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