PERCOBAAN THOMSON e/m

A. Tujuan Percobaan

Tujuan dari percobaan ini yaitu :

1. Menentukan nilai perbandingan muatan terhadap massa elektron (e/m).

2. Menganalisis pengaruh kuat arus, tegangan listrik, dan medan magnet kumparan Helmholtz terhadap nilai e/m elektron.

B. Teori Dasar

Pengukuran nilai e/m elektron pertama kali dilakukan oleh Joseph John Thomson (1897) yang mengidentifikasikan sinar katoda sebagai elektron. Jika sebuah elektron dengan massa m dan muatan e bergerak dengan kecepatan v di dalam medan magnet homogen B dengan arah tegak lurus terhadap kecepatan, maka elekton akan mengalami gaya Lorentz (FL) yang dapat dituliskan sebagai berikut :

Untuk nilai e/m dapat dihitung menggunakan :

Dalam percobaan ini, medan magnet B dihasilkan dari dua buah kumparan Helmholtz dengan nilai B dinyatakan oleh :

Dengan 𝜇0 permeabilitas ruang hampa = 4𝜋 x 10⁻⁷ H/m atau 1,257 x 10⁻⁶ Vs/Am, n = jumlah lilitan kawat pada kumparan, dan r = jari-jari kumparan.

C. Alat dan Bahan

1. Tabung berkas elektron.

2. Kumparan Helmholtz (2 x 130 lilitan).

3. Multimeter.

4. Catu Daya (0 - 25 V ; 10 A).

5. Catu Daya Universal. 

6. Kabel-kabel penghubung.

D. Prosedur Percobaan

1. Menyusun dan menyiapkan peralatan percobaan seperti pada gambar di atas.

2. Memasang catu data universal untuk sumber berkas elektron dan menaikkan secara perlahan hingga tegangan mencapai 280 V DC dengan terbentuknya elekton dalam tabung.

3. Mengatur berkas elektron dengan cara mengubah-ubah tegangan dalam silinder Wehnelt agar diperoleh berkas yang sempit dan tajam.

4. Memasang catu daya (0 - 25 V ; 10 A) untuk kumparan Helmholtz dan mengatur sedemikian rupa sehingga berkasa elektron membentuk suatu lingkaran tertutup.

5. Menggerakkan sekat sehingga lingkaran berkas elektron berada dalam satu garis yang dapat dilihat oleh cermin yang ada di belakang tabung.

6. Mengukur diameter berkas elektron pada tegangan tetap untuk setiap perubahan arus 1 - 3 A.

7. Mengukur diameter berkas elektron pada arus tetap untuk setiap perubahan tegangan 280 - 120 V DC.

8. Mencatat hasil pengukuran dalam tabel pengamatan.

E. Data Percobaan

Berikut ini data-data yang diperoleh saat percobaan :

Note :

- Nilai satuan terkecil (nst) untuk tegangan adalah 1 volt dan arus adalah 0,01 A.

F. Pengolahan dan Perhitungan Data

G. Analisa Data

Pada percobaan ini nilai e/m ditentukan dengan percobaan yang dilakukan pada sebuah tabung vakum yaitu terdiri dari dua pelat logam yang berbeda yaitu anoda (positif), katoda (negatif), dan dikelilingi kumparan Helmholtz. Pada tepi tabung, kumparan ini berfungsi untuk menghasilkan medan magnet. Adanya power supply berfungsi untuk menghasilkan arus dan medan magnet. Selain itu, juga menghasilkan berkas elektron dalam tabung vakum tersebut. Berkas elektron yang dihasilkan merupakan akibat adanya arus yang menghasilkan pembelokan lintasan.

Ketika suatu katoda dipanasi oleh filamen mencapai besarnya energi ikat elektron pada katoda, maka elektron tersebut akan terlepas dari ikatannya dan terpencar dari permukaan katoda. Elektron dipercepat ke arah yang mempunyai beda potensial. Elektron akan mengalami gaya F tegak lurus dengan arah kecepatannya. Ketidaklurusan antara gaya F dan kecepatan v menyebabkan adanya pergerakan melingkar pada elektron. Akibatnya ada interaksi antara atom satu dengan yang lainnya, menyebabkan elektron dari katoda menembus atau menumbuk atom tersebut sehingga membentuk sebuah sinar kebiri-biruan. Warna biru pada berkas elektron melingkar ini karena panjang gelombang yang dicapai oleh elektron valensi saat terjadi tumbukan antara atom dan elektron yaitu berada di antara 450 nm - 405 nm (spektrum biru).

Dari percobaan I - III (V tetap) dan IV - VI (I tetap) dapat disimpulkan bahwa pada saat nilai tegangan V tetap dan arus naik tiap 0,1 A maka diameter lintasan elektron semakin kecil. Hal ini karena semakin besar nilai arus, maka medan magnet B akan semakin besar pula. Medan magnet inilah yang akan membelokkan elektron dengan kuat sehingga diameter berkas elektron semakin kecil. Untuk arus I tetap dan tegangan naik tiap 5 volt, maka diamter berkas elektron semakin besar.

Kemudian untuk menganalisis nilai e/m dari literatur yaitu diperoleh dari perbandingan nilai muatan dan massa elekton atau e/m = 1,60217733 x 10⁻¹⁹ / 9,1090 x 10⁻³¹ = 1,759 x 10¹¹ As/kg. Sedangkan berdasarkan percobaan I - VI diperoleh nilai e/m sebagai berikut.

a. Percobaan I : (1,1 + 0,3) x 10¹⁰ As/kg

b. Percobaan II : (0,6 + 0,1) x 10¹⁰ As/kg

c. Percobaan III : (0,8 + 0,1) x 10¹⁰ As/kg

d. Percobaan IV : (1,44 + 0,12) x 10¹⁰ As/kg

e. Percobaan V : (0,969 + 0,028) x 10¹⁰ As/kg

f. Percobaan VI : (0,607 + 0,021) x 10¹⁰ As/kg

Hasil yang diperoleh dari percobaan dan literatur memiliki perbedaan nilai yang cukup jauh. Kemungkinan yang menyebabkan penyimpangan pada percobaan ini yaitu :

a. Penentuan diameter berkas elekton. Berkas elektron yang muncul terkadang tidak sempurna berbentuk lingkaran sehingga diameter yang diukur bukanlah diameter yang sebenarnya.

b. Penggunaan arus yang terlalu besar akan mempengaruhi berkas elekton yang dihasilkan karena gaya magnet menjadi tidak stabil.

c. Adanya kemungkinan kerusakan alat ukur di laboratorium seperti kabel-kabel penghubung.

H. Kesimpulan dan Saran

Dalam percobaan ini dapat disimpulkan :

1. Nilai e/m yang diperoleh dari percobaan yaitu :

a. Percobaan I : (1,1 + 0,3) x 10¹⁰ As/kg

b. Percobaan II : (0,6 + 0,1) x 10¹⁰ As/kg

c. Percobaan III : (0,8 + 0,1) x 10¹⁰ As/kg

d. Percobaan IV : (1,44 + 0,12) x 10¹⁰ As/kg

e. Percobaan V : (0,969 + 0,028) x 10¹⁰ As/kg

f. Percobaan VI : (0,607 + 0,021) x 10¹⁰ As/kg

2. Semakin besar arus, maka nilai e/m akan semakin kecil dan sebaliknya. Semakin besar tegangan, maka nilai e/m akan semakin besar dan sebaliknya. Semakin besar medan magnet kumparan Helmholtz, maka nilai e/m akan semakin kecil.

3. Kumparan berfungsi untuk menghasilkan medan magnet B dan power supply berfungsi menghasilkan arus dan berkas elektron.

4. Ketidaklurusan antara gaya F dan kecepatan v menyebabkan adanya pergerakan melingkar berkas elektron.

5. Warna biru pada berkas elektron terjadi karena elektron menumbuk atau menembus atom tertentu dengan panjang gelombang 450 nm - 495 nm (spektrum warna biru).

Dalam percobaan ini disarankan untuk :

1. Lebih teliti dalam mengukur berkas elektron dan mengukur saat berkas sempurna berbentuk lingkaran.

2. Tidak menggunakan arus besar (> 2 A) karena gaya magnet menjadi tidak stabil.

I. Daftar Pustaka

Alvensleben, L.V. Phywe experimental literature physics: Specific charge of the electron-e/m. LEP 5.1.02

Arthur Beiser. (1995). Concept of Modern Physics, 5th edition, New York: McGraw Hill

Raymond A. Serway, Clement J. Moses and Curt A Moyer. (2005). Modern physics, 3 rd edition, Belmont: Thomson learning, Inc.