Laporan Praktikum Sinar Katoda J.J. Thomson

SINAR KATODA

I. Latar Belakang
Elektron merupakan salah satu penemuan penting yang dapat menjelaskan berbagai fenomena fisika, salah satunya adalah gejala kelistrikan dan kemagnetan.Pada awalnya elektron sangat sulit ditemukan,setelah melalui beberapa eksperimen, akhirnya seorang fisikawan yang benama Sir Joseph John Thompson (1856-1940) pada tahun 1897 membuktikan percobaan meyakinkan bahwa sinar katoda adalah pancaran berkas partikel bermuatan negatif.
Dalam percobaannya, Thompson menemukan bahwa sinar katoda yang terdiri dari partikel-partikel negatif ini disebut dengan elektron. Katoda yang bermuatan negatif memancarkan elektron yang dipercepat oleh penarikan anoda yang bermuatan positif. Suatu elektron dengan kecepatan tinggi yang dipancarkan dari katoda pada sebuah tabung dalam keadaan vakum disebut dengan sinar katoda(Beisser,1988).
Oleh karena itu dilakukanlah percobaan sinar katoda ini, untuk dapat memahami lebih dalam karakteristik dari tabung sinar katoda.

II. Tujuan Percobaan
2.1 Mengamati proses terjadinya sinar katoda
2.2 Menentukan pengaruh tekanan dalam tabung sinar katoda terhadap fenomena yang terjadi dalam tabung dan menjelaskan fenomena yang terjadi
2.3 Membuktikan sifat-sifat sinar katoda

III. Dasar Teori
Sinar katoda merupakan berkas distribusi elektron yang terbentuk didalam tabung sinar katoda. Tabung sinar katoda memiliki ruang yang didalam tabungnya sangat vakum. Katoda sebelah kiri sangat ditinggikan temperaturnya dengan alat pemanas, dan elektron-elektronnya menguap dari permukaannya. Penguapan elektron ini disebut sinar katoda. Sinar-sinar katoda dipercepat melalui tegangan tinggi yang dikendalikan dengan medan magnet yang dibangkitkan dengan sepasang koil(Zemansky,1986).
Sifat dan karakteristik sinar katoda adalah sebagai berikut (Hans,1999) :
1. Bermuatan negatif
2. Merambat menurut garis lurus
3. Dapat memendarkan zat-zat tertentu seperti sulfida, seng, barium, platina, dan sianida
4. Dapat menimbulkan sinar x ketika menumbuk zat
5. Menghasilkan sinar x ketika menumbuk zat
6. Menghitamkan plat film
7. Dapat dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet
Percobaan menggunakan tabung lecutan gas pada keadaan hampa udara dengan memanfaatkan teknik pemvakuman Geisler yang mampu memancarkan sinar hijau pucat dalam bentuk sinar katoda yang dilakukan Julis Plucker. Kemudian peristiwa tersebut dijelaskan oleh Sir William Crookes pada tahun 1879 yang berhasil menunjukkan bahwa sinar katoda merupakan berkas sinar bermuatan negatif yang oleh Thompson disebut sebagai elektron. Munculnya sinar katoda dipengaruhi oleh besarnya tegangan dan besarnya tekanan didalam tabung (Keenan,1989) :

Keterangan :
1. Layar Fluorensi
2. Kumparan pembelok elektron
3. Kumparan pemfokus
4. Berkas elektron
5. Katoda
6. Pemanas
7. Anoda
8. Sumber listrik
9. Pancaran katoda
10. Daerah gelap
11. Ke pompa vakum
12. Pancaran ungu
Sinar kanal dihasilkan dari tahap berikut, yaitu ketika sinar katoda menjalar dari katoda ke anoda maka sinar ini akan membentuk gas hidrogen yang berada didalam tabung sehingga elektron gas hidrogen terlepas dan membentuk ion positif. Ion hidrogen yang bermuatan positif selanjutnya bergerak menuju kutub negatif (katoda) dengan sebagian ion hidrogen lolos dari lubang katoda (Widyanto,2008).
Munculnya sinar katoda pada tabung sinar katoda ini dipengaruhi oleh besarnya tegangan dan besarnya tekanan didalam tabung. Apabila tekanan gas didalam tabung dikurangi dengan cara memompa gas keluar (memvakumkan gas), maka akan terjadi peristiwa-peristiwa (Depari,1987) :
1. Pada tekanan gas sekitar 20 mmHg, didalam tabung mulai tampak diam arus listrik yang berbentuk pita berwarna ungu
2. Pada tekanan gas sekitar 5 mmHg didekat katoda timbul pijar negatif kebiruan. Di dalam tabung timbul kolom-kolom pijar merah muda. Diantara kolom positif dan pijar negatif terdapat ruang gelap Faraday
3. Pada tekanan gas sekitar 0,05 mmHg, pijar negatif bergeser ke tengah dan dibelakangnya timbul ruang gelap Crookes
4. Pada tekanan gas sekitar 0,01 mmHg, semua cahaya didalam tabung menghilang, kaca didekat anoda berpendar kehijau-hijauan
Apabila partikel elektron bergerak dengan kecepatan (v) didaerah dengan kuat medan (B) maka partikel tersebut akan mengalami pembelokan yang menyebabkan timbulnya gaya magnetik (F_m) (Tippler,1991) :

IV. Metodologi Percobaan
4.1 Alat dan Bahan
a. Tabung J.J Thomson (1 buah), berfungsi untuk mengamati terjadinya sinar katoda
b. Pompa vakum rotary (1 buah), berfungsi untuk mengatur besar kecilnya tekanan
c. Magnet kecil (1 buah), berfungsi untuk membuktikan sifat-sifat sinar katoda
d. Power Supply (1 buah), berfungsi sebagai sumber tegangan masukan pada elektroda
e. Kabel penghubung (secukupnya), berfungsi untuk menghubungkan arus listrik dari 1 komponen ke komponen lainnya

4.2 Gambar Rangkaian Alat

4.3 Langkah Kerja

V. Data dan Analisa

5.1 Data Percobaan

5.2 Analisa Data

Prinsip kerja pada percobaan ini adalah dengan membuat tekanan pada tabung katoda menjadi sangat rendah, sehingga letak molekul-molekul udara menjadi sangat renggang. Dalam gerakannya menuju katoda (-) akibat diberi tegangan listrik yang tinggi, ion-ion positif membentur katoda dengan kecepatan tinggi. Benturan-benturan tersebut menimbulkan lecutan listrik yang menunjukkan adanya elektron-elektron yang terlepas atau tereksitasi dari logam katoda. Elektron-elektron yang tereksitasi ini akan memancarkan suatu cahaya atau sinar, yaitu sinar katoda.

Rekomendasi Laporan lain:

Alat yang digunakan pada percobaan ini adalah 1 buah tabung J.J thompson atau tabung sinar katoda yang berfungsi untuk mengamati terjadinya sinar katoda, 1 buah pompa vakum rotary untuk mengatur besar kecilnya tekanan, 1 buah magnet kecil untuk membuktikan sifat-sifat sinar katoda, 1 buah power supply sebagai sumber tegangan masukkan pada elektroda, dan kabel penghubung secukupnya untuk menghubungkan arus listrik dari 1 komponen ke komponen lainnya.

Untuk mengamati peristiwa-peristwa yang terjadi pada sinar katoda terlebih dahulu pompa vakum di on kan pada katoda kemudian kran pompa vakum dibuka dan ditutup pelan-pelan, lalu tekanan diminimumkan agar letak molekul-molekul udara menjadi sangat renggang. Nilai tegangan diatur 2,4 kV. Ketika pengatur tekanan diubah sedikit demi sedikit terdapat berbagai macam fenonema yang terjadi dan perubahan dari tekanan ini mempengaruhi nilai tegangan.

Gambar 6.1 diatas adalah peristiwa yang terjadi ketika tekanan diminimumkan pada tegangan 2,4 kV volt. Tidak terlihat adanya sinar yang tampak pada tabung sinar katoda, sebab mengatur tekanan menjadi minimum membuat udara semakin sedikit atau hampir tidak ada, sehingga tidak ada elektron yang tereksitasi pada atom diudara.

Gambar 6.2 diatas adalah peristiwa yang terjadi ketika tekanan diperbesar sedikit, efeknya tegangan berubah menjadi 2,0 kV dan terjadi lucutan elektron berupa pijar negatif. Tanda panah C adalah pijar negatif atau sinar katoda, tanda panah A dan B adalah ruang gelap Crookes yaitu ruang gelap yang terjadi pada pijar negatif.

Gambar 6.3 adalah peristiwa yang terjadi ketika tekanan diperbesar sedikit, efeknya tegangan berubah menjadi 1,5 kV. Tanda panah D adalah pijar negatif, tanda panah A adalah ruang gelap Crookes, tandah panah C adalah sinar kanal atau sinar anoda yang muncul karena adanya sedikit udara yang masuk pada tabung sinar katoda sehingga mengeksitasi elektron pada atom diudara dan terdapat pancaran sinar anoda. Tanda panah B adalah ruang gelap Faraday yaitu ruang gelap yang terjadi antara sinar katoda dan anoda akibat adanya udara yang masuk.

Gambar 6.4 adalah peristiwa yang terjadi ketika tekanan diperbesar sedikit lagi, efeknya tegangan berubah menjadi 0,8 kV. Tanda panah A adalah pijar negatif, tanda panah B adalah ruang gelap crookes, tandah panah D adalah ruang gelap Faraday, tanda panah C dan E adalah kolom-kolom positif, yaitu kolom-kolom udara yang terbentuk ketika ruang gelap Faraday memasuki wilayah sinar anoda atau kanal. Sinar anoda ini masih bersifat diskontinu.

Gambar 6.5 adalah peristiwa yang terjadi ketka tekanan diperbesar sedikit lagi, efeknya tegangan berubah menjadi 1 kV. Tegangan ini tiba-tiba naik, sebab semakin banyak udara pada sinar katoda sehingga tegangan yang dibutuhkan untuk mengeksitasi elektron pada atom di udara menjadi besar. Tandah panah A adalah ruang gelap Crookes, tanda panah D adalah pijar negatif, tandap panah E adalah ruang gelap faraday, tanda panah B adalah kolom-kolom positif (diskontinyu), tanda panah C adalah kolom-kolom positif yang memendek dan merapat (hampir kontiyu), ini terjadi karena tegangan tidak cukup untuk mengeksitasi elektron pada atom diudara.

Gambar 6.6 adalah peristiwa yang terjadi ketika tekanan diperbesar sedikit lagi, efeknya tegangan berubah menjadi 0,9 kV. Tanda panah A adalahh pijar negatif, tandah panah D adalah kolom-kolom positif (diskontinyu), tanda panah B adalah adalah kolom-kolom positif yang memendek dan merapat (hampir kontiyu), tanda panah C adalah sinar kanal yang kontiyu (tidak terdapat kolom positif). Sinar kontinyu ini terjadi karena semua elektron berhasil tereksitasi pada atom di udara (tegangan mencukupi).

Gambar 6.7 adalah peristiwa yang terjadi ketika tekanan diperbesar sedikit lagi, efeknya tegangan berubah menjadi 1,1 kV. Tanda panah A adalah pijar negatif yang semakin memendek, tanda panah B adalah ruang gelap crookes, tanda panah C adalah sinar kanal yang bersifat kontinu. Kolom udara yang meregang berarti berkas sinar tersebut berbentuk diskrit. Kolom udara yang semakin merapa berarti berkas sinar tersebut berbentuk kontinyu. Semakin besar tegangan, berarti energi akan semakin kuat, sehingga warna sinar akan semakin terlihat jelas dan sinar semakin kontinyu. Semakin besar pemvakuman, maka udara akan semakin sedikit. Dengan tegangan (energi) yang terbatas, maka energi tidak akan cukup untuk mengeksitasi elektron pada atom diudara, sehingga bentuk kolom akan semakin memendek dan merapat

Gambar 6.8 adalah peristiwa yang terjadi ketika tekanan diperbesar sedikit lagi, efeknya tegangan berubah menjadi 1,1 kV. Tanda panah A adalah ruang gelap crookes, tanda panah C adalah pijar negatif yang semakin memendek dan menghlang, Tanda panah B adalah sinar kanal yang bersifat kontinu dan bernilai maximum.

Gambar 6.9 adalah peristiwa yang terjadi ketika tekanan diperbesar sedikit lagi, efeknya tegangan berubah menjadi 1,1 kV. Tidak terlihat adanya sinar yang tampak pada tabung sinar katoda karena udara telah memenuhi isi tabung sehingga tekanan semakin besar dan membuat tegangan menjadi semakin kecil atau mendekati nol.

Kolom udara yang meregang berarti berkas sinar tersebut berbentuk diskrit. Kolom udara yang semakin merapa berarti berkas sinar tersebut berbentuk kontinyu. Semakin besar tegangan, berarti energi akan semakin kuat, sehingga warna sinar akan semakin terlihat jelas dan sinar semakin kontinyu. Semakin besar pemvakuman, maka udara akan semakin sedikit. Dengan tegangan (energi) yang terbatas, maka energi tidak akan cukup untuk mengeksitasi elektron pada atom diudara, sehingga bentuk kolom akan semakin memendek dan merapat.

Gambar 6.10 dan 6.11 adalah peristiwa yang terjadi pada sinar anoda dan katoda bila dikenai magnet eksternal maka sinar akan membelok ke arah magnet tersebut atau menyimpang, ditunjukkan oleh tanda panah D pada gambar 6.10 dan C pada gambar 6.11. Hal ini membuktikan bahwa sifat dari sinar katoda yang dapat membelok karena medan magnet dari magnet eksternal, dan apabila magnet eksternal ditarik maka sinar katoda dan anoda akan bergerak/menjalar lurus kembali.

VI. Kesimpulan

6.1 Proses terjadinya sinar katoda dikarenakan adanya lecutan listrik melalui gas didalam tabung yang bertekanan rendah dan diperlukan tegangan untuk menimbulkan sinar kanal dan juga sinar katoda
6.2 Dengan mengatur tekanan pada permukaan udara maka akan muncul fenomena diantaranya nampak sinar warna ungu pada katoda dan warna orange berbentuk kolom-kolom pijar positif dan negatif
6.3 Sifat-sifat sinar katoda
a. Arah gerak sinar katoda berupa garis lurus dari katoda ke anoda
b. Apabila sinar katoda didekatkan magnet yang menghasilkan medan magnet sinar akan berbelok atau menyimpang

VII. Daftar Pustaka

Beisser, A.1988. Fisika Modern. Jakarta : Erlangga.
Depari, G.1987. Pokok-Pokok Elektronika. Bandung : M25.
Hans, Parkrik.1999. Dari Atomos hingga Quark. Jakarta : Universitas Atma Jaya.
Hassan, S.1973. Ensiklopedia Umum (Terjemahan). Yogyakarta : Kanisius.
Keenan, Kelinfelter.1989. Ilmu Kimia Universitas. Jakarta : Erlangga.
Tippler.1991. Fundamental Physics. Jakarta : Erlangga.
Widyanto.2008. Elektromagnetika. Yogyakarta : Graha Ilmu.
Zemansky.1986. Fisika Untuk Universitas. Jakarta : Erlangga.

VIII. Bagian Pengesahan
-

VIII. Lampiran