Eksperimen yang mendukung lahirnya Fisika Modern

kegagalan teori fisika klasik dalam menjelaskan fenomena baru terkait partikel dan radiasi benda hitam yang ditemukan melalui beberapa eksperimen yang dilakukan oleh para ilmuan fisika merupakan awal lahirnya fisika modern.

ada beberapa eksperimen yang menjadi cikal bakal teori fisika modern yang kita pelajari saat ini. beberapa eksperimen tersebut sebagai berikut :

EKSPERIMEN EFEK COMPTON OLEH ARTHUR HOLLY COMPTON

Ada banyak ilmuan fisika yang turut serta bersumbangsi terhadap lahirnya fisika modern, salah satu diantaranya adalah Arthur Holly Compton. Arthur Holly Compton lahir di Wooster, Ohio, Amerika pada tanggal 10 September 1892 di lingkungan keluarga yang dikenal sebagai keluarga pendidik dimana Ayahnya merupakan seorang Profesor yang mengajar Filsafatdi College of Wooster. Compton memperoleh gelar sarjananya di Wooster, kemudian dia melanjutnkan studi Mastentya tahun 1914 dan studi Ph. D pada tahun 1916 di Princeton.

Karir Arthur Holly Compton di bidang penelitian fisika yang lebih mendalam dimulai dengan keikutsertaannya sebagai anggota dari National Research Council, dimana Compton berkesempatan mendapat beasiswa untuk melakukan penelitian penghamburan dan penyerapan sinar gamma di laboratorium Rutherford di Cambridge, Inggris.

Tepatnya pada tahun 1923, compton melakukan sebuah eksperimen dengan menggunakan sinar x dan flat tipis. eksperimennya dilakukan cukup sederhana yang dilakukan dengan menembakkan sinar x monokromatik pada sebuah flat tipis terbuat dari berilium (dalam referensi lain carbon). Kemudian untuk mengamati foton dari sinar X dan elektron yang terhambur dipasang detektor.

Dari hasil percobaan diketahui bahwa Sinar X yang telah menumbuk elektron akan kehilangan sebagian energinya dan kemudian terhambur dengan sudut hamburan sebesar terhadap arah semula.

sinar X yang terhambur memiliki panjang gelombang yang lebih besar dari panjang gelombang sinar X semula. Hal ini dikarenakan sebagian energinya terserap oleh elektron. Jika energi foton sinar X mula-mula hf dan energi foton sinar X yang terhambur menjadi (hf – hf’) dalam hal ini f > f’, sedangkan panjang gelombang yang terhambur menjadi bertambah panjang. 

Hasil penelitian oleh compton saat itu dianggap sebuah hal yang menyimpang dari teori yang ada. Hal tersebut karena hasl tersebut tidak dapat dijelaskan dengan menggunakan teori yang berlaku saat itu. Satu-satunya cara untuk menjelaskan hal ini adalah dengan menganggap cahaya sebagai gelombang. Sementara kala itu teori yang di yakini adalah teori undulasi dari hyugens yang menyatakan bahwa cahaya adalah gelombang yang berasal dari sumber yang bergetar,.Melalui eksperimen ini teori korpuskuler kembali di tinjau dan dipertimbangkanoleh para ilmuan. Walaupun pada akhirnya kedua teori undulasi dan korpuskuler dihubungkan dengan sebuah teori dualitas partikel gelombang.

Peristiwa terhamburnya sinar x (foton) ketika menumbuk elektron diam ini di namakan efek compton.  Tajuk yang menjadi inti dari percobaan efek compton adalah perubahan panjang gelomban foton setelah mengalami tumbukan dengan elektron pada flat tipis, yang mana panjang gelombang tersebut kemudian dirumuskan dengan persamaan :

Dengan   adalah panjang gelombang sinar X sebelum tumbukan,  adalah panjang gelombang sinar X setelah tumbukan.  h adalah konstanta Planck (6,625 × 10-34 Js). mo  massa diam elektron (9,1 × 10-31 kg), c kecepatan cahaya (3 × 108 ms-1) dan sudut hamburan sinar X terhadap arah semula.

Percobaan Geiger – Marsden

Awal mula percobaan Geiger – Marsden dilakukan oleh Rutherford bersama kedua muridnya Hans Geiger dan Ernest Marsden untuk membuktikan kebenaran dari teori atom yang dikemukakan oleh Thomson. Teori atom Thomson menyatakan bahwa atom merupakan bola pejal bermuatan positif, yang dikelilingi elektron dikulitnya dan kelemahan dari atom Thomson yaitu tidak menyatakan gerakan elektron dalam atom serta tidak mampu menjelaskan mengenai adanya inti atom.

Pada tahun 1909, Hans Geiger dan Ernest Marsden dengan petunjuk dari Rutherford melakukan eksperimen di Laboratorium Fisika Universitas Manchester untuk membuktikan kebenaran dari teori atom yang dikemukakan oleh Thomson tersebut. Adapun skema dari percobaan Geiger – Marsden seperti Gambar 2.

Pada percobaan tersebut partikel alfa (sinar alfa) yang bermuatan positif ditembakkan pada lembaran lempeng (foil) emas yang tebalnya hanya 1/3000 inci (sangat tipis) lalu melacak jejak partikel tersebut.  Dari pengamatan tersebut kemudian diketahui bahwa jika partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada penyimpangan sudut kurang dari 1 derajat). Namun dari pengamatan Marsden diperoleh fakta bahwa satu di antara 20.000 partikel alfa akan membelok dengan sudut 90 derajat atau bahkan lebih. Berarti, ada partikel-partikel tertentu yang membelokkan partikel alfa. Jika lempengan emas dianggap sebagai satu lapisan atom-atom emas, maka dalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif sehingga dapat membelokkan atau memantulkan hamburan partikel alfa.

Pada percobaan lempeng emasnya tersebut Rutherford menyangkal model atom J. J. Thomson pada tahun 1911. Di mana berdasarkan gejala-gejala yang terjadi pada percobaan, Ernest Rutherford dan kedua muridnya membuat beberapa kesimpulan tentang atom dan isinya, yaitu:

1.      Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif.

2.      Elektron bergerak mengelilingi inti atom

3.      Sebagian besar ruangan dalam atom merupakan ruangan kosong sehingga massa atom terpusat pada inti atom

4.      Jumlah muatan positif dan muatan negatif adalah sama, sehingga atom bersifat netral

Dari hasil kesimpulan tersebut Rutherford mengusulkan suatu model atom yang dikenal sebagai model atom tata surya sesuai dengan apa yang disimpulkan dari hasil percobaan.

Pada teori Rutherford juga memiliki kelebihan  dan kelemahan.

Kelebihan teori Rutherford adalah pada hasil percobaan hamburan sinar alfa pada lapisan logam emas tipis bahwa sebagian partikel alfa dapat diterusksan, dibelokkan dan dipantulkan. 

§  Diteruskan artinya atom merupakan ruang kosong

§  Dibelokkan artinya partikel alfa mendekati inti atom

§  Dipantulkan artinya partikel alfa menabrak inti atom yang bermuatan positif

Selain itu juga dapat menjelaskan ada nya inti atom yang bermuatan positif.

Kelemahan dari teori Rutherford tentang elektron yang bergerak mengelilingi inti atom. Jika elektron yang bermuatan negatif mengelilingi inti atom yang bermuatan positif seharusnya elektron akan kehilangan energi karena adaya gaya tarik menarik antara inti atom dan elektron sehingga akan jatuh ke inti atom. Tetapi hal tersebut tidak dapat dijelaskan oleh Rutherford, karena elektron tetap stabil mengelilingi inti atom. Sehingga hal ini bertentangan dengan teori Maxwell mengenai hukum fisika klasik.

PERCOBAAN MILIKAN

Robert A. Milikan (1869 – 1953) melakukan percobaan dengan meneteskan minyak melalui dua plat logam dengan beda potensial yang dapat diatur sehingga gaya elektrolistrik mampu membuat tetes minyak berhenti. Pada eksperimen tersebut, jatuhan minyak akan mengalami percepatan kebawah yang disebabkan oleh gaya gravitasi dan pada saat yang sama gerak tetes minyak tersebut dihambat oleh gaya stokes. Sehingga akan terjadi keseimbangan gaya – gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik diantara dua plat konduktor tersebut.

Seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yaitu William Conrad Rontgen pada tahun 1895, berhasil menemukan sinar-x atau sinar rontgen. Penemuan sinar-x ini diilhami oleh percobaanpercobaan sebelumnya oleh J.J. Thompson dan Heinrich Hertz. Percobaan Thompson mengenai tabung katoda dan percobaan Hertz mengenai fotolistrik. Sinar x adalah pancaran gelombang elektromagnetik yang sejenis dengan gelombang listrik, radio, inframerah panas, cahaya, sinar gamma , sinar kosmik dan sinar ultraviolet tetapi dengan panjang gelombang yang sangat pendek

Setelah harga e/m untuk elektron diketahui dari eksperimen tabung sinar katoda, selanjutnya diperlukan percobaan lain untuk menentukannilai e dan m. Jika salah satu nilai tersebut diketahui maka nilai yang lain dapat ditentukan. Pada tahun 1909, Robert Andrews Millikan dapat memecahkan dilema tersebut melalui eksperimennya yaitu Eksperimen Tetes Millikan.

Percobaan tetes minyak milikan dilakukan sebagai berikut :

Gambar 3:  Eksperimen Milikan

1.   Dengan menggunakan alat penyemprot, minyak disemprotkan sehingga membentuk tetesan-tetesan kecil. Sebagian tetes minyak akan melewati lubang pada pelat atas dan jatuh karena tarikan grafitasi.

2.       Dengan menggunakan teropong, diameter tetes minyak dapat ditentukan, sehingga massa minyak dapat diketahui

3.    Radiasi sinar X akan mengionkan gas di dalam silinder. Ionisasi akan menghasilkan elektron. Elektron tersebut akan  melekat pada tetes minyak, sehingga tetes minyak menjadi bermuatan listrik negatif. Ada yang menyerap satu,dua, atau lebih elektron. Jika pelat logam tidak diberi beda potansial, tetes-tetes minyak tetap jatuh karena pengaruh grafitasi

4.   Jika pelat logam diberi beda potensial dengan pelat bawah sebagai kutub negatif, maka tetes minyak yang bermuatan negatif akan mengalami gaya tolak listrik. Sesuai dengan hukum coloumb, tetes minyak yang mengikat lebih banyak elektron akan tertolak lebih kuat. Pergerakan tetes minyak dapat menggunakan teropong. Dengan mengatur beda potensial, tetes minyak dibuat mengambang. dalam keadaan seperti itu berarti gaya tarik grafitasi sama dengan gaya tolak listrik

5.  Melalui percobaan tersebut, Milikan menemukan bahwa muatan tetes-tetes minyak selalu merupakan kelipatan bulat dari suatu muatan tertentu, yaitu 1,602 x 10-19 coloumb. Millikan menyimpulkan bahwa muatan tersebut adalah muatan dari satu elektron. Perbedaan muatan antar tetesan terjadi karena satu tetesan dapat mengikat 1,2,3 atau lebih elektron.

Dengan telah diketahuinya muatan elektron, maka dapat ditentukan massa elektron (m) yaitu dengan membagi nisbah muatan terhadap massa (nilai e/m dari percobaan tabung sinar katoda) dengan muatan elektron.

Hasil percobaan Milikan dan Thomson diperoleh muatan elektron –1 dan massa elektron 0, sehingga elektron dapat dilambangkan (e)

Data Fisis Elektron :

e/m = 1.76 x 108 Coulomb/gram

e = 1.602 x 10-19 coulomb

maka massa elektron = 9.11 x 10-28 gram