Laporan Praktikum Fisika Eksperimental Lanjut Laboratorium Radiasi PERCOBAAN R3 EKSPERIMEN HAMBURAN RUTHERFORD Dosen Pembina : Herlik Wibowo, S.Si, M.Si Septia Kholimatussa diah* (080913025), Mirza Andiana D.P.* (080913043), Lailatul Badriyah* (080913056) *Program Studi S-1 Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Abstrak Telah dilakukan percobaan hamburan Rutherford untuk mengetahui keberadaan inti atom. Percobaan dilakukan dengan menggunakan sumber Am-241 yang akan meradiasikan partikel alfa menumbuk suatu pelat logam Al-13 dengan sudut yang divariasikan antara -15 sampai 15. Jumlah cacahan akan dibaca oleh Single Channel Analyzer (SCA) sebagai pulsa-pulsa tegangan yang besarnya sebanding dengan energi partikel alfa. Berdasarkan pengamatan, diperoleh hasil bahwa sebagian besar partikel alfa diteruskan dan dihamburkan dengan sudut yang bervariasi. Berkas partikel alfa yang diteruskan ini hanya dapat terjadi jika atom memiliki ruang-ruang kosong (yang merupakan orbit elektron) dan bukan berupa bola pejal seperti model atom Thompson. Sedangkan partikel alfa yang dihamburkan dapat terjadi jika terdapat suatu massa masif yang mampu membelokkan partikel alfa, dalam hal ini massa masif itulah yang disebut sebagai inti atom. Hasil ini tidak sesuai dengan model atom Thompson sehingga diajukanlah model atom Rutherford yang menyempurnakannya. Kata kunci : detektor, hamburan Rutherford, partikel alfa, pencacah diferensial 1. PENDAHULUAN Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan dan Ernerst Masreden) melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk menguji pendapat 1
Thompson, yakni apakah atom itu betulbetul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Dari pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada penyimpangan sudut kurang dari 1 ), tetapi dari pengamatan Marsden diperoleh fakta bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90 bahkan lebih. Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesimpulan bahwa atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan; Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisan atom-atom emas, maka di dalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif. Partikel tersebut merupakan partikel yang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan. Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang berhasil memperbaiki model atom Thompson. Oleh karena itu kami sebagai mahasiswa Fisika pada mata kuliah Fisika Eksperimental Lanjut akan melakukan Eksperimen Hamburan Rutherford di Laboratorium Radiasi. 2. METODE PENELITIAN Pompa vakum digunakan untuk memvakumkan tabung hamburan yang berisi sumber partikel α (Am-241). Diafragma berfungsi sebagai pemfokus berkas partikel α yang akan mengenai lapisan tipis logam aluminium (Al-13), dengan dua ukuran : 1 mm (celah sempit) dan 5 mm (selah lebar). Cacahan partikel α dicatat dari sudut -15 sampai 15 dengan interval kenaikan 2,5 dan 5 (-15 ; -10 ; - 5 ; -2,5 ; 0 ; 2,5 ; 5 ; 10 ; 15 ). Hasil dimasukkan pada tabel sehingga diperoleh data pengamatan seperti pada bagian lampiran. Karena pulsa yang dihasilkan detektor sangat kecil, maka perlu digunakan penguat agar dapat tercacah oleh counter. Setup eksperimen hamburan Rutherford 2
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hamburan Rutherford Berdasarkan data hasil pengamatan pada tabel maupun grafik, diperoleh bahwa jumlah partikel alfa yang tercacah oleh counter paling banyak terdapat pada sudut hamburan yang kecil dengan slope (kemiringan) yang cukup tajam. Data ini berarti bahwa sebagian besar partikel alfa yang ditembakkan pada pelat logam aluminium diteruskan dan/atau dihamburkan dengan sudut hamburan yang cukup kecil. Pada eksperimen hamburan Rutherford untuk celah sempit, jumlah cacahan terbanyak ada pada sudut hamburan 2,5 dan semakin menurun seiring pertambahan sudut. Hal ini tidak bisa dijelaskan jika model atom Thompson digunakan. Fenomena diteruskannya partikel alfa (dengan sudut 0 ) seperti ini dapat terjadi jika terdapat ruang-ruang kosong seperti jalur bebas hambatan yang memungkinkan partikel alfa lewat tanpa gangguan. Hal ini tidak sesuai dengan model atom Thompson di mana atom terdiri dari muatan proton yang di dalamnya tersebar elektron. Begitu pula, fenomena dihamburkannya partikel alfa dengan sudut yang cukup bervariasi (dari kecil hingga besar) dapat terjadi jika ada suatu massa masif yang mampu membelokkan arah gerak partikel alfa (yang bermassa 4 sma) ketika bertumbukan dengannya. Massa masif inilah yang merupakan inti atom dan bermuatan positif, sehingga mampu membelokkan partikel alfa yang juga bermuatan positif (sesuai prinsip Hukum Coulomb di mana muatan sejenis tolakmenolak). Sama halnya dengan hamburan ada celah sempit, pada celah lebar jumlah partikel alfa cacahan terbanyak ada pada sudut hamburan 2,5. Dengan demikian, maka percobaan hamburan Rutherford dapat membuktikan adanya inti atom yang bermuatan positif dan terpusat pada bagian tengah atom dengan ruang-ruang kosong (yang merupakan orbit elektron) mengelilinginya. Model Atom Rutherford Berdasarkan hasil eksperimen yang dilakukan oleh Geiger-Marsden itulah, Ernest Rutherford mengajukan sebuah model atom yang kemudian dikenal dengan sebutan model atom Rutherford. Model atom Rutherford mengatakan bahwa atom terdiri dari inti yang bermassa masif dan cenderung diam (jika dibandingkan oleh gerak elektron, namun tidak benar-benar diam tak bergerak) dikelilingi oleh elektron-elektron. Model atom Rutherford ini (untuk sementara) dapat menjelaskan terjadinya peristiwa hamburan Rutherford. 3
Namun belakangan, ditemukan adanya kelemahan model atom Rutherford, yakni : menurut fisika klasik, elektron yang bergerak mengelilingi inti lamakelamaan akan kehabisan energi karena tmemancarkan gelombang elektromagnetik dan pada akhirnya jatuh ke inti. Energi elektron juga menjadi tidak stabil karena memancarkan gelombang EM ketika bergerak, sehingga model atom Rutherford belum mampu menjelaskan keberadaan elektron juga mekanisme rotasinya terhadap inti atom. Kelemahan berikutnya adalah model atom Rutherford belum mampu menjelaskan spektrum garis pada atom Hidrogen. Sehingga muncullah teori tentang model atom berikutnya yaitu model atom Bohr. Detektor pencacah radiasi diferensial Detektor berfungsi untuk mengubah energi nuklir menjadi energi lain yang lebih mudah untuk diolah, seperti energi listrik, sedangkan peralatan penunjang berfungsi untuk mengolah sinyal listrik yang dihasilkan oleh detektor menjadi suatu informasi. Detektor merupakan bagian yang sangat penting dari suatu sistem pencacah radiasi karena dialah yang berfungsi untuk menangkap radiasi dan mengubahnya menjadi, biasanya, sinyal atau pulsa listrik. Sinyal listrik yang dihasilkan oleh detektor perlu diproses lebih lanjut agar dapat diamati oleh manusia, misalnya ditampilkan melalui peraga, suara atau bahkan fasilitas pengolah sinyal yang lebih canggih. Peralatan yang diperlukan untuk melengkapi detektor guna membentuk suatu sistem pencacah disebut sebagai peralatan penunjang (instrumentasi nuklir). Peralatan penunjang harus bersifat linier, artinya setiap informasi yang dihasilkan oleh peralatan penunjang, baik jumlah pulsa maupun tinggi pulsa harus sebanding dengan informasi yang diterimanya dari detektor. Linieritas merupakan parameter yang sangat mempengaruhi unjuk kerja dari suatu sistem pencacah. Berdasarkan peralatan penunjangnya, suatu sistem pencacah radiasi dapat dibedakan menjadi tiga yaitu sistem pencacah integral, sistem pencacah diferensial, dan sistem spektroskopi. Sistem pencacah integral dan sistem pencacah diferensial mempunyai fungsi yang hampir sama yaitu mengukur jumlah (kuantitas) radiasi yang mengenainya. Perbedaannya, sistem pencacah integral tidak mempedulikan energi radiasi yang datang sedang sistem pencacah diferensial hanya mengukur radiasi yang mempunyai energi tertentu saja. Sistem spektroskopi mempunyai fungsi yang berbeda yaitu mengukur energi radiasi, atau lebih tepatnya mengukur distribusi energi dari radiasi yang mengenai detektor. 4
Sebenarnya sistem pencacah diferensial juga dapat berfungsi sebagai sistem spektroskopi tetapi dengan resolusi yang sangat rendah. Sebaliknya sistem spektroskopi juga dapat berfungsi sebagai sistem pencacah tetapi dengan kecepatan yang lebih rendah. Pencacah diferensial digunakan untuk mengukur jumlah radiasi dalam selang energi tertentu. Sebagai contoh, dua jenis zat radioaktif yang berbeda akan memancarkan radiasi dengan tingkat energi yang berbeda sehingga bila ingin mengukur aktivitas salah satu zat radioaktif tersebut maka diperlukan suatu sistem pencacah diferensial. Konfigurasi sistem pencacah diferensial adalah sebagai berikut. Detektor yang digunakan di sini tidak boleh detektor geiger muller (GM) karena tidak dapat membedakan energi radiasi yang mengenainya. Detektor yang sering digunakan adalah detektor NaI(Tl) untuk pengukuran radiasi gamma dan detektor surface barrier digunakan untuk pengukuran radiasi alfa. Sebagaimana detektor yang lain, detektor sintilasi juga membutuhkan sumber tegangan tinggi atau high voltage (HV). Penentuan tegangan kerja detektor sintilasi adalah dengan cara mencari perbandingan cacahan sumber terhadap cacahan latar belakang yang terbaik. ; dengan k adalah faktor pembanding, R s adalah laju cacahan yang berasal sumber radiasi (laju cacah total dikurangi dengan laju cacah latar belakang) sedang R b adalah laju cacahan yang berasal dari latar belakang (tanpa sumber). Berbeda dengan detektor GM, detektor sintilasi menghasilkan pulsa listrik yang relatif sangat kecil, dalam orde mvolt. Oleh karena itu diperlukan peralatan untuk membentuk dan memperkuat pulsa tersebut yaitu penguat (amplifier). Pulsa listrik yang dihasilkan oleh detektor biasanya berbentuk pulsa eksponensial yang sangat cepat risetimenya dan sangat lambat fall-timenya. Sangatlah sukar untuk mendeteksi atau mengukur tinggi pulsa yang berbentuk eksponensial ini. Amplifier mempunyai fungsi utama untuk mengubah pulsa eksponensial menjadi pulsa Gaussian dan memperkuatnya, bila diperlukan, agar mempunyai tinggi dengan orde Volt. 5
pencacahan dengan selang waktu tertentu yang dapat diatur sebelumnya. Peralatan selanjutnya adalah diskriminator yang merupakan ciri dari sebuah pencacah diferensial karena alat ini yang berfungsi untuk menyaring apakah suatu pulsa listrik keluaran amplifier diteruskan ke counter atau tidak. Diskriminator mempunyai fasilitas batas atas dan batas bawah. Pulsa-pulsa yang lebih tinggi dari batas bawah tetapi lebih rendah dari batas atas saja yang akan diteruskan ke counter untuk dicacah. Total cross section Misalkan suatu berkas partikel alfa datang menumbuk suatu target (dalam eksperimen ini adalah pelat logam aluminium) yang menyebabkan partikel alfa terhambur. Menurut Susilo (2008), hasil hamburan dalam kasus seperti ini biasa dinyatakan dalam suatu besaran yang disebut penampang lintang (cross section). Penampang lintang hamburan total (total cross section) dapat dinyatakan dengan : ; dengan Φ adalah fluks dari partikel alfa yang datang (yang dinyatakan sebagai jumlah partikel alfa yang menumbuk suatu luasan per detik). Jumlah total yang dimaksud merupakan jumlah total partikel yang terhambur ke segala arah. Counter adalah peralatan yang digunakan untuk mencacah (menghitung jumlah) pulsa listrik yang memasukinya. Selang waktu pencacahan dapat dilakukan secara manual (start/stop) atau secara otomatis menggunakan timer, yaitu alat yang dapat memberikan sinyal ke counter agar memulai atau menghentikan 4. KESIMPULAN 1. Eksperimen hamburan Rutherford bertujuan membuktikan keberadaan inti atom melalui dihamburkannya berkas partikel alfa yang menumbuk pelat logam. 2. Berkas partikel alfa yang diteruskan menunjukkan adanya ruang-ruang kosong yang merupakan orbit elektron di sekeliling inti atom. 6
3. Melalui percobaan hamburan Rutherford muncullah model atom Rutherford yang memperbaiki model atom Thompson. NIM. 080913043 Anggota 2 : Lailatul Badriyah NIM. 080913056 5. DAFTAR PUSTAKA http://hendriyanto.web.id/ukur/pencacah_0 0.htm Krane, Kenneth. Fisika Modern. Jakarta : Penerbit Erlangga. Susilo, Resta Agung. 2008. Studi Difraksi Neutron Material Amorph. Jakarta : Universitas Indonesia. 6. TENTANG PENULIS Penulis : Septia Kholimatussa diah NIM. 080913025 Anggota 1 : Mirza Andiana Devita P. 7
LAMPIRAN Data Hasil Pengamatan a. Penentuan kanal Kanal Jumlah cacahan 0 45856 10 5486 20 63 30 0 40 1 50 4 60 1 70 0 80 1 90 0 100 2 110 2 120 7 130 5 140 7 150 17 160 29 170 22 180 16 190 16 b. Hamburan pada celah sempit Sudut hamburan ( ) n 1 n 2 n 3-15 0 0 0 0-10 1 0 0 0,33-5 11 16 12 13-2,5 39 51 36 42 0 57 72 71 66,67 8
2,5 94 121 102 105,6 5 76 93 80 83 10 15 15 12 14 15 0 0 0 0 c. Hamburan pada celah lebar Sudut hamburan ( ) n 1 n 2 n 3-15 15 14 7 12-10 111 96 111 106-5 218 221 211 216,67-2,5 200 219 211 210 0 220 202 222 214,67 2,5 201 256 217 224,67 5 218 199 220 212,33 10 152 151 153 152 15 44 31 27 34 9
jumlah cacahan per menit jumlah cacahan per menit Grafik Data Eksperimen Hamburan Rutherford a. Hamburan pada celah sempit Grafik jumlah cacahan persepuluh detik terhadap sudut hamburan Rutherford pada celah sempit 120 100 80 60 40 20 0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 sudut hamburan ( ) b. Hamburan pada celah lebar Grafik jumlah cacahan persepuluh detik terhadap sudut hamburan Rutherford pada celah lebar 250 200 150 100 50 0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 sudut hamburan ( ) 10