STRUKTUR ATOM

STRUKTUR ATOM
ELEKTRON DALAM ATOM
RADIASI ELEKTROMAGNETIK


Muatan listrik dan kutub magnetik
menimbulkan gaya dalam jarak tertentu
melalui medan listrik dan medan magnetik.
Medan ini merupakan bentuk penyebaran
energi yang disebut gelombang, dan
pengalihan energi ini dinamakan radiasi
elektromagnetik.



Gelombang memiliki panjang yang
merupakan jarak antara dua puncak atau
lembah disimbolkan dengan 
Sifat gelombang lainnya adalah frekuensi ()
yang dinyatakan dalam satuan detik-1 yaitu
jumlah kejadian atau putaran (siklus) per
detik
Hasil kali  dengan  menghasilkan
kecepatan gelombang
c = 
Satuan frekuensi untuk putaran per detik adalah hertz (Hz).
Panjang gelombang memiliki satuan angstrom nama seorang
ahli fisika Swedia yang nilainya sama dengan 1 x 10-10 m.
1 cm = 1 x 10-2 m
1 nm = 1 x 10-9 m = 1 x 10-7 cm = 10 Å
1 Å = 1 x 10-10 m = 1 x 10-8 cm
Spektrum elektromagnetik
Spektrum dan Spektrograf
Spektrum sinar tampak
Spektrum atom




Sinar tampak (matahari, filamen) menghasilkan
spektrum kontinuum (sinambung) dari merahjingga-kuning-hijau-biru-lembayung
Cahaya yang dihasilkan zat yang dipanaskan
memberikan spektrum garis yang tidak kontinu
Spektrum dari dari suatu atom berbeda dari
unsur lainnya dan merupakan fingerprint suatu
unsur (Robert Bunsen 1811-1899)
Johann Balmer menurunkan rumus umum
untuk spektrum yang dihasilkan oleh hidrogen
 n2 
 dimana n  3, 4, 5.
  3645,6 2
n 4
Rumus yang lebih umum untuk
persamaan Balmer
1 
 1
  Rc  2  2 
n 
2
1 
 1
 3,2881 x 10 det  2  2 
n 
2
15
1
R = konstanta Rydberg 10.967.800
m-1, c kecepatan cahaya 2,997925 x
108 m det-1 hasil kali R dan C
diberikan diatas
Soal Latihan
Gunakan Persamaan Balmer untuk menghitung
a.
Frekuensi radiasi dengan n = 5
b.
Panjang gelombang garis dalam deret balmer
dengan n = 7
c.
Nilai n untuk garis dalam deret Balmer pada 380
nm.



Spektrum kontinuum dapat dijelaskan oleh
teori gelombang cahaya, tetapi spektrum
garis gagal dengan teori ini
Teori radiasi elektromagnetik yang
dikenalkan oleh James Maxwell 1860-an
juga tidak dapat menguraikan fenomena ini
Persamaan Balmer menimbulkan dugaan
adanya prinsip-prinsip yang mendasari
semua spektrum garis
Teori Kuantum




Max Planck (1900) mengajukan teori kuantum
berdasarkan suatu gejala yang disebut radiasi benda
hitam
Hipotesisnya menyatakan bahwa energi bersifat
discontinue dan terdiri dari banyak satuan terpisah
yang sangat kecil yang disebut kuanta/kuantum.
Energi terkait dengan kuantum dari REM dinyatakan
dengan E = h; h = 6,626 x 10-34 J det-1
Teori kuantum memperoleh pembuktian dari efek
fotolistrik tahun 1955 oleh Albert Einstein
Efek Fotolistrik
Ketergantungan Efek Fotolistrik pada
frekuensi cahaya
Soal Latihan



Hitung energi dalam J/foton suatu radiasi
dengan frekuensi 3,10 x 1015 det-1!
Berapa frekuensi radiasi yang terukur
memiliki energi 3,54 x 10-20 J/foton!
Suatu energi sebesar 185 kJ/mol memiliki
panjang gelombang sebesar?
Atom Bohr



Secara elektrostatika, elektron harus bergerak
mengelilingi inti agar tidak tertarik ke inti
Namun berdasarkan fisika klasik benda yang
bergerak memutar akan melepaskan energi
yang lama kelamaan akan menghabiskan
energi elektron itu sendiri dan kemudian
kolaps
Niels Bohr mengungkapkan bahwa dilema
diatas dapat dipecahkan oleh teori Planck
Gagasan Bohr dalam menggabungkan
teori klasik dan kuantum



Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diizinkan
bagi satu elektron dalam atom hidrogen
Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan
stasioner ke yang lainnya dengan melibatkan
sejumlah energi menurut Planck
Lintasan stasioner yang diizinkan mencerminkan
sifat-sifat elektron yang mempunyai besaran yang
khas. Momentum sudut harus merupakan kelipatan
bulat dari h/2 atau menjadi nh/2.
Model Bohr untuk Atom Hidrogen
Keterangan



Lintasan yang diizinkan untuk elektron dinomori n
= 1, n = 2, n =3 dst. Bilangan ini dinamakan
bilangan kuantum, huruf K, L, M, N juga
digunakan untuk menamakan lintasan
Jari-jari orbit diungkapkan dengan 12, 22, 32, 42,
…n2. Untuk orbit tertentu dengan jari-jari minimum
a0 = 0,53 Å
Jika elektron tertarik ke inti dan dimiliki oleh orbit
n, energi dipancarkan dan energi elektron menjadi
lebih rendah sebesar
B
E n  2 , B : konstanta numerik dengan nilai 2,179 x 10 -18 J
n
1
B B  B   B 
 1
E  E3  E 2   2    2    2    2   B 2  2 
3 
 3   2  2  3 
2
E  h
1 
1 
 1
 1
E  B 2  2  ;
h  B 2  2 
3 
3 
2
2
2,179 x 10 8 J
B
15
1


3
,
289
x
10
det
h 6,626 x 10 34 J det 1
Konstanta B/h identik dengan hasil dari R x c dalam
persamaan Balmer. Jika persamaan diatas dihitung
maka frekuensi yang diperoleh adalah frekuensi garis
merah dalam deret Balmer.
Soal Latihan
 Berapakah frekuensi dan panjang
gelombang cahaya yang dipancarkan jika
elektron dari atom hidrogen jatuh dari
tingkat energi n = 6 ke n = 4? Dalam
bagian spektrum elektromagnetik manakah
sinar ini?
Kelemahan Teori Bohr



Keberhasilan teori Bohr terletak pada
kemampuannya untuk meeramalkan garis-garis
dalam spektrum atom hidrogen
Salah satu penemuan lain adalah sekumpulan
garis-garis halus, terutama jika atom-atom yang
dieksitasikan diletakkan pada medan magnet
Struktur garis halus ini dijelaskan melalui
modifikasi teori Bohr tetapi teori ini tidak pernah
berhasil memerikan spektrum selain atom
hidrogen
Dualitas Gelombang - Partikel





Newton mengajukan bahwa cahaya mempunyai sifat
seperti sekumpulan patikel yang terdiri dari aliran partikel
berenergi
Huygens menyatakan bahwa cahaya terdiri dari
gelombang energi
Pembuktian dengan pengukuran kecepatan cahaya pada
berbagai medium menunjukkan cahaya berkurang
kecepatannya dalam medium yang lebih rapat
Tetapi Einstein menganggap bahwa foton cahaya bersifat
sebagai partikel untuk menjelaskan efek fotolistrik
Timbul gagasan baru bahwa cahaya mempunyai dua
macam sifat sebagai gelombang dan sebagai partikel



Tahun 1924 Louise de Broglie menyatakan Tidak hanya
cahaya yang memperlihatkan sifat-sifat partikel, tetapi
partikel-partikel kecil pun pada saat tertentu dapat
memperlihatkan sifat-sifat gelombang
Usulan ini dibuktikan tahun 1927 dimana gelombang
materi (partikel) dijelaskan secara matematik
Panjang gelombang de Broglie dikaitkan dengan partikel
berhubungan dengan momentum partikel dan konstanta
Planck.
h
h
 
p
mv
Panjang gelombang dinyatakan dengan meter, massa dalam
kilogram, kecepatan dalam meter per detik. Konstanta
Planck dinyatakan dalam kg m2 s-2.
Prinsip Ketidakpastian




Hukum Fisika klasik dianggap berlaku universal dan
dapat menjelaskan kejadian yang akan datang berdasarkan
keadaan awal
Tahun 1920 Niels Bohr dan Werner Heisenberg berusaha
menentukan sampai seberapa jauh kecepatan yang
diperoleh dalam penentuan sifat-sifat sub-atomik
Dua peubah yang ditentukan dalam menentukan sifat ini
adalah kedudukan partikel (x) dan momentumnya (p).
Kesimpulan dari pemikiran ini ialah bahwa dalam
penentuan sub-atomik selalu terdapat ketidakpastian
xp 
h
2



Persamaan ini dikenal dengan prinsip
ketidakpastian Heisenberg dan menyatakan
bahwa kedudukan dan momen tak dapat diukur
dengan ketepatan tinggi sekaligus
Seandainya diameter elektron 10-14 m, cahaya
dengan  ini akan mempunyai frekuensi 3 x 1022
det-1 dan energi per foton adalah 2 x 10-11 J.
Energi ini jauh melampaui energi yang
diperlukan untuk mengionkan elektron dalam
hidrogen
Hal ini menyebabkan usaha untuk melihat dalam
atom dengan menggunakan sistem cahaya justru
akan mengganggu pengukuran
foton
(a)
(b)
elektron
foton
elektron
Sebuah foton cahaya menumbuk elektron dan dipantulkan. Dalam tumbukan
foton mengalihkan momennya kepada elektron. Foton yang dipantulkan dapat
dilihat dalam mikroskop, tetapi elektron telah bergerak keluar dari fokus (b).
Kedudukan elektron tak dapat ditentukan
Mekanika Gelombang





Salah satu implikasi struktur atom menurut prinsip
ketidakpastian, tidak mungkin mengukur sekaligus
kedudukan dan momen dari suatu elektron
Implikasi lain diungkapkan oleh Schrodinger bahwa elektron
dapat diperlakukan sebagai gelombang materi, gerakannya
dapat disamakan dengan gerakan gelombang
Gerakan gelombang yang berkenaan dengan elektron
haruslah terkait dengan pola terijinkan
Pola ini dapat diperikan dengan persamaan matematis yang
jawabannya dikenal dengan fungsi gelombang ()
 mengandung tiga bilangan kuantum yang jika ditentukan
akan diperoleh hasil berupa orbital. 2 menggambarkan
rapatan muatan elektron atau peluang menemukan elektron
pada suatu titik dalam atom
Tiga macam penggambaran orbital 1s
Orbital 2s
Orbital Elektron dan Bilangan Kuantum



Bilangan kuantum utama (n). Bilangan ini hanya
mempunyai nilai positif dan bilangan bulat bukan nol
n = 1, 2, 3, 4, …
Bilangan kuantum orbital (azimut), l. yang mungkin bernilai
nol atau bulat positif. Bilangan ini tidak pernah negatif dan
tidak lebih besar dari n –1
l = 0, 1, 2, 3, …, n –1
Bilangan kuantum magnetik (ml). Nilainya dapat positif,
negatif, nol dan berkisar dari –l s.d. +l (l bilangan kuantum
orbital)
ml = -l, -l + 1, -l + 2, …, 0, 1, 2, … , +l
Soal Latihan
Nyatakan perangkat bilangan kuantum berikut yang
tidak terijinkan!
 n = 3, l = 2, ml = -1
 n = 2, l = 3, ml = -1
 n = 4, l = 0, ml = -1
 n = 5, l = 2, ml = -1
 n = 3, l = 3, ml = -3
 n = 5, l = 3, ml = +2





Setiap kombinasi tiga bilangan kuantum n, l dan m
berkaitan dengan orbital elektron yang berbeda-beda
Orbital yang memiliki bilangan kuantum n yang sama
dikatakan berada dalam kulit elektron atau peringkat
utama yang sama
Sementara elektron yang mempunyai nilai l yang sama
dikatakan berada dalam sub kulit atau sub peringkat yang
sama
Nilai bilangan n berhubungan dengan energi elektron dan
kemungkinan jaraknya dari inti
Nilai bilangan kuantum l menentukan bentuk geometris
dari awan elektron atau penyebaran peluang elektron
Tiga gambaran orbital 2p
Ketiga orbital p
Kelima orbital d
Kulit elektron, orbital dan bilangan kuantum
Kulit
utama
K
L
M
n=
1
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
l=
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
2
2
2
2
ml =
0
0
-1
0
+1
0
-1
0
+1
-2
-1
0
+1
+2
Tanda
orbital
1s
2s
2p
2p
2p
3s
3p
3p
3p
3d
3d
3d
3d
3d
Jml
1
orbital pd
subkulit
Jml total
orbital n2
1
1
3
4
1
3
5
9
Spin (Rotasi) Elektron – Bilangan Kuantum Keempat




Tahun 1925 Uhlenbeck dan Goudsmit mengajukan
sifat yang tak dapat dijelaskan mengenai garis halus
pada spektrum hidrogen, apabila elektron dianggap
memiliki bilangan kuantum keempat
Sifat elektron yang berkaitan dengan bilangan ini
adalah spin elektron
Elektron berotasi menurut sumbunya saat ia
mengelilingi inti atom, terdapat dua kemungkinan
rotasi elektron
Bilangan kuantum ini dinyatakan dengan ms bisa
bernilai + ½ atau – ½
Konfigurasi Elektron
Ada tiga aturan dalam penentuan konfigurasi
1.
Elektron menempati orbital sedemikian rupa
untuk meminimumkan energi atom tersebut
2.
Tak ada dua elektron dalam sebuah atom yang
boleh memiliki keempat bilangan kuantum yang
sama (prinsip eksklusi Pauli)
3.
Prinsip penggandaan maksimum, jika terdapat
orbital –orbital dengan energi yang sama,
elektron menempatinya sendiri-sendiri sebelum
menempatinya secara berpasangan
Urutan pengisian sub kulit elektron