STRUKTUR ATOM Sub Pokok Bahasan PENDAHULUAN Ayat

07/10/2014
FISIKA MODERN
Sub Pokok Bahasan
PERTEMUAN KE-7 & 8
STRUKTUR ATOM
Nurun Nayiroh, M.Si
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.
•
•
•
•
•
•
Model Awal dari Atom
Model Atom Rutherford
Orbit Elektron
Spektrum Atomik
Atom Bohr
Laser
Ayat-ayat al-Qur’an tentang Atom
“Barang siapa mengerjakan kebaikan sebesar “dzarrah” pun niscaya
dia akan melihat balasannya.”
(QS: 99: Az Zalzalah :7)
“Dan barang siapa mengerjakan kejahatan sebesar “dzarrah” pun,
niscaya dia akan melihat balasannya.”
(QS : 99 : Az zalzalah : 8)
“Dan tidak luput dari pengetahua Tuhanmu biarpun sebesar “
dzarrah” di bumi ataupun di langit. Tidak ada yang lebih kecil dan
tidak lebih besar (pula) dari itu, melainkan (semua tercatat) dalam
kitab yang nyata (Lauhful Mahfudz).”
(QS : 10 : Yunus : 61)
“Tidak ada tersembunyi dari pada-Nya sebesar “ dzarrah” pun yang
ada di langit dan yang ada di bumi; dan tidak ada pula yang lebih
kecil dari itu dan yang lebih besar, melainkan tersebut dalam kitab
yang nyata ( lauh Mahfudz).”
(QS : 34 : Saba : 3)
1
07/10/2014
•
•
Para ilmuan yang giat mengadakan penelitian tentang dzarrah antara lain,
Abu Bakr Ar-Razi ( 846-930 M) yang mengemukakan dalam bukunya Ar
Raddu ‘Alal’ Maswa’I bahwa jauhar fard ( zat tunggal) atau dzarrah itu
terdiri dari beberapa bagian yang tidak dapat dibagi lagi atau dari kosong.
Sedangkan Asy Syahristani dalam bukunya Nahayatul Aqdam Fi’ilmil
Kalami menyebutkan, “ Jika benda yang terurai itu bertolak belakang, pasti
mengandung bagian yang berkesudahan dari beberapa bagian itu yang
tidak dapat terbagi lagi.
Daftar buku yang dikarang oleh para ilmuan muslim yang membahas
tentang atom antara lain,
1. Al Isyarat ( indikator) dan An Najat ( keselamatan ) oleh Ibnu sina (
Averroes)
2. Ar Raddu ‘alal’ Masma’I oleh Ar Razy
3. Nahayatul Aqdam, fi ‘ilmil Kalami oleh Asy Syahristani.
4. Kitabul Hairin oleh Ibnu Maimun.
5. Kitabul Intishar oleh Abil Husain Bin Abdul Rahim Bin Muhammad.
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
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
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
2
07/10/2014
• 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.
MODEL ATOM RUTHERFORD
• Baca selebihnya tentang Model Atom
Thomson di buku FISIKA MODERN (KENNETH
KRANE) Hal. 221-228
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
3
07/10/2014
atau dalam bentuk sederhana
Sumber sinar Alpha
Diagram Percobaan Rutherford
Lempeng Emas
Layar
Atom Logam
Proses Hamburan Rutherford
∆P
Diteruskan
Sinar
alfa
∆P
θ
F
P1
Dibelokkan
Partikel alpha
Vektor
Perubahan
momentum
Sudut sesaat
antara F dan ∆P
P2
φ
½ (π−θ)
½ (π−θ)
θ
Dipantulkan
b
Hasil eksperimen Rutherford
+
Parameter
dampak
Posisi Sesaat
Sudut
hambur
Inti
target
4
07/10/2014
• 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.
F=
1 2 Ze
4πε o r 2
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
2
•
Perubahan Impuls sama dengan perubahan
momentum, besarnya adalah:
∆p =
Besar perubahan momentum
∆P
∆p
mv
=
π − θ
sin θ
sin
2
P2
θ
θ
sin (π − θ) = cos
2
1
2
θ
∆p = 2mv .sin
2
=∫
(π −θ ) / 2
(π −θ ) / 2
F cos φ .
dt
dφ
dφ
Atau
sinθ = 2 sin cos
2
2
Maka diperoleh
θ
Momentum sudut partikel alfa sekitar inti adalah
konstan.
mωr2 = konstan = m r2 dφ/dt = mvb
P1=mv
θ
∆p = 2mv sin
∫ F .dt = ∫ F cos φ .dt
θ
2
1
dt
r2
=
=
dφ
ω
vb
5
07/10/2014
•
Subsitusikan persamaan ini ke dalam
persamaan integral di atas akan
menghasilkan:
(π −θ)/2
θ
2mv bsin = ∫
r 2F.cosφ.dφ
(π
−
θ)/2
2
2
Penyelesaian integral menghasilkan persamaan
hubungan antara Sudut hamburan θ dengan
parameter dampak b :
cot
θ
2
=
2πε o mv 2 b
Atau
Ze 2
cot
θ
2
=
4πε o K .b
Ze 2
θ : sudut hamburan pertikel alfa
b : parameter dampak/impak
dampak/impak
K = ½ mv2
mv2 : energi kinetik
Rumus Hamburan Rutherford
N(θ) =
N i ntZ 2e 4
(8πε o ) r (KE) 2 sin 4 (θ / 2)
2 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 ( θ) =
N i ntZ 2e 4
(8πε o ) 2 r 2 (KE ) 2 sin 4 (θ / 2)
3. Jarak terdekat ke inti atom, yang dapat dicapai oleh
partikel bermuatan.
d=
1 zZe 2
4πε o K
6
07/10/2014
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.
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)
datom ≈ 1 Å = 10-8 cm
dinti ≈ 1 F = 10-13 cm
SPEKTRUM ATOM
• Baca selebihnya tentang Hamburan
Rutherford pada buku FISIKA MODERN
(KNNETH KRANE) hal.228-239 atau buku
KONSEP FISIKA MODERN (ARTHUR BEISER)
hal. 122-136
Radiasi EM dari atom dapat dikelompokkan
menjadi:
• Spektrum kontinyu
• Spektrum garis
7
07/10/2014
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.
• 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
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.
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.
8
07/10/2014
Peralatan untuk mengamati spektrum garis
Spektrum garis berbagai gas
Peralatan untuk mengamati spektrum serap
Spektrum serap dan pancar atom Hidrogen
• Di buku Fisika Modern (Kenneth Krane)
hal.241 Gambar 6.18
9
07/10/2014
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:
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:
RUMUS BALMER
Deretan garis spektrum yang cocok dengan rumus Balmer disebut dengan deret Balmer
Deret Spektrum
• Deret Lyman (m = 1) , Spektrum yang dihasilkan
cahaya ultra violet
Dengan λlimit adalah panjang gelombang deret batas yang sesuai.
• 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 = 2, 3, 4, …
• Deret Balmer (m = 2), Spektrum yang dihasilkan cahaya
tampak
dengan n = 3, 4, 5 ….
dengan n = 5, 6, 7, ….
• Deret Pfund (m = 5), Spektrum yang dihasilkan cahaya
infra merah 3
dengan n =6, 7, 8 ….
10
07/10/2014
(Deret Pfund)
inframerah
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 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.
11
07/10/2014
MODEL ATOM BOHR
• Rutherford mengemukakan bahwa massa dan muatan
positif atom terhimpun pada suatu daerah kecil di
pusatnya.
• Hasil pengamatan spektroskopis terhadap spektrum atom
Hidrogen telah membuka kelemahan-kelemahan model
atom Rutherford.
• Pada tahun 1913, Niels Bohr (1885-1962) menyusun model
atom Hidrogen berdasarkan model atom Rutherford dan
teori Kuantum Planck
• Bohr mengemukakan bahwa atom ternyata mirip sistem
planet mini, dengan elektron-elektron mengedari inti atom
seperti halnya planet-planet mengedari matahari.
• Dengan alasan yang sama bahwa sistem tata sura tidak
runtuh karena tarikan gravitasi antara matahari dan tiap
planet, atom juga tidak runtuh karena tarikan
elektrostatis Coulomb antara inti atom dan elektron.
• Dalam kedua kasus ini, gaya tarik berperan memberikan
percepatan sentripetal yang dibutuhkan untuk
mepertahankan gerak edar.
v
-e
F
r
+Ze
Elektron berada dalam orbit diatur oleh
gaya coulomb. Ini berarti gaya coulomb
sama dengan gaya sentripetal:
F
= a
Model Atom Bohr (Z=1 bagi Hidrogen)
• Energi total sebuah elektron dalam orbit adalah
penjumlahan energi kinetik dan energi potensialnya:
• Jari-jari Orbit Elektron
Elektron yang jari-jari lintasannya r memiliki persamaan
umum untuk sembarang lintasan :
rn =
dengan k = 1 / (4πε0), dan qe adalah muatan elektron
• Momentum sudut elektron hanya boleh memiliki harga
diskret tertentu:
n 2 h 2ε 0
πme 2
Atau
dengan r1 = 0,53 Å (jari-jari Bohr), dan n = 1,2,3,… dst.
dengan n = 1,2,3,… dan disebut bilangan kuantum utama, h adalah
konstanta Planck, dan
12
07/10/2014
• Kecepatan elektron dalam orbit :
dimana: n = 1,2,3,…
Untuk tingkat dasar : n =1 & Z = 1
Tingkat Energi dan Spektrum
• Foton dipancarkan bila elektron melompat dari suatu tingkat
energi ke tingkat energi yang lebih rendah,
• Berbagai orbit yang diijinkan berkaitan dengan energi elektron
yang berbeda-beda.
• Energi elektron En dinyatakan dalam jari-jari orbit rn diberikan
sebagai berikut:
• Rumus rn disubstitusi ke persamaan di atas, sehingga menjadi:
n= 1, 2, 3,...
Rumus Tingkat Energi
• Energi untuk kulit ke-n:
E1= (2,179 x 10-18J= -13,6 eV)
Sehingga,
• Tingkat energi ini semuanya negatif, hal ini menyatakan
bahwa elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk
melarikan diri dari inti.
• Apabila terjadi perpindahan (transisi) elektron dari satu
kulit ke kulit yang lain, maka memerlukan energi :
• Tingkat energi yang terendah E1 disebut keadaan
dasar (status dasar) dari atom itu dan tingkat
energi lebih tinggi E2, E3, E4,...disebut keadaan
eksitasi (status eksitasi).
• Ketika bilangan kuantum n bertambah, energi En
yang bersesuaian mendekati nol; dalam limit n= ≈,
E≈ = 0 dan elektronnya tidak lagi terikat pada inti
untuk membentuk atom.
E1 < E2 < E3
• Besarnya energi yang diperlukan atau dipancarkan
sebesar:
h = tetapan Planck = 6,6.10-34 Js
∆E = hf =
hc
λ
M L
K
+
E1
E
E3 2
n3
n2
n1
f = frekuensi foton (Hz)
c = cepat rambat cahaya = 3.108 m/s
λ = panjang gelombang foton (m)
13
07/10/2014
Energi Ionisasi
Adalah energi yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron
dari atom dalam keadaan dasarnya atau energi yang diserap
untuk men-ion-kan atom.
Energi ionisasi biasanya sama dengan –E1, yang harus
dilengkapi agar menurunkan sebuah elektron dari keadaan
dasarnya.
Bila elektron terbangkit sampai kuantum, maka elektron itu
lepas dari lingkungan atom dan atom tersebut menjadi ion (+).
Besar Energi Ionisasi atom Hidrogen:
Tingkat-tingkat energi atom Hydrogen
untuk n = 1 → E = 13,6 eV
B : konstanta numerik dengan nilai 2,179 x 10 -18 J = −13.6eV
Sebaliknya jika ion Hidrogen mengikat sebuah elektron akan
dipancarkan energi sebesar:
Besar Frekuensi foton yang dipancarkan:
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 :
untuk n = 2 diperoleh frekuensi
yang sesuai dengan salah satu
deret balmer.
Elektron yang terlepas dari susunan atom akan ditangkap oleh struktur
atom yang lain.
Kemampuan sebuah atom untuk menangkap elektron bebas disebut
sebagai Afinitas Elektron. Dan atom tersebut menjadi ion (-)
nA = Kulit yang dituju
nB = Kulit yang ditinggalkan
= R = 1,097.10-7 m-1 (tetapan Rydbeg)
14
07/10/2014
•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, ….
Postulat Dasar Model Atom Bohr
Ada empat postulat yang digunakan untuk menutupi
kelemahan model atom Rutherford, antara lain :
1. Atom Hidrogen terdiri dari sebuah elektron yang
bergerak dalam suatu lintas edar berbentuk lingkaran
mengelilingi inti atom ; gerak elektron tersebut
dipengaruhi oleh gaya coulomb sesuai dengan kaidah
mekanika klasik.
2. Lintas edar elektron dalam hydrogen yang mantap
hanyalah memiliki harga momentum angular L yang
merupakan kelipatan dari tetapan Planck dibagi
dengan 2π.
dimana n = 1,2,3,… dan disebut sebagai bilangan kuantum
utama, dan h adalah konstanta Planck.
Kelebihan model Bohr
3. Dalam lintas edar yang mantap elektron yang
mengelilingi inti atom tidak memancarkan
energi elektromagnetik, dalam hal ini energi
totalnya E tidak berubah.
4. Jika suatu atom melakukan transisi dari
keadaan energi tinggi EU ke keadaan energi
lebih rendah EI, sebuah foton dengan energi
hυ=EU-EI diemisikan. Jika sebuah foton diserap,
atom tersebut akan bertransisi ke keadaan
energi rendah ke keadaan energi tinggi.
• Keberhasilan teori Bohr terletak pada
kemampuannya untuk meramalkan garis-garis dalam
spektrum atom hidrogen.
• Salah satu penemuan adalah sekumpulan garis halus,
terutama jika atom-atom yang dieksitasikan
diletakkan pada medan magnet.
60
15
07/10/2014
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 spektrum, 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
Postulat Bohr
Sebuah elektron dalam model atom Bohr yang mengalami
percepatan sewaktu beredar dalam garis edar lingkaran,
tidak meradiasikan energi elektromagnet (kecuali jika ia
berpindah ke garis edar).
Hukum Fisika Klasik
Sebuah partikel bermuatan meradiasikan elektromagnet bila
mengalami percepatan.
Fisika klasik memberi bentuk berbeda
k =1/2 mv2 ;
tetapi telah kita perlihatakan bahwa E – E0 tersederhanakan
menjadi 1/2 mv2 apabila v << c. Jadi, kedua pernyataan ini
sebenarnya tidaklah terlalu berbeda yang satu merupakan
hal khusus dari yang lainnya
AZAS PERSESUAIAN
• Asas Persesuaian adalah asas yang diajukan
Neils Bohr untuk memecahkan masalah
perbedaan antara postulat Bohr dalam fisika
kuantum dengan hukum fisika klasik.
ASAS PERSESUAIAN (BOHR)
Asas
Persesuaian
(correspondence
principle): “Hukum fisika klasik hanya
berlaku dalam ranah klasik, sedangkan
hukum fisika kuantum berlaku dalam
ranah mekanika. Pada ranah dimana
keduanya bertumpang tindih,
Kedua
himpunan hukum fisika itu harus
memberikan hasil yang sama”.
16
07/10/2014
Sebuah partikel bermuatan elektrik yang bergerak
sepanjang sebuah lingkaran meradiasikan gelombang
elekteromagnetik dengan frekuensi yang sama dengan
frekuensi gerak melingkarnya.
Misal jarak tempuh satu gerak edar lingkaran penuh
elektron = 2πr, dengan laju edar v = √2k/m, maka
diperoleh periodenya :
Sehingga sebuah elektron klasik yang bergerak dalam orbit
lingkaran berjari-jari rn akan meradiasikan gelombang
elektromagnet dengan frekuensi νn ini.
Namun jika kita perbesar jari-jari atom bohr menjadi sangat
besar mulai dari objek berukuran kuantum (10-10 m) hingga
ke ukuran laboratorium (10-3 m) ,dapatkah kita harapkan
bahwa atomnya berperilaku klasik. Sehingga muncul
persamaan seperti di bawah ini untuk penjelasan tersebut.
Karena frekuensi v adalah kebalikan periode maka :
Dengan menggunakan penyataan diatas bagi jari jari
orbit yang diperkenankan maka diperoleh :
Jika n besar sekali,kita dapat hampiri n-1 dengan n
dan 2n-1 dengan 2n,sehingga menurut persamaan
seperti ini :
• Apabila orbit-orbit lingkaran besar sekali, maka loncatan
dari satu orbit lingkaran ke orbit yang lebih kecil
nampaknya menyerupai sebuah sepiral.
Rumus di atas, identik dengan persamaan frekuensi klasik.
Elektron klasik berspiral secara mulus menuju inti atom,
sambil meradiasi dengan frekuensi yang diberikan.
Sedangkan elektron kuantum meloncat dari orbit n ke orbit
(n-1), dan kemudian ke orbit (n-2), dan seterusnya
17
07/10/2014
Pemahaman
• Dalam rentang n yang besar, dimana fisika
klasik dan kuantum bertumpang tindih,
pernyataan klasik dan kuantum bagi frekuensi
radiasi keduanya identik. Ini adalah salah satu
contoh penerapan asas persesuaian bohr.
• Asa ini penting untuk memahami bagaimana
kita beranjak dari ranah dimana berlaku
hukum-hukum fisika klasik ke ranah dimana
berlaku hukum-hukum fisika kuantum.
Teori Percobaan Franck - Hertz
Pada percobaan Frank-Hertz mengggunakan sinar
elektron yang dipercepat untuk mengukur besarnya energi
eksitasi pertama pada atom gas mercury (Hg).
Elektron yang dihasilkan dari proses termionik pada
katoda akan dipercepat diantara katoda dan anoda, dalam
tabung uap-Hg elektron tersebut akan mengalami tumbukan
dengan atom hidrogen.
Proses tumbukan yang terjadi meliputi tumbukan elastik
dan non elastik. Setelah energi kritis tercapai, ternyata arus
menurun secara tiba-tiba.
Tafsiran dari effek ini ialah bahwa elektron yang
bertumbukan dengan atom memberikan sebagian atau
seluruh energi di atas tingkat dasar.
Tumbukan semacam ini disebut tak elastis. Energi kritis
elektron bersesuaian dengan energi yang diperlukan untuk
menaikkan atom ke tingkat eksitasi terendah.
EKSITASI ATOMIK
• Terdapat 2 mekanisme utama eksitasi:
– Tumbukan dengan partikel lain.
Sebagian Ek bersamanya diserap oleh atom, sehingga atom
tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi, kemudian
kembali lagi ke keaadaan dasarnya dalam waktu 10-8 s
dengan memancarkan foton
– Dengan menimbulkan lucutan listrik dalam gas bertekanan
rendah, sehingga timbul medan listrik yang mempercepat
elektron dan ion atomik sampai energi kinetiknya cukup
untuk mengeksitasikan atom ketika terjadi tumbukan.
– Eksitasi melalui penyerapan radiasi.
Spektrum yang dihasilkan adalah spektrum absorbsi.
Semakin banyak elektron yang mencapai anoda
maka arus listriknya makin besar. Atom-atom dalam
tabung saling bertumbukan akan tetapi tidak ada energi
yang dilepaskan di dalam tumbukan ini. Jadi
tumbukannya secara elastis.
Untuk menghasilkan terjadinya pelepasan energi,
maka atom mengalami transisi ke suatu keadaan eksitasi
dan hal ini dapat dilakukan dengan cara tabung elektron
diisi dengan gas hidrogen, maka elektron akan
mengalami tumbukan dan jika tegangan dinaikkan lagi
maka arus listriknya juga akan ikut naik.
Jika energi kinetik kekal dalam tumbukan antar
elektron dan sebuah atom uap gas hidrogen, elektronnya
hanya terpental dalam arah yang berbeda dengan arah
datangnya.karena atom tersebut lebih masif dari
elektron, atom hampir tidak kehilangan energi dalam
proses tersebut.
18
07/10/2014
Gambar percobaan
Gambar Kurva Arus Terhadap Tegangan
frank-hertz
Pada grafik terlihat bahwa arus
yang terbaca tidak turun sampai
nol. Ini dikarenakan ada elektron
dari pemanas yang tidak
berinteraksi dengan atom gas baik
interaksi melalaui tumbukan
maupun penyerapan energi.
Sebagai konsekuensi elektron
pemanas yang tidak berinteraksi
tsb dapat mencapai anoda.
Elektron-elektron meninggalkan
katoda, yang dipanasi dengan
sebuah filamen pemanas.
Semua elektron itu kemudian
dipercepat menuju sebuah kisi oleh
bedapotensial V, yang dapat diatur.
Elektron dengan energi V elektronvolt dapat menembusi kisi dan jatuh
pada pelat anoda, jika V lebih besar
daripada V0, suatu tegangan
perlambat kecil antara kisi dan pelat
katoda. Arus elektron yang mencapai
pelat anoda diukur dengan
menggunakan ammeter A.
Kelemahan dan
kelebihan Percobaan
Franck - Hertz
Rumus Percobaan Franck - Hertz
∆ V
=
V 1 + V
2
+ V
3
1
∆ ( ∆ V
∆ Ei
∆ E
=
=
3
N
) =
∑
( ∆ V
−
1
N
e ∆ V
E 1 +
E 2
N
Ee : energi eksitasi
V : tegangan eksitasi
N : jumlah data
+
E 3
∆ V
)
2
Pada percobaan ini memberikan kita
suatu bukti langsung mengenai kehadiran
keadaan eksitasi atom.
Sayangnya, tidaklah mudah untuk
melakukan percobaan ini dengan atom
hidrogen, karena secara alamiah hidrogen
tidak hadir dalam bentuk atom, melainkan
dalam bentuk molekul H2.
Karena molekul menyerap energi
dalam berbagai cara, penafsiran percobaannya
akan menjadi kabur.
19
07/10/2014
THANKS FOR YOUR NICE ATTENTION
WASSALAMUALAIKUM. WR.WB
20