Laporan Praktikum Fisika Eksperimental Lanjut Laboratorium Radiasi PERCOBAAN R3
EKSPERIMEN HAMBURAN RUTHERFORD Dosen Pembina : Herlik Wibowo, S.Si, M.Si Septia Kholimatussa’diah* (080913025), Mirza Andiana D.P.* (080913043), Lailatul Badriyah* (080913056) *Program Studi S-1 Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Abstrak Telah dilakukan percobaan hamburan Rutherford untuk mengetahui keberadaan inti atom. Percobaan dilakukan dengan menggunakan sumber Am-241 yang akan meradiasikan partikel alfa menumbuk suatu pelat logam Al-13 dengan sudut yang divariasikan antara -15° sampai 15°. Jumlah cacahan akan dibaca oleh Single Channel Analyzer (SCA) sebagai pulsa-pulsa tegangan yang besarnya sebanding dengan energi partikel alfa. Berdasarkan pengamatan, diperoleh hasil bahwa sebagian besar partikel alfa diteruskan dan dihamburkan dengan sudut yang bervariasi. Berkas partikel alfa yang diteruskan ini hanya dapat terjadi jika atom memiliki ruang-ruang kosong (yang merupakan orbit elektron) dan bukan berupa bola pejal seperti model atom Thompson. Sedangkan partikel alfa yang dihamburkan dapat terjadi jika terdapat suatu massa masif yang mampu membelokkan partikel alfa, dalam hal ini massa masif itulah yang disebut sebagai inti atom. Hasil ini tidak sesuai dengan model atom Thompson sehingga diajukanlah model atom Rutherford yang menyempurnakannya. Kata kunci : detektor, hamburan Rutherford, partikel alfa, pencacah diferensial telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu
1. PENDAHULUAN Rutherford bersama dua orang
partikel
yang
bermuatan
positif
dan
muridnya (Hans Geigerdan dan Ernerst
bergerak lurus, berdaya tembus besar
Masreden) melakukan percobaan yang
sehingga dapat menembus lembaran tipis
dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ)
kertas. Percobaan tersebut sebenarnya
terhadap lempeng tipis emas. Sebelumya
bertujuan 1
untuk
menguji
pendapat
Thompson, yakni apakah atom itu betul-
Thompson. Oleh karena itu kami sebagai
betul merupakan bola pejal yang positif
mahasiswa Fisika pada mata kuliah Fisika
yang bila dikenai partikel alfa akan
Eksperimental Lanjut akan melakukan
dipantulkan atau dibelokkan.
Eksperimen
Dari
pengamatan
mereka,
Hamburan
Rutherford
di
Laboratorium Radiasi.
didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang
2. METODE PENELITIAN
sangat tipis, maka sebagian besar partikel
Pompa vakum digunakan untuk
alfa diteruskan (ada penyimpangan sudut
memvakumkan tabung hamburan yang
kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan
berisi
Marsden diperoleh fakta bahwa satu
Diafragma berfungsi sebagai pemfokus
diantara
α
(Am-241).
akan
berkas partikel α yang akan mengenai
bahkan
lebih.
lapisan tipis logam aluminium (Al-13),
Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi,
dengan dua ukuran : 1 mm (celah sempit)
diperoleh beberapa kesimpulan bahwa
dan 5 mm (selah lebar). Cacahan partikel α
atom bukan merupakan bola pejal, karena
dicatat dari sudut -15° sampai 15° dengan
hampir semua partikel alfa diteruskan; Jika
interval kenaikan 2,5° dan 5° (-15°; -10°; -
lempeng emas tersebut dianggap sebagai
5°; -2,5°; 0°; 2,5°; 5°; 10°; 15°). Hasil
satu lapisan atom-atom emas, maka di
dimasukkan pada tabel sehingga diperoleh
dalam atom emas terdapat partikel yang
data pengamatan seperti pada bagian
sangat kecil yang bermuatan positif.
lampiran. Karena pulsa yang dihasilkan
Partikel tersebut merupakan partikel yang
detektor
menyusun suatu inti atom, berdasarkan
digunakan penguat agar dapat tercacah
fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa
oleh counter.
akan
sudut
dibelokkan.
1:20.000
partikel
partikel
alfa
membelok
20.000
sumber
90°
Bila
merupakan
sangat
kecil,
maka
perlu
perbandingan perbandingan
diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan. Berdasarkan didapatkan
dari
fakta-fakta percobaan
yang tersebut,
Rutherford mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford
Setup eksperimen hamburan Rutherford
yang berhasil memperbaiki model atom 2
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
bertumbukan dengannya. Massa masif
Hamburan Rutherford
inilah yang merupakan inti atom dan
Berdasarkan data hasil pengamatan
bermuatan
positif,
sehingga
mampu
pada tabel maupun grafik, diperoleh bahwa
membelokkan partikel alfa yang juga
jumlah partikel alfa yang tercacah oleh
bermuatan positif (sesuai prinsip Hukum
counter paling banyak terdapat pada sudut
Coulomb di mana muatan sejenis tolak-
hamburan
menolak).
yang
kecil
dengan
slope
(kemiringan) yang cukup tajam. Data ini
Sama halnya dengan hamburan ada celah
berarti bahwa sebagian besar partikel alfa
sempit, pada celah lebar jumlah partikel
yang ditembakkan pada pelat logam
alfa cacahan terbanyak ada pada sudut
aluminium
dan/atau
hamburan 2,5°. Dengan demikian, maka
dihamburkan dengan sudut hamburan yang
percobaan hamburan Rutherford dapat
cukup kecil.
membuktikan adanya inti atom yang
diteruskan
Pada
eksperimen
hamburan
bermuatan positif dan terpusat pada bagian
Rutherford untuk celah sempit, jumlah
tengah atom dengan ruang-ruang kosong
cacahan
(yang
terbanyak
ada
pada
sudut
hamburan 2,5° dan semakin menurun
merupakan
orbit
elektron)
mengelilinginya.
seiring pertambahan sudut. Hal ini tidak bisa dijelaskan jika model atom Thompson digunakan.
diteruskannya
Berdasarkan hasil eksperimen yang
partikel alfa (dengan sudut 0°) seperti ini
dilakukan oleh Geiger-Marsden itulah,
dapat terjadi jika terdapat ruang-ruang
Ernest Rutherford mengajukan sebuah
kosong seperti jalur bebas hambatan yang
model
memungkinkan partikel alfa lewat tanpa
dengan sebutan model atom Rutherford.
gangguan. Hal ini tidak sesuai dengan
Model
model atom Thompson di mana atom
bahwa atom terdiri dari inti yang bermassa
terdiri
masif
dari
Fenomena
Model Atom Rutherford
muatan proton
yang di
atom atom dan
yang kemudian dikenal Rutherford cenderung
mengatakan diam
(jika
dalamnya tersebar elektron. Begitu pula,
dibandingkan oleh gerak elektron, namun
fenomena dihamburkannya partikel alfa
tidak benar-benar diam tak bergerak)
dengan sudut yang cukup bervariasi (dari
dikelilingi oleh elektron-elektron. Model
kecil hingga besar) dapat terjadi jika ada
atom Rutherford ini (untuk sementara)
suatu
dapat menjelaskan terjadinya peristiwa
massa
masif
yang
mampu
membelokkan arah gerak partikel alfa (yang
bermassa
4
sma)
hamburan Rutherford.
ketika 3
Namun
ditemukan
dapat diamati oleh manusia, misalnya
adanya kelemahan model atom Rutherford,
ditampilkan melalui peraga, suara atau
yakni : menurut fisika klasik, elektron
bahkan fasilitas pengolah sinyal yang lebih
yang bergerak mengelilingi inti lama-
canggih. Peralatan yang diperlukan untuk
kelamaan akan kehabisan energi karena
melengkapi detektor guna membentuk
tmemancarkan gelombang elektromagnetik
suatu sistem pencacah disebut sebagai
dan pada akhirnya ‘jatuh’ ke inti. Energi
peralatan penunjang (instrumentasi nuklir).
elektron juga menjadi tidak stabil karena
Peralatan penunjang harus bersifat
memancarkan
belakangan,
gelombang
EM
ketika
linier,
artinya
setiap
informasi
yang
bergerak, sehingga model atom Rutherford
dihasilkan oleh peralatan penunjang, baik
belum mampu menjelaskan keberadaan
jumlah pulsa maupun tinggi pulsa harus
elektron
sebanding
juga
mekanisme
rotasinya
dengan
informasi detektor.
yang
terhadap inti atom. Kelemahan berikutnya
diterimanya
dari
adalah model atom Rutherford belum
merupakan
parameter
mampu menjelaskan spektrum garis pada
mempengaruhi unjuk kerja dari suatu
atom Hidrogen. Sehingga muncullah teori
sistem pencacah. Berdasarkan peralatan
tentang model atom berikutnya yaitu
penunjangnya,
model atom Bohr.
radiasi dapat dibedakan menjadi tiga yaitu
suatu
Linieritas
yang
sistem
sangat
pencacah
sistem pencacah integral, sistem pencacah diferensial, dan sistem spektroskopi.
Detektor pencacah radiasi diferensial Detektor
berfungsi
untuk
Sistem
pencacah
integral
dan
mengubah energi nuklir menjadi energi
sistem pencacah diferensial mempunyai
lain yang lebih mudah untuk diolah,
fungsi yang hampir sama yaitu mengukur
seperti energi listrik, sedangkan peralatan
jumlah
penunjang
mengenainya.
berfungsi
untuk
mengolah
(kuantitas)
radiasi
Perbedaannya,
yang sistem
sinyal listrik yang dihasilkan oleh detektor
pencacah integral tidak mempedulikan
menjadi
Detektor
energi radiasi yang datang sedang sistem
merupakan bagian yang sangat penting
pencacah diferensial hanya mengukur
dari suatu sistem pencacah radiasi karena
radiasi yang mempunyai energi tertentu
dialah yang berfungsi untuk menangkap
saja. Sistem spektroskopi mempunyai
radiasi
fungsi yang berbeda yaitu mengukur
suatu
dan
informasi.
mengubahnya
menjadi,
biasanya, sinyal atau pulsa listrik.
energi
Sinyal listrik yang dihasilkan oleh
radiasi,
atau
lebih
tepatnya
mengukur distribusi energi dari radiasi
detektor perlu diproses lebih lanjut agar
yang mengenai detektor. 4
Sebenarnya
sistem
pencacah
(HV). Penentuan tegangan kerja detektor
diferensial juga dapat berfungsi sebagai
sintilasi adalah dengan cara mencari
sistem spektroskopi tetapi dengan resolusi
perbandingan cacahan sumber terhadap
yang sangat rendah. Sebaliknya sistem
cacahan latar belakang yang terbaik.
spektroskopi juga dapat berfungsi sebagai sistem pencacah tetapi dengan “kecepatan” ; dengan k adalah faktor
yang lebih rendah. digunakan
pembanding, Rs adalah laju cacahan yang
untuk mengukur jumlah radiasi dalam
berasal sumber radiasi (laju cacah total
selang energi tertentu. Sebagai contoh, dua
dikurangi
jenis zat radioaktif yang berbeda akan
belakang) sedang Rb adalah laju cacahan
memancarkan
yang berasal dari latar belakang (tanpa
Pencacah
diferensial
radiasi
dengan
tingkat
aktivitas
salah
satu
laju
cacah
latar
sumber).
energi yang berbeda sehingga bila ingin mengukur
dengan
Berbeda
zat
dengan detektor GM,
radioaktif tersebut maka diperlukan suatu
detektor
sistem pencacah diferensial.
listrik yang relatif sangat kecil, dalam orde
Konfigurasi
sistem
mVolt.
pencacah
sintilasi Oleh
peralatan
diferensial adalah sebagai berikut.
menghasilkan
karena
untuk
itu
pulsa
diperlukan
membentuk
dan
memperkuat pulsa tersebut yaitu penguat (amplifier). Pulsa listrik yang dihasilkan oleh detektor
Sangatlah sukar untuk mendeteksi atau
karena tidak dapat membedakan energi
mengukur tinggi pulsa yang berbentuk
radiasi yang mengenainya. Detektor yang
eksponensial ini. Amplifier mempunyai
sering digunakan adalah detektor NaI(Tl)
fungsi utama untuk mengubah pulsa
untuk pengukuran radiasi gamma dan
eksponensial menjadi pulsa Gaussian dan
detektor surface barrier digunakan untuk
memperkuatnya, bila diperlukan, agar
pengukuran radiasi alfa.
mempunyai tinggi dengan orde Volt.
Sebagaimana detektor yang lain, juga
pulsa
timenya dan sangat lambat fall-timenya.
tidak boleh detektor geiger muller (GM)
sintilasi
berbentuk
eksponensial yang sangat cepat rise-
Detektor yang digunakan di sini
detektor
biasanya
membutuhkan
sumber tegangan tinggi atau high voltage 5
pencacahan dengan selang waktu tertentu yang dapat diatur sebelumnya. Total cross section Misalkan suatu berkas partikel alfa datang menumbuk suatu target (dalam Peralatan
selanjutnya
eksperimen
adalah
biasa dinyatakan dalam suatu besaran yang
suatu pulsa listrik keluaran amplifier atau
logam
hasil hamburan dalam kasus seperti ini
yang berfungsi untuk menyaring apakah counter
pelat
alfa terhambur. Menurut Susilo (2008),
sebuah pencacah diferensial karena alat ini
ke
adalah
aluminium) yang menyebabkan partikel
diskriminator yang merupakan ciri dari
diteruskan
ini
disebut penampang lintang (cross section).
tidak.
Penampang lintang hamburan total
Diskriminator mempunyai fasilitas batas
(total cross section) dapat dinyatakan
atas dan batas bawah. Pulsa-pulsa yang
dengan :
lebih tinggi dari batas bawah tetapi lebih rendah dari batas atas saja yang akan
; dengan Φ adalah fluks dari partikel alfa
diteruskan ke counter untuk dicacah.
yang datang (yang dinyatakan sebagai jumlah partikel alfa yang menumbuk suatu luasan per detik). Jumlah total yang dimaksud merupakan jumlah total partikel yang terhambur ke segala arah. 4. KESIMPULAN 1. Eksperimen
Counter adalah peralatan yang
hamburan
Rutherford
digunakan untuk mencacah (menghitung
bertujuan membuktikan keberadaan
jumlah) pulsa listrik yang memasukinya.
inti atom melalui dihamburkannya
Selang waktu pencacahan dapat dilakukan
berkas partikel alfa yang menumbuk
secara manual (start/stop) atau secara
pelat logam. 2. Berkas partikel alfa yang diteruskan
otomatis menggunakan timer, yaitu alat yang dapat memberikan sinyal ke counter
menunjukkan
agar
kosong yang merupakan orbit elektron
memulai
atau
menghentikan
adanya
di sekeliling inti atom. 6
ruang-ruang
3. Melalui
percobaan
hamburan
NIM. 080913043
Rutherford muncullah model atom
Anggota 2
Rutherford yang memperbaiki model
NIM. 080913056
atom Thompson. 5. DAFTAR PUSTAKA http://hendriyanto.web.id/ukur/Pencacah_0 0.htm Krane, Kenneth. Fisika Modern. Jakarta : Penerbit Erlangga. Susilo, Resta Agung. 2008. Studi Difraksi Neutron
Material
Amorph.
Jakarta : Universitas Indonesia. 6. TENTANG PENULIS Penulis
: Septia Kholimatussa’diah NIM. 080913025
Anggota 1
: Lailatul Badriyah
: Mirza Andiana Devita P.
7
LAMPIRAN Data Hasil Pengamatan a. Penentuan kanal Kanal
Jumlah cacahan
0
45856
10
5486
20
63
30
0
40
1
50
4
60
1
70
0
80
1
90
0
100
2
110
2
120
7
130
5
140
7
150
17
160
29
170
22
180
16
190
16
b. Hamburan pada celah sempit Sudut hamburan (°)
n1
n2
n3
-15
0
0
0
0
-10
1
0
0
0,33
-5
11
16
12
13
-2,5
39
51
36
42
0
57
72
71
66,67
8
2,5
94
121
102
105,6
5
76
93
80
83
10
15
15
12
14
15
0
0
0
0
Sudut hamburan (°)
n1
n2
n3
-15
15
14
7
12
-10
111
96
111
106
-5
218
221
211
216,67
-2,5
200
219
211
210
0
220
202
222
214,67
2,5
201
256
217
224,67
5
218
199
220
212,33
10
152
151
153
152
15
44
31
27
34
c. Hamburan pada celah lebar
9
Grafik Data Eksperimen Hamburan Rutherford a. Hamburan pada celah sempit
Grafik jumlah cacahan persepuluh detik terhadap sudut hamburan Rutherford pada celah sempit 120
jumlah cacahan per menit
100 80 60 40 20 0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
sudut hamburan (°)
b. Hamburan pada celah lebar
Grafik jumlah cacahan persepuluh detik terhadap sudut hamburan Rutherford pada celah lebar 250
jumlah cacahan per menit
200 150 100 50 0
-20
-15
-10
-5
0
sudut hamburan (°)
10
5
10
15
20
