat energi (kulit) tertententu tanpa menyerap atau memancarkan energi. Elektron dapat berpindah dari lapisan dalam ke lapisan luar jika menyerap energi. Sebaliknya, elektron akan berpindah dari lapisan luar ke lapisan lebih dalam dengan memancarkan energi. Kemampuan teori Bhor yang menjelaskan spektrum dari hydrogen atom, yakni telah diketahui bahwa gas hydrogen jika dipanaskan pada tingkat kepanasan tinggi, akan mengeluarkan cahaya dari suatu frekuensi tertentu. Nilai terbesar teori Bhor tentang atom dari hipotesa sederhana tapi sanggup menjelaskan dengan ketetapan yang mengagumkan tentang gelombang panjang yang persis dari semua garis spektral (warna) yang dikeluarkan oleh hydrogen Tetapi teori Niels Bohr terdapat kekurangan dan harus diganti secara mekanika kuantum, agar ketelitian dan kegunaannya lebih besar. Berdasarkan permasalahan inilah, pada tahun 1914 ilmuwan bernama James Franck dan Gustav Hertz melakukan sederetan eksperimen yang membuktikan kebenaran teori Bohr yakni juga mengenai kehadiran eksitasi atom. B. Tujuan Percobaan 1. Menentukan energi eksitasi dari air raksa (Hg) dan Neon (Ne) 2. Menginterpresentasikan grafik arus sebagai fungsi tegangan pada anoda.

12 II. DASAR TEORI Eksitasi elektron atom dari keadaaan dasar ke keadaan tereksitasi dapat terjadi karena adanya serapan tenaga kinetik elektron yang menumbuk atom gas Neon di dalam tabung Frenck- Hertz. Bila tenaga kinetik elektron sama dengan tenaga ionisasi atom Neon, maka elektronelektron dapat mengionkan atom-atom gas tersebut. Gejala ionisasi ini ditandai oleh meningkatnya kuat arus anoda secara drastis. Pada saat elektron terkuantisasi maka elektron tersebut akan memencarkan energi berupa foton dengan panjang gelombang tertentu. Panjang gelombang dari foton tersebut bergantung dari nilai energi eksitasi dari atom tersebut. Karena atom Neon memiliki energi eksitasi sebesar V = 16,71 ev dan 16,89 ev, maka atom tersebut akan memancarkan foton dengan panjang gelombang sebesar λ = 743,7 Å dan 735,9 Å. Rangkaian / skema dasar eksperimen ini ditunjukkan oleh gambar 1. elektron yang dipancarkan oleh pemanasan (F) pada katoda (k) akan dipercepat oleh tegangan kisi (Vg), sehingga energi kinetiknya bertambah besar. Pada tegangan kisi tertentu, energi kinetik elektron dapat mengeksitasi atom Neon, dan elektron akan kehilangan tenaga sebesar tenaga eksitasi atom Neon. Elektron ini tidak akan mampu lagi mencapai anoda jika tenaga sisanya kurang dari tenaga penghalang (Vp), sehingga terjadi pemerosotan arus anoda (Ia). Bila tegangan kisi dinaikkan lagi lebih lanjut, maka arus anoda akan naik lagi, tetapi kemudian merosot lagi bila tegangan kisi sama dengan kelipatan bulat tegangan eksitasi (Ve). Hali ini terjadi karena elektron sebelum sampai di kisi telah beberapa kali mengeksitasi atom Neon dan akan mengeksitasi lagi di daerah dekat kisi, sehingga tidak mencapai anoda. Dengan demikian grafik arus anoda (Ia) sebagai fungsi tegangan kisi (Vg) akan memperlihatkan puncak-puncak dan lembah-lembah seperti pada gambar 2. Jarak antara dua puncak berdekatan merupakan besarnya tegangan eksitasi atom (Ve) tersebut. Energi eksitasi atom (Neon) merupakan perkalian antara tegangan eksitasi atom (Ve) dengan muatan elektron (e) E eks = ev e (1) Energi ini digunakan untuk memancarkan foton yang memiliki panjang gelombang λ, yang terkait dengan persamaan energi foton. E = hc/λ (2) Dari persamaan (1) dan (2) selanjutnya akan diperoleh panjang gelombang (λ) foton yang dipancarkan dari eksitasi atom Neon, yaitu :

13 λ = hc/ev e (3) Dengan h : tetapan planck (6, Js = 4, evs), c : kecepatan cahaya ( 2, ms -1 ), dan e adalah muatan elektron ( 1, C ). Pesawat Franck-Hertz pada percobaan ini terdiri atas tabung berisi gas Neon bertekanan rendah dilengkapi dengan filamen pemanas katoda K, dan kisi G1 dan G2, plat anoda P, serta meter tegangan dan arus. Tombol G1-K berfungsi untuk mengatur besarnya tenaga kinetik elektron yang keluar dari kisi G1 menuju anoda P. Tombol G2-P berfungsi untuk mengatur / menetapkan besarnya tegangan penghalang elektron sampai di anoda P. yang perlu diperhatikan adalah penggunaan kedua panel tersebut harus dilakukan secara hati - hati agar arus yang terbaca pada mikroamperemeter tidak melampaui jangkauannya. III. PEMBAHASAN Sebuah atom dapat mengeksitasi ke tingkat energi di atas tingkat energi dasar yang menyebabkan atom tersebut memancarkan radiasi melalui dua cara. Salah satunya adalah tumbukan dengan partikel lain. Pada saat tumbukan, sebagian dari energi kinetik pada partikel akan diserap oleh atom. Atom yang tereksitasi dengan cara ini akan kembali ke tingkat dasar dalam waktu rata-rata 10-8 sekon dengan memancarkan satu foton atau lebih. Cara lainnya adalah dengan lucutan listrik dalam gas bertekanan rendah sehingga timbul medan listrik yang mempercepat elektron dan ion atomik sampai energi kinetiknya cukup untuk megeksitasi atom ketika terjadi tumbukan. Dalam praktikum Percobaan Franc-Hertz ini, ppraktikan diharapkan dapat menentukan energy eksitasi dari atom air raksa (Hg) dan neon (Ne) dan dapat menginterpretasikan grafik arus sebagai fungsi tegangan pada anoda. Dari percobaan ini, praktikan memperoleh hasil seperti pada gambar 3 dan 4, yaitu grafik hubungan antara potensial pemercepat V dengan arus keping I. Dari eksperimen tegangan pemercepat V dimulai dari 0 volt sampai dengan 99,90 V. Ketika tegangan pemercepat semakin besar maka arus I akan naik, dan setelah tegangan pemercepat mencapai 14,82 volt maka arus akan turun, selanjutnya arus akan naik lagi dan bila tegangan pemercepat mencapai 31,52 volt arus akan kembali turun. Hal ini dikarenakan ketika potensial pemercepat V bertambah naik maka akan semakin banyak elektron-elektron bebas dari katoda yang sampai ke anoda sehingga arus yang terdeteksi oleh ampermeter akan naik, selama elektron

14 bergerak dari katoda ke anoda elektron akan menumbuk atom neon (Ne), namun selama energi elektron lebih kecil dari energi untuk mengeksitasi atom Ne tumbukan yang terjadi adalah tumbukan lenting sempurna (elastic collisions) sehingga tidak ada energi yang dilepaskan. Kemudian ketika energi elektron telah mencapai energi eksitasi atom Ne, tumbukan yang terjadi adalah tumbukan tak lenting (inelastic collisions) sehingga energinya akan diserap oleh atom Ne sebesar energi eksitasinya sehingga energi elektron akan berkurang. Karena energinya berkurang elektron tidak dapat sampai pada keping anoda sehingga arus akan turun. Ketika tegangan V dinaikkan terus energi elektron akan naik kembali. Namun setelah energi elektron kembali mencapai energi eksitasi atom, terjadi tumbukan tak lenting dan penyerapan energipun terjadi, akhirnya penurunan arus terjadi lagi yang ditafsirkan timbul dan eksitasi tingkat energi yang sama pada atom lain. Begitu juga pada atom air raksa/mercury (Hg) berlaku proses seperti pada atom neon (Ne), tetapi untuk memperoleh energi eksitasiya memerlukan tegangan yang berbeda dengan neon (Ne) atau unsur lain. Energi yang dimiliki oleh elektron saat berada pada potensial V ialah sebesar E = ev. Dari hasil percobaan yang dilakukan pada atom neon (Ne) terdapat dua hasil terbaik yang diperoleh dari grafik percobaan yaitu untuk V 1 = 14,82 V dan V 2 = 31,52 V dan didapat VNe adalah sekitar 16,7 V, sehingga didapat energy eksitasi sebesar 16,7 ev. Dan Dari hasil percobaan yang dilakukan pada atom Air Raksa/mercury (Hg) terdapat lima hasil terbaik yang diperoleh dari grafik percobaan yaitu untuk V 1 = 6,00 V ; V 2 = 10,67 V ; V3 = 15,60 V; V4 = 20,48 V; V5 = 25,42 V dan didapat VHg adalah sekitar 4,86 V, sehingga didapat energy eksitasi sebesar 4,86 ev. Untuk Hg, bila energi elektron kurang dari 4,86 ev tumbukan bersifat elastik dan energi dalam Hg tak berubah. Bila energi elektron lebih besar dari 4,86 ev, sebagian energi elektron diambil menjadi energi dalam, sisanya tetap sebagai energi kinetik elektron begitu juga pada atom Ne bila energi elektron kurang dari 16,7 ev tumbukan bersifat elastik dan energi dalam Ne tak berubah. Bila energi elektron lebih besar dari 16,7 ev, sebagian energi elektron diambil menjadi energi dalam, sisanya tetap sebagai energi kinetik elektron. Peristiwa ini sering disebut transfer energi resonan. Energy eksitasi atom Ne lebih besar dari pada atom Hg dikarenakan nomor atom Ne lebih kecil dari pada Hg yaitu untuk Ne sebesar 10 dan Hg sebesar 80. Telah diketahui untuk nomor atom yang sedikit atau kecil memiliki jumlah elektron yang sedikit dan memiliki jumlah kulit

15 atom yang sedikit juga, sehingga energy ikat inti dengan elektron-elektron yang berada pada kulit terluar atau sebelumnya bernilai besar dan mengakibatkan energy untuk elektron lepas dari kulitnya atau berpindah dari kulitnya (eksitasi) bernilai besar juga. Dan untuk yang memiliki nomor atom besar maka memiliki kulit yang banyak juga, sehingga energy ikat dengan elektronelekton terluar lemah dan untuk melapas elektron dari kulitnya memerlukan energy yang lemah/kecil juga. Ini yang menyebabkan energy eksitasi atom pada Ne lebih besar dibandingkan energy eksitasi atom pada Hg. Dari praktikum didapatkan bahwa hampir semua atom Hg dan Ne mengambil energi dari elektron sebesar 4,86 ev dan atom Ne sebesar 16,7 ev. Energi yang diambil ini menjadi energi dalam atom Hg dan Ne yaitu energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron pada tingkat dasar ke tingkat eksitasi. Sedangkan dari referensi energi dalamnya sebesar 4,9 ev untuk Hg (Arthur Beiser, 1990) dan untuk Ne sebesar 16,71 & 16,89 ev. Jadi hasil percobaan ini sudah sesuai teori, terjadinya perbedaan yang sedikit membuktikan bahwa setiap percobaan tidak lepas dari sumber-sumber ralat, diantaranya suhu ruangan yang tidak terkontrol dll. IV. KESIMPULAN Tingkat-tingkat energi eksitasi dari elektron menunjukkan bahwa energi dari elektron itu bertingkat-tingkat (terkuantisasi) dan mengukuhkan kebenaran dari teori kuantum. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh tegangan eksitasi (Ve) atom Neon sebesar : V = 16,7 Volt Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh energi eksitasi (Ee) atom Neon sebesar : V = 16,7 evolt, dan diperoleh tegangan eksitasi (Ve) atom Hg (Air Raksa) sebesar : V = 4,86 Volt Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh energi eksitasi (Ee) atom Neon sebesar : V = 4,86 evolt. MUATAN SPESIFIK e/m ELEKTRON I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang

16 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. Kemudian peristiwa ini dijelaskan oleh Sir William Crockes pada tahun 1879 yang berhasil menunjukkan bahwa sinar katoda adalah berkas sinar bermuatan negatif yang oleh Thomson disebut sebagai 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.harga e dapat didekati dengan harga perbandingan e/m yang diperoleh dari hubungan antara nilai arus (I), tegangan elektroda (V), dan radius lintasan elektron (r). Hubungan antar ketiganya dapat diketahui dari sifat-sifat coil helmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat elektron berbentu lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda. Bertolak dari percobaan yang pernah dilakukan oleh Thomson tersebut, eksperimen ini mencoba untuk membuktikan kembali hubungan-hubungan tersebut. Percobaan mengenai sinar katoda adalah salah satu eksperimen untuk mengetahui kaakteristik dari elektron yang merupakan partikel sub-atomik yang fundamental dalam terbentuknya arus listrik.sehingga eksperimen ini penting dilakukan mengingat wilayah aplikasi kelistrikan yang sangat luas. B. Tujuan 1. Mempelajari sifat medan magnet dari kumparan Helmholzt 2. Menentukan muatan spesifik e/m elektron II. DASAR TEORI Percobaan terkenal yang dilakukan oleh J.J Thomson pada tahun 1897 dimana ia menunjukan bahwa sinar dalam tabung katoda dapat dibelokan oleh medan listrik dan medan magnetik sehingga dapat diketahui bahwa sinar tersebut mengandung partikel-partikel yang bermuatan listrik. Dengan mengukur besarnya penyimpangan partikel sinar yang disebabkan oleh medan listrik dan medan magnetik ini, Thomson dapat menunjukan bahwa semua partikel memiliki perbandingan muatan terhadap massa (e/m) relatif sama. Ia juga menunjukan bahwa partikel dengan perbandingan muatan terhadap massa ini dapat diperoleh dengan menggunakan

17 sembarang bahan untuk katodanya. Partikel yang terkandung dalam sinar ini, sekarang disebut elektron dan merupakan bahan dasar seluruh materi. Prinsip yang digunakan Thomson dalam melakukan pengukuran ini adalah jika suatu muatan elektron bergerak di dalam ruang yang berada di bawah pengaruh medan magnet atau medan listrik maka muatan tersebut akan mengalami gaya sehingga pergerakan elektron akan menyimpang. Adanya gejala fisis ini dipertimbangkan sebagai pergerakan muatan elektron didalam medan magnet maupun medan listrik persis seperti partikel yang dilemparkan horizontal didalam medan gravitasi bumi. Sistem yang digunakan terdiri dari sebuah tabung katode dan kumparan yang berfungsi untuk menghasikan medan magnet. Kumparan ini disebut kumparan Helmholtz yang digunakan untuk menghilangkan medan magnetik bumi dan untuk memberikan medan magnet yang konstan dalam ruang yang sempit dan terbatas. Elektron yang dihasilkan oleh filamen (yang berlaku sebagai katoda), akibat proses termoelektron, akan dipercepat ke arah anoda yang mempunyai beda tegangan (V) terhadap katoda. Dari prinsip kekekalan energi, jika tidak ada usaha yang dikenakan pada elektron, maka elektron tersebut akan mempunyai energi kinetik akibat tegangan (V), yang besarnya adalah : 1/2 m v 2 = ev Dengan m adalah massa elektron, e adalah muatan elektron, v adalah kecepatan elektron dan V adalah beda tegangan anoda katoda, sehingga kecepatan elektron dapat ditulis sebagai : Jika elektron tersebut bergerak di dalam medan magnet B, maka akan mengalami gaya Lorenz sebesar : F = evb Untuk elektron v B. Hal ini akan menyebabkan perubahan arah dari kecepatan elektron tanpa merubah kelajuannya, sehingga elektron akan bergerak melingkar. Pada gerak melingkar ini besar gaya sentripental sama dengan besar gaya medan magnet pada elektron tersebut, yaitu: Florentz = Fsentrufugal

18 Sehingga dapat ditentukan nilai dari (e/m) nya, yaitu : dengan V potensial pemercepat elektron dan r radius lintasan elektron. III. PEMBAHASAN Pada percobaan muatan spesifik e/m elektron ini, kita akan mempelajari sifat medan magnet dalam kumparan Helmholzt serta menentukan nilai muatan spesifik 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 Helmholzt. Interaksi medan magnet yang dihasilkan kumparan Helmholtz dengan electron 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 muatan spesifik e/m elektron. Nilai yang kita peroleh ini bisa diperoleh secara analitik dan secara grafik. Kemudian kita membandingkan keduanya. Dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa pada saat nilai tegangan (V) tetap sedangkan nilai jari-jari lintasan elektron berubah semakin besar, maka nilai kuat arus listrik akan semakin kecil. Jika semakin kecil nilai jari-jari lintasan elektron maka medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan Helmholtz semakin besar. Medan magnet yang besar akan membelokkan elektron dengan kuat sehingga diameter lintasan elektron semakin kecil karena diameter elektron berbanding terbalik dengan medan magnet. Hal ini sesuai dengan persamaan : B 2 =

19 dimana : B (medan magnet), V (tegangan potensial), e (muatan elektron), m (massa elektron), dan R (jari-jari kumparan helmholzt), 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 meruapakan lintasan yang akan dilalui electron semakin besar pula, sehingga pergerakan electron semakin melambat. Sebab itulah nilai e/m menjadi semakin kecil. Dari grafik dapat kita lihat bahwa semakin besar nilai tegangan maka nilai e/m semakin menurun, namun terdapat satu data yang melenceng yaitu pada tegangan 200 V, nilai nya menaik tapi setelah itu turun kembali. Tepatnya dari tegangan (100, 150, 200, dan 250) volt, didapatkan nilai e/m secara berturut-turut (1,6; 1,5; 1,6; dan 1,5) x c/kg. IV. PENUTUP A. Kesimpulan Lintasan elektron yang berbentuk lingkaran pada alat percobaan untuk menentukan harga e/m dikarenakan adanya perubahan arah dan kecepatan elektron yang bergerak dalam medan magnet (kumparan Helmholtz). Lintasan yang berbentuk lingkaran tersebut akan berubah menjadi lebih kecil jika tegangan yang diberikan tetap dan arus dinaikan, dan akan berubah menjadi lebih kecil jika diberi kuat arus tetap dan tegangan diperkecil. Sedangkan nilai e/m yang didapat hampir sama. Hasil perhitungan e/m secara analitik dan grafik : Beda potensial 100 V Secara analitik : e/m = 1,73 x C/Kg Secara grafik : e/m = 1,6 x C/Kg Beda potensial 150 V Secara analitik : e/m = 1,67 x C/Kg Secara grafik : e/m = 1,5 x C/Kg Beda potensial 200 V Secara analitik : e/m = 1,72 x C/Kg Secara grafik : e/m = 1,6 x C/Kg Beda potensial 250 V Secara analitik : e/m = 1,69 x C/Kg

20 Secara grafik : e/m = 1,5 x C/Kg B. Saran Untuk pratikan selanjutnya, agar memahami konsep terlebih dahulu, sebelum memulai pratikum, agar dalam praktikum dapat berjalan dengan lancar dan hasil yang didapat lebih sesuai dengan teori yang ada. Selain itu, untuk melihat multimeter, agar lebih hati hati dan teliti. Dan jagalah alat, untuk generasi berikutnya. V. DAFTAR PUSTAKA Bahtiar, Ayi. (2007). Listrik Magnet II. Tersedia : (23 September 2010). Riyanto. (2006). Laporan Praktikum Fisika Dasar 1 Percobaan e/m. Departemen Pendidikan Nasional Universitas Jenderal Soedirman Program Sarjana MIPA Jurusan Fisika. Purwokerto. (23 September 2010) Tipler, Paul A,. (2001). Fisika untuk Sains dan Tekhnik Jilid 2 edisi ketiga. Jakarta : Erlangga.