BAB 19

SINAR KOTODA,STRUKTUR ATO HIDROGEN,

DAN SINAR LASER

Tujuan: sisswa memahami konsep atom sambil mengembangkan kemampuan bernalar dan berdiskusi.

19.1 SINAR KATODA1. terjadinya Sinar Katoda dan SifatnyaSinar katoda merupakan elektron (lucutan elektron) dengan kecepatan tinggi. Sinar katoda ini dapat ditemulan dari percobaan yang menggunakan tabung lucutan(tabung sinar katoda). Didalam tabung berisi filament sebagai katoda dan plat logam sebagai anoda.Agar elektrin lepas dari katoda menuju anoda, maka yang harus dilakukan adalah:

(1) Memanaskan filament (katoda) dengan menggunakan tegangan searah 6 volt. Karena pada pemanasan ini, menyebabkan energi elektron dari atom-atom katoda berada pada keadaan ambanggnya. Energi ambang elaktron dinyatakan dalam persamaan:

Eambang=eV e= muatan elaktron, V = potensial ambang

(2) Menghubungkan anoda dan katoda ke sumber tagangan searah yang cukup tinggi(400 volt)

(3) Membuat tekanan gas dalam tabung lucutan sekitar 0,01 mmHg (ingat: 60 mmHg = 1 atm).Dengan cara ini, akan terjadi berkas elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi dari katoda menuju anoda. Jadi gerakan elektron dalam gas yang bertakanan rendah dengan kecepatan tinggi disebut sinar katoda.

Sinar katoda:Sinar katoda dapat memendarkan(memflourensikan) dinding layar.Penjelasan:

Bila tekanan gas dalam tabung kucutan mencapai sekitar 0,01 mmHg. Maka pada layar timbul bintik-bintik terang cahaya(layar berpendar). Udara dalam tabung akan berwarna ungu kemerah-merahan. Bila sebagian udaranya dikeluarkan, maka dinding layar akan memendarkan bintik-bintik cahay erwarna kehijau-hijauan.

Sinar katoda bergerak lurus.

Penjelasan:

Bila antara anoda dan dinding layar dipasang plat perintang, maka terlihat ada bayangan plat pada dinding layar. Ini meruakan bukti bahea sinar katoda bergerak lurus.

Sinar katoda dapat dibedakan oleh medan listrik dan medan magnet.

Didalam medan listrik. Sinar katoda membelok kea rah pelat yang berkutub posif karena gaya listrik (F=eE; e = muatan elektron; F = kuat medan listrik).

Didalam medan magnet sinar katoda membelok ke bawah karena gaya Lorentz

F=i B l=qt

B l

F=qBlt=q B v

q= muatan eleltron berharga negativev= kecepatan elektron.

Membeloknya sinar katoda dalam medan listrik dan medan magnet , menunjukan bahwa sinar katoda merupakan partikel bermuatan negative.Jenis alat yang menggunakan tabung lucutan (tabung sinat katoda dalah tabung layar televise atau osiloskop.

Tabugn layar TV atau osiloskop memilik tiga bagian penting yaitu:(1) Penghail berkas elektron

Terdiri atas:Filament pemanas HKatoda C Grid (g) berpotensial negative, berfungsi mengkontrol banyaknya elektron yang boleh lewat dari katoda ke anoda.Anida (A) berfungso untuk menarik elektron dan memfokuskan (memusatkan) elektron agar menjadi berkas yang tajam.

(2) System pembelokSistem pembelok ini terdiri atas 2 pasang plat sejajar.1 pasang plat sejajar diletakan mendatar dan1 pasang plat lagi diletakan vertical. Plat-plat ini berfungsi untuk mengatur arah sinar katoda sesuai dengan yang dikehendaki.

(3) Layar fluoresensi

Tanpat terjadinya bintik-bintik terang cahaya, ketika berkas elektron menumbuknya.

2. percobaan J.J Thomson dan Milikian1) percobaan J.J ThomsonPada tahun 1897 J.J Thomson (1856-1940) berhasil menemukan perbandingan antara muatan elektron dengan massanya . tabugn lucutan yang digunakan seperti dibawah ini.

Mula-mula elektron (sinar katoda ) bergerak lurus, sete;ah memasuki medan listrik lintasannya berbentuk parabola kemudian keluar dari medan ini lintasannya berupa garis lurus sehingga memendarkan tabir seng sulfide di C

Dalam medan listrik lintasan elektron berbentuk parabola, sehingga berlaku:

Sumbu X: l=V x t d=12

a( lV x )

2

= 12

e Em ( l

V x )2

………..(1)

Sumbu Y: d=12

a t2

∆ OSR ~ ∆ OAC berlaku perbandingan:

?¿ y( L+b )

→ d= ybL+b

=y ( 1

2l)

L+12

l……………………………(2)

Persamaan (1) = perdamaan (2) didapat:

12

e Em ( l

V x)

2

=y ( 1

2l)

L+ 12

l

d= y l

E l2(L+ 12

l)V x

2

…………………………………………..(3)

Dari persamaan (3) hanya bilangan Vxyang belum diketahui, dapat ditentukan dengan meniadakan simpangan lintasan elektron dalam medan listrik dengan memasang medan magnet (B) yang arahnya tegak lurus medan listrik (E).

GambarSupaya lintasan elektron lurus, maka.

F listrik=Fmagnet

e E=e V x B

V x=EB

…………..(4)

E dan B dapat diukur.Berdasarkan pengukuran yang teliti, maka didapat :em

=1,7588 x 1011 C kg−1

2) Percobaan Tetes Minyak dari MillikanTahun 1909 Robert Anddrews Millikan ( 1868 – 1953 ) merupakan irang pertama mengukur muatan elektron.Skema alatnya terdiri atas:

2 keping penghantar horizontal bermuatan listrik berlainan jenis.keping atas bermuatan positif dan keping bawah bermuatan negative. Ditengah-tengah keeping atas diberi lubang kecil untuk tempat memasukan tetes minyak.

Alat penyemprot minyak Mikroskop (M)

(1) Mengamati gerak tetes dalam ruangan tanpa medan listrik.Cara ini digunalan untuk mengukur jari-jari tetes.

Minyak disemprotkan didalam ruang antara keeping.Gaya yang bekerja pada tetes:

Gaya berat tetes (arah kebawah)

W = mg = ρ v g = ρ 43

π r3 g

Gaya Archimedes (arah ke atas) = berat udara yang dipindahkan.

Fa = m’g = ρ’ v g = ρ’ 43

π r3 g

(volume tetes = volume udara yang dipindahkan)Gaya gesekan antara tetes minyak dengan udara (arah ke atas)Fg = 6 π η r v

Ruangan itu disinari dan gerak tetes itu diamati dengan mikroskop, sehingga tetes-tetes minyak tampak seperti bintik-bintik kecil bercahaya yang jatuh perlahan-lahan dengan kecepatan tetap.Karana tetes minyak bergerak dengan kecepatan tetap. Maka berlaku:Σ F = 0W – Fa – Fg = 0W – Fa = Fg

43

π r3 g (ρ - ρ’) = 6 π η r v

43

r2 g (ρ - ρ’) = 6 η v………………. (1)

Dari persamaan ini , hanyakecepatan v saja yang belum diketahui . dapat ditentukan dengan mengukur jarak dan mencatat waktu jatuh tetes. Jadi jari-jari tetes dapat dihitung.(2)Mengamati gerak tetes dalam ruang medan listrik .Gerak tetes dalam medan listrik digunakan untuk mengukur muatan tetes.Gambar.

Pada waktu minyak disemprotkan timbul gesekan-gesekan yang menyebabkan tetes-tetes menjadi bermuatan listrik ( biasanya bermuatan negative)Tetes mendapat gaya listrik Fe = q E yang arahnya ke atas.Dengan mengatur besar E yang tepat, maka dapat diusahakan tetes berhenti (diam), sehingga berlaku juga : Σ F = 0W – Fe– Fa = 0, sedangkan Fg = 0 karena tetes diam.Fe = W – Fa

q E = 43

π r3 g (ρ - ρ’)

q = 43

π r 3g (ρ−ρ’ )

E…………………….(2)

dari persamaan (2) ini, karena sudah dihitung dari persamaan (1) dan E diketahui maka q dapat dihitung. Millikan dan pembatu=pembatunya telah mengukur muatan q dari beribu-ribu tetes dengan hasil menajubkan. Setiap tetes yang diamati ternyata mempunyai satu muatn yang sama dengan kelipatan dari muatan elektron e.Jadi besar q selalu tepat sebesar e, 2e, 3e, dan seterusnya. Tidak pernah sebesar 0,76 e atau 2,49 e. Setelah diadakan perbaikan dalam cara pengukurannya oleh sarjana-sarjana lain maka diakuilah harga muatan elektron e sebesar:e = 1,6021 x 10-19 coulomb

dari hasil pengukuran em

oleh J.J Thomson dan uatan e oleh Millikan, massa

elektron dapat dihitung.

em

=1,7588 x 1011 C kg−1

1,6021 x 10−19Cm

=1,7588 x1011 C kg−1

m1,6021 x10−19C

1,7588 x1011C kg−1

m=9,1090 x 10−31 kg

m=9,1 x 10−31kg3. Sinar X ( Sinar Rontgen)1) Foton Sinar XMax Planck (1858-1947) fisikawan jerman mengmukaakan bahwa:

Cahay berupa paket=paket energi disebut kuantum (kuanta) Kuantum (kuanta) yang bergerak dengan kecepatan cahaya

disebut foton.Sinar X termasuk cahay tak tampak ( tidak dapat dilihat dengan mata ).

Cahaya tampak yaitu: sinar merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu(violet).

Cahaya tak tampak : sinar infra merah, sinar ultra ungu, sinar X, dan sinar gamma.

Masing-masing sinar ini merupakan gelombang elektro magnetic, sehingga mempunyai kecepatan ( C ) , panjang gelombang (λ) , dan frekuensi (f), dengan hubungan :C = λ . fKalau diurutkan sinar-sinar diatas, mulai dari panjang gelombang yang paling kecil( frekuensi paling besar) sampai panjang gelombang paling besar ( frekuensi paling kecil), maka urutannya sebagai berikut:Sinar gammaSinar XSinar ultra unguSinar nilaSinar biruSinar kuningSinar jinggaSinar merahSinar infra merah

Gelombang cahaya tampak , mulai dari ungu sampai dengan merah 8000 ÅFoton cahaya dirumuskan:

ε=h f =hCλ

Keterangan:ε = energi foton (joule)f= frekuensi cahaya ( Hz)C= kecepatan cahaya ( 3 x 108 m/s)

Cahaya tak tampak

Cahaya tampak

Cahaya tak tampak

Masing-masingSinar mempunyai Kecepatan yang sama yaitu: 3 x 108m/s

λ =panjang gelombang cahaya (m)h=konsta Planck ( h= 6,625 x 10-34 Js)energi foton berbanding lurus dengan frekuensi, artinya makin besar frekuensinya, energi fotonnya makin besar.Demikian sinar gamma mempunyai energi foton paling besar, energi foton yang kecil adalah sinar infra merah.

Terjadinya Sinar XSinar katoda( berkas elektron) berkecepatan tinggi menumbuk permukaan logam anoda , maka dari permukaan logam anoda terpancar sinar X ( sinar Rontgen). Inar ini ditemukan oleh Wilhem Rontgen pada tahun 1895.

Beda potensial anoda dengan katoda 50 kV – 100 kV. Kecepatan elektron mencapai 10% dari kecepatan cahaya. Elektron yang terlepas dari katoda menumbuk anoda dengan kecepatan tinggi. Di anoda energi kinetic elektron berubah menjadi sinar X.

Sinar X dapat terjadi dengan dua cara:(1) Sinar X X tanpa eksitansi elektron

Berkas elektron yang berasal dari katoda masuk ke dalam atom logam anida dengan kecepatan tinggi . energi kinetic elektron yang masuk kedalam

logam makin berkurang. Energi yang hilang ini berubah menjadi energi foton sinar X.

panjang gelombang sinar X:Energi kinetic berubah menjadi energi foton:Ek- E’k = h fEnergi foton berharga maksimum bila E’k = 0, jadiEk = h f……….(1)Karena elektron dipercepat pada beda potensial V volt, makaEk = e V……(2)Persamaan (1) = persamaan (2)

h f = e V λ=(6,625 .10−34 ) (3.10m )

(1,6021. 10−19 ) Vm

h Cλ

= e V λ=12400

VA

λ = CV

he

jadi anjang gelombang sinar X hanya tergantung dari beda potensial antara anoda dengan katodasinar X mempunyai panjang gelombang sangant pendek yaitu 0,01 - 100Ǻ. (2)Sinar X karena eksitansi elektronBerkas elektron yang berkecepatan tinggi ketika menumbuk elektron atom logam anoda akan menyebabkan elektron itu oindah kekulit sebelah luarnya. Misalnya dari kulit K ke L, danseterusnya. Elektron yang telah pindah ini akan cenderung kembali ke kulit semula sambil melepaskan energi yang diterimanya dalam bentuk pancaran sinar X.

Gambar a: elektron pada kulit K pindah keluarGambar b: kulit K diisi kembali oleh elektron pada kulit L sambil memancarkan sinar X.

?.. lah: pindahnya elektron dari kulit sebelah dalam menuju kulit sebelah luar karena mendapat tambahan energi.

Sifat dan kegunaan sinar XSifat Sinaar X:Sinar X merupakan gelombang elektromagnetik, tidak dipengaruhi oleh medan listrik dan medan magnet.Sinar X mempunyai daya tembus yang besar.Sinar X dapat menghitamkan film.

Kegunaan sinar X:Dalam bidang kesehatan seperti diagnosis , terapi dan pemotretan. Dalam bidang industry dan penelitian. Misalnya untuk menganalisis struktur Kristal melalui pola difraksi, menyelidiki jenis logam, mengetahui jenis bahan-bahan galian.

STRUKTUR ATOM HIDROGEN1. Model Atom Dalton (1766-1844)

Pada ke 19 gagasan tentang atom diselidiki kembali oleh John Dalton. Melakukan eksperimen. Model atomnya adalah:Atom adalah partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi. Atom suatu unsure tidak dapat berubah menjadi atom unsure lain. Satu atom atau lebih berasal dari unsure-unsur yang berlainan dapat berbentuk molekul.. atom-atom suatu unsure semuannya serupa. Pada suatu reaksi kimia atom-atom berpisah tetapi kemudian bergabung lagi dengan susunan yang berbeda dari semula, tetapi massa keseluruhannya tetap. Pada reaksi ini atom-atom bergabung menurut perbandingan tertentu.Sejak sdaat itu teori atom mengalami perubahan dan perkembangan.

2. Model Atom Menurut ThomsonSehubungan ditemukannya elektron menjadi bagian dari atom maka pada tahun

1904 J.J. Thomson juga mengemukakan suatu model atom yaitu:

Atom terdiri dari muatan positif yang terbagi merata di seluruh isi atom. Muatan ini dinetralkan oleh elektron-elektron yang tersebar di antara muatan listrik positif itu.

Mode atom ini tidak dikembangkan secara terperinci kerna ternyata tidak cocok dengan percobaan Rutherford.

3. Hamburan Rutherford dan Model Atom Rutherford1) Hamburan RutherfordErnest Rutherford (1871-1937) mengadakan percobaan menembakan atom-atom emas dengan partkel-partikel alfa (2He4). Partikel alfa mempunyai daya tembus cukup kuat. Mampu menembus lempengan emas setebal 0,01 mm ( setebal 2000atom).Bils model atom Thomson itu benar, maka partikel alfa dengan energi yang sangat besar dan massa 7000 massa elektron diharapkan akan berjalan lurus tidak terganggu oleh elektron dan muatan positif atom emes yang tersebar merata di seluruh isi atom. Pada umumnya partikel-partikel alfa menembus lempengan emas tanpa mengalami perubahan arah, tetapi beberapa di antaranya ada yang membelok, bahkan ada yang dipantulkan kembali dengan membentuk sudut 1500

Percobaan inilah yang mendorong Rutherford pada tahun 1917 untuk menyusun model atom.

2) Model Atom Menurut Rutherford

Muatan positif akan berkumpul pada suatu titik yaitu berpusat ditengah-tengah atom . pusat ini disebut inti atom.Oada inti terdapat elekton-elektron yang bergerak mengelilingi inti atom yang bermuatan positif seperti lintasan planit dalam tata surya.Inti atom hamper keseluruhan bersifat netral/ muatan positif inti atomnya sama dengan muatan elektro-elektron yang mengitarinya .muatan elekton tarik menarik, ini menyababkan adanya gaya sentripetal pada elekton yang membuat lintasan elektron tetap dalam lintasan masing-masing.

Atom oksigen menurut RutherfordSuatu reaksi kimia inti atom tidak mengalami perubahan , hanya atom pada lintasan terkuarnya yang saling mempengaruhi. Model Rutherford ini lebih baik daripada model atom Thomson.

Model Atom RutherfordHal ini Rutherford mengambil atom hodrogen yang terdiri atas satu elektron dan satu proton.

Muatan inti terdiri 1 proton = + eMuatan elektron = - eJari-jari lintasan elektron = rMassa elektron = m Kecepatan linear elektron = v

Menarik antara inti dengan elektron ( gaya Coloumb):

F e=ke2

r2 ……………….(5)

Besar sentripetal yang bekerja pada elektron

F s=mv2

r……………..(6)

Besar sentripetal = besar gaya Coulomb

mv2

r=k

e2

r2

v2= k e2

mrElektron yang mengelilingi inti mempunyai energi kinetic dan energi potensial.

Energi kinetic elektron: E k=12

m v2

E k=12

m( k e2

mr )E k=

k e2

2 r

Energi potensial elektron: Ep=k(+e ) (−e )

r

Ep=−k e2

rEberfi total elektron: E=Ek+Ep

E= k e2

2 r− k e2

r

E=−k e2

2 rKeterangan :E = energi total elektrone = muatan elektronr = jari-jari elektronk = 9 . 109 N m2C-2

energi yang dimiliki elektron bertanda negative, bila r kecil maka E kecil dan bila r besar , maka E besar.

Elektron bergferak mengelilingi inti dapat menimbulkan medan magnet yang berubah-ubah. Perubahan medan magnet ini juga dapat menimbulkan medan listrik yang berubah-ubah (ingat teori Maxwell). Jadi elektron yang bergerak mengelilingi inti dapat memancarkan gelombang elektromagnetik. Dengan kata lain elektron-elektron itu memencarkan energi.

Kelemahan Model Atom Rutherford1) Tidak dapat menerangkan kestabilan (kemantapan atom)

Karena lektron dalam mengelilingi inti memencarkan energi , maka energi semakin berkurang yang menyebabkan jari-jari lintasan mengecil. Lintasan elektron tidak lagi berupa lingkaran melainkan berupa putaran berpilin yang selalu mendekati inti dan akhirnya elektron jatuh dan bersatu dengan inti. Jadi atom tidak stabil.

2) Tidak dapat menerangkan spektrum yang dipancarkan oleh suatu atom Hidrogen.Karena elektron mempunyai lintasan yang menciut , maka putarannya (periodenya) mengecil.. frekuensi gelombang yang dipancarkan menjadi bermacam-macam. Jadi atom tidak menghasilkan spektrum garis tertentu melainkan spektrum yang tetap (kontinyu). Hal ini bertentangan dengan hasil pengamatan, bahwa spektrum atom hidrogen berupa garis.

Model Atom Bohr dan Spektrum Atom BorhModel atom Borh

Model atom Borh (1885-1962) pada dasarnya menggunakan model atom Rutherford dan teori kuantum. Munculnya model atom Borh sekaligus dapat memperbaiki kelemahan-kelemahan model atom Rutherford.

Model atom berdasarkan dua postulat yaitu:Elektron mengelilingi inti hanya dapat melalui lintasan-lintasan tertentu ( lintasan-lintasan stasioner) tanpa memancarkan energi. Lintasan-lintasan itu mempunyai momentum anguler elektron:

m v r=n2

hπ

…………..(8)

n = bilangan kuantum ( n = 1,2,3,…)h= konstanta Plankm= massa elektronv= kecepatan linear elektronr= jari-jari lintasan elektron

Momentum anguler di atas dapat diturunkan dari:Menurut Louis De Broglie, elektron yang bergerak mengelilingi inti dapat dianggap sebagai gelombang. Jumlah panjang gelombang de Broglie = keliling lingkaran.

n λ=2π r

nh

mv=2 π r

m v r=n2

hπ

(terbukti)

( 2) Suatu elektron akan menyerap atau memancarkan energi bila berpindah dari lintasan tertentu ke lintasan lainnya. Bila elktron berpindah dari lintsan luar ke lintasan sebelah dalam, maka elektron itu akan memancarkan energi foton . bila sebaliknya akan menyerap energi .

Postulat pertama Borh dipergunakan untuk memperbaiki kelemahan bahwa elektron itu masuk ke inti. Dan postulat ke dua untuk menerangkan spektrum atom idrogen.

Jari-jari Lintasan ElektronJari-jari linrasan elektron dirurunkan dari persamaan-persamaan:

Dari persamaan (8) dapar diperoleh:

v= n h2 π mr

→ v2= n2h2

4 π2 m2 r2 ……………………(9)

Persamaan (7) = persamaan (9)k e2

mr= n2 h2

4 π 2m2r 2 →r= n2 h2

4 π2 me2kDengan menggantkan harga-harga:h= 6,625 x 10-34 Jsk= 9 x 109 N m2 C-2

m = 9,1 x 10-31 kge = 1,6 x 10-19 Cπ = 3,14

maka : r=n2 (6,625 x10−34 )2

4 (3,14 ) (9,1 x10−19 )2 ( 9x 109 )r=n2 ( 5,28 x 10−11 meter ) Jadi jari-jari lintasan elektron ke n dirumuskan :rn = 5,28 . 10-11 n2 meterrn = 0,528 n2 Ǻperbandingan jari-jari lintasan elektron pad atiap-tiap kulit dinyatakan sebagai berikut:r1 : r2 : r3: … = n1

2 : n22 : n3

2 :…r1 : r2 : r3: … = 12 : 22 : 32:…

Energi Elektron Energi total elektron pada lintasan yang berjari-jari rn:

En=−k e2

2 rn

atau En=−k e2

2 n2 r1

Dengan r1= 5,28 . 10-11 mn = 1, 2,3 , … dengan besaran-besaran pada persamaan di atas diganti, maka energi elektron pada lintasan ke n dinyatakan dengan persamaan:

En=−9 x 109 (1,6 x10−19)2

2n2 (5,28 x10−11)J

En=−13,6

n2eV

Spektrum Atom HidrogenDari postulat Borh yang kedua, elektron akan memancarkan foton bila berpindah lintasan dari kulit luat ke kulit sebelah dalam. Pemancaran energi foton dalam bentuk gelombang elektromagnetik mempunyai panjang gelombang yang dapat diturubkan sebagai berikut:

EA=−k e2

2 r A

= −k e2

2 nA2r1

EB=−k e2

2r B

= −k e2

2nB2r1

Energi foton yang diancarkan elektron pada saat pindah lintasan dari B ke kulit A:

h f =EB−E A

h f = −k e2

2 nB2 r1

−( −k e2

2 nA2 r1

)h

cλ=−k e2

2 r1 ( 1nA

2−1

nB2 )

1λ= k e2

2 r1h c ( 1nA

2 −1

nB2 )

1λ=R( 1

n A2 −

1nB

2 )

Keterangan : R = k e2

2r 1h c = 1,097 . 107 m-1

R = konstanta Rydberg.Rumusan ini ternyata sesuai dengan rumus Balmer yang diperolehnya secara empiris pada tahun 1885.Dengan demikian deret Lyman, Balmer, Pasehen, Bracket, dan Pfund dapat diturunkan dari model atom Borh , yaitu:

(1) Untuk deret Lyman : nA= 1 dan nB = 2, 3, 4,..Berupa spektrum ultra ungu.

(2) Untuk deret Balmer: nA= 2 dan nB= 3, 4,5,…Berupa spektrum cahaya tampak (Hα= sinar merah bila elektron pindah dari n = 3 ke n = 2, Hβ= sinar biru bila elektron pindah dari n= 4 ke n= 2 dan Hγ= sinar ungu bila elektron berpindah dari n= 5 ke n = 2).

(3) Untuk deretPaschen : nA= 3 dan nB = 4,5,6,…berupa spektrum sianr infra merah pertama.

(4) Untuk deret Bracket : nA dan nB= 5,6,7,…Berupa spektrum sinar infra merah kedua.Unutk deratPfund: nA=5 dan nB= 6,7,8,…Berupa spektrum sinar infra merah ketiga.

Garis-garis Spektrum Atom Hidrogen

Rincian spektrum atom hydrogen

Energi ionisasiEnergi ionisasi adalah energi yang digunakan untuk melepaskan elektron kelintasan tertentu menuju ke lintasan tak terhingga ( n=~).

Rumus energi ionisasi :E=13,6

n2eV

E = - 1,6 x 10-19 jou;e.

Catatan :Energi foton yang dipancarkan oleh elektron , bila terjadi transisi dari bilangan kuantum nB ken A, dapat juga dinyatakan dalam hubungan:

EB−E A=h cλ

∆ E=hcλ

λ= h c∆ E

=12,4 x103 eV A∆ E

Bila ∆E dinyatakan dalam e V, maka:

λ=12,4 x103

∆ EA

∆E dinyatakan adalm satuan e V

Kelemahan Model Atom Borh

(1) Lintasan elektron tidak hanya berbentuk lingkaran saja tetapi juga berbentuk elips. Kelemahan ini diperbaiki oleh Sommerfeld pada tahun 1916.

(2) Model atom Borh hanya berlaku untuk atom hidrogen, tidak dapat diterapkan pada atom-atom lainnya.Sifat-sifat atom yang berelektron banyak baru dapat dijelaskan dengan menggunakan mekanika gelombang ( mekanika kuantum).

(3) Tidak dapat menerangkan pengaruh medan magnet terhadap spektrum atom.hal ini dapoat diterangkan oleh Zeeman.

(4) Tidak dapat menerangkan kejadian-kejadian dalam ikatan kimia dengan baik.

Contoh soal:(1) Berapa energi elektron dari atom hidrogen yang berada pada bilangan

kuantum 2?

Penelesaian: n = 2

E=−13,6

n2eV

E=−13,6

22eV =−3,4 eV

(2) Bila elektron mengalami transisi dari n = 3 ke n = 1, hitunglah:(a) energi foton yang dipancarkan(b) frekuansi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan

penyelesaian: (a)

E=E3−E1

E=−13,6

32 −(−13,6

12 )E=−1,51+13,6

E=12,09 eV

E=12,09 x 1,6 x10−19JE=19,34 x10−19 J

(b)

E=h f

f = Eh

=19,34 x10−19

6,625 x 10−34

f =2,94 x 1015 Hz(3) Hitung energi ionisasi atom hidrogen dari lintasan 3!

Penyelesaian : E=13,6

n2eV

E=13,6

n2eV

E=13,6

32eV

E=1,51 eV(4) Tentukan dalam angstrong, panjang gelombang terpanjang dan

terpendek dari deret Lyman:nA = 1 dan nB = 2,3,4,…

1λ=R( 1

n A2 −

1nB

2 )Panjang gelombang terpanjang jika nB = 2

1λmak

=1,097 .10−3( 1

12−1

22 )1

λmak

=1,097 .10−3(1− 14 )

λmak=1215 APanjang gelombang terpendek jika nB = ~

1λma k

=1,097 . 10−3( 1

12 −1 )

λmak=912 Ǻ19.3 LASER

Pada tahun 1960 berhasil dibuat gelombang cahaya yang sangat koheren disebut LASER ( Light Amplification by Simulated Emmision of Radition).Lsder jenis pertama menggunakan Kristal ruby ( alumunium oksida Al2O3 disisipi dengan atom-atom khrom Cr). Kristal ini berbentuk tabung dengan kedua ujungnya dilapisi perak agar dapat berfungsi sebagai cermin satu di antaranya berlapis perak yang agak tipis agar dapat meneruskan cahaya.

Sebelum kita membahas prinsip terjadinya laser, akan dibahas tentang transisi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik kerena sangat erat hubungannya dengan laser.Tiga macam transisi antara dua tingkat energi dalam atom yaitu :

(1) Absorsi induksiMula-mula atom/ion berada dalam keadaan (1) dengan energi ionisasi E1, kemudian menyerap energi h f maka terjadi transisi ke tingkat yang lebih tinggi dengan energi E2. Peristiwa ini disebut absorsi

induksi

(2) Emisi spontan Energi atom/ion dalam keadaan (2) lebih besar dari keadaan (1). Jika

Sinar koheren

terjadi transisi dari keaaan (2) ke (1) , maka ada pancaran energi foton hf. Peristiwa ini disebut emisi spontan.

(3) Emisi induksiFoton yang berenergi hf, jika dating pada suatu atom akan menyebabkan terjadi transisidari keadaan yang berenergi lebih tinggi (E2) , ke dalam yang berenergi lebih rendah (E1) sambil memancarkan foton 2hf.Kedua foton yang terpancar ini akan bergerak pada arah yang sama dan berenergi sama.

Sehingga gelombang elektromagnetik ini akan betul-betul sefase(koheren).

Sehingga transisi inilah yang dipergunakan untuk prinsip kerja laser

Keterangan ganbar :(a) Atom/ion dalam keadaan dasar dengan energi E1, dieksitensikan ke

dalam energi lebih tinggi E2, oleh foton berenergi hf’.hf’ = E2-E1Atom/ion dalam keadaan eksitasi ini sebelum mengalami emisi spontan dapat bertahan dalam waktu singkat 10-18 detik.

(b) Terjadi emisi spontan dengan cepat dari keaadaan elsitasi E2 ke keadaan metastabil E1 denagn memancarkan energi foton hf’.hf’ = E2-E1Atom/ion dalam keaadaan metastabil inidapat bertahan dalam waktu yang agak lama 10-3 detik sehingga memungkinkan untuk terus memompakan (mengeksitasikan) atom / ion supaya jumlah atom/ion lebih banyak berada pada keaadan metastabil dibandingkan dengan keadaan dasarnya.

(C) terjadinya emisi induksi dari keaadaan metastabil E1 ke keadaan dasar E0 karena ada foton berenergi hf mengenai atom denagndisertai pancaran foton sekunder yang monokrhomatik koheren. Foton sekunder ini kemudian merangsang atom lain ke keadaan eksitasi.

Kalau kita tinjau kembali terbentuknya laser pada Kristal ruby , maka dapat diterangkan sebagai berikut:

Dengan menggunakan pompa optic yaitu pancaran cahaya dari tabung neon yang dililitkan pada Kristal ruby. Kristal yang menerima energi foton ini akan mengeksitasikan ion krom Cr3+ ke dalam eksitasi yang kemudoan jatuh ke keadaan metastabil sambil memancarkan foton. Dengan energi foton yang sesuai alan merangsang ion Cr+3 sehingga kembali ke tingkat energi dasar sambil terpancar foton sekunder. Foton yang terpancar dari keadaan metastabil ke keadaan dasar ini dipantulkan bolak-balik oleh cermin transparan.

Bila Kristal ruby menddapat energi foton hf , maka besar foton sekunder karena emisi induksi = hf + hf

= hf +( E1_E0)Bila ion Cr+3 dalam keadaan metastabil pindah kekeadaan dasar maka

energi foton diemisikan secara induksi = hf + 3 (E1-E0)= hf + 3hf= 4hf

Sinar laser ini mempunyai intensitas yang luar biasa besarnya samai berharga beberapa juta watt per jam cm2

Penggunaan laser 1) digunakan untuk memotong keeping baja 2) sinar laser digunakan untuk mengukur jarak bumi-bulan dengan

seksama. Caranya dengan menghitung waktu antara pancaran dan penerimaan pantulan pulsa sinar laser. Karena kecepatan sinar laser diketahui maka jarak bumi-bulan dapat dihitung.

3) Dalam bidang kesehatan sinar laser digunakan pada pembedahan yang tentunya memerlukan kecermatan yang tinggi.

4) Digunakan dalam foto grafi yaitu pembuatan gambar-gambar berdiansi tiga disebut holografi.

SOAL-SOAL LATIHAN

1. Soal Esay1. Jelaskan terjadinya sinar katoda. Syarat apa yang harus dipenuhi

agar sinar katoda dapat terjadi pada tabung lucutan?2. Mengapa sinar katoda dibelokan dalam medan listrik dan medan

magnet?3. Jelaskan terjadinya sinar X. syarat apa yang harus dipenuhi agar

sinar X dapat terjadi?4. Mengapa pada waktu elektron menumbuk anoda dalam tabung

lucutan tidak terjadi pancaran sinar X?5. Jelaskan langkah-langkah yang dilakukan J.J Thomson untuk

mengukur perbandingan antara muatan dan massa elektron !6. Jelaskan langkah-langkah yang dilakukan Millikan untuk mengukur

muatan elektron!7. Bila antara anoda dan katoda dari tabung sinar X dihubungkan ke

sumber tegangan 100 kV d.c , hitung:(a). kecepatan elektron saat menumbuk anoda.(Anggap elekton bergerak dari keadaan diam dan dari katoda)(b). panjang gelombang sinar X yang terpancar dari anoda .

Gunakan : Ek= e V; λ=12.400

VA

8. Terangkan secar singkat model atom menurut Rutherford dan Borh. Dimanakah letak persamaan dan perbedaannya ?

9. Sebuah elektron berada pada kulit K dan kulit L. hitunglah perbedaan yang dimiliki elektron kedua kulit dalam hal :a) Jari-jari lintasannyab) Kecepatannyac) Gaya Coulombnyad) Gaya sentripetalnyae) Energinya

10. Hitung energi elektron atom hidrogen pada bilangan kuantum n = 1,2,dan 3.Kunci: = -13,6 eV,-3,4 eV,-1,51 eV

11. Bila elektron mengalami transisi dari n= 4 ke n= 1 hitung:(a) Energi foton yang dipancarkan (b) Panjang gelombang yang dipancarkan

Kunci: 12,75 eV;972,5 Ǻ12. Hitung energi yang diperlukan agar elektron pada bilangan

kuantum n=2 terionisasiKunci= +3,4 eV

…14; 15; soal sipensimaru 1986Spektrum air raksa mengandung garis 435,8 nm didalam daerah biru , jika tetapan Planck h= 6,63 X 10-34 js, maka selisih tingkat energi didalam atom yang menimbulakan garis itu adalah …

A. 5,27 X10-15 JB. 4,23 x 10-16 JC. 6,05 x 10-17 JD. 5,51 x 10-18 JE. 4,56 x 10-19 J

III. soal pilihan ganda Asosiasi16. Semakin jauh lintasan elektron dalam suatu atom , maka:

1. Kecepatannya mengecil2. Energi membesar

3. Panjang gelombang de Broglie membesar4. Energi ionisasinya membesar

17. spektrum atom hidrogen yang mengandung gelombang elektromagnetik yang terlihat oleh mata adalah1. derer Paschen2. deret Breacket3. deret Lyman4. deret Balmer18. soal sipensimaru 1985Sunar katoda adalah …

1. Terdiri atas muatan-muatan negative2. Dapat menimbulkan kalor pada banda yang ditumbuknya 3. Dapat dibelokan oleh medan listrik4. Dibelokan kearah kutub utara suatu magnet

19.sianr laser adalah…1. koheren 2. termasuk sunar tampak3. monokhromatik4. Berwatna putih