29/04/2014
FISIKA MODERN
PERTEMUAN KE-7 & 8
STRUKTUR ATOM Nurun Nayiroh, M.Si
Sub Pokok Bahasan • • • • • •
Model Awal dari Atom Model Atom Rutherford Orbit Elektron Spektrum Atomik Atom Bohr Laser
1
29/04/2014
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
2
29/04/2014
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
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
3
29/04/2014
• 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.
4
29/04/2014
• Baca selebihnya tentang Model Atom Thomson di buku FISIKA MODERN (KENNETH KRANE) Hal. 221-228
MODEL ATOM RUTHERFORD 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
5
29/04/2014
Diagram Percobaan Rutherford
atau dalam bentuk sederhana
Sumber sinar Alpha Lempeng Emas Layar
6
29/04/2014
Atom Logam
Diteruskan
Sinar alfa Dibelokkan Dipantulkan
Hasil eksperimen Rutherford
7
29/04/2014
Asumsi Rutherford: • Partikel alpa dan inti emas berukuran sangat kecil • Partikel alpa dan inti emas bermuatan positif • Gaya listrik sebanding dengan 1/r2 menyebabkan partikel alpa terhambur
Proses Hamburan Rutherford ∆P
∆P
θ
F
P1
Partikel alpha
Vektor Perubahan momentum
Sudut sesaat antara F dan ∆P
P2
φ
½ (π−θ)
½ (π−θ) θ
b
+ Parameter dampak
Posisi Sesaat
Sudut hambur
Inti target
8
29/04/2014
• 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.
2 Ze 2 F= 4πε o r 2 1
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
•
Perubahan Impuls sama dengan perubahan momentum, besarnya adalah:
∆p =
∫ F .dt = ∫ F cos φ .dt
9
29/04/2014
Besar perubahan momentum ∆P
∆p mv = π − θ sin θ sin 2
P2
θ P1=mv
sin 12 (π − θ) = cos
θ
θ 2
θ
sinθ = 2 sin cos 2 2
Maka diperoleh ∆p = 2mv .sin
∆p = 2mv sin
θ 2
=∫
(π −θ ) / 2
(π −θ ) / 2
F cos φ .
θ 2
dt dφ dφ
Momentum sudut partikel alfa sekitar inti adalah kosntan. mωr2 = konstan = m r2 dφ/dt = mvb Atau
dt 1 r2 = = dφ ω vb
10
29/04/2014
Subsitusikan persamaan ini ke dalam persamaan integral di atas akan menghasilkan:
•
(π −θ)/2 θ 2mv bsin = ∫ r 2F.cosφ.dφ 2 (π −θ)/2 2
Penyelesaian integral menghasilkan persamaan hubungan antara Sudut hamburan θ dengan parameter dampak b : cot
θ 2
=
2πε o mv 2 b Ze 2
Atau
cot
θ 2
=
4πε o K .b Ze 2
θ : sudut hamburan pertikel alfa b : parameter dampak K = ½ mv2 : energi kinetik
11
29/04/2014
Rumus Hamburan Rutherford N (θ) =
N i ntZ 2 e 4 (8πεo ) 2 r 2 ( KE ) 2 sin 4 (θ / 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
θ = ntπb2 2. Rumus Rutherford dan pembuktian kebenarannnya lewat percobaan N i ntZ 2 e 4 N(θ) = (8πε o ) 2 r 2 (KE ) 2 sin 4 (θ / 2) 3. Jarak terdekat ke inti atom, yang dapat dicapai oleh partikel bermuatan. d=
zZe 2 4πε o K 1
12
29/04/2014
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. datom ≈ 1 Å = 10-8 cm dinti ≈ 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)
13
29/04/2014
• 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 dikelompokkan menjadi: • Spektrum kontinyu • Spektrum garis
14
29/04/2014
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.
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.
• 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
15
29/04/2014
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.
16
29/04/2014
Peralatan untuk mengamati spektrum garis
Spektrum garis berbagai gas
17
29/04/2014
Peralatan untuk mengamati spektrum serap • Di buku Fisika Modern (Kenneth Krane) hal.241 Gambar 6.18
Spektrum serap dan pancar atom Hidrogen
18
29/04/2014
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: 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, 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:
Dengan λlimit adalah panjang gelombang deret batas yang sesuai.
19
29/04/2014
Deret Spektrum • Deret Lyman (m = 1) , Spektrum yang dihasilkan cahaya ultra violet
dengan n = 2, 3, 4, … • Deret Balmer (m = 2), Spektrum yang dihasilkan cahaya tampak
dengan n = 3, 4, 5 ….
• 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 = 5, 6, 7, …. • Deret Pfund (m = 5), Spektrum yang dihasilkan cahaya infra merah 3 dengan n =6, 7, 8 ….
20
29/04/2014
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 Pfund) inframerah
21
29/04/2014
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.
22
