Halaman
206Fisika XII untuk SMA/MABab 9 Fisika AtomAtomModel atomRutherfordProtonNeutronModel atomBohrModel atomThomsonElektronIntiAsas PauliBilangankuantum utamaBilangankuantum orbitalBilangan kuantummagnetikEnergi ionisasiAfinitaselektronBerpindah dari tingkat energi satuke tingkat energi yang lainBilangankuantumBilangan kuantumspinPETA KONSEPPETA KONSEPPETA KONSEPPETA KONSEPPETA KONSEP
Bab 9 Fisika Atom2079FISIKA ATOMDemonstrasi kembang api.Sumber: Encarta Encyclopedia, 2006Segala sesuatu yang ada di alam terdiri atas materi, yang bentuknyabermacam-macam. Tiap materi tersusun atas unsur dan tiap unsurtersusun atas atom. Atom adalah bagian terkecil dari unsur. Jika ditelitilebih dalam lagi, atom terdiri atas elektron, neutron, dan proton. Perhatikan-lah demonstrasi kembang api di atas. Pada saat kembang api dibakar, ratusanjuta partikel berhamburan keluar. Dapatkah kalian menghitungnya? Untukmengetahui konsep atom, ikutilah pembahasan berikut ini.
208Fisika XII untuk SMA/MAPerkembangan teori atom dimulai ketika seorang filsufYunani, Democritus, mengemukakan bahwa setiap materitersusun oleh partikel-partikel kecil yang tidak dapat dibagi-bagi lagi yang disebut “atom”. Atom berasal dari kata ayang berarti “tidak” dan tomos yang berarti “terbagi”. Padatahun 1803, John Dalton (1766 - 1844) melakukanpercobaan dan menemukan teori mengenai atom. Teori atomDalton mengemukakan bahwa atom adalah bagian terkecildari suatu zat yang sudah tidak dapat dibagi-bagi lagi.Pernyataan ini dibantah oleh J.J Thomson, yang melaluipercobaan sinar katoda berhasil membuktikan bahwa teoriDalton tersebut salah. Pada bab ini akan dibahas mengenaiperkembangan model atom yang dikemukakan ahli-ahlifisika untuk meninjau kelemahan teori Dalton, jadimerupakan penyempurnaan teori atom sebelumnya.1. Model Atom ThomsonSeperti yang telah diungkapkan bahwa Thomson(1856 - 1940) berhasil membuktikan bahwa teori atomDalton salah. Melalui percobaannya, ia menemukan bahwaada bagian dari zat yang lebih kecil dari atom, yaituelektron. Selanjutnya, pada tahun 1904, Thomsonmenggambarkan model atom sebagai sebuah bola ber-muatan positif dengan elektron tersebar merata ke seluruhisi atom. Model atom Thomson ini dikenal dengan istilahmodel atom roti kismis.Thomson menarik kesimpulan bahwa suatu modelatom harus memenuhi dua hal berikut ini.a.Sebuah atom harus netral, yaitu jumlah muatanpositif (proton) harus sama dengan jumlah muatannegatif (elektron).b. Sebagian besar massa atom terdapat pada muatanpositifnya.A.Teori Model AtomGambar 9.1 Model atommenurut Thomson, seperti rotikismis.2. Model Atom RutherfordModel atom Thomson akhirnya diuji oleh ErnestRutherford (1871 - 1937) (Gambar 9.2). Dia melakukanpercobaan dengan menembakkan partikel alfa padalempeng emas yang sangat tipis dengan ukuran 0,01 mmatau kira-kira setebal 2.000 atom. Ternyata, partikel alfaitu tidak seluruhnya menembus secara lurus, artinya be-berapa di antaranya terhambur atau dibelokkan membentuksudut antara 90o sampai 120o.atom, bilangan kuantum,elektron, energi ionisasi,model atom, neutron,proton, spektrumGambar 9.2 ErnestRutherford menguji model atomThomson.Sumber: Jendela Iptek Materi, PT BalaiPustaka, 2000
Bab 9 Fisika Atom209Apabila model atom Thomson benar, partikel alfatersebut seharusnya melintas lurus (tidak dibelokkan). Karenamassa dan energi partikel alfa jauh lebih besar daripadaelektron dan proton dalam atom, sehingga lintasannya tidakterganggu oleh elektron dan proton dalam atom.Gambar 9.4 memperlihatkan percobaan yangdilakukan oleh Geiger dan Marsden (1911). Berdasarkanpercobaan tersebut, Rutherford mengemukakan suatumodel atom berikut ini.a.Sebuah atom terdiri atas inti bermuatan positif yangterletak di tengah/pusat.b .Inti atom dikelilingi elektron yang dipengaruhi oleh gayatarik-menarik, yang disebut gaya Coulomb sebesar: F = k22re.....................................................(9.1)Gaya Coulomb tersebut diimbangi oleh gayasentripetal sebesar: F = mrv2..................................................... (9.2)Jadi, elektron berputar pada lintasan tertentu, sepertiperputaran planet-planet yang mengelilingi pusat tatasurya.c.Atom bersifat netral, yaitu jumlah proton samadengan jumlah elektron yang mengelilingi inti.Di sisi lain, model atom Rutherford memiliki kelemahanberikut ini.a.Elektron yang berputar mengelilingi inti dianggapsebagai getaran listrik yang memancarkan gelombangelektromagnetik (energi). Jika energi berkurang, makalintasan makin kecil, tetapi elektron tersebut tidakmenempel pada inti. Hal ini menunjukkan bahwamodel atom Rutherford tidak dapat menjelaskankestabilan atom.b. Jika lintasan makin kecil, periode putaran elektronjuga makin kecil. Frekuensi gelombang bermacam-macam, sehingga spektrum yang dipancarkan seharus-nya berupa spektrum diskontinu. Pada kenyataannya,pada atom hidrogen bertentangan dengan pengamatanspektrometer tentang atom hidrogen.Gambar 9.4 Skema percobaanGeiger dan Marsden.partikel alfacelahlayar seng sulfidakeping emasGambar 9.5 Gaya Coulombdan gaya sentrifugal dalamatom hidrogen.+e-eFspGambar 9.3 Model atomRutherford.
210Fisika XII untuk SMA/MASpektrum Atom HidrogenNeutron pertama kaliditemukan oleh JamesChadwick (1891 - 1974),seorang fisikawan asalInggris. Karena penemuannyaini, ia dianugerahi hadiahnobel bidang fisika pada tahun1935.Gambar 9.6Spektrum gas hidrogen, air raksa, danhelium.Gas hidrogen ditempatkan dalamsebuah tabung lucutan gas yangdiberi beda potensial tinggi sehinggaterjadi lucutan muatan listrik. Gashidrogen menjadi bercahaya danmemancarkan cahaya merah kebiru-biruan. Cahaya ini dapat dianalisisoleh spektrograf. Kita dapat mengamatideretan garis-garis cahaya Pada pelatfoto. Setiap garis menampilkansebuah panjang gelombang cahayayang diberikan oleh sumber cahaya.Gambar 9.6 menunjukkan spektrum garis yang diperolehdalam daerah cahaya tampak. Spektrum garis dalam cahayatampak terdiri atas empat garis, yaitu 410,2 nm; 434,1 nm;486,2 nm; dan 656,3 nm.Pada tahun 1885, J.J Balmer menemukan bahwapanjang gelombang tersebut dapat ditampilkan dalamsatu rumus tunggal, yang menyatakan deret garis-garisdalam spektrum radiasi yang dipancarkan oleh atomhidrogen tereksitasi. Garis-garis ini menyatakan lintasanelektron yang jatuh dari tingkat energi lebih tinggi kelintasan elektron dengan tingkat energi lebih rendah, sambilmemancarkan gelombang elektromagnetik sebagai radiasifoton. Deret ini juga disebut sebagai deret yang tepatmemancarkan cahaya tampak. Panjang gelombang deretini dirumuskan:1λ= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22121n.............................................(9.3)dengan R menyatakan konstanta Rydberg yang besarnya1,097×107 m-1dan n = 3, 4, 5, 6, ... .Pada Gambar 9.6 memperlihatkan deret Balmer spektrumhidrogen pada beberapa panjang gelombang. Panjanggelombang terpanjang adalah pada 656,3 nm dan panjanggelombang terpendek deret Balmer adalah 364,6 nm.Deret Balmer bukanlah satu-satunya spektrum garisyang dihasilkan atom-atom hidrogen. Deret yang diperolehdalam daerah ultra ungu dengan batas panjang gelombangantara 121,6 nm dan 91,2 nm adalah deret Lyman.
Bab 9 Fisika Atom211Adapun yang ditemukan dalam daerah inframerah, adalahPaschen, Bracket, dan Pfund. Secara umum rumus deretdinyatakan sebagai:1λ= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−2211mndengan n > mUntuk deret Lyman, n = 1; Balmer n = 2; Paschen n = 3;Bracket n = 4; dan Pfundn = 5, sehingga secara umumdapat dituliskan berikut ini.a.Deret Lyman (deret ultra ungu)1λ= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22111n, dengan n = 2, 3, 4, .......... (9.4)b.Deret Balmer (deret cahaya tampak)1λ= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22121n, dengan n = 3, 4, 5, ......... (9.5)c.Deret Paschen (deret inframerah I)1λ= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22131n, dengan n = 4, 5, 6, ......... (9.6)d.Deret Bracket (deret inframerah II)1λ= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22141n, dengan n = 5, 6, 7, ......... (9.7)e.Deret Pfund (deret inframerah III)1λ= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22151n, dengan n = 6, 7, 8, .......... (9.8)Contoh Soal1. Tentukan panjang gelombang terpanjang dan terpendek deret Balmer atomhidrogen jika konstanta Rydberg R = 1,097×107 m-1!Penyelesaian:Panjang gelombang terpanjang terjadi jika elektron mengalami transisi darikulit n = 3 ke n = 2. Sesuai dengan persamaan (9.4) diperoleh:λ1= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−223121λ1= 1,097×107⎟⎠⎞⎜⎝⎛365λ= 656×10-9 mλ= 656 nm2. Spektrum deret Paschen menghasilkan panjang gelombang 1,28×10-6 m.Tentukan nilai n pada deret Paschen tersebut, jika konstanta RydbergR = 1,097×107 m-1!Gambar 9.7 Spektroskopiuntuk mengukur panjangspektrum.Sumber: Fakta Sains, Erlangga, 1997
212Fisika XII untuk SMA/MA○○○○○○○○○○○○○○○1. Jika konstanta Rydberg R = 1,097×107 m-1, hitung panjang gelombangterpanjang dan terpendek dari deret Paschen!2. Spektrum deret Lyman menghasilkan panjang gelombang 1,026 ×10-10 m.Jika diketahui R = 1,097×107 m-1, tentukan nilai n untuk persamaan Lymantersebut!3. Carilah panjang gelombang terpendek untuk garis yang berada dalam deretLyman!4. Atom hidrogen berada dalam keadaan aktifnya yang kesepuluh yang sesuaidengan model Bohr (n = 11).a.Berapakah jari-jari orbit Bohr-nya?b. Berapakah momentum sudut elektronnya?c.Berapakah energi kinetik elektronnya?d. Berapakah energi potensial elektronnya?e.Berapakah energi menyeluruh elektronnya?Uji Kemampuan 9.1○○○○○○○○○○○○○○Gambar 9.8 Model atom yangdikemukakan oleh Bohr.kulitpertamaintikulitkeduakulit ketigaPenyelesaian:Pada deret Paschen berlaku:λ1=R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22131nRλ1=2191n−21n=Rλ−19121n=-67119(1,2810 )(1,09710 )−××21n=11914,04−21n= 0,04n2= 25 atau n = 53. Model Atom BohrTeori atom Bohr tentang atom dilandasi oleh teoriatom Rutherforddan Max Planck. Dalam teori atomnya,Bohr menyatakan bahwa elektron yang mengelilingi intiatom berada pada lintasan atau orbit tertentu yang disebutorbit stabil atau orbit kuantum. Bohr mengaitkan konsepenergi dengan gerak elektron dan mendasarkan teorinyapada dua postulat berikut ini.a.Elektron mengelilingi inti dengan lintasan atau orbittertentu. Berdasarkan teori mekanika kuantum,
Bab 9 Fisika Atom213benda yang bergerak beraturan dengan orbit tertentutidak akan membebaskan energi jika kelilinglintasannya merupakan bilangan bulat dari panjanggelombang de Broglie, dengan momentum angulersebesar: m.v.r = π2.hn................................................(9.9)dengan n adalah bilangan bulat (n = 1, 2, 3, .......)yang menyatakan bilangan kuantum, h adalah tetapanPlanck, m adalah massa elektron, dan r adalah jari-jari lintasan.b.Elektron dapat berpindah dari tingkat energi satu ketingkat energi yang lain. Tingkat energi pada tiaplintasan elektron adalah berbeda-beda. Elektron yangpaling dekat dengan inti (n = 1) mempunyai tingkatenergi yang paling rendah.Jika elektron berpindah ke lintasan yang lebih dekatdari inti (ke tempat energi yang rendah), akan melepaskan(memancarkan) energi foton sebesar hf. Sebaliknya, jikaelektron berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggiakan menyerap energi.Bohr beranggapan bahwa suatu elektron tunggaldengan massa m bergerak dalam lintasan orbit berbentuklingkaran dengan jari-jari r, dan kecepatan v, mengelilingiinti bermuatan positif. Keadaan ini menunjukkan adanyakeseimbangan antara gaya Coulomb pada persamaan (9.1)dan gaya sentripetal pada persamaan (9.2).FC=Fsk22re=mrv2sehingga diperoleh:v2=krme.2.............................................................(9.10)Dari persamaan (9.9) dan (9.10) akan diperoleh jari-jarilintasan elektron berikut ini. r = mkehn....4.2222π.................................................(9.11)untuk n = 1 diperoleh nilai r = 5,3 × 10-9 cm = 0,53 Dyang disebut jari-jari Bohr (Bohr radius).Gambar 9.9 Loncatan elektrondari satu orbit ke orbit yanglain.FotonEnergiInti atom terdiri atas protondan neutron. Inti membentuksebagian besar massa atom.Elektron bergerak dalam orbittetap di sekeliling inti. Hal inidisebabkan oleh daya tariklistrik antara muatan negatifelektron-elektron dan muatanpositif proton-proton dalaminti. Neutron membantumemegang inti. Tanpaneutron, proton-proton yangbermuatan positif akan salingmenolak satu sama lain.
214Fisika XII untuk SMA/MAB.Tingkat EnergiEnergi tiap lintasan elektron merupakan jumlah dari energikinetik dan energi potensialnya.E=Ep + Ek=-kre2 + 21mv2 E = -kre22.........................................................(9.12)Berdasarkan nilai r pada persamaan (9.11) maka energielektron pada persamaan (9.12) menjadi: En = 42220-.8.. .mehnε...............................................(9.13)dengan:2204..8.hemε= 31-194-1222-342(9 10 kg)(1,60210 C)8(8, 85 10 C2/Nm ) (6,6210 Js)××××= 2,17× 10-18 J = 13,6 eVsehingga diperoleh: En = 2-13, 6neV ..................................................(9.14)dengan n adalah tingkat energi.Model atom Bohr juga memiliki kelemahan-kelemahanberikut ini.a.Lintasan elektron ternyata rumit sekali, masih terdapatbeberapa suborbit yang tidak dapat dijelaskan denganteori Bohr.b. Teori atom Bohr dapat menerangkan model atomhidrogen, tetapi tidak dapat menerangkan atomberelektron banyak karena sulit perhitungannya.c.Tidak dapat menerangkan proses ikatan kimia.d.Tidak dapat menerangkan pengaruh medan magnetterhadap spektrum atom.Tingkat energi menjelaskan mengenai energi tetaptertentu yang dapat dimiliki suatu sistem yang dijelaskan olehmekanika kuantum, seperti yang dapat dimiliki oleh molekul,atom, elektron, atau inti. Misalnya, sebuah atom memilikienergi tetap sesuai dengan orbital tempat elektron bergerakmengelilingi inti atom. Atom ini dapat menerima suatukuantum energi sehingga menjadi sebuah atom tereksitasi.
Bab 9 Fisika Atom215Gambar 9.10 Diagram tingkatenergi elektron atom hidrogen.deretBracketderetPaschenderetBalmerderetLymanenergiEksitasi menunjukkan suatu proses yang terjadi ketikasebuah inti, elektron, atom, ion, atau molekul memperolehenergi yang memindahkannya ke suatu keadaan kuantum(keadaan tereksitasi) yang lebih tinggi dari keadaandasarnya. Antara keadaan dasar (ground state), yaitu energiterendah yang mungkin untuk suatu sistem tertentu, dankeadaan tereksitasi pertama tidak ditemukan tingkat energiyang terijinkan (daerah terlarang).Beberapa energi yang dilepas atau diserap elektronketika berpindah dari tingkat nA ke tingkat nBdapatditentukan dengan persamaan (9.14) yaitu:EΔ=EnB – EnAEΔ = -13,622BA11nn⎛⎞−⎜⎟⎝⎠............................... (9.15)Contoh Soal1.Elektron atom hidrogen berada pada orbit Bohr n = 2. Jika k = 9×109 Nm2/c2,dengan e = 1,6 × 10-19 C, me = 9,1 × 10-31 kg, tentukan:a.jari-jari orbit,b. gaya elektrostatik yang bekerja pada elektron,c.kelajuan elektron!Penyelesaian:a.Jari-jari orbit (rn)rn= 0,53 . n2 = (0,53)(22) = 2,12Db. Gaya elektrostatik yang bekerja pada elektron (FC)Fc= 2n2.rek = 9-192-102(9 10 )(1, 6 10)(2,1210)××× = 5,13 × 10-9 Nc.Kelajuan elektron (ve)Fs = Fcrvm2e.= Fcv = ec.mrF = -9-10-31(5,13 10 )(2,1210)(9,1 10)×××= 1210195,1×v = 1,093 × 106 m/s2. Sebuah elektron berpindah lintasan dari n = 2 ke n = 1 dengan memancarkanenergi. Tentukan:a.energi foton yang dipancarkan,b. frekuensi foton,c.panjang gelombang foton!
216Fisika XII untuk SMA/MA1. Sebuah atom hidrogen pada orbit Bohr n = 3. Jika k = 9×109 Nm2/c2,e = 1,6×10-19 C, m = 9,1×10-31 kg, dan r0 = 0,528 D, tentukan:a.jari-jari orbit,b. gaya elektrostatik yang bekerja pada elektron,c.gaya sentripetal pada elektron, dand. kelajuan elektron!2. Sebuah elektron mengalami transisi dari n = 4 deret Balmer spektrum atomhidrogen. Jika c = 3×108 m/s, R = 1,097×107 m-1, dan h = 6,62×10-34 Js,tentukan:a.panjang gelombang,b. frekuensi,c.energi foton yang dipancarkan pada transisi tersebut!3.Dengan menggunakan persamaan deret Lyman, berapa joule energi fotonyang dipancarkan atom hidrogen saat terjadi transisi elektron dari tingkattak berhingga?Uji Kemampuan 9.2○○○○○○○○○○○○○○Penyelesaian:a.Energi foton yang dipancarkanEΔ = -13,6 ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−2A2B11nn = -13,6 ⎟⎠⎞⎜⎝⎛−222111 = -10,2 eVEΔ = -1,632×10-18 joule (tanda (-) menyatakan pemancaran energi)b.Frekuensi foton (f )EΔ = h.ff= hEΔ= -18-341, 6 32106, 6210××= 2,47× 1015 Hzc.Panjang gelombang fotonc= λ.fλ= fc= 1581047,2103××λ= 1,215 × 10-7 m
Bab 9 Fisika Atom217Bilangan KuantumC.Gambar 9.11 Satu elektronmemungkinkan gerak putar kekanan 21 dan ke kiri 21.Struktur elektrolit suatu atom mengacu pada cara elektrontersusun di sekeliling inti, dan terutama pada tingkatenergi tertentu yang ditempati atom tersebut. Suatubilangan yang menunjukkan orbit elektron mengelilingiinti pada kulit atau tingkat energi tertentu disebut bilangankuantum(quantum number). Setiap elektron dapat digolong-kan berdasarkan empat bilangan kuantum yang akandiuraikan berikut ini.1. Bilangan Kuantum Utama (n)Bilangan ini menyatakan tingkat energi utama danmemiliki nilai 1, 2, 3 dan seterusnya. Semakin besar nilain, maka semakin jauh letak elektron dari inti. Tingkatenergi ataupun orbit yang sesuai dengan tingkat energitersebut dinyatakan sebagai kulit dan dinyatakan denganhuruf K, L, M, N, ... . Kulit K (n = 1) adalah kulit yangletaknya paling dekat dengan inti. Jumlah elektron dalamkulit adalah 2n2.2. Bilangan Kuantum Orbital atau AzimuthBilangan ini menentukan nilai momentum sudutsuatu elektron, dan menunjukkan di subkulit (sublintasan)tempat pergerakan elektron terjadi. Nilai l tergantungpada nilai bilangan kuantum utama n. Untuk nilai ntertentu, l mempunyai nilai bilangan bulat yang mungkindari 0 sampai (n-1). Bila n = 1, hanya ada satu nilai l yangmungkin, yaitu l = n – 1 = 1 – 1 = 0. Bila n = 2 ada duanilai l, 0 dan 1. Bila n = 3, ada tiga nilai l, yaitu 0, 1, 2.Subkulit l = 0 disebut subkulit s (sharp), subkulit l = 1adalah p (principle), subkulit l = 2disebut d (diffuse), dansubkulit l = 3 disebut f (fundamental). Jadi, bila l = 0, kitamempunyai sebuah orbital s, bila l = 1 kita mempunyai or-bital p, dan seterusnya.Sekumpulan orbital-orbital dengan nilai n yang samaseringkali disebut kulit. Satu atau lebih orbital dengannilai ndan l yang sama dirujuk selalu subkulit. Misalnya,kulit dengan n = 2 terdiri atas 2 subkulit, l = 0 dan 1.Subkulit-subkulit ini disebut subkulit 2sdan subkulit2pdi mana 2 melambangkan nilai n, serta sdan pmelambangkan nilai l.Angka 2 dalam 2s merujukpada nilai n dan huruf s melambangkan nilail.
218Fisika XII untuk SMA/MAGambar 9.12m sebagaiproyeksi l pada sumbu z.Besar momentum sudut elektron dinyatakan:L=()h1+ll......................................................(9.16)dengan h= π2h = 1,054 ×10-34 JsEfek ZeemanBilangan kuantum orbital muncul karena teramatinyaefek Zeeman. Pieter Zeeman (1865 - 1943) pada tahun1896 mengamati suatu gejala terpisahnya garis-garisdalam suatu spektrum bila sumber spektrum dipaparkanpada medan magnet. Garis spektrum cahaya terjadi bilaelektron-elektron dalam atom berubah dari tingkat energiyang satu ke tingkat energi yang lain. Pada efek Zeemannormal, satu garis tunggal pecah menjadi tiga garis bilaarah medan tegak lurus lintasan cahaya, atau pecah menjadidua garis bila arah medan sejajar lintasan cahaya. Gejalaini dapat diterangkan dengan prinsip elektromagnetik klasik,yaitu gerakan elektron orbital di dalam sumber yang menjadisemakin cepat atau semakin lambat akibat pengaruhmedan yang bekerja.Pieter Zeeman adalah ahlifisika dari Belanda yangmenemukan efek Zeeman.Karya tulisnya antara lainMentingen Over HetVerschijsel van Kerr bij PolireTerugkaat Sing op Ijzer, Kobalen Nikkel.3. Bilangan Kuantum MagnetikBilangan kuantum ini menentukan orientasi dari orbitelektron dalam medan magnet. Nilai ml yang mungkinyaitu -l, -(l - 1), ..., -1, 0, 1, ..., (l - 1), + l. Di subkulit s(yaitu bila l = 0) nilai ml= 0. Di subkulit p (yaitu bilal = 1) nilai lm yang mungkin adalah +1, 0, dan -1, jadiada tiga orbital p pada subkulit p, yang biasanya dibedakandengan px, py, dan pz. Dalam keadaan normal, ketigaorbital ini memiliki tingkat energi yang sama. Dalamsetiap nilai bilangan kuantum orbital (l ) memiliki nilaibilangan kuantum magnetik (ml ) sebanyak (2l +1).Bilangan kuantum magnetik (ml ) merupakan proyeksivektor lr pada suatu sumbu z sembarang seperti yangdijelaskan oleh Gambar 9.12. Elektron dalam suatu atomdengan momentum sudut tertentu dapat berinteraksidengan medan magnetik luar. Bila arah medan magnetikluar adalah sejajar dengan sumbu z, maka nilai Ldalamarah z memenuhi persamaan: Lz = ml .h........................................................(9.17)m = 3m = 2m = 1m = 0m = 1m = 2lllllllzm = 3
Bab 9 Fisika Atom219Contoh SoalJika bilangan kuantum orbital l = 3, tentukanlah:a.besar momentum sudut elektron yang mungkin,b. momentum sudut elektron dalam arah sumbu z!Penyelesaian:Bilangan kuantum magnetik lm yang mungkin untuk l = 3ml = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3a.Besar momentum sudut elektron untuk l = 3L= ()h1+ll = ()h133+ = h12 = h32Jsb.Momentum sudut elektron dalam arah sumbu z untuk:Gambar 9.13 Spin elektron (a)searah jarum jam (b) berlawan-an dengan arah jarum jam.ml= -3→Lz = (-3) h= -3hml= -2→Lz = (-2) h= -2hml= -1→Lz = (-1) h= -hml= 0→Lz = (-0) h= 0ml= 1→Lz = (1) h= hml= 2→Lz = (2) h= 2hml= 3→Lz = (3) h= 3h4. Bilangan Kuantum Spin (ms)Bilangan kuantum ini memberikan gambaran tentangarah putaran elektron pada sumbunya sendiri. Nilaibilangan kuantum spin yang mungkin adalah +21 atau -21(kemungkinan putar kanan = 21dan kemungkinan putarkiri = 21). Gambar 9.13 menunjukkan dua kemungkinangerak spin elektron, yang satu searah jarum jam dansatunya berlawanan dengan arah jarum jam.1. Berapakah bilangan-bilangan kuantum untuk elektron-elektron dalam atomlithium (Z = 3), jika atom tersebut berada dalam keadaan dasarnya?2. Berikan nilai-nilai bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum orbital(l ), dan bilangan kuantum magnetik ml untuk orbital-orbital pada subkulit 4d!3. Berapa jumlah total orbital yang berkaitan dengan bilangan kuantum utaman = 4?Uji Kemampuan 9.3○○○○○○○○○○○○○○
220Fisika XII untuk SMA/MAAsas PauliD.Prinsip larangan Pauli dikemukakan pada tahun 1925oleh Wolfgang Pauli (1900 - 1958), yang menyatakanbahwa tidak mungkin ada dua elektron yang mempunyaiempat bilangan kuantum sama. Dalam hal ini, dua buahelektron dapat mempunyai bilangan kuantum n, l, dan myang sama, tetapi bilangan kuantum s tidak mungkin samasebab yang mungkin 21 atau -21. Sehingga, setiap orbitaldapat diisi oleh maksimal dua elektron (sepasang elektron).Asas Pauli menentukan banyaknya elektron padamasing-masing kulit dan subkulit. Misalnya, untuk n = 2,kemungkinan nilai l ada dua, yaitu l = 0 dan l = 1. Denganl = 0, hanya ada satu kemungkinan nilai m yaitu m = 0yang memiliki dua kemungkinan nilai s yaitu s = +21dans = -21. Dengan demikian, kulit Ldi subkulit s hanya adadua elektron saja. Di subkulit p, yaitu dengan l = 1,ada tiga kemungkinan nilai m, yaitu m = -1, m = 0,Pada konfigurasi elektronHe, 1s2dibaca “1 s dua”bukan “1 s kuadrat”.Berapa jumlah maksimum elektron yang mungkin terdapat pada tingkat utamadi mana n = 3?Penyelesaian:Untuk n = 3, maka l = 0, 1, dan 2. Jumlah orbital untuk tiap nilai l adalah:Jumlah orbital adalah 9, jumlah maksimum elektron yang dapat berada padaorbital-orbital ini adalah 2n2 = 2(3)2 = 18.Contoh SoalElektron-elektron dalam sebuah atom yang memiliki nilai yang sama untuk ltetapi nilai-nilai yang berbeda untuk mldan msdikatakan berada dalam subkulityang sama. Berapa banyak elektron yang ada dalam subkulit l = 3?Uji Kemampuan 9.4○○○○○○○○○○○○○○ialiNl2(latibrOhalmuJl)1+012135
Bab 9 Fisika Atom221dan m = 1, yang masing-masing mempunyai duakemungkinan nilai s. Jadi, di subkulit p terdapat 6 elektron,sehingga di kulit L itu terdapat 8 elektron. Pada umumnya,subkulit pdi kulit n = 2, ditulis sebagai 2p, dan seterusnya.Tabel 9.1 menunjukkan konfigurasi elektron-elektronatom pada beberapa unsur.Tabel 9.1 Konfigurasi elektron-elektron atom pada beberapa unsur○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○E. Energi Ionisasi dan Afinitas ElektronSifat-sifat kimia setiap atom ditentukan olehkonfigurasi elektron valensi atom tersebut. Kestabilanelektron terluar ini tercermin secara langsung pada energiionisasi atom tersebut. Energi ionisasi ini adalah energiminimum yang diperlukan untuk memindahkan ataumelepaskan satu elektron atom pada keadaan dasarnya.Bentuk ikatan kimia berasal dari pemindahan elektron-elektron, sehingga energi yang dibutuhkan untukmemindahkan elektron adalah ukuran yang sangatpenting dalam pembentukan sebuah ikatan atom.Peningkatan energi ionisasipertama dari kiri ke kanandalam satu periode dan daribawah ke atas dalam satugolongan untuk unsur-unsurgolongan utama.motAnortkelekaynaBnortkelEisarugifnoK)H(negordiH)eH(muileH)iL(muitiL)eB(muilireB)B(noroB)C(nobraK)N(negortiN)O(negiskO)F(niroulF)eN(noeN)aN(muirtaN)gM(muisengaM)lA(muinimulA)iS(nokiliS)P(rofsoF)S(rufluS)lC(nirolK)rA(nogrA)K(muilaK)aC(muislaK1234567890111213141516171819102s11s12s12s21s12s22s12s22p21s12s22p22s12s22p23s12s22p24s12s22p25s12s22p26s12s22p26s31s12s22p26s32s12s22p26s32p31s12s22p26s32p32s12s22p26s32p33s12s22p26s32p34s12s22p26s32p35s12s22p26s32p36s12s22p26s32p36d31s12s22p26s32p36d32
222Fisika XII untuk SMA/MAAfinitas elektron bernilaipositif jika reaksinya isotermikdan bernilai negatif jikareaksinya endotermik.Gambar 9.15 Plot afinitas elektron terhadap nomor atomuntuk 56 unsur pertama.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Gambar 9.14 Keragaman energi ionisasi pertamaterhadap nomor atom.500NaLiKRbCsRnXeKrArNeHe25002000150010000 10 20 30 40 50 60100200300400LiCFNaSiClKGeBrRbSnICsBesarnya energi ionisasi merupakan ukuran usaha yangdiperlukan untuk memaksa satu atom untuk melepaskanelektronnya, atau seberapa erat elektron terikat dalamatom. Makin besar energi ionisasi, makin sukar untukmelepaskan elektronnya.Pada tabel periodik unsur, berbagai macam radiasi atom yangmemiliki atom kecil secara khas memiliki energi ionisasi yangtinggi, dan atom yang besar memiliki energi ionisasi yang kecil.Dengan demikian, elemen dengan energi ionisasi terendahditemukan di tabel kiri periode yang lebih rendah, danenergi ionisasi tertinggi ditemukan di tabel sebelah kananatas. Variasi dari energi ionisasi berhubungan dengan variasiradius atom, karena valensi elektron dalam atom yangbesar rata-rata jauh dari inti, maka daya tariknya sangatlemah. Sebaliknya, valensi elektron dalam atom yang kecildekat dengan sumber inti, maka daya tariknya kuat.Gambar 9.14 menunjukkankeperiodikan dalam kestabilanelektron yang terlihat paling lemah.Satu keistimewaan yang terlihatpada Gambar 9.14 adalah puncak-puncak yang berkaitan dengan gasmulia. Energi ionisasi yang sangattinggi bersesuaian dengan faktabahwa hampir semua gas muliatidak reaktif secara kimia. Padakenyataannya, helium mempunyaienergi ionisasi pertama tersebar diantara semua unsur.Sifat lain yang memengaruhipembentukan ikatan adalah ke-mampuannya untuk menerima satuatau lebih elektron. Kemampuan inidisebut afinitas elektron. Afinitaselektron positif berarti bahwa energidilepaskan ketika satu elektronditambahkan ke suatu atom, dannegatif ketika satu elektron diterimaoleh atom suatu unsur. Afinitas yangbernilai besar dan positif berartibahwa ion negatifnya sangat stabil,yaitu atom tersebut memiliki ke-cenderungan kuat untuk menerimaelektron, seperti energi ionisasi suatuatom yang tinggi yang berarti bahwaatom itu sangat stabil.
Bab 9 Fisika Atom223Tujuan:Memahami perkembangan teori atom.Teori atom Dalton menyatakan bahwa atom adalah partikel terkecil suatumateri yang tidak dapat dibagi lagi. Beberapa ilmuwan melakukan percobaan lebihlanjut untuk menunjukkan bahwa atom bukanlah sesuatu yang tidak terbagi,melainkan terdiri atas beberapa jenis partikel subatom. Dalam atom terdapatpartikel dasar, yaitu elektron, proton, dan neutron. Tugas kalian adalah mencariartikel dari beberapa literatur berupa artikel, hasil telaah atau yang lainnya,kemudian pelajari, dan buatlah laporan tertulis yang berisi rangkuman yangmembahas struktur atom menurut beberapa ilmuwan, yang menyatakan bahwaproton dan neutron terdapat dalam inti atom, sedangkan elektron berputarmengelilingi inti. Presentasikan laporan kalian di depan kelas!KegiatanMelihat Baru PercayaGelombang cahaya terlalu besar biladibandingkan dengan ukuran atom. Olehkarena itu, mikroskop optik biasa tidak mampumelihat sebuah atom. Yang tampak hanyalahgambar kabur jutaan atom bersama-sama.Mikroskop gaya atom atau AFM (atomicforce microscope) tidak menggunakan cahaya.Yang digunakannya adalah sebuah alat perunuttajam yang dapat digerakkan maju danmundur pada permukaan sebuah sampel,merunut awan elektron di seputar setiap atom.Hasilnya, gambar atom-atom dapat di-tampilkan melalui sebuah monitor komputer.Gambar di samping adalah gambar AFMyang dibuat komputer pada permukaansepotong kaca. Setiap wilayah yang naikmerupakan satu atom silikon atau oksigen.Percikan FisikaEnergi ionisasi biasanya meningkat dari kiri ke kanan dalam satu periode. Tetapi,mengapa aluminium mempunyai energi ionisasi lebih rendah dibandingkanmagnesium?Uji Kemampuan 9.5○○○○○○○○○○○○○○
224Fisika XII untuk SMA/MA ̄Rumus umum untuk setiap deret dinyatakan:a.Deret Lyman (deret ultra ungu)λ1= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22111ndengan n = 2, 3, 4, .....b.Deret Balmerλ1= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22121ndengan n = 3, 4, 5, .....c.Deret Paschenλ1= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22131ndengan n = 4, 5, 6, .....d.Deret Bracketλ1= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22141ndengan n = 5, 6, 7, .....e.Deret Pfundλ1= R⎟⎠⎞⎜⎝⎛−22151ndengan n = 6, 7, 8, ..... ̄Jari-jari orbit ke-ndinyatakan sebagai:rn = 0,53 . n2Niels Bohr (1885 - 1962)Ahli fisika berkebangsaan Denmark. Ia lahir padatanggal 7 Oktober 1885 dan meninggal pada tanggal 18November 1962. Dengan menggunakan model atomRutherford serta teori kuantum Max Planck dan Einstein,ia menyusun teori atom yang dapat menjelaskan tentangspektrum cahaya yang dipancarkan atom hidrogen.Niels Bohr memperoleh gelar doktor bidang fisikapada umur 26 tahun. Tesisnya mengenai teori elektronuntuk logam. Kemudian, ia bergabung dengan Rutherfordmenyelidiki struktur atom. Dua tahun berikutnya, iamengemukakan teori atomnya, walaupun kemudianternyata mempunyai banyak kelemahan. Bohr mendapathadiah Nobel pada tahun 1922. Ia juga memberikansumbangan pada fisika inti atom dengan mengemukakanmodel tetes cair yang dapat menjelaskan peristiwa fisinuklir.Fisikawan KitaFiestaFiestaFiestaFiestaFiesta
Bab 9 Fisika Atom225 ̄Energi total elektron terkuantisasi di mana energi elektron pada orbit ke-n untukatom hidrogen adalah:En = 213, 6-neV dengan n = 1, 2, 3, .... ̄Bilangan kuantum utama (n) menentukan tingkat energi utama, yang memilikinilai 1, 2, 3, .... dan seterusnya. ̄Bilangan kuantum orbital (l ) menentukan besar momentum sudut elektron.Besar momentum sudut elektron (L) dinyatakan dengan:L = ()h1+lldengan h= π2h ̄Bilangan kuantum magnetik (ml ) menentukan arah dari momentum sudutelektron. Bila dipilih arah medan magnetik sejajar sumbu z, maka nilai Ldalamarah sumbu z adalah:Lz = ml .h ̄Bilangan kuantum spin (ms) menentukan arah perputaran elektron terhadapsumbunya dan hanya memiliki nilai +21dan -21. ̄Energi ionisasi merupakan ukuran kestabilan konfigurasi elektron terluar suatuatom. ̄Afinitas elektron adalah energi yang dibebaskan pada saat suatu atom menangkapsebuah elektron.A. Pilihlah jawaban yang paling tepat!1 . Pernyataan berikut ini yang merupakan teori atom menurut Dalton adalah ... .a.bagian terkecil dari suatu atom adalah elektronb. sebagian besar massa atom terkumpul pada intinyac.elektron dari suatu unsur sama dengan elektron dari unsur laind. atom dari unsur-unsur yang sama mempunyai sifat yang juga samae.elektron pada suatu unsur tidak dapat bergabung dengan atom unsur lain2. Pernyataan yang tidak berhubungan dengan model atom Thomson adalah ... .a.muatan positif tersebar merata dalam inti atomb. atom bukan bagian terkecil dari suatu unsurc.elektron adalah bagian dari atom yang bermuatan negatifd. elektron memiliki massa yang sama dengan massa muatan positife.elektron pada atom tersebar merata di antara muatan positifUji Kompetensi
226Fisika XII untuk SMA/MA3.Dua hal yang merupakan kelemahan model atom Rutherford adalah ... .a.model atom Rutherford hanya terbatas berlakunya dan bertentangandengan model atom Bohrb. elektron yang mengelilingi inti akan memancarkan energi dan elektrontidak memiliki orbit stasionerc.elektron bergerak mengelilingi inti dan massa atom terpusat pada intinyad.atom-atom menjadi tidak stabil dan bertentangan dengan hasil pengamatantentang spektrum atom hidrogen yang bersifat diskrete.tidak menjelaskan adanya tingkatan energi atom dan atom-atom menjaditidak stabil4.Menurut model atom Bohr, elektron bergerak mengelilingi inti hanya padalintasan tertentu. Besarnya momentum anguler pada lintasan itu adalah ... .a.berbanding lurus dengan tetapan Rydbergb. berbanding lurus dengan tetapan Planckc.berbanding terbalik dengan tetapan Planckd. berbanding terbalik dengan momentum liniere.berbanding terbalik dengan tetapan Rydberg5.Energi ionisasi sebuah atom adalah ... .a.energi minimum yang diperlukan untuk menambahkan sebuah elektronpada atomb. energi yang diperlukan untuk memindahkan semua elektron terluar ketak berhinggac.energi minimum yang diperlukan untuk memindahkan sebuah elektronke tak berhinggad. energi yang diperlukan untuk memindahkan semua elektron atom ke takberhinggae.energi yang diperlukan untuk memindahkan semua elektron pada kulitterdalam ke tak berhingga6. Bila elektron berpindah dari kulit N ke kulit K pada atom hidrogen dan Radalah konstanta Rydberg, maka panjang gelombang yang terjadi adalah ... .a.98Rd.179Rb.89Re.1516Rc.917R7.Elektron atom hidrogen berpindah dari lintasan n = 3 ke n = 1. ApabilaR = 1,097×107 m-1, maka panjang gelombang foton yang diradiasikan olehatom tersebut adalah ... .a.1.026 Dd.2.115 Db. 1.097De.6.541 Dc.1.215 D
Bab 9 Fisika Atom2278.Menurut model atom Bohr, besar momentum anguler sebuah elektron atomhidrogen yang mengelilingi inti pada bilangan kuantum n adalah ... .a.π2nhd.nhfb.nhπ2e.nhf1c.nh9. Untuk bilangan kuantum orbital l = 2, maka nilai bilangan kuantum magnetikml yang mungkin adalah ... .a.0d.-2, -1, 0, +1, +2b. -1, 0, +1e.-3, 0, +3c.-2, 0, +210. Afinitas elektron adalah ... .a.energi yang dibebaskan pada saat pembentukan ion negatifb. energi yang dibebaskan pada saat pembentukan ion positifc.energi yang diserap pada saat pembentukan ion negatifd. energi yang diserap pada saat pembentukan ion positife.sama dengan energi ionisasiB. Jawablah dengan singkat dan benar!1. Garis-garis spektrum Paschen dihasilkan bila dalam atom hidrogen terjadiperpindahan elektron dari tingkat yang lebih tinggi ke tingkat n = 3. Tentukandua panjang gelombang terbesar dalam deret Paschen!2. Untuk atom hidrogen pada orbit Bohr n = 3, tentukan:a.jari-jari elektron,b. gaya listrik yang bekerja pada elektron,c.kelajuan elektron!3. Tentukan bilangan kuantum utama dari orbit-orbit berikut!a.Orbit elektron pada atom hidrogen dengan energi -0,544 eV.b. Orbit elektron pada ion He+dengan energi -3,4 eV.c.Orbit elektron pada ion Li2+dengan energi -4,90 eV.4. Hitunglah jumlah elektron yang dapat menempati setiap subkulit berikut!a.2sc.5fb. 3dd.4p5. Sebuah elektron berada pada keadaan 4d.a.Berapakah bilangan kuantum utamanya?b. Berapakah bilangan kuantum orbitalnya?c.Berapakah besar momentum sudut elektronnya?