Percobaan Sinar Katoda: Pengertian, Proses, Hasil

Jika Anda sedang mencari pengertian percobaan sinar katoda, proses percobaan sinar katoda, dan hasilnya. Maka tepat sekali telah mengujungi artikel ini, sebab kami akan menjelaskan hal tersebut secara lengkap sehingga mudah untuk dipahami.

Pengertian Percobaan Sinar Katoda dan Elektron

Elektron berhasil ditemukan oleh Sir Joseph John Thomson atau sering dikenal dengan J.J. Thomson. Elektron adalah partikel subatom yang bermuatan negatif biasanya dituliskan dengan e-. Penemuan elektron dimulai dari eksperimen yang dilakukan oleh J.J. Thomson (1897) dengan tabung sinar katoda (Lilik Hidayat, 2004). Percobaan tersebut dinamakan percobaan sinar katoda yang mana menggunakan tabung sinar katoda. Tabung sinar katoda merupakan tabung kaca yang sebagian udaranya sudah diambil keluar, disertai dua lempeng logam yang bermuatan positif (katoda) dan bermuatan negatif (anoda) yang kemudian dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi.

Pada 1897 inilah J.J. Thomson, seorang fisikawan Inggris dapat menemukan sinar katoda terdiri dari partikel bermuatan negatif yang mengggunakan tabung sinar katoda ditemukan oleh William Crookes. Sebelumnya, belum pernah dikenal mengenai partikel bermuatan negatif ini yang akhirnya dinamakan dengan elektron.

Dengan demikian, Thomson dapat membuktikan bahwa atom bukanah bagian terkecil dari suatu partikel yang sebelumnya pernah dijelaskan oleh Democritus dan Dalton. Melalui percobaan sinar katoda dari Thomson tersebut dapat disimpulkan bahwa permukaan atom ada muatan negatif yang dikenal dengan elektron.

Pembahasan Proses Percobaan Sinar Katoda

Di awal, telah dituliskan bahwa elektron dapat diketahui oleh J.J. Thomson dengan percobaan sinar katoda. Sedangkan, percobaan sinar katoda memiliki artian, yaitu untuk menemukan adanya elektron dengan menggunakan sinar katoda yang dilengkapi dengan komponen untuk membuktikan keberadaan elektron. Percobaan ini dilakukan dengan peralatan tabung sinar katoda.

Di dalam tabung sinar katoda terdapat dua elektroda sehingga ketika beda potensial yang cukup tinggi diberikan pada kedua elektroda tabung tersebut maka elektron secara otomatis akan terlepas dari elektroda karena adanya beda potensial maka elektron tersebut dapat bergerak dari katoda menuju anoda (Tobing, D. L, 1986). Tabung sinar katoda ini memiliki ruang yang didalam tabungnya sangat vakum.

Intinya, sinar katoda yang melaju secara lurus tadi akan berbelok ke muatan yang berlawanan, sehingga membuktikan bahwa sinar katoda partikel yang bermuatan negatif atau biasa disebut dengan elektron.

Menurut Wiyanto (2008), sifat sinar katoda, yaitu tidak bergantung pada material/bahan katoda, merambat lurus, dapat dibelokan oleh medan listrik, dapat dibelokan oleh medan magnet, dapat menyebabkan reaksi kimia, dapat menghilangkan plat foto, dapat menghasilkan sinar-x dan lain-lain. Karena dapat dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet, maka sinar katoda merupakan partikel bermuatan listrik, tepatnya bermuatan listrik negatif yang selanjutnya diberi nama elektron.

Berikut ini merupakan gambaran dari tabung katoda yang digunakan J.J. Thomson dalammenemukan adanya elektron.

Gambar di atas merupakan tabung sinar katoda tepatnya percobaan sinar katoda yang dilakukan oleh J.J. Thomson. Terdapat beberapa komponen mengenai tabung sinar katoda, yaitu

• Tegangan (V)
• Elektroda dengan kutub negatif (katoda) dan elektroda dengan kutup positif (anoda)
• Medan magnet yang arahnya dari utara ke selatan dan Medan listrik arahnya ke bawah. Artinya, saling tegak lurus.
• Layar

Berdasarkan percobaan tersebut, perbandingan antara muatan listrik dengan massa sinar katoda dapat ditentukan. Sinar katoda ini merupakan pancaran elektron. Dan hasil eksperimennya sebesar. (Patty, E. N. S., Endiyas, W., dan Liefson, J. 2015) :

e/m = 1,76 x 10¹¹ C/Kg

Menghitung Perbandingan antara Muatan Listrik dengan Massa Sinar Katoda

Hasil tersebut didapatkan dari adanya pengaruh medan magnet dan medan listrik dengan sinar katoda. Dikarenakan sinar ini dilewatkan pada medan magnet dan medan listrik yang saling tegak lurus. Akibatnya, sinar mengalami gaya listrik :

F₁ = e E
F_m = e v B

Disebabkan, gaya medan listrik dan medan magnet diatur, sehingga besar gaya magnet sama dengan besar medan listrik.

e v B = e E
v = E/B ( besar kecepatan sinar katoda yang merambat lurus )

Kemudian, sinar katoda melewati daerah medan magnet, maka akan mengalami pembelokan. Dalam hal ini gaya medan magnet bertindak sebagai gaya sentripetal :

e v B = m V²/R
e/m = v/B R

Dikarenakan besaran V, B, dan R bisa dihitung, maka J.J. Thomson dapat mengetahui perbandingan antara muatan listrik dengan massa sinar katoda.

e/m = v/B R = 1,76 x 10¹¹ C/Kg

Dengan demikian, J.J. Thomson yakin bahwa elektron memiliki massa yang lebih kecil dibandingkan dengan atom. Maka, itulah sebabnya mengapa J.J. Thomson menggambarkan atom dengan kue kismis.

Akan tetapi, pada percobaan sinar katoda terdapat penyimpangan yang nantinya masuk ke layar. Untuk menghitung penyimpangannya harus memperhatikan medan magnet dan medan listrik yang mempengaruhi gerak sinar katoda.

Pembelokan Sinar Katoda Akibat Medan Listrik

Apabila medan listrik dan medan magnet tidak diaktifkan, maka gerak dari sinar katoda adalah gerak lurus beraturan. Dapat dituliskan persamaannya sebagai berikut :

x = v₀ t

Ketika medan listrik aktif, maka akan mengalami gerak elektrostatis :

F = q_e E

Gaya sebesar ini menyebabkan elektron memiliki percepatan sehingga arah geraknya
berlawanan dengan arah medan listrik.

a_y = (q_e/m_e) E

Karena gerak elektron sepanjang sumbu y adalah gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dengan percepatan sebesar ay selamat t jarak yang ditempuh adalah sejauh

y = 1/2 (q_e/m_e) Et²

Setelah dilakukan eliminasi t, penggabungan dari persamaan di atas diperoleh

y = 1/2 (q_e/m_e) (Ex²/v₀²)

Maka, dari persamaan ini dapat diketahui lintasan gerak elektron berupa parabola. Pada gambar di atas dapat dilihat jarak y1 adalah nilai y untuk x = d, yaitu sebesar

y = 1/2 (q_e/m_e) (Ed²/v₀²)

Ketika meninggalkan medan listrik, elektron bergerak dengan lintasan lurus yang membentuk sudut alfa terhadap sumbu x sebesar

tan alfa = (dy/dx)_x=d = q_eEd/m_ev₀²

Dengan demikian penyimpangan total lintasan elektron di layar akibat berinteraksi dengan medan listrik adalah penjumlahan dari y₁ dan y₂

y = y₁ + y₂ = q_eEd²/2m_ev₀² + q_eEdL/m_ev₀²

maka, (q_eEd/m_ev₀²) (d/2 + L)

Persamaan di atas, untuk besaran E, d, L dan y dapat diukur sehingga nilai q_e/m_e dapat dihitung jika v₀ diketahui harganya. Namun sayangnya v₀ sulit diukur. Mudahnya, menghitung nilai q_e/m_e adalah menghilangkan v₀ dari persamaan. Maka, diperlukan sebuah persamaan lagi yang mengandung v₀.

Pembelokan Sinar Katoda Akibat Medan Listrik

Persamaan yang dimaksud dapat diperoleh dengan cara melewatkan elektron di dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus arah gerak partikel. Ketika berinteraksi dengan medan magnet, elektron akan mengalami gaya lorentz sebesar :

F = q_e v₀ x

Karena v₀ tegak lurus dengan B maka lintasan elektron berbentuk lingkaran dengan jari-jari sebesar

R = (m_e v₀) / q_e B

Dengan pusat lingkaran di titik P. Persamaan umum sebuah lingkaran dengan jari-jari R dengan pusat koordinat titik (0,0) adalah

x² + (R + y)² = R²

Akan tetapi, karena pembelokan lintasan elektron cukup kecil dibandingkan dengan jarak tempuhnya, sehingga y²<< x² maka persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi :

R = – (x² + y²) / 2y = – x² / 2y

Namun permasalahannya, jari-jari lintasan ini juga sangat sulit diukur. Untuk mengatasi kesulitan ini, dilakukan penggabungan persamaan, sehingga diperoleh persamaan gerak elektron adalah

y = – (q_eBx²) / (2m_ev₀)

Dapat dilihat lintasan gerak elektron akibat berinteraksi dengan medan magnet berbentuk parabola yang membuka ke arah bawah. Besarnya simpangan y₃ adalah

y = – (q_eBx² / 2m_ev₀)_x=d = – (q_eBd²) / (2m_ev₀)

Setelah meninggalkan medan magnet, partikel bergerak lurus beraturan. Besarnya simpangan y₄ adalah

y4 = L tan psi = L (dy / dx)_x=d

= – qBdL / m_ev₀

Sehingga, simpangan total elektron ketika sampai di layar S adalah

y = y3 + y4 = – q_e / m_e (Bd² / 2v₀) + (Bdl / v₀)

= – (q_e / m_e)(Bd² / v₀) (d / 2 + L)

Dapat dilihat bentuk persamaan diatas yaitu gabungan dari y3 + y4 hampir sama dengan persamaan gabungan dari y1 + y2, keduanya mengandung 𝑞𝑒 𝑚𝑒 ⁄ dan v0. Simpangan total akibat berinteraksi dengan medan listrik bernilai positif atau mengarah ke atas, sedangkan akibat berinteraksi dengan medan magnet arahnya ke bawah.

Karena medan listrik dan medan magnet digunakan secara simultan di daerah yang sama, intensitas kuat kedua medan dapat diatur sedemikian rupa sehingga lintasan partikel tetap lurus. Pengaruh medan listrik terhadap arah gerak elektron dieliminasi oleh pengaruh medan magnet. Pada kondisi seperti ini berlaku

= q_e E – q_e v₀ B = 0

atau

v₀ = E / B

Dengan demikian besaran q_e/m_edapat dengan mudah dihitung.

Kesimpulan

Dapat disimpulkan bahwa percobaan sinar katoda bertujuan untuk menentukan keberadaan elektron. Dengan menggunakan tabung sinar katoda dan beberapa komponen lain yang terdapat di dalamnya, maka sinar katoda dapat diketahui. Di dalam tabung sinar katoda, udara sudah disedot keluar. Pembuktian mengenai elektron, yaitu dapat dibelokkannya oleh medan listrik dan medan magnet, maka sinar katoda merupakan partikel bermuatan listrik, tepatnya bermuatan listrik negatif yang selanjutnya diberi nama elektron. Peristiwa ini berlangsung di dalam tabung sinar katoda.

Diketahui pula karena sinar katoda dilewatkan pada medan magnet dan medan listrik yang saling tegak lurus, maka J.J. Thomson dapat mengetahui perbandingan antara muatan listrik dengan massa sinar katoda, yaitu 1,76 𝑥 1011 𝐶/𝐾𝑔. Sehingga, J.J. Thomson yakin bahwa elektron memiliki massa yang lebih kecil dibandingkan dengan atom. Maka, itulah sebabnya mengapa J.J. Thomson menggambarkan atom dengan kue kismis.

Daftar Pustaka

Hidayat S., Lilik. 2004. Kamus Fisika Bergambar. Bandung : Pakar Raya

Patty, E. N. S., Endiyas, W., dan Liefson, J. 2015. Pengukuran e/m Elektron Menggunakan Tabung Televisi (TV) Dan Kumparan Helmhotz. Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA) Vol 1 No 1 : 148 – 165

Tobing, D. L. 1986. Teori Medan. Jakarta. Karunika Jakarta Universitas Terbuka

Wiyanto. 2008. Elektromagnetik. Yogyakarta : Graha Ilmu

“Sinar Katoda Adalah Elektron.” Academia.edu. Diakses tanggal 17 Maret 2022 dari https://www.academia.edu/6815733/sinar_katoda_adalah_elektron?auto=download

“Elektron.” Zenius.net. Diakses tanggal 17 Maret 2022 dari
https://www.zenius.net/prologmateri/kimia/a/1210/elektron

“Percobaan Thomson.” Brainly.co.id. Diakses tanggal 17 Maret 2022 dari
https://brainly.co.id/tugas/1691294