Penemuan Sinar Katode: Elektron

1.4 atomos Yunani yang artinya tidak dapat dibagi-bagi lagi. Untuk itu Dalton mengemukakan dugaannya yang masih samar-samar dan cukup kompleks sebagai berikut. 1. Unit partikel suatu materi yang tidak dapat dibagi-bagi atau diubah menjadi partikel lain disebut atom. 2. Atom bersifat tidak dapat dipecah-pecah. 3. Sebuah unsur tertentu terdiri atas atom-atom yang sama dan atom-atom ini mempunyai massa yang sama. 4. Atom-atom dari unsur-unsur berbeda mempunyai massa yang berbeda pula. 5. Reaksi kimia antara dua atau lebih unsur tidak lain adalah peristiwa penggabungan antara atom unsur yang satu dengan atom unsur yang lain; massa relatif atom-atom unsur yang bergabung secara langsung berhubungan dengan massa atom relatif unsur-unsur penyusunnya. Pandangan Dalton tersebut tentu saja belum memberikan gambaran yang jelas mengenai struktur atom itu sendiri. Perkembangan ke arah struktur atom modern menjadi meningkat setelah ditemukannya partikel-partikel yang sangat kecil sebagai partikel dasar penyusun atom. Oleh karena itu identifikasi partikel-partikel dasar ini yaitu, elektron, proton dan neutron secara ringkas perlu dibicarakan lebih dulu untuk mengawali pembicaraan struktur atom modern.

1.1 Penemuan Sinar Katode: Elektron

Kenyataan bahwa perubahan-perubahan kimia dapat dihasilkan oleh karena arus listrik, misalnya pada proses elektrolisis, menunjukkan adanya hubungan antara materi dengan listrik. Peristiwa elektrolisis memberi petunjuk bahwa atom mungkin merupakan bagian dari suatu susunan yang mempunyai sifat listrik karena materi diasumsikan terdiri atas bangunan atom-atom. Faraday telah berhasil mempelajari peristiwa elektrolisis dengan mengemukakan hukumnya bahwa hasil elektrolisis sebanding dengan arus listrik dan massa atom; hal ini menyarankan bahwa suatu struktur listrik harus melibatkan partikel-partikel listrik tertentu karena partikel mempunyai massa. Peristiwa lain yang berkaitan dengan arus listrik ditunjukkan pula dalam tabung gelas tabung Crookes. Bila dalam tabung Crookes yang bertekanan biasa dipasang dua elektrode yang dihubungkan dengan sumber arus listrik ternyata tidak menunjukkan 1.5 adanya gejala aliran listrik dalam medium tabung. Namun, bila tekanan udara atau gas dalam tabung dikurangi menjadi sangat rendah ternyata nampak adanya loncatan sinar yang menjalar dari katode menuju anode. Loncatan sinar ini kemudian disebut sebagai sinar katode. Sayangnya penyelidikan-penyelidikan terhadap peristiwa terjadinya sinar katode, yang sebenarnya telah dimulai sejak 1853 oleh Masson Perancis, terhambat karena belum tersedianya tabung gelas yang memadai untuk percobaan yang bersangkutan. Bersamaan dengan keberhasilannya membuat tabung gelas yang lebih memadai, S. W. Crookes 1870 – 1879 dapat melakukan pengamatan-pengamatan yang lebih efektif terhadap sifat-sifat sinar katode; tabung gelas yang dihasilkan kemudian dikenal sebagai tabung crookes. Hasil penyelidikannya antara lain adalah sebagai berikut. 1 Jika di antara kedua elektrode dipasang suatu objek, ternyata diperoleh bayangan bangun objek ini pada layar pendar di belakangnya. Mengapa? Ini hanya akan terjadi jika sinar katode berjalan menurut jejak lurus. 2 Jika di antara kedua elektrode dipasang baling-baling, ternyata baling-baling ini menjadi berputar. Mengapa? Ini hanya akan terjadi jika sinar katode mempunyai energi kinetik. 3 Sinar katode dapat menimbulkan peristiwa pendar fluoresen pada senyawa- senyawa tertentu misalnya ZnS sebagaimana peristiwa munculnya gambar pada layar televisi. 4 Sinar katode dibelokkan oleh medan magnetik Gambar 1.1a dan medan listrik Gambar 1.1b, dan menuju pelat kutub positif; ini berarti bahwa sinar katode bermuatan negatif bukan? 5 Jika sinar katode mengenai lembaran tipis logam akan mengakibatkan panas hingga membara. 6 Sinar katode mampu mengionkan molekul-molekul gas yang dilaluinya. 7 Sinar katode mampu menghasilkan radiasi penetrasi tembus tinggi sebagai sinar-X jika difokuskan pada suatu target. 8 Sinar katode merusak film maupun kertas foto. Jadi, sinar katode terdiri atas partikel-partikel bermuatan negatif. G. J. Stoney pada 1881 mengemukakan bahwa sifat listrik dibawa oleh partikel negatif secara individual. Parikel ini diusulkan dengan nama elektron berasal dari bahasa Yunani 1.6 yang atinya amber yaitu suatu bahan untuk mendapatkan muatan listrik ketika digosok dengan sutera. Dengan mengganti berbagai macam gas pengisi tabung dapat diketahui bahwa terjadinya sinar katode tidak bergantung pada jenis gas yang ada. Kesimpulan apa yang dapat ditarik dari pengamatan ini? Tentu secara sederhana dapat disimpulkan bahwa setiap atom materi mengandung partikel bermuatan negatif, elektron, bukan? Penentuan Rasio Muatan-Massa Elektron Nah, bagaimana langkah selanjutnya untuk mengetahui karakteristik elektron ini? J. J. Thomson menyadari bahwa sinar katode tidak lain merupakan aliran partikel negatif dari katode menuju anode sebagaimana aliran listrik dalam proses elektrolisis. Kenyataan bahwa sinar katode dibelokkan oleh medan magnetik dan medan listrik Gambar 1.1 Sifat sinar katode terhadap medan magnetik a dan medan listrik b, dan bagan alat Thomson untuk menentukan em elektron c + - + - r r P B A K E P V N S c Sumber Voltase Sumber Voltase + - B C A K V a S N Sumber Voltase Sumber Voltase b + - + - P B C A K P Sumber Voltase Sumber Voltase 1.7 memberikan ide pada Thomson untuk memodifikasi tabung Crookes dengan kelengkapan kedua medan tersebut. Thomson selanjutnya melakukan perhitungan- perhitungan atas dasar kuat medan magnetik dan kuat medan listrik yang digunakan terhadap besarnya simpangan sinar katode yang terjadi sebagaimana diuraikan berikut ini. Seperti ditunjukkan Gambar 1.1, bila tanpa ada pengaruh medan magnetik atau medan listrik, sinar katode berjalan menurut jejak lurus KB. Jika hanya medan magnetik E yang bekerja, elektron mengalami gaya sebesar H e v H = kuat medan, e = muatan elektron, dan v = kecepatan elektron yang mengakibatkan elektron bejalan menurut jejak lengkung sehingga berkas elektron jatuh pada C. Kelengkungan jejak elektron ini dapat dipandang sebagai gerak melingkar dengan jari-jari r yang dapat dihitung menurut dimensi alat yang bersangkutan. Dalam hal ini berlaku bahwa, gaya sentrifugal = gaya magnetik yaitu r v m 2 = H e v atau m e = r H v ……………….. 1.1 Selanjutnya jika pengaruh beda potensial sebesar V pada pelat P juga bekerja, maka berkas elektron tentulah akan mengalami gaya medan listrik sebesar d e V d = jarak antara kedua pelat P . Jika kuat medan listrik ini diarahkan melawan gaya magnetik, dengan kekuatan yang sama besar, maka tentulah berkas elektron kembali jatuh menurut garis lurus KB Gambar 1.1c. Dalam hal ini berlaku bahwa: gaya medan listrik = gaya magnetik yaitu d e V = H e v atau v = d H V ……………….. 1.2 Kombinasi persamaan 1 dan 2 diperoleh: m e = r d H V 2 ……………….. 1.3 Besaran V, H, d dan r , semua telah diketahui, sehingga nilai rasio m e dapat ditentukan. Suatu hal yang sangat menarik adalah bahwa nilai m e ternyata tidak bergantung pada kecepatan elektron yang dapat diubah-ubah menurut perbedaan potensial antara kedua 1.8 elektrode tabung, dan juga tidak bergantung pada sumber elektron. Hal ini menunjukkan bahwa elektron merupakan partikel dasar penyusun setiap atom. Harga konstan m e ini adalah kira-kira 1,76·10 8 C g -1 atau 5,274·10 17 s e s g -1 . Penentuan Muatan dan Massa Elektron Elektron merupakan partikel yang sangat kecil dan massanya tidak mungkin diukur secara langsung. Maka penemuan nilai rasio m e tersebut memberikan ide bagi R. A. Millikan untuk menangkap elektron ke dalam partikel tetes minyak yang jauh lebih besar dan dapat terukur massanya sehingga muatan minyak elektron dapat ditentukan. Dengan menyemprotkan minyak atau cairan lain ke dalam ruangan, yang telah dikurangi tekanan udaranya dengan pompa V, seperti pada Gambar 1.2, diperoleh butiran-butiran tetes minyak yang sangat kecil. Beberapa butir minyak ini akan lolos lewat sebuah celah pada pelat positif + A atas dan jatuh pada pelat negatif - K bawah. Salah satu atau beberapa butir minyak ini tentu dapat menangkap elektron hasil ionisasi udara dalam ruang alat oleh sinar-X, sehingga butir minyak ini menjadi bermuatan negatif. Melalui teleskop pengamat M dapat diamati jatuh-tidaknya butir-butir minyak ini bila diberikan medan listrik melalui kedua pelat A-K. Butir minyak akan jatuh jika tidak bermuatan negatif atau dengan kata lain tidak menangkap elektron. Tetapi sebaliknya, butir minyak yang menangkap elektron akan menjadi bermuatan negatif sehingga tertahan atau jatuh diperlambat, dan inilah yang diselidiki lebih lanjut. Dengan mengatur besarnya beda potensial V antara kedua pelat A-K, butir minyak yang bermuatan dapat ditahan menempel pada bagian pelat positif atas. Selanjutnya jika V ditiadakan maka butir minyak ini akan jatuh dengan kecepatan v Gambar 1. 2 Bagan alat percobaan Milikan + - Penyemprot minyak Mikroskop Gaya gravitasi Gaya elektrik A K Sinar - X P V Sumber Voltase M 1.9 yang dapat diamati. Hubungan jari-jari dengan kecepatan jatuhnya butir minyak dinyatakan dengan rumusan, r = ρ η g v 2 9 ½ , dan massa butir minyak dapat dihitung menurut rumusan m = 43 π r 3 ρ , dengan η = kekentalan udara dalam alat, ρ = rapatan minyak, dan g = gaya gravitasi. Jika dengan beda potensial sebesar V butir minyak yang bermuatan dapat ditahan melayang di antara kedua pelat A-K, maka berlaku hubungan: gaya listrik pada butir minyak = gaya gravitasi pada butir minyak yaitu: d q V = m g atau q = V d g m …………………. 1.4 dengan d = jarak antara kedua pelat A-K, dan q = muatan butir minyak. Besaran-besaran m, g, d, dan V, semua telah diketahui; dengan demikian muatan butir minyak dapat ditentukan, dan dari berbagai macam cairan dan berulangkali percobaan ternyata selalu diperoleh hasil yang merupakan kelipatan bilangan bulat tertentu. Hasil tersebut antara lain: 9,6·10 -10 , 24,0·10 -10 , 4,8·10 -10 , dan 14,4·10 -10 ses. Bilangan-bilangan ini secara berturut-turut jelas merupakan kelipatan dari 2q, 5q, 1q, dan 3q. Oleh karena belum pernah ditemui nilai terkecil selain 4,8·10 -10 , maka harga ini kemudian dianggap sebagai muatan satu elektron, dan yang lain menunjukkan jumlah elektron yang dapat ditangkap oleh setiap butiran minyak yang diselidiki. Harga muatan elektron yang disepakati dewasa ini adalah sebesar 4,803·10 -10 ses atau 1,602·10 -19 C. Dengan ditemukannya harga muatan elektron tersebut, maka massanya dapat dihitung menurut rumusan rasio muatan-massa yaitu, m = m e e = 1 - 8 -19 g C 10 1,76 C 10 1,602 ⋅ ⋅ = 9,11·10 -28 gram

1.2 Penemuan Sinar Terusan: Proton