Perkembangan Teori Perkembangan Teori Atom

245 Fisika Atom Rumah boneka yang terdiri atas beberapa tingkat dan tiap tingkat terdiri atas beberapa kamar. Energi elektron dalam atom pun bertingkat-tingkat. Untuk menepatkan elektron ke setiap “kamar”, harus memenuhi aturan tertentu. Jika suatu batuan dihancurkan, batuan itu terpecah- pecah menajdi partikel-partikel kecil. Apa pun benda yang kit alihat tersusun dari bagian-bagian kecil materi. Sejak zaman purba, orang telah mencari satuan dasar dari materi.Pada zaman dahulu, orang-orang Yunani me nganggap bahwa materi tersusun dari berbagai gabun- gan dari empat unsur dasar, yaitu tanah, api, udara, dan air. Akan tetapi, filsuf Yunani Demokritus memiliki teori lain. Ia mengemukakan bahwa materi tersusun dari partikel-partikel kecil yang disebut atom, yang berarti “tidak dapat dibagi-bagi”. Selama hampir 2.000 tahun, teori Demokritus diabaikan. Baru pada 1802, seorang kimiawan-fisikawan Inggris John Dalton, menghidupkan kembali teori atom itu. Bab 6 Bab 6

A. Perkembangan Teori

Atom B. Atom Berelektron Banyak 245 Sumber : w w w . at om ic bom b. c om Standar Kompetensi Menganalisis berbagai besa- ran fisis pada gejala kuantum dan batas-batas berlakunya relativitas Einstein dalam paradigma fisika modern Kompetensi Dasar Mendiskripsikan perkemban- gan teori atom. Di unduh dari : Bukupaket.com 246 Fisika untuk SMAMA kelas XII

A. Perkembangan Teori Atom

Istilah atom telah dikenal oleh bangsa Yunani sebelum Masehi. Ahli fisika Yunani bernama Leucippus pada abad ke-5 SM dan Democritus 460-370 SM telah me- ngemukakan teori tentang atom. Mereka meng gambarkan atom sebagai materi terkecil yang sedemikian kecilnya sehingga tidak dibagi-bagi lagi.

1. Model Atom Dalton

Perkembangan selanjutnya yang dicatat sejarah ilmu pengetahuan adalah konsep atom yang dikemukakan oelh Joh Dalton 1766-1844. Dalton mengemukakan teorinya sebagai berikut. a. Atom merupakan zat yang tidak dapat dibagi-bagi. b. Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi un- sur lain. Misalnya, atom aluminium tidak mungkin berubah menjadi atom besi atau sebaliknya. c. Dua atom atau lebih yang berasal dari unsur-unsur yang berlainan, dapat bersenyawa membentuk molekul. Misalnya atom hidrogen dan oksigen mem- bentuk molekul air H 2 O. d. Atom-atom yang bersenyawa dalam molekul memiliki perbandingan tertentu dan jumlah keseluruhan yang tetap. Jumlah massa sebelum reaksi dan sesudah reaksi adalah sama. e. Jika dua atom membentuk dua senyawa atau lebih maka atom-atom yang sama dalam kedua senyawa itu memiliki perbandingan yang sederhana.

2. Model Atom Thomson

Perkembangan ilmu pengetahuan selanjutnya me- nunjukkan bahwa ternyata atom masih dapat dibagi lagi. Dengan sendirinya fakta tersebut menggugurkan teori atom Dalton karena tidak sesuai dengan fakta tersebut. Penemuan elektron yang bermuatan lsitrik negatif oleh J.J. Thomson dengan menggunakan tabung sinar katode adalah salah satu fakta bahwa atom tersusun dari partikel- partikel penyusun atom. Thomson pun berhasil menemukan suatu partikel bermuatan positif dari percobaannya dengan Atom Bohr Elektron Kata Kunci Gambar 6.1 Model atom yang dikemukakan oleh Thomson. Di unduh dari : Bukupaket.com 247 Fisika Atom menggunakan sinar katode yang berisi gas hidrogen bertekanan rendah. Thomson menyebut partikel bermua- tan positif tersebut sebagai proton. Atas dasar penemuan tersebut, ia kemudian menyusun model atom yang dike- nal sebagai teori atom Thomson. Teori ini menyebutkan bahwa atom memiliki muatan-muatan listrik positif proton yang menyebar merata di seluruh bagian atom. Adapun elektron merupakan partikel negatif yang tersebar di antara proton-proton dan berperan menetralkan muatan atom secara keseluruhan. Model atom Thomson ini sering dinamakan sebagai model kue puding prem atau roti kismis. Karena elektron- elektron tersebar di seluruh atom sperti halnya kismis yang menempel pada roti.

3. Model Atom Rutherford

Teori atom Thomson pada 1911 diuji oleh seorang ahli fisika yang berasal dari Inggris, Ernest Rutherford. Ia menguji kebenaran teori Thomson dengan melakukan percobaan menggunakan partikel alfa yang ditembakkan pada sebuah keping logam emas yang sangat tipis. Partikel alfa adalah partikel yang dipancarkan oleh unsur radioaktif bermuatan listrik positif yang besarnya dua kali muatan elektron dan massanya empat kali massa proton. Rutherford memiliki asumsi bahwa jika teori atom Thomson benar maka seluruh partikel alfa dengan energi yang besar harus menembus lurus keping tipis emas tersebut. Gambar 6.2 Percobaan hamburan par- tikel alfa yang dilakukan oleh Rutherford. lempeng tipis Sumber layar Gambar 6.3 Model atom Rutherford. Partikel alfa yang mendekatil nukleus yang masih akan terkena gaya yang besar sehingga dibelokkan dengan sudut yang besar. dibelokkan menembus elektron inti atom partikel alfa lempeng tipis Di unduh dari : Bukupaket.com 248 Fisika untuk SMAMA kelas XII Sebab, atom-atom keping logam emas netral tidak men- ghalangi partikel alfa yang bermuatan listrik positif. Se- bagian besar partikel alfa menembus keping logam tipis lurus mengenai layar. Akan tetapi, beberapa partikel alfa yang lainnya dibelokkan bahkan ada yang dipantulkan. Setiap sudut pembelokkan dan pemantulan sinar alfa tersebut diukur oleh Rutherford. Fakta ini kemudian dianalisis oleh Rutherford sebagai berikut. Berdasarkan Hukum Colulomb, partikel alfa yang bermuatan positif hanya akan dibelokkan atau dipantulkan oleh suatu muatan sejenis yakni muatan positif. Berarti, dalam atom logam emas harus ada muatan listrik positif dan tidak tersebar di seluruh atom melainkan terpusat pada suatu tempat sehingga menolak partikel alfa. Atas dasar fakta ini, Rutherford kemudian ber- kesimpulan sebagai berikut. a. Muatan listrik atom dan sebagian besar massa atom terpusat pada suatu titik yang disebut oleh Ruther- ford sebagai inti atom. Inti atom ini merupakan suatu daerah yang sangat kecil dengan diamater sekitar 10 -14 m. b. Pada jarak yang relatif jauh dari inti atom tersebut, partikel bermuatan negatif atai elektron beredar men- gelilingi inti. Muatan listrik positif yang berpusat di inti atom, nilai sama besar dengan jumlah muatan listrik negatif dari elektron-elektron yang mengelil- inginya. Meskipun lebih baik daripada teori J.J. Thomson, namun teori atom Rutherford masih menyimpan kelemahan. Kele- mahan teori atom Rutherford adalah sebagai berikut. a. Teori atom Rutherford tidak dapat menjelaskan spek- trum cahaya yang dipancarkan oleh atom hidrogen ke- tika gas hidrogen tersebut dipanaskan atau dimasukkan ke dalam tabung dan diberi beda potensial listrik serah yang tinggi antara ujung-uung tabung tersebut. b. Teori atom Rutherford tidak dapat menjelaskan kes- tabilan atom. Berdasarkan hukum Coulomb, elektron yang berinteraksi dengan inti atom akan mengalami gaya Coulomb yang juga berfungsi sebagai Di unduh dari : Bukupaket.com 249 Fisika Atom gaya sentripetal.Akibatnya, elektron mengalami percepatan percepatan sentripetal. Menurut teori gelombang elektromagnetik yang dikemukakan oleh Maxwell jika muatan elektron mengalami percepatan maka muatan tersebut akan memancarkan gelombang elektromagnetik. Jika demikian maka energi elektron berkurang dan akhirnya akan jatuh ke inti atom, tetapi pada kenyataannya tidak demikian.

4. Model Atom Niles Bohr

Setelah Rutherford mengemukakan bahwa massa dan muatan positif ataom terhimpun pada suatu daerah kecil di pusat atom, ahli fisika asal Denmark, Niles Bohr, pada 1913 mengemukakan bahwa struktur atom mirip seperti sistem tata surya. Inti atom berada di pusat sistem atom dan elektron berada pada lintasan tertentu yang disebut kulit atom. Untuk menguatkan teori atom yang diusulkannya, Bohr menyusun dua postulat dalil tentang atom. Postu- lat ini di kalangan para ilmuwan pada saat itu dipandang radikal. Berikut ini adalah kedua postulat yang dikemukakan Bohr. Postulat Pertama Berlawanan dengan teori elektromagnetik klasik, dalam suatu sistem atom, elektron tidak memancarkan radiasi ketika ia mengorbit inti atom. Lintasan-lintasan elektron mengorbit inti atom. Lintasan-lintasan elektron mengorbit tanpa memancarkan radiasi dinamakan lintasan stasioner atau orbit stasioner. Postulat Kedua Pemancaran dan penyerapan gelombang elektromagnetik dalam suatu atom berhubungan dengan transisi elektron dari dua lintasan stasioner. Model atom hidrogen memperlihatkan bahwa sebuah elektron mengitari sebuah inti atom bermuatan positif. Jari-jari orbit lingkarannya r dan elektron bermassa m bergerak dengan laju linear tetap v. Gaya tarik Coulomb berperan memberikan percepatan sentripetal sehingga Gambar 6.4 Model atom Bohr untuk atom hidrogen. Gambar 6.5 Model atom Bohr memiliki lintasan elektron yang diberi nama dengan abjad K, L, M, dan seterusnya. Jari-jari lintasan elektron harus sesuai dengan postulat Bohr. Di unduh dari : Bukupaket.com 250 Fisika untuk SMAMA kelas XII Oleh karena untuk hidrogen Z = 1 maka persamaan di atas menjadi Energi kinetik elektron adalah Sedangkan energi potensial elektron adalah energi poten- sial Coulomb yang besarnya sebagai berikut. Sehingga energi total yang dimiliki oleh elektron adalah Eksperimen 6.1 Eksperimen teori-teori atom Alat dan Bahan: • majalah • koran • buku Langkah-Langkah Eksperimen: Coba Anda buat makalah mengenai penemuan teori-teori atom yang dikembangkan sejak abad 18 hingga saat ini. Cari informasi tersebut di majalah, koran, internet, atau buku-buku referensi lainnya. Apa yang dapat Anda peroleh dari penemuan-penemuan teori atom tersebut hingga saat ini. Tentu saja, cukup berkembang bukan? Kemudian, diskusikan dengan teman-teman Anda di kelas dibantu oleh guru sebagai pembimbing. Di unduh dari : Bukupaket.com 251 Fisika Atom

5. Jari-Jari Lintasan Stasioner

Fisika klasik meramalkan bahwa sebuah muatan elektrik yang mengalami percepatan, seperti elektron yang men- gorbit dalam model ini, harus meradiasikan energi elek- tromagnetik secara kontinu. Ketika energi ini dipancarkan, energi total elektron menurun dan elektron akan bergerak spiral menuju inti atom sehingga atom akhirnya jatuh ke inti atom. Untuk mengatasi kesulitan ini, Bohr mengusul- kan gagasan orbit stasioner. Dari sini Bohr menyimpulkan bahwa dalam keadaan ini momentum sudut orbital elektron bernilai kelipatan dari harga atau ditulis dengan Vektor mementum sudut dalam fisika klasik didefinisikan sebagai . Untuk momentum sudut elektron yang beredar mengelilingi inti atom, r tegak lurus p sehingga kita dapat menyederhanakannya menjadi . Ajdi menurut postulat sudut adalah dengan n = bilangan bulat n = 1, 2, 3, … Dengan memasukkan harga v pada persamaan Kerjakanlah dalam buku latihanmu. Uji Kemampuan 6.1 3. Jelaskan perbedaan antara hasil eksperimen Ruhherford dan hipotesisi dari teoir atom Thomson. 4. Bagamana hubungan antara spektrum hidogen dan perpindahan elektron? Jelaskan serta tuliskan persamaan umumnya. 1. Jelaskan secara singkat perkembangan teori atom sejak masa Demkritus hingga munculnya teori atom Bohr. 2. Pada eksperimen Thomson,disimpulkan bahwa partikel sinar katode merupakan partikel bermuatan dengan massa lebih kecil daripada atom. Apakah yang mendasari kesimpulan tersebut. Jelaskan. Di unduh dari : Bukupaket.com 252 Fisika untuk SMAMA kelas XII ke dalam persamaan . Maka, akan diper- oleh dengan Maka diperoleh nilai deret jari-jari r yang diperkenankan. Berdasarkan a didefinisikan sebagai jari-jari Bohr. Untuk atom hidrogen Bohr kemudian mendapatkan harga a = 0,0529 nm atau 0,529 angstrom. Berdasarkan teori atom Bohr ini jari-jari orbit elektron hanya dapat bernilai a , 4a 1 , 9a , 16a , 25a , dan seterusnya. Jari-jari atom, menurut teori ini tidak pernah bernilai 3a atau 4,5a .

6. Energi Elektron Berdasarkan Teori Bohr

Besar energi elektron dapat diperoleh dengan meng- gabungkan persamaan dan persa- maan . Maka akan diperoleh persamaan sebagai berikut. Di unduh dari : Bukupaket.com 253 Fisika Atom Persamaan ini menyatakan bahwa energi elektron terkuan- tisasi. Artinya, hanya nilai-nilai energi tertentu yang diper- kenankan.Jika dari persamaan di atas semua nilai tetap dihitung.Maka, akan diperoleh persamaan yang sederhana sebagai berikut. Pada tingkat terendah, nilai n = 1, energi elektron sebesar -13,6 eV dan beredar pada jari-jari Bohr 0,529 angstrom. Tingkat energi elektron pada keadaan yang lebih tinggi digambarkan oleh skema berkut. Jika elektron dan inti atom terpisah sangat jauh,yaitu untuk n = maka diperoleh E = 0. Kemudian, elektron itu bertransisi atau berpindah dari lintasan luar ke lintasan dalam sehingga ia berada pada orbit tertentu dalam lintasan n tertentu. Pada keadaan ini elektron memiliki harga energi lebih kecil daripada keadaan semula E = 0 maka akan dipancarkan energi sebesar En. Sebaliknya, jika elektron pada keadaan n maka elektronnya dapat kita bebaskan dari ikatan inti dengan memberinya energi sebesar E 0. Energi ini dikenal dengan energi ikat keadaan n. Jika energi yang dibebaskan melebihi energi ikat maka kelebi- han energi tersebut dapat muncul sebagai energi kinetik elektron yang kini telah bebas dan tidak terikat lagi pada inti atom. Bohr mempostulatkan bahwa meskipun elektron tidak memancarkan radiasi elektromagnetik ketika beredar pada suatu tingkat tertentu. Namun, elektron dapat berpindah dari suatu keadaan energi tertentu ke keadaan energi yang lain. Selisih energi antara dua keadaan tersebut muncul sebagai sebuah radiasi gelombang elektromagnetik be- renergi hf. Artinya, jika elektron berpindah dari keadaan awal ke keadaan akhir maka akan terjadi pancaran atau penyerapan radiasi elektromagnetik. Frekuensi gelombang elektromagnetik yang diserap atau dipancarkan dari keadaan stasioner adalah Gambar 6.6 Tingkat-tingkat Energi Di unduh dari : Bukupaket.com 254 Fisika untuk SMAMA kelas XII dengan: = energi mula-mula = energi akhir f = frekuensi radiasi gelombang elektromagnetik h = konstanta Planck h = joule. sekon

B. Atom Berelektron Banyak