STRUKTUR ATOM

1. STRUKTUR ATOM ELEKTRON DALAM ATOM

2. RADIASI ELEKTROMAGNETIK • Muatan listrik dan kutub magnetik menimbulkan gaya dalam jarak tertentu melalui medan listrik dan medan magnetik. • Medan ini merupakan bentuk penyebaran energi yang disebut gelombang, dan pengalihan energi ini dinamakan radiasi elektromagnetik.

3. Gelombang memiliki panjang yang merupakan jarak antara dua puncak atau lembah disimbolkan dengan  • Sifat gelombang lainnya adalah frekuensi (f) yang dinyatakan dalam satuan detik-1 yaitu jumlah kejadian atau putaran (siklus) per detik • Hasil kali  dengan f menghasilkan kecepatan gelombang c = f

4. Satuan frekuensi untuk putaran per detik adalah hertz (Hz). Panjang gelombang memiliki satuan angstrom nama seorang ahli fisika Swedia yang nilainya sama dengan 1 x 10-10 m. 1 cm = 1 x 10-2 m 1 nm = 1 x 10-9 m = 1 x 10-7 cm = 10 Å 1 Å = 1 x 10-10 m = 1 x 10-8 cm

5. Spektrum elektromagnetik

6. Spektrum dan Spektrograf Spektrum sinar tampak Spektrum atom

7. Sinar tampak (matahari, filamen) menghasilkan spektrum kontinuum (sinambung) dari merah-jingga-kuning-hijau-biru-lembayung • Cahaya yang dihasilkan zat yang dipanaskan memberikan spektrum garis yang tidak kontinu • Spektrum dari dari suatu atom berbeda dari unsur lainnya dan merupakan fingerprint suatu unsur (Robert Bunsen 1811-1899) • Johann Balmer menurunkan rumus umum untuk spektrum yang dihasilkan oleh hidrogen

8. Rumus yang lebih umum untuk persamaan Balmer R = konstanta Rydberg 10.967.800 m-1, c kecepatan cahaya 2,997925 x 108 m det-1 hasil kali R dan C diberikan diatas

9. Soal Latihan Gunakan Persamaan Balmer untuk menghitung • Frekuensi radiasi dengan n = 5 • Panjang gelombang garis dalam deret balmer dengan n = 7 • Nilai n untuk garis dalam deret Balmer pada 380 nm.

10. Spektrum kontinuum dapat dijelaskan oleh teori gelombang cahaya, tetapi spektrum garis gagal dengan teori ini • Teori radiasi elektromagnetik yang dikenalkan oleh James Maxwell 1860-an juga tidak dapat menguraikan fenomena ini • Persamaan Balmer menimbulkan dugaan adanya prinsip-prinsip yang mendasari semua spektrum garis

11. Teori Kuantum • Max Planck (1900) mengajukan teori kuantum berdasarkan suatu gejala yang disebut radiasi benda hitam • Hipotesisnya menyatakan bahwa energi bersifat discontinue dan terdiri dari banyak satuan terpisah yang sangat kecil yang disebut kuanta / foton • Energi foton dinyatakan dengan E = hf ; h = 6,626 x 10-34 J det-1 • Teori kuantum memperoleh pembuktian dari efek fotolistrik tahun 1955 oleh Albert Einstein

12. Efek Fotolistrik

13. Soal Latihan • Hitung energi dalam J/foton suatu radiasi dengan frekuensi 3,10 x 1015 det-1! • Berapa frekuensi radiasi yang terukur memiliki energi 3,54 x 10-20 J/foton! • Suatu energi sebesar 185 kJ/mol memiliki panjang gelombang sebesar?

14. Atom Bohr • Secara elektrostatika, elektron harus bergerak mengelilingi inti agar tidak tertarik ke inti • Namun berdasarkan fisika klasik benda yang bergerak memutar akan melepaskan energi yang lama kelamaan akan menghabiskan energi elektron itu sendiri dan kemudian kolaps • Niels Bohr mengungkapkan bahwa dilema diatas dapat dipecahkan oleh teori Planck

15. Gagasan Bohr dalam menggabungkan teori klasik dan kuantum • Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diizinkan bagi satu elektron dalam atom hidrogen • Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke yang lainnya dengan melibatkan sejumlah energi menurut Planck • Lintasan stasioner yang diizinkan mencerminkan sifat-sifat elektron yang mempunyai besaran yang khas. Momentum sudut harus merupakan kelipatan bulat dari h/2 atau menjadi nh/2.

16. Model Bohr untuk Atom Hidrogen

17. Keterangan • Lintasan yang diizinkan untuk elektron dinomori n = 1, n = 2, n =3 dst. Bilangan ini dinamakan bilangan kuantum, huruf K, L, M, N juga digunakan untuk menamakan lintasan • Jari-jari orbit diungkapkan dengan 12, 22, 32, 42, …n2. Untuk orbit tertentu dengan jari-jari minimum a0 = 0,53 Å • Jika elektron tertarik ke inti dan dimiliki oleh orbit n, energi dipancarkan dan energi elektron menjadi lebih rendah sebesar

18. Konstanta B/h identik dengan hasil dari R x c dalam persamaan Balmer. Jika persamaan diatas dihitung maka frekuensi yang diperoleh adalah frekuensi garis merah dalam deret Balmer.

20. Soal Latihan • Berapakah frekuensi dan panjang gelombang cahaya yang dipancarkan jika elektron dari atom hidrogen jatuh dari tingkat energi n = 6 ke n = 4? Dalam bagian spektrum elektromagnetik manakah sinar ini?

21. Kelemahan Teori Bohr • Keberhasilan teori Bohr terletak pada kemampuannya untuk meeramalkan garis-garis dalam spektrum atom hidrogen • Salah satu penemuan lain adalah sekumpulan garis-garis halus, terutama jika atom-atom yang dieksitasikan diletakkan pada medan magnet • Struktur garis halus ini dijelaskan melalui modifikasi teori Bohr tetapi teori ini tidak pernah berhasil memerikan spektrum selain atom hidrogen

22. Dualitas Gelombang - Partikel • Newton mengajukan bahwa cahaya mempunyai sifat seperti sekumpulan patikel yang terdiri dari aliran partikel berenergi • Huygens menyatakan bahwa cahaya terdiri dari gelombang energi • Pembuktian dengan pengukuran kecepatan cahaya pada berbagai medium menunjukkan cahaya berkurang kecepatannya dalam medium yang lebih rapat • Tetapi Einstein menganggap bahwa foton cahaya bersifat sebagai partikel untuk menjelaskan efek fotolistrik • Timbul gagasan baru bahwa cahaya mempunyai dua macam sifat sebagai gelombang dan sebagai partikel

23. Tahun 1924 Louise de Broglie menyatakan Tidak hanya cahaya yang memperlihatkan sifat-sifat partikel, tetapi partikel-partikel kecil pun pada saat tertentu dapat memperlihatkan sifat-sifat gelombang • Usulan ini dibuktikan tahun 1927 dimana gelombang materi (partikel) dijelaskan secara matematik • Panjang gelombang de Broglie dikaitkan dengan partikel berhubungan dengan momentum partikel dan konstanta Planck. Panjang gelombang dinyatakan dengan meter, massa dalam kilogram, kecepatan dalam meter per detik. Konstanta Planck dinyatakan dalam kg m2 s-2.

24. Prinsip Ketidakpastian • Hukum Fisika klasik dianggap berlaku universal dan dapat menjelaskan kejadian yang akan datang berdasarkan keadaan awal • Tahun 1920 Niels Bohr dan Werner Heisenberg berusaha menentukan sampai seberapa jauh kecepatan yang diperoleh dalam penentuan sifat-sifat sub-atomik • Dua peubah yang ditentukan dalam menentukan sifat ini adalah kedudukan partikel (x) dan momentumnya (p). • Kesimpulan dari pemikiran ini ialah bahwa dalam penentuan sub-atomik selalu terdapat ketidakpastian

25. Persamaan ini dikenal dengan prinsip ketidakpastian Heisenberg dan menyatakan bahwa kedudukan dan momen tak dapat diukur dengan ketepatan tinggi sekaligus • Seandainya diameter elektron 10-14 m, cahaya dengan  ini akan mempunyai frekuensi 3 x 1022 det-1 dan energi per foton adalah 2 x 10-11 J. Energi ini jauh melampaui energi yang diperlukan untuk mengionkan elektron dalam hidrogen • Hal ini menyebabkan usaha untuk melihat dalam atom dengan menggunakan sistem cahaya justru akan mengganggu pengukuran

26. foton (a) (b) foton elektron elektron Sebuah foton cahaya menumbuk elektron dan dipantulkan. Dalam tumbukan foton mengalihkan momennya kepada elektron. Foton yang dipantulkan dapat dilihat dalam mikroskop, tetapi elektron telah bergerak keluar dari fokus (b). Kedudukan elektron tak dapat ditentukan

27. Mekanika Gelombang • Salah satu implikasi struktur atom menurut prinsip ketidakpastian, tidak mungkin mengukur sekaligus kedudukan dan momen dari suatu elektron • Implikasi lain diungkapkan oleh Schrodinger bahwa elektron dapat diperlakukan sebagai gelombang materi, gerakannya dapat disamakan dengan gerakan gelombang • Gerakan gelombang yang berkenaan dengan elektron haruslah terkait dengan pola terijinkan • Pola ini dapat diperikan dengan persamaan matematis yang jawabannya dikenal dengan fungsi gelombang () •  mengandung tiga bilangan kuantum yang jika ditentukan akan diperoleh hasil berupa orbital. 2 menggambarkan rapatan muatan elektron atau peluang menemukan elektron pada suatu titik dalam atom

28. Tiga macam penggambaran orbital 1s

30. Orbital 2s

31. Orbital Elektron dan Bilangan Kuantum • Bilangan kuantum utama (n). Bilangan ini hanya mempunyai nilai positif dan bilangan bulat bukan nol n = 1, 2, 3, 4, … • Bilangan kuantum orbital (azimut), l. yang mungkin bernilai nol atau bulat positif. Bilangan ini tidak pernah negatif dan tidak lebih besar dari n –1 l = 0, 1, 2, 3, …, n –1 • Bilangan kuantum magnetik (ml). Nilainya dapat positif, negatif, nol dan berkisar dari –l s.d. +l (l bilangan kuantum orbital) ml = -l, -l + 1, -l + 2, …, 0, 1, 2, … , +l

32. Soal Latihan Nyatakan perangkat bilangan kuantum berikut yang tidak terijinkan! • n = 3, l = 2, ml = -1 • n = 2, l = 3, ml = -1 • n = 4, l = 0, ml = -1 • n = 5, l = 2, ml = -1 • n = 3, l = 3, ml = -3 • n = 5, l = 3, ml = +2

33. Setiap kombinasi tiga bilangan kuantum n, l dan m berkaitan dengan orbital elektron yang berbeda-beda • Orbital yang memiliki bilangan kuantum n yang sama dikatakan berada dalam kulit elektron atau peringkat utama yang sama • Sementara elektron yang mempunyai nilai l yang sama dikatakan berada dalam sub kulit atau sub peringkat yang sama • Nilai bilangan n berhubungan dengan energi elektron dan kemungkinan jaraknya dari inti • Nilai bilangan kuantum l menentukan bentuk geometris dari awan elektron atau penyebaran peluang elektron

34. Spin (Rotasi) Elektron – Bilangan Kuantum Keempat • Tahun 1925 Uhlenbeck dan Goudsmit mengajukan sifat yang tak dapat dijelaskan mengenai garis halus pada spektrum hidrogen, apabila elektron dianggap memiliki bilangan kuantum keempat • Sifat elektron yang berkaitan dengan bilangan ini adalah spin elektron • Elektron berotasi menurut sumbunya saat ia mengelilingi inti atom, terdapat dua kemungkinan rotasi elektron • Bilangan kuantum ini dinyatakan dengan ms bisa bernilai + ½ atau – ½

35. Konfigurasi Elektron Ada tiga aturan dalam penentuan konfigurasi • Elektron menempati orbital sedemikian rupa untuk meminimumkan energi atom tersebut • Tak ada dua elektron dalam sebuah atom yang boleh memiliki keempat bilangan kuantum yang sama (prinsip eksklusi Pauli) • Prinsip penggandaan maksimum, jika terdapat orbital –orbital dengan energi yang sama, elektron menempatinya sendiri-sendiri sebelum menempatinya secara berpasangan

36. INTI ATOM - Partikel bermuatan positif , terdiri dari proton dan neutron NUKLEON - Setiap proton dalam inti bermuatan +e , sedangkan neutron tidak bermuatan. - Jika dalam inti terdapat Z proton maka Muatan inti +Ze Z = nomor atom Nomor Massa ( A ) : jumlah nukleon dalam inti. Satuan Massa Atom (u) = 1/12 massa atom karbon , 1u = 1 kg/ NA, NA : bilg Avogadro

37. Lambang Inti : ᴬX Z ISOTOP : atom dengan unsur yang sama ( Z sama) tetapi jumlah netronnya berbeda. Misal : Oksigen terdiri dari 3 isotop dengan A 16,17,18 , masing-masing dengan Z = 8 jumlah netronnya 8 , 9 , 10. Sehingga dapat dituliskan : ----- *Karena atom bersifat NETRAL maka jumlah elektron dalam = jumlah proton dalam inti atom *RADIOAKTIVITAS Inti dengan Z > 82 ( timah hitam ) bersifat radioaktif alamiah.

38. Waktu Paro ( T1/2 ) : waktu dimana separo dari sejumlah inti identik akan mengalami peluruhan, T1/2 = 0,693 /λ , dengan λ = tetapan peluruhan Laju peluruhan ( Desintegrasi = Aktivitas) : ΔN /Δt = λ N satuan Bq ( becquerel+ N : jumlah atom . ΔN : jumlah atom yang akan meluruh dalam waktu Δt 1 Bq = 1 peluruhan / s 1 Ci = 3,7.10¹ᴼ peluruhan / s

39. Contoh 1. Tentukan jumlah proton, netron dan elektron dalam : a. ³He , nomer atom 2 b. ¹² C , nomer atom 6 2. Teknetium 99 mempunyai tingkatan eksitasi yang meluruh dengan mengeluarkan radiasi gamma. Waktu paro eksitasi itu 360 menit. Hitung aktivitas 1 mg isotop ini ( Z = 43 ) 3. Waktu paro radium 1629 tahun. Berapa jumlah atom yang meluruh dalam waktu 1 detik dari sampel sebanyak 1 gram .