Percobaan Thomson

Percobaan Thomson dilakukan bukan saja untuk membuktikan bahwa sinar katoda merupakan berkas bermuatan negatif, tetapi juga mengukur perbandingan antara muatan dan massa partikel bermuatan negatif itu.

Gambar 1: Percobaan Thomson

Gambar 1 melukiskan percobaan yang Thomson lakukan. Ujung tabung dilapisi zat fluoresen yang ketika ditumbuk oleh berkas sinar katoda akan memancarkan cahaya.

1. Mula-mula Thomson melalukan percobaan tanda medan magnet ataupun medan listrik. Sinar katoda yang ditembakkan bergerak lurus menumbuk ujung tabung, F, sehingga ujung tabung tampak bintik cahaya. Posisi bintik cahaya ini Thomson beri tanda pada suatu kertas berskala.
2. Kemudian Thomson memberikan memberikan medan listrik pada kedua keping logam, dengan keping atas bermuatan negatif dan keping bawah bermuatan positif. Ternyata bintik cahaya bergeser ke bawah, titik E. Ini menunjukkan bahwa berkas sinar katoda menyimpang ke arah bahwa.
3. Ketika medan listrik diganti dengan medan magnet yang arahnya ke luar bidang kertas, ternyata bintik bergeser ke atas, titik D, (sinar katoda menyimpang ke arah atas).
4. Percobaan 2 dan 3 menunjukkan bahwa sinar katoda terdiri dari partikel bermuatan negatif (jika partikelnya positif arah simpangan akan berlawanan dengan apa yang ditunjukkan pada hasil percobaan 2 dan 3).

Gambar 2: Analisis gerak sinar katoda

Untuk mendapatkan gambaran yang lebih jelas dari percobaan Thomson, mari kita menganalisis gerak elektron dalam tabung. Gambar 2 menunjukkan lintasan dari partikel negatif memasuki medan listik  E dan daerah medan magnet, B dengan kecepatan horisontal v_x. Pertimbangkan pertama hanya medan listrik E antara pelat. Untuk kasus ini, v_x tetap konstan di seluruh gerak karena tidak ada gaya yang bekerja dalam arah x. Gerak partikel arah sumbu y mengalami percepatan konstan ke atas karena dipengaruhi gaya listrik antar pelat dan partikel mengikuti lintasan seperti parabola dengan simpangan atau sudut defleksi sebesar θ. Karena kecepatan awal arah sumbu y sama dengan nol maka

v_y = a_yt

karena a_y = F_e/m = Ee/m_e = Ve/m_ed dan t = l/v_x, di mana d adalah jarak antara dua pelat yang dihubungkan dengan beda potensial V dan l adalah panjang pelat, maka

Dari gambar 2, kita peroleh, tan θ = v_y/v_x, sehingga

Asumsikan bahwa suduk defleksinya sangat kecil sehingga, tan θ ≈ θ, maka

Perhatikan bahwa sudut defleksi, θ, tegangan dipasang di antara kedua pelat, V, panjang pelat dan jarak antara kedua pelat semua bisa diukur. Oleh karena itu, Thomson hanya perlu mengukur v_x untuk menentukan e/m_e. Thomson menentukan v_x dengan memberikan medan magnet, B dan menyesuaikan besarnya hanya menyeimbangkan medan listrik E yang ada. Dengan menyamakan gaya akibat medan listrik dan gaya akibat medan magnet memberikan

Subtitusikan v_x ini ke dalam persamaan sebelumnya kita peroleh:

Nilai e/m yang diterima saat ini adalah 1,758803 x 10¹¹ C/kg. Meskipun nilai asli yang diterima Thomson hanya sekitar 1 x 10¹¹ C/kg.

Thomson tidak hanya menghitung nilai e/m tetapi Ia juga menunjukkan bahwa q/m itu berlaku untuk semua sinat katoda yang dihasilkan dari berbagai jenis material. Jadi, Thomson berkesimpulan bahwa sinar katoda merupakan partikel yang dimiliki oleh semua jenis material.

Jika kita bandingkan, ternyata q/m untuk sinar katoda 1833 kali lebih besar dari harga q/m ion hidrogen yang diukur melalui percobaan elektrolisis. Perbandingan ini menyiratkan dua kemungkinan:

• muatan partikel sinar katoda jauh lebih besar daripada muatan ion hidrogen dan
• massa partikel sinar katoda jauh lebih kecil daripada massa ion hidrogen.

Thomson kemudian melakukan ekperimen yang walaupun tidak akurat, tetapi dapat menunjukkan bahwa muatan partikel sinar katoda ini hampir sama dengan muatan ion hidrogen sehingga ia berkesimpulan bahwa massa partikel sinar katoda jauh lebih kecil dari massa ion/atom hidrogen. Dari sini ia mengusulkan suatu hipotesis bahwa atom bukanlah bagian terkecil dari suatu material, tetapi atom tersusun dari partikel-partikel lain yang salah satunya adalah partikel sinar katoda. Thomson menamakan sinar katoda ini dengan elektron.