Rabu, 03 Mei 2017

STRUKTUR ATOMIK: KOMPOSISI ATOM, PENEMUAN ELEKTRON OLEH J.J THOMSON DAN PENGUKURAN MUATAN ELEKTRON OLEH MILIKAN

STRUKTUR ATOMIK: KOMPOSISI ATOM, PENEMUAN ELEKTRON OLEH J.J THOMSON DAN PENGUKURAN MUATAN ELEKTRON OLEH MILIKAN
MAKALAH
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Fisika Modern
Dosen pengampu:
Endah Kurnia Yuningsih, M.P.Fis
Pina Pitriana, S.Si, M.Si

 





Oleh:
Ruhma Nursyarifah                 (1142070067)
Yanti                                       (1142070084)

SEMESTER VI B
PRODI PENDIDIKAN FISIKA JURUSAN PENDIDIKAN MIPA
FAKULTAS TARBIYAH DAN KEGURUAN
UIN SUNAN GUNUNG DJATI
BANDUNG

2017



PEMBAHASAN
  Perkembangan Teori-teori Atom
Menurut Wiyatmo (2008:5) kronologi perkembangan fisika atom adalah sebagai berikut:
Tahun
Ilmuwan
Penemuan
Era yunani
Democritus
Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi-bagi lagi.
1704
Isaac Newton
Mengusulkan semesta mekanis untuk gerakan benda-benda berukuran mikro.
1803
John Dalton
Mengajukan teori atom, bahwa atom berupa bola padat
1832
Michael Faraday
Menyelidiki pengaruh kelistrikan dalam larutan (elektrolisis), mengembangkan hukum-hukum elektrilisis, Faraday sendiri tidak sependapat dengan atomis.
1859
J Plucker
Berhasil membuat tabung lucutan emas yang pertama yaitu tabung sinar katoda
1869
Dmitri Mendelev
Menyusun unsur ke dalam tujuh golongan dengan sifat-sifat yang sama.
1873
James Clerk Maxwel
Hubungan timbal balik antara medan magnet dan medan listrik
1874
G. J Stoney
Kelistrikan terdiri dari zarah-zarah negatif diskrit yang disebut elektron.
1879
Sir William Crookers
Menemukan sinar katoda yang memiliki sifat-sifat: merambat dalam lintasan lurus, menyebabkan bahan gelas mengalami flouresensi, bermuatan negatif, memiliki massa.
1886
E. Goldstein
Menggunakan tabung sinar katoda untuk menyelidiki canal rays yang memiliki sifat-sifat kelistrikan dan kemagnetan yang berlawanan dari sebuah elektron
1895
Wilhelm Roengent
Menemukan sinar x dengan menggunakan tabung sinar katoda.
1896
Henry Becquerel
Menyelidiki pengaruh sinar x pada film fotografis
1897
J.J Thomson
Menggunakan tabung sinar katoda untuk menentukan rasio ( e/m ) elektron= 1,759 x 108 Coloumb/gram
1898
Rutherford
Menyelidiki radiasi-radiasi yang dipancarkan dari uranium dan thorium yakni radiasi alfa dan beta
1898
Marie Sklodowska curie
Menyelidiki proses peluruhan spontan uranium dan thorium yang dikenal sebagai radioaktivitas.
1909
R.A Milikan
Mengadakan percobaan tetes minyak untuk menetukan muatan e = 1,6 x 10-19 C dan massa m = 9,11 x 10-31 kg untuk zarah elektron.
Menurut Amiruddin (2009:1) sejak jaman yunani kuno, secara filsafat Leukippos dan Demokritus mengemukakan pendapat bahwa ada batas sampai berapa jauh suatu benda dapat dipecah dan setelah itu pemecahan lebih lanjut tidak mungkin dilakukan, bagian yang tidak dapat di pecah dinamakan atom.
Adapun perkembangan teori atom menurut Wiyatmo adalah sebagai berikut:
a.       Teori atom Demokritus
Zat dapat dibagi lagi atas bagian-bagian yang kecil sampai mencapai bagian yang paling kecil yang tidak dapat dibagi lagi, bagian zat yang tidak dapat dibagi lagi ini disebut atom. Yang berasal dari Bahasa yunani atomos yang berarti tidak dapat dibagi lagi. Konsep atom menurut demokritus ini bukan berdasarkan hasil percobaan melainkan hasil pemikiran.
b.      Teori atom Dalton
·         Atom merupakan partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi
·         Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain.
·         Dua buah atom atau lebih berasal dari unsur-unsur yang berlainan dapat bersenyawa membentuk molekul.
·         Atom-atom yang bersenyawa dalam molekul, memiliki perbandingan tertentu dan jumlah massa keseluruhan tetap.
·         Bila dua macam atom membentuk dua macam senyawa atau lebih, maka atom-atom yang sama dalam kedua senyawa tersebut mempunyai perbandingan yang sederhana.
c.       Model atom thomon
Menurut Thomson sebuah atom memiliki muatan-muatan listrik positif yang tersebar merata diseluruh bagian atom. Muatan listrik positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron yang tersebar diantara muatan-muatan listrik positif.
Thomson menganggap atom seperti suatu bola yang bermuatan positif dan dibubuhi dengan elektron secukupnya sehingga muatan listriknya netral model tersebut mirip roti kismis. Dalam model tersebut muatan positif dari atom terdistribusi secara merata pada bola yang berjari-jari 10-10 meter. Sedangakn elektron-elektron tadi terdistribusi pada kulit-kulit lingkaran dengan jari-jari yang lebih kecil. (Muljono, 2003:33-34)
d.      Teori atom Rutherford
Menurut Rutherford muatan listrik positif dan sebagian besar massa sebuah atom akan berkumpil pada satu titik di tengah-tengah atom yang disebut inti atom. Di luar inti pada jarak yang relatif jauh dari inti, elektron-elektron beredar mengelilingi inti dalam lintasan sama seperti planet-planet mengelilingi matahari.
   Struktur Atom
Menurut Muljono (2003:29) semua zat baik padat, cairan, atau gas terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul.
 Menurut Galib (2009: 62) stuktur atom terdiri dari  ruang kosong atom, proton dan neutron, quark, dan elektron.
1.      Ruang kosong atom
Bagian terbesar dari atom adalah ruang. Atom terdiri dari inti yang dikelilingi elektron-elektron. Tak ada apa-apa lagi antara inti dan elektron. Jarak mikroskopis dimana tidak terddapat apapun sebenarnya sangat besar dalam skala atom.
2.      Proton dan neutron
Inti atom terdiri dari proton dan neutron. Ukuran proton yang dapat masuk ke dalam inti adalah 10-15 m. jumlah proton di dalam inti atom yang pada prinsipnya membedakan unsur satu dengan unsur lainnya.
3.      Quark
Sampai dengan 20 tahun yang lalu dipercaya bahwa partikel terkecil yang membentuk atom adalah proton dan neutron, namun baru- baru ini, di temukan bahwa ada partikel yang jauh lebih kecil di dalam atom yang membentuk partikel-parikel yang di sebut quark. Berdasarkan penelitian fisika partakel mengungkapkan bahwa proton dan neutron yang membentuk atom sebenarnya terbentuk oleh sub partikel yang disebut quark. Dimensi quark yang membentuk proton adalah 10-18 m. quark di dalam proton tidak dapat di pisahkan satu sama lain, karena adanya gaya nuklir yang kuat yang menjaga partikel-partikel tetap berada di dalam inti.
4.      Elektron
Partikel yang berotasi dan berputar mengelilingi inti atom adalah elektron. Elektron-elektron yang mengelilingi innti memiliki kecepatan sebesar 1000km/detik dan tidak pernah bertubrukan satu sama lain. Elektron-elektron ini berputar pada orbitnya masing-masing.
     Sejarah Penemuan Elektron
Menurut Rosenberg (1985:14) setiap atom mempunyai inti yang mempunyai muatan positif, yang mengandung 99.9% dari keseluruhan massa atom. Setiap inti terdiri dari dua jenis partikel yang berbeda. kedua jenis artikel tersebut dikenal dengan nukleon ialah proton dan neutron.
  Menurut Amiruddin (2005:1) percobaan elektrolisis Michael Faraday (1833) membuktikan bahwa benda bersifat listrik. Stoney (1874) mengemukakan hipotesis bahwa mungkin dalam alam terdapat satuan listrik, yaitu jumlah listrik yang harus dialirkan melalui larutan untuk dapat melepaskan pada elektroda pada satu atom H atau suatu unsur lain yang ekivalen. Satuan ini oleh Stoney diberi nama elektron.
Sir William Crooks (1879) mempelajari sifat-sifat bunga api listrik dalam tabung hampa menunjukkan adanya suatu sinar yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Sinar ini dinamakan nama sinar katoda, oleh Sir J.J Thomson (1897) dibuktikan terdiri dari partikel bermuatan negatif sesuai dengan hipotesis Stoney. Thomson memberinya nama elektron. Dari nilai e/m yang didapat oleh Thomson dan dari besar muatannya, elektron yang ditentukan oleh milikan (1911) muatan dan massa atom dapat dihitung.
Menurut Ahmad dan Tupamahu (2001:1-3) pada tahun 1834 Faraday menemukan bahwa materi dan listrik adalah ekivalen. Penemuan elektron diawali dengan pembuatan tabung sinar katoda oleh J. Plucker (1855) yang dipelajari lebih lanjut oleh W.Crookers (1875) dan J.J Thomson (1897). Dibuktikan bahwa sinar yang kehijau-hijauan itu dipancarkan dari katoda. Sinar itu disebut sinar katoda.setelah diteliti secara mendalam dapat dicatat sifat-sifat berikut:
1.      Sinar itu berasal dari katoda dan bergerak menurut garis lurus
2.      Sinar katoda bermuatan negatif. Hal ini dibuktikan dari fakta bahwa sinar ini tertarik oleh pelat bermuatan positif dan dibelokkan oleh medan magnet
3.      Sinar katoda memiliki momentum oleh karena itu mempunyai massa, hingga dapat menggerakkan baling-baling yang terdapat dalam tabung.
4.      Sifat-sifat di atas tidak bergantung pada bahan yang digunakan untuk membuat katoda, pada sisa gas dalam tabung dan pada kawat penghubung katoda serta bahan alat penghasil arus.
  Partikel sinar katoda adalah partikel dasar yang ada dalam setiap materi . pada tahun 1891 Stoney mengusulkan nama elektron untuk satuan listrik dan kini partikel sinar katoda ini disebut elektron. Pada tahun 1897 J.J Thomson berhasil menentukan kecepatan dan perbandingan muatan/massa elektron dari berbagai sumber dengan menggunakan tabung sinar katoda.
Menurut Wiyatmo (2008:120-134) sejarah penemuan elektron dimulai dari percobaan sinar katoda dengan menggunakan tabung pelucutan gas. Tabung lucutan gas adalah sebuah tabung kaca dengan ruang vakum yang di dalamnya terdapat dua buah elektroda pada kedua kutubnya. Elektroda positif (anoda) dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan, sedangkan elektroda negatif (katoda) dihubungkan dengan kutub negatif. Sumber tegangan yang digunakan adalah tegangan searah (DC) yang besarnya antara 30 kV sampai dengan 50 kV. Apabila tekanan gas dalam ruang dikurangi dengan cara memompa gas keluar (memvakumkan gas) maka akan terjadi fenomena sebagai berikut:
·         Pada tekanan gas kira-kira 20 mmHg di dalam tabung mulai tampak aliran arus listrik yang berbentuk pita ungu
·         Pada tekanan 5 mmHg di dekat katoda timbul pijar negatif kebiruan. Di dalam tabung timbul pijar merah muda yang disebut kolom positif. Diantara kolom positif dan pijar negatif terdapat ruang gelap Faraday.
·         Pada tekanan 0,05 mmHg pijar negatif bergeser ke tengah dan dibelakangnya timbul ruang gelap Crookes.
·         Pada tekanan gas kira-kira 0,01 mmHg semua cahaya di dalam tabung menghilang. Kaca di dekat anoda berpenjar kehijau-hijauan.
Cahaya kehijau-hijauan tersebut adalah hasil radiasi sinar yang bergerak dari katoda menuju anoda. Sinar tersebut dikenal sebagai sinar katoda. Sebenarnya sinar katodanya sendiri tidak terlihat, sinat tersebut dapat ditunjukan apabila mengenai benda lain sehingga menimbulkan efek seperti gejala berpenjaran.
William crookes dengan percobaannya dapat menunjukkan bahwa sinar katoda merambat lurus. Selanjutnya pada tahun 1895, Jean Perrin dapat menunjukkan bahwa sinar katoda terdiri dari partikel bermuatan negatif. Oleh Thomson partikel bermuatan negatif tersebut disebut elektron. Menurut Thomson, elektron jauh lebih ringan dari pada atom dan terdapat pada semua benda. Sehingga atom bukan bagian terkecil dari suatu zat.
Berdasarkan percobaan tersebut dapat diketahui bahwa sifat-sifat sinar katoda adalah sebagai berikut:
·         Merambat menurut lintasan berupa garis lurus
·         Dapat memendarkan sulfida seng dan barium platinasianida
·         Terdiri atas partikel-partikel yang bermuatan negatif
·         Dapat menghasilkan panas
·         Menghitamkan pelat foto
·         Menyimpang dalam medan magnet dan medan listrik
·         Dapat menghasilkan sinar x
Berdasarkan sifat sinar katoda di atas, J.J Thomson mengusulkan bahwa sinar katoda merupakan aliran-aliran elektron-elektron yang keluar dari katoda menuju anoda dengan kecepatan tinggi. Selanjutnya, Thomson berhasil merancang dan melakukan percobaan untuk menentukan perbandingan antara muatan per satuan massa (e/m) partikel bermuatan negatif yang terdapat pada berkas sinar katoda.
Elektron yang dihasilkan oleh katoda oleh proses pemanasan dengan menggunakan filamen pemanas (emisi thermionik) dipercepat menuju anoda oleh suatu beda potensial antara anoda dan katoda sebesar V. jika kecepatan elektron pada saat dilepas dari katoda Karena proses pemanasan diabaikan, maka kelajuan elektron v pada saat melewati anoda dapat dihitung berdasarkan hukum kekekalan energi sebagai berkut:
Atau
Keterangan :
                           e = muatan elektron
                           m = massa elektron
elektron yang bergerak dengan kecepatan v tegak lurus terhadap medan magnet homogeny B, akan melakukan gerak melingkar dengan jari-jari R karena pengaruh gaya Lorentz yang berfungsi sebagai gaya sentripetal sehingga berlaku persamaan:
Atau
Berdasarkan persamaan di atas perbandingan muatan terhadap massa elektron dapat ditentukan dengan persamaan:
Medan magnet yang tertulis pada persamaan di atas dihasilkan oleh kumparan Helmholtz yang tersusun atas dua kumparan sejajar dan terletak dalam satu sumbu dengan jari-jari R. jika di dalam kumparan Helmholtz tersebut dialiri arus listrik I dengan arah yang sama, maka kan dihasilkan medan magnet homogen yang sejajar dengan sumbu kumparan tersebut. Menurut hukum Bio-Savart besarnya kuat medan magnet diantara dua kumparan tersebut adalah:
Dengan µ0= permeabilitas ruang hampa dan N jumlah lilitan. Khusus untuk alat yang digunakan dalam eksperimen ini mempunyai jumlah lilitan N =130 lilitan serta R= 0,150 m, sehingga diperoleh besarnya kuat medan magnet diantara dua kumparan adalah:
Percobaan J.J Thomson menggunakan tabung kaca berhasil mengukur perbandingan muatan per massa elektron (e/m) dengan mengukur simpangan sinar katoda dalam medan magnet B.
  
Di dalam tabung sinar katoda terdapat katoda dan anoda sehingga elektron bergerak lurus diantara dua keping, yakni keping atas positif dan keping bawah negatif. Karena diantara kedua keping terdapat medan listrik yang arahnya ke bawah sehingga elektron mengalami gaya ke atas:
Dengan v adalah kecepatan elektron. Tegangan listrik V dan medan magnet B dapat diatur sedemikian rupa sehinga pengaruhnya terhadap elektron sama kuat yang mengakibatkan elektron bergerak lurus.
Jika untuk sementara medan listrik dimagnet dimatikan sehingga yang berpengaruh adalah tegangan listrik V saja, akibatnya elektron bergerak menyimpang ke atas sehingga pada akhir keping simpangannya sebesar y dari sumbu keping. Besar simpangan yaitu:
Dengan a adalah percepatan dan t adalah waktu yang diperlukan elektron untuk bergerak dari keping sampai layar. Lama waktu t pada gerak lurus beraturan pada sumbu x adalah
Dengan L menyatakan jarak antara kedua keping sampai layar. Berdasarkan hukum II Newton diperoleh kecepatan gerak elektron dalam medan listrik adalah:
   Pengukuran Muatan Elektron oleh Milikan
Menurut Wiyatmo (2007:135-141) pada tahun 1909, Robert Andrew Milikan seorang fisikawan amerika serikat berhasil mengukur muatan listrik sebuah elektron. Robert Andrew milikan adalah seorang penemu tetes minyak milikan. Ia mneggunakan alat yang sederhana, sebuah kotak yang kedua sisi sampingnya ditutup kaca, sisi atas dan sisi bawah terdiri dari pelat yang dapat dimuati listrik dengan potensial berbeda. lempeng atas dibuat berlubang, melalui lubang tersebut milikan menyemprotkan minyak. Tetes minyak yang berukuran sangat kecil jatuh dari atas menuju pelat bagian bawah. Selanjutnya tetes minyak itu diberi muatan sehingga gerakannya dapat diatur. Gerak tetes minyak diamati dengan mikroskop. Alat-alat yang digunakan eksperimen oleh milikan terdiri dari dua buah pelat logam yang disusun secara horizontal. Butiran-butiran minyak yang disemprotkan lewat lubang kecil diantara dua pelat berkas cahaya diarahkan diantara dua pelat. Teleskop digunakan untuk mengamati gerakan butiran minyak diantara dua pelat. Teleskop dan berkas cahaya diatur sedemikian rupa sehingga cahaya yang dipantulkan oleh butiran minyak akan diterima oleh teleskop. Butiran-butiran minyak ini berupa kabut, ada yang bergerak ke atas ringan, dan ada yang bergerak ke bawah karena gaya beratnya besar.
Jika pelat bagian atas diberi potensial positif dan pelat bagian bawah diberi potensial negatif maka diantara kedua pelat tersebut akan timbul medan listrik E yang homogen. Diantara kedua pelat tersebut dipilih yang bermuatan negatif. Beda potensial diantara kedua pelat diatur sedemikian rupa sehingga butiran minyak yang dipilih tersebut tetap dalam keadaan diam. Pada keadaan ini berlaku kesetimbangan gaya berat, gaya Archimedes, gaya listrik sehingga:
Karena  maka
Keterangan :
q = muatan listrik bintik minyak
V0 = beda potensial antara kedua pelat
g = percepatan gravitasi
r= jari-jari bintik minyak
ρ = massa jenis minyak
ρ’= massa jenis udara.
Besar jari-jari bintik minyak berkisar 105 cm. karena jari-jari bintik minyak sangat kecil maka milikan menggunakan cara membiarkan butiran minyak bergerak bebas tanpa gaya apung medan listrik. Dengan tidak adanya medan listrik maka bintik minyak akan dipercepat sampai kemudian bergerak dengan kecepatan konstan. Pada keadaan ini bekerja gaya gesek antara butiran minyak dengan udara. Maka:
Karena maka:
Dimana  adalah efisiensi kekentalan udara dan v adalah kecepatan terminal dari tetes minyak. Kesimpulan dari percobaan Milikan adalah sebagai berikut:
1.      Tidak pernah ditemukan tetes minyak yang mengandung muatan listrik lebih kecil dari suatu nilai tertentu. Muatan listrik tersebut adalah muatan sebuah elektron yang dikenal sebagai muatan elementer yang diberi simbol e
2.      Semua muatan listrik tetes minyak yang diamati milikan adalah e,2e,3e,…, ne dengan n=1,2,3,…(bilangan bulat)
Besar muatan listrik sebuah elektron yang diperoleh milikan adalah:
e = 1,602129 x 10-19 C



BAB III
SOAL DAN PEMBAHASAN
  1. Tentukan berapa elektron yang tertangkap oleh satu tetes minyak dalam percobaan yang dilakukan oleh Milikan pada satu tetes minyak tersebut bermuatan -3,2 x 10-19 C! (Glanto, 2009:3)
Jawab:
Telah diketahui dari pecobaan yang dilakukan oleh Milikan, bahwa muatan 1 elektron sebesar -1,6 x 10-19 C. maka jumlah elektron yang ditangkap oleh satu tetes minyak dengan muatan -3,2 x 10-19 C adalah:
  1. Thomson mampu menetukan massa/ rasio muatan elektron tetapi tidak massa. Bagaimana percobaan milikan memungkinkan penemuan massa elektron?
Jawab:
Dalam percobaan milikan atau percobaan oil-drop, milikan melakukan percobaan dengan menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya grafitasi dan gaya listrik pada tetes kecil minyak yang berada diantara dua buah pelat elektroda. Dengan mengetahui besarnya medan listrik, muatan pada tetes minyak yang dijatuhkan dapat ditentukan. Dan tetesan minyak yang selalu diukur adalah perbanyakan dari suatu nilai tertentu. nilai itu dikenal sebagai muatan elektron (1,6x10-19C). Berdasarkan massa Thomson / rasio muatan elektron sehingga kita dapat menentukan massa elektron (9,11x10-31 kg).
  1. Hitung massa elektron dengan menggunakan nilai yang didapat Millikan dan Thomson.
Jawab:
Anda dapat memperoleh penyelesaian dengan mensubstitusikan nilai yang didapat Millikan pada hubungan: muatan/massa = 1,76 x 108 (C g-1). Maka, m = e/(1,76 x 108 C g-1) = 1,6 x 10-19 C/(1,76 x 108C g-1) = 9,1 x 10-28 g. Muatan listrik yang dimiliki elektron (muatan listrik dasar) adalah salah satu konstanta universal dan sangat penting.



BAB IV
PENUTUP
A.    Simpulan
1.      Perkembangan teori atom
a.       Teori atom Demokritus, atom adalah bagian dari partikel yang tidak dapat dibagi-bagi lagi
b.      Teori atom Dalton, Atom merupakan partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi, atom adalah seperti bola pejal.
c.       Model atom thomon, Menurut Thomson sebuah atom memiliki muatan-muatan listrik positif  dan negatif yang tersebar merata diseluruh bagian atom.
d.      Teori atom Rutherford, muatan listrik positif dan sebagian besar massa sebuah atom akan berkumpul pada satu titik di tengah-tengah atom yang disebut inti atom dan elektron-elektron yang mengelilinginya.
2.      Struktur atom terdiri dari ruang kosong, proton dan neutron, quark, dan elektron.
3.      Elektron ditemukan oleh J.J Thomson melalui percobaannya dengan menggunakan tabung sinar katoda.
4.      Dan pengukuran nilai muatan elektron dilakukan oleh Robert Milikan dengan menggunakan percobaan tetes minyak milikan.



DAFTAR PUSTAKA
Achmad,Hiskia,Tupamahu.2001.Struktur Atom Struktur Periodik Sistem Periodik.Bandung:Citra Aditya Bakti
Amiruddin,Achmad.2009.Kimia Inti dan Radiokimia.Bandung:Jajasan Karjawan Kimia
Ghalib, Achmad Cholis.2009.The True Power of Atom.Yogyakarta:DIVA Press
Muljono.2003.Fisika Modern.Yogyakarta:ANDI
Rosenmberg,Jerome L.1985.Kimia Dasar.Jakarta:Erlangga
Wiyatmo, Yusman.2008.Fisika Atom.Yogyakarta:Pustaka Pelajar

1 komentar: