FISIKA ATOM Fahmi Iman Alfarizki XII IPA1

TEORI ATOM DALTON

POSTULAT-POSTULAT DALAM TEORI ATOM DALTON:

1. SETIAP UNSUR TERDIRI ATAS PARTIKEL YANG SUDAH TAK TERBAGI YANG DINAMAI ATOM.

2. ATOM-ATOM DARI SUATU UNSUR ADALAH IDENTIK. ATOM-ATOM DARI UNSUR YANG BERBEDA MEMPUNYAI SIFAT-SIFAT YANG BERBEDA, TERMASUK MEMPUNYAI MASSA YANG BERBEDA.

3. ATOM DARI SUATU UNSUR TIDAK DAPAT DIUBAH MENJADI ATOM UNSUR LAIN, TIDAK DAPAT DIMUSNAHKAN ATAU DICIPTAKAN. REAKSI KIMIA HANYA MERUPAKAN PENATAAN ULANG ATOM-ATOM.

4. SENYAWA TERBENTUK KETIKA ATOM-ATOM DARI DUA JENIS ATAU LEBIH BERGABUNG DENGAN PERBANDINGAN TERTENTU.

BEBERAPA POSTULAT DALAM TEORI ATOM DALTON TERNYATA KURANG TEPAT:

1. TERNYATA ATOM BUKANLAH SESUATU YANG TAK TERBAGI, MELAINKAN TERDIRI DARI BERBAGAI PARTIKEL SUBATOM.

2. MESKI MEMPUNYAI SIFAT-SIFAT YANG SAMA, ATOM-ATOM DARI UNSUR YANG SAMA DAPAT MEMPUNYAI MASSA YANG BERBEDA.

3. MELALUI REAKSI NUKLIR, ATOM DARI SUATU UNSUR DAPAT DIUBAH MENJADI ATOM UNSUR LAIN.

4. BEBERAPA UNSUR TIDAK TERDIRI ATAS ATOM-ATOM MELAINKAN MOLEKUL-MOLEKUL.

TEORI ATOM DALTON YANG HINGGA KINI DAPAT DITERIMA:

1. ATOM ADALAH UNIT PEMBANGUN DARI SEGALA MACAM MATERI.

2. ATOM MERUPAKAN BAGIAN TERKECIL DARI SUATU UNSUR YANG

MASIH MEMPUNYAI SIFAT SAMA DENGAN UNSURNYA.

3. DALAM REAKSI KIMIA, ATOM TIDAK DIMUSNAHKAN, TIDAK

DICIPTAKAN, DAN TIDAK DAPAT DIUBAH MENJADI ATOM UNSUR

LAIN. REAKSI KIMIA HANYALAH PENATAAN ULANG SUSUNAN

ATOM-ATOM YANG TERLIHAT DALAM REAKSI.

Menurut Thomson, atom terdiri dari materi bermuatan positif dan di dalamnya tersebar elektron bagaikan kismis dalam roti kismis.

Materi bermuatan positif

Elektron

Teori Atom Thomson

ATOM MERUPAKAN BOLA PADAT DENGAN DIAMETER 10-10M, YANG MEMPUNYAI MUATAN POSITIF YANG TERBAGI MERATA KE SELURUH ATOM. MUATAN INI DINETRALKAN OLEH ELEKTRON-ELEKTRON YANG TERSEBAR MENGELILINGI SELURUH ATOM. SEHINGGA DINAMAKAN “MODEL ROTI KISMIS”

TEORI INI DIDASARI DARI PENEMUAN SINAR KATODA YANG OLEH THOMSON PARTIKELNYA DISEBUT “ELEKTRON”

Hakikat Sinar Katode

J.J.Thomson pada tahun 1897 dapat menentukan nisbah muatan terhadap massa (nilai e/m) dari partikel sinar katode.𝑒

𝑚= 𝑣2

2𝑉𝑒𝑚

= 𝐸2

2𝑉 𝐵2

Sifat-sifat Sinar Katode

Percobaan Tetes Minyak Millikan

Robert Andrews Millikan melakukan percobaan untuk menentukan muatan elektron melalui Percobaan Tetes Minyak

𝑛𝑒=𝑚𝑔𝐸

𝑣0

𝑣1

= 𝑚𝑔𝐸−𝑚𝑔

Teori Atom RutherfordPartikel alfa yang terpantul itu pastilah telah menabrak sesuatu yang sangat padat. Pada tahun 1911, Rutherford dapat menjelaskan penghamburan sinar alfa dengan mengajukan gagasan tentang inti atom. Menurutnya, sebagian besar dari massa dan muatan positif atom terkonsentrasi pada bagian pusat atom (inti atom).

Model atom Rutherford. Atom mempunyai inti yang kecil, sangat pejal, dan bermuatan positif, yang berada di pusat atom. Elektron beredar mengitari inti pada lintasan yang relatif sangat jauh sehingga sebagian besar atom terdiri dari ruang hampa.

Kelemahan teori atom Rutherford. Menurut fisika klasik, dalam pergerakannya mengitari inti, elektron akan senantiasa memancarkan radiasi elektromagnet. Jika demikian, maka lintasannya akan berbentuk spiral dan akhirnya akan jatuh ke inti.

Penemuan Inti Atom

Pada tahun 1910, Ernest Rutherford bersama dua orang asistennya, yaitu Hans Geiger dan Ernest Marsden, melakukan percobaan untuk mengetahui tentang susunan atom.

Pada tahun 1913, Niels Bohr mengajukan model atom berikut.1. Dalam atom terdapat lintasan-lintasan tertentu tempat elektron dapat mengorbit inti

tanpa disertai pemancaran atau penyerapan energi.2. Elektron hanya boleh berada pada lintasan-lintasan yang diperbolehkan (lintasan

yang ada), dan tidak boleh berada di antara dua lintasan.3. Elektron dapat berpindah dari satu kulit ke kulit lain disertai pemancaran atau

penyerapan sejumlah tertentu energi.

Teori Atom Niels Bohr

Spektrum Atom Hidrogen

Spektrum Hidrogen

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Panjang Gelombang

Inte

nsita

s

Ha

Hb

Hg

HdHeHzHh

(Å)

Hq

DERET BALMERDERET BALMER

Apabila seberkas gas hidrogen dipijarkan akan memancarkan sekumpulan garis terang atau garis emisi dengan jarak antar satu dan lainnya yang memperlihatkan suatu keteraturan tertentu. Menurut Balmer (ahli fisika dari Swiss), panjang gelombang garis emisi tersebut mengikuti hukum

= panjang gelombang, n = bilangan bulat 3, 4, 5, . . . . dan R = suatu tetapan

. . . . . . . . . . . (5-1)1 1

22

1

n2= R

Johann J. Balmer

(1825 – 1898)

Untuk :

deret Balmer pertama : Ha pada l = 6563 Å n = 3deret Balmer kedua : Hb pada l = 4861 Å n = 4deret Balmer ketiga : Hg pada l = 4340 Å n = 5deret Balmer keempat : Hd pada l = 4101 Å n = 6

.

.

.

n = limit deret Balmer pada l = 3650 Å

4 000 5 000 6 000

l (Å)

HαHβHγHd

Setelah ditemukan deret Balmer ditemukan deret hidrogen lainnya, dan persamaan deret Balmer masih tetap berlaku dengan mengubah 22 menjadi m2 dimana m adalah bilangan bulat mulai dari 1, 2, 3, . . . .

ditemukan deret Lyman dengan n = 2, 3, …m = 1

ditemukan deret Balmer dengan n = 3, 4, …m = 2

ditemukan deret Paschen dengan n = 4, 5, …m = 3

ditemukan deret Brackett dengan n = 5, 6, …m = 4

. . . . . . . . . . . . (5-2)1 1

m2

1

n2= R

Konstanta RydbergApabila dinyatakan dalam cm maka R = 109 678

Kontinum untuk elektron bebas

n = 1

2

34∞

L L L

H H H

Tingkat energi dasar

Deret Balmer

Deret Lyman

13,6 eV

Tentukan panjang gelombang terpanjang dan terpendek deret Balmer atom hidrogen jika konstanta Rydberg R = 1,097×107 m-1!

Penyelesaian:

Panjang gelombang terpanjang terjadi jika elektron mengalami transisi dari kulit n = 3 ke n = 2. Sesuai dengan persamaan (4) diperoleh:

Spektrum deret Paschen menghasilkan panjang gelombang 1,28 × 10-6 m. Tentukan nilai n pada deret Paschen tersebut, jika konstanta Rydberg R = 1,097 × 107 m-1!

Penyelesaian:

Pada deret Paschen berlaku:

TEORI ATOM HIDROGEN BOHRTEORI ATOM HIDROGEN BOHR Atom hidrogen terdiri dari inti yang

bermuatan positif (proton) yang dikelilingi oleh sebuah elektron

+proton

elektron

tingkat energi

Massa proton (M) >> massa elektron (me) orbit dapat dianggap lingkaran

v = kecepatan elektron

r = jarak elektron-proton

E = energi yang dipancarkan elektron

Misalkan :

-r

v

elektron berada dalam orbitnya dalam pengaruh gaya sentral yg disebabkan gaya elektrostatik

N.H.D. Bohr

(1885 – 1962)

Energi elektron terdiri dari :

Energi kinetik (EK) dan energi potensial (EP)

Energi total elektron adalah,

E = EK + EP

Menurut Coulomb, gaya elektrostatik antara proton dan elektron adalah,

muatan elektron

. . . . . . . . . . . . . . (5-3)

. . . . . . . . . . . . . . (5-4)

. . . . . . . . . . . . . . . . (5-5)e2

r2F =

12

EK = me v2

Supaya elektron tetap stabil dalam orbitnya, gaya elek-trostatik ini harus diimbangi oleh gaya sentrifugal

. . . . . . . . . . . . . . . . (5-6)

Dari pers (5-5) :

Mev 2

rF =

dan pers. (5-6) diperoleh,e2

r2F =

. . . . . . . (5-7)mev2

r

e2

r2=

ev =

mer

Subtitusikan pers. (5-7) ke pers. (5-4) : 12

EK = me v2

diperoleh,

. . . . . . . . . . . (5-8)EK = 12

me v2 = 12

e2

r

Energi potensial elektron dalam orbitnya adalah,

berarti tarik menarik

. . . . . . . . . . . (5-9)

Dari pers. (5-3), (5-8) dan (5-9) diperoleh,

Momentum sudut elektron pada orbitnya dinyatakan oleh,

ħ = me v r = e(mer)1/2 . . . . . . . . . (5-11)

r

r2 rEP =

e2

dr = e2

E = =12

e2

r

e2

r

e2

2r . . . . . . . . . (5-10)

Menurut Bohr, elektron hanya dapat bergerak mengelilingi proton pada orbit tertentu dan jarak orbit tersebut (r) memungkinkan momentum sudut elektron di sekitar inti mempunyai harga yang diberikan oleh kelipatan

konstanta Planck

konsep ini disebut momentum sudut yang terkuantisasi

2

h

elektron terkuantisasiJadi menurut Bohr, momentum sudut elektron dapat dinyatakan oleh,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . (5-12)

n = 1, 2, 3, . . . . = tingkat energi

nh

2ħ =

ħ =

Dari pers. (5-11) : dan (5-12) :ħ = e(mer)1/2nh

2ħ =

diperoleh, . . . . . . . . . . . . . . . (5-13)nh

2= e(me r)1/2

Karena itu radius orbit Bohr dapat dinyatakan oleh,

. . . . . . . . . . . . . . . (5-14)

e = 4,803 x 10-10 statcoulomb (gr1/2 cm3/2 s-1)

me = 9,1096 x 10-28 gr

h = 6,626 x 10-27 erg s

4 2 e2 me

n2 h2

r =

Jika harga-harga ini dimasukan ke pers. (5-14) dan ambil n = 1 maka diperoleh (1 erg = 1 gr cm2 s-2)

r = 5,29 x 10-9 cm = 0,5290 Å

Apabila harga r dalam pers. (5-14) :

E = e2

2rdisubtitusikan ke, pers. ( 5-10) :

dan kita masukan harga e, me serta h akan diperoleh energi orbit Bohr yaitu,

4 2 e2 me

n2 h2

r =

(1 eV = 1,602 x 10-12 erg)

Untuk atom yg berada pada tingkat dasar (ground state)

E = 13,6 eV . . . . . . . . . . . . (5-16)

melepaskan elektron

n = 1

Maka diperoleh,

. .(5-15)eV2 2 e4 me

n2 h2En = =

13,6

n2

2,18 x 10-11 ergs =

n2

Apabila elektron berpindah dari tingkat n ke tingkat m (m > n)

elektron akan kehilangan energi. Energi ini akan dipancarkan sebagai foton atau butiran cahaya

dengan energi sebesar h (h adalah konstanta Planck dan adalah frekuensi foton)

Dari pers. 5-15 : En = eV13,6

n2

akan diperoleh,

h = Em – En = 13,6

m2

13,6

n2= 13,6

1

m2

1

n2

. . (5-17)

Oleh karena = c/, maka

. . (5-18)h c

1

m2= 13,6

1

n2

pers. (5-17) : h = 13,61

m2

1

n2

dapat dituliskan menjadi,

Apabila harga c dan h dimasukan ke pers. (5-18) maka akan diperoleh,

Konstanta Rydberg (R), dinyatakan dalam cm

Sama dengan yang ditemukan

oleh Balmer secara empiris

. . . . . . . (5-19)= 109 6781

m2

1

n2

1

Suatu atom yang elektronnya berada ditingkat yang lebih tinggi dari tingkat dasar, dikatakan atom tersebut berada dalam keadaan tereksitasi

Pada umumnya suatu atom berada keadaan tereksitasi di tingkat energi tertentu hanya dalam waktu yang singkat, sekitar 10-8

detik.

Selanjutnya elektron akan kembali lagi ke tingkat yang lebih rendah dengan disertai pemancaran foton, atau dapat juga meloncat ke tingkat yang lebih tinggi dengan menyerap foton.

Elektron atom hidrogen berada pada orbit Bohr n = 2. Jika k = 9 × 109 Nm2/c2, dengan e = 1,6 × 10-19 C, me = 9,1 × 10-31 kg, tentukan:

a. jari-jari orbit,b. gaya elektrostatik yang bekerja pada elektron,c. kelajuan elektron!

a. Jari-jari orbit (rn):

rn = 0,53 . n2 = (0,53)(22) = 2,12

Penyelesaian:

c. Kelajuan elektron (ve)

b. Gaya elektrostatik yang bekerja pada elektron (FC)

Sebuah elektron berpindah lintasan dari n = 2 ke n = 1 dengan memancarkan energi. Tentukan:a. energi foton yang dipancarkan,b. frekuensi foton,c. panjang gelombang foton!

Penyelesaian:

a. Energi foton yang dipancarkan

ΔE = -1,632 × 10-18 joule (tanda (-) menyatakan pemancaran energi)

b. Frekuensi foton (f )

c. Panjang gelombang foton

Teori Atom Mekanika Kuantum

Pada tahun 1926, Shrödinger mengajukkan suatu persamaan, kini disebut persamaan gelombang Shrödinger, untuk mendeskripsikan keberadaan elektron dalam atom.

Dalam teori atom mekanika kuantum, posisi elektron tidak dipastikan. Hal yang dapat dikatakan tentang posisi elektron adalah peluang menemukan elektron pada setiap titik dalam ruang di sekitar inti.

Istilah lain untuk menyatakan peluang menemukan elektron adalah densitas elektron.

2

hnmvr

POSTULAT BOHR:

“ELEKTRON BERPUTAR MENGELILIGI INTI MELALUI LINTASAN TERTENTU YANG DISEBUT KULIT, TANPA MELEPAS/MENYERAP ENERGI DENGAN BESAR BESAR MOMENTUM SUDUT MEMENUHI:

PERSAMAAN DE BROGLIE

POSTULA DE BROGLIE MENYATAKAN DUALISME GELOMBANG-MATERI SELAIN BERLAKU PADA RADIASI ELEKTROMAGNETIK, JUGA BERLAKU BAGI MATERI.

FOTON BERFREKUENSI V MEMPUNYAI MOMENTUM

PANJANG GELOMBANG FOTON

MENURUT BROGLIE SEMUA PARTIKEL YANG BERGERAK DENGAN MOMENTUMP, TERKAIT SUATU GELOMBANG DENGAN PANJANG GELOMBANG MENURUT HUBUNGAN

Sebuah elektron hanya dapat mengelilingi inti atom bila lintasan orbitnya merupakan kelipatan bulat dari panjang gelombang Broglie-nya

n = 2

n = 8

n = 4

Eplistrik = EK

eV = 𝑣=√ 2𝑒𝑉𝑚

𝜆=h𝑚𝑣

=h

√2𝑚𝑒𝑉

Tegangan pemercepat V memberikan energi potensial listrik eV pada elektron (e = 1,6x10-19 C). Energi eV diubah menjadi energi kinetik elektron, sehingga diperoleh hubungan

Akan diperoleh

Panjang gelombang de Broglie elektron adalah

Dengan λ = panjang gelombang de Broglie elektron h = 6,6x10-34 Js

m = massa elektron = 9,1x10-31 kge = muatan elektron = 1,6x10-19 CV = tegangan pemercepat (volt)

Azas Ketidakpastian Werner Heisenberg

Menurut Heisenberg, tidak mungkin menentukan posisi dan momentum elektron secara

bersamaan dengan ketelitian tinggi. Heisenberg merumuskan hubungan ketidakpastian

momentum sebagai berikut.

Untuk menentukan kedudukan atau posisi elektron dalam atom secara

teoretis dilakukan dengan menggunakan bilangan kuantum.

Ada empat bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama (n), bilangan

kuantum azimut (l), bilangan kuantum magnetik (m), dan bilangan

kuantum spin (s).

Bilangan kuantum utama, azimut, dan magnetik menyatakan posisi suatu

elektron dalam atom, sedangkan bilangan kuantum spin menyatakan arah

putaran elektron.

Bilangan Kuantum

Elektron berada pada tingkat energi tertentu. Bilangan kuantum utama (n)

menyatakan di tingkat energi utama (kulit) mana elektron berada. Nilai n dari

bilangan kuantum utama adalah satu sampai dengan tujuh.

Bilangan Kuantum Utama (n)

Jumlah Elektron Maksimal pada Tingkat Energi Utama (Kulit)

Bilangan kuantum azimut menyatakan di subkulit mana elektron berada. Orbital

dinyatakan dalam lambang s untuk l = 0, p untuk l = 1, d untuk l = 2, dan f untuk

l = 3. Banyaknya orbital pada tiap tingkat energi utama (kulit) sesuai dengan

harga n. Harga l dimulai dari 0 sampai dengan n–1.

Bilangan Kuantum Azimut/Orbital (l)

Bilangan Kuantum Azimut pada Tingkat Energi Utama

Besar momentum sudut𝑳=√𝒍 (𝒍+𝟏)ℏDengan

Jika bilangan kuantum orbital l = 3, tentukanlah besar momentum sudut elektron yang mungkin.

Penyelesaian:

Bilangan kuantum magnetik menyatakan di orbital mana elektron berada.

Nilai bilangan kuantum magnetik (m) tergantung pada harga bilangan

kuantum azimut (l), yaitu dari – l sampai dengan + l . Orbital biasanya

digambarkan dalam bentuk segi empat.

Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Banyak nilai ml yang diperbolehkan:

banyak ml = 2l + 1

Bilangan kuantum spin menyatakan ke arah mana elektron berputar.

Jika arah putaran berlawanan maka elektron akan berlaku sebagai kutub magnet

yang berlawanan, jadi akan tarik-menarik.

Jika arah putaran searah maka elektron akan tolak-menolak, sehingga satu orbital

maksimal hanya berisi dua elektron.

Masing-masing elektron mempunyai harga s = +1/2 (searah jarum jam) dan s = -

1/2 (berlawanan arah jarum jam).

Bilangan Kuantum Spin (s)

Elektron di dalam orbital digambarkan dengan anak panah, yang dikenal dengan

diagram orbital.

Harga s = +1/2 digambarkan dengan anak panah ke atas:

Harga s = -1/2 digambarkan dengan anak panah ke bawah:

Jika orbital terisi penuh elektron maka digambarkan dengan

anak panah ke atas dan ke bawah:

Satu orbital maksimal berisi dua elektron maka:

– orbital s maksimal berisi 2 elektron:

– orbital p maksimal berisi 6 elektron:

– orbital d maksimal berisi 10 elektron:

– orbital f maksimal berisi 14 elektron:

Asas aufbau

menyatakan bahwa

pengisian elektron pada

orbital dimulai dari

tingkat energi terendah

ke tingkat energi yang

lebih tinggi.

Orbital s mempunyai

tingkat energi terendah

dan berturut-turut

makin tinggi untuk

orbital p, d, dan f.

Konfigurasi Elektron

Asas Aufbau

Asas larangan Pauli menyatakan bahwa tidak mungkin dalam satu atom ada dua

elektron yang harga keempat bilangan kuantumnya sama.

Contoh:

Li (n.a Na = 3): Elektron pertama dan kedua dari atom litium mempunyai harga

keempat bilangan kuantum yang sama dengan elektron pertama

dan elektron kedua helium. Bilangan kuantum elektron ketiga

litium adalah sebagai berikut.

n = 2 m = 0

l = 0 s =

Asas Larangan Pauli

Menurut kaidah Hund, pengisian elektron pada orbital-orbital yang tingkat

energinya sama, elektron tidak berpasangan terlebih dahulu sebelum orbital-

orbital lainnya masing-masing terisi satu elektron.

Contoh:

C (n.a C = 6):

N (n.a N = 7):

Kaidah Hund