struktur atom

STRUKTUR ATOM

SPEKTRUM ATOM HIDROGEN

A.    PENDAHULUAN

Atom adalah satuan unit terkecil dari sebuah unsur yang memiliki sifat-sifat dasar tertentu. Setiap atom terdiri dari sebuah inti kecil yang terdiri dari proton dan neutron dan sejumlah elektron pada jarak yang jauh.

Pada tahun 1913 Neils Bohr pertama kali mengajukan teori kuantum untuk  atom hydrogen. Model ini merupakan transisi antara model mekanika klasik dan mekanika gelombang. Karena pada prinsip fisika klasik tidak sesuai dengan kemantapan hidrogen atom yang teramati.

Model atom Bohr memperbaiki kelemahan model atom Rutherford. Untuk menutupi kelemahan model atom Rutherford, Bohr mengeluarkan empat postulat. Gagasan Bohr menyatakan bahwa elektron harus mengorbit di sekeliling inti.

Namun demikian, teori atom yang dikemukakan oleh Neils Bohr juga memiliki banyak kelemahan. Model Bohr hanyalah bermanfaat untuk atom-atom yang mengandung satu elektron tetapi tidak untuk atom yang berelektron banyak.

B.     PEMBAHASAN

a.       STRUKTUR ATOM

Teori atom pertama kali diperkenalkan oleh Demokritus (600 SM) seorang filosof Yunani. Atom berasal dari a(tidak) dan tomost (dibagi). Maka, atom dapat didefinisikan sebagai sesuatu yang tidak dapat dibagi lagi.

1.      Teori atom Dalton (1766- 1844) yang menyatakan bahwa:

a.       Atom adalah partikel terkecil dari suatu unsure yang tidak dapat dibagi lagi.

b.      Atom dari unsur-unsur  yang sama memiliki sifat yang sama dan tidak dapat berubah menjadi atom unsure lain.

c.       Pada suatu reaksi kimia, atom-atom berpisah kemudian bergabung lagi dengan susunan yang berbeda dengan semula tetapi massa keseluruhannya adalah tetap.

d.      Pada reaksi kimia, atom-atom bergabung menurut perbandingan tertentu.

Kelebihan dan kelemahan teori atom Dalton ini adalah sebagai berikut:

-          Kelebihan teori ini adalah dapat menerangkan hukum kekekalan massa (Lavoisier) dan hukum perbandingan tetap (Proust).

Percobaan Lavosier

Mula-mula tinggi cairan merkuri dalam wadah yang berisi udara adalah A, tetapi setelah beberapa hari merkuri naik ke B dan ketinggian ini tetap. Beda tinggi A dan B menyatakan volume udara yang digunakan oleh merkuri dalam pembentukan bubuk merah (merkuri oksida). Untuk menguji fakta ini, Lavoisier mengumpulkan merkuri oksida, kemudian dipanaskan lagi. Bubuk merah ini akan terurai menjadi cairan merkuri dan sejumlah volume gas (oksigen) yang jumlahnya sama dengan udara yang dibutuhkan dalam percobaan pertama.

Percobaan Joseph Pruost

Pada tahun 1799 Proust menemukan bahwa senyawa tembaga karbonat baik yang dihasilkan melalui sintesis di laboratorium maupun yang diperoleh di alam memiliki susunan yang tetap.

Percobaan ke-	Sebelum pemanasan (g Mg)	Setelah pemanasan (g MgO)	Perbandingan Mg/MgO
1	0,62	1,02	0,62/1,02 = 0,61
2	0,48	0,79	0,48/0,79 = 0,60
3	0,36	0,60	0,36/0,60 = 0,60

-          Kelemahan teori ini, yaitu:

a.       Ada partikel yang lebih kecil dari atom yang disebut partikel subatom.

b.      Tidak menjelaskan bagaimana atom-atom berikatan.

c.       Tidak dapat menerangkan sifat listrik atom.

2.      Teori atom J.J Thomson (1897) fisikawan Inggris yang mengemukakan bahwa terdapat partikel subatom yang disebut elektron yang tersebar didalam atom.

Untuk menguji kebenaran teori ini maka Ruther-Ford melakukan percobaan hamburan sinar alpha dengan menambahkan sinar alpha ke lempeng emas yang sangat tipis. Dari hasil yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa:

1.)    Sebagai besar sinar alpha menembus lempeng logam tanpa dibelokkan. Ini menunjukkan bahwa sebagian besar ruang dalam atom adalah kosong.

2.)    Sangat sedikit sinar alpha yang dipantulkan.ini menunjukkan bahwa partikel alpha telah menumbuk bagian keras yang kemudian dikenal dengan inti atom.

3.)    Sebagai partikel alpha dibelokkan. Ini menunjukkan bahwa muatan inti sejenis dengan muatan alpha, yang berarti bermuatan positif.

Kelebihan dan kelemahan dari teori ini adalah sebagai berikut:

-          Kelebihan teori ini adalah:

a.       Dapat menerangkan adanya partikel yang lebih kecil dari atom.

b.      Dapat menerangkan sifat listrik atom.

-          Kelemahan teori ini adalah:

a.       tidak dapat menerangkan tentang efek penghamburan cahaya pada lempeng tipis emas.

b.      Massa atom tidak tersebar merata seperti halnya muatan positif dan elektron, tetapi terpusat pada inti atom.

3.      Teori atom Rutherford (1911), seorang ahli Fisika Inggris yang mengatakan bahwa:

a.       Setiap atom terdiri dari inti atom bermuatan positif yang mengandung hampir semua massa atom terkandung di inti atom.

b.      Elektron bermuatan negatif bergerak mengitari inti atom pada lintasan tertentu.

c.       Jumlah elektron dengan muatan positif adalah sama sehingga secara keseluruhan atom adalah netral.

Kelebihan dan kelemahan teori ini adalah sebagai berikut:

-          Kelebihan dari teori ini adalah dapat menjelaskan tentang efek penghamburan sinar alfa pada lempeng tipis emas.

-          Kelemahan teori ini adalah:

a.       Tidak menjelaskan kestabilan atom

Elektron bermuatan negatip dan inti bermua-tan positip. Menurut teori fisika klasik, orbit elektron adalah tidak stabil dan akan menuju ke inti karena adanya gaya listrik. Gaya listrik ini berfungsi sebagai gaya sentripetal yang menimbulkan percepatan sentripetal. Elektron yang dipercepat akan memancarkan gelombang elektromagnet terus menerus sehingga elektron akan kehabisan energi dan akhirnya jatuh ke inti atom. Kenyataannya elektron stabil pada lintasan tertentu.

b.      Tidak dapat menjelaskan spectrum atom Hidrogen

Sesuai teori fisika klasik, orbit elektron yang makin mengecil berarti frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan atom adalah kontinyu. Kenyataannya spektrum yang dipancarkan adalah sepektrun diskontinyu atau spektrum garis.

b.   Spektrum Atom Hidrogen

Pada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen. Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati daerah disekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen melibatkan gabungan antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Plack.   

Bohr mengemukakan bahwa apabila elektron dalam orbit atom menyerap suatu kuantum energi, elektron akan meloncat keluar menuju orbit yang lebih tingg. Sebaliknya, jika elektron itu memancarkan suatu kuantum energi, elektron akan jatuh ke orbit yang lebih dekat dengan inti atom.

1.      Postulat Dasar Model Atom Bohr

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

a.       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.

b.      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.

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

d.      Jika suatu atom melakukan transisi dari keadaan energi tinggi E_U ke keadaan energi lebih rendah E_I, sebuah foton dengan energi hυ = E_U-E_I diemisikan.           

Jika sebuah foton diserap, atom tersebut akan bertransisi ke keadaan energi rendah ke keadaan energi tinggi.

2.      Teori 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 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, 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.

 Gambar  Model Bohr untuk atom hydrogen

Ø  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

Ø  Jari-jari orbit diungkapkan dengan 1², 2², 3², 4², …n². Untuk orbit tertentu dengan jari-jari minimum a₀ = 0,53 Å

Ø  Jika elektron tertarik ke inti dan dimiliki oleh orbit n, energi dipancarkan dan energi elektron menjadi lebih rendah sebesar

Kelebihan dan kelemahan dari teori ini adalah sebagai berikut:

-          Kelebihan dari teori ini adalah:

a.       Dapat menjelaskan spectrum atom berelektron banyak.

b.      Menjawab kesulitan teori atom Rutherford.

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

-          Kelemahan dari teori ini adalah sebagai beriku:

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

b.      Belum mampu menjelaskan adanya stuktur halus(fine structure) pada spectrum, yaitu 2 atau lebih garis yang sangat berdekatan.

c.       Belum dapat menerangkan spektrum atom kompleks itensitas relatif dari tiap garis spektrum emisi.

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

3.      Spektrum Atom Hidrogen

Pada pertengahan abad ke-19, studi tentang spektra cahaya yang dipancarkan dari pembakaran dan lecutan listrik pada gas telah menunjukkan karakteristik spektra atom dari unsur kimia. Pada masa awal abad ke-20, studi terhadap struktur dalam suatu atom telah berk embang dan menjelaskan mekanisme dari karakteristik spektra atom.

Lecutan listrik pada gas hidrogen memberikan spektrum atom hidrogen yang berupa garis-garis yang terang yang membentuk sebuah deret yang terdiri dari 4 panjang gelombang pada daerah cahaya tampak (400 ~ 800 nm); nilai panjang gelombang yang dikoreksi terhadap vakum adalah λ₁ = 656,47 nm, λ₂ = 486,28 nm, λ₃ = 434,17 nm, λ₄ = 410,29 nm. Pada tahun 1885, Balmer menemukan rumus berikut (Rumus Balmer), yang memenuhi panjang gelombang garis cahaya terang dari spektra.

(1.13)

Dengan λ_k adalah panjang gelombang dari garis ke-k untuk k = 1 ~ 4 dalam spktrum cahaya tampak dan garis-garis untuk k = 5 juga dapat diamati pada daerah ultraviolet. Sebuah deret garis spektral yang berhubungan dengan persamaan (1.13) disebut sebagai deret Balmer yang akan berkovergensi pada a = 3647 nm ketika k → ∞. Beberapa deret yang lain (Tabel 1.2) juga diamati pada daerah infra merah dan ultra violet. Deret-deret ini diketahui secara bersama-sama akan memenuhi rumus berikut (Rumus Rydberg).

(1.14)

Di sini m dan n adalah bilangan bulat positif, yang berkaitan dengan suatu garis spektral tertentu dan R adalah konstanta Rydberg. Rumus Rydberg ini dapat diaplikasikan tidak hanya pada garis spektra emisi akan tetapi juga pada spektra serapan (absorpsi), yang diamati sebagai hilangnya intensitas cahaya setelah melalui sampel.

Tabel 1.1 Fungsi kerja W untuk berbagai logam

Tabel 1.2 Deret garis spektral dari atom hidrogen

Contoh 1.7. Dengan menggunakan rumus Balmer dengan konstanta a = 364.7 nm dan dibandingkan dengan rumus Rydberg, tentukan konstanta Rydberg, R.

(Jawaban). Dengan merubah persamaan (1.14) menjadi persamaan yang memiliki bentuk yang sama dengan persamaan (1.13) kita akan mendapatkan

Sebuah perbandingan dengan persamaan ini terhadap persamaan (1.13) akan diketahui bahwa n = 2, m = k + 2 dan

Sehingga kita akan memperoleh

Marilah kita meninjau pentingnya rumus Rydberg berdasarkan teori kuantum yang diperkenalkan oleh Planck dan Einstein. Hakekat dari proses absorpsi atau emisi cahaya (gelombang elektromagnetik) adalah sebuah proses yang memberikan atau menerima foton hv, di mana hukum kekekalan energi selalu harus dipenuhi. Dengan mengalikan pada kedua sisi di persamaan (1.14) dengan hc dan dengan menggunakan hubungan c = vλ, energi foton hv yang terlibat pada saat penyerapan dan pemancaran cahaya dapat dinyatakan sebagai perbedaan antara dua suku berikut

(1.15)

Dalam hubungannya dengan interpretasi efek fotolistrik yaitu bahwa keseimbangan e nergi dari sebuah elektron adalah sama dengan hv, setiap suku baik dikiri maupun dikanan pada persamaan (1.15) berkaitan dengan energi dari keadaan elektron sebelum atau sesudah proses penyerapan atau pemancaran cahaya. Dikarenakan energi sebuah elektron yang ditangkap dalam material adalah negatif sebagaimana dalam kasus pada persamaan (1.10), sebuah rumus untuk tingkat energi dari sebuah elektron dalam atom hidrogen dapat diperoleh sebagai berikut,

(1.16)

Di mana n adalah bilangan bulat positif 1, 2, 3,…. Dengan menggunakan persamaan ini untuk tingkat-tingkat energi, persamaan (1.15) dapat diperluas dalam bentuk sebagai berikut dengan asumsi bahwa E_n > E_m.

(1.17)

Gambar 1.7 Penyerapan dan pemancaran cahaya dan kondisi dari frekuensi Bohr.

Sebagaimana ditunjukkan oleh anak panah pada Gambar 1.7, pada saat penyerapan cahaya sebuah elektron akan terangkat dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi dan pada saat pelepasan cahaya sebuah elektron akan turun dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat yang lebih rendah. Persamaan (1.17) akan menjadi persamaan berikut untuk frekuensi v.

(1.18)

Persamaan ini pertama kali diusulkan oleh N.H.D. Bohr pada tahun 1913 dan disebut sebagai kondisi frekuensi Bohr. Sekarang marilah kita memperhatikan arti dari persamaan (1.16) dan Gambar 1.7. Tingkat keadaan elektron pada n = 1 adalah tingkat energi terendah dan disebut sebagai keadaan dasar. Tingkat yang lebih tinggi n ≥ 2 disebut sebagai keadaan tereksitasi. Dalam tingkat n → ∞ energi elektron menjadi 0, dan elektron akan dilepaskan dari gaya tarik-menarik oleh inti. Hal ini berkaitan dengan keadaan ionik (keadaan terionisasi) di mana sebuah proton dan sebuah elektron pada atom dipisahkan pada jarak tak berhingga. Karenanya pula keadaan terionisasi dari sebuah atom hidrogen WH diberikan oleh persamaan berikut ini.

(1.19)

Contoh 1.8. Dengan menggunakan nilai dari konstanta Rydberg R yang diperoleh dari persamaan dalam contoh 1.7, dapatkan energi ionisasi dari atom hidrogen W_H dalam satuan J, eV dan J.mol^-1.

(Jawaban) Persamaan (1.19) memberikan W_H = Rhcdan kita mendapatkan

Untuk 1 mol,

Gambar 1.8 Tingkat energi dan spektra dari atom hidrogen.

Pada tahun 1911, E. Rutherford mengusulkan sebuah model dari struktur atom yang didasarkan pada studi eksperimen tentang partikel α (aliran atom helium) yang dihamburkan oleh lembaran tipis logam seperti lembaran tipis emas. Pada model ini, sebuah atom hidrogen terdiri atas sebuah proton dan sebuah elektron yang berkeliling di sekitar proton.

Gambar 1.9 Model atom Bohr.

Bohr berhasil menurunkan persamaan untuk tingkat energi dari atom hidrogen pada tahun 1913 dengan memperkenalkan suatu ide baru dalam sistem fisis dari sebuah elektron yang bergerak di sekitar proton pada jarak yang konstan dengan radius r. Gerak m elingkar dari sebuah elektron dengan kecepatan v di sekitar sebuah proton dengan radius r memberikan persamaan berikut yang menghubungkan gaya listrik dari hukum Coulomb dan gaya sentripetal dari gerak melingkar.

(1.20)

Di sini, bagian sisi kiri dari persamaan di atas adalah gaya Coulomb dan bagian sisi kanan adalah gaya sentripetal. Secara umum, gaya sama dengan (masa) x (percepatan), berdasarkan hukum Newton tentang gerak. Dalam kasus ini, masa adalah masa elektron m, dan gaya sentripetal adalah v²/ r . Bohr mengasumsikan sebuah kondisi kuantum yang meminta sebuah produk operasi antara momentum (masa, m x kecepatan, v) dengan keliling lingkaran (2πr) sebagai perkalian konstanta Planck, h dengan bilangan bulat.

(1.21)

Jika kondisi ini tidak dipenuhi, sistem tidak akan dapat berada pada kondisi yang stabil. Dari persamaan (1.20) dan (1.21), radius dari orbit lingkaran dalam keadaan stasioner diturunkan sebagai berikut,

(1.22)

Di sini, a_B = ε₀ h² / πme²adalah radius orbital dalam keadaan stasioner pada n = 1 dan disebut sebagai radius Bohr. Nilai dari a_B adalah 5.292 x 10^-11 m dan jarak ini dapat ditinjau sebagai ukuran dari sebuah atom hidrogen. Energi total E dari sebuah elektron adalah penjumlahan dari energi kinetik mv²/2 dan energi potensialnya U. Energi potensial U(r) dari sebuah elektron di bawah pengaruh gaya Coulomb dalam suku sisi kiri pada persamaan (1.20) dapat diperoleh sebagai berikut. Energi potensial pada jarak tak berhingga U(∞) diambil sama dengan 0 sebagai energi referensi. Kemudian kerja yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari jarak r ke jarak tak berhingga terhadap gaya tarik-menarik Coulomb adalah sama dengan U (∞) – U (r )

Dengan menggunakan persamaan (1.20), persamaan energi diperoleh menjadi

Dengan mensubstitusi persamaan (1.22) untuk r, kita mendapatkan sebuah persamaan untuk tingkat energi ke-n, E_n sebagai berikut

(1.23)

Dengan melakukan perbandingan antara persamaan ini dan persamaan (1.16) kita memperoleh perhitungan teoritis dari konstanta Rydberg, R.

(1.24)

C.     KESIMPULAN

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

a.       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.

b.      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.

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

d.      Jika suatu atom melakukan transisi dari keadaan energi tinggi E_U ke keadaan energi lebih rendah E_I, sebuah foton dengan energi hυ=E_U-E_I diemisikan. Jika sebuah foton diserap, atom tersebut akan bertransisi ke keadaan energi rendah ke keadaan energi tinggi.

2.      Tingkatan energy dalam atom hydrogen dirumuskan

3.      Energi elektron pada lintasan  :

n = 1 à E= -13,60 eV

n = 2 à E= -  3,40 eV

n = 3 à E= -  1,51 eV

n = 4 à E= -  0,85 eV

n = 5 à E= -  0,54 eV

n = 6 à E= -  0,38 eV

n = 7 à E= -  0,28 eV

n = ~ à E= -  0 eV

4.      Gagasan Bohr dalam menggabungkan teori klasik dan kuantum

ž  Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diizinkan bagi satu elektron dalam atom hidrogen

ž  Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke yang lainnya dengan melibatkan sejumlah energi menurut Planck

ž  Lintasan stasioner yang diizinkan mencerminkan sifat-sifat elektron yang mempunyai besaran yang khas. Momentum sudut harus merupakan kelipatan bulat dari h/2p atau menjadi nh/2p.

5.      tingkat energi ke-n, E_n sebagai berikut