Pertemuan Ke 5 (Struktur Atom)
FISIKA MODERN
PENDAHULUAN
Konsep atom telah muncul sejak filosof-filosof kuno: ARAB, YUNANI. Struktur Materi :
PERTEMUAN KE-5
Struktur kontinu : benda atau materi dapat terus dibagi sampai tak berhingga kecilnya. Struktur diskrit : materi tersusun dari bagian terkecil yang tak terbagi lagi, disebut ATOM. ABAD KE V SM → Anaxagoras, Leucippus, Democritus (ahli filsafat Yunani) mempostulatkan “ semua materi tersusun
Nurun Nayiroh, M.Si dari partikel-partikel yang disebut atom ” → yang artinya tak dapat dibagi lagi.
Pengertian atom secara ilmu pengetahuan baru kemudian dikemukakan oleh DALTON (1803), dan penyelidikan mengenai struktur materi dan penyusunan dasar-dasar teori atom dimulai sejak orang mengembangkan ilmu kimia.
1803 : J. Dalton mengemukakan bahwa unsur kimia saling
Sampai saat itu orang telah dapat
bereaksi dalam perbandingan berat tertentu → membentuk
menentukan diameter atom, akan tetapi
atom majemuk (yang kemudian disebut MOLEKUL)
belum mengetahui struktur atom
1811 : Avogadro menyatakan “bermacam-macam gas dalam
volume yang sama mengandung sejumlah molekul yang
STRUKTURNYA APA?
sama, apabila suhu dan tekanan sama” 1897 : Thomson menemukan elektron,
1815 : Prout, berdasarkan pengamatan bahwa berat atom
orang mulai membuat model atom
unsur mendekati bilangan bulat, mengajukan hipotesis bahwa
1911 : Rutherford atom terdiri dari inti
atom hidrogen merupakan satuan pembentuk unsur yang lebih berat
atom yang bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron-elektron yang
1911 : Perrin dengan teliti menentukan jumlah molekul
23
dalam 1 gramol (bilangan Avogadro): NA = 6,022 × 10 bermuatan negatif (seperti tata surya)
- 1
grammol
b. Proton
Dari percobaan tabung hampa kemudian ditemukan adanya sinar
Partikel Dasar
yang bermuatan positif yang sering disebut “sinar saluran”, yang massa dan muatannya bergantung pada sifat dan jenis gas sisa yang
a. Elektron terdapat dalam tabung.
1833 : Percobaan elektrolisis Faraday membuktikan bahwa Partikel bermuatan satu dengan nilai e/m maksimum didapatkan benda bersifat listrik bila gas sisa adalah hidrogen.
1874 : Stoney mengemukakan hipotesis bahwa mungkin Ternyata partikel ini, yang disebut PROTON mempunyai sifat yang dalam alam terdapat satuan listrik, yaitu jumlah listrik yang sama dengan hidrogen. Dari percobaan lebih lanjut dapat harus dialirkan melalui larutan untuk dapat melepaskan dibuktikan bahwa proton ini tidak lain adalah inti hidrogen. pada elektrode satu atom H, atau suatu unsur lain yang ekivalen. Satuan ini oleh Stoney diberi nama ELEKTRON.
c. Neutron
1879 : Sir William Crooks dalam mempelajari sifat-sifat Dari kenyataan bahwa dalam inti atom terdapat elektron yang bunga api listrik dalam tabung hampa menunjukkan adanya bermuatan negatif dan proton yang bermuatan positif, suatu sinar yang mengalir dari kutub negatif ke kutub menyebabkan Rutherford dalam tahun 1920 meramalkan adanya positif. Sinar ini diberi nama SINAR KATODE. partikel netral sebagai akibat penggabungan proton dan elektron.
Partikel ini diberi nama NEUTRON, yang baru kemudian dalam 1897 : Sir J.J. Thomson membuktikan bahwa sinar katode tahun 1932 dapat dibuktikan kebenarannya oleh Chadwick terdiri dari partikel bermuatan negatif sesuai dengan hipotesis Stoney Thomson memberinya nama ELEKTRON
d. Positron Andersen (1932) dalam penelitiannya dengan sinar kosmik menemukan partikel yang dalam medan listrik dan medan magnet mempunyai sifat yang berlawanan dengan elektron, walaupun massanya dapat dibuktikan sama besar. Partikel ini disebutnya POSITRON e. Neutrino dan Antineutrino
Ketiga partikel, elektron, proton dan neutron merupakan partikel Untuk mempertahankan hukum kekekalan massa dan energi dalam peristiwa yang dikenal sebagai partikel stabil. Disamping ketiga partikel stabil peluruhan beta, perlu dimasukkan lagi suatu partikel baru dengan beberapa sifat yang dihipotesiskan. tersebut, ada lagi beberapa partikel yang tak stabil yang hanya
(1927) Pauli mengajukan postulat bahwa partikel baru ini, yang dinamakan dapat hidup untuk jangka waktu tertentu saja. NEUTRINO, diciptakan dan dipancarkan pada setiap proses peluruhan beta. Neutrino mempunyai massa hampir sama dengan nol dan muatan sama dengan nol, karena itu sulit untuk berinteraksi dengan benda sehingga sulit untuk dideteksi. Neutrino dipancarkan pada proses pemancaran negatron (elektron negatif) dan ANTINEUTRINO dipancarkan pada proses pemancaran positron.
f. Meson Untuk menerangkan sifat ikatan dalam inti, Yukawa (1935) mengajukan postulat adanya partikel dengan massa antara elektron dan proton.
Penelitian-penelitian kemudian dengan sinar kosmik menunjukkan adanya partikel MESON, dan pada saat ini dikenal bermacam-macam bentuk meson. Beberapa Jenis Satuan: Satuan cgs [cm, gram, sekon (detik)], Satuan mks [m, kg, sekon (detik)] Si (System Internationale) digunakan satuan : panjang : m arus listrik : ampere (A) gaya: Newton = kg.m/s
2 , dyne = g.cm/s
2 massa : kg suhu : derajad ( o
C) waktu : detik banyak bahan : mol (gmol) energi: joule = newton.m = kg.m
2 /s
2 , erg = dyne.cm = g.cm
2 /s
Dengan penemuan partikel dasar seperti tersebut di atas, pertanyaan yang kini muncul adalah bagaimanakah partikel tersebut tersusun membentuk atom unsur-unsur. Suatu gambaran sederhana diberikan oleh Thomson (1910), dimana atom terdiri dari suatu bulatan bermuatan positif dengan rapat muatan merata, di dalam muatan positif ini tersebar elektron dengan muatan negatif yang besarnya sama dengan muatan positif.
a. Penemuan elektron Sejak Faraday menemukan hukum-hukumnya mengenai elektrolisa, orang mulai berpendapat tentang adanya sifat atomistik terdapat pada muatan listrik Ini terlihat bahwa untuk mengendapkan ion-ion monovalen diperlukan muatan listrik yang sama banyaknya setiap gram ionnya
Maka tiap ion diperkirakan membawa muatan keunsuran listrik dan oleh STONEY catu keunsuran ini disebut : ELEKTRON
2 Struktur Atom
KONDUKSI LISTRIK DALAM LARUTAN
Apabila 2 elektrode tembaga (Cu) dicelupkan dalam larutan tembaga sulfat (CuSO 4 ) dan dihubungkan dengan baterai yang memberikan beda potensial melewati larutan, suatu arus akan mengalir dalam elektrolit dan tembaga terdeposit pada katode.
Proses elektrolisa terjadi jika arus listrik melewati suatu larutan garam inorganik dalam air Reaksi tsb selalu mengakibatkan oksidasi atau reduksi bahan elektrode dan elektrolit Faraday menemukan dua hukum yang menentukan jumlah bahan yang terdeposit selama elektrolisa
Konduksi listrik melalui larutan
HUKUM I : menyatakan bahwa massa m (g) dari setiap bahan yang dibebaskan dari larutan sebanding dengan kuantitas listrik Q (Coulomb) yang melewati larutan HUKUM II : menyatakan bahwa massa dari bahan yang dibebaskan oleh kuantitas listrik yang sama adalah sebanding dengan ekuivalensi kimianya 1 mol dari setiap ion monovalen dibebaskan oleh kuantitas listrik yang sama selama elektrolisa dan kuantitas listrik tsb dinamakan : KONSTANTE FARADAY F
F = 9,648456 × 10 4 C/mol dimana : ε adalah konstante ekuivalensi elektrokimia (kg/C) I adalah arus yang mengalir (ampere) t adalah waktu (detik)
Hukum-hukum Faraday diringkas dalam persamaan :
Sekarang diketahui bahwa konduksi melewati cairan timbul dari adanya ion-ion atom atau grup atom membawa muatan listrik positif atau negatif Arus dibawa oleh pergerakan ion-ion yg melewati larutan di bawah pengaruh medan listrik :
2+ dimana :
- ion-ion tembaga membawa 2 muatan positif : Cu
2-
- ion-ion sulfat membawa 2 muatan negatif : SO
n = jumlah mol yang dibebaskan
4 Dalam larutan CuSO 4 menjadi terionisasi : F = konstante faraday
2+ 2-
CuSO → Cu + SO
4
4 I = arus (ampere) 2+
- Cu ditarik katode : terdeposit sebagai metal tembaga
z = valensi ion yg dibebaskan 2- 2-
- SO menuju ke anode : SO + Cu → CuSO + 2
4
4
4 F = NA e t = waktu (detik) (jumlah muatan ion)
KONDUKSI LISTRIK DALAM GAS Pada tekanan ~ 1 μmHg : timbul ruang gelap Crookes Pada keadaan hampir hampa :
Elektron ditemukan dalam rangka penyelidikan hantaran
- ruang gelap Crookes mengisi hampir seluruh ruangan kelistrikan di dalam gas yang bertekanan rendah.
- dinding menyala hijau
Pada tekanan udara normal : bersifat sebagai isolator
- suatu sinar tak nampak (disebut SINAR KATODE)
Diperlukan E ≈ 3 MV/m supaya terjadi konduksi listrik
memancar dari katode :
- Dapat membentuk bayangan benda
Jika tekanan dikurangi dan pada
- Disimpangkan oleh medan listrik & magnet
elektrode dipasang beda potensial:
- terjadi lucutan lis>Dapat menghitamkan plat fotog>gas memancarkan ca
- Dapat menembus metal tipis
Pada tekanan ~ 1 mmHg :
Berdasarkan sifat-sifat sinar katode : THOMSON (1897)
- timbul warna biru pada katode
- ruang gelap Faraday mengajukan hipotesa : “ Sinar katode terdiri dari
partikel-partikel bermuatan negatif yang bergerak sangat cepat ” Penentuan e/m Dengan Metode THOMSON Jika pada K dan A dipasang tegangan tinggi V :
Peralatan yang digunakan oleh Thomson Dengan mengetahui beberapa ukuran geometri alat: sinar katode akan dipancarkan dari K ke A untuk menentukan (e/m) adalah sebuah 2 Energi kinetik partikel : ½ mv = eV l = panjang lempeng kapasitor tabung hampa tinggi yang dilengkapi m : massa e : muatan elektron dengan elektrode (A dan K) v : kecepatan elektron V : beda potensial d = jarak antara lempeng kapasitor Partikel bergerak beraturan dan mengenai
L = jarak antara pusat kapasitor dengan layar dinding di s Jika lempeng kapasitor di belakang A
Maka harga e/m dapat diukur, dari pengukuran yang dipasang tegangan V’, maka partikel akan mengalami gaya: F = eV’/d = eE → partikel
11 seksama : e/m = 1,7588 × 10 C/kg. menyimpang y’, dimana : E = V’/d (medan listrik) Untuk mengembalikan noda fluoresensi pada titik s dipasang medan magnet B, sehingga : eE = Bev dan v = E/B Dengan menggunakan Hukum Newton II: 2 2 2 2 eE = m(d y/dt ) = ma, e/m = 2 yv /El
Karena : v = E/B dan y = ly’/2L, maka: Penentuan Muatan Elektron Besarnya muatan dalam elektron ditemukan oleh Robert
Andrew Milikan (1908) melalui percobaan tetes minyak
Salah satu cara sederhana menggunakan percobaan Millikan
Milikan seperti gambar: Jika dipasang tegangan antara lempeng kapasitor = V
1) Gaya listrik dapat mengimbangi gaya berat, tetes minyak terlihat melayang 3 g(ρ - ρ ) ………(1) qV/d = (4π/3) a o dimana : d = jarak keping (lempeng) a = jari-jari tetes g = percepatan gravitasi ρ = rapat minyak
= rapat udara ρ o
Apabila tegangan listrik ditiadakan → tetes akan jatuh dan mengalami Minyak disemprotkan ke dalam tabung yang bermuatan gesekan udara listrik. Akibat gaya tarik gravitasi akan mengendapkan
Andaikan kelajuan maksimal = v o 3 tetesan minyak yang turun. Bila tetesan minyak diberi → menurut Stokes : 6 πaηv g(ρ - ρ ) ...........(2) o = (4/3)πa o muatan negatif maka akan tertarik kekutub positif medan
η: koefisien viskositas udara listrik.
Hasil percobaan Milikan dan Thomson diperoleh muatan Dengan eliminasi jari-jari tetes a, diperoleh : elektron –1 dan massa elektron 0, sehingga elektron dapat dilambangkan
.........(3) Dengan mengadakan pengukuran terhadap berbagai tetes minyak :
- 19
Millikan memperoleh bermacam-macam harga q →e = 1,591 × 10 Coulomb Eksperimen selanjutnya dengan metode ini diperoleh : -19
e = 1,602 × 10 Coulomb
2) Tetes minyak tidak setimbang dalam medan listrik jika tetes bergerak mencapai kelajuan maksimum = v , menurut Stokes :
x
MODEL-MODEL ATOM
Persamaan (2) dan (3) memberikan : q/V = 6πaη(v + v )
o x
Untuk menghilangkan jari-jari a dipakai persamaan (2)
Tahun 1910 secara eksperimental dapat ditunjukkan
Dengan menggunakan besaran-besaran elektronik yang dihasilkan
bahwa atom-atom terdiri dari elektron-elektron
dengan metode di atas:
11 (yaitu hamburan sinar-X oleh atom, efek fotolistrik, dll.) e/m = 1,7588 × 10 C/kg
- 19
e = 1,6022 × 10 C
Maka dapat dihitung massa elektron, yaitu
- 19
11
m = e ÷ (e/m) = (1,6022 × 10 )/(1,7588 × 10 )
e -31 m = 9,1096 × 10 kg e
B. MODEL ATOM RUTHERFORD
A. MODEL ATOM THOMSON
1911 : Rutherford melakukan eksperimen Karena atom-atom pada umumnya netral, maka selain atom mempunyai untuk membuktikan kebenaran model atom muatan negatif –Ze, atom juga terdiri dari muatan positif yg besarnya sama
Thomson. Eksperimen tsb dilakukan oleh dengan muatan negatifnya. Geiger & Marsden (asisten Rutherford) berupa
J.J. Thomson mengajukan suatu model atom: hamburan partikel oleh keping emas.
Elektron-elektron yang bermuatan negatif terletak dalam
“
suatu muatan positif yang terdistribusi kontinyu
”. Dari eksperimen diperoleh hasil Distribusi muatan positif diandaikan berbentuk bola dengan bahwa hampir semua partikel
- 10
jari-jari ~ 10 m menembus keping emas
Atom merupakan bola bermuatan positif Tetapi terjadi keistimewaan bahwa serba-sama yang mengandung elektron ada partikel yang dihamburkan balik
Model atom Thomson : model plum- diperoleh 1 partikel diantara 8.000 pudding (kue) karena menyerupai kue yang partikel yang dibelokkan dengan berkismis
o
sudut > 90 Percobaan Hamburan Sinar α
Teori Hamburan Rutherford
25 Berdasarkan hasil eksperimen tersebut, Rutherford menarik kesimpulan
bahwa :
1. Atom sebagian besar tediri dari ruang hampa dengan satu inti yang bermuatan positif dan satu atau beberapa elektron yang beredar disekitar inti.
2. Atom secara keseluruhan bersifat netral, muatan positif pada inti sama besarnya dengan muatan elektron yang beredar di sekitarnya.
3. Volume inti << volume atom 4. Inti dan elektron tarik-menarik → gaya sentripetal.
5. Pada reaksi kimia, inti atom tidak mengalami perubahan. Yang mengalami perubahan ialah elektron-elektron pada kulit terluar. -8 d cm atom ≈ 1 Å = 10 -13 d ≈ 1 F = 10 cm inti
Gaya tarik-menarik antara inti dan elektron sama dengan gaya Menurut Rutherford, elektron-elektron beredar di sekeliling inti. Jika sentripetal yang bekerja pada elektron jari-jari lintasan elektron r, energi potensial elektron pada orbitnya:
2 Sehingga energi kinetik elektron pada orbitnya, dari Ek = ½ m v
Energi total elektron: dimana e adalah muatan elementer, dan m adalah massa elektron
SPEKTRUM ATOM
Kelemahan teori atom Rutherford adalah :
SPEKTRUM ATOM HIDROGEN
Lintasan elektron tidak lagi berupa lingkaran, tetapi berupa pilin Dalam model atom Rutherford : elektron berputer mengelilingi inti (untuk mengatasi gaya Coulomb)
(seperti Obat Nyamuk) yang pada akhirnya elektron jatuh ke Teori elektromagnet : “ partikel bermuatan (e-) yang bergerak akan dalam inti, sehingga atom itu tidak stabil. ( Tidak dapat
memancarkan gelombang elektromagnet (Bremstrahlung
)”
menjelaskan kestabilan atom) atom tidak stabil → orbit elektron berbentuk spiral → elektron ditangkap
oleh inti Bila lintasan elektron semakin menciut, periode putaran
Karena memancarkan gelombang e.m. → spektrum kontinyu elektron menjadi semakin kecil, Frekuensi gelombang yang
Kenyataan : spektrum atom berbentuk diskrit (berupa garis-garis) (1859) : Kirchhoff menyatakan bahwa masing-masing unsur memperlihatkan dipancarkan berubah pula. ( Tidak dapat menjelaskan suatu spektrum karakteristik
spektrum garis atom hidrogen)
(1885) : Balmer dan Rydberg menemukan rumusan distribusi garis dalam suatu spektrum. Rumusan tsb memperlihatkan bahwa spektrum atom dapat memberikan berbagai informasi tentang struktur atom Dalam daerah tampak, spektrum hidrogen diketahui terdiri dari 4 garis utama: merah (656,3 nm), biru (486,1 nm) dan violet (434,0 dan 410,2 nm), sementara hasil fotografi memperlihatkan ada garis lainnya mendekati daerah ultra-violet (364,6 nm) Rumus empiris Balmer :
Konsep Atom Menurut Bohr n = 3, 4, 5, ….
Hasil pengamatan spektroskopis terhadap spektrum atom dimana :
R = tetapan Rydberg = 1,097 × 10 /m Rutherford. c =λυ → (1/λ) = υ/c = σ (bilangan gelombang)
7 Hidrogen telah membuka kelemahan-kelemahan model atom
Dari kenyataan ini dapat ditafsirkan beberapa kemungkinan:
1. Model atom Rutherford salah, atau
2. Teori Elektrodinamika klasik salah, atau
3. Model atom Rutherford dan teori Elektrodinamika klasik hanya berlaku untuk batas-batas tertentu.
Pada tahun 1913, Niels Bohr (1885-1962) menyusun model
Untuk atom-atom unsur alkali (Li, Na, K, …)
atom Hidrogen berdasarkan model atom Rutherford dan teori Kuantum Planck.
a,b = konstante deret utama m = bilangan bulat tertentu (tetap) n = bilangan bulat variabel
Model Bohr untuk atom hydrogen
hanya dapat berputar pada lintasan tertentu tanpa memancarkan atau energi. Lintasan ini disebut lintasan stasioner. Besar momentum anguler elektron pada lintasan stasioner ini adalah :
Jari-jari Lintasan Elektron Elektron yang jari-jari lintasannya r memiliki, persamaan
dan disebut sebagai bilangan kuantum
umum untuk sembarang lintasan : utama , dan h adalah konstanta Planck . dengan r = 0,53 Å (jari-jari Bohr), dan n = 1,2,3,… dst.
1 35 = πε Kecepatan elektron dalam orbit : dimana: n = 1,2,3,… Untuk tingkat dasar : n =1 & Z = 1
Spektrum Gas Hidrogen Menurut Bohr
Bila elektron meloncat dari lintasan yang energinya tinggi ke lintasan yang energinya rendah, dipancarkan energi sebesar E=h.f mengikuti spektrum “LBPBP” (Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, Pfund), dengan persamaan : nA = Kulit yang dituju nB = Kulit yang ditinggalkan
- 7
R = 1,097.10
m
Deret Lyman (Ultra Ungu) nA = 1 dan nB = 2, 3, 4 …. Deret Balmer (Cahaya tampak) nA = 2 dan nB = 3, 4, 5, …. Deret Paschen (Inframerah I) nA = 3 dan nB = 4, 5, 6, …. Deret Brackett (Inframerah II) nA = 4 dan nB = 5, 6, 7, …. Deret Pfund (Inframerah III) nA = 5 dan nB = 6, 7, 8, ….
Energi
Energi untuk kulit ke-n memenuhi persamaan : Apabila terjadi perpindahan (transisi) elektron dari satu kulit ke kulit yang lain, maka memerlukan energi : Besarnya energi yang diperlukan atau dipancarkan sebesar:
λ = = h = tetapan Planck = 6,6.10
- -34 Js f = frekuensi foton (Hz) c = cepat rambat cahaya = 3.10 8 m/s
λ = panjang gelombang foton (m)
! " #
E1 < E2 < E3
Energi Ionisasi
Bila elektron terbangkit sampai kuantum , maka elektron itu lepas dari lingkungan atom dan atom tersebut menjadi ion (+). Energi yang diserap untuk meng-ion-kan atom disebut Energi Ionisasi.
Untuk membangkitkan elektron dari kuantum nA ke kuantum nB Besar Energi Ionisasi atom Hidrogen: diserap energi sebesar: dengan untuk n = 1 → E = 13,6 eV Sebaliknya jika ion Hidrogen mengikat sebuah elektron akan dipancarkan energi sebesar: sehingga
Besar Frekuensi foton yang dipancarkan: Dengan mensubstitusikan nilai m,e,k,h maka diperoleh untuk n = 2 diperoleh frekuensi yang sesuai dengan salah satu deret balmer
Kelebihan model Bohr Afinitas Elektron
Elektron yang terlepas dari susunan atom akan Keberhasilan teori Bohr terletak pada ditangkap oleh struktur atom yang lain. kemampuannya untuk meramalkan garis-garis dalam
Kemampuan sebuah atom untuk menangkap spektrum atom hidrogen. elektron bebas disebut sebagai Afinitas
Salah satu penemuan adalah sekumpulan garis halus, Elektron. Dan atom tersebut menjadi ion (-) terutama jika atom-atom yang dieksitasikan diletakkan pada medan magnet.
44 Kelemahan
Struktur garis halus ini dijelaskan melalui modifikasi teori Bohr tetapi teori ini tidak pernah berhasil memerikan spektrum selain atom hydrogen Belum mampu menjelaskan adanya stuktur halus (fine structure) pada spectrum, yaitu 2 atau lebih garis yang sangat berdekatan Belum dapat menerangkan spektrum atom kompleks Itensitas relatif dari tiap garis spektrum emisi.
Efek Zeeman, yaitu terpecahnya garis spektrum bila atom berada dalam medan magnet