Eksperimen Tetes Minyak Milikan dalam Menentukan Muatan Elektron

Terdapat beberapa ilmuwan yang karyanya menjadi perintis dalam penemuan elektron. Berikut adalah empat ilmuwan yang memainkan peran fenomenal dalam meletakkan dasar penemuan elektron. Dimulai dengan Johann Wilhelm Hittorf (1869) yang dimana lewat penelitiannya pada konduktivitas listrik dalam tabung gas menemukan bahwa kuat cahaya yang dipancarkan dari pelat katoda tergantung pada tekanan gas, Eugen Goldstein (1876) menemukan bahwa sinar yang dipancarkan dari cahaya pada percobaan sebelumnya yang dilakukan oleh John Wilhelm menimbulkan bayangan jika sebuah objek ditempatkan di belakangnya. Dia menamakan sinar tersebut sebagai sinar katoda. 
Eksperimen Tetes Minyak Milikan dalam Menentukan Muatan Elektron
William Crookes (1870-an) yang membuat tabung sinar katoda pertama yang memicu perkembangan teori perihal keberadaan partikel bermuatan negatif dalam sinar yang dibelokkan dari anoda ke katoda dan terakhir Arthur Schuster yang melanjutkan pekerjaan Crooke dan semakin yakin bahwa sinar katoda memiliki partikel bermuatan negatif.Selama periode tahun 1909 hingga 1913, Robert Milikan menampilkan sebuah eksperimen yang luar biasa untuk mengukur muatan elektron. Besaran dari muatan dasar di atas elektron dan mendemonstrasikan kuantitas alam dari muatan ini.

Peralatan Robert Millikan yang digunakan dalam eksperimennya yaitu terdiri dari dua lempeng logam yang dipasang secara paralel, penyemprot minyak yang terdapat lubang kecil dibagian atas lempengan. Robert Milikan waktu itu menggunakan sinar X-Ray untuk mengionkan udara di dalam ruangan. Dengan begitu, elektron-elektron bebas akan mengikuti minyak yang dijatuhkan, dan memberi tetesan-tetesan minyak tersebut bermuatan negatif. Secara horizontal, apabila dilihat pada kondisi ini, tetesan-tetesan tersebut muncul bagaikan bintang-bintang yang bersinar pada layar yang gelap, dan jumlah tetesan yang menuju ke bawah dapat ditentukan.

ALAT PERCOBAAN TETES MINYAK MILIKAN

Alat Eksperimen Tetes Minyak Milikan


Adapun alat dan bahan yang digunakan ialah satu set peralatan Milikan Leybold (559 412) yang komponennya terdiri atas base plate, mikroskop pengukuran (measuring microscope), kapasitas pelat (Plate capacitor), alat penyinaran (ilumination device), penyemprot minyak (Oil atomaizer) kemudian 1 buah Milikan supply unit (pembangkit tegangan) (559 421), empat pasang kabel penghubung 50 cm dengan warna kabel merah dan biru dan yang terakhir ialah dua buah timer box. 

PRINSIP KERJA PERCOBAAN TETES MINYAK MILIKAN 

Adapun prinsip kerja dari percobaan tetes minyak milikan ialah dengan menyemprotkan minyak milikan ke dalam pelat sejajar milikan lalu mengamati satu butiran minyak melalui mikroskop untuk diamati jarak dan waktu tempuh butiran minyak yang bergerak dari garis bawah menuju garis batas atas diamati dan dicatat dengan melakukan tiga kali percobaan dengan nilai tegangan yang berbeda beda.

Pada saat minyak disemprotkan dan masuk ke dalam ruang antar pelat mengalami gerak jatuh bebas yang diakibatkan oleh gaya gravitasi. Saat butiran minyak jatuh terjadi gesekan terhadap fluida (udara) dan cahaya lampu sehingga butiran minyak terionisasi. Ionisasi menghasilkan elektron yang akan melekat ke butiran minyak, sehingga tetes minyak menjadi bermuatan. Saat switch pembalik digerakkan ke atas maka tetes minyak yang bermuatan negatif akan bergerak mengikuti gerakan switch pembalik yaitu tetes minyak akan mendekati pelat kutub positif. Data yang diperoleh dari percobaan ini yaitu waktu saat tetes minyak naik dari batas garis bawah sampai batas garis atas dan waktu ketika tetes minyak turun dari batas garis atas ke batas garis bawah. Pada saat butiran naik waktu yang diperlukan juga lebih lama dibandingkan pada saat butiran turun sehingga kecepatan saat naik lebih kecil daripada kecepatan saat turun 

METODE PENENTUAN MUATAN ELEKTRON (METODE JATUH NAIK)

Metode yang digunakan untuk untuk menentukan muatan elektron pada Eksperimen Tetes Minyak Milikan ada dua macam metode yaitu metode ambang dan metode jatuh naik. Metode ambang dilakukan dengan cara mengatur medan listrik sehingga gaya berat tetesan minyak tepat diimbangi oleh gaya listrik sedangan metode jatuh naik dilakukan dengan mengukur v_1 dan v_2 dalam pengaruh tegangan U. Metode jatuh naik menghasilkan nilai pengukuran yang lebih tepat dibandingkan metode ambang karena dalam metode jatuh naik kecepatan v_2 benar-benar diukur.

Pada eksperimen yang akan dilakukan, penentuan nilai muatan elementer elektron dilakukan dengan menggunakan metode jatuh naik, yaitu dengan cara mengukur waktu yang dibutuhkan oleh tetesan minyak untuk bergerak naik dan turun. Pergerakan tetesan minyak yang keatas dipengaruhi oleh gaya elektrostatis, sedangkan pergerakan tetesan minyak yang kebawah dipengaruhi oleh gaya gravitasi dan gaya stokes. Tetesan minyak akan bergerak keatas dengan kecepatan v_1 akibat medan listrik diantara pelat kapasitor dan akan bergerak ke bawah dengan kecepatan v_2 akibat gaya gravitasi dan gaya stokes


GAYA YANG MEMPENGARUHI GERAK TETES MINYAK

Dalam percobaan ini gaya-gaya yang mempengaruhi gerakan tetes minyak ialah gaya gravitasi, gaya Archimedes, gaya stokes dan gaya listrik. Gaya gravitasi selalu mengarah ke pusat bumi yang menyebabkan tetes minyak bergerak ke bawah. Gaya Archimedes yakni gaya apung atau gaya angkat ke atas terjadi pada semua benda yang berada dalam fluida. Gaya stokes erat kaitannya dengan viskositas fluida, dimana gerak tetes minyak akan dihambat oleh gaya stokes yang disebabkan nilai viskositas yang dimiliki oleh fluida. Gaya gesek antar permukaan benda yang bergerak dengan fluida akan sebanding dengan kecepatan relatif gerak benda ini terhadap fluida. Hambatan gerak di dalam fluida disebabkan oleh gaya gesek antara bagian fluida yang melekat pada permukaan benda dengan bagian fluida di sebelahnya. Gaya gesek itu sebanding dengan koefisien viskositas (ὴ) fluida.


RUMUS PENENTUAN MUATAN ELEKTRON DARI METODE JATUH NAIK

Pada plat sejajar dialirkan medan listrik sedemikian sehingga tetes minyak bergerak ke atas dengan kecepatan v2. Bila tegangan antar pelat U dan jarak antar kedua pelat adalah d, maka E = U/d dan gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut adalah:



     (2)

Untuk tetes minyak yang melayang di antara pelat sejajar karena pengaruh medan listrik E, maka pers (2) menjadi:
    (3)
Dari penjelasan di atas terlihat bahwa terdapat dua metode yang berbeda yang dapat digunakan untuk menentukan muatan elektron elementer:

1.   Mengukur kecepatan jatuh bebas v1 sebelum diberikan medan listrik dan mengukur tegangan U sehingga tetes minyak diam diantara  dua  pelat  sejajar.  Formulasi metode ini dapat dilakukan dengan substitusi pers. (1) dan pers (3), sehingga diperoleh :
    (4)
Dengan karakteristik alat dan bahan sebagai berikut:

η =1,81 x 10^-5 N/m^2, d = 6 x 10^-3 m, ρ minyak=875,3 kgm^-3, ρL=1,29 kgm^-3, sehingga persamaan (4) dapat dituliskan sebagai:
    (5)


2. Mengukur kecepatan jatuh  tetes  minyak  dalam  ruang  bebas  medan  listrik  v1 dan  kecepatan naik v2 pada tegangan tertentu U. Formulasi ini dapat dilakukan dengan substitusi pers (1) ke dalam pers (2) sehingga diperoleh:
    (6)
Dengan memasukkan nilai η, d, dan ρ ke dalam persamaan (6):
    (7)
Untuk meningkatkan akurasi nilai terukur dalam percobaan Milikan digunakan faktor koreksi (koreksi Chunningham) sebagai berikut.  Andaikan muatan terkoreksi qc tekanan udara p (bar), maka koreksi dari pers (5) atau pers (7) adalah :
     (8)
atau
     (9)
Dengan b adalah suatu konstanta yang dapat diperoleh secara numerik atau grafik (-6,33 x 10^-5 mbar).

PEMBUKTIAN BAHWA MUATAN SELALU KELIPATAN BILANGAN BULAT

Dalam percobaan yang dilakukan oleh Sir Joseph J. Thomson (1897) dan Robert A. Milikan (1906), massa dan muatan partikel sub atom dapat ditentukan. Untuk menyatakan massa subatom, massa proton dan neutron ditetapkan sama dengan satu, sedangkan elektron 1/1836 kali massa proton. Massa proton sesuangguhnya adalah 1,67×10^(-27) kg dan massa elektron sesuangguhnya adalah 9,11×10^(-31) kg.

Berapakah muatan elektron? Pertanyaan ini dijawab pada abad ke 20 oleh ahli fisika Amerika, Robert A. Milikan. Penelotiannya yang terkenal dinamakan percobaan tetes minyak milikan. Pada tahun 1906, Robert A. Milikan berhasil menentukan harga muatan elektron melalui percobaan tetes minyak. Minyak disemprotkan sampai tetesan minyak jatuh melalui celah yang terdapat pada pelat bagian atas dan tetesan minyak memasuki ruang di antara kedua pelat itu disinari dengan sinar-x maka gas Z akan melepaskan elektron dan elektron ini terikat oleh tetesan minyak:


Proses Tetes Minyak Milikan
Dengan mengatur potensial pada pelat P, gerak tetesan minyak dapat diatur turun naik, gerakan ini dapat diamati melalui teleskop. Turunnya tetes minyak akibat gaya gesek gravitasi (mg) dan naiknya tetes minyak diatur oleh potensial untuk mengimbangi gaya gravitasi yang besarnya sesuai dengan hukum stokes (6πηrv), dengan r = jari-jari minyak, v = kecepatan jatuh minyak, dan η = viskositas minyak.

Dari percobaan tetes minyak, Milikan menemukan bahwa tetes minyak (q) selalu merupakan kelipatan bilangan bulat dari -1,6 x 10^-19 C, yakni: Q = n . e, dengan n = 1, 2, 3,...., i. Hal ini disebabkan satu tetes minyak dapat menangkap elektron sebanyak kelipatan dari bilangan bulat. Oleh karena itu, disimpulkan bahwa muatan sebuah elektron sama dengan -1,6 x 10^-19 C.

Dengan mengetahui besar muatan elektron, harga massa elektron dapat, dihitung dengan cara memasukkan harga muatan tersebut ke dalam persamaan angka banding e/m = -1,76 x 10^11/kg yang ditentukan oleh Thomson, yaitu:


Untuk menyatakan muatan partikel subatom, muatan proton sama dengan +1, elektron ditetapkan sama dengan -1, sedangkan neutron tidak bermuatan (netral). Muatan elektron dan proton sesuangguhnya adalah
Demikian artikel tentang penjelasan lengkap Eksperimen Tetes Minyak Milikan dalam Menentukan Muatan Elektron, semoga bermanfaat bagi kalian yang membacanya.