07/10/2014

1

STRUKTUR ATOM

Nurun Nayiroh, M.Si

FISIKA MODERN

PERTEMUAN KE-7 & 8

Sub Pokok Bahasan

• Model Awal dari Atom

• Model Atom Rutherford

• Orbit Elektron

• Spektrum Atomik

• Atom Bohr

• Laser

PENDAHULUAN• Konsep atom telah muncul sejak filosof-filosof kuno: ARAB,

YUNANI.• Struktur Materi :

– Struktur kontinu : benda atau materi dapat terus dibagi sampai tak berhingga kecilnya.

– Struktur diskrit : materi tersusun dari bagian terkecil yang tak terbagi lagi, disebut ATOM.

• ABAD V SM → Anaxagoras, Leucippus, Democritus (ahli filsafat Yunani) mempostulatkan “semua materi tersusun dari partikel-partikel yang disebut atom” → yang artinya tak dapat dibagi lagi.

• Pengertian atom secara ilmu pengetahuan baru kemudian dikemukakan oleh DALTON (1803), dan penyelidikan mengenai struktur materi dan penyusunan dasar-dasar teori atom dimulai sejak orang mengembangkan ilmu kimia.

Ayat-ayat al-Qur’an tentang Atom

“Barang siapa mengerjakan kebaikan sebesar “dzarrah” pun niscayadia akan melihat balasannya.”(QS: 99: Az Zalzalah :7)“Dan barang siapa mengerjakan kejahatan sebesar “dzarrah” pun, niscaya dia akan melihat balasannya.”(QS : 99 : Az zalzalah : 8)“Dan tidak luput dari pengetahua Tuhanmu biarpun sebesar “ dzarrah” di bumi ataupun di langit. Tidak ada yang lebih kecil dantidak lebih besar (pula) dari itu, melainkan (semua tercatat) dalamkitab yang nyata (Lauhful Mahfudz).”(QS : 10 : Yunus : 61)“Tidak ada tersembunyi dari pada-Nya sebesar “ dzarrah” pun yang ada di langit dan yang ada di bumi; dan tidak ada pula yang lebihkecil dari itu dan yang lebih besar, melainkan tersebut dalam kitabyang nyata ( lauh Mahfudz).”(QS : 34 : Saba : 3)

07/10/2014

2

• Para ilmuan yang giat mengadakan penelitian tentang dzarrah antara lain, Abu Bakr Ar-Razi ( 846-930 M) yang mengemukakan dalam bukunya ArRaddu ‘Alal’ Maswa’I bahwa jauhar fard ( zat tunggal) atau dzarrah ituterdiri dari beberapa bagian yang tidak dapat dibagi lagi atau dari kosong.Sedangkan Asy Syahristani dalam bukunya Nahayatul Aqdam Fi’ilmilKalami menyebutkan, “ Jika benda yang terurai itu bertolak belakang, pastimengandung bagian yang berkesudahan dari beberapa bagian itu yang tidak dapat terbagi lagi.

• Daftar buku yang dikarang oleh para ilmuan muslim yang membahastentang atom antara lain,1. Al Isyarat ( indikator) dan An Najat ( keselamatan ) oleh Ibnu sina ( Averroes)2. Ar Raddu ‘alal’ Masma’I oleh Ar Razy3. Nahayatul Aqdam, fi ‘ilmil Kalami oleh Asy Syahristani.4. Kitabul Hairin oleh Ibnu Maimun.5. Kitabul Intishar oleh Abil Husain Bin Abdul Rahim Bin Muhammad.

Sifat-sifat Dasar Atom

• Ukuran atom sangat kecil, jari-jarinya sekitar 0,1 nm sehingga tidak dapat diamati dengan menggunakan cahaya tampak (λ≈500 nm)

• Semua atom stabil

Atom tidak membelah diri secara spontan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil

• Semua atom mengandung elektron bermuatan negatif, namun netral.

• Atom memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik

MODEL ATOM THOMSON

• Prestasi J.J. Thomson

– Mencirikan elektron (Tabung sinar Katoda)

– Mengukur nisbah muatan terhadap massa (e/m) elektron) (e/m = 1,7588 . 108 C/g)

• Model atom Thomson berhasil menerangkan banyak sifat atom yang diketahui seperti: ukuran,massa, jumlah elektron dan kenetralan muatan elektrik

Model atom Thomson : model plum-pudding (roti kismis) karena elektron-elektronnya tersebar di seluruh atom seperti halnya kismis yang tersebar dalam kue kismis.

J.J. Thomson mengajukan suatu model atom:“Model atomnya dipandang mengandung Z elektron yang dibenamkan dalam suatu bola bermuatan positif seragam”. Distribusi muatan positif diandaikan berbentuk bola dengan jari-jari ~ 10-10 m

Muatan positif total bola adalah Ze , massanya pada dasarnya adalah massa atom (massa elektron terlalu ringan sehingga tidak banyak mempengaruhi massa atom), dan jari-jari R bola ini adalah jari-jari atom pula

07/10/2014

3

• Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

• Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.

• Baca selebihnya tentang Model Atom Thomson di buku FISIKA MODERN (KENNETH KRANE) Hal. 221-228

MODEL ATOM RUTHERFORD

• Dari eksperimen diperoleh hasil bahwa hampir semua partikel menembus keping emas

• Tetapi terjadi keistimewaan bahwa ada partikel yang dihamburkan balik diperoleh 1 partikel diantara 8.000 partikel yang dibelokkan dengan sudut > 90o

1911 : Rutherford melakukan eksperimen untuk membuktikan kebenaran model atom Thomson. Eksperimen tsb dilakukan oleh Geiger & Marsden (asisten Rutherford) berupa hamburan partikel oleh keping emas.

07/10/2014

4

Diagram Percobaan Rutherford

atau dalam bentuk sederhana

Sumber sinar Alpha

Lempeng Emas

Layar

Hasil eksperimen Rutherford

Sinar alfa

Diteruskan

Dibelokkan

Dipantulkan

Atom Logam

φ

b

∆∆∆∆P

F

½ (π−θ)

½ (π−θ)θ

Inti

target

P2

P1

∆P

θ

Proses Hamburan Rutherford

Posisi Sesaat

Sudut sesaat

antara F dan ∆P

Vektor

Perubahan

momentum

Parameter

dampak

Sudut

hambur

+

Partikel alpha

07/10/2014

5

• Gaya listrik yang ditimbulkan oleh inti padapartikel alfa beraksi sepanjang vector jari-jariantara keduanya, sehingga tidak ada torsi pada partikel alfa, dan momentum sudutmωr2 konstan.

2

22

4

1

r

ZeF

oπε=

Karena inti diam berarti besar momentum partikelalfa tetap :

p1 =p2 = mv

Tetapi impuls ∫ F.dt, menyebabkan perubahan vektormomentum partikel alpa sebagai :

• Perubahan Impuls sama dengan perubahanmomentum, besarnya adalah:

∫=−=∆ dtFppp .12

rrrr

∫∫ ==∆ dtFdtFp .cos. φ

2

θπsin

mv

sin θ

∆p

−=

2

θcosθ)(πsin

21 =−

∆P

θ

P2

P1=mv

Besar perubahan momentum

2

θsin2mv∆p .=

Maka diperoleh

2cos

2sin2sin

θθθ =

Momentum sudut partikel alfa sekitar inti adalahkonstan.

mωr2 = konstan = m r2 dφ/dt = mvb

Atau

φφ

φθ θπ

θπd

d

dtFmvp ∫

−

−==∆

2/)(

2/)(.cos

2sin2

vb

r

d

dt 21==

ωφ

07/10/2014

6

• Subsitusikan persamaan ini ke dalam persamaan integral di atas akan menghasilkan:

dφcosφF2

θbsin2mv

θ)/2(π

θ)/2(π

2 ..2∫−

−= r

Penyelesaian integral menghasilkan persamaanhubungan antara Sudut hamburan θ denganparameter dampak b :

2

22

2cot

Ze

bmvoπεθ=

2

.4

2cot

Ze

bKoπεθ=Atau

θθ : : sudutsudut hamburanhamburan pertikelpertikel alfaalfab : parameter b : parameter dampakdampak/impak/impakK = ½ mvK = ½ mv2 2 : : energienergi kinetikkinetik

Rumus Hamburan Rutherford

)2/(sin)KE(r)8(

entZN)(N

4222

o

42

i

θπε=θ

N(θ) = Jumlah total partikel alpha per

satuan luas yang sampai di screen

dengan sudut hamburan θ

Ni = Jumlah total partikel alpha yang

sampai di screen

n = Jumlah atom persatuan volume di

dalam foil

t = Tebal foil

Z = Nomor atom dari foil

KE = Energi kinetik patikel alpha

R = Jarak screen dari foil

Kajian terhadap hamburan partikel bermuatan oleh inti atom (hamburan Rutherford) dibagi menjadi 3 bagian:1. Perhitungan fraksi partikel yang dihamburkan pada

sudut yang lebih besar dari pada θf<b = f>θ = ntπb2

2. Rumus Rutherford dan pembuktian kebenarannnya lewat percobaan

3. Jarak terdekat ke inti atom, yang dapat dicapai oleh partikel bermuatan.

K

zZed

o

2

4

1

πε=

)2/(sin)KE(r)8(

entZN)(N

4222

o

42

i

θπε=θ

07/10/2014

7

Berdasarkan hasil eksperimen tersebut, Rutherford menarik kesimpulan bahwa :

1. Atom sebagian besar tediri dari ruang hampa dengan satu inti yang bermuatan positif dan satu atau beberapa elektron yang beredar disekitar inti.

2. Atom secara keseluruhan bersifat netral, muatan positif pada inti sama besarnya dengan muatan elektron yang beredar di sekitarnya.

3. Volume inti << volume atom

4. Inti dan elektron tarik-menarik → gaya sentripetal.

5. Pada reaksi kimia, inti atom tidak mengalami perubahan. Yang mengalami perubahan ialah elektron-elektron pada kulit terluar.

datom ≈ 1 Å = 10-8 cmdinti ≈ 1 F = 10-13 cm

Kelemahan teori atom Rutherford adalah :• Lintasan elektron tidak lagi berupa lingkaran, tetapi berupa pilin

(seperti Obat Nyamuk) yang pada akhirnya elektron jatuh ke

dalam inti, sehingga atom itu tidak stabil. (Tidak dapat menjelaskan kestabilan atom)

• Bila lintasan elektron semakin menciut, periode putaran elektron menjadi semakin kecil, Frekuensi gelombang yang

dipancarkan berubah pula. (Tidak dapat menjelaskan spektrum garis atom hidrogen)

• Baca selebihnya tentang Hamburan Rutherford pada buku FISIKA MODERN (KNNETH KRANE) hal.228-239 atau buku KONSEP FISIKA MODERN (ARTHUR BEISER) hal. 122-136

SPEKTRUM ATOM

Radiasi EM dari atom dapat dikelompokkanmenjadi:

• Spektrum kontinyu

• Spektrum garis

07/10/2014

8

Spektrum Kontinyu

- Spektrum kontinyu : radiasi yang dihasilkan olehatom yang tereksitasi yang terdiri dari berbagaiwarna yang bersinambungan, yaitu ungu, biru, hijau,kuning, jingga, merah.

Semakin besar panjang gelombang maka semakin kecilenerginya, maka artinya sinar ungu mempunyai foton denganenergi terbesar, sedangkan sinar merah mempunyai foton

dengan energi terkecil.

• Pada spektrum kontinyu, panjang gelombang radiasi yang dipancarkan merentang dari suatu nilai minimum,mungkin 0, hingga nilai maksimum, mungkin tak terhingga.

• Contohnya: radiasi dari objek panas berpijar

Spektrum Garis

Spektrum diskrit atau spektrum garis : radiasiyang dihasilkan oleh atom yang tereksitasiyang hanya terdiri dari beberapa warna garisyang terputus putus; yaitu ungu, biru, merah.

Jika sejumlah kecil gas atau uap suatu unsur tertentu, seperti air-raksa, natrium, atau gas neon, diletakkan di dalam tabung kemudian arus listrikdialirkan ke dalam tabung, maka hanya sehimpunan panjang gelombang diskrit cahaya tertentu saja ang dipancarkan oleh gas. Cahaya yang dipancarkan olehsetiap gas berbeda-beda dan merupakankarakteristik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalambentuk spektrum garis dan bukan spektrum yang kontinyu.

07/10/2014

9

Peralatan untuk mengamati spektrum garis Spektrum garis berbagai gas

Peralatan untuk mengamati spektrum serap

• Di buku Fisika Modern (Kenneth Krane) hal.241 Gambar 6.18

Spektrum serap dan pancar atom Hidrogen

07/10/2014

10

Spektrum Atom Hidrogen

• Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya

dengan panjang gelombang berbeda. Untuk gas hidrogen yang

merupakan atom yang paling sederhana, deret panjang

gelombang ini ternyata mempunyai pola tertentu yang dapat

dinyatakan dalam bentuk persamaan matematis.

• Dengan menggunakan “metode ilmiah terbalik” johanes

Balmer (guru sekolah menengah berkebangsaan Swiss)

menyatakan deret untuk gas hidrogen dengan persamaan

berikut ini:

RUMUS BALMER

Deretan garis spektrum yang cocok dengan rumus Balmer disebut dengan deret Balmer

Beberapa kemudian ditemukan deret-deret yang

lain; deret Lyman, deret Paschen, Bracket, danPfund.

Pola deret-deret ini serupa maka dapatdirangkum dalam satu persamaan.

Persamaan ini disebut deret spektrum hidrogen.

Dimana R adalah konstanta Rydberg yang

nilainya 1,097 × 107 m−1.

Atau:

Dengan λlimit adalah panjang gelombang deret batas yang sesuai.

Deret Spektrum

• Deret Lyman (m = 1) , Spektrum yang dihasilkancahaya ultra violet

dengan n = 2, 3, 4, …

• Deret Balmer (m = 2), Spektrum yang dihasilkan cahayatampak

dengan n = 3, 4, 5 ….

• Deret Paschen (m = 3), Spektrum yang dihasilkan cahayainfra merah 1

• Deret Bracket (m = 4), Spektrum yang dihasilkan cahayainfra merah 2

dengan n = 5, 6, 7, ….

• Deret Pfund (m = 5), Spektrum yang dihasilkan cahayainfra merah 3

dengan n =6, 7, 8 ….

dengan n = 4, 5, 6 ….

07/10/2014

11

Dengan demikian, setiap model atom hidrogen dapatmenerangkan keteraturan aritmatik yang menarik inidalam berbagai spektrum.

Ciri menarik lainnya dari panjang gelombang spektrum hidrogen terangkum dalam asas gabung

Ritz (Ritz combination principle). Jika kita ubah panjang gelombang spektrum pancar hidrogen ke dalam frekuensi, kita jumpai sifat menarik berikut: jumlah sepasang frekuensi tertentu memberikan frekuensi lain yang juga terdapat dalam spektrum hidrogen.

(Deret Pfund)inframerah

Deret spektrum Pancar dan serap atom HidrogenContoh soal

• Batas deret dari deret Paschen (n0=3) adalah 820,1 nm. Tentukan ketiga panjang gelombang terpanjang dari deret Paschen tersebut.

07/10/2014

12

MODEL ATOM BOHR

• Rutherford mengemukakan bahwa massa dan muatan positif atom terhimpun pada suatu daerah kecil di pusatnya.

• Hasil pengamatan spektroskopis terhadap spektrum atom Hidrogen telah membuka kelemahan-kelemahan model atom Rutherford.

• Pada tahun 1913, Niels Bohr (1885-1962) menyusun model atom Hidrogen berdasarkan model atom Rutherford dan teori Kuantum Planck

• Bohr mengemukakan bahwa atom ternyata mirip sistem planet mini, dengan elektron-elektron mengedari inti atom seperti halnya planet-planet mengedari matahari.

• Dengan alasan yang sama bahwa sistem tata sura tidak runtuh karena tarikan gravitasi antara matahari dan tiap planet, atom juga tidak runtuh karena tarikan elektrostatis Coulomb antara inti atom dan elektron.

• Dalam kedua kasus ini, gaya tarik berperan memberikan percepatan sentripetal yang dibutuhkan untuk mepertahankan gerak edar.

-e

r +Ze

v

F

Model Atom Bohr (Z=1 bagi Hidrogen)

F = a

Elektron berada dalam orbit diatur oleh gaya coulomb. Ini berarti gaya coulomb sama dengan gaya sentripetal:

• Energi total sebuah elektron dalam orbit adalah penjumlahan energi kinetik dan energi potensialnya:

dengan k = 1 / (4πε0), dan qe adalah muatan elektron

• Momentum sudut elektron hanya boleh memiliki harga diskret tertentu:

dengan n = 1,2,3,… dan disebut bilangan kuantum utama, h adalah konstanta Planck, dan

• Jari-jari Orbit Elektron

Elektron yang jari-jari lintasannya r memiliki persamaan umum untuk sembarang lintasan :

dengan r1 = 0,53 Å (jari-jari Bohr), dan n = 1,2,3,… dst.

2

0

22

me

hnrn π

ε= Atau

07/10/2014

13

• Kecepatan elektron dalam orbit :

dimana: n = 1,2,3,…

Untuk tingkat dasar : n =1 & Z = 1

Tingkat Energi dan Spektrum

• Foton dipancarkan bila elektron melompat dari suatu tingkat energi ke tingkat energi yang lebih rendah,

• Berbagai orbit yang diijinkan berkaitan dengan energi elektron yang berbeda-beda.

• Energi elektron En dinyatakan dalam jari-jari orbit rn diberikan sebagai berikut:

• Rumus rn disubstitusi ke persamaan di atas, sehingga menjadi:

n= 1, 2, 3,...Rumus Tingkat Energi

• Energi untuk kulit ke-n:

• Tingkat energi ini semuanya negatif, hal ini menyatakan bahwa elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk melarikan diri dari inti.

• Apabila terjadi perpindahan (transisi) elektron dari satu kulit ke kulit yang lain, maka memerlukan energi :

• Besarnya energi yang diperlukan atau dipancarkan sebesar:

λhc

hfE ==∆

h = tetapan Planck = 6,6.10-34 Jsf = frekuensi foton (Hz)c = cepat rambat cahaya = 3.108 m/sλ = panjang gelombang foton (m)

E1= (2,179 x 10-18J= -13,6 eV)

Sehingga,

• Tingkat energi yang terendah E1 disebut keadaan

dasar (status dasar) dari atom itu dan tingkat

energi lebih tinggi E2, E3, E4,...disebut keadaan

eksitasi (status eksitasi).

• Ketika bilangan kuantum n bertambah, energi En

yang bersesuaian mendekati nol; dalam limit n= ≈,

E≈ = 0 dan elektronnya tidak lagi terikat pada inti

untuk membentuk atom.

n3

+n2

n1E1E2E3

M L KE1 < E2 < E3

07/10/2014

14

Tingkat-tingkat energi atom Hydrogen

eVJ 6.1310 x 2,179 nilaidengan numerik konstanta : B -18 −=

Energi Ionisasi

Adalah energi yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron dari atom dalam keadaan dasarnya atau energi yang diserap untuk men-ion-kan atom.

Energi ionisasi biasanya sama dengan –E1, yang harus dilengkapi agar menurunkan sebuah elektron dari keadaan dasarnya.

Bila elektron terbangkit sampai kuantum, maka elektron itu lepas dari lingkungan atom dan atom tersebut menjadi ion (+).Besar Energi Ionisasi atom Hidrogen:

untuk n = 1 → E = 13,6 eV

Sebaliknya jika ion Hidrogen mengikat sebuah elektron akan dipancarkan energi sebesar:

Besar Frekuensi foton yang dipancarkan:

Elektron yang terlepas dari susunan atom akan ditangkap oleh struktur atom yang lain.Kemampuan sebuah atom untuk menangkap elektron bebas disebut sebagai Afinitas Elektron. Dan atom tersebut menjadi ion (-)

untuk n = 2 diperoleh frekuensi yang sesuai dengan salah satu deret balmer.

Spektrum Gas Hidrogen Menurut Bohr

• Bila elektron meloncat dari lintasan yang energinya tinggi ke lintasan yang energinya rendah, dipancarkan energi sebesar E=h.f mengikuti spektrum “LBPBP” (Lyman,

Balmer, Paschen, Brackett, Pfund), dengan persamaan :

nA = Kulit yang dituju

nB = Kulit yang ditinggalkan

= R = 1,097.10-7 m-1 (tetapan Rydbeg)

07/10/2014

15

•Deret Lyman (Ultra Ungu)

nA = 1 dan nB = 2, 3, 4 ….

•Deret Balmer (Cahaya tampak)

nA = 2 dan nB = 3, 4, 5, ….

•Deret Paschen (Inframerah I)

nA = 3 dan nB = 4, 5, 6, ….

•Deret Brackett (Inframerah II)

nA = 4 dan nB = 5, 6, 7, ….

•Deret Pfund (Inframerah III)

nA = 5 dan nB = 6, 7, 8, ….

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 2π.

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 hυ=EU-EI diemisikan. Jika sebuah foton diserap, atom tersebut akan bertransisi ke keadaan energi rendah ke keadaan energi tinggi.

60

Kelebihan model Bohr

• Keberhasilan teori Bohr terletak pada kemampuannya untuk meramalkan garis-garis dalam spektrum atom hidrogen.

• Salah satu penemuan adalah sekumpulan garis halus, terutama jika atom-atom yang dieksitasikan diletakkan pada medan magnet.

07/10/2014

16

Kelemahan

• Struktur garis halus ini dijelaskan melalui modifikasi teori Bohr tetapi teori ini tidak pernah berhasil memerikan spektrum selain atom hydrogen

• Belum mampu menjelaskan adanya stuktur halus (fine

structure) pada spektrum, yaitu 2 atau lebih garis yang sangat berdekatan

• Belum dapat menerangkan spektrum atom kompleks Itensitas relatif dari tiap garis spektrum emisi.

• Efek Zeeman, yaitu terpecahnya garis spektrum bila atom berada dalam medan magnet

AZAS PERSESUAIAN

• Asas Persesuaian adalah asas yang diajukanNeils Bohr untuk memecahkan masalahperbedaan antara postulat Bohr dalam fisikakuantum dengan hukum fisika klasik.

Postulat BohrSebuah elektron dalam model atom Bohr yang mengalamipercepatan sewaktu beredar dalam garis edar lingkaran,tidak meradiasikan energi elektromagnet (kecuali jika iaberpindah ke garis edar).

Hukum Fisika Klasik

Sebuah partikel bermuatan meradiasikan elektromagnet bilamengalami percepatan.

Fisika klasik memberi bentuk berbeda

k =1/2 mv2 ;

tetapi telah kita perlihatakan bahwa E – E0 tersederhanakan menjadi 1/2 mv2 apabila v << c. Jadi, kedua pernyataan ini sebenarnya tidaklah terlalu berbeda yang satu merupakan hal khusus dari yang lainnya

ASAS PERSESUAIAN ASAS PERSESUAIAN ASAS PERSESUAIAN ASAS PERSESUAIAN ASAS PERSESUAIAN ASAS PERSESUAIAN ASAS PERSESUAIAN ASAS PERSESUAIAN (BOHR)(BOHR)(BOHR)(BOHR)(BOHR)(BOHR)(BOHR)(BOHR)

Asas Persesuaian (correspondence

principle): “Hukum fisika klasik hanyaberlaku dalam ranah klasik, sedangkanhukum fisika kuantum berlaku dalamranah mekanika. Pada ranah dimanakeduanya bertumpang tindih, Keduahimpunan hukum fisika itu harusmemberikan hasil yang sama”.

07/10/2014

17

Sebuah partikel bermuatan elektrik yang bergeraksepanjang sebuah lingkaran meradiasikan gelombangelekteromagnetik dengan frekuensi yang sama denganfrekuensi gerak melingkarnya. Misal jarak tempuh satu gerak edar lingkaran penuh elektron = 2πr, dengan laju edar v = √2k/m, maka diperoleh periodenya :

Karena frekuensi v adalah kebalikan periode maka :

Dengan menggunakan penyataan diatas bagi jari jari orbit yang diperkenankan maka diperoleh :

Sehingga sebuah elektron klasik yang bergerak dalam orbit lingkaran berjari-jari rn akan meradiasikan gelombang elektromagnet dengan frekuensi νn ini.

Namun jika kita perbesar jari-jari atom bohr menjadi sangat besar mulai dari objek berukuran kuantum (10-10 m) hingga ke ukuran laboratorium (10-3 m) ,dapatkah kita harapkan bahwa atomnya berperilaku klasik. Sehingga muncul persamaan seperti di bawah ini untuk penjelasan tersebut.

Jika n besar sekali,kita dapat hampiri n-1 dengan n dan 2n-1 dengan 2n,sehingga menurut persamaan seperti ini :

Rumus di atas, identik dengan persamaan frekuensi klasik. Elektron klasik berspiral secara mulus menuju inti atom, sambil meradiasi dengan frekuensi yang diberikan. Sedangkan elektron kuantum meloncat dari orbit n ke orbit (n-1), dan kemudian ke orbit (n-2), dan seterusnya

• Apabila orbit-orbit lingkaran besar sekali, maka loncatandari satu orbit lingkaran ke orbit yang lebih kecilnampaknya menyerupai sebuah sepiral.

07/10/2014

18

Pemahaman

• Dalam rentang n yang besar, dimana fisikaklasik dan kuantum bertumpang tindih, pernyataan klasik dan kuantum bagi frekuensiradiasi keduanya identik. Ini adalah salah satucontoh penerapan asas persesuaian bohr.

• Asa ini penting untuk memahami bagaimanakita beranjak dari ranah dimana berlakuhukum-hukum fisika klasik ke ranah dimanaberlaku hukum-hukum fisika kuantum.

EKSITASI ATOMIK

• Terdapat 2 mekanisme utama eksitasi:– Tumbukan dengan partikel lain.

Sebagian Ek bersamanya diserap oleh atom, sehingga atom tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi, kemudian kembali lagi ke keaadaan dasarnya dalam waktu 10-8 s dengan memancarkan foton

– Dengan menimbulkan lucutan listrik dalam gas bertekanan rendah, sehingga timbul medan listrik yang mempercepat elektron dan ion atomik sampai energi kinetiknya cukup untuk mengeksitasikan atom ketika terjadi tumbukan.

– Eksitasi melalui penyerapan radiasi.

Spektrum yang dihasilkan adalah spektrum absorbsi.

Teori Percobaan Franck - Hertz

Pada percobaan Frank-Hertz mengggunakan sinar

elektron yang dipercepat untuk mengukur besarnya energieksitasi pertama pada atom gas mercury (Hg).

Elektron yang dihasilkan dari proses termionik pada

katoda akan dipercepat diantara katoda dan anoda, dalam

tabung uap-Hg elektron tersebut akan mengalami tumbukandengan atom hidrogen.

Proses tumbukan yang terjadi meliputi tumbukan elastik

dan non elastik. Setelah energi kritis tercapai, ternyata arus

menurun secara tiba-tiba.

Tafsiran dari effek ini ialah bahwa elektron yangbertumbukan dengan atom memberikan sebagian atau

seluruh energi di atas tingkat dasar.

Tumbukan semacam ini disebut tak elastis. Energi kritis

elektron bersesuaian dengan energi yang diperlukan untukmenaikkan atom ke tingkat eksitasi terendah.

Semakin banyak elektron yang mencapai anoda

maka arus listriknya makin besar. Atom-atom dalam

tabung saling bertumbukan akan tetapi tidak ada energi

yang dilepaskan di dalam tumbukan ini. Jadi

tumbukannya secara elastis.

Untuk menghasilkan terjadinya pelepasan energi,

maka atom mengalami transisi ke suatu keadaan eksitasi

dan hal ini dapat dilakukan dengan cara tabung elektron

diisi dengan gas hidrogen, maka elektron akan

mengalami tumbukan dan jika tegangan dinaikkan lagimaka arus listriknya juga akan ikut naik.

Jika energi kinetik kekal dalam tumbukan antar

elektron dan sebuah atom uap gas hidrogen, elektronnyahanya terpental dalam arah yang berbeda dengan arah

datangnya.karena atom tersebut lebih masif dari

elektron, atom hampir tidak kehilangan energi dalam

proses tersebut.

07/10/2014

19

Gambar percobaan

frank-hertz

Elektron-elektron meninggalkan

katoda, yang dipanasi dengan

sebuah filamen pemanas.

Semua elektron itu kemudian

dipercepat menuju sebuah kisi oleh

bedapotensial V, yang dapat diatur.

Elektron dengan energi V elektron-

volt dapat menembusi kisi dan jatuh

pada pelat anoda, jika V lebih besar

daripada V0, suatu tegangan

perlambat kecil antara kisi dan pelat

katoda. Arus elektron yang mencapai

pelat anoda diukur dengan

menggunakan ammeter A.

Gambar Kurva Arus Terhadap Tegangan

Pada grafik terlihat bahwa arusyang terbaca tidak turun sampainol. Ini dikarenakan ada elektrondari pemanas yang tidakberinteraksi dengan atom gas baikinteraksi melalaui tumbukanmaupun penyerapan energi. Sebagai konsekuensi elektronpemanas yang tidak berinteraksitsb dapat mencapai anoda.

Rumus Percobaan Franck - Hertz

Ee : energi eksitasi

V : tegangan eksitasi

N : jumlah data

N

EEEE

VeEi

N

VV

V

N

VVVV

321

)(1

)(

321

3

1

2

++=∆

∆=∆

∆−∆=∆∆

++=∆

∑

Kelemahan dankelebihan Percobaan

Franck - Hertz

Pada percobaan ini memberikan kita

suatu bukti langsung mengenai kehadiran

keadaan eksitasi atom.

Sayangnya, tidaklah mudah untuk

melakukan percobaan ini dengan atom

hidrogen, karena secara alamiah hidrogen

tidak hadir dalam bentuk atom, melainkan

dalam bentuk molekul H2.

Karena molekul menyerap energi

dalam berbagai cara, penafsiran percobaannya

akan menjadi kabur.

07/10/2014

20

THANKS FOR YOUR NICE ATTENTION

WASSALAMUALAIKUM. WR.WB