Model Atom

Filsuf Yunani Democritus yang mulai mencari penjelasan materi lebih dari

2400 tahun yang lalu. Bisakah materi dibagi menjadi potongan-potongan kecil

dan lebih kecil dan seterusnya, atau apakah ada batas berapa kali sepotong materi

bisa dibagi? [1]

Materi tidak dapat dibagi menjadi potongan-potongan kecil dan lebih kecil lagi,

akhirnya bagian terkecil yang mungkin akan diperoleh. Potongan ini akan

terpisahkan. Dia bernama bagian terkecil dari materi "atomos," yang berarti "tidak

harus dipotong". [1]

Untuk Democritus, atom yang kecil, partikel keras yang semua terbuat dari

bahan yang sama tetapi bentuk dan ukuran yang berbeda. Atom yang tak terbatas

jumlahnya, selalu bergerak dan mampu bergabung bersama. [1]

John Dalton (1766-1844) mengusulkan teori atom materi berdasarkan

pengamatan eksperimental. Dalil-dalil utama teori atom Dalton adalah sebagai

berikut.

Semua materi terbuat dari atom. Atom tidak dapat dipisahkan dan

dihancurkan.

Semua atom dari elemen tertentu adalah identik dalam massa dan properti.

Senyawa dibentuk oleh kombinasi dari dua atau lebih jenis atom.

Reaksi kimia adalah penataan ulang atom.

Atom dapat tidak diciptakan atau dihancurkan.

Model atom Dalton digambarkan seperti gambar berikut [1]

Gambar 2.1. Model atom Dalton seperti bola pejal [1]

Pada tahun 1897, JJ Thomson mendirikan rasio muatan ke massa elektron.

Tahun berikutnya, ia menyarankan model yang menggambarkan atom sebagai

elektron tersebar merata di dalam daerah muatan positif, seperti benih dalam

semangka atau kismis dalam puding tebal (Gambar 2.2). Atom secara keseluruhan

maka akan netral. [2]

Gambar 2.2. Model Thomson atom: elektron bermuatan negatif dalam volume

muatan positif kontinu. [2]

Pada tahun 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) dan murid-muridnya Hans

Geiger dan Ernest Marsden melakukan percobaan penting yang menunjukkan

bahwa model Thomson tidak benar. Dalam percobaan ini, seberkas partikel alpha

bermuatan positif (inti helium) diproyeksikan ke dalam foil logam tipis seperti

target pada Gambar 2.2a. Sebagian besar partikel melewati foil seolah-olah itu

ruang kosong. Namun, beberapa hasil penelitian yang mengejutkan. Banyak dari

partikel dibelokkan dari arah aslinya yang tersebar membentuk sudut. Beberapa

partikel bahkan dibelokkan ke belakang (dipantulkan). [2]

Gambar 2.3. (a) Teknik Rutherford untuk mengamati hamburan partikel alfa

dari foil tipis sebagai sasaran. Sumber itu adalah zat radioaktif alami, seperti

radium. (b) Model atom planet Rutherford. [2]

Defleksi besar tersebut tidak diperkirakan pada basis model Thomson.

Menurut model itu, muatan positif suatu atom dalam foil tersebar dalam volume

besar (seluruh atom) dan ada konsentrasi muatan positif cukup kuat untuk

menyebabkan defleksi sudut yang besar dari partikel alpha bermuatan positif.

Selanjutnya, elektron tidak akan menyebabkan hamburan sudut. Rutherford

menjelaskan hasil yang menakjubkan nya dengan mengembangkan model atom

baru, yang diasumsikan muatan positif dalam atom terkonsentrasi di wilayah yang

relatif kecil dengan ukuran atom. Dia menyebut ini konsentrasi muatan positif inti

atom (nukleus). Setiap elektron yang dimiliki atom diasumsikan dalam volume

yang relatif besar di luar nukleus. Untuk menjelaskan mengapa elektron ini tidak

ditarik ke dalam inti dengan kekuatan listrik yang menarik, Rutherford

dimodelkan sebagai bergerak dalam orbit di sekitar inti dengan cara yang sama

seperti planet mengorbit matahari (Gambar 2.2b). Untuk alasan ini, model ini

sering disebut sebagai model planet atom. [2]

Kesulitan pada model atom Rutherford adalah elektron mengalami percepatan

sentripetal. Menurut teori elektromagnetik Maxwell, muatan yang memiliki

sentripetal dipercepat bergerak dengan frekuensi f harus memancarkan gelombang

elektromagnetik frekuensi f. Sayangnya, model klasik ini mengarah pada prediksi

penghancuran diri bila diterapkan pada atom. Sebagai memancarkan elektron,

energi terbawa dari atom, jari-jari orbit elektron terus berkurang, dan frekuensi

revolusi meningkat. Proses ini akan mengarah pada frekuensi yang terus

meningkat dari radiasi yang dipancarkan dan akhir dari atom dengan elektron

terjun ke dalam inti. [2]

Mengingat kesulitan pada model atom Rutherford, Niels Bohr pada tahun

1913 ketika ia menyajikan model baru dari atom hidrogen menyelesaikan

kesulitan model planet Rutherford. Ide Bohr menerapkan teori Planck tingkat

energi terkuantisasi untuk mengorbit elektron atom. Teori Bohr adalah sejarah

penting bagi perkembangan fisika kuantum, dan itu tampaknya menjelaskan deret

garis spektral. Walaupun model Bohr sekarang dianggap usang dan telah

sepenuhnya digantikan oleh teori kuantum mekanik probabilistik, kita dapat

menggunakan model ini untuk mengembangkan pengertian tentang kuantisasi

energi dan sudut kuantisasi momentum yang diterapkan pada sistem berukuran

atom. [2]

Niels Bohr pada tahun 1913 (saat bekerja di laboratorium Rutherford)

menyatakan bahwa atom menyerupai miniatur sistem planet , dengan elektron

beredar tentang inti seperti planet beredar mengelilingi Matahari. Elektron atom

tidak akan jatuh ke inti di bawah pengaruh elektrostatik Coulomb kekuatan inti

pada elektron untuk alasan yang sama bahwa planet-planet tata surya tidak jatuh

ke inti di bawah pengaruh gaya gravitasi Matahari. Dalam kedua kasus, kekuatan

yang menarik memberikan percepatan sentripetal yang diperlukan untuk

mempertahankan gerakan orbital. [3]

Gambar 2.4. Model atom Bohr (untuk Hidrogen Z=1) [3]

Dengan mengambil contoh sederhana pada atom hidrogen, dengan elektron

tunggal beredar mengelilingi inti yang memiliki muatan positif tunggal, seperti

pada Gambar 2.4. Jari-jari orbit lingkaran adalah r, dan elektron (massa m)

bergerak dengan kecepatan tangensial konstan v menarik gaya Coulomb

memberikan percepatan sentripetal v2/r, sehingga [3]

F= 14 π ε0

q1q2

r2 = 14 π ε0

e2

r2 =mv2

r …(1)

Memanipulasi persamaan ini, kita dapat menemukan energi kinetik dari elektron

(mengasumsikan inti yang lebih besar untuk tetap diam):

K=12mv2= 1

8 π ε0

e2

r …(2)

Energi potensial dari sistem elektron-inti adalah energi potensial Coulomb:

U= 14 π ε0

q1q2

r= −1

4 π ε0

e2

r …(3)

Total energi E=K+U, sehingga persamaan (2) dan (3):

E=K+U= 18 π ε0

e2

r+( −1

4 π ε0

e2

r )= −18π ε0

e2

r …(4)

Fisika klasik menyatakan bahwa percepatan muatan listrik dan konstan

memancarkan energi elektromagnetik. Selama elektron memancarkan energi,

energi total akan berkurang, elektron membentuk orbit spiral menuju inti, dan

pada akhirnya akan jatuh ke inti. Bohr menyarankan keadaan special dari gerak,

disebut keadaan stasioner, elektron mungkin ada tanpa memancarkan energi

elektromagnetik. Pada keadaan ini, bergantung pada Bohr, momentum sudut L

dari elektron merupakan kelipatan dari ħ. Pada keadaan stasioner, momentum

sudut elektron adalah ħ, 2ħ, 3ħ, …, tapi ada pula 2,5ħ atau 3,1ħ. Ini disebut

kuantisasi momentum sudut. [3]

Pada orbit lingkaran, vektor posisi r elektron yang relative terhadap inti selalu

tegak lurus terhadap momentum linear p. Momentum sudut didefinisikan dengan

L = r × p, mempunya besar L = rp = mvr ketika r tegak lurus terhadap p. Postulat

Bohr adalah [3]

mvr=nℏ …(5)

Dimana n adalah kelipatan bilangan bulat (n = 1,2,3,…). Dapat digunakan

persamaan ini dengan persamaan (2) untuk energi kinetik

12mv2=1

2m( nℏmr )

2

= 18π ε0

e2

r …(6)

Untuk menghitung jari-jari r:

rn=4 π ε0ℏ

2

me2 n2=a0n2 ;(n=1,2,3 ,…) …(7)

Jari-jari Bohr didefinisikan sebagai

a0=4 π ε0ℏ

2

me2 =0.0529nm …(8)

Hasil penting ini sangat berbeda dengan perkiraan dari fisika klasik. Satelit

bumi dapat diletakkan pada radius sesuka hati dengan menambah ketinggian dan

kecepatan tangensial yang tepat. Ini tidak berlaku pada orbit elektron, hanya orbit

tertentu yang diperbolehkan dalam model Bohr. Jari-jari orbit elektron mungkin

a0, 4a0, 9a0, 16a0, dan seterusnya, tetapi tidak pernah 3a0 atau 5,3a0. [3]

Substitusi persamaan (7) untuk r ke dalam persamaan (4) memberikan energi:

E= −me4

8 π2 ε02ℏ2n2 =

−13.60eVn2 ;(n=1,2,3 ,…) …(9)

Level energi dihitung dari persamaan 9 digambarkan pada gambar 2.5. Elektron

terkuantisasi, hanya nilai energi tertentu yang mungkin. Pada level terendah,

dengan n = 1, elektron memiliki energi E1 = - 13,60 eV dan orbit dengan jari-jari

r1 = 0,0529 nm. Keadaan ini dinamakan keadaan dasar. Level lebih tinggi (n = 2

dengan E2 = -3,0 eV, n = 3 dengan E3 = -1,51 eV, dst.) adalah keadaan tereksitasi. [3]

Gambar 2.5. Lebel energi dari atom Hidrogen, menunjukkan eksitasi dari n = 1 ke

n = 2 dan energi ikat elektron pada n = 2 [3]

Energi eksitasi dari keadaan eksitasi n adalah diatas keadaan dasar, En – E1.

Keadaan eksitasi pertama (n = 2) mempunyai energi eksitasi

∆ E=E2−E1=−3.40eV−(−13.60eV )=10.20eV

Energi eksitasi kedua

∆ E=E3−E1=−1.51eV−(−13.60eV )=12.09eV

dan seterusnya. Energi eksitasi juga dianggap sebagai energi yang harus diserap

atom untuk melakukan lompatan orbit. Contoh, jika atom menyerap energi 10,20

eV ketika berada pada keadaan dasar (n = 1), elektron akan melompat ke eksitasi

pertama (n = 2). [3]

Besarnya energi elektron |En| terkadang dapat dibilang energi ikat. Contoh,

energi ikat elektron pada keadaan n = 2 adalah 3,40 eV. Jika atom menyerap

energi sebesar sama dengan energi ikat elektron, elektrona akan berpindah dari

atom menjadi elektron bebas. Atom, tanpa elektron, disebut ion. Jumlah energi

yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron dari sebuah atom disebut energi

ionisasi. Biasanya energi ionisasi menunjukkan energi untuk memindahkan

elektron dari keadaan dasar. Jika elektron menyerap energi melebihi dari energi

minimum yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron, kelebihan energi terlihat

sebagai energi kinetic dari elektron bebas. [3]

Energi ikat dianggap sebagai energi yang dilepaskan ketika atom terdiri dari

elektron dan inti yang kemudian terpisahkan dengan jarak yang sangat jauh. Jika

elektron dibawa sangat jauh (dimana E = 0) dan menempatkan elektron pada orbit

keadaan n dimana energi memiliki nilai negative En, sejumlah energi |En| akan

dilepaskan, biasanya terbentuk satu atau lebih foton. [3]

Eksperimen Franck-Hertz

Kinerja eksperimen dan peralatan eksperimen digambarkan secara skematik

pada gambar 2.6. Filamen memanaskan katoda, dimana memancarkan elektron.

Elektron ini mengalami percepatan menuju kisi dengan beda potensial V yang

dikontrol. Elektron melewati kisi dan mencapai piringan jika V melebihi V0,

dengan perlambatan potensial antara kisi dan piringan. Arus elektron yang

mencapai piringan terukur oleh ammeter A. [3]

Gambar 2.6. Peralatan Franck-Hertz. Elektron meninggalkan katoda C,

mengalami percepatan dengan beda potensial V menuju kisi G, dan mencapai

piringan P dimana terukur dengan ammeter A. [3]

Sekarang mengandaikan tabung terisi dengan atom gas hidrogen dengan

tekanan rendah. Sepanjang beda potensial meningkat dari nol, semakin banyak

elektron mencapai piringan, dan sebab itu arus meningkat. Elektron didalam

tabung bertumbukan dengan atom hidrogen, tetapi tidak kehilangan energi.

Tumbukan ini elastis sempurna. Satu-satunya cara elektron dapat memberikan

energi akibat benturan jika elektron memiliki energi yang cukup untuk

menyebabkan atom hidrogen untuk membuat transisi ke keadaan tereksitasi. Jadi,

ketika energi elektron hampir melebihi 10,2 eV (atau ketika tegangan mencapai

10,2 V), elektron akan membuat tumbukan inelastic, meninggalkan 10,2 eV

energi atom (sekarang pada tingkat n = 2), dan elektron bergerrak dengan energi

yang sangat sedikit. Jika harus melewati grid, elektron mungkin tidak memiliki

energi yang cukup untuk mengatasi perlambatan potensial dan mencapai piring.

Jadi ketika V = 10,2 V, penurunan arus diamati. V semakin meningkat, akan

semakin terlihat efek tumbukan. Ketika V = 20,4 V, sebuah elektron akan

menyebabkan tumbukan inelastic, meninggalkan atom pada keadaan n = 2.

Elektron kehilangan energi 10,2 eV akibat proses ini, dan karena itu bergerak

setelah tumbukan dengan 10,2 eV sisa energi yang cukup untuk eksitasi atom

hidrogen kedua dalam tabrakan inelastis. Jadi, jika penurunan arus diamati pada

V, tetes serupa diamati pada 2V, 3V,…. [3]

Gambar 2.7. Hasil dari eksperimen Franck-Hertz menggunakan uap raksa

(merkuri). Penurunan arus saat tegangan 4,9 V, 9,8 V (= 2 × 4,9 V), 14,7 V (= 3 ×

4,9 V) [3]

Penelitian ini dengan demikian harus memberikan bukti lebih langsung bagi

keberadaan keadaan atom tereksitasi. Sayangnya, tidak mudah untuk melakukan

percobaan ini dengan hidrogen, karena hidrogen terjadi secara alami dalam bentuk

molekul H2, bukan dalam bentuk atom. Molekul-molekul dapat menyerap energi

dalam berbagai cara, yang akan membingungkan penafsiran percobaan. Sebuah

percobaan yang sama dilakukan pada tahun 1914 oleh James Franck dan Gustav

Hertz, menggunakan tabung diisi dengan uap air raksa. Hasil penelitian mereka

ditunjukkan pada Gambar 2.7, yang memberikan bukti yang jelas untuk keadaan

tereksitasi sebesar 4,9 eV, dengan tegangan merupakan kelipatan dari 4,9 V,

penurunan arus muncul. Kebetulan, spektrum emisi merkuri menunjukkan garis

ultraviolet dengan panjang gelombang 254 nm, yang sesuai dengan energi 4,9 eV,

hasil ini dari transisi antara 4,9 eV keadaan tereksitasi yang sama dan keadaan

dasar. Eksperimen Franck_Hertz menunjukkan elektron harus memiliki energi

minimum untuk membuat tumbukan inelasticdengan atom, menginterpretasi

bahwa energi minimum sebagai energi keadaan tereksitasi dari atom. Franck dan

Hertz pada tahun 1925 mendapatkan Penghargaan Nobel dalam fisika untuk

eksperimen ini. [3]