20130911130927 unit 6 atom dan struktur elektron 2

download 20130911130927 unit 6 atom dan struktur elektron 2

of 17

  • date post

    20-Jul-2015
  • Category

    Education

  • view

    84
  • download

    16

Embed Size (px)

Transcript of 20130911130927 unit 6 atom dan struktur elektron 2

  • A t o m d a n S t r u k t u r E l e k t r o n ( 2 ) | 129

    UNIT 6

    ATOM DAN STRUKTUR ELEKTRON (BAHAGIAN 2) HASIL PEMBELAJARAN Di akhir unit ini, anda diharap dapat: 1. Menerangkan konsep mekanik gelombang yang melibatkan Postulat de Broglie, Prinsip Ketakpastian

    Heisenberg dan Persamaan Schrdinger. 2. Mencirikan nombor kuantum tenaga dan gelombang elektron dalam atom. 3. Mengelaskan jenis-jenis orbital dari segi bentuk, saiz dan tenaga. 4. Menulis dan melukiskonfigurasi elektron bagi suatu atom. PETA KONSEP TAJUK

    Struktur elektronik atom

    Teori Partikel dan Sifat Dedua

    Gelombang

    Konsep Mekanik Gelombang

    Postulat de Broglie

    Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

    Persamaan Schrdinger

    Pengkuantumam Tenaga dan

    Gelombang Elektron dalam Atom

    Fungsi Gelombang Jejarian dan Gambarajah Orbital

    Tenaga Orbital dan Struktur Elektron

  • A t o m d a n S t r u k t u r E l e k t r o n ( 2 ) | 130

    hE

    6.1 Pengenalan Pernahkan anda terfikir bagaimana pemain cakera padat berfungsi?Pemain cakera padat mempunyai satu komponen yang boleh menghasilkan sinaran laser. Apabila cakera padat dimainkan, sinaran laser akan dipancarkan pada permukaan bawah cakera padat yang mengandungi simpanan maklumat.

    Pantulan laser tersebut akan menghasilkan aliran maklumat yang kemudiannya ditukarkan kepada bentuk gambar dan bunyi. Tahukah anda bahawa cahaya laser yang terhasil adalah sebenarnya daripada elektron yang mengalami perubahan tenaga di dalam atom? Ini adalah merupakan topik perbincangan utama bagi unit ini.

    Rajah 6.1 (a)Pemain cakera padat (b) cakera padat (http://www.asia.ru/en/Catalog/)

    6.2 Teori Partikel dan Sifat Dedua Gelombang

    Kesan fotoelektrik telah dibincangkan dalam unit yang lepas. Dalam topik ini, kita akan mempelajari konsep sifat dedua gelombang. Albert Einstein (1879 1955) telah mencadangkan bahawa cahaya mempunyai sifat-sifat seperti zarah yang terkandung dalam foton.Contoh fenomena yang mempunyai konsep yang sama adalah seperti penyebaran cahaya oleh prisma kepada suatu spektrum. Contoh inidi dapati lebih mudah digunakan untuk memahami konsep ini.Setakat ini, saintis telah menerima cadangan bahawa cahaya memiliki sifat dedua (dua sifat) iaitu boleh bersifat seperti zarah dan juga gelombang. 6.3 Postulat de Broglie Kegagalan Teori Atom Bohr untuk menerangkan kedudukan elektron dalam atom selain daripada hidrogen telah menyebabkan Louis de Broglie(1892-1987) mengemukakan Teori Kuantum Mekanik Baharu pada tahun 1924. Pada awalnya, beliau mengemukakan pendapat bahawa zarah kecil jirim (berdimensi atom) boleh menunjukkan sifat seperti gelombang. Pada masa yang sama, Planck (1858 1947) telah berjaya menerangkan hubungan antara tenaga (E) dengan frekuensi () bagi sinaran yang diserap dan dipancarkan.

    Perkaitan ini dapat dihubungkan melalui persamaan berikut:

    (6.1) Manakala, Albert Einsteinpula meramalkan bahawa foton, m, dengan panjang gelombang, , yang dipancarkan daripada pereputan unsur bahan radioaktif boleh dikaitkan dengan persamaan yang dikenali sebagai persamaan Einstein seperti berikut:

    (6.2)

    (a) (b)

    2mcE

  • A t o m d a n S t r u k t u r E l e k t r o n ( 2 ) | 131

    Hasil gabungan Persamaan Planck (Persamaan 6.1) dan Persamaan Einstein (Persamaan 6.2) memberikan terbitan yang baharu dikenali sebagai persamaan de Broglie (elektron sebagai zarah), h = mc2 dimana m= jisim relatistik h/c = mc = pc = kelajuan cahaya dalam vakum= 3 x 108 ms-1 h = pemalar Plank

    p = momentum Seperti yang dicadangkan oleh de Broglie, elektron sebagai bahan zarah, mempunyai

    dimana = panjang gelombang m = jisim zarah (kg)(6.3)

    h = pemalar plank (Js-1) = halaju zarah (ms-1)

    Konsep sifat dedua yang dimiliki oleh elektron ini telah disokong oleh J. J. Thompson (1856 1940) yang berpendapat bahawa elektron adalah suatu gelombang.Persamaan de Broglie ini boleh digunakan untuk menghitung panjang gelombang elektron dengan menggantikan nilai halaju foton (c) dengan halaju elektron.

    6.4 Prinsip Ketidakpastian Heisenberg Hukum fizik klasik sedia ada sudah cukup untuk membantu kita meramal dengan tepat kedudukan sesuatu objek.Misalnya, kita boleh mengira dengan tepat tempatkedudukan jatuh suatu roket selepas dilancarkan.Keadaan ini berbeza bagi kedudukan zarah-zarah bersaiz atom. Matlamat kita masih lagi sama iaitu untuk mengetahui kedudukan zarah (x) dan kedua ialah momentum, p=m.Berdasarkan konsep fizik klasik, suatu partikel yang bergerak mempunyai kedudukan yang tetap. Jika suatu elektron mempunyai kedua-dua sifat partikel dan gelombang (sifat dedua), bagaimanakah kita boleh menentukan kedudukan elektron tersebut di dalam suatu atom? Maka, adalah mustahil bagi menjelaskan kewujudan satu partikel dalam ruang dan kelajuannya dengan tepat. Rentetan daripada penemuan postulat de Brogliepada tahun 1927, Werner Heisenberg (1901-1976), ahli Fizik Jerman telah mencadangkan Prinsip Ketakpastian Heisenberg. Prinsip ini boleh dijelaskan melalui persamaan berikut:

    (6.4)

    x ialah ketakpastian kedudukan partikel sepanjang paksi-x, ialah ketakpastian halaju partikel, dan m ialah jisim

    tetap partikel.

    mv

    h

    p

    h

    4

    hmx

  • A t o m d a n S t r u k t u r E l e k t r o n ( 2 ) | 132

    Contoh 6.1 Satu elektron bergerak mendekati nukleus dengan kelajuan 6 x 106 ms-1 1%. Kirakan nilai ketakpastian kedudukan elektron sepanjang paksi-x(x)? Diberi jisim elektron (m) ialah 9.11 10-31 kgdan pemalar Planck (h) ialah 6.626 10-34 kgm2s-1.

    Penyelesaian Langkah 1: Cari nilai ketidakpastian halaju elektron, (v)

    v = 1% terhadap nilai halaju elektron = 0.01 6 106 ms-1 = 6 104 ms-1 Langkah 2: Masukkan nilai (v) ke dalam persamaan berikut

    Maka,

    1-mskg

    skgm 12

    431

    34

    1061011.94

    10626.6

    4 vm

    hx

    Jadi nilai ketakpastian kedudukan elektron sepanjang paksi-x, (x)

    Hasil daripada penemuan Heisenberg ini menyangkal Teori Atom Bohr dan seterusnya membuktikan kedudukan elektron dalam atom tidak tetap.

    Signifikan daripada persamaan di atas ialah kita tidak dapat mengukur kedudukan dan momentum secara serentak dengan ketepatan yang tinggi.Ini kerana, konsep atau sifat dedua partikel tertakluk kepada prinsip ini. Maka, untuk memperihalkan dengan tepat mengenai elektron dalam atom, kita haruslah mencari penyelesaian lain. Jadi, konsep mekanik gelombang telah dikaji. 6.5 Konsep Mekanik Gelombang

    Terdapat dua bentuk gelombang iaitu:

    i) Gelombang merambat

    Contohnya: Tali yang terikat pada kapal di laut yang direntap.Ini menyebabkan gelombang menghantar tenaga sepanjang tali tersebut sehingga ke hujung.

    ii) Gelombang pegun

    Contoh: Tali yang terikat pada gitar. Apabila tali gitar dipetik, ayunan berbeza dari titik ke titik sepanjang gelombang menghasilkannod bunyi. Ayunan ini berlaku tanpaperpindahan tenaga.Contoh ini adalah berbentuk 1-dimensi, seperti yang digambarkan dalam teori atom Bohr.Bagi contoh yang berbentuk 2-dimensi, boleh diperhatikan contoh yang terdapat pada rebana.Perlu dingatkan bahawa elektron dalam suatu atom pula adalah berbentuk 3 dimensi.

    m9101 x

    4

    hmx

  • A t o m d a n S t r u k t u r E l e k t r o n ( 2 ) | 133

    6.5 Persamaan Schrdinger Penerimaan terhadap sifat dedua di antara jirim dan tenaga dan juga Prinsip Ketidakpastian Heisenberg telah merancakkan bidang kuantum mekanik. Bidang kuantum mekanik merupakan bidang yang mengkaji gelombang semulajadi objek pada skala atom. Pada tahun 1926, Erwin Schrdinger (1887-1961) mencadangkan bahawa elektron (atau zarah) memiliki sifat seperti gelombang yang boleh diperihalkan dengan menggunakan persamaan matematik fungsi gelombang. Persamaan yang dicadangkan oleh Schrdinger adalah seperti berikut:

    (6.5)

    V = fungsi tenaga upaya pada (x,y,z) dan me ialah jisim elektron.

    Jika persamaan ini diberikan satu set nilai tertentu, hasil penyelesaiannya akan memberikan satu fungsi gelombang. Penyelesaian persamaan gelombang di atas memerlukan pengetahuan kalkulus peringkat tinggi dan tidak akan dibincangkan di sini. Fungsi gelombang, (disebut sebagai psi) dapat memberi maklumat secara statistik berkaitan kebarangkalian kedudukan elektron dalam ruang tertentu. Ruang tersebut berkadar dengan nilai 2 (ganda dua psi), iaitu ketumpatan kebarangkalian menemui suatu elektron pada satah x, y dan z. Idea ini adalah berasaskan analogi teori gelombang di mana keamatan cahaya berkadaran dengan ganda dua amplitud gelombang. Kebarangkalian untuk menemui foton adalah pada keamatan cahaya paling tinggi.

    Tiga nilai yang dimasukkan dalam persamaan tersebut adalah:

    n = 1,2,3...(Nombor Kuantum Utama)

    = 0, 1,...(n-1) (Nombor Kuantum Momentum Sudut) m= -1..0..+1 (Nombor Kuantum Magnet)

    di mana n, dan m adalah dikenali sebagai nombor kuantum.Ini akan dibincangkan dengan lanjut pada subtopik seterusnya. Oleh kerana elektron bercaj negatif dan berpusing, ia seolah-olah berbentuk seperti suatu magnet. Ini secara tidak langsung menghasilkan medan magnet yang disebut, ms (nombor kuantum spin elektron) dengan 2 kebarangkalian iaitu:

    atau +

    atau -

    EV

    zyxm

    h

    e

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    8

    Persamaan

    Schrdinger Fungsi

    = amplitud gelombang

    2 = keamatan = ketumpatan cas elektron =

    kebarangkalian elektron

    Input nilai-nilai tertentu

  • A t o