Eksperimen Tabung Sinar Katoda Thompson: Penemuan Elektron
Percobaan Tabung Sinar Katoda J.J Thompson
Penemuan Elektron
Oleh :
FiFah
PENDAHULUAN
Sinar katoda adalah aliran elektron
yang dikirim oleh katoda di dalam wadah tertutup dimana udara telah dihapus
atau yang berisi gas tertentu (dictionary.cambridge.org). Sinar katoda
dihasilkan dengan memberikan tegangan tinggi pada katoda. Arah pergerakannya
adalah dari katoda ke anoda.
Sinar katoda sekarang dikenal
sebagai berkas elektron yang dipancarkan dari katoda yang dipanaskan di dalam
tabung vakum dan dipercepat oleh perbedaan potensial antara katoda dan anoda.
Layar ditutupi dengan lapisan berpendar (biasanya logam transisi seperti
fluorosen), yang memancarkan cahaya tampak saat dieksitasi oleh elektron
berenergi tinggi. Sinar dibelokkan oleh medan magnet atau listrik untuk
memindahkan titik terang ke posisi yang ditentukan di layar.
Tabung sinar katoda ditemukan oleh fisikawan Jerman Karl
Ferdinand Braun pada tahun 1897, Tabung sinar katoda adalah wadah kaca yang
berisi pistol elektron (sumber elektron) dan layar fluorosen. Biasanya dengan
sarana internal atau eksternal untuk mempercepat dan membelokkan elektron. .
Ketika elektron menabrak layar fluorosen, cahaya dipancarkan. Berkas elektron dibelokkan dan
dimodulasi dengan cara yang menyebabkannya menampilkan gambar di layar (newworldencyclopedia.org).
Fig.1. Braun tube (source: crsite.com)
Penemuan tersebut dikembangkan oleh
ilmuwan Inggris bernama William Crookes tahun 1878. Beliau memodifikasi dengan
menampilkan sinar katoda pada Tabung crookes. Penemuan tersebut berperan
sebagai prototipe mentah untuk semua tabung sinar katoda masa depan.
PEMBAHASAN
Mengapa JJ
Thompson menemukan elektron?
JJ.Thompson lekat dengan penemuan elektron
tahun 1897, Menurut kutipan otobiografinya, penemuan elektron dimulai dengan
upaya untuk menjelaskan ketidaksesuaian antara perilaku gaya magnet dan gaya
listrik sinar katoda. Sinar katoda atau sinar dalam tabung vakum yang berasal
dari elektroda negatif dapat dengan mudah disimpangkan dengan magnet. William
Crookes, pada tahun 1879 beranggapan bahwa sinar katoda terbentuk dari partikel
bermuatan berdasarkan hasil percobaannya.
Fig.2a. Crookes tube affect by magnet. (sumber:thereaderwiki.com)
Hal ini ditemukannya pada
eksperimentnya menggunakan tabung crookes yang dapat dilihat pada Figure.2.
Fig.2b. Tabung Crookes dengan plat
Fig.2c. Tabung Crookes dengan kincir
Pada Figure.2a dapat dilihat bahwa
sinar katoda bergerak menyimpang ke atas karena terpengaruh medan magnetic yang
diberikan. Pada Figure.2b dapat dilihat bahwa sinar katoda bergerak lurus dari
katoda ke anoda. Sedangkan pada figure.2c, William crookes melakukan percobaan
dengan menambahkan kincir pada tabung. Hasil yang diperoleh adalah sinar katoda
mampu menggerakkan kincir tersebut. Sehingga semakin memperkuat kesimpulan
Crookes bahwa sinar katoda adalah partikel bermuatan.
Hal tersebut memberikan asumsi
bahwa sinar katoda juga dapat disimpangkan dengan medan listrik. Sebab seperti
yang diketahui bahwa listrik dan magnet adalah dua fenomena terkait yang
dihasilkan oleh gaya elektromagnetik. Muatan listrik yang bergerak menghasilkan
medan magnet. Medan magnet menginduksi pergerakan muatan listrik, menghasilkan
arus listrik. Namun, lima tahun kemudian seorang ilmuwan muda Jerman bernama
Heinrich Hertz menemukan bahwa dia tidak dapat menggerakkan balok dengan pelat
sejajar atau dengan medan listrik. Hertz menyimpulkan bahwa Crookes salah, karena
jika sinar katoda adalah partikel bermuatan, maka seharusnya sinar katoda menyimpang
mendekati plat positif dan menjauhi plat negative. Kemudian Hertz menyimpulkan
bahwa sinar katoda adalah semacam gelombang elektromagnetik baru seperti jenis
baru sinar ultraviolet lebih lanjut pada tahun 1892. Hertz secara tidak sengaja
menemukan bahwa sinar katoda dapat menembus potongan logam tipis yang menjadi
bukti lebih lanjut bahwa Crookes salah.
Kemudian pada bulan Desember 1895
seorang fisikawan Perancis bernama Jean Perrin menggunakan magnet untuk
mengarahkan sinar katoda masuk dan keluar dari elektroskop yang disebut
silinder Faraday dan diukur muatannya. Perrin menuliskan, silinder Faraday
menjadi bermuatan negatif ketika sinar katoda memasukinya dan hanya ketika
mereka memasukinya sinar katoda dengan demikian bermuatan listrik negatif.
Kita dapat melihat bahwa
fakta-fakta tersebut masih membingungkan. Herzt jelas menentang Crookes. Namun
Perrin berhasil menguatkan bahwa sinar katoda bersifat muatan negative. Hal ini
yang mendasari JJ.Thompson dalam perjalan menemukan electron. Yakni dengan
adanya perdebatan tentang bagaimana cara kerja sinar katoda. JJ.Thompson
beranggapan bahwa ada sesuatu yang keliru dalam eksperimen Herzt. Sehingga
menghasilkan sesuatu yang berbeda.
Mari kita perjelas, tabung sinar
katoda berfungsi baik jika ada sedikit udara di dalam tabung atau maksimalnya
dalam keadaan vakum. Sebab adanya udara berpengaruh ketika terjadi gesekan
sinar katoda dengan udara. Hal ini juga berkaitan dengan udara yang terionisasi di medan listrik yang
tinggi dan menjadi konduktif. Udara konduktif kemudian bertindak seperti
sangkar Faraday melindungi ruang dari medan listrik. Untuk membantu memahami
sangkar Faraday bekerja dapat dilihat pada Figure.4.
Fig.4. Faraday cage (sumber: interestingengineering.com)
Pada Figure.4 dapat dilihat bahwa
sangkar faraday dapat menangkal medan listrik yang diarahkan.
Selanjutnya JJ.Thompson berpikir
bahwa dia bisa mendapatkan sinar yang lebih kuat dengan menembakkannya melalui
anoda positif dengan lubang di tengahnya. Dengan sistem ini dia bisa
mengevakuasi tabung ke tingkat yang jauh lebih tinggi. Apabila vakumnya cukup
baik, maka seharusnya sinar katoda juga dapat digerakkan dengan medan listrik,
yakni menjauhi plat negative.
Fig.4. Thompson tube, tabung sinar katoda dengan lubang di anoda (sumber: staffnew.uny.ac.id)
Berdasarkan temuan Herzt
sebelumnya, bahwa sinar katoda dapat menembus plat tipis, Thopson beranggapan
bahwa hal tersebut dapat terjadi karena sinar katoda bergerak dengan sangat
cepat. Lalu bagaimana cara menunjukkan bahwa sinar katoda dapat dipengaruhi medan
magnet dan medan listrik?
Percobaan Sinar
Katoda Thompson
JJ. Thompson memanfaatkan fakta
bahwa sinar katoda dapat disimpangkan dengan medan magnet dan medan listrik.
Beliau menerapkan medan magnet dan medan listrik yang saling tegak lurus
terhadap sinar katoda.Sebagai catatan, bahwa arah medan listrik dari positif ke
negative dan arah medan magnet dari kutub utara ke kutub selatan. Maka
dirancang tabung sinar katoda Thompson seperti pada Figure.5. dengan skema arah
medan magnet dan medan listrik pada Figure.6.
Fig.5. tabung sinar katoda Thompson (sumber: khanacademy.org)
Pada percobaannya, mula-mula
Thompson memberikan medan magnet pada sinar katoda. Sehingga disimpangkan ke
atas. Seperti terlihat pada Fig.7
Fig.7. langkah pertama percobaan sinar katoda Thompson
Kedua, Thompson memberikan tegangan
pada plat positif-negatif. Sehingga sinar katoda kini dipengaruhi juga dengan
medan listrik. Pemberian tegangan tersebut dilakukan sampai sinar katoda
kembali ke titik semula sebelum disimpangkan. Dengan kata lain, sinar katoda
bergerak lurus. Seperti pada Figure.8.
Fig.8. Langkah kedua percobaan sinar katoda Thompson
Pada tahap ini mengindikasikan
bahwa gaya yang berpengaruh seimbang atau sama besar. Gaya yang bekerja karena
adanya medan magnet, bergantung pada muatan partikel. Sementara gaya yang
bekerja karena medan listrik juga dipengaruhi muatan partikel. Karena gaya-gaya
ini seimbang, maka dapat ditentukan kecepatan partikelnya dari rasio dua bidang
akibat medan tersebut.
Fig.9. Kaidah tangan kanan lorenzt (sumber: belajar1.decorhomebestthe.me)
Langkah ketiga, Thompson menghilangkan
medan magnet, sehingga sekarang sinar katoda terproyeksikan menyimpang ke bawah
oleh medan listrik. Hal ini berlaku sesuai kaidah tagan kanan. Dimana dalam
percobaan ini, arah arus listrik bergerak ke bawah. Sehingga arah sinar katoda
juga ke bawah. Seperti pada Figure.10.
Fig.10. langkah ketiga percobaan sinar katoda Thompson
Berdasarkan percobaan tersebut,
Thompson mampu menemukan rasio antara m/e seperti yang dituliskan dalam
papernya.
1. Analisis
simpangan karena medan magnet
Persamaan yang diperoleh adalah :
2. Analisis
simpangan akibat medan listrik
Persamaan yang diperoleh adalah :
Hasil penelitian menunjukkan bahwa
sinar katoda dapat dibelokkan oleh medan listrik dn medan magnet. Pembelokan
memungkinkan pengukuran jari-jari kelengkungan secara tepat sehingga
perbandingan nilai muatan elektron dan massanya dapat ditentukan sebesar 1.76 x 10^11 c/kg. (Elyakim et al,
2015)
Hasil yang Thompson peroleh adalah constant dengan perubahan zat apapun yang digunakan dalam percobaan maupun pengisian tabung dengan jenis gas apapun, nilai e/m konstan.
Thompson
menyimpulkan bahwa segala sesuatu dipenuhi dengan hal-hal kecil kecil yang dia
sebut corpsicle, tapi sekarang kita sebut elektron dan corpsicle x' dari satu
atom persis sama dengan corpsicle x' di atom lain. Hasil lainnya yang dia
temukan adalah nilai e di atas m sangat besar sekitar 1.700 kali lebih besar
dari itu untuk atom hidrogen bermuatan yang memiliki nilai e lebih besar dari m
untuk apa pun yang mereka temukan sebelumnya yang berarti bahwa tubuh x' ini
bermuatan sangat tinggi atau sangat kecil.
Thopmson
Conclusion :
1. Elektron
ada dimanapun dan 1000 kali lebih kecil dari atom.
2. Bagian
positif kehilangan electron, dan bagian negative kelebihan electron.
3. Arus
adalah aliran electron dari negative ke positif.
Berdasarkan kesimpulan tersebut, Makalah Thompson tahun 1897 diakhiri
dengan dugaan tentang struktur atom dan hubungan antara sel-sel subatomik dan
tabel periodik. Selama dekade berikutnya Thomson berusaha mengembangkan model
"puding plum" atom di mana sel-sel bermuatan negatif berada dalam
keadaan diam dalam konfigurasi kesetimbangan statis dalam matriks bermuatan
positif (George E,1997). Puding plum atom sebenarnya masuk dalam konklusi
JJ.Thompson ke-4. Namun dihapuskan ketika muncul teori bentuk atom yang lebih
baik.
PENUTUP
J.J. Thompson berhasil menentukan perbandingan antara muatan dengan massa electron (e/m) sebesar 1.76 x 10^11 c/kg. Thompson juga berhasil menemukan bahwa electron adalah bagian dari atom yang nilai dan besarnya sama pada semua jenis atom. Sehingga temuannya berpengaruh besar pada perkembangan materi subatomic dan perkembangan teori atom.
Daftar Pustaka
Elyakim
N.S, Patty, Waluyo E, Jacobus L, 2015. Pengkuran e/m electron Menggunakan
Tabung Televisi (TV) dan Kumparam Helmholtz. Jurnal Penelitian Pendidikan IPA.
Vol.(1). No.1 hal:148-165
https://dictionary.cambridge.org/dictionary/english/cathode-ray diakses Rabu, 16 Maret 2022
George
E,S. 1997. J.J.Thompson and The Electron: 1897-1899 An Introduction.
Journal.springer-ny.com. Vol (2) No.6 hal: 3
https://www.newworldencyclopedia.org/entry/Cathode_ray_tube diakses Rabu, 16 Maret 2022.
Komentar
Posting Komentar