STRUKTUR ATOM Sub Pokok Bahasan

29/04/2014
FISIKA MODERN
PERTEMUAN KE-7 & 8
STRUKTUR ATOM
Nurun Nayiroh, M.Si
Sub Pokok Bahasan
•
•
•
•
•
•
Model Awal dari Atom
Model Atom Rutherford
Orbit Elektron
Spektrum Atomik
Atom Bohr
Laser
1
29/04/2014
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
2
29/04/2014
MODEL ATOM THOMSON
• Prestasi J.J. Thomson
– Mencirikan elektron (Tabung sinar Katoda)
– Mengukur nisbah muatan terhadap massa (e/m)
elektron) (e/m = 1,7588 . 10 C/g)
8
• Model atom Thomson berhasil menerangkan
banyak sifat atom yang diketahui seperti:
ukuran,massa, jumlah elektron dan kenetralan
muatan elektrik
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 jarijari ~ 10-10 m
Model atom Thomson : model plumpudding (roti kismis) karena elektronelektronnya tersebar di seluruh atom
seperti halnya kismis yang tersebar dalam
kue kismis.
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
3
29/04/2014
• 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.
4
29/04/2014
• 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
sudut > 90o
5
29/04/2014
Diagram Percobaan Rutherford
atau dalam bentuk sederhana
Sumber sinar Alpha
Lempeng Emas
Layar
6
29/04/2014
Atom Logam
Diteruskan
Sinar
alfa
Dibelokkan
Dipantulkan
Hasil eksperimen Rutherford
7
29/04/2014
Asumsi Rutherford:
• Partikel alpa dan inti emas
berukuran sangat kecil
• Partikel alpa dan inti emas
bermuatan positif
• Gaya listrik sebanding
dengan 1/r2 menyebabkan
partikel alpa terhambur
Proses Hamburan Rutherford
∆P
∆P
θ
F
P1
Partikel alpha
Vektor
Perubahan
momentum
Sudut sesaat
antara F dan ∆P
P2
φ
½ (π−θ)
½ (π−θ)
θ
b
+
Parameter
dampak
Posisi Sesaat
Sudut
hambur
Inti
target
8
29/04/2014
• 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
mωr2 konstan.
2 Ze 2
F=
4πε o r 2
1
Karena inti diam berarti besar momentum partikel
alfa tetap :
p1 =p2 = mv
Tetapi impuls ∫ F.dt, menyebabkan perubahan vektor
momentum partikel alpa sebagai :
r
r r r
∆p = p2 − p1 = ∫ F.dt
•
Perubahan Impuls sama dengan perubahan
momentum, besarnya adalah:
∆p =
∫ F .dt = ∫ F cos φ .dt
9
29/04/2014
Besar perubahan momentum
∆P
∆p
mv
=
π − θ
sin θ
sin
2
P2
θ
P1=mv
sin 12 (π − θ) = cos
θ
θ
2
θ
sinθ = 2 sin cos
2
2
Maka diperoleh
∆p = 2mv .sin
∆p = 2mv sin
θ
2
=∫
(π −θ ) / 2
(π −θ ) / 2
F cos φ .
θ
2
dt
dφ
dφ
Momentum sudut partikel alfa sekitar inti adalah
kosntan.
mωr2 = konstan = m r2 dφ/dt = mvb
Atau
dt
1
r2
=
=
dφ
ω
vb
10
29/04/2014
Subsitusikan persamaan ini ke dalam
persamaan integral di atas akan
menghasilkan:
•
(π −θ)/2
θ
2mv bsin = ∫
r 2F.cosφ.dφ
2 (π −θ)/2
2
Penyelesaian integral menghasilkan persamaan
hubungan antara Sudut hamburan θ dengan
parameter dampak b :
cot
θ
2
=
2πε o mv 2 b
Ze 2
Atau
cot
θ
2
=
4πε o K .b
Ze 2
θ : sudut hamburan pertikel alfa
b : parameter dampak
K = ½ mv2 : energi kinetik
11
29/04/2014
Rumus Hamburan Rutherford
N (θ) =
N i ntZ 2 e 4
(8πεo ) 2 r 2 ( KE ) 2 sin 4 (θ / 2)
N(θ)
= Jumlah total partikel alpha per
satuan luas yang sampai di screen
dengan sudut hamburan θ
Ni
= Jumlah total partikel alpha yang
sampai di screen
n
= Jumlah atom persatuan volume di
dalam foil
t
= Tebal foil
Z
= Nomor atom dari foil
KE
= Energi kinetik patikel alpha
R
= Jarak screen dari foil
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 θ
f<b = f>θ = ntπb2
2. Rumus Rutherford dan pembuktian kebenarannnya
lewat percobaan
N i ntZ 2 e 4
N(θ) =
(8πε o ) 2 r 2 (KE ) 2 sin 4 (θ / 2)
3. Jarak terdekat ke inti atom, yang dapat dicapai oleh
partikel bermuatan.
d=
zZe 2
4πε o K
1
12
29/04/2014
1.
2.
3.
4.
5.
Berdasarkan hasil eksperimen tersebut, Rutherford menarik kesimpulan
bahwa :
Atom sebagian besar tediri dari ruang hampa dengan satu inti yang
bermuatan positif dan satu atau beberapa elektron yang beredar
disekitar inti.
Atom secara keseluruhan bersifat netral, muatan positif pada inti sama
besarnya dengan muatan elektron yang beredar di sekitarnya.
Volume inti << volume atom
Inti dan elektron tarik-menarik → gaya sentripetal.
Pada reaksi kimia, inti atom tidak mengalami perubahan. Yang
mengalami perubahan ialah elektron-elektron pada kulit terluar.
datom ≈ 1 Å = 10-8 cm
dinti ≈ 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)
13
29/04/2014
• 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
14
29/04/2014
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
15
29/04/2014
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.
16
29/04/2014
Peralatan untuk mengamati spektrum garis
Spektrum garis berbagai gas
17
29/04/2014
Peralatan untuk mengamati spektrum serap
• Di buku Fisika Modern (Kenneth Krane)
hal.241 Gambar 6.18
Spektrum serap dan pancar atom Hidrogen
18
29/04/2014
Spektrum Atom Hidrogen
• Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya
dengan panjang gelombang berbeda. Untuk gas hidrogen yang
merupakan atom yang paling sederhana, deret panjang
gelombang ini ternyata mempunyai pola tertentu yang dapat
dinyatakan dalam bentuk persamaan matematis.
• Dengan menggunakan “metode ilmiah terbalik” johanes
Balmer (guru sekolah menengah berkebangsaan Swiss)
menyatakan deret untuk gas hidrogen dengan persamaan
berikut ini:
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 R adalah konstanta
nilainya 1,097 × 107 m−1.
Rydberg
yang
Atau:
Dengan λlimit adalah panjang gelombang deret batas yang sesuai.
19
29/04/2014
Deret Spektrum
• Deret Lyman (m = 1) , Spektrum yang dihasilkan
cahaya ultra violet
dengan n = 2, 3, 4, …
• Deret Balmer (m = 2), Spektrum yang dihasilkan cahaya
tampak
dengan n = 3, 4, 5 ….
• Deret Paschen (m = 3), Spektrum yang dihasilkan cahaya
infra merah 1
dengan n = 4, 5, 6 ….
• Deret Bracket (m = 4), Spektrum yang dihasilkan cahaya
infra merah 2
dengan n = 5, 6, 7, ….
• Deret Pfund (m = 5), Spektrum yang dihasilkan cahaya
infra merah 3
dengan n =6, 7, 8 ….
20
29/04/2014
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
21
29/04/2014
Deret spektrum Pancar dan serap atom Hidrogen
Contoh soal
• Batas deret dari deret Paschen (n0=3) adalah
820,1 nm. Tentukan ketiga panjang gelombang
terpanjang dari deret Paschen tersebut.
22