Pengukuran

Berdasarkan Percobaan J. J. Thompson

PENDAHULUAN

Sinar katoda sudah ditemukan sejak tahun 1859. Meskipun demikian baru tiga puluh delapan tahun kemudian muatan spesifik sinar katoda diperoleh. J.J Thomson (1856-1940) yang pertama kali melakukan eksperimen untuk menentukan muatan sinar katoda. Pengukuran nilai muatan elektron dapat diketahui setelah eksperimen yang dilakukan oleh J. J. Thompson yaitu dengan menggunakan peralatan tabung vakum (tabung sinar katoda) dan kumparan Helmholtz. Eksperimen ini berdasarkan pada eksperimen Thompson tersebut, yaitu penentuan nilai perbandingan elektron (e)

dan massa elektron (m) yang secara teoretis bernilai . Eksperimen ini penting,

karena dari hasil eksperimen J. J. Thompson ditemukan sifat aneh pada sinar katoda. Keanehan ini terletak pada fakta bahwa rasio massa terhadap muatannya memiliki orde 1000 kali lebih kecil dibandingkan ion yang palinh ringan yaitu ion hidrogen. Selain menentukan nilai perbandingan elektron (e) dan massa elektron (m) eksperimen ini juga dapat memberikan informasi karakteristik sinar katoda.

Penentuan nilai perbandingan elektron (e) dan massa alektron (m) dapat diperoleh dengan mengukur jari-jari sinar katoda (r) pada setiap nilai arus kumparan Helmholtz (I) dengan beberapa nilai tegangan pemercepat (V). Hubungan antar ketiganya dapat diketahui dari sifat-sifat kumparan Helmholtz yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat lintasan elektron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda.

Nilai diperoleh dari hubungan gaya antara gaya sentripetal elektron dan gaya Lorentz.

DASAR TEORI

Model struktur atom pertama adalah yang dikemukakan oleh J. J. Thompson yang telah terkenal karena keberhasilannya mencirikan elektron dan mengukur nisbah muatan terhadap massa

elektron. Model atom Thompson ini berhasil menerangkan banyak sifat atom yang diketahui

seperti: ukuran, mass, jumlah elektron, dan kenetralan muatan eltrik. Dalam model ini, sebuah atom dipandang mengandung Z elektron yang dibenamkan dalam suatu bola bermuatan positif seragam. muatan positif total bola adalah Ze, massanya pada dasarnya adalah massa atom (massa elektron terlalu ringan sehingga tidak banyak mempengaruhi massa atom), dan bahwa jari-jari R bola ini adalah jari-jari atom pula. (Model ini seringkali dikenal dengan nama model kue “puding prem” atau pulm pudding, karena elektron-elektron tersebar di seluruh atom seperti halnya kismis yang tersebar

dalam kue puding prem atau roti kismis).

Eksperimen ini serupa dengan eksperimen J.J. Thompson yang dilakukan pada tahun 1897.

Pada eksperimen ini, berkas elektron dipengaruhi oleh gaya magnetik . Gaya magnetik tersebut

berperan sebagai gaya sentrifugal . Oleh karena itu, dengan menyamakan kedua gaya tersebut kita

dapat menuliskan persamaan

(1)

(2)

(3)

(4)

Elektron dipercepat melalui potensial pemercepat V, dengan demikian energi kinetik elektron adalah

(5)

(6)

Subtitusi persamaab (6) ke persamaan (4)

(5)

(6)

Diperoleh persemaan sebagai berikut

(7)

dimana

(8)

Dengan V = tegangan pemercepat (volt), I = kuat arus kumparan Helmholtz (A), dan r = jari-jari

berkas elektron (m).

Percobaan Efek ZeemanPENDAHULUANDalam magnet energi keadaaan atomik bergantung pada harga n seperti juga n, keadaan bergantung dengan bilangan 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 kedalam medan magnetik dengan jarak antara garis bergantung dari besar medan itu.Efek zeeman ialah pemisahan jalur spektral tunggal dari sebuah spektrum menjadi komponen komponen 3 atau lebih yang terpolarisasi atau gejala - gejala spektrum jika atom-atom tereksitasi diletakan dalam medan magnet .Efek zeeman diambil dari nama fisikawan belanda zeemann yang mengamati efek itu pada tahun 1896.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 hidrogen bergantung terhadap momen sudut L.TINJAUAN PUSTAKADalam 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 garis-garis 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 1896. Suatu elektron bermassa m bergerak dalam suatu orbit berjari-jari r dengan frekuensi f dan momentum sudut elektron L. Gerakan elektron ini menghasilkan arus. Gerakan elektron ini juga menimbulkan medan magnetik maka pada kejadian ini muncul momen magnetik

Gambar.1 sebuah electron yang mengelilingi orbitnyaBesarnya arus yang dihasilkan dari pergerakan electron sama dengan bearnya muatan yang bergerak persatuan waktu sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut ini

selain menghasilkan arus listrik maka dari pergerakan elektron tersebut dapat menghasilkan momen magnetik yang besarnya sabagai berikut

Momentum Sudut elektron yang diakibatkan oleh pergerakan elektron sebagai berikut:

Subtitusikan persamaan momentum sudut ke persamaan Arus listrik sehingga di peroleh

Untuk elektron orbital kuantitas (e/2m) yang bergantung hanya pada muatan dan massa elektron disebut rasio magnetik. Tanda minus berarti bahwa arah µ berlawanan dengan L. Rumusan tersebut untuk momen magnetik elektron orbital diperoleh secara klasik, namun ternyata mekanika kuantumpun mendapatkan hasil sama jadi energi potensial dalam sebuah atom dalam medan magnet ialah:

Jika dalam medan magnetik energi keadan atomik tertentu bergantung pada harga m e seperti juga pada n. Keadan dengan bilangan kuantum total n terpecah menjadi beberapa sub-keadaan jika atom itu berada dalam medan magnet,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 keadan medan magnetik, dengan jarak antara garis bergantung dari besarnya medan itu.

Spektrofotometer AtomTINJAUAN PUSTAKASpektrum Garis

Jika sebuah gas diletakkan didalam tabung kemudian arus listrik dialirkan kedalam tabung, gas akan memancarkan cahaya. Cahaya yang dipancarkan oleh setiap gas berbedabeda dan merupakan karakteristik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalam bentuk spektrum garis dan bukan spektrum yang kontinu. Kenyataan bahwa gas memancarkan cahaya dalam bentuk spektrum garis diyakini berkaitan erat dengan struktur atom. Dengan demikian, spektrum garis atomik dapat digunakan untuk menguji kebenaran dari sebuah model atom. Atom dalam suatu unsur dapat menghasilkan spektrum emisi (spektrum diskret) dengan menggunakan alat spektrometer sebagai contoh spectrum hidrogen. Atom hidrogen memiliki struktur paling sederhana. Spektrum yang dihasilkan adalah atom hidrogen yang merupakan spektrum yang paling sederhana. Spektrum garis atom hydrogen berhasil dijelaskan oleh Niels Bohr pada 1913.

Spektrum Garis Berbagai Gas Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya dengan panjang gelombang berbeda. Untuk gas hidrogen yang merupakan atom yang paling sederhana, deret panjang gelombang ini ternyata mempunyai pola tertentu yang dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan matematis. Seorang gur matematika Swiss bernama Balmer menyatakan deret untuk gas hidrogen sebagai persamaan berikut ini. Selanjutnya deret ini disebut deret Balmer.

λ = 364,6 ( n

n2 – 4 dimana panjang gelombang dinyatakan dalam satuan nanometer (nm). Setiap atom mempunyai konfigurasi elektron tertentu. Sebagai contoh atom sodium mempunyai 11 elektron, hal itu berarti kulit pertamanya n = 1 dan kulit keduanya n = 2 terisi penuh oleh elektron sementara kulit ketiga n = 3 baru terisi 1 elektron. Elektron – elektron stasioner dalam atom mempunyai tenaga tertentu yang secara lengkap dinyatakan dengan bilangan – bilangan kuantum, yakni : n = 1,2,3,......... ( disebut sebagai bilangan kuantum utama )l = 0,1,2,......(n-1) ( disebut sebagai bilangan kuantum orbital )ml = - l,(-l + 1),..... l-1, l (disebut bilangan kuantum magnetik orbital)ms = ± s Tenaga elektron –elektron dalam atom membentuk semacam aras – aras tenaga, disebut sebagai aras tenaga atom, yang untuk atom – atom dengan elektron tunggal. Menurut teori kuantum Bohr dinyatakan sebagai :

Dengan : R = 1, 097 x 107 m-1 disebut sebagai tetapan Rydbergh = 6,625 x 10-34 J.s disebut sebagai tetapan Planckc = 3 x 108 m/s sebagai kecepatan cahaya. Z sebagai nomor atom Elektron –elektron dalam atom dapat berpindah dari aras tenaga (tingkatan energi) ke aras tenaga yang lain dengan mengikuti aturan seleksi yaitu :

l =± 1 dan = 0, ± 1 ...............................(2)

Perpindahan elektron didalam atom dari satu aras tenaga ke aras tenaga yang lebih tinggi dapat terjadi dengan menyerap energi dari luar ( dapat berupa panas, tenaga kinetik, tenaga radiasi dll ). Sedangkan perpindahan elektron ke aras yang lebih rendah pada umumnya disertai dengan pancaran tenaga radiasi. Radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh elektron yang berpindah dari aras tenaga ( yang memiliki bilangan kuantum utama n ) kearas tenaga dengan bilangan kuantum m < n mempunyai bilangan gelombang yang dapat dinyatakan dengan persamaan :

Dimana : λ = panjang gelombang radiasi Dengan adanya gelombang elektromagnetik yang dipancarkan karena transisi elektron – elektron dalam atomm muncullah spektrum sebagai pancaran / emisi dalam atom, yang dapat member informasi mengenai adanya kuantitasi dan aras – aras tenaga elektron dalam atom.Dalam hal spektrum pancaran atom terletak pada daerah cahaya tampak memudahkan dilakukan pengamatan dan pengukuran – pengukuran panjang gelombangnya. Panjang gelombang spektrum sebagai panjang gelombang atom dapat diukur dengan menggunakan Spektrometer Higler, yang sudah dilengkapi dengan skala panjang gelombang. Atau dapat juga menggunakan spektrometer yang baru dilengkapi dengan skala sudut dalam orde menit. Dengan menggunakan spektrum Mercuri, yang panjang gelombangnya sudah diketahui dari pustaka : λ merah = 6907 Å λ hijau 1 = 5460,6 Å λ ungu = 4046,6 Å λ kuning 1= 5789,7Å λ hijau 2 = 4916 Å λ kuning 2= 5769 Å λ biru = 4358,4 Å untuk atom – atom kompleks tetapan Rydberg telah memasukkan korelasi pada bilangan kuantum utama dalam rumus Bohr sehingga rumus (3) berubah menjadi :

Dimana a dan b adalah penyimpangan dari bilangan bulat n dan m, disebut cacat kuantum. Dengan adanya gelombang elektromagnetik yang dipancarkan karena transisi elektron-elektron dalam atom, munculah spektrum sebagai pancaran/ emisi dalam atom, yang dapat memberi informasi mengenai adanya kuantisasi dan aras-aras tenaga elektron dalam atom. Dalam hal spektrum pancaran atom terletak pada daerah cahaya tampak memudahkan dilakukan pengamatan dan pengukuran panjang gelmbangnya.