FISIKA ATOM Ikwan Wahyudi Tujuan Pembelajaran: Setelah mempelajari materi ini, diharapkan: 1. Mendeskripsikan perkembangan teori atom 2. Mendeskripsikan spektrum atom hidrogen 3. Menganalisis bilangan-bilangan kuantum
Pokok Bahasan FISIKA ATOM Perkembangan Teori dan Model Atom Teori Atom Demokritus (± 400 SM) Teori Atom Dalton (1808 M) Teori Atom Thomson (1897 1904 M) Teori Atom Rutherford (1911 M) Teori Atom Bohr (1913 M) Spektrum Atom Hidrogen Deret Lyman Deret Balmer Deret Paschen Deret Brachett Deret Pfund Bilangan Kuantum / Atom Berelektron Banyak
PERKEMBANGAN TEORI ATOM
Semua yang ada di alam semesta tersusun dari satu atau lebih elemen dasar Tanah, Api, Air, Udara (menurut filsuf Yunani Kuno) Perkembangan teori atom dimulai ketika seorang filsuf Yunani, Democritus, mengemukakan bahwa Tiap zat dapat dibagi atas bagian-bagian yang lebih kecil sampai menjadi bagian yang lebih kecil dan tidak dapat di bagi lagi. Bagian zat yang terkecil inilah yang disebut Atom. Atom berasal dari kata a yang berarti tidak dan tomos yang berarti terbagi. Teori atom ini merupakan hasil pemikiran. GAGAL membuktikan keberadaan atom
TEORI ATOM DALTON Pengemuka: John Dalton Awal mulanya Dalton menyusun kembali teori atom dari ide yang dicetuskan oleh Demokritus. Teori atom ini dilandasi oleh kejadian kimiawi dan data kuantitatif dengan penunjang 2 percobaan (Lavoisier dan Prost) dan 2 hukum alam (hukum kekekalan massa dan perbandingan tetap). Bunyi teori atom Dalton: Atom merupakan suatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Atom-atom penyusun zat tertentu memiliki sifat yang sama, perbedaan zat disebabkan perbedaan atom penyusun. Reaksi kimia merupakan penyusunan kembali atom-atom penyusun zat. Jumlah atom yang terlibat dalam reaksi kimia memiliki perbandingan bilangan bulat tertentu yang sederhana. Teori ini dibantah oleh J.J. Thomson yang membuktikan bahwa teori atom Dalton salah melalui percobaan sinar katoda.
TEORI ATOM THOMSON - Pengemuka : J.J Thomson - Didasari dari hasil eksperimen (1897) - Adanya penemuan sinar katode, Thomson mengembangkan penelitian tentang sinar katode. menggunakan tabung dilengkapi medan listrik dan medan magnet sinar katoda adalah partikel bermuatan negatif yang bergerak dari katode menuju anode (selanjutnya disebut elektron) - Model atom Thomson plum pudding (roti kismis) - Bunyi teori atom Thomson: - Atom bukan bagian terkecil dari zat - Atom merupakan bola pejal yang mempunyai muatan positif yang tersebar merata pada seluruh bagian bola. Muatan ini dinetralkan oleh muatan negatif (elektron-elektron) yang tersebar diantara muatanmuatan positif. - Banyaknya muatan positif = muatan negatif - Teori ini pada tahun 1911 kemudian dibantah oleh Ernest Rutherford.
Pengamatan J.J. Thomson (1856-1940) Kode C = Katoda; A = Anoda; E = lempeng kondensor bermuatan listrik; M = magnet; F = layar berfluoresens. Berkas 1 : Hanya dengan adanya medan listrik, berkas sinar katoda dibelokkan keatas menyentuh layar pada titik 1. Berkas 2 : Hanya dengan adanya medan magnit, berkas sinar katoda dibelokkan kebawah menyentuh layar pada titik 2. Berkas 3 : Berkas sinar katoda akan lurus dan menyentuh layar dititik 3, bila medan listrik dan medan magnit sama besarnya
TEORI ATOM RUTHERFORD - Pengemuka: Ernest Rutherford - Dasar: eksperimen lempeng emas tipis yang ditembaki dengan partikel alfa. Partikel α dari pemancar (sumber radioaktif) ditembakkan melalui kolimator timbal (layar timbal berlubang kecil) untuk menghasilkan berkas partikel yang tajam berkas diarahkan ke lempeng emas tipis, dimana di sisi lain ditempatkan layar berlapis seng fluida (ZnS). Hasil eksperimen: tidak seluruhnya partikel alfa menembus secara lurus, ada beberapa yang terhambur atau dibelokkan membentuk sudut.
Apabila model atom Thomson benar, partikel alfa tersebut seharusnya melintas lurus (tidak dibelokkan). Karena massa dan energi partikel alfa jauh lebih besar daripada elektron dan proton dalam atom, sehingga lintasannya tidak terganggu oleh elektron dan proton dalam atom. Bunyi teori atom Rutherford Sebuah atom terdiri atas inti yang bermuatan listrik positif yang mengandung hampir seluruh massa atom yang terletak di tengah-tengah. Elektron bergerak mengelilingi inti dengan lintasan tertentu dan tetap karena pada elektron bekerja dua gaya yang berlawanan sama besar yaitu gaya elektrostatika F antara elektron dengan inti dan gaya sentripetal F yang menyebabkan elektron tetap pada orbitnya (lintasannya). Atom secara keseluruhan bermuatan netral, jumlah muatan positif inti atom sama dengan jumlah muatan elektron-elektronnya. Pada reaksi kimia inti atom tidak mengalami perubahan hanya elektron-elektron pada lintasan luarnya yang saling mempengaruhi.
Rutherford s Atomic Model Electrons Empty Space Nucleus Positively charged Made of protons
KELEMAHAN MODEL ATOM RUTHERFORD Karena dalam gerak orbitnya elektron memancarkan energi, maka energi elektron berkurang sehingga jari-jari lintasannya mengecil. Lintasannya tidak lagi berupa lingkaran dengan jari-jari tetap tetapi berupa putaran berpilin yang mendekati inti tetapi elektron tersebut tidak jatuh ke inti. Artinya atom tidak stabil, padahal kenyataan atom adalah stabil Apabila jari-jari lintasan elektron semakin kecil maka waktu putarnya semakin kecil juga. Akibatnya frekuensi dan panjang gelombang elektromagnetik yang dipancarkan menjadi bermacam macam, sehingga spektrum yang dipancarkan harusnya diskontinu. dari hasil pengamatan kenyataannya spektrum dari atom hidrogen menunjukkan spektrum garis yang khas. Atom stabil Atom tidak stabil Spektrum menurut teori Atom Rutherford Spektrum hasil pengamatan Atom hidrogen
TEORI ATOM BOHR Pengemuka: Niels Bohr (1912) Mengoreksi kelemahan teori atom Rutherford dengan teori kuantum Planck. Model atom Bohr dinyatakan dengan postulat berikut: 1. Elektron tidak dapat bergerak mengelilingi inti melalui sembarang lintasan, tetapi hanya dapat melalui lintasan tertentu saja tanpa mebebaskan energi. Lintasan itu disebut lintasan stasioner. Pada lintasan ini elektron yang bergerak mengitari inti memiliki momentum angular (sudut) bernilai diskret (terkuantisasi) h mvr = n. 2p m = massa elektron v = keecepatan linier elektron r = jaari-jari orbit elektron n = bilangan kwantum h = tetapan planck =6,626.10-34 J.s
r Q m e v F Gaya elektrostatika elektron dan inti F = k F = k Q.e r 2 e 2 r 2 Gaya sentripetal elektron m.v 2 F = r F = F m.v 2 = k r m.v 2 = k e 2 r 2 e 2 r E k elektron saat mengorbit E k = ½ mv 2 = ½ = k E k = k E P elektron pada jarak r dari inti E P =- k e 2 r e 2 2r Energi total elektron selama mengorbit E total = E k + E P = k E total = -k e 2 m.v 2 e 2 2r r e 2 2r - k e 2 r Dengan menyubtisusikan persamaan diatas dengan pers. Sebelumnya diperoleh: h = tetapan Planck = 6,626 x 10-34 J.s k = tetapan = 9 x 10 9 Nm 2 C -2 m = massa elektron = 9,1 x 10-31 kg e = muatan elektron 1,6 x 10-19 C p = 3,14
2. Elektron dapat berpindah dari suatu lintasan ke lintasan yang lain dengan memancarkan atau menyerap energi foton. Energi foton yang dipancarkan atau diserap saat terjadi perpindahan lintasan sebanding dengan frekuensinya foton E = h.f Tingkat energi pada tiap lintasan elektron adalah berbeda-beda. Elektron yang paling dekat dengan inti (n = 1) mempunyai tingkat energi yang paling rendah. Jika elektron berpindah ke lintasan yang lebih dekat dari inti (ke tempat energi yang rendah), akan melepaskan (memancarkan) energi foton sebesar hf. Sebaliknya, jika elektron berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi akan menyerap energi. energi
Memancarkan energi dari n besar ke n kecil Menyerap energi,dari n kecil ke n besar Foton n=1 n=3 n=2 n=4
Model atom Bohr juga memiliki kelemahan-kelemahan berikut ini. Lintasan elektron ternyata rumit sekali, masih terdapat beberapa sub-orbit yang tidak dapat dijelaskan dengan teori Bohr. Teori atom Bohr dapat menerangkan model atom hidrogen, tetapi tidak dapat menerangkan atom berelektron banyak karena sulit perhitungannya. Tidak dapat menerangkan proses ikatan kimia. Tidak dapat menerangkan pengaruh medan magnet terhadap spektrum atom. Oleh karena itu, diperlukan model atom baru yang mampu memperbaiki kelemahan atom Bohr, utamanya yang berlaku untuk atom berelektron banyak. Para fisikawan mengembangkan suatu model atom baru yang didasarkan pada mekanika kuantum.
CONTOH SOAL
SPEKTRUM ATOM HIDROGEN
Model atom Rutherford tidak dapat menjelaskan spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom hidrogen. Dengan menggunakan spektrometer dapat diamati panjang gelombang yang dipancarkan oleh atom hidrogen. Pada tahun 1885, J.J Balmer menemukan bahwa deretan panjang gelombang yang dihasilkan oleh atom hidrogen dapat ditampilkan dalam satu rumus empiris, yang menyatakan deret garis-garis dalam spektrum radiasi yang dipancarkan oleh atom hidrogen. Garis-garis ini menyatakan lintasan elektron yang jatuh dari tingkat energi lebih tinggi ke lintasan elektron dengan tingkat energi lebih rendah, sambil memancarkan gelombang elektromagnetik sebagai radiasi foton. Deret ini juga disebut sebagai deret yang tepat memancarkan cahaya tampak. 1 1 1 = R - l 2 2 n 2 l= panjang gelombang spektrum cahaya yang dipancarkan oleh spektrum atom hidrogen R = tetapan Ryberg = 1,097x10 7 m -1 n = bilangan kuantum lebih besar 2
Deret Lyman Elektron pindah ke n =1 Spektrum yang dihasilkan cahaya ultra violet Deret Balmer Elektron pindah ke n = 2 Spektrum yang dihasilkan cahaya tampak 1 1 1 = R - l n 2 n 2 n = bilangan kwantum elektron pindah n = bilangan kwantum elektron sebelum pindah n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5 n = 6 n = 7 Deret Paschen Elektron pindah ke n =3 Spektrum yang dihasilkan cahaya infra merah 1 Deret Bracket Elektron pindah ke n =4 Spektrum yang dihasilkan cahaya infra merah 2 Deret Pfund : Elektron pindah ke n =5 Spektrum yang dihasilkan cahaya infra merah 3
CONTOH SOAL dan Penyelesaiannya.
SOAL:
TINGKAT ENERGI Tingkat energi menjelaskan mengenai energi tetap tertentu yang dapat dimiliki suatu sistem yang dijelaskan oleh mekanika kuantum, seperti yang dapat dimiliki oleh molekul, atom, elektron, atau inti. Dengan menggabungkan teori atom Rutherford dan teori Planck Bohr (persamaan r dan E total ) maka dapat dihitung energi elektron di lintasan stasioner yang dirumuskan sebagai berikut: E n = - 13,6 Z 2 n 2 ev Keterangan: E n = energi pada tingkat ke-n (ev) Z = nomor atom N = bilangan kuantum utama (tingkat energi) 1 ev = 1,6 x 10-19 J m e 4 E n = k 2 8e o2 n 2 h 2 e o = 8,85 x 10-12 C 2 N -1 m -2 Tingkat energi terendah pada elektron yang terletak dekat dengan inti atom, semakin jauh dari inti atom, tingkat energi semakin besar.
Jika elektron berpindah ke lintasan yang lebih dekat dari inti (ke tempat energi yang rendah), akan melepaskan (memancarkan) energi foton sebesar hf. Sebaliknya, jika elektron berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi akan menyerap energi. Beberapa energi yang dilepas atau diserap elektron ketika berpindah dari tingkat n A ke tingkat n B dapat ditentukan dengan persamaan : CONTOH SOAL DAN PENYELESAIANNYA
BILANGAN KUANTUM (ATOM BERELEKTRON BANYAK)
Untuk menjelaskan atom berelektron banyak yang sebelumnya tidak bisa dijelaskan pada model atom Bohr, maka dikembangkan suatu teori baru yakni MEKANIKA KUANTUM yang merupakan tahap akhir dari perkembangan teori atom. V Struktur elektrolit suatu atom mengacu pada cara elektron tersusun di sekeliling inti, dan terutama pada tingkat energi tertentu yang ditempati atom tersebut. Suatu bilangan yang menunjukkan orbit elektron mengelilingi inti pada kulit atau tingkat energi tertentu disebut bilangan kuantum (quantum number). En Kedudukan elektron-elektron dalam atom ditentukan oleh bilangan kuantum elektron.
BILANGAN KUANTUM UTAMA (n) Bilangan ini menyatakan tingkat energi elektron pada suatu orbit. dan memiliki nilai 1, 2, 3 dan seterusnya. Semakin besar nilai n, maka semakin jauh letak elektron dari inti. Tingkat energi ataupun orbit yang sesuai dengan tingkat energi tersebut dinyatakan sebagai kulit dan dinyatakan dengan huruf K, L, M, N,.... Kulit K (n = 1) adalah kulit yang letaknya paling dekat dengan inti. Tinjauan bilangan kuantum utama = tinjauan pada teori atom Bohr.
BILANGAN KUANTUM ORBITAL (l) digunakan untuk menjelaskan teramatinya efek Zeeman yang tidak dapat dijelaskam oleh model atom Bohr (efek Zeeman: efek terpecahnya garis spektrum emisi atom yang tereksitasi ketika diletakkan di dalam medan magnet luar homogen) Menunjukkan di sub-kulit (sub-kulit lintasan) tempat pergerakan elektron. Menentukan nilai momentum sudut elektron yang mengelilingi inti atom, dengan persamaan: dengan Untuk nilai n tertentu, l mempunyai nilai bilangan bulat yang mungkin dari 0 sampai (n-1).
Letak elektron pada subkulit diuraikan dalam tabel berikut. n = 1 l = 0 Elektron terletak di subkulit s (sharp) n = 2 l = 0, 1 Ada dua kemungkinan letak elektron, yaitu pada subkulit s dan p (principle). n = 3 l = 0, 1, 2 Ada tiga kemungkinan letak elektron, yaitu pada subkulit s, p, dan d (diffuse) n = 4 l = 0, 1, 2, 3 Ada empat kemungkinan letak elektron, yaitu pada subkulit s, p, d, dan f (fundamental) n = 5 l = 0, 1, 2, 3, 4 Ada lima kemungkinan letak elektron, yaitu pada subkulit s, p, d, f, g n = 6 l = 0, 1, 2, 3, 4, 5 Ada enam kemungkinan letak elektron, yaitu pada subkulit s, p, d, f, g, h
BILANGAN KUANTUM MAGNETIK (m) Menunjukkan kedudukan elektron dalam orbital atau menentukan orientasi dari orbit elektron dalam medan magnet. Nilai m yang mungkin yaitu -l, -(l - 1),..., -1, 0, 1,..., (l 1), + l. Bilangan kuantum magnetik (m) merupakan proyeksi vektor l pada suatu sumbu z sembarang seperti yang dijelaskan oleh Gambar. Elektron dalam suatu atom dengan momentum sudut tertentu dapat berinteraksi dengan medan magnetik luar. Bila arah medan magnetik luar adalah sejajar dengan sumbu z, maka nilai L dalam arah z memenuhi persamaan:
BILANGAN KUANTUM SPIN (s) Bilangan kuantum spin menentukan arah perputaran elektron terhadap sumbunya. Nilai bilangan kuantum spin yang mungkin adalah + 1 2 atas) atau 1 (arah spin ke bawah). 2 (arah spin ke
Ikwan Wahyudi - 2018