Pengertian Elektron: Sejarah, Sifat-Sifat, dan Peran Elektron dalam Kehidupan Sehari-hari

Halo sobat Grameds, Tahukah Anda? Dalam setiap alat yang kita gunakan saat ini mengandung muatan listrik, sehingga setiap hari kita akan selalu menggunakan alat yang bermuatan listrik. Padahal, muatan listrik merupakan salah satu muatan listrik dalam tubuh manusia.

Ketika berbicara tentang muatan listrik pasti selalu ada muatan negatif dan muatan positif karena tanpanya muatan akan menimbulkan gaya tolak-menolak. Dengan kata lain, muatan dengan muatan yang sama akan menimbulkan gaya tolak menolak dan muatan dengan muatan yang berbeda akan menimbulkan gaya tarik-menarik.

Pada dasarnya muatan elementer memiliki partikel yang saling berhubungan, yaitu proton dan elektron dimana keduanya merupakan bagian dari partikel penyusun atom. Namun, dalam muatan listrik, tidak ada neutron. Jika tidak ada muatan, arus tidak dapat mengalir.

Bagian atom yang bermuatan negatif adalah elektron. Elektron ini merupakan bagian penting dan sering dibahas dari teori kedua ilmu tersebut. Dalam kimia, elektron memegang peranan penting dalam sifat elektrolit yaitu bagian yang mempengaruhi aliran listrik.

Karena peranannya yang sangat penting, Anda harus mengetahui dan memahami elektron sebagai ilmu dasar sebelum mempelajari ilmu-ilmu lain yang lebih tinggi. Untuk lebih jelasnya, ada baiknya Anda menyimak ulasan berikut ini.

Pengertian Elektron

Elektron adalah partikel subatom bermuatan negatif dan sering ditulis sebagai e-. Elektron tidak memiliki komponen atau sub struktur dasar yang diketahui, sehingga dikatakan sebagai partikel elementer. Sebuah elektron memiliki massa 1/1836 proton. Momentum sudut intrinsik (spin) elektron adalah setengah dari nilai bilangan bulat dalam satuan, yang berarti itu adalah fermion.

Antipartikel elektron disebut positron, yang seperti elektron, tetapi memiliki muatan positif. Ketika sebuah elektron bertabrakan dengan positron, keduanya dapat menyebar atau dimusnahkan sepenuhnya, menciptakan sepasang (atau lebih) foton gamma.

Elektron, memiliki generasi pertama dari keluarga lepton, berpartisipasi dalam interaksi gravitasi, elektromagnetik dan interaksi yang lemah. Seperti semua materi, elektron memiliki sifat partikel dan gelombang (dualitas gelombang-partikel), sehingga mereka dapat bertabrakan dengan partikel lain dan terdifraksi seperti cahaya. Karena elektron termasuk dalam fermion, dua elektron yang berbeda tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama menurut prinsip pengecualian Pauli.

Konsep muatan tak terpisahkan filsuf alam Richard Laming berteori untuk menjelaskan sifat kimia atom pada tahun 1838; [6] Nama elektron diberikan untuk menggambarkan muatan ini pada tahun 1894 oleh fisikawan Irlandia George Johnstone Stoney. Elektron diidentifikasi sebagai partikel pada tahun 1897 oleh J. J. Thomson.

Dalam banyak fenomena fisika, seperti listrik, magnet dan konduksi termal, elektron memainkan peran yang sangat penting. Sebuah elektron yang bergerak relatif terhadap pengamat akan menghasilkan medan magnet dan jalur elektron juga akan dibelokkan oleh medan magnet luar. Ketika sebuah elektron dipercepat, ia dapat menyerap atau memancarkan energi dalam bentuk foton.

Elektron dan inti atom terdiri dari proton dan neutron yang membentuk atom. Namun, elektron hanya membentuk 0,06% dari total massa atom. Gaya tarik Coulomb antara elektron dan proton menyebabkan elektron berikatan di dalam atom. Pertukaran atau pembagian elektron antara dua atau lebih atom adalah penyebab utama ikatan kimia.

Secara teoritis, sebagian besar elektron di alam semesta dihasilkan dalam Big Bang (ledakan besar), tetapi mereka juga dapat dihasilkan oleh peluruhan beta isotop radioaktif serta dalam tumbukan energik tinggi, seperti ketika sinar kosmik memasuki atmosfer.

Elektron dapat dihancurkan dengan menghancurkan positron, atau mereka dapat diserap selama nukleosintesis bintang. Peralatan eksperimental modern dapat digunakan untuk mengisi atau memantau elektron individu. Elektron memiliki banyak aplikasi dalam teknologi modern, misalnya dalam mikroskop elektron, terapi radiasi dan akselerator partikel.

Sejarah Elektron

Orang Yunani kuno memperhatikan bahwa amber dapat menarik benda-benda kecil ketika digosok dengan bulu binatang. Selain petir, fenomena ini merupakan salah satu catatan tere awal manusia mengenai listrik. Dalam karya tahun 1600-nya De Magnete, fisikawan Inggris William Gilbert menciptakan istilah baru electricus untuk merujuk pada sifat penarikan benda-benda kecil setelah digosok. Bahasa Inggris untuk kata electric diturunkan dari bahasa Latin ēlectrum, yang berasal dari bahasa Yunani ήλεκτρον (ēlektron) untuk batu ambar.

Pada tahun 1737, C. F. Du Fay dan Hawksbee secara independen menemukan apa yang mereka yakini sebagai dua jenis triboelektrik; satu diproduksi dengan menggosok kaca, yang lain diproduksi dengan menggosok plastik. Dari sini, Du Fay berhipotesis bahwa listrik terdiri dari dua cairan listrik, yaitu “kaca” dan “plastik”, yang dipisahkan oleh gesekan dan saling menetralkan saat digabungkan.

Satu dekade kemudian, Benjamin Franklin mengusulkan bahwa listrik tidak berasal dari cairan listrik yang berbeda, tetapi dari cairan listrik yang sama di bawah tekanan yang berbeda. Dia memberi nomenklatur muatan positif dan negatif untuk tekanan yang berbeda ini.

Antara tahun 1838 dan 1851, naturalis Inggris Richard Laming mengembangkan gagasan bahwa atom terdiri dari inti materi yang dikelilingi oleh partikel subatomik bermuatan listrik. Pada awal 1846, fisikawan Jerman William Weber berhipotesis bahwa listrik terdiri dari cairan bermuatan positif dan negatif, dan interaksi mereka mematuhi hukum kuadrat terbalik.

Setelah mempelajari elektrolisis pada tahun 1874, fisikawan Irlandia George Johnstone Stoney berteori bahwa ada “satuan pasti muatan listrik” yang merupakan muatan ion divalen. Dia berhasil memperkirakan nilai muatan dasar e ini berkat hukum elektrolisis Faraday. Namun, Stoney percaya bahwa muatan ini melekat secara permanen pada atom dan tidak dapat dilepaskan. Pada tahun 1881, fisikawan Jerman Hermann von Helmholtz berpendapat bahwa muatan positif dan negatif dibagi menjadi bagian-bagian fundamental, yang “bertindak seperti atom listrik”.

Pada tahun 1894, Stoney menciptakan istilah elektron untuk menunjukkan muatan dasar ini. Kata elektron, kombinasi elektromagnetisme dengan akhiran on, sekarang digunakan untuk merujuk pada partikel subatomik seperti proton dan neutron.

Penemu dan Pengembang Elektron

Penemu elektron dikenal banyak orang sebagai Joseph John Thomson, juga dikenal sebagai J.J Thomson. Namun berdasarkan beberapa catatan sejarah, J.J. Thomson melanjutkan eksperimen William Crookes. Setelah dikembangkan oleh J.J Thomson, penemuan elektron terus dikembangkan. Jika dipilah, ada beberapa penemu yang berperan dalam perkembangan elektron antara lain:

Johann William Hittorf dan Eugen Goldstein

Penemuan awal elektron dimulai ketika seorang fisikawan Jerman sedang mengerjakannya. ditemukan pada tahun 1869 dalam bentuk pancaran cahaya dari katoda. Emisi cahaya akan meningkat seiring dengan penurunan tekanan gas. Fisikawan bernama Johann William Hittorf, ia lahir pada 27 Maret 1824 di Bonn, Jerman. Ia meninggal pada tanggal 28 November 1914. Seorang Fisikawan Jerman Eugen Goldstein menunjukkan bahwa sinar pancaran ini menghasilkan bayangnya, dan ia menamakannya sinar katode.

William Crookes

William Crookes lahir di Inggris pada tahun 1832 di Inggris. Dia adalah seorang ahli fisika dan kimia. Setelah munculnya sinar katoda, pada tahun 1870, William Crookes melakukan eksperimen untuk membuat tabung sinar katoda vakum pertama. Melalui tabung yang dibangunnya, William Crookes menunjukkan penampakan sinar cahaya tampak dari dalam tabung dan sinar ini membawa energi dan bergerak dari katoda ke anoda.

Bahkan, dia bisa menggunakan medan magnet yang digunakan untuk menekuk jari-jari. Dengan demikian, ia mampu menunjukkan bahwa sinar tampak membawa muatan negatif. Dengan demikian, ia menyatakan bahwa sinar katoda adalah partikel bermuatan negatif yang ada di semua materi dan memiliki massa. Kemudian pada tahun 1879, William Crookes menamai penemuannya, bahan radian.

J.J Thomson bersama John S. Townsend dan HA Wilson

J.J Thomson bersama teman eksperimennya, John S. Townsend dan HA Wilson melakukan eksperimen untuk mengembangkan tabung sinar katoda yang ditemukan oleh William Crookes. J.J Thomson dan dua rekannya tidak hanya mengembangkan tabung sinar katoda, tetapi juga ingin menunjukkan bahwa sinar katoda adalah partikel baru.

Mereka kemudian melakukan tiga uji eksperimental pada efek medan magnet dan listrik dalam tabung sinar katoda. Sesuai dengan percobaan yang telah dilakukan. JJ Thomson menyimpulkan bahwa sinar katoda adalah salah satu partikel yang menyusun atom dengan muatan negatif.

Setelah penemuan J.J. Thomson berhasil, seorang fisikawan Irlandia bernama George F. Fitzgerald menamai partikel yang ditemukan itu, elektron. Elektron bermuatan negatif inilah yang kita kenal sekarang, terutama dalam proses pembentukan atom atau partikel subatom.

Sehingga sering dikatakan bahwa elektron ditemukan oleh J.J Thomson. J.J Thomson lahir di Cheetham Hill, Manchester, Inggris pada 18 Desember 1856. Ia meninggal pada usia 83 pada 30 Agustus 1940 di Cambridge, Inggris.

Henri Becquerel

Setelah J.J Thomson melakukan eksperimen dan mengembangkan sinar katoda dan elektron, ada seorang fisikawan bernama Henri Becquerel dan dia berasal dari Perancis. Dalam eksperimennya, Henri Becquerel mengatakan bahwa ada partikel alfa dan beta. Kemunculan kedua partikel ini karena dapat menembus benda fisik.

Kemudian, pada tahun 1900, Henri Becquerel ingin menunjukkan bahwa elektron adalah bagian dari partikel yang menyusun atom. Untuk membuktikannya, ia melakukan penelitian dan dari penelitian ini sampai pada kesimpulan bahwa sinar beta yang dipancarkan oleh radium dapat dibelokkan oleh medan listrik. Selanjutnya, Henri Becquerel menyimpulkan bahwa rasio massa terhadap muatan sama dengan rasio massa terhadap muatan sinar katoda.

Robert Andrews Millikan

Robert Andrews Millikan juga dikenal sebagai Robert Millikan lahir pada 22 Maret 1868 di Morrison. Dia adalah seorang fisikawan yang ingin mengukur elektron secara tepat dengan melakukan percobaan tetes minyak. Percobaan dilakukan pada tahun 1909 dan dipublikasikan pada tahun 1911. Percobaan Robert Millikan ini menggunakan medan listrik.

Medan listrik dalam percobaan ini mencegah jatuhnya tetesan minyak yang bermuatan karena gaya gravitasi. Instrumen yang digunakan oleh Robert Millikan dapat mengukur muatan dari 1 hingga 150 ion dengan peringatan bahwa kesalahannya kurang dari 0,3%. Dia meninggal pada tanggal 19 Desember 1953.

Charles Wilson

Pada awal abad ke-20, ditemukan bahwa ada pergerakan partikel bermuatan yang cepat dan dalam kondisi tertentu dapat menyebabkan munculnya partikel uap air melalui kondensasi saturasi di sepanjang aliran partikel. Dengan prinsip seperti itu, pada tahun 1911, Charles Wilson menciptakan ruang awan, di mana ruang berawan dapat menangkap semua jalur partikel bermuatan listrik yang dapat bergerak dengan kecepatan tinggi.

Sifat-Sifat Elektron

Atom terdiri dari tiga partikel penyusun dengan muatan listrik yang sangat berbeda. Partikel bermuatan negatif yang membentuk atom adalah elektron. Ini adalah sifat-sifat elektron!

1. Sebagai Partikel Elementer

Menurut Encyclopedia Britannica, elektron tidak memiliki struktur yang terlihat dan tidak dapat direduksi atau dipecah menjadi komponen yang lebih kecil. Dengan demikian, elektron adalah partikel elementer, juga dikenal sebagai partikel dasar.

2. Bermuatan Negatif

Seperti disebutkan sebelumnya, elektron adalah partikel bermuatan negatif yang membentuk atom. Muatan elektron adalah -1 (kebalikan dari proton).

3. Memiliki Massa yang Kecil 

Karakteristik elektron berikutnya adalah ia memiliki massa yang sangat kecil,  sekitar kilogram. Menurut Chemistry LibreTexts, berat elektron, yang dua ribu kali lebih ringan dari berat proton, berarti tidak memberikan kontribusi apa pun terhadap total massa atom.

4. Ditemukan dalam Orbital Atom Elektron

Tidak ditemukan dalam inti atom atau nukleus. Elektron yang ditemukan di ruang sekitar inti atom disebut orbital. Dalam orbital, elektron mengorbit inti atom pada energi yang berbeda. Namun, posisi pasti elektron dalam atom tidak dapat ditentukan, menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg.

5. Spin

Sifat elektron selanjutnya adalah spin atau spin. Menurut Konsep Metafisika, elektron memiliki momentum sudut intrinsik dan momen magnetik yang menyebabkan mereka berputar dan disebut spin elektron.

Momentum sudut bilangan kuantum yang dimilikinya. Sedangkan elektron hanya memiliki dua kemungkinan arah putaran, yaitu searah dengan medan magnet (ke atas) dan menjauhi medan magnet (ke bawah). Jadi bilangan kuantum baterai elektronik dapat +1/2 atau -1/2. Dua orientasi spin elektron mengarah pada pengisian orbital.

Menurut Institut Khan, hanya dua elektron yang dapat mengisi orbital tertentu dengan putaran yang berlawanan. Konsekuensi ini dikenal sebagai prinsip larangan Pauli.

Interaksi Elektron

Elektron menciptakan medan listrik yang menarik partikel bermuatan positif seperti proton dan menolak partikel bermuatan negatif lainnya. Kekuatan tarik-menarik/menolak ini ditentukan oleh hukum Coulomb. Saat elektron bergerak, mereka menciptakan medan magnet. Hukum Ampere-Maxwell menghubungkan medan magnet dengan gerakan massa elektron (arus) relatif terhadap pengamat. Medan elektromagnetik pembawa muatan yang bergerak direpresentasikan menggunakan potensial Liénard-Wiechert, yang berlaku bahkan untuk partikel yang bergerak mendekati kecepatan cahaya.

Ketika elektron bergerak dalam medan magnet, gaya Lorentz mempengaruhi arah orbital elektron tegak lurus terhadap garis medan magnet dan kecepatan elektron. Gaya sentripetal ini menyebabkan orbit elektron berbentuk spiral.

Percepatan yang dihasilkan dari gerak lengkung ini menyebabkan elektron memancarkan energi dalam bentuk radiasi sinkrotron. Emisi energik ini kemudian dapat memantul dari elektron, yang dikenal sebagai gaya Abraham-Lorentz-Dirac, yang menciptakan gesekan yang memperlambat elektron. . Gaya ini disebabkan oleh reaksi kebalikan dari medan elektron dengan dirinya sendiri.

Dalam elektrodinamika kuantum, interaksi elektromagnetik antara partikel dimediasi oleh foton. Elektron terisolasi yang tidak dipercepat tidak dapat memancarkan atau menyerap foton; jika menyerap atau memancarkan foton, itu melanggar hukum kekekalan energi dan momentum.

Namun, foton virtual dapat mentransfer momentum antara dua partikel bermuatan. Pertukaran foton virtual inilah yang menghasilkan gaya Coulomb. Emisi energi dapat terjadi ketika elektron yang bergerak dibelokkan oleh partikel bermuatan seperti proton. Percepatan elektron menyebabkan emisi radiasi Bremsstrahlung.

Tumbukan elastis antara foton (cahaya) dan elektron bebas disebut hamburan Compton. Tabrakan ini menghasilkan momentum dan transfer energi antara partikel, yang mengubah panjang gelombang foton dengan beberapa pergeseran Compton.

Besaran maksimum dari pergeseran panjang gelombang ini adalah h/mec, yang dikenal sebagai panjang gelombang Compton. Untuk sebuah elektron, itu adalah 2,43 × 10−12 m. [60] Jika panjang gelombang cahaya panjang (misalnya, panjang gelombang cahaya tampak adalah 0,4-0,7 m) maka pergeseran panjang gelombang menjadi sangat kecil. Interaksi antara cahaya dan elektron bebas disebut hamburan Thomson.

Kekuatan relatif interaksi elektromagnetik antara dua pembawa muatan seperti elektron dan proton diberikan oleh konstanta struktur halus. Nilai konstanta ini tidak berdimensi dan merupakan rasio antara dua energi: energi elektrostatik dari gaya tarik (atau tolakan) pada pemisahan panjang gelombang Compton dengan energi sisa beban. Ini adalah 7,297353 × 10−3, atau kira-kira 1⁄137.

Ketika elektron dan positron bertumbukan, keduanya akan memusnahkan satu sama lainnya, menghasilkan dua atau lebih sinar foton gamma. Jika elektron dan positronnya memiliki momentum yang dapat diabaikan, atom positronium dapat terbentuk sebelum pemusnahan, menghasilkan dua atau tiga foton sinar gamma berenergi sebesar 1,022 MeV.

Di sisi lain, foton berenergi tinggi dapat berubah menjadi elektron dan positron kembali dalam suatu proses yang dinamakan produksi pasangan, namun hanya terjadi dengan keberadaan partikel bermuatan di dekatnya, seperti inti atom.

Peran Elektron dalam Kehidupan Sehari-hari

Berikut adalah 5 peran lengkap elektron dalam kehidupan sehari-hari.

1. Sinar-X elektron terdalam Sinar-X digunakan untuk mendiagnosis atau menganalisis penyakit, biasanya untuk memeriksa daerah yang rusak dan paru-paru.

2. Elektron juga digunakan dalam mikroskop untuk memanipulasi cahaya dan menampilkan gambar, menghasilkan resolusi yang lebih besar dan lebih baik.

3. Membuat kembang api juga membutuhkan elektron untuk membuat bunga api dengan warna yang indah.

4. Mengangkut oksigen ke seluruh tubuh.

5. Elektron juga digunakan dalam terapi radiasi untuk menyembuhkan sel kanker.

Penulis: Ziaggi Fadhil Zahran

Baca juga artikel terkait tentang “Fisika”:

Rumus Kecepatan Rata-Rata, Jarak dan Waktu dalam Fisika

Faktor yang Mempengaruhi Besarnya Tekanan dalam Fisika

Macam-macam Besaran Pokok dalam Fisika

Perubahan Fisika Dan Kimia: Pengertian, Jenis, Perbedaan Dan Contohnya

Fisika Kuantum: Pemahaman dan 5 Fakta Menariknya