Percobaan Millikan

12.3 Percobaan Millikan

Setelah nilai e/m dapat ditentukan, yang menjadi tantangan berikutnya adalah menentukan nilai e dan m sendiri-sendiri. Dari percobaan Thompson, nilai-nilai tersebut tidak dapat ditentukan. Perlu ada satu percobaan lain yang dapat menentukan nilai tersebut. Yang perlu ditentukan cukup satu saja, entah e atau m. Karena nilai yang lainnya dapat ditentukan berdasarkan nilai e/m.

Millikan adalah orang yang berhasil merancang suatu eksperimen yang berhasil mengukur muatan elektron. Percobaan tetesan minyak yang dia lakukan, secara prinsip, cukup sederhana, seperti diilustrasikan pada Gambar 12.4. Dua elektroda dipasang dalam posisi horizontal, satu di atas Millikan adalah orang yang berhasil merancang suatu eksperimen yang berhasil mengukur muatan elektron. Percobaan tetesan minyak yang dia lakukan, secara prinsip, cukup sederhana, seperti diilustrasikan pada Gambar 12.4. Dua elektroda dipasang dalam posisi horizontal, satu di atas

Atomizer (penghasil droplet)

(a)

Droplet minyak

6  rv

(b)

qE

mg

mg

Gambar 12.4 (a) Skema percobaan tetes minyak dari Millikan untuk menentukan muatan elektron. (b) gaya-gaya yang bekerja pada tetes minyak: jika tetes diam dan medan listrik antara dua pelat diterapkan maka gaya yang bekerja adalah gaya gravitasi dan gaya listrik. Jika tetes minyak jatuh dan medan listrik dihilangkan maka gaya yang bekerja adalah gaya gravitasi dan gaya gesekan udara yang diberikan oleh persamaan Stokes.

Tetesan minyak disemprotkan ke dalam ruang antar dua elektroda dan diberi muatan negatif. Muatan negatif tersebut bisa dihasilkan dengan Tetesan minyak disemprotkan ke dalam ruang antar dua elektroda dan diberi muatan negatif. Muatan negatif tersebut bisa dihasilkan dengan

tersebut mendapat gaya listrik F C  qE .

Di samping itu, karena tetesan minyak memiliki massa maka tetesan tersebut dikenai gaya gravitasi ke bawah sebesar W  mg . Polarisasi

elektroda diatur sehingga arah gaya listrik ke atas. Besar medan listrik diatur sehingga kedua gaya dalam keadaan seimbang dan partikel tidak bergerak ke atas atau ke bawah. Dalam kondisi ini berlaku

qE  mg

q  (12.6)

mg

Agar q dapat dihitung maka massa tetesan minyak harus ditentukan. Untuk menentukan massa tetesan minyak, medan listrik tiba-tiba dihilangkan sehingga tetesan tersebut bergerak jatuh akibat gravitasi. Tetapi karena di ruang tersebut ada udara maka ada gaya Stokes yang arahnya berlawanan dengan arah gerak tetesan yang besarnya

F S  6  rv (12.7)

dengan  viskositas udara, r jari-jari tetesan, dan v laju tetesan. Mula-mula laju jatuh tetesan kecil. Makin lama makin besar hingga suatu saat laju mencapai nilai tertentu yang tidak berubah lagi. Laju ini disebut laju terminal. Pada laju terminal, gaya Stokes sama besar dengan gaya gravitasi, atau

6  rv  mg

Jika  adalah massa jenis minyak, maka

Dengan demikian

6   rv   m   r   g

Kalau kalian sederhanakan kalian dapatkan ungkapan untu jari-jari adalah

Massa tetesan minyak akhirnya dapat ditulis

4  m  9  v 

3 2  m  g 

sehingga muatan tetesan memenuhi

mg

4  m g  9  v 

3 E  2  m g 

Semua parameter di ruas kanan persamaan (12.8) dapat diukur dalam eksperimen sehingga nilai q dapat ditentukan.

Millikan melakukan pengamatan pada sejumlah besar tetesan minyak dan mendapat sejumlah besar nilai muatan. Namun setelah dianalisi, semua muatan yang diukur nilainya merupakan kelipatan bulat dari suatu nilai muatan sebesar 1,602  10 -19

C. Dari sini Millikan berkesimpulan bahwa muatan sebesar 1,602  10 -19

C merupakan muatan elementer (muatan terkecil) yang ada dalam atom. Dan muatan tersebut C merupakan muatan elementer (muatan terkecil) yang ada dalam atom. Dan muatan tersebut

e = 1,602  10 -19 C

Dengan menggunakan perbandingan nilai e/m yang diperoleh dari percobaan Thompson seperti pada persmaan (12.6) maka diperoleh massa elektron

11  9 , 11  10 kg

Contoh 12.1

Pada percobaan Millikan, tetes air yang memiliki diameter 1,20 m melayang di udara yang diam. Di tempat tersebut terdapat medan liatrik yang berarah ke bawah yang besarnya 462 N/C. (a) Berapakah berat tetesan tersebut? (b) Berapa kelebihan elektron yang dimiliki tetesan tersebut?

Jawab

Diameter tesesan d = 1,20 m = 1,20  10 -6 m. Volum tetesan

  19 9  10 m 3

19 Massa tetesan: 16 m V   1 000    ( 9  10 )  9  10 kg

16 Berat tetesan: 15 W  mg  ( 9 10   )  9 , 8   8 , 8210 N

(b) Jika muatan listrik tetesan Q maka gaya ke atas listrik ke atas yang dialami tetesan adalah

F = QE

Karena tetesan diam maka gaya ke atas sama dengan berat tetesan sehingga

QE = W

  17  1 , 91  10 C

Dengan demikian jumlah kelebihan elektron yang dikandung tetesan air tersebut adalah

Q 1 , 91 10  17

19  119 elektron

e 1 , 602  10 