Model Atom Bohr Tingkat Energi Elektron

247 Fisika SMAMA XII Gaya Coulomb = Gaya sentripetal m = k mv 2 = k Energi kinetik elektron Ek = mv 2 = k Energi potensial elektron Ep = q V = – e k = – k Energi total elektron E = Ek + Ep = k – k E = – k .... 8.2 Tanda negatif menunjukkan bahwa untuk mengeluarkan elektron dari lintasannya memerlukan energi. Elektron menempati lintasan stasioner terdekat dengan inti disebut kulit K, lintasan berikutnya berturut-turut disebut kulit L, M, N, O dan seterusnya. Kulit K dengan jari-jari r 1 energinya E 1 dan kulit L yang jari-jarinya r 2 energinya E 2 . Karena r 2 r 1 maka nilai E 2 E 1 . Jadi makin jauh dari inti atom, energi elektron semakin besar, yang berarti elektron pada kulit N memiliki energi yang lebih besar dari elektron pada kulit M. Untuk menjelaskan spektrum garis atom hidrogen Bohr menggunakan postulat yang kedua. Misalkan elektron ber- pindah dari lintasan B dengan jari-jari orbit r B ke lintasan A dengan jari-jari r A r B r A maka elektron akan melepaskan energi sebesar E B – E A yang sama dengan hf. Dengan per- samaan : K L M N O Gambar 8.7 Lintasan stasioner elektron Fisika SMAMA XII 248 E = hf = E B – E A .... 8.3 h h = – k + k h = = .... 8.4 Jari- jari orbit elektron didapat dari postulat Bohr ketiga yaitu: L = mvr = v = atau v 2 = Dari persamaan energi kinetik Ek = ½ mv 2 = ½ k ½ m = ½ k = ke 2 r = .... 8.5 r = Gambar 8.8 Elektron berpindah dari lintasan B ke lintasan A r B r A 249 Fisika SMAMA XII Dengan memasukkan nilai h konstanta Planck, m massa elektron, k konstanta Coulomb dan e muatan elektron diperoleh jari-jari lintasan elektron pada lintasan n adalah: r n = r n = 0,53 ×10 -11 n 2 m Apabila Persamaan 8.5 disubstitusikan ke dalam Persamaan 8.4 diperoleh : Jika = R maka kita dapatkan Maka besarnya energi elektron pada lintasan ke n adalah: E n = – ½ k = – ½ ke 2 E n = – Fisika SMAMA XII 250 Jika nilai S = 3,14 , k = 9 × 10 9 Nm 2 C 2 , m = 9,1 × 10 -31 kg, e = 1,6 × 10 -19 C, h = 6,62 × 10 -34 Js, dan 1 eV = 1,6 × 10 -19 J kita dimasukkan dalam persamaan, maka didapatkan energi elektron pada suatu lintasan tertentu adalah: E n = eV ................. 8.6 Persamaan 8.6 menunjukkan bahwa energi total elektron terkuantisasi. Dengan energi terendah E 1 n = 1 disebut tingkat energi dasar keadaan dasar dan tingkat energi berikutnya E 2 , E 3 , E 4 ……. n = 2, 3, … yang tingkat energinya lebih tinggi disebut tingkat eksitasi keadaan eksitasi. Apabila keadaan nilai n semakin besar, maka tingkat energinya pun semakin besar, sehingga untuk nilai n = f, nilai E n = 0 yang berarti elektron tersebut tidak terikat oleh inti menjadi elektron bebas. Energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari ikatan intinya dari orbitnya disebut energi ionisasi, untuk melepaskan elektron pada atom hidrogen dari keadaan dasar diperlukan energi sebesar +13,6 eV karena energi tingkat dasar pada atom hidrogen adalah –13,6 eV. Kelemahan model atom Bohr yaitu : 1. Lintasan orbit elektron sebenarnya sangat rumit, tidak hanya berbentuk lingkaran atau elips saja. 2. Model atom Bohr hanya dapat menjelaskan dengan baik untuk atom hidrogen, akan tetapi tidak dapat menjelas- kan dengan baik untuk atom-atom berelektron banyak atom kompleks. 3. Model atom Bohr tidak dapat menjelaskan tentang terjadinya efek Zeeman, yaitu terpecahnya spektrum cahaya jika dilewatkan pada medan magnet yang kuat. 4. Model atom Bohr tidak dapat menjelaskan terjadinya ikatan kimia dengan baik. Teori atom Bohr juga tidak bisa menjelaskan masalah atom berelektron banyak yang memiliki spektrum yang lebih kompleks. Dengan demikian teori model atom Bohr masih memerlukan perbaikan dan pengembangan. Maka pada tahun 1920 Schrodinger, Heisenberg dan beberapa peneliti yang lain mencoba menjelaskan masalah ini dengan menggunakan teori kuantum atom. 251 Fisika SMAMA XII 1. Berapakah panjang gelombang terpendek dari spektrum pada deret Balmer? Penyelesaian : Pada deret Balmer akan memancarkan spektrum dengan gelombang yang paling pendek jika elektron berasal dari elektron bebas n B = f berpindah ke lintasan untuk n A = 2 maka = = 1,097,10 7 = 1.097 × 10 7 = = 4,388 × 10 -7 m Jadi panjang gelombang terpendek dari spektrum pada deret Balmer sebesar 4,388.10 -7 m. 2. Hitunglah frekuensi terkecil dari spektrum pada deret Lyman Penyelesaian : Akan dipancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi terendah pada deret Lyman apabila elektron berpindah dari kulit L n B = 1 ke kulit K n A = 1 maka : = = 1,097 × 10 7 = 1,097 × 10 7 = 1,097 × 10 7 = f = = × 3 × 10 8 Hz = 2,45 × 10 15 Hz Jadi frekuensi terkecil dari spektrum pada Deret Lyman sebesar 2,45.10 15 Hz. Contoh Soal Fisika SMAMA XII 252 3. Hitunglah energi kinetik elektron pada orbitnya pada n = 2 Penyelesaian : E K = di mana r = 0,53 × 10 -11 n 2 = = = 3,396 eV Jadi energi kinetiknya sebesar 3,396 eV. Soal Latihan : 1. Berapakah panjang gelombang terpanjang dari deret Paschen? 2. Berapakah frekuensi terbesar dari deret Brackett? 3. Hitung kecepatan orbit elektron pada n = 2 4. Tentukan frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan jika elektron berpindah dari lintasan n = 5 ke n = 2 5. Tentukan frekuensi gelombang elektromagnetik yang di- pancarkan jika elektron berpindah dari kulit O ke kulit M 6. Tentukan energi dalam eV yang dilepaskan jika elektron berpindah dari kulit N ke kulit K Untuk menjawab soal-soal di atas gunakan : h = 6,6 u 10 -34 Js k = 9 u 10 9 Nm 2 C 2 m = 9,1 u 10 -31 kg R = 1,097 u 10 7 m -1 e = 1,6 u 10 -19 C c = 3 u 10 8 ms

G. Teori Kuantum Atom

Louis de Broglie seorang ahli Fisika dari Perancis pada tahun 1923 mengajukan hipotesis tentang gelombang materi. Menurutnya, gerakan partikel yang bergerak mendekati ke- cepatan cahaya, seperti halnya gerakan elektron mengitari inti atom, mempunyai sifat gelombang. Hipotesis ini dibuktikan 253 Fisika SMAMA XII kebenarannya oleh Davidson dan Germer dengan meng- amati pola-pola difraksi elektron yang berenergi tertentu yang ditembakkan pada lempeng logam nikel. Thomson menemukan bahwa elektron memberi sifat difraksi sama seperti sinar X, sifat gelombang dari elektron ini kemudian digunakan pada mikroskop elektron. Pada tahun 1926 Erwin Schrodinger seorang ahli Fisika dari Austria berhasil merumuskan persamaan gelombang untuk menggambarkan bentuk dan tingkat energi orbital. Model atom ini disebut model atom mekanika kuantum dan merupakan model atom yang diterima hingga dewasa ini. Model atom mekanika kuantum mempunyai persamaan dengan model atom Bohr dalam hal tingkat energi. Sedangkan perbedaan kedua model atom tersebut terletak pada bentuk lintasan elektron, di mana pada model atom Bohr elektron- elektron menempati lintasan-lintasan berbentuk lingkaran dengan jari-jari tertentu, sedangkan pada model atom mekanika kuantum, lintasan-lintasan elektronnya berbentuk elips bukan berbentuk lingkaran yang lebih dikenal dengan orbital. Untuk menyatakan lintasanorbit elektron berbentuk elips diperlukan 4 macam bilangan kuantum yaitu : 1. Bilangan kuantum utama n 2. Bilangan kuantum orbital l 3. Bilangan kuantum magnetik m l 4. Bilangan kuantum spin m s

1. Bilangan Kuantum Utama n

Bilangan kuantum utama menentukan besarnya energi to- tal elektron pada orbitlintasan elektron pada kulit atom. Besarnya energi total elektron pada atom bersifat kekal dan besarnya energi pada masing-masing kulit atom ditentukan oleh bilangan kuantum utama. Bilangan kuantum utama mempunyai harga positif yaitu 1, 2, 3, … dst. Bilangan kuantum utama menyatakan tempat lintasan orbit elektron dalam atom yang disebut kulit atom yang diberi nama dengan huruf besar, yaitu kulit K untuk n = 1, L untuk n = 2, M untuk n = 3, dan seterusnya. Bilangan kuantum utama n 1 2 3 4 5 6 7 Nama kulit atom K L M N O P Q