Halaman
239Fisika SMA/MA XIIBab VIIIPerkembangan Teori AtomSumber : www.scrience.howstuffworks.comAtom pembentuk materi yang terdiri atas inti kecil yang dikelilingi elektron. Elektron mengelilingiinti pada orbit atau lintasannya.
Fisika SMA/MA XII240Peta KonsepTujuan PembelajaranSetelah mempelajari bab ini, kalian diharapkan mampu mendeskripsikan perkembanganteori atom.Perkembangan Teori AtomKonsep AtomDaltonKonsep AtomThomsonKonsep AtomRutherfordKonsep AtomBohrTingkat EnergiElektronAtom HidrogenAtom Berelektron BanyakEfek ZeemansMenemukanKonsep IntiAtomDitemukanElektronKonsep AtomKonsep AtomMenurut TeoriMekanikaKuantumBilangan Kuantum :- Utama- Orbital- Magnetik- SpinHanya cocok untukDapat menjelaskanGagal menjelaskanDapat menjelaskanMengenakanMempelajari
241Fisika SMA/MA XIIA. Model Atom DaltonJohn Dalton (1766–1844), seorang ilmuwan ber-kebangsaan Inggris dengan didukung dari hasil eksperimen-eksperimennya mengembangkan konsep atom dari Demokritusyang kemudian mengemukaan teori tentang atom. Secara garisbesar teori atom Dalton dapat disimpulkan sebagai berikut :1.Atom merupakan bagian terkecil dari suatu zat yang tidakbisa dibagi lagi.2.Atom-atom penyusun zat tertentu memiliki sifat yangsama.3.Atom unsur tertentu tidak bisa berubah menjadi atomunsur lain.4.Dua atom atau lebih dapat bersenyawa (bereaksi)membentuk molekul.5.Dalam reaksi kimia perbandingan antara atom-atompenyusunnya mempunyai perbandingan yang tertentudan sederhana.6.Dalam reaksi kimia pada dasarnya terjadi penyusunankembali atom-atom penyusun zat.Sejak awal tahun 1900-an para ilmuwan mengetahui bahwa atom pembentukmateri terdiri atas inti kecil yang dikelilingi oleh elektron. Inti itu ternyataterdiri atas partikel-partikel yang terlihat erat. Pada bab ini akan kita bahasperkembangan teori tentang atom yang didasarkan pada penemuan-penemuan yang telah dilakukan oleh para ahli Fisika. Untuk memahaminya,pelajari bab ini dengan saksama!atom, neutron, Rutherferd, partikel alpha, beta, gama, proton, John Dalton,spektrum atom hidrogen, teori mekanika kuantum, elektron, J.J. Thomson,model atom Bohr, efek ZeemanMotivasi BelajarKata-kata Kunci
Fisika SMA/MA XII242B. Model Atom ThomsonSehubungan dengan penemuan elektron yang menjadibagian dari atom oleh J.J. Thomson pada tahun 1897, makateori atom Dalton mulai goyah. Berdasarkan hasil penemuanelektron tersebut, maka Thomson mengajukan model atomuntuk pertama kali (1904), yaitu sebagai berikut :1.Atom bukan bagian terkecil dari zat.2.Atom mempunyai muatan positif yang tersebar meratake seluruh atom yang dinetralkan oleh elektron-elektronyang tersebar di antara muatan positif itu.3.Massa elektron jauh lebih kecil dari massa atom.Apabila digambarkan/divisualisasikan model atom yangdikemukakan Thomson ini seperti model roti kismis di manabagian atom seperti halnya kismis yang menempel pada kue.Model atom yang dikemukakan Thomson ini tidakdikembangkan lebih lanjut karena tidak cocok dengan hasilpercobaan yang dilakukan oleh Ernest Rutherford (1871-1937)yang membuktikan bahwa muatan positif atom tidak ter-sebar merata di seluruh bagian atom tetapi terpusat padabagian tengah atom yang kemudian disebut inti atom.Gambar 8.1 Model atomThomsonC. Model Atom RutherfordUntuk menguji model atom J.J. Thomson, maka ErnestRutherford mengadakan percobaan dengan menembakatom-atom dengan partikel-partikel alpha, yaitu partikeldengan massa empat kali massa atom hidrogen dan muatanPenemuan elektron pertama kali dikemukakan oleh J.J. Thomson padasaat mempelajari tentang sinar katode. Dari eksperimen tentang sinarkatode yang dilakukan di dalam Laboratorium Cavendish di Cambridge,Inggris pada tahun 1897 inilah J.J. Thomson berhasil mengukurperbandingan antara muatan elektron dengan massa elektron (e/m),dengan mengamati penyimpangan sinar katode dalam gabungan medanlistrik dan medan magnet. Dari hasil perhitungan yang mutakhirperbandingan e/m adalah 1,7588 × 1011 C/kg. Sekarang menjadi tugaskalian, carilah informasi dari buku referensi atau dari internet tentangpercobaan pengukuran muatan dan massa elektron (e/m) dari percobaanJ.J. Thomson tersebut. Buatlah ringkasannya secara tertulis dan laporkankepada guru fisika di kelasmu!Keingintahuan : Mencari Informasi
243Fisika SMA/MA XIIpositif sebesar dua kali muatan elektron. Partikel alpha mem-punyai daya tembus yang cukup kuat untuk melalui plat logamyang sangat tipis. Dalam percobaannya, Rutherford me-nembakkan partikel alpha dengan sasaran target lempengantipis emas, seperti gambar di bawah ini :Berdasarkan hasil percobaan diharapkan semua partikelalpha menembus lurus lempengan emas, akan tetapi dalamhasil pengamatan diperoleh ada partikel alpha yangdibelokkan bahkan ada yang dibelokkan dengan sudut antara90o sampai 180o. Hal terakhir yang tidak cocok dengan modelatom Thomson.Rutherford mengukur sudut-sudut hamburan partikelalpha dengan teliti. Bila muatan positif tidak menyebar, tetapimengumpul pada suatu tempat dalam tiap-tiap atom, makaberdasarkan hukum Coulomb sudut penyimpangan akanberkisar antara 5o sampai 150o. Berarti gejala pemantulankembali partikel alpha tersebut ditolak oleh suatu konsentrasimuatan positif dalam atom (terjadi gaya tolakan karenamuatannya sejenis).Berdasarkan hasil percobaannya ini kemudian Ruther-ford menyusun model atomnya yang secara garis besar adalahsebagai berikut :1.Pada atom muatan positif dan sebagian besar massa atomterpusat pada suatu titik, yaitu di tengah-tengah atomyang kemudian disebut inti atom.2.Sebagian besar ruangan dalam atom merupakan ruangkosong, yang ditunjukkan oleh banyaknya partikel alpayang diteruskan dalam percobaan Rutherford.3.Di luar inti pada jarak relatif jauh, elektron bergerak me-ngelilingi inti dalam lintasan-lintasan seperti planet-planetmengitari matahari dalam sistim tata surya.Partikel alphaAtom target(lempengan tipis emas)Inti AtomGambar 8.2 Percobaan hamburan partikel-Doleh RutherfordGambar 8.3 Lintasan partikel alphapartikel alpha
Fisika SMA/MA XII244Meskipun model atom Rutherford lebih baik dari modelatom Thomson, tetapi model atom Rutherford memilikikelemahan-kelemahan yaitu sebagai berikut.a.Model atom Rutherford tidak bisa menjelaskan tentangkestabilan atom. Berdasarkan hukum Coulomb antaraelektron dan inti mengalami gaya Coulomb yangberfungsi sebagai gaya sentripetal sehingga mengalamipercepatan. Menurut teori Maxwell percepatan muatanlistrik akan memancarkan gelombang elektromagnetik,sehingga energi elektron total elektron (E) akan semakinberkurang dan jari-jari orbitnya akan semakin mengecilsehingga lintasan elektron berbentuk spiral yang me-nunjukkan ketidakstabilan inti atom.b.Model atom Rutherford tidak mampu menjelaskanterjadinya spektrum garis yang merupakan ciri dari atomgas yang berpijar, yang seharusnya menurut teori atomRutherford karena elektron memiliki gerakan spiral makaspektrum yang dihasilkan merupakan spektrum yangkontinu tetapi kenyataannya spektrum diskontinu.Meskipun perbandingan antara muatan dan massa elektron sudahditemukan dari eksperimen J.J. Thomson, akan tetapi besarnya muatanelektron pada saat itu belum diketahui. Penemuan muatan elektronpertama kali dikemukakan oleh Robert A Millikan pada tahun 1909dengan percobaannya yang lebih dikenal dengan nama percobaan tetesminyak. Dari hasil percobaan tetes minyak Millikan inilah berhasildihitung muatan elektron adalah e = 1,602192 × 10-19 C (sering dibulatkanmenjadi 1,6 × 10-19 C) dan massa elektron m = 9,109543 × 10-31 kg (seringdibulatkan 9,11 × 10-31 kg).Sekarang menjadi tugas kalian untuk mencari buku-buku referensi ataudari internet tentang percobaan tetes minyak Millikan tersebut! Buatlahringkasannya secara tertulis dan laporkan kepada guru fisika di kelasmu!D. Spektrum Atom HidrogenApabila suatu zat dipanaskan secara terus-menerus, makazat ini akan memancarkan cahaya dengan bentuk spektrumyang kontinu. Pemancaran radiasi cahaya pada zat ini disebab-kan oleh getaran atom-atom penyusun zat.Gambar 8.4 Lintasanspiral elektronelektron_+Life Skills : Kecakapan Personal
245Fisika SMA/MA XIIAkan tetapi jika suatu gas yang berada dalam tabung gasbertekanan rendah diberi beda potensial tinggi (SepertiGambar 8.5) maka gas akan memancarkan spektrum(diskontinu), yang berarti gas hanya memancarkan cahayadengan panjang gelombang tertentu.Kita akan mempelajari spektrum yang dipancarkan olehatom yang paling sederhana, yaitu hidrogen. Gas hidrogenditempatkan pada tabung lucutan gas, jika tabung lucutangas ini diberi tegangan tinggi sehingga terjadi lucutanmuatan listrik. Gas hidrogen menjadi bercahaya danmemancarkan cahaya merah kebiru-biruan. Apabila diamatidengan spektrograf (alat untuk menyelidiki spektrumcahaya), pada pelat film terdapat garis cahaya, di mana satugaris cahaya menampilkan sebuah panjang gelombang yangdipancarkan cahaya dari sumber cahaya. Berdasarkan hasilpengamatan tentang spektrum atom hidrogen, Balmermenemukan empat spektrum garis pada cahaya tampak yaitupada 410,2 nm, 434,1 nm, 486,2 nm, dan 656,3 nm yangternyata cocok menggunakan perhitungan dengan rumussebagai berikut : .... (8.1)di mana untuk nA = 2 dan nB = 3, 4, dan 5dengan :O= panjang gelombang yang dipancarkanR= Konstanta Rydberg = 1,097 × 107 m-1Deret-deret spektrum garis yang memenuhi persamaantersebut disebut deret Balmer yang terletak pada daerah cahayatampak. Akan tetapi tidak hanya deret Balmer saja yang di-temukan dalam atom hidrogen, ada deret yang lainnya, yaituderet Lyman (spektrum pada daerah sinar ultraviolet), Paschen(spektrum pada daerah sinar infra merah I), Brackett (spektrumpada daerah sinar infra merah II) dan Pfund (spektrum yangterletak pada daerah sinar infra merah III). Kelima derettersebut dapat ditampilkan dengan rumus-rumus sederhanasebagai berikut :1.Deret Lyman : untuk nA = 1 dan nB = 2, 3, 4, 5, 6 ... dst2.Deret Balmer : untuk nA = 2 dan nB = 3, 4, 5, 6 ... dst3.Deret Paschen : untuk nA = 3 dan nB = 4, 5, 6, 7 ... dst4.Deret Braket: untuk nA = 4 dan nB = 5, 6, 7, 8, ... dst5.Deret Pfund: untuk nA = 5 dan nB = 6, 7, 8 ... dstGambar 8.5 Tabungpelucutan gaskatodaanodaBeda potensialtegangan tinggi
Fisika SMA/MA XII246E. Model Atom BohrModel atom Rutherford gagal menjelaskan tentangkestabilan atom dan terjadinya spektrum garis atom hidrogen.Seorang ilmuwan Fisika dari Denmark, Niels Bohr dapatmenjelaskan spektrum garis atom hidrogren. Bohr menge-mukakan teori atomnya untuk menutupi kelemahan atomRutherford dengan mengemukakan tiga postulatnya yaitu :a.Elektron berotasi mengelilingi inti tidak pada sembaranglintasan, tetapi pada lintasan-lintasan tertentu tanpamembebaskan energi. Lintasan ini disebut lintasanstasioner dan memiliki energi tertentu.b.Elektron dapat berpindah dari lintasan yang satu kelintasan yang lain. Jika elektron pindah dari lintasan ber-energi rendah (lintasan dalam) ke lintasan berenergi tinggi(lintasan luar) akan menyerap energi dan sebaliknya akanmemancarkan energi. Energi yang dipancarkan ataudiserap elektron sebesar hf.c.Lintasan-lintasan yang diperkenankan elektron adalahlintasan-lintasan yang mempunyai momentum sudutkelipatan bulat dari .F. Tingkat Energi ElektronElektron hanya dapat berputar mengelilingi inti padalintasan tertentu dengan tingkat energi yang tertentu pula.Marilah kita mencoba untuk menghitung jari-jari lintasanstasioner dan tingkat energinya. Gambar (8.6) meng-gambarkan sebuah elektron yang mengorbit di sekitar intipada jarak r.Berdasarkan hukum Coulomb antara elektron daninti atom akan terjadi gaya interaksi, yaitu gaya tarik. Gayatarik coulomb ini sebagai gaya sentripetal elektronmengelilingi inti atom.Gaya Coulomb F = k Gaya Sentripetal F = mGambar 8.6 Orbit elektronrintielektron
247Fisika SMA/MA XIIGaya Coulomb = Gaya sentripetal m= k mv2= kEnergi kinetik elektronEk = mv2 = kEnergi potensial elektronEp = q V = (– e) k = – kEnergi total elektronE= Ek + Ep= k – k E = – k .... (8.2)Tanda negatif menunjukkan bahwa untuk mengeluarkanelektron dari lintasannya memerlukan energi. Elektronmenempati lintasan stasioner terdekat dengan inti disebut kulitK, lintasan berikutnya berturut-turut disebut kulit L, M, N, Odan seterusnya.Kulit K dengan jari-jari r1 energinya E1 dan kulit L yangjari-jarinya r2 energinya E2. Karena r2 > r1 maka nilai E2 > E1.Jadi makin jauh dari inti atom, energi elektron semakin besar,yang berarti elektron pada kulit N memiliki energi yang lebihbesar dari elektron pada kulit M.Untuk menjelaskan spektrum garis atom hidrogen Bohrmenggunakan postulat yang kedua. Misalkan elektron ber-pindah dari lintasan B dengan jari-jari orbit rB ke lintasan Adengan jari-jari rA (rB > rA) maka elektron akan melepaskanenergi sebesar EB – EA yang sama dengan hf. Dengan per-samaan :KLMNOGambar 8.7 Lintasanstasioner elektron
Fisika SMA/MA XII248 E = hf = EB – EA .... (8.3)h h = –k + kh = = .... (8.4)Jari- jari orbit elektron didapat dari postulat Bohr ketiga yaitu:L = mvr = v = atau v2 = Dari persamaan energi kinetikEk = ½ mv2 = ½ k½ m () = ½ k = ke2r= .... (8.5)r= Gambar 8.8 Elektron berpindah dari lintasan Bke lintasan A (rB > rA)
249Fisika SMA/MA XIIDengan memasukkan nilai h (konstanta Planck), m (massaelektron), k (konstanta Coulomb) dan e (muatan elektron)diperoleh jari-jari lintasan elektron pada lintasan n adalah:rn= rn= 0,53 ×10-11 n2 mApabila Persamaan (8.5) disubstitusikan ke dalam Persamaan(8.4) diperoleh :Jika = R maka kita dapatkanMaka besarnya energi elektron pada lintasan ke n adalah:En= – ½ k= – ½ ke2En= –
Fisika SMA/MA XII250Jika nilai S = 3,14 , k = 9 × 109 Nm2/C2 , m = 9,1 × 10-31 kg,e = 1,6 × 10-19 C, h = 6,62 × 10-34 Js, dan 1 eV = 1,6 × 10-19 J kitadimasukkan dalam persamaan, maka didapatkan energielektron pada suatu lintasan tertentu adalah:En = eV ................. (8.6)Persamaan (8.6) menunjukkan bahwa energi total elektronterkuantisasi. Dengan energi terendah E1 (n = 1) disebut tingkatenergi dasar (keadaan dasar) dan tingkat energi berikutnya E2,E3, E4 ....... (n = 2, 3, ...) yang tingkat energinya lebih tinggidisebut tingkat eksitasi (keadaan eksitasi). Apabila keadaan nilain semakin besar, maka tingkat energinya pun semakin besar,sehingga untuk nilai n = f, nilai En = 0 yang berarti elektrontersebut tidak terikat oleh inti menjadi elektron bebas. Energiyang diperlukan untuk melepaskan elektron dari ikatanintinya (dari orbitnya) disebut energi ionisasi, untukmelepaskan elektron pada atom hidrogen dari keadaan dasardiperlukan energi sebesar +13,6 eV karena energi tingkat dasarpada atom hidrogen adalah –13,6 eV.Kelemahan model atom Bohr yaitu :1.Lintasan orbit elektron sebenarnya sangat rumit, tidakhanya berbentuk lingkaran atau elips saja.2.Model atom Bohr hanya dapat menjelaskan dengan baikuntuk atom hidrogen, akan tetapi tidak dapat menjelas-kan dengan baik untuk atom-atom berelektron banyak(atom kompleks).3.Model atom Bohr tidak dapat menjelaskan tentangterjadinya efek Zeeman, yaitu terpecahnya spektrumcahaya jika dilewatkan pada medan magnet yang kuat.4.Model atom Bohr tidak dapat menjelaskan terjadinyaikatan kimia dengan baik.Teori atom Bohr juga tidak bisa menjelaskan masalah atomberelektron banyak yang memiliki spektrum yang lebihkompleks. Dengan demikian teori model atom Bohr masihmemerlukan perbaikan dan pengembangan. Maka pada tahun1920 Schrodinger, Heisenberg dan beberapa peneliti yanglain mencoba menjelaskan masalah ini dengan menggunakanteori kuantum atom.
251Fisika SMA/MA XII1.Berapakah panjang gelombang terpendek dari spektrum pada deretBalmer?Penyelesaian :Pada deret Balmer akan memancarkan spektrum dengan gelombangyang paling pendek jika elektron berasal dari elektron bebas (nB = f)berpindah ke lintasan untuk nA = 2 maka= = 1,097,107= 1.097 × 107 = = 4,388 × 10-7 mJadi panjang gelombang terpendek dari spektrum pada deret Balmersebesar 4,388.10-7 m.2.Hitunglah frekuensi terkecil dari spektrum pada deret Lyman!Penyelesaian :Akan dipancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensiterendah pada deret Lyman apabila elektron berpindah dari kulit L(nB = 1) ke kulit K (nA = 1) maka := = 1,097 × 107= 1,097 × 107= 1,097 × 107= f= = × 3 × 108 Hz= 2,45 × 1015 HzJadi frekuensi terkecil dari spektrum pada Deret Lyman sebesar2,45.1015 Hz.Contoh Soal
Fisika SMA/MA XII2523.Hitunglah energi kinetik elektron pada orbitnya pada n = 2!Penyelesaian :EK= di mana r = 0,53 × 10-11 n2= = = 3,396 eVJadi energi kinetiknya sebesar 3,396 eV.Soal Latihan :1.Berapakah panjang gelombang terpanjang dari deretPaschen?2.Berapakah frekuensi terbesar dari deret Brackett?3.Hitung kecepatan orbit elektron pada n = 2!4.Tentukan frekuensi gelombang elektromagnetik yangdipancarkan jika elektron berpindah dari lintasan n = 5ke n = 2!5.Tentukan frekuensi gelombang elektromagnetik yang di-pancarkan jika elektron berpindah dari kulit O ke kulit M!6.Tentukan energi (dalam eV) yang dilepaskan jika elektronberpindah dari kulit N ke kulit K!Untuk menjawab soal-soal di atas gunakan :h= 6,6 u 10-34 Jsk= 9 u 109 Nm2/C2m= 9,1 u 10-31 kgR= 1,097 u 107 m-1e= 1,6 u 10-19 Cc= 3 u 108 m/sG. Teori Kuantum AtomLouis de Broglie seorang ahli Fisika dari Perancis padatahun 1923 mengajukan hipotesis tentang gelombang materi.Menurutnya, gerakan partikel yang bergerak mendekati ke-cepatan cahaya, seperti halnya gerakan elektron mengitari intiatom, mempunyai sifat gelombang. Hipotesis ini dibuktikan
253Fisika SMA/MA XIIkebenarannya oleh Davidson dan Germer dengan meng-amati pola-pola difraksi elektron yang berenergi tertentu yangditembakkan pada lempeng logam nikel.Thomson menemukan bahwa elektron memberi sifatdifraksi sama seperti sinar X, sifat gelombang dari elektron inikemudian digunakan pada mikroskop elektron.Pada tahun 1926 Erwin Schrodinger seorang ahli Fisikadari Austria berhasil merumuskan persamaan gelombanguntuk menggambarkan bentuk dan tingkat energi orbital.Model atom ini disebut model atom mekanika kuantum danmerupakan model atom yang diterima hingga dewasa ini.Model atom mekanika kuantum mempunyai persamaandengan model atom Bohr dalam hal tingkat energi. Sedangkanperbedaan kedua model atom tersebut terletak pada bentuklintasan elektron, di mana pada model atom Bohr elektron-elektron menempati lintasan-lintasan berbentuk lingkarandengan jari-jari tertentu, sedangkan pada model atommekanika kuantum, lintasan-lintasan elektronnya berbentukelips bukan berbentuk lingkaran yang lebih dikenal denganorbital. Untuk menyatakan lintasan/orbit elektron berbentukelips diperlukan 4 macam bilangan kuantum yaitu :1.Bilangan kuantum utama (n)2.Bilangan kuantum orbital (l)3.Bilangan kuantum magnetik (ml)4.Bilangan kuantum spin (ms)1. Bilangan Kuantum Utama (n)Bilangan kuantum utama menentukan besarnya energi to-tal elektron pada orbit/lintasan elektron pada kulit atom.Besarnya energi total elektron pada atom bersifat kekal danbesarnya energi pada masing-masing kulit atom ditentukanoleh bilangan kuantum utama. Bilangan kuantum utamamempunyai harga positif yaitu 1, 2, 3, ... dst. Bilangankuantum utama menyatakan tempat lintasan /orbit elektrondalam atom yang disebut kulit atom yang diberi nama denganhuruf besar, yaitu kulit K untuk n = 1, L untuk n = 2, M untukn = 3, dan seterusnya.Bilangan kuantum utama ( n )1234567Nama kulit atomKLMNOPQ
Fisika SMA/MA XII254Telah diterangkan di muka bahwa energi total elektronpada orbit adalah kekal dan memiliki harga negatif yangberarti untuk melepaskan elektron dari orbitnya diperlukanenergi. Besarnya energi elektron pada atom hidrogen padakulit ke-n dinyatakan : En = eV .... (8.7)Sedangkan untuk atom lain yang memiliki sebuahelektron seperti halnya He+, Li+2 atau Be+3 energi totalelektronnya dinyatakan : En = eV .... (8.8)Dimana :n = bilangan kuantum utamaZ = nomor atom2. Bilangan Kuantum Orbital (l)Bilangan kuantum orbital yang diberi simbol l menyatakanbesarnya momentum sudut elektron mengelilingi inti atom.Momentum sudut diberi lambang L dan besarnya dinyatakandalam persamaan : L = .... (8.9)di mana L= Momentum sudut/anguler elektron l= bilangan kuantum orbitalh= = 1,054 × 10-34 JsNilai bilangan kuantum orbital dinyatakan l= (n – 1)yaitu 0, 1, 2, 3, ..., n–1. Keadaan momentum sudut elektronpada orbitnya menyatakan subkulit elektron pada inti atomyang diberi nama sub kulit s, p, d, e, f, g dan seterusnya sesuaidengan urutan abjad. Di mana pemberian nama subkulitdiambil dari huruf awal klasifikasi spektrum yangmemancarkan elektron, yaitu sharp (tajam) = s , principal(utama) = p , diffuse (kabur) = d , fundamental (pokok) = f.
255Fisika SMA/MA XIIBesarnya momentum sudut pada masing-masing subkulitdapat dinyatakan sebagai berikut :Kombinasi antara bilangan kuantum utama (n) denganbilangan kuantum orbital (l) sering digunakan untukmenyatakan keadaan suatu atom, yang juga dapat untukmenyatakan jumlah elektron dalam kulit atau subkulit atom.Misalnya untuk n = 2 dan l = 0 menyatakan keadaan elektronpada subkulit 2s, untuk n = 3 dan l = 2 menyatakan keadaanelektron pada 3d, dan seterusnya yang secara lengkap dapatdinyatakan dalam tabel berikut :3. Bilangan Kuantum Magnetik ( ml )Bilangan kuantum magnetik yang diberi simbol ml,digunakan untuk menyatakan arah momentum sudut elektron.Oleh karena momentum termasuk besaran vektor, makamomentum sudut elektron selain dinyatakan besarnya, jugaperlu diketahui arahnya. Arah momentum sudut (L) dapatdinyatakan dengan aturan kaidah tangan kanan yaitu jika arahlipatan jari-jari tangan kanan menyatakan arah gerakan elektronmaka arah ibu jari tangan kanan menyatakan arah momentumsudut elektronnya. Bilangan kuantum magnetik mempunyaiharga dari –l melalui 0 hingga +l, sehingga untuk setiapbilangan kuantum orbital l akan ada sebanyak bilangankuantum magnetik sebanyak (ml) = (2l + 1).nl = 0l = 1l = 2l = 3l = 4l = 5n = 11sn = 22s2pn = 33s3p3dn = 44s4p4d4fn = 55s5p5d5f5gn = 66s6p6d6f6g6hBilangan kuantum orbitall = 0l = 1l = 2l = 3l = 4l = ....Subkulitspdfg.........Besarnya momentum sudut0hhhh.........
Fisika SMA/MA XII256Menurut para tokoh Fisika modern (Schrodinger,Heinsenberg), momentum sudut mempunyai komponen X,Y dan Z, untuk komponen X atau Y dari momentum sudutmempunyai besar yang sembarang, akan tetapi untukkomponen Z tidak sembarang tetapi terkuantisasi. Besarnyamomentum sudut elektron dipengaruhi oleh medan magnetluar (B) apabila medan magnet luar sejajar dengan sumbu zmaka besarnya nilai L untuk arah Z memenuhi persamaan : Lz = ml h .... (8.10)Sehingga banyaknya mluntuk setiap nilai l = 0 dalamarah Z terdapat satu nilai ml = 0, sedangkan untuk nilai l = 1terdapat 3 nilai m yaitu -1, 0, 1 dan besar momentum sudutke arah sumbu Z (LZ) untuk l = 1 yaitu –, 0 , +dan arahvektor momentum sudut terhadap sumbu Z dapat dicarisebagai berikut :cos T1=maka nilai T1 = 45ocos T2== 0 maka nilai T2 = 90ocos T3=maka nilaiT3 = 135oKemungkinan besar momentum sudut dan arahnya sertabentuk lintasan/ orbit elektron pada bilangan orbital = 1 dapatdigambarkan sebagai berikut :ml = 1Lz = L =ml = 0Lz = 0L =ml = -1Lz =!L =45o90o135oLLLml = 0ml = 1ml = –1Gambar 8.9 Momentum sudut pada bilangan orbital = 1
257Fisika SMA/MA XII4. Bilangan Kuantum Spin ( ms)Bilangan kuantum spin mula-mula dikemukakan olehWolfgang Pauli setelah mengamati tentang spektrum atomhidrogen dengan menggunakan spektroskopis yang mem-punyai daya pisah (ketelitian) yang tinggi. Hasilnya diperolehbahwa setiap spektrum garis yang diamati selalu terdiri atassepasang garis yang saling berdekatan. Menurut Pauli garisini pastilah berasal dari transisi dari 2 tingkat energi yang sangatberdekatan. Pauli menduga bahwa kedua tingkat energi iniberhubungan dengan momentum sudut instrinsik elektronyang berbeda dengan momentum sudut orbital. Momentumsudut instrinsik yaitu momentum sudut yang ada dalamelektron itu sendiri. Selain bergerak mengelilingi inti atom,elektron pun juga bergerak pada porosnya (sumbunya).Gerakan elektron pada sumbunya ini menghasilkan momen-tum sudut spin yang berkaitan dengan momentum sudutinstrinsik elektron yang dinyatakan sebagai bilangan kuantumspin yang diberi simbol ms. Ada dua bilangan kuantum spin,yaitu ms = +½ dan ms = -½. Harga positif menyatakan arah spinke atas berotasi berlawanan arah gerak jarum jam, sedangkanharga negatif menyatakan spin ke bawah berotasi searah gerakjarum jam.Pendapat yang dikemukakan olehPauli ini didukung oleh Goudsmit danUhlenbeck yang menjelaskan bahwabesarnya momentum sudut intrinsikatau spin dinyatakan dalam persamaan : .... (8.11)dimana : S= momentum sudut spinms= bilangan kuantum spin= Besarnya komponen momentumsudut spin elektron sepanjang arahmedan magnetik ke arah sumbu Zdinyatakan:Sz = msms= +½Sz = ½S = ms = –½Sz = - ½S = Gambar 8.10 Momentum sudut intrinsik/spin elektron
Fisika SMA/MA XII2581.Ada berapa kemungkinan bilangan kuantum magnetik pada bilangankuantum utama n = 3?Penyelesaian:Banyaknya kemungkinan bilangan kuantum magnetik dinyatakan :ml = 2l + 1 di mana l = (n – 1)untuk n = 3 maka nilail = (3 – 1) = 2, maka jumlah bilangan kuantummagnetik sebanyak :ml = 2.2 + 1 = 4 + 1 = 5 yakni 2, 1, 0, –1 dan –2.2.Tentukan besarnya momentum sudut yang mungkin pada tingkatann = 3 jika dinyatakan dalam!Penyelesaian :Besarnya momentum sudut elektron yang mengelilingi inti atomdinyatakan :L = Untuk n= 3 terdapat lima bilangan kuantum magnetik, maka terdapat5 nilai momentum sudut yaitu :1.untuk l = 2maka L = 2.untuk l = 1maka L = 3.untuk l = 0maka L =4.untuk l = –1 maka L = 5.untuk l = –2 maka L = Contoh SoalSoal Latihan :1.Tentukan berapa banyaknya bilangan kuantum orbitaluntuk bilangan kuantum utama = 4!2.Berapa banyak bilangan kuantum magnetik untukbilangan kuantum utama = 5?3.Hitunglah besarnya momentum sudut yang kemungkin-an dimiliki elektron yang menempati bilangan kuantumutama = 5!
259Fisika SMA/MA XIIH. Efek ZeemanApa yang akan terjadi apabila atom berada dalam medanmagnet?Dalam medan magnet, energi keadaan atomik tertentutergantung pada harga ml seperti juga pada n. Keadaan atomdengan bilangan kuantum n, terpecah menjadi beberapa subkeadaan jika atom itu berada dalam medan magnetik, danenerginya bisa sedikit berubah lebih besar atau lebih kecil darikeadaan tanpa medan magnet. Gejala itu menyebabkanterpecahnya spektrum garis menjadi garis-garis halus yangterpisah jika atom dilewatkan dalam medan magnetik, denganjarak antara garis bergantung dari besarnya medan magnetitu. Peristiwa terpecahnya spektrum garis menjadi garis-garishalus dalam medan magnet ini disebut efek Zeeman, nama inidiambilkan dari nama seorang fisikawan Belanda Zeeman yangtelah melakukan pengamatan efek ini pada tahun1896.Suatu keadaan atom dengan bilangan kuantum orbital ldalam medan magnet terpecah menjadi 2l + 1, jika atom ituberada dalam medan magnet yaitu menjadi +l , 0 dan –l . Akantetapi perubahan ml terbatas pada 'ml = 0, ± l maka garisspektrum yang timbul dari transisi antara dua keadaan denganl yang berbeda hanya terpecah menjadi tiga komponen yangdapat ditunjukkan oleh Gambar (8.11) berikut ini.Tanpa medanmagnetSpektrum tanpa medanmagnetTerdapat medan magnetSpektrum denganterdapatnya medan magnetml= 2ml= 1ml= 0ml= –1ml= –2ml= 1ml= 0ml= –1Gambar 8.11 Atom yang berada dalam medan magnet
Fisika SMA/MA XII260Louise de Broglie (1892) berkebangsaanPrancis yang pada awalnya belajar Sejarah,akan tetapi akhirnya mengikuti jejakkakaknya Maurice untuk membina karirnyadi bidang Fisika. Dalam tahun 1924 Louise deBroglie dalam tesisnya mengemukakan usulanbahwa benda yang bergerak mempunyai sifatgelombang yang melengkapi sifat partikelnya.Kebenaran akan gagasan gelombang partikelyang dikemukakan de Broglie terbukti padatahun 1927 dalam eksperimen difraksi berkaselektron yang dilakukan oleh Davisson danGermer dan pada tahun 1929 Louise de Brogliemendapat hadiah Nobel. Sumber : wikipediaAdanya sinar laser yang sekarang banyak dimanfaatkan dalam berbagaibidang misalnya bidang kedokteran sebagai pisau bedah, industri dapatdigunakan untuk memotong lempengan baja, komunikasi untukmentransfer data dalam jumlah besar, penelitian untuk mengukur jarakbumi ke bulan, halografi untuk membuat gambar tiga dimensi dansebagainya. Timbulnya sinar laser ini menunjukkan adanya tingkat energielektron dalam atom. Carilah sumber bacaan yang berkaitan dengan sinarlaser misalnya bagaimana sinar laser tersebut terjadi, sifat-sifat sinar laser,jenisnya dan kegunaannya. Kemudian buatlah ulasan dan tanggapan secaratertulis dari bacaan tersebut secara perseorangan atau kelompok, untukdipresentasikan di depan kelas!Seputar TokohLife Skills : Kecakapan Akademik
261Fisika SMA/MA XII1.Teori atom Rutherford dan teoriatom Bohr mempunyai kesamaan,yaitu massa atom terpusat pada satutitik yang dinamakan inti atom.2.Untuk menjelaskan/menutupi ke-lemahan atom Rutherford, Bohrmengemukakan tiga postulatnyayaitu :a.Elektron berotasi mengelilingiinti tidak pada sembaranglintasan, tetapi pada lintasan-lintasan tertentu tanpa mem-bebaskan energi. Lintasan inidisebut lintasan stasioner danmemiliki energi tertentu.b .Elektron dapat berpindah darilintasan yang satu ke lintasanyang lain. Jika elektron pindahdari lintasan berenergi rendah(lintasan dalam) ke lintasanberenergi tinggi (lintasan luar)akan menyerap energi dan se-baliknya akan memancarkanenergi. Energi yang dipancar-kan/diserap elektron sebesar hf.c.Lintasan-lintasan yang diper-kenankan elektron adalahlintasan-lintasan yang mem-punyai momentum sudut ke-lipatan bulat dari .3.Besarnya jari-jari lintasan orbitelektron menurut Bohr adalah :r = 4.Besarnya energi total elektron atomhidrogen dalam tingkat dasar adalah-13,6 eV sehingga untuk meng-ionkan atom hidrogen diperlukanenergi sebesar 13,6 eV.Ringkasan5.Berdasarkan hasil pengamatanspektrum yang dipancarkan olehatom hidrogen terdapat lima deratspektrum yaitu :a.Deret Lyman (pada daerahsinar ultra violet)b.Deret Balmer (pada daearahcahaya tampak)c.Deret Pashen (pada daerahsinar infra merah ke-1)d.Deret Brackett (pada daerahsinar infra merah ke-2)e.Deret Pfund (pada daerah sinarinfra merah ke-3)6.Elektron akan menyerap energi jikaberpindah dari tingkat energirendah ke tingkat energi yang lebihtinggi (dari lintasan dalam kelintasan luar), dan sebaliknya akanmemancarkan energi dalam bentukgelombang elektromagnetik jikaberpindah dari tingkat energi tinggike tingkat energi yang lebih rendah(dari lintasan luar ke lintasan lebihdalam).7.Untuk menjelaskan atom ber-elektron banyak teori mekanikakuantum menggunakan empatmacam bilangan kuantum yaitu :a.bilangan kuantum utama (n)b .bilangan kuantum orbital (l)c.bilangan kuantum magnetik(ml)d.bilangan kuantum spin (ms)8.Efek Zeeman yaitu gejala terpecah-nya spektrum garis menjadi garis-garis halus apabila melewati medanmagnet.
Fisika SMA/MA XII262Kerjakan di buku tugas kalian!A. Pilihlah jawaban yang paling tepat dengan memberitanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E!1.Bila elektron berpindah dari kulit M ke kulit K pada atomhidrogen dan R adalah konstanta Rydberg, maka panjanggelombang yang terjadi besarnya ....A.B.C.D.E.2.Elektron atom hidrogen model Bohr mengelilingi intinyadengan bilangan kuantum n. Bila energi ionisasi atom itubernilai 1/16 kali energi ionisasi atom itu dalam keadaandasarnya , maka nilai n adalah ....A. 2B. 4C. 6D. 8E. 163.Deret Paschen terjadi jika elektron berpindah dari ....A. kulit M ke kulit KB. kulit O ke kulit LC. kulit P ke kulit MD. kulit P ke kulit NE. kulit P ke kulit OUji Kompetensi
263Fisika SMA/MA XII4.Apabila elektron berpindah dari kulit N ke kulit L makaspektrum yang dipancarkan termasuk dalam deret ....A. deret BrakettB. deret LymanC. deret PfundD. deret BalmerE. deret Paschen5.Panjang gelombang terbesar dari deret Balmer adalah ....(dalam Angstrom)A. 1215B. 4050C. 5127D. 6563E. 87526.Panjang gelombang terpendek dari deret Paschen adalah... (dalam Angstrom)A. 911B. 3646C. 8204D. 14585E. 227897.Besarnya energi yang diperlukan oleh sebuah elektronuntuk berpindah dari kulit n = 2 ke n = 4 adalah sebesar....A. 0,85 eVB. 2,55 eVC. 3,4 eVD. 4,2 eVE. 5,1 eV8.Berikut ini beberapa kesamaan antara model atomRutherford dan model atom Bohr, kecuali ....A. elektron berputar mengelilingi inti dengan mem-bebaskan sejumlah energiB. elektron merupakan bagian atom yang bermuatannegatifC. atom berbentuk bola kosong dengan inti berada ditengahD. secara keseluruhan atom bersifat netralE. massa atom terpusat pada inti atom
Fisika SMA/MA XII2649.Kesimpulan yang dapat diambil dari percobaanhamburan Rutherford adalah ....A. muatan atom tersebar merata pada seluruh bagianatomB. elektron mengelilingi inti pada lintasan tertentuC. massa atom terpusat pada satu titik yang disebut intiatomD. elektron merupakan bagian atom yang bermuatanpositifE. atom merupakan bagian terkecil dari unsur10. Pada setiap atom terdapat beberapa jenis bilangankuantum, untuk bilangan kuantum utama n = 4 me-miliki bilangan kuantum orbital (l) sebanyak ....A. 2B. 3C. 4D. 5E. 611. Pada keadaan atom untuk bilangan kuantum utama n = 3memiliki bilangan kuantum magnetik (ms ) sebanyak ....A. 2B. 3C. 4D. 5E. 612. Besarnya momentum sudut orbital elektron pada kulit Nmaksimumnya dalah ....A.B.C.D.E.
265Fisika SMA/MA XII13. Untuk bilangan kuantum orbital l = 2 terdapat bilangankuantum magnetik sebanyak ....A. 3B. 5D. 9C. 7E. 1114. Perbandingan antara panjang gelombang garis pertamaderet Lyman dengan garis ke dua deret Balmer adalah ....A. 1 : 2B. 1 : 3C. 1 : 4D. 2 : 1E. 4 : 115. Menurut model atom Bohr, elektron bergerak me-ngelilingi inti hanya pada lintasan tertentu, dan besarnyamomentum anguler elektron pada lintasan itu adalah ....A. berbanding terbalik dengan tetapan PlanckB. berbanding lurus dengan tetapan PlanckC. berbanding lurus dengan tetapan RydbergD. berbanding terbalik dengan tetapan RydbergE. berbanding terbalik dengan momentum linierB.Kerjakan soal di bawah ini dengan benar!1.Bacalah model atom dari Thomson, Rutherford, danBohr. Coba jelaskan perbedaan dan persamaan dari modelatom tersebut!2.Coba jelaskan secara singkat usaha Bohr untuk menutupikelemahan model atom Rutherford!3.Sebutkan 4 kelemahan dari model atom Bohr!4.Suatu tingkatan energi elektron pada atom hidrogen sdinyatakan sebagai 3d.a. Berapakah bilangan kuantum utamanya?b . Berapakah bilangan kuantum orbitalnya?
Fisika SMA/MA XII266c. Hitunglah besarnya momentum sudut orbitalelektronnya!d. Berapa banyak bilangan kuatum orbital padatingkatan itu?5.Hitunglah energi yang dilepaskan apabila elektron ber-pindah dari :a. kulit O ke kulit Kb . kulit P ke kulit Lc. kulit M ke kulit KSetelah mempelajari bab ini, diharapkan kalian mampu memahamitentang :1.perkembangan teori atom,2.model atom Dalton,3.model atom Thomson,4.model atom Rutherford,5.model atom Bohr,6.efek Zeeman.Apabila kalian belum memahami isi materi pada bab ini, pelajarikembali sebelum melanjutkan ke bab berikutnya.Refleksi