Percobaan Geiger-Marsden

Sebuah mock-up dari salah satu alat percobaan Geiger dan Marsden

Percobaan Geiger–Marsden (disebut pula sebagai percobaan lempeng emas Rutherford) adalah rangkaian penting eksperimen yang mempelajari bahwa setiap atom memiliki inti yang semua muatan positif dan sebagian besar massanya terkonsentrasi. Kesimpulan ini didapat setelah mengukur bagaimana sinar partikel alfa terhamburkan ketika mengenai lempeng emas yang tipis. Percobaan ini dilakukan antara tahun 1908 dan 1913 oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden di bawah arahan Ernest Rutherford di Laboratorium Fisika Universitas Manchester.

Ikhtisar

Teori kontemporer struktur atom

Model puding prem atom, seperti yang dipaparkan Thomson.

Teori struktur atom yang populer pada saat percobaan Rutherford adalah "model puding prem". Model ini dirancang oleh Lord Kelvin dan dikembangkan lebih lanjut oleh J.J. Thomson. Thomson telah menemukan elektron, dan percaya setiap atom adalah bola bermuatan positif dengan elektron yang tersebar secara merata, menyerupai kismis dalam puding Natal. Keberadaan proton dan neutron tidak diketahui saat itu. Thomson mengetahui bahwa atom sangat kecil (Rutherford berasumsi atom memiliki jari-jari sekitar 10⁻⁸ m). Model ini sepenuhnya didasarkan pada fisika klasik (Newtonian); model yang diterima saat ini menggunakan mekanika kuantum.

Model Thomson tidak diterima secara universal bahkan sebelum percobaan Rutherford. Thomson sendiri tidak pernah mampu mengembangkan model konsepnya yang lengkap dan stabil. Ilmuwan Jepang Hantaro Nagaoka menolak model Thomson dengan alasan bahwa muatan yang berlawanan tidak dapat menembus satu sama lain. Dia mengusulkan sebaliknya bahwa elektron mengorbit muatan positif seperti cincin di sekitar Saturnus.

Implikasi model puding prem

Partikel alfa adalah partikel materi yang bermuatan positif dan submikroskopis. Menurut Model puding prem Thomson, jika partikel alfa bertabrakan dengan atom, ia akan terbang lurus, lintasannya dibelokkan paling banyak sepersekian derajat. Pada skala atom, konsep "materi padat" tidak ada artinya. Atom Thomson adalah bola bermuatan listrik positif, ditambatkan di tempatnya oleh massanya. Karenanya partikel alfa tidak akan memantul dari atom seperti bola, tetapi mungkin melewatinya jika medan listrik atom cukup lemah untuk memungkinkannya. Model Thomson meramalkan bahwa medan listrik dalam atom terlalu lemah untuk mempengaruhi partikel alfa yang lewat (partikel alfa cenderung bergerak sangat cepat). Baik muatan negatif maupun positif dalam atom Thomson tersebar di seluruh volume atom. Menurut Hukum Coulomb, semakin sedikit konsentrasi bola yang bermuatan listrik, semakin lemah medan listriknya di permukaannya.

Sebagai contoh, jika partikel alfa yang melewati tepi atom emas, yang akan mengalami medan listrik paling kuat dan karenanya mengalami pembelokkan maksimum. θ. Karena elektron sangat ringan dibandingkan dengan partikel alfa, pengaruhnya dapat diabaikan, sehingga atom dapat dilihat sebagai bola pejal bermuatan positif.

Q_g = muatan positif atom emas = Templat:Val = Templat:Val

Q_α = muatan partikel alfa = Templat:Val = Templat:Val

r = jari-jari atom emas = Templat:Val

v = kecepatan partikel alfa = Templat:Val

m = massa partikel alfa = Templat:Val

k = konstanta Coulomb = Templat:Val

Menggunakan fisika klasik, perubahan momentum lateral partikel alfa p_y dapat didekati dengan menggunakan hubungan impuls gaya dan persamaan gaya Coulomb:

$p_y=\overline{F}t<k\frac{Q_{\alpha }{Q}_g}{r^2}\cdot \frac{2r}{v}$

$\tan \theta =\frac{p_y}{p_x}<k\frac{Q_{\alpha }{Q}_g}{r^2}\cdot \frac{2r}{v}\cdot \frac{1}{mv}=8.987\times 10^9\cdot \frac{3.204\times 10^{-19}\times 1.266\times 10^{-17}}{(1.44\times 10^{-10}{)}^2}\cdot \frac{2\times 1.44\times 10^{-10}}{1.53\times 10^7}\cdot \frac{1}{6.645\times 10^{-27}\times 1.53\times 10^7}$

$\theta <0.000325\text{rad}(\text{or}0.0186^{\circ })$

Perhitungan di atas hanyalah perkiraan dari apa yang terjadi ketika partikel alfa mendekati atom Thomson, tetapi jelas bahwa pembelokkan paling banyak akan berada dengan besar sebagian kecil derajat. Jika partikel alfa melewati kertas emas setebal sekitar 4 mikrometer (2.410 atom) dan mengalami pembelokkan maksimal ke arah yang sama (jarang), pembelokkan tersebut tetap saja kecil.

Hasil percobaan

Kiri: Seandainya model Thomson benar, semua partikel alfa seharusnya melewati foil dengan hamburan minimal.
Kanan: Apa yang diamati Geiger dan Marsden adalah bahwa sebagian kecil dari partikel alfa mengalami pembelokkan yang kuat.

Atas perintah Rutherford, Geiger dan Marsden melakukan serangkaian percobaan dengan mengarahkan seberkas partikel alfa pada lapisan tipis logam dan, menggunakan metode sintilasi yang dirancang oleh Crookes, Elster, & Geitel mengukur pola hamburan dengan menggunakan layar pendar. Mereka melihat partikel alfa memantul dari lempeng tipis logam ke segala arah, beberapa tepat kembali ke sumbernya. Hal ini seharusnya tidak mungkin menurut model Thomson; partikel alfa seharusnya sudah melewati semuanya. Jelas, partikel-partikel itu telah mengalami gaya elektrostatik yang jauh lebih besar daripada yang disarankan model Thomson. Selanjutnya, hanya sebagian kecil partikel alfa yang dibelokkan lebih dari 90°. Sebagian besar terbang langsung melalui lempeng tipis dengan defleksi yang dapat diabaikan.

Untuk menjelaskan hasil yang aneh ini, Rutherford membayangkan bahwa muatan positif atom terkonsentrasi dalam inti kecil di pusatnya, yang kemudian berarti bahwa sebagian besar volume atom adalah ruang kosong.

Lihat pula

• Teori atom
• Spektroskopi
• Hamburan Rutherford
• Hamburan Rayleigh

Referensi

Daftar pustaka

• Templat:Cite web
• Templat:Cite web
• Templat:Cite web
• Templat:Cite book
• Templat:Cite web
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite book
• Templat:Cite book
• Templat:Cite book
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite book
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite book
• Templat:Cite book
• Templat:Cite journal
• Templat:Cite book

Pranala luar

• Templat:En Deskripsi percobaan, dari cambridgephysics.org