Estimasi ukuran satu molekul
Bagaimana Benjamin Franklin dan Lord Rayleigh menghitung ukuran molekul hanya dengan minyak dan air
- Beberapa dekade sebelum sinar-X ditemukan dan mikroskop canggih diciptakan, Lord Rayleigh menghitung ukuran satu molekul hanya dengan minyak, air, dan pena
- Inspirasinya berasal dari Benjamin Franklin
Eksperimen Franklin
- Sekitar tahun 1770, saat mengunjungi London, Franklin mengamati bahwa ketika minyak dibuang ke laut dari kapal selama penyeberangan Atlantik, ombak menjadi tenang
- Ia melakukan eksperimen dengan menuangkan sedikit minyak ke kolam Clapham Common di London
- Ia memastikan bahwa minyak dengan cepat menyebar di permukaan kolam dan membuat air menjadi halus
- Franklin mengulangi eksperimen itu beberapa kali dan mencatatnya secara rinci, tetapi tidak memahami makna molekulernya
Penafsiran ulang oleh Lord Rayleigh
- Lord Rayleigh, seorang cendekiawan Universitas Cambridge dan fisikawan terkenal, menafsirkan ulang eksperimen Franklin dari sudut pandang baru
- Pada tahun 1890, Lord Rayleigh meneteskan sejumlah kecil minyak zaitun yang diukur dengan tepat ke air, lalu mengukur luas sebaran minyak tersebut
- Ia memperkirakan ketebalan lapisan minyak dengan membagi volume minyak dengan luas permukaannya
- Dengan mengasumsikan bahwa lapisan minyak itu adalah satu lapisan molekul, ia menghitung ketebalan lapisan tersebut sebagai panjang satu molekul
Hasil Lord Rayleigh
- Hasil perhitungan Lord Rayleigh adalah sekitar 1,63 nanometer
- Panjang sebenarnya molekul triasilgliserol, komponen utama minyak zaitun, adalah sekitar 1,67 nanometer, sehingga perkiraan Lord Rayleigh hanya memiliki galat sekitar 2%
- Eksperimennya menunjukkan bahwa wawasan ilmiah yang mendalam dapat diperoleh bahkan dengan alat yang sederhana
Bacaan tambahan
- Buku Charles Tanford, "Ben Franklin Stilled the Waves", menggali sejarah eksperimen tetes minyak ini secara mendalam
Ringkasan GN⁺
- Artikel ini menunjukkan bahwa penemuan ilmiah penting dapat dicapai bahkan dengan alat eksperimen yang sederhana
- Eksperimen Benjamin Franklin dan Lord Rayleigh menekankan betapa pentingnya rasa ingin tahu ilmiah dan kreativitas
- Artikel ini akan bermanfaat bagi orang-orang yang tertarik pada sejarah sains dan metodologi eksperimen
- Proyek lain dengan fungsi serupa antara lain "Science Experiments You Can Do At Home"
1 komentar
Komentar Hacker News
Pada 1676, Rømer memperkirakan kecepatan cahaya dengan mengukur waktu orbit Io, satelit Jupiter
Ketika Bumi mendekati Jupiter, Io tampak keluar dari belakang Jupiter sedikit lebih awal, dan ketika menjauh, tampak sedikit lebih lambat; selama setahun selisih waktunya melebar hingga 22 menit
Karena selisih kedua jarak itu sudah diketahui, ia menghitung bahwa cahaya menempuh jarak tersebut dalam 22 menit, dan hasilnya adalah 227 ribu km per detik. Mengingat nilai sebenarnya sekitar 300 ribu km per detik, itu cukup mengesankan
Saya selalu suka kisah tentang pengamatan yang sangat spesifik, yang mungkin terlewat oleh kebanyakan orang, tetapi mengungkap sifat alam semesta yang jauh lebih dalam
Contoh terkenal lainnya adalah Eratosthenes yang mengetahui ukuran Bumi dari bayangan dengan galat hanya beberapa persen
https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...
Hal menarik lain dari penggunaan waktu gerhana satelit adalah Galileo mengusulkan cara memakai sistem satelit Jupiter seperti jam kosmik untuk menentukan waktu, dan lebih jauh lagi bujur
Dengan menghitung terlebih dahulu waktu gerhana satelit Jupiter secara presisi lalu membandingkannya dengan pengamatan di darat atau di kapal, orang dapat memperoleh waktu lokal dan bujur
https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...
Menakjubkan bahwa hanya dengan teleskop dan pengukuran waktu yang teliti, mereka bisa mendekati kecepatan cahaya yang sebenarnya sedekat itu
Karena kecepatan cahaya sangat tinggi, nilainya adalah salah satu konstanta fisika yang diketahui paling presisi: 299 792 458 m/s
Selisihnya dari 300.000.000 m/s kurang dari 7/1000, jadi sama sekali bukan hal yang perlu dipusingkan
Cahaya hanya bergerak 0,3 m, atau 11,802 inci, dalam 1 nanodetik
https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw
Ini mengingatkan pada eksperimen tetes minyak Millikan dan Fletcher. Eksperimen ini mengukur muatan elektron
Singkatnya, mereka mengukur waktu jatuh tetesan minyak yang disemprotkan sangat halus di udara untuk menghitung volumenya, lalu menerapkan medan listrik yang diketahui untuk membuat tetesan itu melayang di udara
Muatan per molekul yang dihitung berkumpul di sekitar kelipatan dari nilai yang lebih kecil, dan nilai kecil itu adalah muatan satu elektron
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Sebelumnya, eksperimen tetes air dengan cara serupa juga dicoba. Tujuannya sama, hanya saja memakai air alih-alih minyak
Alasan kegagalannya adalah lampu terang yang dipakai untuk melihat tetesan membuat air menguap terlalu cepat. Kegagalan yang cukup mudah dimaklumi
Selalu ada lebih banyak latar belakang dalam cerita ini
https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan
https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA
Bagaimana kita bisa yakin bahwa hasilnya bukan 2e atau kelipatan lain?
Saya suka tulisan seperti ini. Dalam pendidikan sains, hukum dan teori terlalu sering disajikan sebagai sesuatu yang harus dihafal begitu saja, padahal bagaimana semua itu pertama kali ditemukan dan dipecahkan jauh lebih menarik dan menginspirasi
Saya ingat harus mempelajari banyak jalur biokimia, tetapi lulus sekolah nyaris tanpa tahu bagaimana jalur-jalur itu pertama kali diungkap
Rekomendasi artikel atau buku lain tentang bagaimana teori sains pertama kali ditemukan juga sangat diterima
Saya penasaran apakah pendidikan fisika Anda didapat di SMA atau di universitas. Di sebuah universitas AS, saya hanya mengambil satu kelas fisika karena tuntutan jurusan; kelasnya tentang elektrodinamika kuantum untuk teknik elektro, dan profesornya menulis sendiri buku ajarnya
Yang saya ingat, ia membahas tiap eksperimen dari dasar: fondasi pemahaman atom, pemahaman tentang cahaya pada masa Newton, eksperimen celah ganda, persamaan Maxwell, eksperimen eter Michelson-Morley, penurunan dan verifikasi eksperimental relativitas umum, sampai alur yang menguraikan relativitas umum menjadi mekanika Newton dan hukum-hukum elektromagnetik
Sampai sekarang saya masih takjub bahwa orang-orang bisa mengetahui hal-hal seperti ini dari prinsip pertama
Saya belum membacanya, tetapi ada buku yang sudah saya antre di perpustakaan, direkomendasikan seseorang di Reddit
How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
https://www.publishersweekly.com/9780385545655
Kisah penemuan kuantisasi muatan elektron juga sepertinya sesuai dengan minat Anda: https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Saya pernah mencobanya langsung di kampus dengan arus searah ratusan volt; memang agak menakutkan, tetapi mengumpulkan data lalu menganalisisnya di Excel dan melihat angkanya pas itu cukup menyenangkan.
Saya baru-baru ini membaca Chasing the Molecule karya John Buckingham dan sangat menikmatinya
Buku itu memberi ikhtisar sejarah kimia modern yang mudah didekati tetapi tetap cukup mendalam
Ia juga dengan baik menceritakan tokoh-tokoh yang kurang dikenal yang mendorong kimia maju besar-besaran, serta tokoh-tokoh terkenal yang justru menghambat kemajuan karena terpaku pada teori yang salah
Bukunya juga cukup pendek, jadi lebih ringan dibaca
Materi yang sering diajarkan kerap disampaikan seolah-olah diberikan seperti wahyu: pasti dan final, dengan asal-usul yang misterius. Tidak baik memperlakukan sains dengan nuansa seperti itu
Meski bisa dikatakan bahwa kemungkinan berdirinya sains itu sendiri bertumpu pada semacam pasal kepercayaan, setiap penemuan ilmiah adalah soal pembuktian empiris, penafsiran atas pembuktian itu, dan argumen yang memanfaatkan pembuktian yang sudah ditafsirkan
Selain itu ada juga asumsi-asumsi kerja yang diam-diam berperan besar, dan menurut saya bagian ini tidak cukup dibahas
Ini juga mendukung gagasan bahwa sebagian besar aktivitas ilmiah digerakkan oleh motif dan kebiasaan yang praktis serta aplikatif, bukan semata-mata oleh motivasi teoretis
Benar sekali. Guru sains yang hebat memahami kekuatan kisah penemuan ilmiah
Cosmos karya Carl Sagan dan beberapa kuliah luar biasa Richard Feynman muncul di benak saya sebagai contoh yang paling berkesan
Saya yakin guru yang baik menyisipkan aspek historis dan manusiawi, sehingga bahkan topik yang kering pun mendapat sudut pandang penting dan kaitan memori yang alami
“Rayleigh memperkirakan ketebalan lapisan minyak dengan membagi volume minyak dengan luas area yang ditutupinya. Jika diasumsikan minyak membentuk satu lapisan molekul, yaitu monolayer, maka ketebalan lapisan minyak sama dengan panjang satu molekul minyak.
Dengan cara ini Lord Rayleigh menjadi orang pertama yang mengetahui ukuran satu molekul, jauh sebelum siapa pun bisa melihat molekul seperti itu.”
Menarik, tetapi bukankah asumsi bahwa minyak menyebar hingga ketebalan minimum setebal satu molekul masih cukup spekulatif?
Apakah tidak ada kecurigaan bahwa tegangan permukaan bisa membuatnya tetap lebih tebal? Atau adakah petunjuk lain yang menunjukkan bahwa itu memang monolayer?
Semuanya ingin turun ke tempat yang lebih rendah, dan hambatan terhadap penyebaran minyak mungkin jauh lebih kecil dibanding gravitasi yang berusaha meratakan minyak
Efek ini akan berubah ketika lapisan rata-ratanya beralih dari lebih tebal dari satu molekul ke lebih tipis dari itu
Besar kemungkinan titik transisi ini dapat ditentukan secara eksperimental, lalu volume minyak digunakan untuk memperoleh ketebalan lapisan molekul
Tidak ada alasan jelas mengapa volume setiap molekul minyak saat dikelilingi molekul minyak lain dari semua sisi harus sama dengan volumenya ketika di atas ada udara dan di bawah ada air
Adakah yang bisa menjelaskan mengapa ini berlaku?
Misalnya, satu sendok teh minyak bisa disebarkan di atas 1 m², 2 m², atau n m², dan pada titik tertentu ketebalan film akan berubah dari m menjadi 1, lalu menjadi kurang dari 1
“Jika diasumsikan minyak membentuk satu lapisan molekul, yaitu monolayer, maka ketebalan lapisan minyak sama dengan panjang satu molekul minyak.”
Bagaimana mereka tahu bahwa lapisan minyak itu setebal satu molekul?
Rasanya seperti asumsi yang sangat besar, meskipun mungkin tulisan blog ini melewatkan sesuatu
Sepertinya tulisan blog itu memang melewatkan bagian ini, tetapi makalah asli yang ditautkan cukup pendek: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...
Eksperimen Rayleigh sebenarnya bertujuan mencari ketebalan minimum minyak yang diperlukan untuk menghentikan pergerakan potongan kamper di atas air
Meski tidak dinyatakan secara eksplisit, tampaknya asumsinya adalah bahwa ketebalan minimum yang menghentikan gerak potongan itu adalah keadaan ketika volume minyak “nyaris” menutupi permukaan, yaitu setebal 1 molekul di semua tempat sehingga potongan itu tidak menyentuh air
Sepertinya ada poin yang sedikit lebih cerdik tentang tegangan permukaan, tetapi bagian itu agak di luar pemahaman saya
Jika eksperimen dilakukan berkali-kali dengan tetesan berukuran berbeda, akan terlihat bahwa lapisan minyak selalu memiliki ketebalan yang kira-kira sama
Ini adalah pengamatan menarik yang perlu dijelaskan, dan hipotesis bahwa ketebalan lapisan minyak adalah panjang satu molekul mungkin merupakan penjelasan yang paling alami dan masuk akal
Tentu setelah itu perlu dicari konfirmasi. Secara historis, apa yang berikutnya mengonfirmasi hal ini?
Ada intuisi bahwa fluida tipis di permukaan dengan gesekan rendah, misalnya di atas air, setelah cukup waktu akan menyebar “sebanyak mungkin”
Mungkin ada faktor pengganggu, tetapi tampaknya cukup masuk akal untuk dijadikan asumsi dalam hipotesis
Tidak harus benar-benar “diketahui”; asumsi itu boleh saja, dan menurut saya asumsi ini tidak terasa terlalu besar
Benar. Eksperimen ini sebenarnya lebih dekat ke pemberian batas atas ukuran molekul dari satu arah tertentu
Meski begitu, hasilnya sangat berguna
Ilmuwan sering harus membuat asumsi agar bisa maju
Contoh terkenal: Darwin berhasil mengetahui bahwa sifat diwariskan melalui seleksi alam dan bahwa itulah penggerak evolusi, tanpa memiliki konsep tentang hakikat fisik DNA atau bagaimana gen berubah—misalnya melalui mutasi DNA—sehingga adaptasi muncul dan organisme menjadi lebih cocok
Seandainya di sekolah ada mata pelajaran seperti perancangan eksperimen sains
Kelasnya menjelaskan proses eksperimen-eksperimen klasik bersejarah sejak zaman kuno, lalu terus menanyakan hal-hal seperti ini kepada siswa: “Dengan batasan-batasan ini, bagaimana kamu akan merancang dan menjalankan eksperimen untuk memperkirakan ukuran Bumi? Bagaimana kamu akan membantah flogiston dan eter luminifer? Bagaimana kamu akan mengukur kecepatan cahaya?”
Itu benar-benar pekerjaan yang heroik, dan Michelson adalah seorang jenius
Saya pernah melakukan eksperimen minyak/air ini di lab fisika atau kimia tahun pertama, tetapi dilakukan terburu-buru, semua orang hanya mengerjakan seminimal mungkin, dan para pengajar pun hampir tidak menjelaskan apa-apa sebelum lanjut ke materi berikutnya
Untuk membuat eksperimen fisika benar-benar berjalan, Anda harus obsesif mencatat detail dan juga punya intuisi yang kuat
Karena Anda tidak tahu jawaban yang benar, eksperimen harus dirancang agar bisa membedakan antara “hipotesisnya salah” dan “peralatannya tidak berfungsi”
Misalnya, ketika LIGO pertama kali dinyalakan, ia hampir langsung menangkap peristiwa yang luar biasa, tetapi mereka tidak langsung mengadakan pesta perayaan
Awalnya mereka menganggap ada masalah pada mesin dan mengabaikannya; baru setelah analisis pascakejadian yang cukup banyak dan pemeriksaan korelasi, mereka menilainya sebagai peristiwa nyata
Judul utas ini tampaknya keliru. Di artikel aslinya tertulis, “Eksperimen kecil yang dilakukan Rayleigh pada 1890, yang langsung terinspirasi oleh pengamatan Franklin, tidak begitu dikenal”
Jadi Rayleigh menghitung ukuran molekul bukan pada 1870, melainkan 1890. Pada 1870, Rayleigh masih muda dan belum dikenal karena riset orisinalnya
Memang benar Rayleigh merancang metode baru untuk menentukan ukuran molekul, tetapi penting juga dicatat bahwa orang pertama yang berhasil menentukan ukuran dan berat molekul adalah Johann Josef Loschmidt pada 1865
https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt
Publikasi Loschmidt tentang berat dan ukuran molekul udara adalah salah satu tonggak terpenting dalam sejarah fisika
Sebelum 1865, teori atom yang dihidupkan kembali oleh Dalton bisa dianggap sebagai model hipotetis yang menjelaskan reaksi kimia dan sebagian ciri termodinamika, dan masih mungkin ternyata salah atau digantikan oleh model yang lebih baik
Sejak saat itu, atom dan molekul bisa ditimbang dan dihitung, dan keberadaannya tidak lagi diragukan
Dengan hanya menentukan ukuran dan berat molekul udara, Loschmidt sudah dapat menentukan ukuran dan berat atom serta molekul lain yang dikenal, menggunakan massa atom relatif yang bisa diperoleh dari reaksi kimia dan sudah diketahui
Selain itu, beberapa tahun kemudian pada 1874, George Johnstone Stoney menggunakan hasil Loschmidt bersama teori keberadaan muatan elementer yang dipublikasikan Maxwell pada 1873 untuk menghitung nilai muatan elementer
Belakangan Stoney menamai muatan elementer ini “electron”, yang kemudian menjadi asal banyak sekali istilah dalam sains dan teknologi modern, dari electronics hingga hadron
Saya pernah mereplikasi eksperimen ini di salah satu kelas fisika universitas
Pekerjaannya cukup banyak dan hasilnya juga tidak sebaik eksperimen aslinya, tetapi banyak yang bisa dipelajari dan menarik
Kebutuhan peralatannya cukup masuk akal untuk level laboratorium fisika sarjana, jadi kalau memungkinkan, saya sangat menyarankan untuk mencobanya sendiri
https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil
Alasan domain ini ditangguhkan: sejak Januari 2014, semua registrar terakreditasi ICANN seperti Namecheap diwajibkan memverifikasi informasi kontak pelanggan yang mendaftarkan domain, yaitu Registrant Whois
Perubahan informasi kontak juga termasuk dalam kewajiban ini