fisika atom (2)

FisikaAtom

Oleh : Brian Christian

Katherine ChrysillaOctavia Purnamasari

Verdi DanutirtoXIIA2 - 2012

A. Perkembangan Teori Atom

1. Model Atom Dalton2. Model Atom Thomson3. Model Atom Rutherford4. Model Atom Bohr

1. Model Atom Dalton• Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak

dapat dibagi lagi• Atom suatu unsur semuanya serupa dan tidak dapat berubah

menjadi atom unsur lain• Dua atau lebih atom dari unsur berlainan dapat membentuk

molekul• Pada reaksi kimia, atom berpisah lalu bergabung lagi dengan

susunan yang berbeda, tetapi massa keseluruhannya tetapHukum LAVOISIER: massa sebelum = massa sesudah reaksi

• Pada reaksi kimia, atom bergabung menurut perbandingan tertentu yang sederhanaHukum PROUST: perbandingan berat unsur yang menyusun suatu senyawa selalu tetap

2. Model Atom Thomson

a. Tabung Lucutan Gasb. Percobaan Thomsonc. Teori Atom Thomson

a. Tabung Lucutan Gas

• Kaca dekat anoda (elektroda +) berpendar kehijau-hijauan.

• Sinar tersebut disebut sinar katoda yaitu partikel-partikel bermuatan negatif.

b. Percobaan Thomson• Energi potensial listrik yang

diterima partikel dari beda potensial diubah menjadi energi kinetik.

Ep = eV => eV = ½ mv2

e/m = v2/2Ve = muatan partikelm = massa partikelv = kecepatan partikelV = beda potensial

• Keping sejajar dan elektromagnet berfungsi sebagai selektor kecepatan.

v=E/Be/m = (E/B)2/2V

• Nilai e/m tidak bergantung pada jenis logam dan jenis gas dalam tabung, sehingga Thomson menarik kesimpulan bahwa partikel-partikel sinar katoda adalah unsur pokok dari semua materi (zat).

• Thomson menyebut partikel-partikel ini dengan ”corpuscles” dengan nilai e/m 1.0 x 1011 C/kg.

• Sekarang partikel ini dikenal sebagai elektron dengan nilai e/m = 1,758 803 x 1011 C/kg.

qE = mg <=> q=neneE = mgne = mg/E

n = jumlah elektrone = muatan elektronm = massa minyakg = gravitasiE = kuat medan listrik antara kedua keping

• Massa tetesan minyak lalu dihitung dengan rumus

vo/v1 = mg/E-mg

Percobaan Millikan

c. Teori Atom Thomson

• Atom masih dapat dibagi lagi menjadi partikel subatomik.

• Elektron merupakan bagian dari atom, sehingga massa elektron jauh lebih kecil dari massa atom.

• Atom mengandung banyak sekali elektron-elektron bermuatan negatif dan atom harus mengandung muatan-muatan positif.

• Model atom kue kismis (plum pudding model)

Kesimpulan:

• Tidak pernah ada tetesan minyak yang mengandung muatan listrik yang lebih kecil dari muatan elementer (e).

• Semua muatan tetesan minyak adalah kelipatan bulat dari muatan elementer (e, 2e, 3e, ...).

• Muatan elektron = 1,602192 x 10-19 C = 1,60 x 10-19 C

• e/m = 1,785804 x 1011 C/kg

m = 1,602192 x 10-19 C

1,758803 x 1011 C/kg

massa elektron = 9,109543 x 10-31 kg = 9.11 x 10-31 kg

3. Model Atom Rutherford

Partikel α celah pelat timbal lempeng emas

(1)Sebagian besar partikel α menembus lempeng logam tanpa dibelokkan

(2)Sedikit sekali partikel α dipantulkan kembali

(3)Sebagian kecil partikel α dibelokkan

Model Atom Rutherford1. Semua muatan positif dan

sebagian besar massa atom berkumpul di sebuah titik di tengah-tengah atom, yang disebut

“Inti Atom”

2. Inti atom dikelilingi elektron pada jarak yg relatif jauh. Elektron berputar pada lintasan seperti planet-planet bergerak mengelilingi matahari

• Atom bersifat netral, jumlah muatan positif inti harus sama dengan jumlah muatan negatif elektron seluruhnya.

Z = Σp = ΣeZ = nomor atomΣp = jumlah muatan intiΣe = jumlah elektron

muatan inti = Zee = muatan elementer

4. Model Atom Bohr

a. Dua Kelemahan Model Atom Rutherford

b. Spektrum Atom Hidrogen

c. Model Atom Menurut Niehls Bohr

d. Spektrometer Massa

e. Percobaan Frank dan Hertz

f. Laser

• Selain deret Balmer dan Rydberg, terdapat juga :

1. Deret Lyman (untuk daerah ultra ungu dengan batas panjang gelombang antara 121,6 nm dan 91,2 nm)

2. Deret Paschen, Brackett, dan Pfund (untuk daerah inframerah)

• Rumus deret secara umum :

1/λ = R (1/n2 - 1/m2)

dengan n < m

Deret Lyman n = 1 ; Balmer n = 2; Paschen n = 3; Brackett n = 4; Pfund n = 5

Secara umum λ terpanjang diperoleh jika m terkecil dan sebaliknya.

a. Dua Kelemahan Model Atom Rutherford

1. Model atom Rutherford tidak dapat menjelaskan kestabilan atom.

2. Model atom Rutherford tidak dapat menjelaskan spektrum garis pada atom hidrogen (H).

b. Spektrum Atom Hidrogen

• Rumus Balmer :λp = 346,6 nm {n2/(n2-22)}

λp = panjang gelombangn = 3, 4, 5, 6

• Rumus deret oleh Rydberg

R = 1,097 x 107 m-1

n= 3, 4, 5, 6, …

c. Model Atom Menurut Niels Bohr

• Bohr menggabungkan model atom Rutherford dengan konsep teori kuantum Planck-Einstein dan membatasi harga momentum sudut elektron (dengan J.W. Nicholson).

• Empat asumsi dasar Niels Bohr

1. Atom tersusun atas inti bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif dengan gaya Coulomb.

2. Elektron mengelilingi inti atom pada orbit tertentu dan stasioner, dengan tingkat energi tertentu tanpa meradiasikan energi.

3. Elektron pada orbit tertentu dapat berpindah lebih tinggi dengan menyerap energi. Sebaliknya, elektron dapat berpindah dari orbit yang lebih tinggi ke yang rendah dengan melepaskan energi.

4. Pada keadaan normal (tanpa pengaruh luar), elektron menempati tingkat energi terendah (disebut tingkat dasar = ground state)

Model Atom Menurut Niels Bohr

Kelemahan teori atom Rutherford diperbaiki Bohr dengan Postulat Bohr :• Elektron-elektron yang mengelilingi inti mempunyai lintasan dan energi

tertentu.• Dalam orbital tertentu, energi elektron adalah tetap. Elektron akan

menyerap energi jika berpindah ke orbit yang lebih luar dan akan membebaskan energi jika berpindah ke orbit yang lebih dalam.

Kelebihan model atom Bohr• Atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron.

Kelemahan model atom Bohr• Tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack.• Tidak dapat menerangkan kejadian-kejadian dalam ikatan kimia dengan

baik, pengaruh medan magnet terhadap atom-atom, dan spektrum atom yang berelektron lebih banyak.

Model Atom Menurut Niels Bohr

Energi Potensial Atom

Jari-Jari Atom Hidrogen?

Energi Kuantisasi Hidrogen

Jari-Jari Orbit Stasioner?

Spektrometer MassaAlat yang digunakan untuk mengukur massa atom. Memiliki selektor kecepatan yang berfungsi memilih kecepatan partikel yang akan keluar dari alat ini.Sampel dalam bentuk gas mula-mula ditembaki dengan berkas elektron berenergi tinggi. Perlakuan ini menyebabkan atom atau molekul sampel berionisasi (melepas elektron sehingga menjadi ion positif). Ion-ion positif ini kemudian dipercepat oleh suatu beda potensial dan diarahkan ke dalam suatu medan magnet melalui suatu celah sempit. Di dalam medan magnet, ion-ion tersebut akan mengalami pembelokan yang bergantung kepada:•Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion.•Kuat medan magnet•Massa partikel (ion)•Muatan partikel.

Spektrometer Massa

Spektrometer Massa

• Massa ion juga dapat ditentukan dengan menggunakan persamaaan antara Gaya Lorentz dengan gaya sentripetal

qvB’ = mv2/r

qB’ = mv/r

qB’ = m(E/B)/r

m = qBB’r/E

Percobaan Franck-HertzMembuktikan pernyataan Bohr tentang atom mempunyai suatu

orbit stasioner tertentu dengan energi tertentu. Menggunakan katoda yang dipanaskan dengan filamen pemanas dan anoda yang terbuat dari kisi logam. Hasilnya menunjukkan elektron yang menembus anoda menghasilkan potensial lebih negatif dari anoda. Karena energi kecil akan ditolak oleh elektroda pengumpul yang bersifat tolak menolak terhadap muatan sejenis. Kehampaan ruang dan tegangan anoda yang besar membuat kuat arus listrik

meningkat.

Laser

• Singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission• Perangsangan emisi karena penguatan cahaya yang

disebabkan sedikitnya cahaya karena atom-atom yang mengalami penurunan tingkat (terjadi secara alami dimana atom-atom selalu ingin turun ke tingkat yang lebih rendah) melepaskan energi melalui tumbukan, panas, atau cahaya.

Laser

Aplikasi laser dalam berbagai bidang :OptikElektronikTeknologi InformasiSainsKedokteranIndustriMiliter

Menjelaskan Postulat Kuantisasi Momentum Sudut Bohr oleh Louis

de Broglie– Bohr mengajukan postulat kuantitasi momentum

sudutnya tanpa memberikan alasan fisis.

– Louis de Broglie berhasil menjelaskan alasan fisis bagi postulat momentum sudut Bohr.

– sifat dualisme radiasi elektromagnetik, yakni sebagai gelombang dan partikel. Elektron dapat berperilakui sebagai partikel dan juga sebagai gelombang.

– Pandangan ini di dasari oleh energi foton Einstein

– Persamaan de Broglie

Gelombang elektron dianggap seperti senar yang dibengkokan membentuk lingkaran mengitari suatu inti. Keadaan stasioner dari elektron di analogikan dengan keadaan yang punya panjang gelombang dan momentum sudut.

Frekuensi dawai / senar

Dengan 2L=panjang senar = keliling orbit

Masukkan persamaan de Broglie ke persamaan gelombang

Hubungan Panjang Gelombang dengan Energi Potensial

Pada percobaan difraksi elektron, berkas elektron dipercepat oleh tegangan pemercepat V, sehingga timbul energi potensial yang diubah ke energi kinetik.

λ = panjang gelombang de broglie elektron

h = 6,6 x 10-34 Jsm = massa elektron = 9,1 x 10-31 kgq = muatan elektron = 1,6 x 10-19 CV = tegangan pemercepat (Volt)

Panjang Gelombang de Broglie:

Model Atom Mekanika Kuantum

Prinsip Ketidakpastian Werner Heisenberg

“Tidak mungkin kita mengetahui posisi partikel secara teliti dan momentum partikel secara teliti pada saat bersamaan”

Jadi jika kita mengetahui posisi partikel secara teliti, tentunya kita tidak bisa menentukan momentum sacra pasti dan sebaliknya.

Hal inilah yang di maksud model atom Bohr melanggar asas ketidakpastian Heisenberg

Erwin Schrodinger mengajukan model gelombang untuk menjelaskan sifat elektron dalam atom hidrogen. Setiap fungsi gelombang di karakteristikan oleh sekumpulan bilangan kuantum yang berkaitan dengan bentuk, ukuran gelombang elektron, dan lokasi elektron dalam ruang 3 dimensi.

Bilangan Kuantum

Dalam model atom mekanika kuantum, untuk menetapkan keadaan stasioner elektron, diperlukan 4 bilangan kuantum.

• Bilangan Kuantum Utama (n)

• Bilangan Kuantum Orbital (l)

• Bilangan Kuantum Magnetik ( )

• Bilangan Kuantum Spin ( )

a. Bilangan Kuantum Utama (n) → kulit

• Dalam model atom Bohr, elektron dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu. Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n.

Jumlah maksimum elektron pada kulit ke-n adalah 2n2

Nama Kulit K L M N O P

n 1 2 3 4 5 6

Efek Zeeman– Ketika sumber radiasi diletakkan dalam medan magnetik,

interaksi momen magnetik atom dengan medan magnetik memecah garis spektrum menjadi beberapa garis. Inilah yang disebut efek Zeeman, yang tidak dapat dijelaskan orbit lingkaran Bohr yang hanya memiliki 1 orientasi atom (1 vektor momentum sudut).

– Pada teori mekanika kuantum, Arnold Sommerfeld mengusulkan orbit elips yang dapat berorientasi lebih dari 1. Sehingga dibutuhkan bilangan kuantum untuk menyatakan vektor momentum sudut orbital tersebut, yaitu bilangan kuantum orbital dan bilangan kuantum magnetik.

Pemisahan garis spektrum atomik dalam medan magnet

b. Bilangan Kuantum Orbital (l) → sub kulit (n-1)

• Elektron yang bergerak mengelilingi inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron berada di dalam medan magnet.

• Besar momentum sudut elektron terhadap poros inti atom :

Sub Kulit s p d f g h

l 0 1 2 3 4 5

c. Bilangan Kuantum Magnetik ( ) → orientasi ruang orbital

• Bilangan kuantum magnetik menyatakan besar momentum sudut elektron yang merupakan besaran vektor yang arahnya dinyatakan oleh kaidah tangan kanan. Nilai dibatasi oleh nilai l, yaitu bilangan –l sampai +l.

• Bilangan Kuantum Magnetik

• Banyak Nilai yang diperbolehkan

• Komponen L pada sumbu Z

d. Bilangan Kuantum Spin ( ) → arah rotasi elektron

• Bilangan kuantum spin diperlukan untuk menjelaskan efek Zeeman anomali, berupa terpecahnya garis spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan.

• Jika efek Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron.

• Bilangan Kuantum Spin Komponen pada sumbu Z

S = + ½ = searah S = - ½ = berlawanan

Aturan Konfigurasi Elektron

Aturan Aufbau Pengisian elektron dimulai dari sub kulit tingkat energi lebih rendah ke sub kulit energi tinggi

• Aturan Hund

Pada suatu sub kulit yang terdiri dari beberapa orbital pengisian elektron pada orbital berlangsung sedemikian rupa sehingga masing-masing orbital akan di tempati oleh masing-masing sebuah elektron yang arah spinnya sama (1/2 penuh) baru kemudian elektron-elektron dalam orbital tersebut membentuk pasangan elektron (penuh)

• Asas Larangan Pauli

Tidaklah mungkin dua buah elektron dalam satu orbital mempunyai 4 bilangan kuantum yang sama. Hal ini berarti bahwa satu orbital maksimum dapat ditempati 2 elektron yang harus berbeda spinnya.

Thank You