Praktikum Virtual Difraksi Elektron: Gelombang de Broglie

Praktikum virtual difraksi elektron ini mengubah tabung difraksi elektron klasik menjadi praktikum yang dapat dijalankan siswa sendiri. Elektron yang dipercepat dengan 2–5 kV melewati lapisan tipis grafit dan membentuk dua cincin terang pada layar fluoresens. Siswa mengukur diameter cincin dengan pengukur cincin, menghitung panjang gelombang de Broglie λ = h/√(2meV), memplot D terhadap 1/√V, dan mencari jarak antarbidang atom karbon. Sebagian besar sekolah hanya memiliki satu tabung, dan tabung itu memerlukan catu daya tegangan tinggi, jadi simulasi ini memungkinkan setiap siswa mengambil bacaannya sendiri. Setiap nilai di bawah dibaca dari simulasi.

Keterkaitan dengan kurikulum

• AQA A-level Physics 7408, 3.2.2.4 (dualisme gelombang–partikel): difraksi elektron sebagai bukti sifat gelombang partikel, λ = h/mv, dan bagaimana pola berubah dengan kelajuan elektron.
• IB Physics (asesmen pertama 2025), E.2 (fisika kuantum): gelombang materi dan difraksi elektron.
• NSW HSC Physics Module 8 dan VCE Physics Unit 4: gelombang materi de Broglie dan bukti dari difraksi elektron.

Simulic tidak berafiliasi dengan AQA, International Baccalaureate, NESA, maupun VCAA dan tidak didukung oleh keempatnya.

Sebelum praktikum (5 menit)

Minta siswa menetapkan prediksi, di kertas atau sebagai pertanyaan 1 pada tautan kelas:

"Tegangan pemercepat dinaikkan dari 2 kV menjadi 4 kV. Apa yang terjadi pada cincin di layar?"

Banyak siswa memperkirakan cincinnya membesar, karena elektronnya berenergi lebih besar.

Langkah kerja dalam simulasi

1. Pada tab Tabung difraksi, atur Tegangan V ke 2,0 kV. Biarkan Dekatkan magnet dan Bandingkan dengan sinar-X tidak dicentang.
2. Seret pada layar, atau gunakan penggeser Pengukur cincin D, sampai lingkaran putus-putus berada di tengah cincin dalam. Atur Cincin diukur ke cincin dalam dan tekan Catat.
3. Tepatkan pengukur pada cincin luar, atur Cincin diukur ke cincin luar, lalu tekan Catat.
4. Ulangi pada 3,0, 4,0, dan 5,0 kV.
5. Baca kedua garis terbaik di bawah grafik. Hitung sendiri λ untuk satu tegangan dan cocokkan dengan baris di atas grafik.

V (kV)	1/√V	λ (pm)	D dalam (mm)	D luar (mm)
2,0
3,0
4,0
5,0

Hasil yang diharapkan

Kecocokan pengukur terbaik, dibulatkan ke 0,5 mm terdekat:

V (kV)	1/√V	λ (pm)	D dalam (mm)	D luar (mm)
2,0	0,707	27,42	35,0	61,5
3,0	0,577	22,39	28,5	50,0
4,0	0,500	19,39	24,5	43,0
5,0	0,447	17,34	22,0	38,5

• Panjang gelombang pada 3,0 kV: λ = 6,63 × 10⁻³⁴ ÷ √(2 × 9,11 × 10⁻³¹ × 1,60 × 10⁻¹⁹ × 3000) = 2,24 × 10⁻¹¹ m, sesuai dengan 22,39 pm pada simulasi.
• Grafik: kedua cincin memberi garis lurus melalui titik asal. Garis terbaiknya D = 49,3·(1/√V), jadi d = 212 pm untuk cincin dalam (nilai acuan 213 pm), dan D = 86,5·(1/√V), jadi d = 121 pm untuk cincin luar (nilai acuan 123 pm).
• Satu bacaan: pada 3,0 kV, d = 2Lλ/D = 2 × 0,135 m × 22,39 pm ÷ 0,0285 m = 212 pm.
• Menggandakan V dari 2 ke 4 kV mengecilkan cincin dalam dari 35,0 menjadi 24,5 mm, sekitar 1,4 kali (√2), bukan 2 kali.

Pertanyaan untuk siswa

1. (Prediksi, ditanyakan lagi setelah praktikum) Apa yang terjadi pada cincin ketika V naik dari 2 kV ke 4 kV?
2. Manakah yang merupakan variabel terikat?
3. Pada 3,0 kV, berapa diameter cincin dalam?
4. Berapa jarak d yang diberikan garis terbaik Anda untuk cincin dalam?
5. Apa yang ditunjukkan perbandingan dengan sinar-X dan magnet tentang elektron?

Jawaban untuk guru: (1) Cincinnya mengecil. (2) Diameter cincin D. (3) 28,5 mm (terima 27,5–29,5). (4) 212 pm (terima 203–223). (5) Foton sinar-X dengan panjang gelombang yang sama (55,5 keV pada 3,0 kV) membentuk cincin yang sama, jadi elektron terdifraksi seperti gelombang dengan λ = h/p. Hanya cincin elektron yang bergeser saat magnet didekatkan, jadi cincin itu dibentuk oleh partikel bermuatan.

Miskonsepsi umum

• "Energi yang lebih besar menyebarkan elektron lebih lebar." Elektron yang lebih cepat memiliki momentum lebih besar dan panjang gelombang lebih pendek, sehingga terdifraksi pada sudut yang lebih kecil.
• "λ sebanding dengan 1/V." λ sebanding dengan 1/√V: dari 2 ke 4 kV, λ turun dari 27,42 menjadi 19,39 pm.
• "Cincin itu adalah gambar atom." Cincin berasal dari gelombang yang dipantulkan oleh dua kelompok bidang, berjarak 213 pm dan 123 pm. Centang Kisi grafit untuk melihatnya.

Pengayaan

• Pada tab Celah ganda, atur Laju emisi ke Lambat (satu per satu): titik-titik tunggal perlahan membentuk pola frinji interferensi.
• Pada tab Mikroskop, naikkan Tegangan TEM dan jelaskan mengapa panjang gelombang yang lebih pendek dapat membedakan detail yang lebih kecil.

Pertanyaan umum

Mengapa cincin luar memberi 121 pm, bukan 123 pm?

Rumus d = 2Lλ/D mengasumsikan sudut kecil. Cincin luar dibelokkan sekitar 13°, dan pada sudut itu pendekatan tersebut meleset sekitar 2%. Cincin dalam memberi nilai yang dekat dengan 213 pm.

Seberapa teliti siswa dapat menepatkan pengukur?

Pengukur bergerak dengan langkah 0,5 mm, dan cincinnya memiliki lebar yang terlihat. Siswa yang teliti mendapat nilai dalam rentang 0,5 mm dari nilai di atas; pertanyaan 3 dan 4 menerima selisih sekitar 1 mm ke kedua arah.

Bisakah tautan kelas terbuka di tabung difraksi?

Bisa, tautan itu terbuka di sana secara bawaan. Agar pasti, atur Layar ke Tabung difraksi elektron pada nilai awal tautan. Anda juga dapat menetapkan Tegangan pemercepat V (tabung difraksi) pada 2,0 kV agar semua siswa mulai dari bacaan yang sama.

Simulasi dan panduan terkait

Efek fotolistrik dan kuanta cahaya Interferensi dan difraksi gelombang

Untuk praktikum optika gelombang lainnya, lihat praktikum virtual hukum Malus. Untuk topik lain, lihat ide pelajaran fisika interaktif.