29/04/2014

1

STRUKTUR ATOM

Nurun Nayiroh, M.Si

FISIKA MODERN

PERTEMUAN KE-7 & 8

Sub Pokok Bahasan

• Model Awal dari Atom

• Model Atom Rutherford

• Orbit Elektron

• Spektrum Atomik

• Atom Bohr

• Laser

29/04/2014

2

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

29/04/2014

3

MODEL ATOM THOMSON

• Prestasi J.J. Thomson

– Mencirikan elektron (Tabung sinar Katoda)

– Mengukur nisbah muatan terhadap massa (e/m) elektron) (e/m = 1,7588 . 108 C/g)

• 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

29/04/2014

4

• 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.

29/04/2014

5

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

MODEL ATOM RUTHERFORD

• 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

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

29/04/2014

6

Diagram Percobaan Rutherford

atau dalam bentuk sederhana

Sumber sinar Alpha

Lempeng Emas

Layar

29/04/2014

7

Hasil eksperimen Rutherford

Sinar alfa

Diteruskan

Dibelokkan

Dipantulkan

Atom Logam

29/04/2014

8

Asumsi Rutherford:

• Partikel alpa dan inti emasberukuran sangat kecil

• Partikel alpa dan inti emasbermuatan positif

• Gaya listrik sebandingdengan 1/r2 menyebabkanpartikel alpa terhambur

φ

b

∆∆∆∆P

F

½ (π−θ)

½ (π−θ)θ

Inti

target

P2

P1

∆P

θ

Proses Hamburan Rutherford

Posisi Sesaat

Sudut sesaat

antara F dan ∆P

Vektor

Perubahan

momentum

Parameter

dampak

Sudut

hambur

+

Partikel alpha

29/04/2014

9

• Gaya listrik yang ditimbulkan oleh inti padapartikel alfa beraksi sepanjang vector jari-jariantara keduanya, sehingga tidak ada torsi pada partikel alfa, dan momentum sudutmωr2 konstan.

2

22

4

1

r

ZeF

oπε=

Karena inti diam berarti besar momentum partikelalfa tetap :

p1 =p2 = mv

Tetapi impuls ∫ F.dt, menyebabkan perubahan vektormomentum partikel alpa sebagai :

• Perubahan Impuls sama dengan perubahanmomentum, besarnya adalah:

∫=−=∆ dtFppp .12

rrrr

∫∫ ==∆ dtFdtFp .cos. φ

29/04/2014

10

2

θπsin

mv

sin θ

∆p

−=

2

θcosθ)(πsin

21 =−

∆P

θ

P2

P1=mv

Besar perubahan momentum

2

θsin2mv∆p .=

Maka diperoleh

2cos

2sin2sin

θθθ =

Momentum sudut partikel alfa sekitar inti adalahkosntan.

mωr2 = konstan = m r2 dφ/dt = mvb

Atau

φφ

φθ θπ

θπd

d

dtFmvp ∫

−

−==∆

2/)(

2/)(.cos

2sin2

vb

r

d

dt21

==ωφ

29/04/2014

11

• Subsitusikan persamaan ini ke dalam persamaan integral di atas akan menghasilkan:

dφcosφF2

θbsin2mv

θ)/2(π

θ)/2(π

2 ..2∫−

−= r

Penyelesaian integral menghasilkan persamaanhubungan antara Sudut hamburan θ denganparameter dampak b :

2

22

2cot

Ze

bmvoπεθ=

2

.4

2cot

Ze

bKoπεθ=Atau

θθ : sudut hamburan pertikel alfa: sudut hamburan pertikel alfab : parameter dampakb : parameter dampakK = ½ mv2 : energi kinetik K = ½ mv2 : energi kinetik

29/04/2014

12

Rumus Hamburan Rutherford

)2/(sin)KE(r)8(

entZN)(N

4222

o

42

i

θπε=θ

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 θf<b = f>θ = ntπb2

2. Rumus Rutherford dan pembuktian kebenarannnya lewat percobaan

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

K

zZed

o

2

4

1

πε=

)2/(sin)KE(r)8(

entZN)(N

4222

o

42

i

θπε=θ

29/04/2014

13

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.

datom ≈ 1 Å = 10-8 cmdinti ≈ 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)

29/04/2014

14

• 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 dikelompokkanmenjadi:

• Spektrum kontinyu

• Spektrum garis

29/04/2014

15

Spektrum Kontinyu

- Spektrum kontinyu : radiasi yang dihasilkan olehatom yang tereksitasi yang terdiri dari berbagaiwarna yang bersinambungan, yaitu ungu, biru, hijau,kuning, jingga, merah.

Semakin besar panjang gelombang maka semakin kecilenerginya, maka artinya sinar ungu mempunyai foton denganenergi 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

29/04/2014

16

Spektrum Garis

Spektrum diskrit atau spektrum garis : radiasiyang dihasilkan oleh atom yang tereksitasiyang hanya terdiri dari beberapa warna garisyang 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 listrikdialirkan ke dalam tabung, maka hanya sehimpunan panjang gelombang diskrit cahaya tertentu saja ang dipancarkan oleh gas. Cahaya yang dipancarkan olehsetiap gas berbeda-beda dan merupakankarakteristik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalambentuk spektrum garis dan bukan spektrum yang kontinyu.

29/04/2014

17

Peralatan untuk mengamati spektrum garis

Spektrum garis berbagai gas

29/04/2014

18

Peralatan untuk mengamati spektrum serap

• Di buku Fisika Modern (Kenneth Krane) hal.241 Gambar 6.18

Spektrum serap dan pancar atom Hidrogen

29/04/2014

19

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, danPfund.

Pola deret-deret ini serupa maka dapatdirangkum dalam satu persamaan.

Persamaan ini disebut deret spektrum hidrogen.

Dimana R adalah konstanta Rydberg yang

nilainya 1,097 × 107 m−1.

Atau:

Dengan λlimit adalah panjang gelombang deret batas yang sesuai.

29/04/2014

20

Deret Spektrum

• Deret Lyman (m = 1) , Spektrum yang dihasilkancahaya ultra violet

dengan n = 2, 3, 4, …

• Deret Balmer (m = 2), Spektrum yang dihasilkan cahayatampak

dengan n = 3, 4, 5 ….

• Deret Paschen (m = 3), Spektrum yang dihasilkan cahayainfra merah 1

• Deret Bracket (m = 4), Spektrum yang dihasilkan cahayainfra merah 2

dengan n = 5, 6, 7, ….

• Deret Pfund (m = 5), Spektrum yang dihasilkan cahayainfra merah 3

dengan n =6, 7, 8 ….

dengan n = 4, 5, 6 ….

29/04/2014

21

Dengan demikian, setiap model atom hidrogen dapatmenerangkan keteraturan aritmatik yang menarik inidalam 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

29/04/2014

22

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.