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 gelombangc =

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 m1 nm = 1 x 10-9 m = 1 x 10-7 cm = 10 Å1 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 merah-jingga-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

5. 4, 3, n dimana 4

6,36452

2

n

n

Rumus yang lebih umum untuk persamaan Balmer

22

115

22

1

2

1det102881,3

1

2

1

nx

nRc

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

Jn

BEn

18-2

10 x 2,179 nilaidengan numerik konstanta : B ,

115134

8

2222

22222223

det10289,3det10626,6

10179,2

3

1

2

1;

3

1

2

1

3

1

2

1

3223

xJx

Jx

h

B

BhBE

hE

BBBBB

EEE

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.

mv

h

p

h

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

2

hpx

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

elektron elektron

foton(a) (b)

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 orbital pd subkulit

1 1 3 1 3 5

Jml total orbital n2

1 4 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 konfigurasi1. Elektron menempati orbital sedemikian rupa

untuk meminimumkan energi atom tersebut2. 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