Bahan Ajar Struktur Atom

Fisika Modern

Tugas 1 : Bahan Ajar Struktur Atom (BAB III)

Diajukan untuk memenuhi salah satu tugas matakuliah Fisika Modern

Dosen: Drs Parlindungan Sinaga, M.Si.

Taneu Taria Fitri 1206301

JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

BAB 3

STRUKTUR ATOM A. Pendahuluan

Pada bab ini kita akan mempelajari struktur penyusun suatu materi atau bahan. Jika kita melihat sebuah lemari kayu, lemari tersebut tersusun atas papan kayu yang disatukan dengan menggunakan paku, jika amati lebih dekat, papan-papan kayu tersebut tersusun atas banyak serat-serat kayu, dan jika diamati lebih dekat lagi menggunakan mikroskop, terlihat sel-sel penyusun serat kayu tersebut. Hal itu mengundang Tanya bagi para ilmuan jaman dahulu, apakah sebenarnya benda terkecil penyusun suatu materi?

B. Teori Atom

1) Democritus

(460 BC)

Democritus

berpendapat jika suatu

material dalam mangkuk

digerus terus menerus, maka akhirnya akan sampai pada ukuran yang tidak bida dibagi atau dipecah lagi yang disebut Atomos. (Bahasa Yunani : a (tidak), tomos(terbagi)). Bayangkan kamu mempunayi sebuah roti, roti tersebut kamu potong menjadi dua bagian, bagian-bagian roti masih

bisa terlihat jelas oleh kamu kan?, nah lalu bagaimana jika kamu belah menjadi tiga potong roti? Menjadi 4? Menjadi 5 atau 6 atau 7? Masih terlihat bukan? Namun bagaimana jika kamu potong-potong hingga takberhingga kali? Apakah bisa membelah roti hingga tak berhingga kali? Tentu bisa, asalkan ada teknologi yang mendukungnya, dan lalu bagaimana hasil belahannya? Apakah terlihat? Tentu tidak bukan? Karea mungkin roti tersebut sudah sampai di ukuran yang tidak bisa dibagi lagi, nah begitulah teori atom menurut Democritus. Ukuran atom menuutnya sangatlah kecil, sehingga mata manusia tidak dapat melihatnya. Selain itu, atom juga tidak memiliki kualitas, seperti panas atau manis. Atom juga adalah sebuah partikel luar biasa kecil yang sangat keras, mempunyai ukuran yang berbeda-beda namun untu suatu material yang sama atom terbuat dari unsur atau zat yang sama.

2) John Dalton (1808)

John Dalton menggambarkan atom sebagai bola pejal, yang menurutnya bola pejal kecil tersebut dapat dipantulkan kesekelilingnya dengan elastisitas sempurna. Selain itu, Dalton juga menemukan jika semua unsur terdiri atas atom-atom dengan sifat dan massa yang sama, lalu jika du atom dari unsur yang berbeda bergabung, atom akan membentuk senyawa. Berikut 5 teori atom Dalton:

1. Unsur-unsur terdiri dari partikel-partikel yang luar biasa kecil yang tidak dapat dibagi kembali disebut atom .Dalam reaksi kimia biasa ,mereka tidak dapat diciptakan,dihancurkan atau diubah menjadi jenis unsur yang lain (kecuali pada reaksi inti)

2. Semua atom dalam unsur yang sejenis adalah sama dan oleh karena itu memiliki sifat-sifat yang serupa;seperti massa dan ukuran.

3. Atom dari unsur-unsur yang berbeda jenis memiliki sifat-sifat yang berbeda pula. 4. Atom-atom dari unsur yang berbeda dapat bergabung menjadi sebuah senyawa.

5. Atom-atom dari 2 unsur atau lebih dapat direaksikan dalam perbandingan-perbandingan yang berbeda untuk menghasilkan lebih dari 1 jenis senyawa

Figure 1 Hukum Kekekalan Massa dari Dalton

Kelemahan dari postulat atom Dalton

1. Atom bukanlah sesuatu yang tak terbagi, melainkan terdiri dari partikel subatom 2. Atom-atom dari unsur yang sama, dapat mempunyai massa yang berbeda (disebut

Isotop)

3. Atom dari suatu unsur dapat diubah menjadi atom unsur lain melalui Reaksi Nuklir

4. Beberapa unsur tidak terdiri dari atom-atom melainkan molekul-molekul C. Komposisi Atom

Sebenarnya, apakah atom yang tidak dapat dibelah lagi ini juga merupakan suatu partikel yang memiliki komposisi? Pertanyaan tersebut terjawab oleh 4 eksperimen klasik sebagai berikut:

1) Hukum elektrolisis Faraday :

Hukum Faraday menyatakan bahwa massa yang dihasilkan dalam suatu sistem sel elektrolisis berbanding lurus dengan muatan listrik yang mengalir dalam sel tersebut. Massa ekuivalen zat yang diendapkan pada electrode akan setara dengan muatan listrik yang dialirkan ke dalam sel. Sehingga diperoleh rumusan sebagai berikut:

m= (q)(massa molar)

(96500C)(jumlahelektron valensi)

Hal tersebut menunjukan bahwa atom-atom tersusun oleh muatan positif dan negatif. 2) Percobaan tabung sinar katoda oleh JJ. Thomson (1896)

JJ Thomson menemukan bahwa atom-atom dapat sesekali melepaskan partikel yang jauh lebih kecil dari atom, yang disebut electron. Hal itu dia dapat setelah melakuka percobaan menggunakan tabung sinar katoda yang sebelumnya sudah ditemukan oleh Sir William Crookes pada tahun 1800-an

Ketika tegangan tinggi disambungkan dengan katoda dan anoda, maka aka nada cahaya atau kattoda yang berpendar karena tumbukan-tumbukan electron didalamnya sehingga dapat menyebabkan electron dari katoda tersebut loncat dari katoda dan memasuki daerah medan magnet dari kumparan yang dialiri listrik. Jika arah kecepatan electron tersebut tegak lurus dengan arah medan magnet, maka electron tersebut akan bergerak melingkar di dalam tabung katoda, maka gaya magnetic memberikan gaya sentripetal yang diperlukan agar terjadi gerak melingkar. Kita dapat menghubungkan kecepatan electron (v) tersebut dengan jari-jari lintasan (r), dan medan magnet (B) dengan membuat gaya total yang sama dengan massa electron (m) dikalikan dengan pecepatan sentripetal (F = m.a, dengan a nya adalah percepatan sentripetal, hukum kedua Newton), gaya total ini

equal dengan evB, karena kecepatan tegak lurus dengan medan magnet, dengan demikian :

gayalorentz=massa × percepatan evB=mv

2

r v=eBr

m

Jika electron awalnya diam, lalu bergerak melalui beda potensial V, energi kinetic saat elekrton masuk ke medan magnet sama dengan energi potensialnya, atau :

1 2m v

2 =eV

1 2m

(

eBr

m

)

2

=eV

e B2r2

2m =V e

m=

2V

(Br)2 Keterangan :

 r = jari-jari kumparan medan magnet  B = medan magnet

 V = potensial listrik

Maka saat itu JJ. Thomson menemukan rasio atau perbandingan muatan electron dan

massanya atau _me , yang nilainya −1,76×108C/Kg . Berdasarkan penemuannya itu, Thomson mengemukakan bahwa atom seperti bola materi bermuatan positif yang mengandung electron, model atom seperti ini dikenal sebagai model plum pudding. Atau kalian bisa membayangkannya seperti buah semangka, dengan biji-biji didalam daging buahnya, biji tersebut merupakan electron sedangkan daging buahnya yang merah adalah materi yang bermuatan positifnya.

Figure 4 model aton Thomson, hampir sama bukan dengan buah semangka yang ada disampingnya?

3) Eksperimen R.A Milikan

Figure 5 Penampang Milikan Oil Drop Apparatus

Jalan percobaan tetes minyak Milikan adalah sebagai berikut :

Setelah rasio e/m diketahui, Robert Andrews Milikan melakuka eksperimen unuk mengetahui berapa sebenarnya harga muata atau massa dari electron, eksperimen tersebut dikenal dengan nama eksperimen tetes minyak Milikan.

1. Minyak disemprotkan melalui atomizer sehingga menjadi partikel-pertikel kecil. 2. Lalu sebagian tetes minyak akan melewati plat bermuatan positif (lihat figure 5 )

yang berlubang dan jatuh karena gaya tarik gravitasi, karena teramati oleh mikroskop maka diameter tetes inyak bisa diketahui, massanya juga.

3. Radiasi sinar-x akan mengionisasi gas didalam silinder, hal tersebut akan meghasilkan electron dan melekat pada tetes minyak, sehingga menjadi bermuatan negatif. Karena plat bawah bermuatan negatif pula, maka antara minyak dan plat akan timbul gaya tolak-menolak, dengan mengatur beda potensial, maka minya dibuat mengambang, sehingga saat itu gaya tarik gravitasi = gaya tolak listrik.

F_E=W

Eq=mg

qV d=mg

q=dmg

V

 d = adalah jarak antara pelat elektroda  V = beda potensial

 M = massa tetes minyak  G = besar percepatan gravitasi

Dengan persamaa tersebut, besar muatan electron dapat diketahui, setelah muatan, maka menggunakan hasil percobaab e/m JJ.Thomson, maka massa electron dapat dicari!.

4) Eksperimen hamburan partikel alpha oleh Ernest Rutherford (1910)

Figure 7 Apa yang seharusnya terjadi terhadap gold foil dengan partikel alpha menurut teori Plum Pudding

Eksperimen yang dilakukan Rutherford adalah hamburan partikel alpha dari lempeng emas. Rutherford menembakan inti atom helium yang bermuatan positif pada lempeng emas tipis yang tebalnya hanya beberapa lapisan atom.

Perhatikan figure 6, partikel alpha yang ditembakan ada yang menembus lapisan emas, tapi ada juga yang menembus lalu dibelokan, dan malah ada yang dipantulkan kembali, mengapa? Jika teori plum pudding-nya JJ Thomson benar, seharusnya sebegian besar sinar alpha dapat melewati gold foil, dan hanya sedikit yang berdefeksi.

Maka Rutherford mengambil kesimpulan, kemungkinan besar sebagian ruang dalam atom adalah ruang kosong, dan terdapat massa yang terkonsentrasi pada pusat atom yang muatan positif, dimana ukurannya sangat kecil dibandingkan ukuran atom itu sendiri, Rutherford memperkirakan sekitar 10.000 kali lebih kecil.

Figure 7 Hasil Percobaan Rutherford

Maka berikut kesimpulan Rutherford :

 Jika partikel alpha menembus gold foil, itu berarti dia melewati ruang kosong yang ada di dalam atom.

 Jika partikel alpha dibelokan, itu berari pastikel alpha menabrak bagian atas atau bawah inti atom yang bermuatan positif juga, keranya mereka saling tolak menolak.  Jika partikel alpha malah di pantulkan, itu berarti partikel alpha langsung

 Itu berarti, atom bukan bola pejal, buktinya ada partikel alpha yang menembus gold foil.

Rutherford membuat usulan model atom, yaitut atom dengan inti yang sangat kecil dan bermuatan positif yang dikelilingi oleh electron bermuatan negatif.

Tapi teori ini juga mempunyai kelemahan setelah eksperimen Balmer dan kawan-kawan menunjukan jika spektrum atom hydrogen diskrit, jika model atom Rutherford benar, spektrum atom hydrogen seharusnya kontinu. Lalu, jika model atom memang seperti ini, seharusnya energi electron melemah tiap waktu, dan jari-jarinya mengecil, semakin lama, maka akan ada electron yang jatuh ke inti, tapi pada kenyataannya tidak ada electron yang jatuh ke inti. Kedua permasalahn tersebut tidak bisa dijawab oleh Rutherford.

D. Perkembangan Teori Atom setelah Percobaan Rutherford

Setelah Rutherford mempublikasikan hasil eksperimennya, pada tahun yang sama, Balmer dan kawan-kawan memulai eksperimen pengukuran spektrum hydrogen, yang hasilnya cukup kuat untuk menjatuhkan teori atom Rutherford, namun beberapa tahun

setelahnya, Niels Bohr muncul dengan 4 postulatnya yang bisa memperbaiki teori atom Rutherford dengan membuat model atom Bohr, yang modelnya juga mausk akal dengan hasil eksperimen Balmer. Setelahnya, muncul eksperimen Franck dan Hertz untuk membuktikan kuantisasi energi Bohr, dan ternyata hasilnya pun sejalan dengan apa yang dikemukakan Bohr. Namun, model atom Bohr masih memiliki beberapa kelemahan. Berikut penjelasan lebih lengkap terkait beberapa point yang sudah saya ringkas diatas. 1) Pengukuran Spektrum Hidrogen

Pada tahun 1885, J.J Balmer menemukan bahwa panjang gelombang dari atom gas hydrogen adalah seperti pada figure 12, terdapat garis-garis warna diantara garis gelap. Garis-garis ini menyatakan lintasan elektron yang jatuh dari tingkat energi lebih tinggi ke lintasan elektron dengan tingkat energi lebih rendah (ingat bentuk atom menurut Rutherford yang terdiri dari kulit-kulit, yang artinya electron berpindah kulit dari kulit satu ke kulit lainnya yang lebih dekat dengan inti sambil berpindah electron sambil melepaskan energi yang secara gelombang terlihat seprti warna), sambil memancarkan gelombang elektromagnetik sebagai radiasi foton. Fakta eksperimen tersebut bertentangan dengan model atom Rutherford, yaitu bahwa spectrum atom kontinyu atau tidak berupa pola gelap terang gelap terang tapi berpola seperti figure 10, setelah warna

Figure 9 Jika Rutherford benar, maka tidak mungkin ada warna hitam setelah panjang gelombang tertentu

merah menyambung warna merah tua higga hitam, bukan setelah warna tertentu langsung hitam.

Figure 10 beginilah seharusnya spektrum suatu unsur jika pernyataan model atom Rutherford benar, spektrumnya kontinu, menyambung dari satu warna ke warna lainnya.

Figure 11 Spektrum dari beberapa unsur. Gambar ini semakin mennguatkan Percobaan Balmer dkk.

2) Model Atom Niels Bohr (1913)

1. Elektron mengitari inti atom dalam orbit-orbit tertentu yang berbentuk lingkaran. Orbit-orbit ini sering disebut sebagai kulit-kulit elektron yang dinyatakan dengan notasi K, L, M, N ... dst yang secara berututan sesuai dengan n = 1, 2, 3, 4 ... dst. 2. Elektron dalam tiap orbit mempunyai energi tertentu yang makin tinggi dengan

makin besarnya lingkaran orbit atau makin besarnya harga n. Energi ini bersifat terkuantisasi dan harga-harga yang diijinkan dinyatakan oleh harga momentum sudut elektron yang terkuantisasi sebesar n (h/2π) dengan n = 1, 2, 3, 4 ... dst. 3. Selama dalam orbitnya, elektron tidak memancarkan energi dan dikatakan dalam

keadaan stasioner. Keberadaan elektron dalam orbit stasioner ini dipertahankan oleh gaya tarik elektrostatik elektron oleh inti atom yang diseimbangkan oleh gaya sentrifugal dari gerak elektron.

4. Elektron dapat berpindah dari orbit satu ke orbit lain yang mempunyai energi lebih tinggi bila elektron tersebut menyerap energi yang besarnya sesuai dengan perbedaan energi antara kedua orbit yang bersangkutan, dan sebaliknya bila elektron berpindah ke orbit yang mempunyai energi lebih rendah akan memancarkan energi radiasi yang teramati sebagai spektrum garis yang besarnya sesuai dengan perbedaan energi antara kedua orbit yang bersangkutan.

Pro kontra terhadap model atom Rutherford dan temuan Balmer dan kawan-kawan, memuat Niels Bohr membuat asumsi perihal mengapa kedua hal yang ditemukan Rutherford dan Balmer dapat terjadi, asumsi tersebut lebih dikenal postulat Bohr:

5. Atom dalam molekul dikatakan dalam keadaan tingkat dasar (ground state) apabila elektron-elektronnya menempati orbit-orbit sedemikian sehingga memberikan energi total terendah. Dan apabila elektron-elektron menempati orbit-orbit yang memberikan energi lebih tinggi daripada energi tingkat dasarnya dikatakan atom dalam tingkat tereksitasi (excited state). Atom dalam keadaan dasar lebih stabil daripada dalam keadaan tereksitasi.

Dari postulat tersebut, Bohr memperbaiki gagasan Rutherford dengan menambahkan bahwa electron berada pada orbit-orbitnya seperti planet-planet mengorbit matahari, namun pada atom, tiap-tiap orbitnya mungkin diisi oleh beberapa electron. Penjelasan Bohr tentang percobaan balmer diturunkan menjadi sebuah rumus, yaitu:

Persamaan tersebut secara langsung menunjukkan besar energi sistem keadaan stasioner yang diperbolehkan. Tingkat-tingkat energi atom hidrogen ditunjukkan oleh gambar dibawah ini :

Gambar diatas menunjukkan transisi antara tingkatan-tingkatan energi atom hidrogen. Garis-garis yang diamati pada spektrum berhubungan dengan transisi antara tingkat-tingkat energi tersebut. Seperti terlihat pada gambar, dengan panah-panah menjukkan semua kemungkinan transisi.

Figure 12 hubungan antara deret Balmer dan kawan-kawan terhadap spektrum hidrogen

Figure 13 menjelaskan jika atom hydrogen memiliki panjang atom tertentu atau melepaskan enegri tertentu, dia akan memancarkan gelombang elektromagnetik yang oleh mata kita terlihat sebagai warna, namun jika atom hydrogen tersebut tidak memancarkan gelombang elektromagnetik atau menjadi gelap, itu berarti atom tersebut teradapat pada panjang gelombang tertentu yang sebenarnya dia memancarkan gelombang elektromagnetik namun tidak terlihat oleh mata kita atau invisible. Jadi sebenarnya spektrum hydrogen itu kontinu namun beberapa warnanya tidak terlihat oleh mata kita atau invisible light.

Dengan demikian, stuktur atom berdasarkan model atom Bohr adalah elektron dapat berada di dalam lintasan-lintasan stasioner dengan energi tertentu. Dimana lintasan elektron dapat juga dianggap sebagai tingkat energi elektron. Meskipun model atom Bohr dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen, model atom Bohr tidak dapat digunakan

untuk menentukan spektrum atom berelektron banyak. Jadi model atom Bohr tersebut memiliki kelebihan dapat menjelaskan bahwa atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron. Sedangkan kelemahannya adalah tidak dapat menjelaskan efek zeeman dan efek strack.

merah menyambung warna merah tua higga hitam, bukan setelah warna tertentu langsung hitam.

Figure 10 beginilah seharusnya spektrum suatu unsur jika pernyataan model atom Rutherford benar, spektrumnya kontinu, menyambung dari satu warna ke warna lainnya.

Figure 11 Spektrum dari beberapa unsur. Gambar ini semakin mennguatkan Percobaan Balmer dkk.

2) Model Atom Niels Bohr (1913)

1. Elektron mengitari inti atom dalam orbit-orbit tertentu yang berbentuk lingkaran. Orbit-orbit ini sering disebut sebagai kulit-kulit elektron yang dinyatakan dengan notasi K, L, M, N ... dst yang secara berututan sesuai dengan n = 1, 2, 3, 4 ... dst. 2. Elektron dalam tiap orbit mempunyai energi tertentu yang makin tinggi dengan

makin besarnya lingkaran orbit atau makin besarnya harga n. Energi ini bersifat terkuantisasi dan harga-harga yang diijinkan dinyatakan oleh harga momentum sudut elektron yang terkuantisasi sebesar n (h/2π) dengan n = 1, 2, 3, 4 ... dst. 3. Selama dalam orbitnya, elektron tidak memancarkan energi dan dikatakan dalam

keadaan stasioner. Keberadaan elektron dalam orbit stasioner ini dipertahankan oleh gaya tarik elektrostatik elektron oleh inti atom yang diseimbangkan oleh gaya sentrifugal dari gerak elektron.

4. Elektron dapat berpindah dari orbit satu ke orbit lain yang mempunyai energi lebih tinggi bila elektron tersebut menyerap energi yang besarnya sesuai dengan perbedaan energi antara kedua orbit yang bersangkutan, dan sebaliknya bila elektron berpindah ke orbit yang mempunyai energi lebih rendah akan memancarkan energi radiasi yang teramati sebagai spektrum garis yang besarnya sesuai dengan perbedaan energi antara kedua orbit yang bersangkutan.

Pro kontra terhadap model atom Rutherford dan temuan Balmer dan kawan-kawan, memuat Niels Bohr membuat asumsi perihal mengapa kedua hal yang ditemukan Rutherford dan Balmer dapat terjadi, asumsi tersebut lebih dikenal postulat Bohr:

5. Atom dalam molekul dikatakan dalam keadaan tingkat dasar (ground state) apabila elektron-elektronnya menempati orbit-orbit sedemikian sehingga memberikan energi total terendah. Dan apabila elektron-elektron menempati orbit-orbit yang memberikan energi lebih tinggi daripada energi tingkat dasarnya dikatakan atom dalam tingkat tereksitasi (excited state). Atom dalam keadaan dasar lebih stabil daripada dalam keadaan tereksitasi.

Dari postulat tersebut, Bohr memperbaiki gagasan Rutherford dengan menambahkan bahwa electron berada pada orbit-orbitnya seperti planet-planet mengorbit matahari, namun pada atom, tiap-tiap orbitnya mungkin diisi oleh beberapa electron. Penjelasan Bohr tentang percobaan balmer diturunkan menjadi sebuah rumus, yaitu:

Persamaan tersebut secara langsung menunjukkan besar energi sistem keadaan stasioner yang diperbolehkan. Tingkat-tingkat energi atom hidrogen ditunjukkan oleh gambar dibawah ini :

Gambar diatas menunjukkan transisi antara tingkatan-tingkatan energi atom hidrogen. Garis-garis yang diamati pada spektrum berhubungan dengan transisi antara tingkat-tingkat energi tersebut. Seperti terlihat pada gambar, dengan panah-panah menjukkan semua kemungkinan transisi.

Figure 12 hubungan antara deret Balmer dan kawan-kawan terhadap spektrum hidrogen

Figure 13 menjelaskan jika atom hydrogen memiliki panjang atom tertentu atau melepaskan enegri tertentu, dia akan memancarkan gelombang elektromagnetik yang oleh mata kita terlihat sebagai warna, namun jika atom hydrogen tersebut tidak memancarkan gelombang elektromagnetik atau menjadi gelap, itu berarti atom tersebut teradapat pada panjang gelombang tertentu yang sebenarnya dia memancarkan gelombang elektromagnetik namun tidak terlihat oleh mata kita atau invisible. Jadi sebenarnya spektrum hydrogen itu kontinu namun beberapa warnanya tidak terlihat oleh mata kita atau invisible light.

Dengan demikian, stuktur atom berdasarkan model atom Bohr adalah elektron dapat berada di dalam lintasan-lintasan stasioner dengan energi tertentu. Dimana lintasan elektron dapat juga dianggap sebagai tingkat energi elektron. Meskipun model atom Bohr dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen, model atom Bohr tidak dapat digunakan

untuk menentukan spektrum atom berelektron banyak. Jadi model atom Bohr tersebut memiliki kelebihan dapat menjelaskan bahwa atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron. Sedangkan kelemahannya adalah tidak dapat menjelaskan efek zeeman dan efek strack.