Materi 7 dan 8 Struktur Atom

FISIKA MODERN

  PERTEMUAN KE-7 & 8 Nurun Nayiroh, M.Si

  Sub Pokok Bahasan Model Awal dari Atom Model Atom Rutherford Orbit Elektron Spektrum Atomik Atom Bohr Laser

  PENDAHULUAN

  Konsep atom telah muncul sejak filosof-filosof kuno: ARAB, YUNANI. Struktur Materi :

  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 V SM → Anaxagoras, Leucippus, Democritus (ahli filsafat Yunani) mempostulatkan “ semua materi tersusun

  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.

  Sifat-sifat Dasar Atom Ukuran atom sangat kecil, jari-jarinya sekitar 0,1 nm sehingga tidak dapat diamati dengan menggunakan cahaya tampak (λ≈500 nm) Semua atom stabil Atom tidak membelah diri secara spontan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil Semua atom mengandung elektron bermuatan negatif, namun netral.

  Atom memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik

MODEL ATOM THOMSON

  Prestasi J.J. Thomson Mencirikan elektron (Tabung sinar Katoda) Mengukur nisbah muatan terhadap massa (e/m) elektron) ( )

  Model atom Thomson berhasil menerangkan banyak sifat atom yang diketahui seperti: ukuran,massa, jumlah elektron dan kenetralan muatan elektrik

  

Model atom Thomson : model plum-

pudding (roti kismis) karena elektron- elektronnya tersebar di seluruh atom seperti halnya kismis yang tersebar dalam kue kismis.

  J.J. Thomson mengajukan suatu model atom: “Model atomnya dipandang mengandung Z elektron yang dibenamkan dalam suatu bola bermuatan positif seragam”.

  Distribusi muatan positif diandaikan berbentuk bola dengan jari- jari ~ 10

• ^-10 m

  Muatan positif total bola adalah Ze , massanya pada dasarnya adalah massa atom (massa elektron terlalu

ringan sehingga tidak banyak mempengaruhi massa

atom), dan jari-jari R bola ini adalah jari-jari atom pula Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

  Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.

  Baca selebihnya tentang Model Atom Thomson di buku FISIKA MODERN (KENNETH KRANE) Hal. 221-228

MODEL ATOM RUTHERFORD

  1911 : Rutherford melakukan eksperimen untuk membuktikan kebenaran model atom Thomson. Eksperimen tsb dilakukan oleh Geiger & Marsden (asisten Rutherford) berupa hamburan partikel oleh keping emas.

  Dari eksperimen diperoleh hasil bahwa hampir semua partikel menembus keping emas Tetapi terjadi keistimewaan bahwa ada partikel yang dihamburkan balik diperoleh 1 partikel diantara 8.000 partikel yang dibelokkan dengan _o sudut > 90 atau dalam bentuk sederhana Sumber sinar Alpha Lempeng Emas

  Layar Atom Logam

Diteruskan

  Sinar alfa

  Dibelokkan Dipantulkan Hasil eksperimen Rutherford Asumsi Rutherford: Partikel alpa dan inti emas berukuran sangat kecil Partikel alpa dan inti emas bermuatan positif Gaya listrik sebanding

  2 dengan 1/r menyebabkan partikel alpa terhambur

  Proses Hamburan Rutherford P θ _F φ

  ½ ( π−θ) Partikel alpha ½ ( π−θ) θ b

• +

Gaya listrik yang ditimbulkan oleh inti pada partikel alfa beraksi sepanjang vector jari-jari antara keduanya, sehingga tidak ada torsi pada partikel alfa, dan momentum sudut

  2 mωr konstan.

  = πε

  Karena inti diam berarti besar momentum partikel alfa tetap : p =p = mv

  1

2 Tetapi impuls

  ∫ F.dt, menyebabkan perubahan vektor momentum partikel alpa sebagai : = − =

  ∫ Perubahan Impuls sama dengan perubahan momentum, besarnya adalah:

  = = φ ∫ ∫

  2 θ π sin mv sin θ p − =

  2 θ θ) cos (π sin ₂ ¹ = − θ

  Besar perubahan momentum

  2 θ

2mv sin p

  =

θ θ

θ =

  Momentum sudut partikel alfa sekitar inti adalah kosntan. m ωr ² = konstan = m r ² d φ/dt = mvb Atau

  φ φ φ θ

  θ π θ π ∫ − −

  = = ^{! "} _{! "} = =

  ω φ Subsitusikan persamaan ini ke dalam persamaan integral di atas akan menghasilkan:

  (π − θ)/2 θ

  2 2mv bsin = F cosφ dφ ∫

  (π − θ)/2

2 Penyelesaian integral menghasilkan persamaan

  hubungan antara Sudut hamburan θ dengan parameter dampak b :

  θ πε

  θ πε =

  

=

#

  : sudut hamburan pertikel alfa θθ : sudut hamburan pertikel alfa b : parameter dampak b : parameter dampak K = ½ mv2 : energi kinetik K = ½ mv2 : energi kinetik

  Rumus Hamburan Rutherford ( ' ( " !

  θ = " & πε ! " $% ! " θ ! ("θ! )

• θ
• ( ) )
• ,
• ' ( $% %
• ) +

  Kajian terhadap hamburan partikel bermuatan oleh inti atom (hamburan Rutherford) dibagi menjadi 3 bagian:

  1. Perhitungan fraksi partikel yang dihamburkan pada sudut yang lebih besar dari pada ₂ θ f = f = ntπb

  <b > θ

  2. Rumus Rutherford dan pembuktian kebenarannnya lewat percobaan ( '

  ( " θ ! = " & πε ! " $% ! " θ !

  3. Jarak terdekat ke inti atom, yang dapat dicapai oleh partikel bermuatan.

  =

  πε 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. d _atom ≈ 1 Å = 10

• ^-8

  cm d _inti ≈ 1 F = 10

  ^-13

  cm

  Kelemahan teori atom Rutherford adalah :

  Lintasan elektron tidak lagi berupa lingkaran, tetapi berupa pilin (seperti Obat Nyamuk) yang pada akhirnya elektron jatuh ke dalam inti, sehingga atom itu tidak stabil. ( Tidak dapat

  menjelaskan kestabilan atom)

  Bila lintasan elektron semakin menciut, periode putaran elektron menjadi semakin kecil, Frekuensi gelombang yang dipancarkan berubah pula. ( Tidak dapat menjelaskan

  spektrum garis atom hidrogen)

  Baca selebihnya tentang Hamburan Rutherford pada buku FISIKA MODERN (KNNETH KRANE) hal.228-239 atau buku KONSEP FISIKA MODERN (ARTHUR BEISER) hal. 122-136

SPEKTRUM ATOM

  Radiasi EM dari atom dapat dikelompokkan menjadi: Spektrum kontinyu Spektrum garis

  Spektrum Kontinyu

• Spektrum kontinyu : radiasi yang dihasilkan oleh atom yang tereksitasi yang terdiri dari berbagai warna yang bersinambungan, yaitu ungu, biru, hijau, kuning, jingga, merah.

  Semakin besar panjang gelombang maka semakin kecil energinya, maka artinya sinar ungu mempunyai foton dengan energi terbesar, sedangkan sinar merah mempunyai foton dengan energi terkecil .

  Pada spektrum kontinyu, panjang gelombang radiasi yang dipancarkan merentang dari suatu nilai minimum,mungkin 0, hingga nilai maksimum, mungkin tak terhingga.

  Contohnya: radiasi dari objek panas berpijar

  Spektrum Garis Spektrum diskrit atau spektrum garis : radiasi yang dihasilkan oleh atom yang tereksitasi yang hanya terdiri dari beberapa warna garis yang terputus putus; yaitu ungu, biru, merah.

  Jika sejumlah kecil gas atau uap suatu unsur tertentu, seperti air-raksa, natrium, atau gas neon, diletakkan di dalam tabung kemudian arus listrik dialirkan ke dalam tabung, maka hanya sehimpunan panjang gelombang diskrit cahaya tertentu saja ang dipancarkan oleh gas. Cahaya yang dipancarkan oleh setiap gas berbeda-beda dan merupakan karakteristik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalam bentuk spektrum garis dan bukan spektrum yang kontinyu.

  Peralatan untuk mengamati spektrum garis Spektrum garis berbagai gas Peralatan untuk mengamati spektrum serap Di buku Fisika Modern (Kenneth Krane) hal.241 Gambar 6.18

  Spektrum serap dan pancar atom Hidrogen

  Spektrum Atom Hidrogen ! _{RUMUS BALMER}

  Deretan garis spektrum yang cocok dengan rumus Balmer disebut dengan deret Balmer

  Beberapa kemudian ditemukan deret-deret yang lain; deret Lyman, deret Paschen, Bracket, dan Pfund. Pola deret-deret ini serupa maka dapat dirangkum dalam satu persamaan. Persamaan ini disebut deret spektrum hidrogen.

  Dimana adalah konstanta Rydberg yang

  R 7 −1 nilainya 1,097 × 10 m .

  Atau: Dengan λ adalah panjang gelombang deret batas yang sesuai. _limit

  Deret Spektrum Deret Lyman (m = 1) , dengan n = 2, 3, 4, … Deret Balmer (m = 2), dengan n = 3, 4, 5 ….

  Deret Paschen (m = 3), dengan n = 4, 5, 6 ….

  Deret Bracket (m = 4), dengan n = 5, 6, 7, ….

  Deret Pfund (m = 5), dengan n =6, 7, 8 ….

  Dengan demikian, setiap model atom hidrogen dapat menerangkan keteraturan aritmatik yang menarik ini dalam berbagai spektrum.

  Ciri menarik lainnya dari panjang gelombang spektrum hidrogen terangkum dalam asas gabung Ritz (Ritz combination principle) . Jika kita ubah panjang gelombang spektrum pancar hidrogen ke dalam frekuensi, kita jumpai sifat menarik berikut: jumlah sepasang frekuensi tertentu memberikan frekuensi lain yang juga terdapat dalam spektrum hidrogen . (Deret Pfund) _inframerah

  Deret spektrum Pancar dan serap atom Hidrogen Contoh soal

  Batas deret dari deret Paschen (n =3) adalah 820,1 nm. Tentukan ketiga panjang gelombang terpanjang dari deret Paschen tersebut.