1

Struktur Atom

Dari Model Klasik sampai Model Mekanika Kuantum

elektron

intiLintasanorbital

elektron

Model KlasikTeori atom Democritus (~400 BC)

Filosofi YunaniKonsep: Semua materi tersusun atas partikel sangat kecil dan tidak terbagiyang disebut ATOM

Teori atom Dalton (1808)1. Materi tersusun atas partikel-partikel sangat kecil yang tidak dapat terbagi

lagi yang disebut ATOM2. Atom penyusun suatu unsur berbeda dengan atom penyusun unsur yang

lain. Atom dari 1 unsur mempunyai kesamaan massa dan sifat.3. Atom unsur yang berbeda dapat bergabung satu dengan yang lain dengan

perbandingan sederhana membentuk suatu SENYAWA. 4. Reaksi kimia berlangsung jika atom-atom dipisahkan, digabungkan atau

ditata ulang. Atom satu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain melalui reaksi kimia.

Teori atom Thomson (1897)Teori atom Rutherford (1910)

2

TEORI ATOM DALTON

FF

FF

FF

HH

HH+

FF F

HFH

FH

FH

+

F HMassa relatif=19 Massa relatif=1

3 F2 + 2 H2 F2 + 4 HF

J.J. Thomson (1897), fisikawanInggris

Eksperimen menentukan rasio muatan terhadap massaelektron (q/me)q/me= -1,76 x 108 C/gSinar katoda dikenai medan listrik dan medan magnetModel atom “Plum pudding” (Kismis)RA Millikan (1923) muatan e- -1,6022 x 10-19 C me = 9,10 x 10-28 g

e- bermuatannegatif

bola bermuatanpositif

e- bermuatannegatif

inti bermuatanpositif

3

Eksperimen Rutherford: Lempeng emas (1910)

Partikel α (alfa) – ion He bermuatanpositif dari sumber radioaktifditembakkan melalui lempeng/lembaranemas (Au foil) yang sangat tipisLayar fluoresen ditempatkan dibelakang Au foil untuk mendeteksihamburan (scattering) partikel α

4

Observasi eksperimen Rutherford

Sebagian besar partikel α melewati foilBanyak partikel α terdefleksi dengansudut bervariasiBeberapa partikel α terdefleksi balikdari foil Au

Kesimpulan eksperimen Rutherford

Sebagian besar massa atom terpusatkan dalam suatu INTI yang disebut INTI ATOMInti atom bermuatan POSITIFSebagian besar volum atom adalahruang kosong

5

Kelemahan model atom Rutherford

Tidak menjelaskan posisi elektron(partikel atom yang bermuatan negatif)

FAKTA:Partikel bermuatan berlawanan akansaling tarik menarikApa yang mencegah elektron tidaktertarik ke inti yang bermuatan positif?

Model atom Bohr (1913)Niels Bohr (1885-1962) ilmuwan Danish yang bekerja dengan RutherfordMengusulkan: elektron harusmempunyai cukup energi untukmembuatnya berada dalam gerakkonstan mengelilingi intiBohr membuat analogi terhadapgerakan planet mengelilingi matahari

6

Model atom PlanetPlanet mengelilingi matahari dengangaya gravitasi (gaya sentripetal dansentrifugal) Elektron mempunyai cukup energi yang memungkinkannya untuk mengatasigaya tarik inti

Untuk difikirkan:Kita mengirim satelit menuju orbit bumi dengan menggunakan energiroket memungkinkan satelit untu mengorbit mengelilingi bumi denganenergi yang cukup

Besarnya energi menentukan tinggi rendahnya posisi satelit terhadapbumi

Energi apa yang digunakan oleh elektron?

Struktur elektronik Atom

Dualisme partikel-gelombangEfek fotoelektrikKonstanta PlanckModel BohrPersamaan de Broglie

7

Energi cahayaRadiasi ≡ emisi/pancaran energi dalam berbagai bentuk

radiasi elektromagnetik = radiasi yang mempunyai sifatseperti gelombang listrik dan medan magnet meliputi cahaya(light), gelombang mikro, sinyal radio dan sinar-XGelombang eloktromagnetik mempunyai kecepatan di ruanghampa = kecepatan cahaya c=3.00x108m/detik atausekitar 300 juta m/detik!!!

Energi cahaya berjalan dalam bentuk gelombang yang mempunyai impuls magnetik dan elektrik

Gelombang bersifat memindahkan energi dari satu tempat ketempat yang lain

Kerusakan karena gelombang setelah terjadi angin putting beliung

bola tenis di bak mandi, saat air ditepuk di satu sisi bola bergerak (melompat) di sisi lain

Gelombang elektromagnetik mempunyai sifat sebagaiGELOMBANG

SIFAT GELOMBANG Panjanggelombang, λ(lambda) ≡jarak antaratitik puncakyang berurutan10

m

2m

Frekuensi, ν (nu) ≡ jumlah satu panjang gelombang yang melalui titik tertentu per satuan waktu, 1 siklus gelombangper detik Satuan frekuensi: 1/s (s-1); hertz, Hz

t=0 t=5 t=0 t=5Semua gelombangelektromagnetikbergerak dengankecepatan cahayapanjang gelombangdinyatakan denganfrekuensi

Frekuensi rendah = λ panjangFrekuensi tinggi = λ pendek

8

Amplitudo ≡ tinggimaksimum suatugelombang

Node/simpul ≡ titik saatamplitudo nol

SIFAT GELOMBANG

Spektrum ElektromagnetikRadio & TV, microwaves, UV, infrared, cahaya

tampak (visible light) Spektrum Elektromagnetik: seluruh rentang daerah

radiasi elektromagnetik

1024 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106

Gamma Xrays UV Microwaves FM AMIR

Cahaya tampak

Frequency Hz

10-16 10-9 10-8 10-6 10-3 100 102 Wavelength m

9

Stasiun radio?

Diidentifikasi dengan frekuensi dalam MHz. QUIS 1: tentukan panjang gelombang stasiunradio favorit anda!

Kecepatan gelombang (m/s) = panjanggelombang (m) x frekuensi (1/s)c = λνc= kecepatan cahaya = 3,00x108 m/s

Kecepatan gelombang

Keadaan elektron (State of the electrons)Saat arus dilewatkan melalui gas padatekanan rendah, Ep (energi karena posisi) atom-atom gas MENINGKAT Keadaan dasar (Ground State): posisi/keadaan terendah suatu atomKeadaan tereksitasi (Excited State): posisiatom saat mempunyai Ep lebih tinggidaripada keadaannya saat pada tingkatenergi dasar

Apa hubungan antara spektrumelektromagnetik dengan elektron?Terkait dengan energi energi gerak elektron danenergi cahaya

10

Neon SignsSaat atom tereksitasi kembali kekeadaan dasar memancarkanenergi yg diperoleh dalam bentukradiasi EMContoh: Kilau lampu neon

Cahaya putih tersusun atas semua warna dalamspektrum (mejiku hibini u) = ROY G BIVSaat dilewatkan prisma, cahaya putih terpisahmenjadi spektrum warna penyusunnyaFenomena: PELANGI

White Light

Helium

Neon

Argon

QUIS2: Mengapa warna lampu neon He, Ar dan Ne berbeda-beda?

11

Spektrum Garis EmisiSaat arus dilewatkan via tabung vakumyang mengandung gas H2 pada tekananrendah teramati emisi “pinkish glow” Bagaimana jika kilau pink tersebutdilewatkan prisma?

12

Spektrum emisi gas hidrogen

Cahaya pink tersusun atas hanyabeberapa frekuensi bukan seluruhrentang cahaya putihPeneliti mengharapkan untuk melihatsatu deret frekuensi kontinyu radiasi EM

karena atom hidrogen dieksitasikanoleh sembarang energi yang dikenakanpadanya.

Teori baru tentang ATOM

Bohr’s Model of Hydrogen AtomHydrogen did not produce a continuous spectrumNew model was needed:

Electrons can circle the nucleus only in allowed paths or orbitsWhen an e- is in one of these orbits, the atom has a fixed, definite energye- and hydrogen atom are in its lowest energy state when it is in the orbit closest to the nucleus

Orbits are separated by empty space, where e-cannot existEnergy of e- increases as it moves to orbits farther and farther from the nucleus

(Similar to a person climbing a ladder)

13

Model atom Bohr Model dan SpektrumHidrogen

Pada lintasan (orbit), e- dapat kehilangan ataumemperoleh energie- memperoleh energi setara dengan beda antaraorbital tertinggi dan terendah yang ditempatibergerak menuju orbital tingkat energi lebih tinggiABSORPSIe- turun dari keadaan energi lebih tinggi ke yang lebih rendah memancarkan energi EMISIBohr menghitung energi elektron pada tingkat energiyang dibolehkan untuk atom hidrogen berdasarkanpanjang gelombang spektrum garis emisi hidrogen

14

15

Efek Fotoelektrik (1900an)cahaya mengenai permukaan suatu logam,

elektron dipancarkan keluar logam

• Cahaya dengan frekuensi tertentu mampu memancarkanelektron (frekuensi minimum)

• Pada frekuensi lebih tinggi, makin banyak elektron yang dipancarkan

• Quis3: Bagaimana pada frekuensi lebih rendah (< frekuensiminimum) ? MENGAPA ?

Logam sebagai katoda

Elektron bergerak dari katoda menuju anoda aliran arusdalam sel

Max Planck mengkaji emisi cahaya olehbenda panasPendapat Planck: benda memancarkan energi denganjumlah tertentu yang relatif kecil yang disebut KUANTA

(Apa bedanya dengan konsep teori gelombang?)

Kuantum: jumlah minimum satuan energi yang dapatdilepaskan atau diperoleh oleh suatu atom

16

Persamaan PlanckE radiation = Planck’s constant x frekuensi

radiasiE = hν

h = Planck’s constant = 6,626 x 10-34 J•sSaat suatu benda memancarkan radiasi

ada kuantitas minimum energi yang dapat dipancarkan pada sembarangwaktu yang ditetapkan

Pengembangan Einstein terhadapteori Planck

Radiasi EM mempunyai dua sifatalamiah: gelombang and partikelRadiasi EM berkelakuan sepertigelombang dan partikelCahaya sebagai partikel yang masing-masing membawa 1 kuantum energiyang disebut FOTON

17

FOTONPartikel radiasi EM yang mempunyaimassa kosong dan membawa satukuantum energi

Ephoton = hν

Kesimpulan Einstein:Radiasi EM diserap materi hanya dalambentuk fotone- dapat dipancarkan dari suatu materi jikadikenai foton tunggal dengan frekuensiminimum

Contoh persamaan PlanckCD player menggunakan laser yang memancarkan sinar merah dengan λ685 nm. Hitung energi 1 foton.

Logam yang berbeda membutuhkan energiminimum yang berbeda untuk memperolehefek fotoelektrik

18

AnswerEfoton = hνh = Planck’s constant = 6,626 x 10-34 J•sc = λν

c= speed of light = 3,00x108 m/sν= (3,00x108 m/s)/(6,85x10-7m)ν=4,37x10141/sEfoton= (6,626 x 10-34 J•s)(4,37x10141/s)Efoton= 2,90 x 10-19J

Sifat gelombang elektron (1925)

1925, Louis de Broglie berpendapat bahwaelektron mempunyai kemungkinan bersifatsebagai gelombangMenghubungkan sifat partikel (m and v) dengan sifat gelombang (λ) Massa suatu e- bebas yang bergerak dengankecepatan (v) mempunyai panjanggelombang: λ = h/mv