Halaman
Fisika SMA Kelas XII119Sumber: portal.mpklang.gov.myFISIKA ATOMCoba kalian amati gambar di atas. Bagaimana lampu-lampu itu bisa menyala. Tabung lampu itu dirancang dari tabung lucutan sinar katoda. Apakah sinar katoda itu? Apakah atom itu?Pertanyaan-pertanyaan di atas dapat kalian pelajari pada bab ini. Oleh sebab itu setelah belajar bab ini diharapkan kalian dapat:1. menjelaskan sejarah perkembangan model atom,2. menentukan jari-jari dan energi elektron pada tingkat energi tertentu berdasarkan teori Wils Bohr,3. menjelaskan spektrum atom hidrogen,4. menjelaskan sifat-sifat pada atom berelektron banyak.B A BB A B8
Fisika SMA Kelas XII120Teori tentang atom telah muncul sebelum Masehi. Contohnya adalah definisi atom menurut Demokretus. Demokritus membuat simpulan : Suatu zat dapat dibagi menjadi yang lebih kecil hingga mendapatkan bagian yang paling kecil dan tidak dapat dibagi lagi dan dina-makan atom. Kata atom ini berasal dari bahasa Yunani “atomos” yang berarti tak dapat dipotong. Kemudian muncul lagi setelah Masehi seperti yang disampaikan oleh John Dalton (1766−1844). Menurut Dalton atomadalah bagian suatu unsur yang tak dapat dibagi lagi.Perkembangan berikutnya dapat diperhatikan seperti berikut.1. Model Atom ThomsonModel atom J.J. Thomson ini bermula dari penemuan tabung lucutan sinar katoda. Dengan tabung lucutan itulahThomson menemukan bahwa sinar katoda itu merupakan suatu partikel dan bermuatan negatif yang kemudian dina-makan elektron. Dari percobaan itu pula Thomson dapat menemukan nilai e/m. Nilainya e/m = 1,758803.1011 C/kg. Tetapi Thomson memperoleh kira-kira 1,0.1011 C/kg. Penemuan e/m membuktikan bahwa atom bukan lagi bagian terkecil dari suatu zat. Menurut Thomson, atom memiliki bagian yang bermuatan negatif yaitu elektron. Bagian atom selain elektron bermuatan positif sehingga secara keseluruhan adalah netral. Kemudian Thomson mengusulkan teori tentang atom seperti beri-kut.Atom berbentuk bola padat dengan elektron ber-muatan negatif menyebar di seluruh bagian bola dan bagian bola lain bermuatan positif.Gambaran atom Thomson dapat dilihat seperti pada Gambar 8.1. Bentuknya seperti roti kismis sehingga teori atom Thomson dikenal sebagai model atom roti kismis.Percobaan tetes Minyak MillikanSetelah penemuan e/m, dapat ditemukan muatan sebuah elektron oleh Robert A Millikan (1885 - 1953) pada tahun 1909. Millikan melakukan percobaan dengan menggunakan tetes minyak sehingga dinamakan perco-baan tetes minyak Millikan.Dalam percobaannya Millikan menemukan bahwa muatan tetes minyak yang diukur selalu kelipatan dari nilai tertentu. Nilai itulah yang sama dengan mutan elektron. Sekarang telah diketahui lebih teliti sebesar, e = 1,6. 10-19 C. elektronmuatan positifGambar 8.1Model atom roti kismis.A. Perkembangan Teori Atom
Fisika Atom121Kemudian secara otomatis akan dapat dihitung massa elektron, yaitu 9,11. 10-31 kg.2. Model Atom RutherfordRutherfort mulai mengusulkan teori tentang atom setelah melakukan percobaan hamburan partikel alfa oleh lempengan emas tipis. Lempengan emas tipis ditembaki dengan partikel alfa. Ternyata Rutherford memperoleh fakta bahwa tidak semua partikel alfa dipantukan. Hal ini membuktikan bahwa atom bukanlah benda padat me-lainkan memiliki rongga-rongga. Kemudian Rutherford mengusulkan suatu model atom sebagai berikut.Atom memiliki muatan positif dan sebagian besar massa yang terkumpul dalam satu titik yang dina-makan inti atom. Sedangkan elektron mengelilingi inti pada jarak yang cukup jauh seperti planet-planet pada tata surya.Berdasarkan teori atom di atas, atom dapat digam-barkan seperti pada Gambar 8.2. 3. Model Atom Niels Bohra. Asumsi Dasar BohrNiels Bohr (1885 - 1962) adalah asisten dari Thom-son dan juga asisten dari Rutherford. Dia merasa belum puas dengan teori-teori atom yang ada setelah ditemukan-nya spektrum atom hidrogen dengan perumusan Balmer. Kemudian Niels Bohr merumuskan empat asumsi dasar untuk menopang teori atomnya dengan menghubungkan ika klasik dengan teori kuantum Planck-Einstein sebagai berikut.(1) Elektron bergerak mengelilingi inti (proton) dalam pengaruh gaya elektrostatis.(2) Elektron hanya bisa berputar mengelilingi inti pada orbit tertentu yang memenuhi energi tertentu dalam keadaan stabil sehingga dinamakan orbit stasioner. Karena harus memenuhi energi tertentu maka lintasan elektron ini juga dinamakan tingkat energi.(3) Elektron akan memancarkan radiasi jika berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah dan sebaliknya. Energi radiasinya sama dengan perubahan tingkat energinya dan memenuhi rumus Planck-Einstein. E = Eawal - Eakhir = h f ........................... (8.1)elektroninti atomGambar 8.2Model atom RutherfordvFeRGambar 8.3Elektron mengelilingi inti dibawah pengaruh gaya elek-trostatis
Fisika SMA Kelas XII122(4) Orbit-orbit yang diperkenankan untuk ditempati elektron adalah orbit-orbit yang memenuhi momentum sudut kelipatan dari .L = m v r = n .................................. (8.2)n dinamakan tingkat energi dan nilainya adalah 1, 2, 3, 4, ....b. Jari-jari dan Tingkat energiDari asumsi dasar itulah kemudian Bohr dapat menurunkan jari-jari lintasan elektron dan memenuhi peru-musan berikut.rn = n2 r0 ................................................. (8.3)dengan : r = jari-jari elektron pada tingkat n r0 = jari-jarinya adalah 0,528 OA n = tingkat energiDan besarnya energi yang dimiliki elektron pada tingkat energi tertentunya memenuhi persamaan berikut.En = - eV .................................... (8.4)dengan : En = energi elektron pada tingkat n n = tingkat energi (n = 1, 2, 3, ...)Tingkat-tingkat energi elektron ini juga memiliki nama lain dan dinamakan kulit. n = 1 adalah kulit K, n= 2 adalah kulit L, n = 3 adalah kulit M dan seterusnya kulit N, O dan P.CONTOH 8.1Energi elektron atom hidrogen pada tingkat dasar adalah -3,6 eV dan jari-jarinya adalah 0,528 Ao. Ten-tukan :a. jari-jari dan energi elektron pada lintasan M,b. energi yang dilepaskan jika elektron berpindah dari kulit M ke kulit K!PenyelesaianE0 = - 13,6 eV r0 = 0,528 Ao = 5,28 . 10-11 mkulit M berarti n = 3a. Jari-jari pada kulit M sebesar : r3 = n2 . r09a4aaKLMGambar 8.4Tingkat energi elektron.
Fisika Atom123 r3 = 32 . 5,28 . 10-11= 4,752 . 10-10 mDan energi elektron pada tingkat energi pada kulit M sebesar : En = - E3 = - = - 1,51 eVb. igrene naksapelem naka ini nortkele nahadniprePsebesar : E = E3 - E1 = - 1,51 - (-13,6) = 12,09 eVEnergi elektron atom hidrogen pada tingkat dasar adalah -3,6 eV dan jari-jarinya adalah 0,528 Å. Tentukan :a. jari-jari dan energi elektron pada lintasan L,b. energi yang diserap jika elektron berpindah dari kulit K ke kulit L!c. Spektrum Atom HidrogenPada atom hirogen elektron akan mengelilingi inti pada lintasan tertentu. Jika ada elektron dari luar atau tingkat yang lebih tinggi berpindah menuju ke tingkat energi lebih rendah maka elektron itu dapat memancar-kan energi yang berupa gelombang elektromagnetik. Pemancaran ini pertama kali ditemukan oleh J.J Balmerseorang guru matematika di Swiss pada tahun 1884. Balmer menemukan pancaran cahaya tampak dari atom hidrogen.Dalam perkembangannya ditemukan berbagai pemancaran gelombang elektromagnetik sesuai dengan perpindahan elektronnya. Pemancaran berbagai gelom-bang inilah yang dinamakan dengan spektrum atom hi-drogen. Spektrum hidrogen ini bersifat diskrit dan dapat dijelaskan dengan baik oleh teori Bohr. Panjang gelombang yang dipancarkan pada spe-ktrum atom hidrogen ini memenuhi persamaan berikut. = R ........................... (8.5)dengan : = panjang gelombang (m)Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba soal berikut.364,6birubiruhijaumerahungudanultraungu (nm)410,2434,1486,2656,3Gambar 8.5Spektrum atau hidrogen deret Balmer.
Fisika SMA Kelas XII124 nA = kulit yang dituju elektron nB = kulit asal elektronR = konstanta Rydberg ( 1,097.107 m-1 )Pada spektrum atom hidrogen ini dikenal ada 5 deret yaitu :1. Deret Lyman : Ultra Violet, nA = 1 dan nB = 2, 3, 4, ...2. Deret Balmer : cahaya tampak, nA = 2 dan nB = 3, 4, 5, ...3. Deret Paschen : Infra Merah 1, nA = 3 dan nB = 4, 5, 6, ...4. Deret Brachet : Infra Merah 2, nA = 4 dan nB = 5, 6, 7, ...5. Deret Pfund : Infra Merah 3 , nA = 5 dan nB = 6, 7, 8, ...CONTOH 8.2Panjang gelombang ultraviolet yang dipancarkan atom hidrogen pada deret Lyman dapat ditentukan dari persamaan 8:5 dengan nA = 1 dan nB lebih dari 1. Tentukan panjang gelombang tersebut untuk :a. nB = 2b. nB = ~c. pada nilai nB berapakah diperoleh panjang gelom-bang terbesar dan terpendek?PenyelesaianDeret Lyman akan selalu memenuhi panjang gelom-bang pada nilai berikut.=Rmaka nilai λ dapat dihitung sebagai berikut :a. Untuk nB = 3 = R = R = l1 = = = 1,023.10-7 m = 1023Å
Fisika Atom125Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba soal berikut.b. Untuk nB = ~= R = Rl2 = = = 0,9112.10-7 m = 911,2 Åc. Dari nilai di atas berarti panjang gelombang terbe-sar adalah 1 untuk nB = 1 dan panjang gelombang terpendek adalah 2 untuk nB = ~.Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan atom hi-drogen pada deret Balmer dapat ditentukan dari persa-maan 8:5 dengan nA = 2 dan nB lebih dari 2. Tentukan panjang gelombang dan frekuensi tersebut untuk :a. mB = 3b. nB = ~c. pada nilai nB berapakah diperoleh panjang gel-ombang terbesar dan terpendek?LATIHAN 8.11. Energi elektron atom hidrogen pada tingkat dasar adalah –13,6 eV. Tentukan energi elektron dan jari-jari lintasan kulit L, M dan N !2. Pernyataan di bawah ini berhubungan dengan pemancaran dan penyerapan energi oleh setiap atom. Tentukan benar atau salahkan pernyataan berikut !a. Setiap elektron yang bergerak pada lintasannya selalu memancarkan energib. Pada pemancaran dan penyerapan energi, elektron loncat ke lintasan yang lebih luarc. Pada pemancaran dan penyerapan energi, elektron loncat ke lintasan yang lebih dalamd. Pada pemancaran energi, elektron loncat ke lintasan luar, sedangkan pada penyerapan energi elektron loncat ke lintasan yang lebih dalam.e. Pada pemancaran energi, elektron loncat ke lintasan dalam, sedangkan pada penyerapan energi, elektron loncat ke lintasan yang lebih luar.3. Energi elektron pada keadaan dasar di dalam atom hidrogen – 13,6 eV. Berapakah energi yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron dari keadaan dasar ke kulit atom dengan bilangan kuantum 2 !4. Bila elektron atom hidrogen berpindah dari lintasan n = 3 ke lintasan n = 2, maka akan dipancarkan foton. Jika konstanta Rydberg = 1,097x107 m-1maka bera-pakah panjang gelombang foton yang dipancarkannya ?5. Tentukan panjang gelombang terbesar yang dihasilkan pada deret :a. Lyman, d. Brakhet,b. Balmer, e. Pfundc. Pachen,
Fisika SMA Kelas XII126Teori atom Bohr ternyata hanya dapat menjelas-kan dengan baik atom hidrogen yang hanya memiliki satu elektron stabil. Bagaimanakah dengan atom-atom berelektron banyak? Penjelasannya dapat kalian pelajari seperti berikut.1. Bilangan KuantumJawaban yang sekarang dapat menjawab tentang atom berelektron banyak adalah mekanika kuantum. Me-kanika kuantum memberikan 4 bilangan kuantum untuk menjelaskan keadaan elektron pada atom. Keempat bi-langan kuantum itu dapat dijelaskan seperti di bawah.a. Bilangan kuantum utamaBilangan kuantum utama menyatakan tingkat en-ergi elektron dan disimbulkan n. Nilainya adalah 1, 2, 3, ... . Untuk ion-ion yang juga memiliki satu elektron seperti hidrogen (misalkan He+, Li 2+) akan memenuhi nilai energi elektron yang sesuai dengan teori Bohr dan juga dipen-garuhi oleh kuadrat nomor atomnya (Z2). Persamaannya menjadi seperti berikut.En = - . Z2 eV ........................... (8.6)CONTOH 8.3Tentukan energi total elektron ion Li 2+ (Z = 3) pada keadaan bilangan kuantum utama n = 2 !PenyelesaianEnergi total elektron ion Li 2+ pada tingkatan energi n = 2 memenuhi: En = . Z2 = . 9 = -30,6 eVTentukan energi total elektron ionHe+ (Z = 2) pada keadaan bilangan kuantum utama n = 2 !B. Atom Berelektron banyakSetelah memahami contoh di atas dapat kalian coba soal berikut.
Fisika Atom127b. Bilangan Kuantum Orbitalisasitnauk nakataynem latibro mutnauk nagnaliBmomentum sudut elektron dan disimbulkan l. Bilangan kuantum yang disebut juga bilangan kuantum azimut ini dapat menjawab gejala atomik yang dikenal dengan efek Zeeman yaitu efek garis-garis tambahan dalam spektrum emisi saat atom-atom tereksitasi diletakkan di daerah bermedan magnetik homogen. Nilai bilangan kuantum ini memenuhi l = 0, 1, 2, 3, .... (n-1) dan disebut sub kulit = s, p, d, f, . . . ..c. Bilangan Kuantum magnetikBilangan kuantum magnetik dapat digunakan untuk menentukan kemiringan vektor momentum sudut elektron. Nilainya disimbulkan ml yang dibatasi dari nilai l-nya yaitu memenuhi ml = -l, ...., 0, .... + l . d. Bilangan Kuantum Spin Bilangan kuantum spin menyatakan momentum sudut rotasi elektron. Arahnya ada dua dan diberikan nilai s = + dan s = -.2. Energi Ionisasi dan Afinitas elektrona. Energi ionisasiPada kulit pertama E1 = -13,6 eV. Mengapa ber-nilai negatif? Ternyata nilai itu memiliki arti bahwa untuk melepaskan elektron dari kulit pertama ke kulit tak terhingga diperlukan energi sebesar 13,6 eV. Energi yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron yang tidak terikat erat dalam atomnya dan dalam keadaan gas disebut energi ionisasi.b. Afinitas elektronSelain elektron dapat lepas dari atom, ternyata juga dapat terjadi sebaliknya. Energi yang dibebaskan oleh atom saat menangkap sebuah elektron disebut afinitas elektron. Semakin besar a nitas elektron sebuah atom maka semakin mudah atom itu menangkap elektron, berarti pula semakin mudah membentuk ion negatif. LATIHAN 8.21. Ion Li2+ memiliki elektron pada tingkat n = 3. Tentukan energi yang dimiliki elektron itu. Tentukan pula energi yang dipancarkan jika elektron tersebut pindah ke n = 2!2. Apakah yang dapat kalian jelaskan tentang bidang kuantum elektron? Adakah elektron yang memiliki bilangan kuantum sama?3. NaCl tersusun dari Na+ dan Cl-. Bagaimana sifat ionisasi dan atomitas elektron dari kedua atom itu? Jelaskan perbedaannya.
Fisika SMA Kelas XII128Rangkuman Bab 81. Pencetusan model atom dimulai dari Demokretus (sebelum masehi), dan kemudian dilanjutkan oleh Jonh Dalton. Kedua ilmuwan ini masih sepakat bahwa atom merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.2. Perkembanganya dicetuskan oleh J.J. Thomson, dengan ditemukannya elektron (sinar katoda) yang memiliki e/m = 1,758803.1011C/kg. Menurut Thomson atom seperti roti kismis dengan elektron mengisi kesegala ruang.3. Rutherford menjelaskan bahwa elektron mengelilingi inti seperti planet. Buktinya adalah hamburan partikel α pada lempengan emas.4. model atom Bohr dapat menjelaskan dengan baik tentang atom hidrogen.a. Jari-jari hitungan : rn = n2 . 0,528 Åb. Tingkat energi : En = c. Elektron akan memancarkan energi jika pindah ke tingkat energi rendah dan sebaliknya.d. Spektrum atom hidrogen memiliki panjang gelombang: = R ()5. Bilangan kuantum ada empat.a. Bilangan kuantum utama : n = 1, 2, 3, ....b. Bilangan kuantum orbital : l = 0, 1, 2, 3, ...,(n-1)c. Bilangan kuantum magnetik : ml = -l, ..., 0, ... + ld. Bilangan kuantum Spin : s = + , s = -.
Fisika Atom129Pilihlah jawaban yang benar pada soal-soal berikut dan kerjakan di buku tugas kalian.Evaluasi Bab 81. Percobaan hamburan Rutherford menghasilkan kesimpulan ....A. atom adalah bagian terkecil dari unsurB. elektron adalah bagian atom yang bermuatan listrik negatifC. atom memiliki massa yang tersebar secara merataD. elektron mengelilingi inti pada lintasan tertentuE. massa atom terpusat pada tempat yang disebut inti2. Dua kelemahan terhadap teori atom Rutherford antara lain ....A. Atom-atom tidak stabil dan spektrum atom bersifat kontinuB. Atom-atom tidak stabil dan bersifat diskrit (Spektrum garis)C. Atom-atom bersifat netral dan elektron mengelilingi inti atomD. Atom-atom tidak netral dan elektron mengelilingi inti atomE. Inti atom tidak mengalami peru-bahan dan struktur atom stabil3. Salah satu ketentuan Bohr dalam model atomnya adalah ....A. elektron pada lintasan stasionernya memancarkan energiB. elektron yang berpindah dari lintasan dengan energi tinggi ke lintasan dengan energi yang lebih rendah akan memancarkan fotonC. elektron pada lintasan stasionernya menyerap energiD. elektron mengelilingi inti pada lintasan tertentu memiliki momentum linierE. elektron pada lintasan dengan energi paling rendah tidak tereksitasi4. Jika jari-jari elektron tingkat energi terendah pada model atom Bohr adalah a, maka jari-jari elektron pada tingkat energi ke - 3 adalah ....A. 2a D. 9aB. 3a E. 16aC. 4a5. Energi elektron atom hidrogen pada tingkat dasar adalah –13,6 eV. Energi elektron pada lintasan L adalah ....A. –54,4 eV D. –6,8 eVB. –27,2 eV E. –3,4 eVC. –13,6 eV6. Elektron atom hidrogen model Bohr mengelilingi intinya dengan bilangan kuantum n. Bila energi elektron pada kulit itu bernilai 1/9 kali energi elektron pada kulit pertama, maka nilai n itu adalah ....A. 3 D. 16B. 4 E. 32C. 97. Sebuah atom akan memancarkan foton, apabila salah satu elektronnya ....A. meninggalkan atomB. bertumbukan dengan elektron lainyaC. bertukar tingkat energi dengan elektron yang lainD. mengalami transisi ke tingkat energi yang lebih rendahE. mengalami transisi ke tingkat energi yang lebih tinggi
Fisika SMA Kelas XII1308. Pada lintasan dasar, elektron atom hidrogen memiliki energi sebesar –13,6 eV. Saat elektron atom hidrogen berpindah lintasan dari bilangan kuantum n = 1 ke bilangan kuantum n = 2, maka yang terjadi pada atom tersebut adalah ....A. menyerap energi sebesar 13,4 eVB. memancarkan energi sebesar 10,2 eVC. menyerap energi sebesar 10,2 eVD. memancarkan energi sebesar 3,4 eVE. menyerap energi sebesar 3,4 eV9. Elektron pada atom yang berpindah lintasan luar ke yang lebih dalam akan memancarkan gelombang elektro-magnetik. Manakah perpindahan di bawah yang menghasilkan frekuensi terbesar ?A. dari n = 7 ke n = 3 B. dari n = 7 ke n = 2 C. dari n = 6 ke n = 2D. dari n = 3 ke n = 1E. dari n = 2 ke n = 110. Elektron atom hidrogen berpindah dari lintasan n = 2 ke n=1. Apabila konstanta Rydberg = 1,097x107 m-1, maka panjang gelombang foton yang diradiasikan oleh atom tersebut adalah ....A. 1097 oA D. 6541 oAB. 1215 oA E. 8227 oAC. 2115 oA11. Jika konstanta Rydberg =1,097x107 m-1 dan c = 3x108 m/s, maka frekuensi terbesar pada deret Paschen adalah ....A. 18,75x1015 Hz B. 7,68x1015 HzC. 3,00x1015 Hz E. 3,66x1014 HzD. 3,66x1015 Hz12. Sebuah elektron pada ion yang berelektron tunggal memiliki energi sebesar – 30,6 eV. Jika bilangan kuantum utama elektron n = 2, maka ion tersebut memiliki nomor atom sebesar ....A. 1 D. 4B. 2 E. 5C. 313. Pada setiap atom terdapat beberapa jenis bilangan kuantum. Untuk bilangan kuantum utama n = 4, terdapat bilangan kuantum orbital sebanyak ....A. 4 D. 1B. 3 E. 0C. 2 14. Spektrum garis memberikan informasi tentang ....A. jumlah proton dalam intiB. jumlah elektron dalam intiC. energi dari tingkat energi elektronD. beda energi antara dua tingkatE. jari-jari lintasan elektron15. Afinitas elektron adalah ....A. energi yang dibebaskan pada saat pembentukan ion positifB. energi yang diserap pada saat pembentukan ion positifC. sama dengan energi ionisasi.D. energi yang dibebaskan pada saat pembentukan ion negatifE. energi yang diserap pada saat pembentukan ion negatif