TUGAS 1 MAKALAH FISIKA INTI
Disusun Guna Memenuhi salah satu tugas mata kuliah Pendahuluan Fisika Inti
Pengampu : Dyah Fitriana Masithoh, S.Si, M.Sc
Disusunoleh :
IFFATI AULIA RACHMA
NIM. K2311034
Kelas B
Pendidikan Fisika 2011
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU
PENGETAHUAN ALAM
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
A. Eksperimen e/m
1. Penemuan Sinar Katoda oleh Crookes
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 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.
(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 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?
(Modul PLPG Kimia-rev)
Gambar skematik dari peralatan yang digunakan dalam percobaan pertama Thomson. Sinar katoda melewati dari tabung di kiri atas ke dalam bola yang lebih besar, di mana mereka dibelokkan dengan medan magnet. Ketika mereka dibengkokkan agar untuk memasuki celah dalam silinder, elektrometer yang mengukur muatan ditransfer ke silinder.
Pertama, dalam variasi dari 1895 percobaan oleh Jean Perrin, Thomson membangun tabung sinar katoda yang berakhir dengan sepasang silinder logam dengan celah di dalamnya. Silinder ini pada gilirannya terhubung ke elektrometer, perangkat untuk menangkap dan mengukur muatan listrik. Perrin telah menemukan bahwa sinar katoda menyimpan muatan listrik. Thomson ingin melihat apakah, dengan menekuk sinar dengan magnet, dia bisa memisahkan muatan dari sinar. Ia menemukan bahwa ketika sinar memasuki celah dalam silinder, elektrometer mengukur sejumlah besar muatan negatif. Elektrometer tidak mencatat banyak muatan listrik jika sinar yang membelok sehingga mereka tidak akan memasuki celah. Seperti Thomson melihatnya, muatan negatif dan sinar katoda harus entah bagaimana saling menempel: Anda tidak dapat memisahkan muatan dari sinar.
(http://www.aip.org/history/electron/jj1897.htm)
koaksial yang terisolasi dari satu sama lain: bagian luar silinder ini adalah terhubung dengan bumi, bagian dalam dengan elektroskop daun emas. Silinder ini ditutup kecuali untuk dua lubang-lubang kecil, satu di setiap silinder, ditempatkan sehingga sinar katoda bisa melewati mereka ke bagian dalam silinder bagian dalam. Perrin menemukan bahwa ketika sinar dilewatkan ke dalam silinder dalam elektroskop yang menerima muatan listrik negatif, sementara tidak ada muatan pergi ke elektroskop ketika sinar yang dibelokkan oleh magnet tidak lagi melewati lubang.
yang sama seperti sinar, dan bahwa listrik negatif ini tak terpisahkan dan terhubung dengan sinar katoda.
Ketika sinar diputar oleh magnet sehingga dapat melewati celah ke dalam silinder bagian dalam pembelokan dari elektrometer terhubung dengan silinder ini meningkat hingga nilai tertentu, dan kemudian tetap diam meskipun sinar terus tuangkan ke dalam silinder. Hal ini disebabkan fakta bahwa gas di bohlam menjadi konduktor listrik ketika sinar katoda melewatinya, dan dengan demikian, meskipun silinder bagian dalam sempurna terisolasi ketika sinar tidak melewati, namun segera setelah sinar melewati bohlam udara antara silinder dalam dan luar menjadi konduktor, dan listrik lolos dari silinder dalam ke bumi. Dengan demikian muatan dalam silinder dalam tidak terus meningkat; silinder merebahkan diri ke dalam keadaan ekuilibrium di mana tingkat di mana ia mendapatkan listrik negatif dari sinar setara dengan tingkat di mana ia kehilangan dengan konduksi melalui udara. Jika silinder dalam memiliki muatan positif awal, akan dengan cepat kehilangan muatan itu dan memperoleh negatif yang lain; sedangkan jika muatan awal adalah yang negatif, silinder akan bocor jika potensi negatif awal nilainya lebih besar dari nilai ekuilibrium.
(J.J Thomson, 1897. “Cathode Rays” dalam Philosophical Magazine, 44, 293 (1897). [facsimile from Stephen Wright, Classical Scientific Papers Physics (Mills and Boon, 1964).]
Gambar skematik aparat Thomson dalam percobaan kedua. Sinar dari katoda (C) melewati celah di anoda (A) dan melalui celah di sumbat logam yang dibumikan (B). Tegangan listrik didirikan antara pelat aluminium (D dan E), dan sebuah skala disisipkan di luar akhir tindakan tabung defleksi sinar. Semua upaya telah gagal ketika fisikawan mencoba untuk membengkokkan sinar katoda dengan medan listrik. Sekarang Thomson memikirkan pendekatan baru. Sebuah partikel bermuatan akan normal kurva ketika bergerak melalui medan listrik, tetapi tidak jika itu dikelilingi oleh konduktor (selubung tembaga, misalnya). Thomson menduga bahwa jejak gas yang tersisa dalam tabung sedang berubah menjadi konduktor listrik oleh sinar katoda sendiri. Untuk menguji ide ini, ia berusaha keras untuk mengekstrak hampir semua gas dari tabung, dan menemukan bahwa sekarang sinar katoda mengalami pembelokan dalam medan listrik pada akhirnya.
rendah untuk menunjukkan pembelokan dan perbedaan yang besar potensi, mengatakan 200 volt, didirikan antara pelat; dalam situasi seperti ini ada pembelokan besar sinar katoda, tetapi media di bawah gaya istirahat elektro besar turun setiap sekarang dan kemudian dan debit terang lewat di antara pelat; ketika hal ini terjadi potongan kecil berpendar yang dihasilkan oleh sinar katoda melompat kembali ke posisi undeflected nya. Ketika sinar katoda dibelokkan oleh medan elektrostatik, band berpendar memecah menjadi beberapa band terang dipisahkan oleh spasi relatif gelap; fenomena yang persis analog dengan yang diamati oleh Birkeland ketika sinar katoda dibelokkan oleh magnet, dan disebut oleh dia spektrum magnetik.
Konduktivitas dari Gas di mana katoda Sinar lewat.
Konduktivitas gas yang diselidiki dengan cara aparat yang ditunjukkan pada gambar. 2 . Bagian atas plat D dihubungkan dengan satu terminal baterai penyimpanan-sel kecil, terminal lainnya yang terhubung dengan bumi; lain piring E dihubungkan dengan salah satu lapisan dari kondensor dari satu kapasitas microfarad, lapisan lain yang ke bumi; satu pasang kuadran electrometer juga terhubung dengan E, pasangan lain kuadran yang ke bumi. Ketika sinar katoda lewat antara pelat, dua pasang kuadran elektrometer yang pertama kali terhubung satu sama lain, dan kemudian connexion antara mereka yang rusak. Jika ruang antara lempeng non-konduktor, potensi pasangan kuadran tidak terhubung dengan bumi akan tetap nol dan jarum elektrometer akan dibelokkan. Selalu ada pembelokan dari elektrometer, menunjukkan bahwa melewati arus antara pelat. Besarnya arus tergantung sangat sangat pada tekanan gas; begitu banyak sehingga, memang, bahwa sulit untuk mendapatkan bacaan yang konsisten sebagai akibat dari perubahan yang selalu terjadi dalam tekanan saat debit melewati tabung.
ketika pelat atas dihubungkan dengan kutub negatif dan positif masing-masing baterai.
Bahkan ketika tidak ada perbedaan awal potensial antara pelat pelat bawah mengakuisisi muatan negatif dari dampak itu dari beberapa sinar katoda.
Kita melihat dari kurva bahwa arus antara pelat segera mencapai nilai di mana ia hanya sedikit dipengaruhi oleh peningkatan potensi-perbedaan antara pelat; ini adalah fitur umum untuk konduksi melalui gas dilalui oleh sinar Röntgen, oleh sinar uranium, berdasarkan sinar ultra-violet, dan, seperti sekarang kita lihat, dengan sinar katoda. Tingkat kebocoran tidak jauh berbeda apakah pelat atas menjadi awalnya listrik positif atau negatif.
Arus antara pelat hanya berlangsung untuk waktu yang singkat; itu berhenti lama sebelum potensi pelat bawah pendekatan bahwa dari atas. Jadi, misalnya, ketika potensi pelat atas adalah sekitar 400 volt di atas bahwa bumi, potensi pelat bawah tidak pernah naik di atas 6 volt: sama, jika pelat atas dihubungkan dengan kutub negatif dari baterai, penurunan potensi pelat bawah adalah sangat kecil dibandingkan dengan potensi-perbedaan antara pelat atas dan bumi.
Hasil ini apa yang harus kita harapkan jika gas antara pelat dan steker B ( gbr. 2 ) adalah konduktor yang sangat jauh lebih baik daripada gas antara pelat, untuk pelat bawah akan berada dalam kondisi mapan ketika arus datang ke itu dari pelat atas adalah sama dengan saat pergi dari ke steker; jika konduktivitas gas antara pelat dan steker jauh lebih besar dari itu antara pelat, perbedaan kecil potensial antara pelat bawah dan steker akan konsisten dengan besar potensi-perbedaan antara pelat.
bola lampu. Dalam hal ini, ketika lempeng tidak terhubung dengan baterai kita mendapatkan muatan negatif dikomunikasikan kepada piring yang lebih rendah, tetapi hanya sangat lambat dibandingkan dengan efek pada kasus sebelumnya. Ketika pelat atas dihubungkan dengan kutub negatif baterai, arus ini ke pelat bawah hanya sedikit meningkat bahkan ketika perbedaan potensial adalah sebanyak 400 volt: potensi-perbedaan kecil dari sekitar 20 volt tampaknya sedikit menurun tingkat kebocoran. Potensi-perbedaan yang jauh melebihi 400 volt tidak dapat digunakan, seolah-olah dielektrik antara pelat mampu mempertahankan mereka untuk beberapa waktu, namun setelah waktu yang berkedip busur sangat terang di antara pelat dan membebaskan begitu banyak gas untuk merusak vakum. Garis-garis dalam spektrum cahaya ini adalah garis merkuri terutama; bagian yang meninggalkan tanda yang sangat aneh pada pelat aluminium.
Jika pelat atas yang bermuatan positif, maka muatan negatif dikomunikasikan kepada pelat yang lebih rendah berkurang, dan berhenti ketika potensi-perbedaan antara lempeng itu sekitar 20 volt; tetapi pada tekanan terendah, namun besar (sampai 400 volt) potensi-perbedaan, tidak ada kebocoran listrik positif terhadap pelat bawah sama sekali tidak sebanding dengan kebocoran listrik negatif ke piring ini ketika dua piring terputus dari baterai. Bahkan pada tekanan yang sangat rendah ini semua fakta yang konsisten dengan pandangan bahwa efek yang disebabkan oleh partikel listrik negatif perjalanan sepanjang sinar katoda, sisa gas memiliki sedikit konduktivitas. Beberapa percobaan dilakukan dengan tabung yang mirip dengan yang ditunjukkan pada gambar. 2 , dengan pengecualian bahwa kedua konektor B tidak hadir, sehingga jumlah yang jauh lebih besar dari sinar katoda melewati antara pelat. Ketika pelat atas terhubung dengan kutub positif dari baterai debit bercahaya dengan striations baik ditandai lewat di antara pelat atas dan plug-terhubung bumi melalui mana sinar katoda mengalir; ini terjadi meskipun perbedaan potential- antara pelat dan steker tidak melebihi 20 volt. Dengan demikian tampaknya bahwa jika kami menyediakan sinar katoda dari sumber eksternal ke katoda potensi-perbedaan kecil sudah cukup untuk menghasilkan debit karakteristik melalui gas.
Pembelokan magnetik dari Katoda Sinar di Gas Berbeda.
dan gelap, yang sama; pada kenyataannya, foto-foto hampir tidak bisa dibedakan satu sama lain. Perlu dicatat bahwa tekanan yang tidak sama; tekanan dalam gas yang berbeda disesuaikan sehingga berarti potensi-perbedaan antara katoda dan anoda yang sama di semua gas. Ketika tekanan gas diturunkan, potensi-perbedaan antara terminal meningkat, dan pembelokan dari sinar yang dihasilkan oleh magnet berkurang, atau pada tingkat apapun pembelokan dari sinar ketika pendar adalah mengurangi maksimum. Jika udara-break dimasukkan efek dari jenis yang sama diproduksi.
Dalam percobaan dengan gas yang berbeda, tekanan yang setinggi konsisten dengan penampilan pendar pada kaca, sehingga untuk memastikan memiliki sebanyak mungkin gas yang dipertimbangkan dalam tabung.
Sebagai sinar katoda membawa muatan listrik negatif, yang dibelokkan oleh gaya elektrostatik seolah-olah mereka listrik negatif, dan bertindak dengan kekuatan magnet hanya cara di mana gaya ini akan bertindak pada tubuh listrik negatif bergerak sepanjang jalan sinar ini, aku bisa melihat ada jalan keluar dari kesimpulan bahwa mereka adalah muatan listrik negatif yang dibawa oleh partikel materi. Pertanyaan berikutnya muncul, Apakah partikel-partikel ini? mereka atom, atau molekul, atau materi dalam keadaan masih halus subdivisi? Untuk menyoroti tentang hal ini, saya telah membuat serangkaian pengukuran rasio massa partikel-partikel ini dengan muatan yang dibawa oleh itu. Untuk menentukan jumlah ini, saya telah menggunakan dua metode independen.
Yang pertama adalah sebagai berikut:
- Misalkan kita mempertimbangkan seikat sinar katoda homogen. Biarkan m menjadi massa dari masing-masing partikel, e muatan yang dibawa oleh itu. Biarkan N adalah jumlah partikel yang melintasi setiap bagian dari balok dalam waktu tertentu; maka Q kuantitas listrik yang dibawa oleh partikel-partikel ini diberikan oleh persamaan
peningkatan suhu tubuh kapasitas termal dikenal disebabkan oleh dampak dari sinar ini, kita dapat menentukan W, energi kinetik dari partikel, dan jika v adalah kecepatan partikel,
Jika ρ adalah jari-jari kelengkungan jalan sinar ini dalam medan magnet H seragam, maka
di mana saya ditulis untuk Hρ untuk singkatnya. Dari persamaan ini kita mendapatkan
Jadi, jika kita tahu nilai-nilai Q, W, dan I, kita dapat menyimpulkan nilai-nilai v dan m / e.
Nilai I, yaitu, Hρ, di mana ρ adalah kelengkungan jalur sinar dalam medan magnet kekuatan H ditemukan sebagai berikut: - Tabung tetap antara dua kumparan lingkaran besar ditempatkan sejajar satu sama lain, dan dipisahkan oleh jarak yang sama dengan jari-jari baik; kumparan ini menghasilkan medan magnet seragam, kekuatan dari yang didapatkan mengukur dengan ammeter kekuatan arus melewati mereka. Sinar katoda dengan demikian dalam bidang seragam, sehingga jalan mereka melingkar. Misalkan sinar, ketika dibelokkan oleh magnet, serangan terhadap kaca tabung di E (gbr. 5), kemudian, jika ρ adalah jari-jari jalur melingkar dari sinar,
dengan demikian, jika kita mengukur CE dan AC kita memiliki sarana untuk menentukan jari-jari kelengkungan dari jalur sinar.
Tipe kedua tabung seperti yang digunakan untuk memotret jalan sinar ( gambar 4. ); silinder ganda dengan persimpangan termo-listrik seperti yang digunakan dalam tabung sebelumnya ditempatkan di garis api sinar, bagian dalam lonceng-jar berjajar dengan kasa tembaga terhubung dengan bumi. Tabung ini memberikan hasil yang sangat memuaskan; kami tidak pernah bermasalah dengan cahaya bulat silinder, dan bacaan yang paling konkordan; satu-satunya kelemahan adalah bahwa sebagai beberapa connexions harus dibuat dengan penyegelan-lilin, itu tidak mungkin untuk mendapatkan exhaustions tertinggi dengan tabung ini, sehingga berbagai tekanan untuk tabung ini kurang dari itu untuk tabung 1. Hasil punya dengan tabung ini diberikan dalam Tabel di bawah judul Tabung 2.
Ini akan melihat bahwa nilai m / e jauh lebih besar untuk tabung 3, di mana pembukaan adalah sebuah lubang kecil, daripada Tabung 1 dan 2, di mana pembukaan adalah celah daerah jauh lebih besar. Saya berpendapat bahwa nilai-nilai m / e dapatkan dari Tabung 1 dan 2 terlalu kecil, sebagai akibat dari kebocoran dari silinder dalam ke luar dengan gas yang diberikan konduktor dengan berlalunya sinar katoda.
Ini akan terlihat dari tabel ini bahwa nilai m / e independen dari sifat gas.
saya jelaskan metode lain untuk mengukur jumlah m / e dan v dari yang sama sekali berbeda dari sebelumnya; Metode ini didasarkan pada pembelokan sinar katoda dalam medan elektrostatik . Jika kita mengukur pembelokan dialami oleh sinar ketika melintasi panjang yang diberikan di bawah intensitas listrik seragam , dan pembelokan dari sinar ketika mereka melintasi jarak yang diberikan di bawah medan magnet seragam , kita dapat menemukan nilainilai m / e dan v di dengan cara berikut :
-Biarkan ruang yang dilewati oleh sinar di bawah listrik intensitas F seragam menjadi l , waktu yang dibutuhkan untuk sinar untuk melintasi ruang ini karena itu l / v , kecepatan dalam arah F adalah
sehingga θ , sudut yang dilalui mana sinar yang dibelokkan ketika mereka meninggalkan medan listrik dan masuk wilayah yang bebas dari gaya listrik , diberikan oleh persamaan
sehingga φ , sudut di mana sinar yang dibelokkan ketika mereka meninggalkan medan magnet , diberikan oleh persamaan
Dari persamaan ini, kita mendapatkan
dan
Dalam percobaan yang sebenarnya H disesuaikan sehingga φ = θ ; dalam hal ini persamaan menjadi
Serangkaian percobaan dilakukan untuk melihat apakah pembelokan elektrostatik sebanding dengan intensitas listrik antara pelat ; ini ditemukan menjadi kasus . Dalam percobaan berikut arus melalui kumparan diatur sehingga pembelokan elektrostatik adalah sama dengan magnet :
m / e dan v jauh lebih melelahkan dan mungkin lebih akurat dibandingkan dengan metode sebelumnya ; itu tidak bisa, bagaimanapun , digunakan untuk berbagai range tekanan.
Dengan demikian untuk pembawa listrik di sinar katoda m / e sangat kecil dibandingkan dengan nilai di elektrolisis . Kecilnya m / e mungkin karena kecilnya m atau kebesaran e , atau kombinasi dari keduanya. Dua poin mendasar tentang ini operator tampaknya saya untuk menjadi ( 1 ) bahwa operator adalah sama apapun gas melalui mana debit berlalu, ( 2 ) bahwa jalan bebas rata-rata tergantung pada apa-apa selain kepadatan media yang dilalui oleh ini sinar .
Mungkin dianggap bahwa kemerdekaan massa pembawa gas melalui mana melewati debit karena massa yang bersangkutan menjadi massa kuasi yang tubuh dibebankan memiliki dalam kebajikan dari medan listrik didirikan di lingkungan tersebut; bergerak badan melibatkan produksi medan listrik yang bervariasi , dan , karena itu , dari sejumlah energi yang sebanding dengan kuadrat kecepatan .
Jika , dalam medan listrik sangat intens di lingkungan katoda , molekul gas yang dipisahkan dan dibagi , tidak ke atom kimia biasa , tetapi ke dalam atom primordial , yang kita wajib untuk menyebutnya corpuscle; dan jika sel-sel ini diisi dengan listrik dan diproyeksikan dari katoda oleh medan listrik , mereka akan berperilaku persis seperti sinar katoda . Mereka jelas akan memberikan nilai m / e yang independen dari sifat gas dan tekanannya , untuk operator yang sama apapun gas mungkin ; lagi , jalan bebas rata-rata corpuscles ini akan tergantung hanya pada kepadatan media yang mereka lalui.
Kecilnya nilai m / e , saya pikir , karena kebesaran e serta kecilnya m . Tampaknya saya ada beberapa bukti bahwa muatan membuatan corpuscles di dalam atom yang lebih besar dibandingkan dengan yang dibawa oleh ion elektrolit.
B. Eksperimen Rutherford
Eksperimen Geiger-Marsden (juga disebut percobaan foil emas Rutherford)
adalah serangkaian tengara percobaan di mana para ilmuwan menemukan bahwa setiap atom
menyimpulkan ini dengan mengamati bagaimana partikel alpha tersebar ketika mereka menyerang sebuah foil logam tipis. Percobaan dilakukan antara tahun 1908 dan 1913 oleh
Hans Geiger dan Ernest Marsden di bawah arahan Ernest Rutherford di Laboratorium Fisika dari University of Manchester .
Teori populer struktur atom pada saat percobaan Rutherford adalah " plum Model puding ". Model ini dirancang oleh Lord Kelvin dan dikembangkan lebih lanjut oleh JJ Thomson , ilmuwan yang menemukan elektron . Teori ini menyatakan bahwa elektron bermuatan negatif dalam atom didistribusikan dalam lautan seragam muatan positif seperti plum dalam mangkuk puding Natal . Sebuah teori bersaing diusulkan oleh Hantaro Nagaoka .
[1] [2] Nagaoka menolak model Thomson dengan alasan bahwa muatan yang berlawanan tidak
bisa menembus satu sama lain. Dia mengusulkan sebaliknya bahwa muatan positif atom terkonsentrasi di inti, dengan elektron yang mengorbit itu seperti cincin di sekitar Saturnus.
Implikasi dari model atom Thomson
Sebuah partikel alfa adalah, bermuatan positif partikel sub-mikroskopik materi. Menurut model Thomson, jika partikel alfa yang berbenturan dengan atom, itu hanya akan terbang langsung melalui, jalurnya yang dibelokkan oleh paling sebagian kecil dari gelar. Pada skala atom, konsep "zat padat" tidak ada artinya, sehingga partikel alpha tidak akan memantul dari atom seperti bola biliar; satu-satunya hal yang akan mempengaruhi akan medan listrik atom, dan model Thomson memperkirakan bahwa medan listrik dalam atom terlalu lemah untuk mempengaruhi alpha partikel yang lewat secara signifikan. Kedua muatan negatif dan positif dalam atom Thomson yang tersebar di seluruh volume atom. Menurut hukum Coulomb , yang kurang terkonsentrasi muatan listrik, semakin lemah medan listrik tersebut pada permukaannya akan. [3][4]
Menggunakan fisika klasik, kita bisa mendekati perubahan lateral alpha partikel dalam momentum Δp menggunakan persamaan impuls hubungan kekuatan dan gaya Coulomb :
Kita bisa melihat bahwa dengan tumbukan atom tunggal, paling partikel alpha akan dibelokkan oleh dengan sudut yang kecil. Jika partikel alfa yang melewati lempeng emas sekitar 400 atom tebal dan mengalami defleksi maksimal dalam arah yang sama (astronomis tidak mungkin), masih akan menjadi defleksi kecil.
Ernest Rutherford adalah seorang profesor fisika di University of Manchester . Dia sudah menerima banyak penghargaan untuk studi radiasi. Dia telah menemukan adanya sinar alfa , sinar beta , dan sinar gamma , dan telah membuktikan bahwa ini adalah konsekuensi dari disintegrasi atom . Pada tahun 1906, ia menerima kunjungan dari seorang fisikawan Jerman muda menjanjikan bernama Hans Geiger , dan sangat terkesan bahwa ia meminta Geiger untuk tinggal dan membantunya dengan penelitiannya. [6] Ernest Marsden adalah
seorang mahasiswa fisika sarjana belajar di bawah Geiger.
Partikel alfa kecil, partikel bermuatan positif yang spontan dipancarkan oleh zat tertentu seperti uranium dan radium . Rutherford sendiri telah menemukan mereka dalam 1899. Pada tahun 1908 ia mencoba untuk tepat mengukur mereka muatan-to-mass ratio . Untuk melakukan hal ini, ia pertama kali perlu tahu berapa banyak alpha partikel sampel nya radium memberi off (setelah itu ia akan mengukur total muatan dan membagi satu dengan lainnya). Partikel alpha terlalu kecil untuk dilihat bahkan dengan mikroskop, tetapi Rutherford tahu bahwa partikel alpha mengionisasi molekul udara, dan jika udara dalam medan listrik, ion akan menghasilkan arus listrik. Pada prinsip ini, Rutherford dan Geiger merancang perangkat penghitungan sederhana yang terdiri dari dua elektroda dalam tabung kaca. Setiap partikel alpha yang melewati tabung akan membuat pulsa listrik yang bisa dihitung. Itu adalah versi awal dari Geiger . [6]
Meja yang Geiger dan Rutherford dibangun terbukti tidak dapat diandalkan karena partikel alpha sedang terlalu kuat dibelokkan oleh tabrakan dengan molekul udara dalam ruang deteksi. Lintasan sangat bervariasi dari partikel alpha berarti bahwa mereka tidak semua menghasilkan jumlah yang sama ion saat mereka melewati gas, sehingga menghasilkan pembacaan yang tidak menentu. Hal ini membingungkan Rutherford karena ia berpikir bahwa partikel alpha yang terlalu berat untuk dibelokkan begitu kuat. Rutherford meminta Geiger untuk menyelidiki berapa banyak materi yang bisa menyebarkan sinar alpha.
[7]
sebabnya mengapa ia meninggalkannya untuk rekan-rekannya yang lebih muda. [9] Untuk foil
logam, mereka menguji berbagai logam, tetapi mereka lebih suka emas karena mereka bisa membuat foil sangat tipis, seperti emas sangat ulet. [10] Sebagai sumber partikel alpha,
substansi Rutherford pilihan adalah radium , zat beberapa juta kali lebih radioaktif dari uranium.
Percobaan Tahun 1908
1908 Percobaan
Alat ini digambarkan dalam sebuah makalah 1908 oleh Hans Geiger. Itu hanya bisa mengukur defleksi dari beberapa derajat.
dalam tabung, potongan kecil bersinar menjadi lebih menyebar. Geiger kemudian mempompa keluar udara dan menempatkan beberapa foil emas sepanjang celah di AA. Hal ini juga menyebabkan potongan kecil cahaya pada layar menjadi lebih menyebar. Percobaan ini menunjukkan bahwa baik udara dan padatan nyata bisa menyebarkan partikel alpha. Aparat, namun hanya bisa mengamati sudut kecil dari defleksi. Rutherford ingin tahu apakah partikel alpha sedang tersebar oleh sudut-bahkan mungkin lebih besar lebih besar dari 90 °.
Percobaan 1909
Geiger dan Marsden kemudian ingin memperkirakan jumlah partikel alfa yang dipantulkan. Setup sebelumnya tidak cocok untuk melakukan hal ini karena tabung berisi beberapa zat radioaktif (radium ditambah produk pembusukan) dan dengan demikian partikel alfa yang dipancarkan memiliki berbagai rentang , dan karena itu sulit bagi mereka untuk memastikan apa menilai tabung itu memancarkan partikel alpha . Kali ini, mereka menempatkan sejumlah kecil radium C (bismuth-214) dari pelat timah, yang memantul reflektor platinum (R) dan ke layar. Mereka menemukan bahwa hanya sebagian kecil dari partikel alfa yang melanda reflektor memantul ke layar (dalam hal ini, 1 di 8000).
Percobaan Tahun 1910
menghitung sudut partikel 'defleksi. Partikel alpha dipancarkan dari A dipersempit ke balok dengan lubang bundar kecil di D. Geiger ditempatkan foil logam di jalur sinar di D dan E untuk mengamati bagaimana zona berkedip berubah. Dia juga bisa memvariasikan kecepatan partikel alpha dengan menempatkan tambahan lembar mika atau aluminium pada A. Dari pengukuran ia mengambil, Geiger menemukan bahwa sudut yang paling mungkin dari defleksi meningkat dengan ketebalan material, sebanding dengan massa atom bahan, dan menurun dengan kecepatan partikel alpha, dan bahwa dalam hal apapun kemungkinan bahwa partikel akan dibelokkan oleh lebih dari 90 ° adalah makin kecil.
Mereka menemukan bahwa atom bisa membelokkan partikel alfa sebanyak 150 °. Ini seharusnya tidak mungkin menurut model Thomson. Jelas, partikel-partikel tersebut telah mengalami kekuatan elektrostatis jauh lebih besar dari model Thomson menyarankan mereka akan, yang pada gilirannya tersirat bahwa muatan positif atom terkonsentrasi dalam volume yang lebih kecil daripada Thomson dibayangkan. [5]
Ketika Geiger dan Marsden ditembak partikel alpha pada foil logam mereka, mereka melihat hanya sebagian kecil dari partikel alfa yang dibelokkan oleh lebih dari 90 °. Paling hanya terbang langsung melalui foil. Hal ini menunjukkan bahwa mereka bola kecil muatan positif intens dipisahkan oleh jurang besar ruang kosong. [5] Bayangkan Anda berdiri di tepi
belukar pohon dengan tas besar penuh bola tenis. Jika Anda adalah untuk membabi buta melemparkan bola tenis di pohon-pohon, Anda akan melihat bahwa sebagian besar bola akan terbang melalui memukul apa-apa, sementara beberapa akan menyerang batang pohon dan terpental ke segala arah. Analogi ini menggambarkan apa Rutherford lihat dalam pola hamburan partikel alpha. Kebanyakan partikel langsung melalui foil logam karena materi yang adalah ruang kosong, tetapi beberapa telah "memukul" beberapa kecil tapi kuat kendala: inti atom.
Mengingat hasil percobaan di atas, Rutherford menerbitkan kertas tengara pada tahun 1911 dimana ia mengusulkan bahwa atom mengandung pusatnya volume muatan listrik yang sangat kecil dan intens (pada kenyataannya, Rutherford memperlakukan sebagai muatan titik dalam perhitungan ). [14] Untuk tujuan perhitungan matematika ia diasumsikan muatan pusat
ini adalah positif, namun ia mengakui ia tidak bisa membuktikan ini dan bahwa ia harus menunggu untuk eksperimen lain untuk mengembangkan teorinya.
s = jumlah partikel alpha jatuh pada satuan luas pada sudut defleksi Φ r = jarak dari titik kejadian sinar α pada bahan hamburan
X = Jumlah partikel jatuh pada materi hamburan n = jumlah atom dalam satuan volume material t = ketebalan foil
Q n = muatan positif inti atom
Q α = muatan positif dari partikel alfa
m = massa partikel alfa v = kecepatan partikel alpha
Pada tahun 1911 makalahnya ( lihat di atas ), Rutherford telah menyimpulkan bahwa atom harus mengandung "muatan central" intens terkonsentrasi untuk menghasilkan medan listrik yang diperlukan kuat untuk membelokkan partikel alfa oleh sudut besar. Dia menganggap itu bermuatan positif untuk tujuan perhitungan, tetapi mengakui ia tidak bisa membuktikannya dengan data yang ia miliki saat itu. Dua tahun kemudian, dalam bukunya Zat Radioaktif dan Radiasi mereka, ia menyatakan bahwa "muatan pusat" positif berdasarkan hasil eksperimen baru. Dia juga disebut muatan ini tengah "inti".
Percobaan 1913
1. csc 4 Φ / 2
2. ketebalan foil t
3. besarnya muatan pusat Q n
4. 1 / (mv 2) 2
5. Paper mereka menjelaskan 1913 empat percobaan di mana mereka membuktikan masing-masing empat hubungan ini.
Untuk menguji seberapa hamburan bervariasi dengan sudut defleksi (yaitu jika s α csc 4 Φ / 2) Geiger dan Marsden membangun sebuah alat yang terdiri dari sebuah silinder
Geiger dan Marsden kembali peralatan di atas untuk mengukur bagaimana pola hamburan bervariasi dengan kuadrat dari muatan inti (yaitu jika s α Q n 2). Geiger dan
Marsden tidak tahu apa muatan positif inti logam mereka (mereka baru saja menemukan inti ada sama sekali), tetapi mereka menganggap itu sebanding dengan berat atom, sehingga mereka diuji apakah hamburan adalah proporsional dengan berat atom kuadrat. Geiger dan Marsden menutupi lubang disk dengan foil emas, timah, perak, tembaga, dan aluminium. Mereka mengukur kekuatan menghentikan setiap foil ini dengan menyamakan ke ketebalan setara udara. Mereka menghitung jumlah scintillations per menit setiap foil yang dihasilkan pada layar. Mereka membagi jumlah scintillations per menit dengan setara udara foil bersangkutan, kemudian dibagi lagi dengan akar kuadrat dari berat atom (Geiger dan Marsden tahu bahwa untuk foil kekuasaan menghentikan sama, jumlah atom per satuan luas sebanding dengan akar kuadrat dari berat atom). Dengan demikian, untuk setiap logam, Geiger dan Marsden diperoleh jumlah scintillations bahwa sejumlah atom yang tetap menghasilkan. Untuk masing-masing logam, mereka kemudian dibagi angka ini dengan kuadrat dari berat atom, dan menemukan bahwa rasio yang kurang lebih sama. Dengan demikian mereka membuktikan bahwa s α Q n2.
memperlambat partikel alpha dengan menempatkan lembar tambahan mika di depan sumber partikel alpha. Mereka menemukan bahwa, dalam rentang kesalahan eksperimental, bahwa jumlah scinitillations memang sebanding dengan 1 / v 4.
(http://en.wikipedia.org/wiki/Geiger%E2%80%93Marsden_experiment)
Berdasarkan hasil percobaannya, E. Rutherford pada 1914 dapat menunjukkan bahwa partikel teringan yang dijumpai pada sinar positip ternyata mempunyai massa sebesar massa atom hidrogen. Dengan asumsi bahwa muatan positip ini tentulah sama dengan muatan sebuah elektron tetapi dengan tanda berlawanan, maka dapat disimpulkan bahwa partikel teringan ini tidak lain adalah ion H+, yaitu atom hidrogen yang kehilangan satu elektronnya. Percobaan-percobaan lebih lanjut sampai pada rasionalisasi bahwa atom hidrogen yang bermuatan positip merupakan satu satuan partikel positif terkecil dalam susunan atom yang kemudian disebut proton. Massa proton ini adalah kira-kira 1,67·10-24
C. Percobaan Chadwick
Serangkaian percobaan untuk berbagai unsur menunjukkan bahwa massa atom selalu lebih besar daripada jumlah massa proton dan elektron. Perlu dicatat bahwa jumlah proton yang merupakan karakteristik bagi setiap atom unsur yang bersangkutan telah ditemukan menurut percobaan Moseley. Bahkan dengan alat spektrograf massa dapat ditemukan adanya lebih dari satu macam harga massa atom untuk atom-atom unsur yang sama sekalipun, yang kemudian dikenal sebagai isotop.
Untuk menjelaskan gejala-gejala tersebut perlu diperkenalkan adanya partikel lain yang bersifat netral tanpa muatan yang kemudian disebut neutron. Partikel ini pertama kali diusulkan oleh Rutherford pada tahun 1920 dan diduga mempunyai massa hampir sama dengan massa atom hidrogen, tetapi, baru pada tahun 1933 ditemukan oleh J. Chadwick dalam proses reaksi nuklir. Dalam percobaan ini (Gambar 1.5) partikel-α yang ditembakkan pada unsur berilium (Be) menghasilkan radiasi berikutnya dengan daya penetrasi (tembus) sangat tinggi. Radiasi ini mampu menghantam proton keluar dari parafin dengan gaya yang sangat kuat. Berdasarkan energi dan momentumnya, hanya partikel netral dengan massa setingkat dengan massa proton yang mampu menghantam proton keluar dari parafin. Oleh karena itu, Chadwick berpendapat bahwa radiasi dengan daya penetrasi kuat ini tentulah terdiri atas partikel-partikel netral dengan massa sesuai untuk neutron. Dengan demikian atom (berilium) mengandung partikel netral, neutron (n), selain proton (p) dan elektron (e), dan ketiganya disebut sebagai partikel dasar penyusun atom.
Sungguh luar biasa bahwa neutron tidak ditemukan sampai 1932 ketika James Chadwick menggunakan data hamburan untuk menghitung massa partikel netral ini. Sejak jaman Rutherford itu telah diketahui bahwa atom massa Sejumlah inti sedikit lebih dari dua kali lipat nomor atom Z untuk sebagian atom dan bahwa pada dasarnya semua massa atom terkonsentrasi di inti relatif kecil. Pada sekitar tahun 1930 itu dianggap bahwa partikel dasar adalah proton dan elektron, tapi itu diperlukan bahwa entah bagaimana jumlah elektron yang terikat dalam inti untuk sebagian membatalkan muatan A proton. Tapi saat ini diketahui dari
Skala kasar dari energi yang dibutuhkan untuk mengurung partikel ke dimensi tertentu dapat diperoleh dengan menetapkan panjang gelombang DeBroglie dari partikel sama dengan dimensi itu. Sebagai contoh, jika kita menganggap bahwa dimensi atom hidrogen adalah sekitar 0,2 nm, maka energi kurungan sesuai adalah sekitar 38 eV, urutan yang benar dari besarnya untuk elektron atom. Tetapi untuk membatasi elektron ke dimensi nuklir dari sekitar 5 fermis membutuhkan energi sekitar 250 MeV. Maksimum energi kurungan tersedia dari daya tarik listrik ke inti diberikan oleh
Jadi jelas bahwa tidak ada elektron dalam inti.
Sebuah terobosan eksperimental datang pada tahun 1930 dengan pengamatan oleh Bothe dan Becker bahwa pemboman berilium dengan partikel alpha dari sumber radioaktif yang dihasilkan radiasi netral yang menembus tetapi non-pengion. Mereka menganggap itu adalah sinar gamma, tetapi Curie dan Joliot menunjukkan bahwa ketika Anda membombardir target parafin dengan radiasi ini, dikeluarkan proton dengan energi sekitar 5,3 MeV. Hal ini terbukti tidak sesuai dengan sinar gamma, seperti tercermin dari analisis momentum dan energi:
Analisis mengikuti bahwa untuk tabrakan elastis headon dimana sebuah partikel kecil menabrak massa yang jauh lebih besar. Sekali lagi, energi yang diperlukan untuk penjelasan sinar gamma jauh lebih besar daripada energi yang diamati tersedia dari inti, sehingga radiasi netral harus berasal dari semacam partikel netral.
Chadwick mampu membuktikan bahwa partikel netral tidak bisa menjadi foton dengan membombardir target selain hidrogen, termasuk nitrogen, oksigen, helium dan argon. Tidak hanya ini tidak konsisten dengan emisi foton dengan alasan energi, penampang untuk interaksi adalah lipat lebih besar dari itu untuk hamburan Compton oleh foton.
Tugas yang tetap untuk Chadwick adalah bahwa penentuan massa partikel netral. Dia memilih untuk membombardir boron dengan partikel alpha dan menganalisis interaksi partikel netral dengan nitrogen. Maskapai target particlular dipilih sebagian karena massa boron dan nitrogen yang terkenal. Konservasi energi diterapkan pada interaksi gabungan memberikan ungkapan berikut:
Pemecahan untuk energi massa neutron memberikan
memperoleh nilai pertama untuk massa neutron yang baik dibandingkan dengan nilai yang berlaku saat ini dari 939,57 MeV.
