Nurun Nayiroh, M.Si
FISIKA MODERNPERTEMUAN KE-5
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 KE 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.
1803 : J. Dalton mengemukakan bahwa unsur kimia saling bereaksi dalam perbandingan berat tertentu →membentuk atom majemuk (yang kemudian disebut MOLEKUL)
1811 : Avogadro menyatakan “bermacam-macam gas dalam volume yang sama mengandung sejumlah molekul yang sama, apabila suhu dan tekanan sama”
1815 : Prout, berdasarkan pengamatan bahwa berat atom unsur mendekati bilangan bulat, mengajukan hipotesis bahwa atom hidrogen merupakan satuan pembentuk unsur yang lebih berat
1911 : Perrin dengan teliti menentukan jumlah molekul dalam 1 gramol (bilangan Avogadro): NA = 6,022 × 1023
grammol-1
Sampai saat itu orang telah dapat
menentukan diameter atom, akan tetapi
belum mengetahui struktur atom
STRUKTURNYA APA?
Partikel Dasar
a. Elektron
1833 : Percobaan elektrolisis Faraday membuktikan bahwa benda bersifat listrik
1874 : Stoney mengemukakan hipotesis bahwa mungkin dalam alam terdapat satuan listrik, yaitu jumlah listrik yang harus dialirkan melalui larutan untuk dapat melepaskan pada elektrode satu atom H, atau suatu unsur lain yang ekivalen. Satuan ini oleh Stoney diberi nama ELEKTRON. 1879 : Sir William Crooks dalam mempelajari sifat-sifat bunga api listrik dalam tabung hampa menunjukkan adanya suatu sinar yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Sinar ini diberi nama SINAR KATODE.
1897 : Sir J.J. Thomson membuktikan bahwa sinar katode terdiri dari partikel bermuatan negatif sesuai dengan hipotesis Stoney Thomson memberinya nama ELEKTRON
b. Proton
Dari percobaan tabung hampa kemudian ditemukan adanya sinar yang bermuatan positif yang sering disebut “sinar saluran”, yang massa dan muatannya bergantung pada sifat dan jenis gas sisa yang terdapat dalam tabung.
Partikel bermuatan satu dengan nilai e/m maksimum didapatkan bila gas sisa adalah hidrogen.
Ternyata partikel ini, yang disebut PROTON mempunyai sifat yang sama dengan hidrogen. Dari percobaan lebih lanjut dapat dibuktikan bahwa proton ini tidak lain adalah inti hidrogen.
c. Neutron
Dari kenyataan bahwa dalam inti atom terdapat elektron yang bermuatan negatif dan proton yang bermuatan positif, menyebabkan Rutherford dalam tahun 1920 meramalkan adanya partikel netral sebagai akibat penggabungan proton dan elektron. Partikel ini diberi nama NEUTRON, yang baru kemudian dalam tahun 1932 dapat dibuktikan kebenarannya oleh Chadwick
Ketiga partikel, elektron, proton dan neutron merupakan partikel yang dikenal sebagai partikel stabil. Disamping ketiga partikel stabil tersebut, ada lagi beberapa partikel yang tak stabil yang hanya dapat hidup untuk jangka waktu tertentu saja.
d. Positron
Andersen (1932) dalam penelitiannya dengan sinar kosmik menemukan partikel yang dalam medan listrik dan medan magnet mempunyai sifat yang berlawanan dengan elektron, walaupun massanya dapat dibuktikan sama besar. Partikel ini disebutnya POSITRON
e. Neutrino dan Antineutrino
Untuk mempertahankan hukum kekekalan massa dan energi dalam peristiwa peluruhan beta, perlu dimasukkan lagi suatu partikel baru dengan beberapa sifat yang dihipotesiskan.
(1927) Pauli mengajukan postulat bahwa partikel baru ini, yang dinamakan NEUTRINO, diciptakan dan dipancarkan pada setiap proses peluruhan beta. Neutrino mempunyai massa hampir sama dengan nol dan muatan sama dengan nol, karena itu sulit untuk berinteraksi dengan benda sehingga sulit untuk dideteksi.
Neutrino dipancarkan pada proses pemancaran negatron (elektron negatif) dan ANTINEUTRINO dipancarkan pada proses pemancaran positron.
f. Meson
Untuk menerangkan sifat ikatan dalam inti, Yukawa (1935) mengajukan postulat adanya partikel dengan massa antara elektron dan proton.
Beberapa Jenis Satuan:
Satuan cgs [cm, gram, sekon (detik)], Satuan mks [m, kg, sekon (detik)]
Si (System Internationale) digunakan satuan : panjang : m
arus listrik : ampere (A)
gaya: Newton = kg.m/s2, dyne = g.cm/s2
massa : kg suhu : derajad (oC)
waktu : detik
banyak bahan : mol (gmol)
energi: joule = newton.m = kg.m2/s2, erg = dyne.cm =
g.cm2/s2
Struktur Atom
Dengan penemuan partikel dasar seperti tersebut di atas, pertanyaan yang kini muncul adalah bagaimanakah partikel tersebut tersusun membentuk atom unsur-unsur. Suatu gambaran sederhana diberikan oleh Thomson (1910), dimana atom terdiri dari suatu bulatan bermuatan positif dengan rapat muatan merata, di dalam muatan positif ini tersebar elektron dengan muatan negatif yang besarnya sama dengan muatan positif.
a. Penemuan elektron
Sejak Faraday menemukan hukum-hukumnya mengenai elektrolisa, orang mulai berpendapat tentang adanya sifat atomistik terdapat pada muatan listrik
Ini terlihat bahwa untuk mengendapkan ion-ion monovalen diperlukan muatan listrik yang sama banyaknya setiap gram ionnya
Maka tiap ion diperkirakan membawa muatan keunsuran listrik dan oleh STONEY catu keunsuran ini disebut : ELEKTRON
KONDUKSI LISTRIK DALAM LARUTAN
Apabila 2 elektrode tembaga (Cu) dicelupkan dalam larutan tembaga sulfat (CuSO4) dan
dihubungkan dengan baterai yang memberikan beda potensial melewati larutan, suatu arus akan mengalir dalam elektrolit dan tembaga terdeposit pada katode.
Proses elektrolisa terjadi jika arus listrik melewati suatu larutan garam inorganik dalam air
Reaksi tsb selalu
mengakibatkan oksidasi atau reduksi bahan elektrode dan elektrolit
Faraday menemukan dua hukum yang menentukan jumlah bahan yang terdeposit selama elektrolisa
Konduksi listrik melalui larutan
HUKUM I : menyatakan bahwa massa m (g) dari setiap bahan yang dibebaskan dari larutan sebanding dengan kuantitas listrik Q (Coulomb) yang melewati larutan
HUKUM II : menyatakan bahwa massa dari bahan yang dibebaskan oleh kuantitas listrik yang sama adalah sebanding dengan ekuivalensi kimianya
1 mol dari setiap ion monovalen dibebaskan oleh kuantitas listrik yang sama selama elektrolisa dan kuantitas listrik tsb dinamakan : KONSTANTE FARADAY F
F = 9,648456 × 104C/mol
dimana :
Hukum-hukum Faraday diringkas dalam persamaan :
dimana :
n = jumlah mol yang dibebaskan F = konstante faraday
I = arus (ampere)
z = valensi ion yg dibebaskan F = NA e
t = waktu (detik) (jumlah muatan ion)
Sekarang diketahui bahwa konduksi melewati cairan timbul dari adanya ion-ion atom atau grup atom membawa muatan listrik positif atau negatif
Arus dibawa oleh pergerakan ion-ion yg melewati larutan di bawah pengaruh medan listrik :
- ion-ion tembaga membawa 2 muatan positif : Cu2+
- ion-ion sulfat membawa 2 muatan negatif : SO4
2-Dalam larutan CuSO4menjadi terionisasi : CuSO4→Cu2++ SO
4
2-- Cu2+ditarik katode : terdeposit sebagai metal tembaga
- SO42-menuju ke anode : SO
42-+ Cu →CuSO4+ 2
KONDUKSI LISTRIK DALAM GAS
Elektron ditemukan dalam rangka penyelidikan hantaran kelistrikan di dalam gas yang bertekanan rendah.
Pada tekanan udara normal : bersifat sebagai isolator Diperlukan E ≈3 MV/m supaya terjadi konduksi listrik
Jika tekanan dikurangi dan pada elektrode dipasang beda potensial:
- terjadi lucutan listrik - gas memancarkan cahaya Pada tekanan ~ 1 mmHg : - timbul warna biru pada katode - ruang gelap Faraday
Pada tekanan ~ 1 μmHg : timbul ruang gelap Crookes Pada keadaan hampir hampa :
- ruang gelap Crookes mengisi hampir seluruh ruangan - dinding menyala hijau
- suatu sinar tak nampak (disebut SINAR KATODE) memancar dari katode :
- Dapat membentuk bayangan benda - Disimpangkan oleh medan listrik & magnet - Dapat menghitamkan plat fotografi - Dapat menembus metal tipis
Penentuan e/m Dengan Metode THOMSON
Jika pada K dan A dipasang tegangan tinggi V : sinar katode akan dipancarkan dari K ke A Energi kinetik partikel : ½ mv2= eV m : massa e : muatan elektron v : kecepatan elektron V : beda potensial Partikel bergerak beraturan dan mengenai dinding di s
Jika lempeng kapasitor di belakang A dipasang tegangan V’, maka partikel akan mengalami gaya: F = eV’/d = eE →partikel menyimpang y’, dimana : E = V’/d (medan listrik)
Untuk mengembalikan noda fluoresensi pada titik s dipasang medan magnet B, sehingga : eE = Bev dan v = E/B
Dengan menggunakan Hukum Newton II: eE = m(d2y/dt2) = ma, e/m = 2 yv2/El2 Karena : v = E/B dan y = ly’/2L, maka: Peralatan yang digunakan oleh Thomson
untuk menentukan (e/m) adalah sebuah tabung hampa tinggi yang dilengkapi dengan elektrode (A dan K)
Dengan mengetahui beberapa ukuran geometri alat: l = panjang lempeng kapasitor
d = jarak antara lempeng kapasitor
L = jarak antara pusat kapasitor dengan layar Maka harga e/m dapat diukur, dari pengukuran yang seksama : e/m = 1,7588 × 1011C/kg.
Penentuan Muatan Elektron
Salah satu cara sederhana menggunakan percobaan Millikan Jika dipasang tegangan antara lempeng kapasitor = V
1) Gaya listrik dapat mengimbangi gaya berat, tetes minyak terlihat melayang qV/d = (4π/3) a3g(ρ-ρ
o) ………(1)
dimana : d = jarak keping (lempeng) a = jari-jari tetes g = percepatan gravitasi ρ= rapat minyak ρo= rapat udara
Apabila tegangan listrik ditiadakan →tetes akan jatuh dan mengalami gesekan udara
Andaikan kelajuan maksimal = vo
→menurut Stokes : 6πaηvo= (4/3)πa3g(ρ-ρo) ...(2) η: koefisien viskositas udara
Dengan eliminasi jari-jari tetes a, diperoleh :
...(3)
Besarnya muatan dalam elektron ditemukan oleh Robert Andrew Milikan (1908) melalui percobaan tetes minyak Milikan seperti gambar:
Minyak disemprotkan ke dalam tabung yang bermuatan listrik. Akibat gaya tarik gravitasi akan mengendapkan tetesan minyak yang turun. Bila tetesan minyak diberi muatan negatif maka akan tertarik kekutub positif medan listrik.
Dengan mengadakan pengukuran terhadap berbagai tetes minyak : Millikan memperoleh bermacam-macam harga q →e = 1,591 × 10-19
Coulomb
Eksperimen selanjutnya dengan metode ini diperoleh : e = 1,602 × 10-19Coulomb
2) Tetes minyak tidak setimbang dalam medan listrik jika tetes bergerak mencapai kelajuan maksimum = vx, menurut Stokes :
Persamaan (2) dan (3) memberikan : q/V = 6πaη(vo+ vx)
Untuk menghilangkan jari-jari a dipakai persamaan (2)
Dengan menggunakan besaran-besaran elektronik yang dihasilkan dengan metode di atas:
e/m = 1,7588 × 1011C/kg e = 1,6022 × 10-19C Maka dapat dihitung massa elektron, yaitu me= e ÷ (e/m) = (1,6022 × 10-19)/(1,7588 × 1011)
me= 9,1096 × 10-31kg
MODEL-MODEL ATOM
Tahun 1910 secara eksperimental dapat ditunjukkan bahwa atom-atom terdiri dari elektron-elektron (yaitu hamburan sinar-X oleh atom, efek fotolistrik, dll.)
A. MODEL ATOM THOMSON
Atom merupakan bola bermuatan positif serba-sama yang mengandung elektron
Model atom Thomson : model plum-pudding (kue) karena menyerupai kue yang berkismis
J.J. Thomson mengajukan suatu model atom:
“Elektron-elektron yang bermuatan negatif terletak dalam suatu muatan positif yang terdistribusi kontinyu”. Distribusi muatan positif diandaikan berbentuk bola dengan jari-jari ~ 10-10m
Karena atom-atom pada umumnya netral, maka selain atom mempunyai muatan negatif –Ze, atom juga terdiri dari muatan positif yg besarnya sama dengan muatan negatifnya.
B. 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
25
Percobaan Hamburan Sinarα Teori Hamburan Rutherford
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 = 10-8cm
Menurut Rutherford, elektron-elektron beredar di sekeliling inti. Jika jari-jari lintasan elektron r, energi potensial elektron pada orbitnya:
e adalah muatan elementer, dan m adalah massa elektron
Gaya tarik-menarik antara inti dan elektron sama dengan gaya sentripetal yang bekerja pada elektron
Sehingga energi kinetik elektron pada orbitnya, dari Ek = ½ m v2
Energi total elektron:
dimana
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)
SPEKTRUM ATOM
SPEKTRUM ATOM HIDROGEN
Dalam model atom Rutherford : elektron berputer mengelilingi inti (untuk mengatasi gaya Coulomb)
Teori elektromagnet : “partikel bermuatan (e-) yang bergerak akan memancarkan gelombang elektromagnet (Bremstrahlung)”
atom tidak stabil →orbit elektron berbentuk spiral →elektron ditangkap oleh inti
Karena memancarkan gelombang e.m.→spektrum kontinyu Kenyataan : spektrum atom berbentuk diskrit (berupa garis-garis) (1859) : Kirchhoff menyatakan bahwa masing-masing unsur memperlihatkan suatu spektrum karakteristik
(1885) : Balmer dan Rydberg menemukan rumusan distribusi garis dalam suatu spektrum. Rumusan tsb memperlihatkan bahwa spektrum atom dapat memberikan berbagai informasi tentang struktur atom
Rumus empiris Balmer :
n = 3, 4, 5, …. dimana :
R = tetapan Rydberg = 1,097 × 107/m
c =λυ →(1/λ) = υ/c = σ(bilangan gelombang)
Untuk atom-atom unsur alkali (Li, Na, K, …)
a,b = konstante deret utama m = bilangan bulat tertentu (tetap) n = bilangan bulat variabel
Konsep Atom Menurut Bohr
Hasil pengamatan spektroskopis terhadap spektrum atom Hidrogen telah membuka kelemahan-kelemahan model atom Rutherford.
Dari kenyataan ini dapat ditafsirkan beberapa kemungkinan: 1. Model atom Rutherford salah, atau
2. Teori Elektrodinamika klasik salah, atau
3. Model atom Rutherford dan teori Elektrodinamika klasik hanya berlaku untuk batas-batas tertentu.
Pada tahun 1913, Niels Bohr (1885-1962) menyusun model atom Hidrogen berdasarkan model atom Rutherford dan teori Kuantum Planck.
35
hanya dapat berputar pada lintasan tertentu tanpa memancarkan atau energi. Lintasan ini disebut lintasan stasioner. Besar momentum anguler elektron pada lintasan stasioner ini adalah :
dan disebut sebagai bilangan kuantum utama, dan hadalah konstanta Planck.
Jari-jari Lintasan Elektron
Elektron yang jari-jari lintasannya r memiliki, persamaan umum untuk sembarang lintasan :
dengan r1= 0,53 Å (jari-jari Bohr), dan n = 1,2,3,… dst. Model Bohr untuk atom hydrogen
πε
Kecepatan elektron dalam orbit :
dimana: n = 1,2,3,…
Untuk tingkat dasar : n =1 & Z = 1
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 :nA = Kulit yang dituju nB = Kulit yang ditinggalkan
R = 1,097.10-7m
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, ….
Energi
Energi untuk kulit ke-n memenuhi persamaan :
Apabila terjadi perpindahan (transisi) elektron dari satu kulit ke kulit yang lain, maka memerlukan energi :
Besarnya energi yang diperlukan atau dipancarkan sebesar:
λ = =
h = tetapan Planck = 6,6.10-34Js
f = frekuensi foton (Hz)
c = cepat rambat cahaya = 3.108m/s
λ = panjang gelombang foton (m)
! " #
Energi Ionisasi
Untuk membangkitkan elektron dari kuantum nA ke kuantum nB diserap energi sebesar:
dengan
sehingga
Dengan mensubstitusikan nilai m,e,k,h maka diperoleh
Bila elektron terbangkit sampai kuantum , maka elektron itu lepas dari lingkungan atom dan atom tersebut menjadi ion (+).
Energi yang diserap untuk meng-ion-kan atom disebut Energi Ionisasi. Besar Energi Ionisasi atom Hidrogen:
untuk n = 1 →E = 13,6 eV
Sebaliknya jika ion Hidrogen mengikat sebuah elektron akan dipancarkan energi sebesar:
Besar Frekuensi foton yang dipancarkan:
untuk n = 2 diperoleh frekuensi yang sesuai dengan salah satu deret balmer
Afinitas Elektron
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 (-)
44
Kelebihan model Bohr
Keberhasilan teori Bohr terletak pada
kemampuannya untuk meramalkan garis-garis dalam spektrum atom hidrogen.
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 spectrum, yaitu 2 atau lebih garis yang sangat berdekatan
Belum dapat menerangkan spektrum atom kompleks Itensitas relatif dari tiap garis spektrum emisi.
