Struktur AtomikA. Model Atom Thomson

Tahun 1987 J.J Thomson membuktikan tentang adanya muatan listrik elementer dan muatan listrik elementer itu berkaitan dengan suatu massa muatan tersebut. Jadi muatan terkecil itu menjadi bagian yang tak terpisahkan dari suatu zat. Muatan elementer ini, kemudian diberi nama elektron. Karena sifatnya yang sangat mendasar dalam bangunan atom, maka partikel ini dikaregorikan sebagai partikel fundamental.Dalam mengetahui keberadaan elektron dalam aton, thomson mengajukan suatu model tentang struktur atom. Model ini kemudian dikatakan model atom Thomson yaitu: Atom merupakan bola bermuatan posotif yang terdistribusi merata meliputi seluruh bola, dan elektron-elektron yang tersebar di dalam muatan positif tadi. Seperti pada Gambar:

Model atom Thomson sering disebut model plum-pudding Thomson karena menyerupai roti kismis.

B. Model Atom Rutherford

1. Eksperimen Hamburan Rutherford

Pada tahun 1908, ilmuwan Inggris yang lain, E.Rutherford melakukan suatu percobaan, teknik yang dilakukan oleh Rutherford ini adalah dengan menembakkan seberkas partikel yang ditembakkan melalui celah pelat timbal dan akhirnya menumbuk lempeng emas. Untuk mendeteksi seberkas partikel tersebut yang keluar dari lempeng emas, dipasang lempeng yang berlapis seng sulfida. Bila partikel alpha menumbuk lempeng ini, maka akan nampak suatu nyala sekilas yang dapat diamati secara visual. Hasil pengamatan Ruherford adalah sebagian besar partikel lewat tanpa mengalami pembelokkan, sebagian kecil dibelokkan, dan sediki sekali yang dipantulkan kembali.

Kemudian, Rutherford menyatakan 3 kesimpulan dari hasil eksperimennya :

Sebagian besar partikel diteruskan lempeng logam tanpa dibelokkan. Peristiwa ini menunjukkan bahwa sebagian besar ruang dalam atom-atom emas adalah ruang kosong.

Sedikit sekali partikel yang dipantulkan kembali. Peristiwa ini menunjukkan bahwa partikel ini telah mnumbuk suatu bagian yang keras dari atom, yang disebut nukleus atau inti atom.

Sebagian kecil partikel alpha dibelokkan dengan sudut-sudut tertentu. Peristiwa ini menunjukkan bahwa dalam atom tersebut terdapat muatan sejenis dengan muatan ( muatannya positif ), seperti yang kita ketahui, bahwa muatan sejenis akan terjadi tolak-menolak pada kedua muatannya, dan jika berlainan jenis, maka akan terjadi gaya tarik menarik.

Dari hasil percobaan Rutherford tersebut, tampak bahwa model atom Thomson pun telah gugur dan tidak dapat diterima lagi, karena ternyata muatan positif dan negatif tidak tersebar merata seperti teori yang dikemukakannya dalam teori kue kismis.

Satu-satunya model atom yang ditemukan Rutherford yang dapat menerangkan hasil itu adalah model atom: yang terdiri dari inti kecil yang bermuatan positif merupakan tempat terkonsentrasinya hampir seluruh massa atom dengan elektron-elektronnya terdapat pada jarak agak jauh dari inti.

2. Sudut Hamburan Partikel AlfaDalam Eksperimen hamburan partikel di atas,terjadi interaksi antara muatan patikel (+2e) dan muatan atom sasaran (+Ze), Z:nomor atom. Hal ini dianggap bahwa: interaksi elektron tidak berperan (dapat diabaikan). Sehingga Hanya gaya Coulomb, yaitu gaya tolak menolak antar partikel dan atom emas (keduanya bermuatan positif) yang beraksi.Tinjau partikel datang mendekati inti atom dengan jarak tegak lurus b, seperti pada gambar dibawah. Jarak b diukur dari inti atom bermutan +Ze samapai I1 yaitu garis asimtot dari arah datang partikel sebelum interaksi.Setelah berinteraksi partikel terhambur menurut I2, yaitu arah P2. Sudut antara I1dan I2 adalah sudut hamburan partikel sebesar .Karena gaya Coulomb adalah gaya sentral, maka arah gaya F selalu berada dalam arah garis hubung anatara partikel selalu nol terhadap pusat atom. Energi total sistem sebelum hamburan di x = - ,

E = K1 + V1

. 01)K1 ; energi kinetik sebelum hamburan, V2 ; energi potensial sebelum hamburan

Karena inti atom +Ze dianggap tidak bergerak sehingga energi kinetiknya nol. Maka seluruh energi kinetik adalah energi kinetik partikel . Dan karena kedudukan partikel sangat jauh dari inti atom, maka energi potensial sistem sama dengan nol. Persamaan 01 menjadi:

. 02)

.. 03)Tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem, baik partikel , maupun inti atom. Hanya gaya Coulomb antara partikel dan inti atom, maka memenuhi syarat kekekalan energi. Dan diperoleh bahwa :p1 = p2

. 04)Ini memberikan arti bahwa dalam proses hamburan di atas; hanya mengubah arah vektor momentum, tetapi besarnya tetap. Sehingga berlaku:

. 05)

06)

Dengan Selanjutnya, bahwa perubahan momentum sema dengan impuls

07)

Secara teoritik interaksi berlangsung dari t = - sampai t = + dengan gaya F yang berubah baik besar maupun arah. Besar gaya F = F cos , maka persamaan 06) dan 05) menjadi,

08)Transformasi variabel t ke , dengan mengubah batas integrasi dari : -(-) dan +(-) bersesuaian dengan harga pada t = - dan t = + sehingga:

09)

Besar d/dt adalah kecepatan sudut partikel terhadap inti. Momentum sudut partikel adalah konstan ( tidak ada momen gaya luar).

10)

11)

Substitusikan ke persamaan 09) :

Karena gaya F yang bekerja adalah gaya Coulomb antara muatan partikel (+2e) dan muatan atom (+Ze), maka:

12)

Maka:

13)Ternyata sudut hamburan bergantung pada b. Sudut hamburan makin besar ketika b bertambah. Andaikan pancaran dapat diatur menjadi tembakan satu-satu, maka untuk setiap tembakan dapat diamati sudut hamburan . Karena dan konstanta-konstanta dalam persamaan 13) dapat diketahui, maka b dapat ditentukan. Dari berbagai harga b yang diperoleh, maka harga terkecil merupakan batas jari-jari atom. Tetapi tembakan satu-satu tidak dapat diatur. Karena itu hal di atas untuk memperoleh b tidak dapat dilakukan. Pendekatan harus secara statistik dengan mengamati pola distribusi intensitas sebagai fungsi dari sudut hamburan .3. Rumus Hamburan Rutherford

Hubungan antara dan b seperti dalam persamaan 13). Ini berarti bahwa semua partikel yang berhadapan dengan penampang ( = penampang hamburan ) = b2

14)

untuk setiap atom akan dihambur dengan sudut atau lebih kecil.

Jadi untuk seluruh keping (makro) ; A t n : merupakan luas hamburan yang akan menghambur partikel dalam arah . Selanjutnya bahwa fraksi;

Diperoleh f = t n

15)

Dari persamaan 13), 14), 15) diperoleh:

16)

17)(tanda negatif menyatakan f menurun jika bertambah).

Selajutunya akan ditentukan jumlah partikel yang terhambur antara sudut + d. Untuk itu kita gunakan pemisalan. Tinjau suatu partikel yang terhambur antara sudut dan + d mencapai bola berjari-jari r yang tebalnya rd. Jari-jari daerah itu adalah rsin. Maka penampang seluas dS yang ditubruk partikel adalah:

18)

Maka jumlah partikel tiap detik persatuan luas yang terhambur dalam arah antara sudut dan + d menjadi:

19)

20)

Di namakan RumusHamburan Rutherford.

Hasil pengukuran eksperimental dari Geiger dan Marsden menunjukkan kebenaran ramalan-ramalan tersebut di atas. Sehingga Rutherford menyimpulkan bahwa anggapan yang dipergunakan untuk menelaan hamburan partikel oleh lempeng emas tipis sudah benar. Anggapan yang terpenting adalah:

Partikel hanya berintraksi dengan muatan positif atom.

Muatan posotif atom terpusat dari suatu lokasi yang sangat kecil di tengah atom.

Inilah yang mendasari anggapan bahwa muatan positif atom terkonsentrasi pada suatu inti atom. Rutherford diakui telah menemukan inti.

4. Orbit Elektron

Model atom Rutherford memberi gambaran bahwa:

Atom terdiri dari sebuah inti bermuatan positif dan masif yang dilingkupi sejumlah elektron pada jarak yang relatif jauh dari inti, sehingga atom secara keseluruhan bermuatan netral.

Tinjau dinamika klasik atom hidrogen. Menurut model Rutherford (planetary model) seperti pada gambar:

Andaikan bahwa lintasan edar elektron (orbit) berbentuk lingkaran dengan inti atom sebagai pusatnya. Maka gaya sentripetal yang diperlukan elektron untuk mengelilingi pusat itu diberikan oleh gaya Coulomb antara elktron dan inti dimana gaya sentripetal:

21)Dan Gaya Coulomb :

22)

23)

24)

25)

26)

Pembahasan di atas menampilkan penerapan mekanika klasik pada model aton Hidrogen, dimana elektron diandaikan melakukan gerak mengelilingi atom laksana planet mengelilingi matahari. Dalam hal ini elektron mengalami percepatan sentripetal.Menurut teori elektodinamika klasik, juga gambaran Newtonian ini tidak memberikan gambaran stabil. Karena mengalami percerpatan, maka elektron akan memancarkan energi elektromagnetik yang berakibat pada semakin mengecilnya radius lintasan dan pada akhirnya elektron akan jatuh dengan inti atom. Karena itu, gambaran elektron dan inti seperti planet menegelilingi matahari tidak merupakan situasi stabil menurut fisika klasik.

Selanjutnya, apabila memang atom berprilaku sebagai yang diberikan dalam gambar Newton di atas, maka panjang gelombang elektromagnetik yang dipancarkan merupakan spektrum kontinu. Padahal faktanya tidak demikian, pengukuran dengan spekrometer, bahwa spekrum atom hidrogen adalah diskrit (diskontinu) atau spekrtum garis (line spectra).

Hal-hal di atas merupakan kelemahan atau keberatan terhadap model atom Rutherford. Dan kemudian dijelaskan Bohr dengan mengajukan seperangkat postulat. C. Spektrum Atom Hidrogen

Di bawah ini diterakan spektrum yang dipancarkan gas hidrogen, helium, Neon, Sodium, dan air raksa. Spekrum emisi ini menunjukkan suatu pola diskrit.Dalam pembahasan selanjutnya dibatasi pada spektrum atom hidrogen, karena hal itu akan menyumbang pengertian tentang postulat-postulat Bohr. Hasil penyelidikan dengan spektrometer menunjukkan bahwa spektrum atom hidrogen terdiri dari deretan-deretan garis. Tiap garis menampilkan panjang gelombang tertentu seperti tampak pada tabel di bawah. Deretan itu dikenal dengan deret; Lyman, Balmer, Paschen, Bracket, dan Pfund.

Pada tahun 1885; Balmer berhasil menemukan suatu rumus empirik sederhana yang dapat menyetakan panjang gelombang garis spektrum hidrogen yang terletak pada daerah spektrum tampak. Yaitu:

27)

Dari persamaan 27), frekuensi spektrum yang dipancarkan atom hidrogen menjadi:

28)

Kemudian tahun 1908, Paschen menemukan suatu seri lain garis spektrum hidrogen. Seri itu berada di daerah inframerah. Seri itu memiliki keteraturan yang mengikuti hubungan seperti pada persamaan 28), jugamerupakan rumus empiris,

29)

Dari kedua rumus diatas, mengikuti bentuk:

30)

Selanjutnya Ryberg tahun 1890, menemukan cara lebih mudah untuk menangani rumus Balmer. Dengan mendefenisikan suatu besaran baru yang dinamakan resiprok panjang gelombang.

31)

Dengan defenisi baru ini, maka rumus 27) diperoleh:

32)

Tetapan 1,097 x 107 m-1 dinamakan tetapan Ryberg.

D. Model Atom Bohr

Gagasan Kunci Model atom Bohr

Dua gagasan kunci adalah:

1. Elektron-elektron bergerak di dalam orbit-orbit dan memiliki momentum yang terkuantisasi, dan dengan demikian energi yang terkuantisasi. Ini berarti tidak setiap orbit, melainkan hanya beberapa orbit spesifik yang dimungkinkan ada yang berada pada jarak yang spesifik dari inti.

2. Elektron-elektron tidak akan kehilangan energi secara perlahan-lahan sebagaimana mereka bergerak di dalam orbit, melainkan akan tetap stabil di dalam sebuah orbit yang tidak meluruh.

Postulat Dasar Model Atom Bohr

Ada empat postulat yang digunakan untuk menutupi kelemahan model atom Rutherford, antara lain :

1. Atom Hidrogen terdiri dari sebuah elektron yang bergerak dalam suatu lintas edar berbentuk lingkaran mengelilingi inti atom ; gerak elektron tersebut dipengaruhi oleh gaya coulomb sesuai dengan kaidah mekanika klasik.

2. Lintas edar elektron dalam hydrogen yang mantap hanyalah memiliki harga momentum angular L yang merupakan kelipatan dari tetapan Planck dibagi dengan 2.

33)

dimana n = 1,2,3, dan disebut sebagai bilangan kuantum utama, dan h adalah konstanta Planck.

3. Dalam lintas edar yang mantap elektron yang mengelilingi inti atom tidak memancarkan energi elektromagnetik, dalam hal ini energi totalnya E tidak berubah.

4. Jika suatu atom melakukan transisi dari keadaan energi tinggi EU ke keadaan energi lebih rendah EI, sebuah foton dengan energi h=EU-EI diemisikan. Jika sebuah foton diserap, atom tersebut akan bertransisi ke keadaan energi rendah ke keadaan energi tinggi.

34) Model Atom Bohr

Bohr menyatakan bahwa elektron-elektron hanya menempati orbit-orbit tertentu disekitar inti atom, yang masing-masing terkait sejumlah energi kelipatan dari suatu nilai kuantum dasar. (John Gribbin, 2002)

Model Bohr dari atom hidrogen menggambarkan elektron-elektron bermuatan negatif mengorbit pada kulit atom dalam lintasan tertentu mengelilingi inti atom yang bermuatan positif. Ketika elektron meloncat dari satu orbit ke orbit lainnya selalu disertai dengan pemancaran atau penyerapan sejumlah energi elektromagnetik hf.

Menurut Bohr :

Ada aturan fisika kuantum yang hanya mengizinkan sejumlah tertentu elektron dalam tiap orbit. Hanya ada ruang untuk dua elektron dalam orbit terdekat dari inti. (John Gribbin, 2005)

Gambar 1. Model Atom Bohr

Model ini adalah pengembangan dari model puding prem (1904), model Saturnian (1904), dan model Rutherford (1911). Karena model Bohr adalah pengembangan dari model Rutherford, banyak sumber mengkombinasikan kedua nama dalam penyebutannya menjadi model Rutherford-Bohr.

Kunci sukses model ini adalah dalam menjelaskan formula Rydberg mengenai garis-garis emisi spektral atom hidrogen, walaupun formula Rydberg sudah dikenal secara eksperimental, tetapi tidak pernah mendapatkan landasan teoritis sebelum model Bohr diperkenalkan. Tidak hanya karena model Bohr menjelaskan alasan untuk struktur formula Rydberg, ia juga memberikan justifikasi hasil empirisnya dalam hal suku-suku konstanta fisika fundamental.

Model Bohr adalah sebuah model primitif mengenai atom hidrogen. Sebagai sebuah teori, model Bohr dapat dianggap sebagai sebuah pendekatan orde pertama dari atom hidrogen menggunakan mekanika kuantum yang lebih umum dan akurat, dan dengan demikian dapat dianggap sebagai model yang telah usang. Namun demikian, karena kesederhanaannya, dan hasil yang tepat untuk sebuah sistem tertentu, model Bohr tetap diajarkan sebagai pengenalan pada mekanika kuantum.

Keterangan

Gaya elektromagnetik yang bekerja pada inti (muatan +Ze) dan electron (muatan e), gaya elektrostatik tersebut adalah gaya sentripetal, diperoleh dari persamaan 22):

35)

36)

Jika dihitung dengan memasukkan semua konstantam diperoleh:

rn = 0,53 n2

37)

untuk n = 1; r1 = ao = 0,53

ao dinamakan radius Bohr

sehingga radius orbit berbanding sebagai kuadrat bilangan kuantum utama

38)

Dengan mengetahui radius orbit electron, dapat ditentukan energy electron yang huga terkuatisasi. Dari persamaan 26) dan 35) mengungkapkan:

39)

Dengan memasukkan harga-harga konstanta didapat:

40)n . disebut bilangan kuantum utama.

Lintasan orbit yang terkecil diperoleh dengan n = 1, untuk lintasan orbit energi ikatan electron dalam atom terkuat. Apabila n = -, elektron tidak lagi mengitari inti atom. Energi ikatanya pun sama dengan nol, dalam keadaan seperti ini atom tersebut terionisasi.

Selanjutnya tinjauan tentang spektrum atom hidrogen. Bila elektron berpindah lintasan (transisi), misalkan dari lintasan A (nA) ke lintasan B (nB). maka energi foton yang dipancarkan. Dari persamaan 34) dan 39) diperoleh:

41)Ternyata cocok dengan rumus empirik (hasil eksperimen) Balmer, lihat persamaan 27) dengan

42)

Jika dimasukkan harga tetapan, diperoleh:

R = 1,0894 x 107 m-1Adalah sesuai dengan harga tetapan Ryberg seperti dalam persamaan 32). Jadi garis-garis spektrum deret; Lyman misalnya, terbentuk bila elektron berpindah ke lintasan terdalam dengan bilangan kuantum n = 1. Dalam hal ini nB = 1 dan nA = 2,3,4, Dengan penalaran yang sama,untuk deret Balmer, Paschen, Bracket, dan Pfund. Di bawah ini tampak diagram tingkat energi untuk atom hidrogen.