Bab 5 Struktur Atom
5.1 Deskripsi Setiap atom terdiri sebuah inti dan kecil yang terdiri dari proton dan neutron dan sejumlah electron pada jarak yang agak jauh. Terdapat desakan kuat pada pikiran kita untuk menganggap electron berputar di sekeliling inti. Seperti planet mengelilingi matahari tetapi teori elektromagnetik klasik menolak kemungkinan terdapatnya orbit electron yang mantap dalam usaha untuk memecahkan kesukaran (paradox) ini, Niels Bohr menerapkan gagasan kuantum pada struktur atomic pada tahun 1913 untuk mendapatkan model yang tetap memudahkangambaran mental atom. Walaupun ternyata terdapat banyak kekurangan dan harus digenti dengan pemerian mekanika kuantum supaya didapatkan ketelitian dan kegunaan yang lebih besar. Sejak awal tahun 1900-an para ilmuwan mengetahui bahwa atom pembentuk materi terdiri atas inti kecil yang dikelilingi oleh elektron. Pada bab ini akan kita bahas perkembangan teori tentang atom yang didasarkan pada penemuan-penemuan yang telah dilakukan oleh para ahli Fisika. atom, neutron, Rutherferd, partikel alpha, beta, gamma, proton, John Dalton, spektrum atom hidrogen, teori mekanika kuantum, elektron, J.J. Thomson, model atom Bohr, termasuk tentang dimensi inti dan partikel penyusunnya.
5.2 Relevansi Keterkaitan antara bab ini dengan bab sebelumnya sangat erat, di mana bab sebelumnya menjelaskan tentang teori partikel dan gelombang yang berkenaan dengan teori atom itu sendiri. Mengingat dalam bab ini menjelaskan tentang sejarah perkembangan teori atom sampai pada penjelasan teori kuantum atom oleh Niels Bohr.
5.3 Tujuan Instruksional Khusus (TIK) Setelah mempelajari bab ini, diharapkan mahasiswa mampu : 1. Menyebutkan ilmuan-ilmuan dan membedakan postulat-postulat yang dihasilkan tentang teori atom. 2. Membedakan bentuk-bentuk struktur atom mulai dari yang paling sederhana sampai pada struktur kompleks.143
3. Memahami tingkat energy dan spectrum electron menurut teori Bohr. 4. Menjelaskan konsep inti atom, partikel penyusun inti atom dan menjelaskan satuan dan orde massa inti serta teknik mengukur massa inti.
5.4 Uraian Materi 5.4.1 Model Atom Dalton John Dalton (17661844), seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris dengan didukung dari hasil eksperimeneksperimennya mengembangkan konsep atom dari Demokritus yang kemudian mengemukaan teori tentang atom. Secara garis besar teori atom Dalton dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu zat yang tidak bisa dibagi lagi. 2. Atom-atom penyusun zat tertentu memiliki sifat yang sama. 3. Atom unsur tertentu tidak bisa berubah menjadi atom unsur lain. 4. Dua atom atau lebih dapat bersenyawa (bereaksi) membentuk molekul. 5. Dalam reaksi kimia perbandingan antara atom-atom penyusunnya mempunyai perbandingan yang tertentu dan sederhana. 6. Dalam reaksi kimia pada dasarnya terjadi penyusunan kembali atom-atom penyusun zat. Model ini gagal dengan ditemukannya model atom Thompson.
5.4.2 Model Atom Thomson Penemuan elektron pertama kali dikemukakan oleh J.J. Thomson pada saat mempelajari tentang sinar katode. Dari eksperimen tentang sinar katode yang dilakukan di dalam Laboratorium Cavendish di Cambridge, Inggris pada tahun 1897 inilah J.J. Thomson berhasil mengukur perbandingan antara muatan elektron dengan massa elektron (e/m), dengan mengamati penyimpangan sinar katode dalam gabungan medan listrik dan medan magnet. Dari hasil perhitungan yang mutakhir perbandingan e/m adalah 1,7588 1011 C/kg. Sekarang menjadi tugas kalian, carilah informasi dari buku referensi atau dari internet tentang percobaan pengukuran muatan dan massa elektron (e/m) dari percobaan J.J. Thomson tersebut. Sehubungan dengan penemuan elektron yang menjadi bagian dari atom oleh J.J. Thomson pada tahun 1897, maka teori atom Dalton mulai goyah.
144
Berdasarkan hasil penemuan elektron tersebut, maka Thomson mengajukan model atom untuk pertama kali (1904), yaitu sebagai berikut : 1. Atom bukan bagian terkecil dari zat. 2. Atom mempunyai muatan positif yang tersebar merata ke seluruh atom yang dinetralkan oleh elektron-elektron yang tersebar di antara muatan positif itu. 3. Massa elektron jauh lebih kecil dari massa atom.
Apabila digambarkan/divisualisasikan model atom yang dikemukakan Thomson ini seperti model roti kismis di mana bagian atom seperti halnya kismis yang menempel pada kue. Model atom yang dikemukakan Thomson ini tidak dikembangkan lebih lanjut karena tidak cocok dengan hasil percobaan yang dilakukan oleh Ernest Rutherford (1871-1937) yang membuktikan bahwa muatan positif atom tidak tersebar merata di seluruh bagian atom tetapi terpusat pada bagian tengah atom yang kemudian disebut inti atom.
Gambar 5.1 Model atom Thomson
5.4.3 Model Atom Rutherford Untuk menguji model atom J.J. Thomson, maka Ernest Rutherford mengadakan percobaan dengan menembak atom-atom dengan partikel-partikel alpha, yaitu partikel dengan massa empat kali massa atom hidrogen dan muatan positif sebesar dua kali muatan elektron. Partikel alpha mempunyai daya tembus yang cukup kuat untuk melalui plat logam yang sangat tipis. Dalam percobaannya, Rutherford menembakkan partikel alpha dengan sasaran target lempengan tipis emas, seperti gambar di bawah ini :
145
Gambar 5.2 Percobaan Hamburan partikel oleh Rutherford
Gambar 5.3 Lintasan Partikel alfa
Berdasarkan hasil percobaan diharapkan semua partikel alpha menembus lurus lempengan emas, akan tetapi dalam hasil pengamatan diperoleh ada partikel alpha yang dibelokkan bahkan ada yang dibelokkan dengan sudut antara 90o sampai 180o. Hal terakhir yang tidak cocok dengan model atom Thomson. Rutherford mengukur sudut-sudut hamburan partikel alpha dengan teliti. Bila muatan positif tidak menyebar, tetapi mengumpul pada suatu tempat dalam tiap-tiap atom, maka berdasarkan hukum Coulomb sudut penyimpangan akan berkisar antara 5o sampai 150o. Berarti gejala pemantulan kembali partikel alpha tersebut ditolak oleh suatu konsentrasi muatan positif dalam atom (terjadi gaya tolakan karena muatannya sejenis). Berdasarkan hasil percobaannya ini kemudian Rutherford menyusun model atomnya yang secara garis besar adalah sebagai berikut : 1. Pada atom muatan positif dan sebagian besar massa atom terpusat pada suatu titik, yaitu di tengah-tengah atom yang kemudian disebut inti atom. 2. Sebagian besar ruangan dalam atom merupakan ruang kosong, yang ditunjukkan oleh banyaknya partikel alpa yang diteruskan dalam percobaan Rutherford. 3. Di luar inti pada jarak relatif jauh, elektron bergerak mengelilingi inti dalam lintasanlintasan seperti planet-planet mengitari matahari dalam sistim tata surya.146
Meskipun model atom Rutherford lebih baik dari model atom Thomson, tetapi model atom Rutherford memiliki kelemahan-kelemahan yaitu sebagai berikut. a. Model atom Rutherford tidak bisa menjelaskan tentang kestabilan atom. Berdasarkan hukum Coulomb antara elektron dan inti mengalami gaya Coulomb yang berfungsi sebagai gaya sentripetal sehingga mengalami percepatan. Menurut teori Maxwell percepatan muatan listrik akan memancarkan gelombang elektromagnetik, sehingga energi elektron total elektron (E) akan semakin berkurang dan jari-jari orbitnya akan semakin mengecil sehingga lintasan elektron berbentuk spiral yang menunjukkan ketidakstabilan inti atom. b. Model atom Rutherford tidak mampu menjelaskan terjadinya spektrum garis yang merupakan ciri dari atom gas yang berpijar, yang seharusnya menurut teori atom Rutherford karena elektron memiliki gerakan spiral maka spektrum yang dihasilkan merupakan spektrum yang kontinu tetapi kenyataannya spektrum diskontinu.
Meskipun perbandingan antara muatan dan massa elektron sudah ditemukan dari eksperimen J.J. Thomson, akan tetapi besarnya muatan elektron pada saat itu belum diketahui. Penemuan muatan electron pertama kali dikemukakan oleh Robert A Millikan pada tahun 1909 dengan percobaannya yang lebih dikenal dengan nama percobaan tetes minyak. Dari hasil percobaan tetes minyak Millikan inilah berhasil dihitung muatan elektron adalah e = 1,602192 10-19 C (sering dibulatkan menjadi 1,6 10-19 C) dan massa electron m = 9,10954310-31 kg (sering dibulatkan 9,11 10-31 kg).
Gambar 5.4 Lintasan Spiral Elektron
147
5.4.4 Spektrum Atom Hidrogen Apabila suatu zat dipanaskan secara terus-menerus, maka zat ini akan memancarkan cahaya dengan bentuk spectrum yang kontinu. Pemancaran radiasi cahaya pada zat ini disebabkan oleh getaran atom-atom penyusun zat. Akan tetapi jika suatu gas yang berada dalam tabung gas bertekanan rendah diberi beda potensial tinggi (Seperti Gambar 5.5) maka gas akan memancarkan spectrum (diskontinu), yang berarti gas hanya memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu.
Gambar 5.5 TabungPelucutan Gas
Kita akan mempelajari spektrum yang dipancarkan oleh atom yang paling sederhana, yaitu hidrogen. Gas hydrogen ditempatkan pada tabung lucutan gas, jika tabung lucutan gas ini diberi tegangan tinggi sehingga terjadi lucutan muatan listrik. Gas hidrogen menjadi bercahaya dan memancarkan cahaya merah kebiru-biruan. Apabila diamati dengan spektrograf (alat untuk menyelidiki spectrum cahaya), pada pelat film terdapat garis cahaya, di mana satu garis cahaya menampilkan sebuah panjang gelombang yang dipancarkan cahaya dari sumber cahaya. Berdasarkan hasil pengamatan tentang spektrum atom hidrogen, Balmer menemukan empat spektrum garis pada cahaya tampak yaitu pada 410,2 nm, 434,1 nm, 486,2 nm, dan 656,3 nm yang ternyata cocok menggunakan perhitungan dengan rumus sebagai berikut :
(5.1) di mana untuk nA = 2 dan nB = 3, 4, dan 5 dengan : = panjang gelombang yang dipancarkan R = Konstanta Rydberg = 1,097 107 m-1148
Deret-deret spektrum garis yang memenuhi persamaan tersebut disebut deret Balmer yang terletak pada daerah cahaya tampak. Akan tetapi tidak hanya deret Balmer saja yang ditemukan dalam atom hidrogen, ada deret yang lainnya, yaitu deret Lyman (spektrum pada daerah sinar ultraviolet), Paschen (spektrum pada daerah sinar infra merah I), Brackett (spectrum pada daerah sinar infra merah II) dan Pfund (spektrum yang terletak pada daerah sinar infra merah III). Kelima deret tersebut dapat ditampilkan dengan rumus-rumus sederhana sebagai berikut : 1. Deret Lyman : untuk nA = 1 dan nB = 2, 3, 4, 5, 6 dst 2. Deret Balmer : untuk nA = 2 dan nB = 3, 4, 5, 6 dst 3. Deret Paschen : untuk nA = 3 dan nB = 4, 5, 6, 7 dst 4. Deret Braket : untuk nA = 4 dan nB = 5, 6, 7, 8, dst 5. Deret Pfund : untuk nA = 5 dan nB = 6, 7, 8 dst
5.4.5 Model Atom Bohr Model atom Rutherford gagal menjelaskan tentang kestabilan atom dan terjadinya spektrum garis atom hidrogen. Seorang ilmuwan Fisika dari Denmark, Niels Bohr dapat menjelaskan spektrum garis atom hidrogren. Bohr mengemukakan teori atomnya untuk menutupi kelemahan atom Rutherford dengan mengemukakan tiga postulatnya yaitu : a. Elektron berotasi mengelilingi inti tidak pada sembarang lintasan, tetapi pada lintasanlintasan tertentu tanpa membebaskan energi. Lintasan ini disebut lintasan stasioner dan memiliki energi tertentu. b. Elektron dapat berpindah dari lintasan yang satu ke lintasan yang lain. Jika elektron pindah dari lintasan berenergi rendah (lintasan dalam) ke lintasan berenergi tinggi (lintasan luar) akan menyerap energi dan sebaliknya akan memancarkan energi. Energi yang dipancarkan atau diserap elektron sebesar hf. c. Lintasan-lintasan yang diperkenankan elektron adalah lintasan-lintasan yang mempunyai momentum sudut kelipatan bulat dari h/2.
149
5.4.6 Tingkat Energi Elektron Elektron hanya dapat berputar mengelilingi inti pada lintasan tertentu dengan tingkat energi yang tertentu pula. Marilah kita mencoba untuk menghitung jari-jari lintasan stasioner dan tingkat energinya. Gambar (5.6) menggambarkan sebuah elektron yang mengorbit di sekitar inti pada jarak r. Berdasarkan hukum Coulomb antara elektron dan inti atom akan terjadi gaya interaksi, yaitu gaya tarik. Gaya tarik coulomb ini sebagai gaya sentripetal electron mengelilingi inti atom.
Gambar 5.6 Orbit electron
150
(5.2) Tanda negatif menunjukkan bahwa untuk mengeluarkan elektron dari lintasannya memerlukan energi. Elektron menempati lintasan stasioner terdekat dengan inti disebut kulit K, lintasan berikutnya berturut-turut disebut kulit L, M, N, O dan seterusnya. Kulit K dengan jari-jari r1 energinya E1 dan kulit L yang jari-jarinya r2 energinya E2. Karena r2 > r1 maka nilai E2 > E1. Jadi makin jauh dari inti atom, energi elektron semakin besar, yang berarti elektron pada kulit N memiliki energi yang lebih besar dari elektron pada kulit M. Untuk menjelaskan spektrum garis atom hidrogen Bohr menggunakan postulat yang kedua. Misalkan elektron berpindah dari lintasan B dengan jari-jari orbit rB ke lintasan A dengan jari-jari rA (rB > rA) maka elektron akan melepaskan energi sebesar EB EA yang sama dengan hf. Dengan persamaan : (5.3)
(5.4)
151
Gambar 5.7 Lintasan stasioner elektron
Gambar 5.8 Elektron berpindah dari lintasan B ke lintasan A (rB > rA) Jari- jari orbit elektron didapat dari postulat Bohr ketiga yaitu :
Dari persamaan energi kinetik
(5.5)
152
Dengan memasukkan nilai h (konstanta Planck), m (massa elektron), k (konstanta Coulomb) dan e (muatan elektron) diperoleh jari-jari lintasan elektron pada lintasan n adalah :
Apabila Persamaan (5.5) disubstitusikan ke dalam Persamaan (5.4) diperoleh :
Jika :
Maka kita dapatkan :
Maka besarnya energi elektron pada lintasan ke n adalah :
153
Jika nilai = 3,14 , k = 9109 Nm2/C2 , m = 9,110-31 kg, e = 1,610-19 C, h = 6,6210-34 Js, dan 1 eV = 1,610-19 J kita dimasukkan dalam persamaan, maka didapatkan energy elektron pada suatu lintasan tertentu adalah : (5.6) Persamaan (5.6) menunjukkan bahwa energi total electron terkuantisasi. Dengan energi terendah E1(n=1) disebut tingkat energi dasar (keadaan dasar) dan tingkat energi berikutnya E2, E3, E4 . (n = 2, 3, ) yang tingkat energinya lebih tinggi disebut tingkat eksitasi (keadaan eksitasi). Apabila keadaan nilai n semakin besar, maka tingkat energinya pun semakin besar, sehingga untuk nilai n = , nilai En = 0 yang berarti electron tersebut tidak terikat oleh inti menjadi elektron bebas. Energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari ikatan intinya (dari orbitnya) disebut energi ionisasi, untuk melepaskan elektron pada atom hidrogen dari keadaan dasar diperlukan energi sebesar +13,6 eV karena energi tingkat dasar pada atom hidrogen adalah 13,6 eV. Kelemahan model atom Bohr yaitu : 1. Lintasan orbit elektron sebenarnya sangat rumit, tidak hanya berbentuk lingkaran atau elips saja. 2. Model atom Bohr hanya dapat menjelaskan dengan baik untuk atom hidrogen, akan tetapi tidak dapat menjelaskan dengan baik untuk atom-atom berelektron banyak (atom kompleks). 3. Model atom Bohr tidak dapat menjelaskan tentang terjadinya efek Zeeman, yaitu terpecahnya spectrum cahaya jika dilewatkan pada medan magnet yang kuat. 4. Model atom Bohr tidak dapat menjelaskan terjadinya ikatan kimia dengan baik.
Teori atom Bohr juga tidak bisa menjelaskan masalah atom berelektron banyak yang memiliki spektrum yang lebih kompleks. Dengan demikian teori model atom Bohr masih memerlukan perbaikan dan pengembangan. Maka pada tahun 1920 Schrodinger, Heisenberg dan beberapa peneliti yang lain mencoba menjelaskan masalah ini dengan menggunakan teori kuantum atom.
154
Contoh soal 1 : Berapakah panjang gelombang terpendek dari spektrum pada deret Balmer? Penyelesaian : Pada deret Balmer akan memancarkan spektrum dengan gelombang yang paling pendek jika elektron berasal dari elektron bebas (nB = ) berpindah ke lintasan untuk nA = 2 maka :
Jadi panjang gelombang terpendek dari spektrum pada deret Balmer sebesar 4,388.10-7 m.
Contoh soal 2. Hitunglah frekuensi terkecil dari spektrum pada deret Lyman! Penyelesaian : Akan dipancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi terendah pada deret Lyman apabila elektron berpindah dari kulit L (nB = 1) ke kulit K (nA = 1) maka :
Jadi frekuensi terkecil dari spektrum pada Deret Lyman sebesar 2,45.1015 Hz.
155
Contoh soal 3. Hitunglah energi kinetik elektron pada orbitnya pada n = 2! Penyelesaian :
Jadi energi kinetiknya sebesar 3,396 eV.
5.4.7
Dimensi Inti
Inti Atom Inti suatu atom (nuklida) sangat kecil jika dibanding dengan diameter sebuah atom. Jika diameter atom diperbesar sebesar lapangan sepak bola, maka inti hanya sebesar kelereng.-15
Bahkan, inti atom hanya menempati 10
bagian volume atom. Walaupun kecil, inti
mengandung 99,99% massa sebuah atom. Sebab, massa setiap partikel inti kira-kira 1800 x massa sebuah elektron. Inti juga menghasilkan gaya tarik elektrik yang menghimpun atom menjadi satu kesatuan. Bila gaya tarik Coulomb inti ini tidak ada, gaya tolak-menolak antara elektron akan menyebabkan atom berantakan. Lalu, gaya apakah yang menyebabkan partikel-partikel di dalam inti dapat menyatu? Apakah proton-proton di dalam inti tidak tolak-menolak? Padahal, sebuah muatan positif pada permukaan inti akan mengalami gaya sangat besar, yakni sekitar 100 MeV. Untuk dapat mempertahankan keutuhan inti, terdapat gaya ikat yang sangat besar, melebihi 100 MeV. Inilah yang dinamakan gaya inti (gaya nuklir).
Partkel Penyusun Inti Massa sebuah atom dipusatkan di inti atom. Inti atom yang kecil tersebut terdiri atas proton-proton yang bermuatan positif. Kesimpulan ini didapatkan dari riset yang dilakukan oleh Rutherford yang menembaki inti atom dengan partikel alfa. Proton-proton dalam inti atom dikelilingi elektron-elektron yang bermuatan negatif, dimana jumlah elektron sama dengan jumlah proton sehingga secara keseluruhan atom bersifat netral.
156
Apakah inti atom hanya terdiri dari proton-proton? Jika inti atom hanya terdiri dari proton, maka atom oksigen yang memiliki 8 proton akan memiliki massa kira-kira 8 kali massa atom hidrogen yang hanya memiliki 1 proton dalam intinya. Padahal hasil eksperimen menunjukkan bahwa massa atom oksigen kira-kira 16 kali massa inti atom hidrogen. Jelas bahwa selain terdiri atas proton-proton, inti atom juga terdiri atas partikel-partikel netral (tidak bermuatan) yang menyumbang pada massa inti atom. Para ilmuan berusaha untuk menemukan jawaban atas masalah tersebut. Salah satunya adalah fisikawan J. Chadwick, pada tahun 1933 berhasil menemukan partikel netral yang menyumbang massa atom. Dia menyebut partikel tersebut sebagai netron. Dengan demikian, sebuah inti terdiri atas proton dan netron. Kedua partikel ini disebut nukleon atau nuklida (penyusun inti).
Gambar 5.9. Inti Atom Terdiri Dari Sejumlah Proton dan Sejumlah Netron
Lambang Nuklida Unsur-unsur yang berbeda memiliki jumlah proton yang berbeda. Contoh, Hidrogen memiliki 1 proton, Helium memiliki 2 proton, dan Litium memiliki 3 proton. Bilangan yang menunjukkan jumlah proton dinamakan nomor atom, lambangnya Z. Jumlah netron pada netron disebut dengan nomor netron dan disimbolkan N. Nomor massa adalah jumlah total proton dan neutron. Nomor massa diberi simbol A dan dapat ditentukan dengan persamaan Z + N = A. Setiap nuklida memiliki lambang berbeda. Suatu nuklida dengan simbol kimia X, nomor massa A dan nomor atom Z, ditulis sebagai:
Gambar 5.10 Lambang Nuklida157
Tabel 5.1 contoh penulisan lambing nuklida
Isotop Inti atom yang memiliki jumlah proton yang sama diberi lambang atom sama. Contoh nuklida yang memiliki proton 2 dinamakan Helium (He). Di alam ternyata ditemukan nuklida3 2He
dan 2He4. Contoh lain, nuklida yang memiliki jumlah proton 29 adalah tembaga (Cu). Di63 29Cu
alam juga temukan nuklida
dan
29Cu
65
. Kedua variasi inti atom Helium dan Tembaga
tersebut dinamakan isotop. Jadi, isotop adalah nuklida yang memiliki nomor atom sama, tetapi nomor massa berbeda. Atau dapat juga dikatakan bahwa isotop adalah nuklida yang jumlah protonnya sama, tetapi jumlah netronnya berbeda. Setiap unsur memiliki isotop. Hidrogen memiliki tiga isotop, yaitu 1H1 (hidrogen biasa),2 1H
(dinamakan deuterium), dan 1H3 (dinamakan tritium). Unsur-unsur lain memiliki isotop Selain isotop juga dikenal istilah isobar dan isoton. Isobar adalah nuklida dengan nomor
yang lebih banyak.
massa sama, tetapi nomor atom berbeda. Atau nuklida dengan jumlah nukleon sama, tetapi jumlah protonnya berbeda. Contoh 1H3 dan 2He3. Isoton adalah nuklida-nuklida yang jumlah netron dalam intinya sama. Contoh 1H3 dan 2He4.
Massa Inti Satuan massa untuk SI adalah kg. Namun, satuan massa tersebut terlalu besar untuk menggambarkan massa atom atau massa sebuah inti. Sebagai gantinya digunakan satuan massa atom, yang dilambangkan u.
158
Menurut eksperimen 1 mol isotop 6C12 adalah 12 gram. 1 mol adalah jumlah zat sebanyak 6,02x1023 (yang dikenal dengan bilangan Avogadro, N )A
Bila dihitung :
Sesuai dengan definisi 1 u sama dengan 1/12 massa isotop 6C12-26 -27
1 u = 1,99 x 10
kg/12 = 1,66 x 10
kg.
Dalam perhitungan fisika nuklir, massa adalah ekivalen dengan energi yang dapat dihitung dengan persamaan Einstein . E=m.c2. Maka 1 u setara dengan:-27 8 -19 2 -11
E = (1,660566 x 10
kg) x (2,9979 x 10 m/s) = 14,9244229 x 10 J
J
Karena 1 eV = 1,602 x 10
Maka 1 u setara dengan energi 931,502 MeV
Tabel 5.2 Muatan, massa dian dan spin nucleon
Menentukan Massa Inti Untuk mengukur massa inti dengan ketelitian tinggi digunakan spektrometer massa. Bila detektornya masih menggunakan film, dinamakan spektrograf massa.
159
Gambar 5.11 Gambar spektograf Massa
Partikel bermuatan ditembakkan memasuki suatu ruang dari sumber S melalui celah S1, dan masuk ke dalam ruang yang dipengaruhi medan magnet B dan medan listrik E yang saling tegak lurus. Hal ini berguna untuk mengatur partikel (ion) agar bergerak dengan kecepatan tertentu. Partikel di dalam dua medan yang berlawanan akan mengalami dua gaya yang berlawanan
Sehingga didapatkan kecepatan partikel sebesar :
/
Setelah itu partikel akan bergerak dengan kecepatan v memasuki ruang yang memiliki medan magnet B yang tegak lurus dengan lintasan partikel, melalui celah S2. Di dalam medan magnet B, partikel akan dibelokkan oleh gaya Lorentz dengan lintasan lingkaran berjari-jari r hingga jatuh pada pelat film.
Jika nilai q, B, dan v telah diketahui, maka nilai m ditentukan oleh besarnya nilai r. Untuk r kecil, m juga kecil dan sebaliknya.
160
Contoh soal 4. Sumber ion mengeluarkan ion melalui vlocity selector yang medan listriknya E = 4,0 kV/m dan medan magnetnya B = 0,1 T. a) berapakah kecepatan ion; b) Jika setelah melewati S2 memasuki medan magnet B = 0,05 T, jika jari-jari lintasannya 13 cm dan dan muatannya 1,6 x 10-19 C Jawab
Jari-jari Inti Mendefinisikan secara tepat jari-jari inti sama sulitnya mendefinisikan jari-jari sebuah atom. Sebab, distribusi muatannya tidak berakhir pada suatu tepi yang jelas. Banyak inti berbentuk agak bulat (walaupun ada beberapa yang agak lonjong) dan ketergantungan kerepatan ditunjukkan oleh gambar 5.11.
Gambar 5.12 Distribusi Muatan Inti
Dari beraneka ragam eksperimen, diketahui banyak hal mengesankan tentang sifat rapat inti. Terlihat bahwa rapat inti tidak berubah. Dengan kata lain, jumlah netron dan proton tiap satuan volume kurang lebih tidak berubah di seluruh daerah inti atom :
Jadi : AR3 atau RA1/3.
161
Dengan mendefenisikan tetapan pembanding R0 ,
Tetapan R harus ditentukan dengan eksperimen. Diantara eksperimen yang digunakan adalah0
dengan menghamburkan partikel bermuatan (alfa atau elektron) pada inti. Ternyata nilai R0 sangat bergantung pada sifat inti yang diukur. Untuk ukuran distribusi massa, R0 sekitar 1,4 fm (10-15 m) dan untuk ukuran distribusi muatan, R0 sekitar 1,2 fm. Contoh soal 5.5 Hitunglah nilai hampiran jari-jari karbon (A = 12) dan Hitunglah massanya seandainya inti karbon memiliki jari-jari r = 1 cm Solusi
Massa inti karbon dengan jari-jari 1 cm, sekitar 1 milyar ton.
Mengukur Jari-Jari Inti Salah satu cara untuk mengukur ukuran inti adalah dengan menghamburkan partikel bermuatan, seperti partikel alfa pada hamburan Rutherford. Selama partikel alfa masih di luar inti, rumus Rutherford tetap berlaku, begitu jarak terdekatnya lebih kecil daripada jari-jari inti, terjadi penyimpangan dari rumus Rutherford.
162
Gambar 5.13 Grafik hamburan Rutherford dan hamburan Nuklir
Percobaan lain juga dapat digunakan untuk mengukur jari-jari inti. Gambar 5.14 memperlihatkan semacam pola difraksi. Difraksi di sini sama dengan difraksi cahaya oleh celah bulat. Minimum pertama dapat dicari dengan persamaan :
adalah panjang gelombang radiasi terhambur dan d adalah diameter.
5.5 Latihan Soal Gunakan : h = 6,6x10-34 Js m = 9,1x10-31 kg e = 1,6x10-19 C k = 9 x109 Nm2/C2 R = 1,097x107 m-1 c = 3x108 m/s
1. Berapakah panjang gelombang terpanjang dari deret Paschen? 2. Berapakah frekuensi terbesar dari deret Brackett? 3. Hitung kecepatan orbit elektron pada n = 2! 4. Tentukan frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan jika elektron berpindah dari lintasan n = 5 ke n = 2! 5. Tentukan frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan jika elektron berpindah dari kulit O ke kulit M!
163
6. Tentukan energi (dalam eV) yang dilepaskan jika electron berpindah dari kulit N ke kulit K! 7. Tentukan jumlah netron dan proton untuk inti 86Rn222 dan 23Th290 8. Berapa jumlah molekul yang terdapat dalam 0,534 kg UO2 (diketahui A untuk uranium dan oksigen masing-masing 235 dan 16) 9. Tentukan jari-jari inti dan 16O 208Pb 10. Carilah rasio inti terhadap kerapatan atomik untuk hidrogen (diasumsikan jari-jari inti 1 fm). 11. Dalam spektrograf massa, ion klor yang bermuatan tunggal masuk dalam medan megnet B = 0,15 T secara tegak lurus dengan kecepatan 5 x 104 m/s. Klor ternyata mempunyai dua isotop bermassa 34,97u dan 36,97u. Tentukan jari-jari lingkaran yang ditempuh masing-masing isotop dalam medan magnet tersebut.
5.6 Rangkuman 1. Ilmuan-ilmuan yang memperkenalkan teori atom antara lain : Demokritos, John Dalton, Thompson, Rutherford dan Niels Bohr. Konsep teori yang mereka keluarkan selalu gagal seiring dengan eksperimen yang dilakukan oleh ilmuan berikutnya. 2. Perbedaan mendasar dari konsep teori atom Thompson, Rutherford dan Niels Bohr; secara bersamaan menganggap atom berbentuk bulat, oleh Thompson menganggap atom seperti roti kismis di mana muatan positif dan muatan negatifnya tersebar merata, oleh Rutherford menganggap atom mempunyai lintasan spiral, dan oleh Niels Bohr menganggap atom terdiri dari inti (muatan positif) dan dikelilingi electron (pada setiap lintasan yang berbeda sesuai dengan tingkat energinya. 3. Pada atom hydrogen terdapat deret-deret spektrum yaitu, Balmer menemukan empat spektrum garis pada cahaya tampak yaitu pada 410,2 nm, 434,1 nm, 486,2 nm, dan 656,3 nm, selanjutnya deret Lyman (spektrum pada daerah sinar ultraviolet), Paschen (spektrum pada daerah sinar infra merah I), Brackett (spectrum pada daerah sinar infra merah II) dan Pfund (spektrum yang terletak pada daerah sinar infra merah III) yang ternyata cocok menggunakan perhitungan dengan rumus sebagai berikut.:
164
4. Kelima deret tersebut dapat ditampilkan dengan rumus-rumus sederhana sebagai berikut : a. Deret Lyman : untuk nA = 1 dan nB = 2, 3, 4, 5, 6 dst b. Deret Balmer : untuk nA = 2 dan nB = 3, 4, 5, 6 dst c. Deret Paschen : untuk nA = 3 dan nB = 4, 5, 6, 7 dst d. Deret Braket : untuk nA = 4 dan nB = 5, 6, 7, 8, dst e. Deret Pfund : untuk nA = 5 dan nB = 6, 7, 8 dst 5. Rumusan untuk tingkat energy electron dan jari-jari electron :
6
Massa sebuah atom dipusatkan di inti atom. Inti atom yang kecil tersebut terdiri atas proton-proton yang bermuatan positif. Apakah inti atom hanya terdiri dari proton-proton? Jika inti atom hanya terdiri dari proton, maka atom oksigen yang memiliki 8 proton akan memiliki massa kira-kira 8 kali massa atom hidrogen yang hanya memiliki 1 proton dalam intinya.
7
Satuan massa untuk SI adalah kg atau dalam satuan massa atom, yang dilambangkan u.
8
Menurut eksperimen 1 mol isotop 6C12 adalah 12 gram. 1 mol adalah jumlah zat sebanyak 6,02x1023 (yang dikenal dengan bilangan Avogadro, N )A
9
Sesuai dengan definisi 1 u sama dengan 1/12 massa isotop 6C12-26 -27
1 u = 1,99 x 10
kg/12 = 1,66 x 10
kg
1 u setara dengan energi 931,502 MeV
165
5.7 Test Formatif 1. Konsep model atom Bohr dan model atom Rutherford berbeda dalam menjelaskan a. inti dan elektron sebagai bagian atom b. jenis muatan listrik dalam atom c. massa atom yang terpusat di inti d. energi elektron yang beredar mengelilingi inti e. percobaan gelombang elektromagnetik 2. Pernyataan berikut ini berhubungan dengan atom Thomson kecuali a. atom bukan partikel terkecil dari suatu unsur b. muatan positif tersebar merata dalam isi atom c. elektron pada atom tersebar diantara muatan positif d. elektron adalah bagian dari atom yang bermuatan negative e. elektron mempunyai massa yang sama dengan massa muatan positif 3. Kesimpulan dari percobaan hamburan Rutherford adalah a. atom merupakan bagian terkecil dari suatu bahan b. massa atom tersebar merata dalam atom c. elektron merupakan bagian atom yang bermuatan listrik negatif d. massa atom terpusat satu tempat kecil yang disebut inti e. atom berbentuk bola pejal 4. Salah satu pernyataan dalam teori atom menurut penda pat Rutherford adalah a. atom terdiri atas inti bermuatan positif dan electron bermuatan negatif yang bergerak mengelilingi inti b. hampir saluran massa atom tersebar ke seluruh bagian c. pada reaksi kimia inti atom mengalami perubahan d. pada reaksi kimia elektron lintasan terluar saling mempengaruhi e. inti atom merupakan bermuatan positif 5. Berdasarkan percobaan yang dilakukannya, Rutherford mengemukakan pandangan mengenai atom antara lain a. sambil mengelilingi intinya, elektron menyerap energi b. atom memancarkan energi, bila elektronnya berpindah lintasan dengan arah mendekati inti166
c. massa atom berpusat pada suatu tempat yang disebut inti atom d. elektron bermuatan negatif tersebar di seluruh bagian atom e. massa atom tersebar merata di seluruh atom 6. Pernyataan di bawah ini yang merupakan model atom Rutherford adalah a. elektron tidak dapat mengorbit di sembarang lintasan b. atom terdiri dari muatan positip yang tersebar merata dalam atom c. suatu unsur dapat bereaksi dengan unsur lain bila menerima energi d. muatan positip dan massa atom terpusatkan pada inti atom e. jika elektron berpindah lintasan, maka akan menyerap energi
7. Salah satu ketentuan Bohr dalam model atomnya adalah a. elektron pada lintasan stasionernya memancarkan energi b. elektron berpindah dari lintasan dengan energi tinggi ke lintasan dengan energi yang lebih rendah akan memancarkan foton c. elektron pada lintasan stasionernya menyerap energi d. elektron mengelilingi inti pada lintasan tertentu memiliki momentum linier e. elektron pada lintasan dengan energi paling rendah tidak tereksitasi 8. Apabila elektron berpindah dari suatu lintasan tertentu ke lintasan pertama, maka spektrum gelombang elektro-magnet yang dipancarkan mengikuti a. deret Lyman b. deret Balmer c. deret Passchen d. deret Brackett e. deret Pfund 9. Spektrum deret Lyman terjadi apabila terjadi transisi elektron dari a. n = 2 ke n = 3 b. n = 2 ke n = 1 c. n = 5 ke n = 2 d. n = 1 ke n = 2 e. n = 4 ke n = 3
167
10. Elektron atom hidrogen mengadakan transisi menghasilkan frekuensi terkecil pada deret Lyman. Jika energi elektron pada tingkat dasar adalah -13,6 eV, maka energi yang dipancarkan pada saat itu adalah a. 17,0 eV b. 13,6 eV c. 13,3 eV d. 10,2 eV e. 6,8 eV 11. Elektron atom hidrogen akan berpindah dari lintasan n= 2 ke n = 1. Apabila konstanta Rydberg = 1,097 107 m-1 , maka panjang gelombang foton yang diradiasikan oleh atom tersebut adalah a. 1097 A b. 1215 A c. 2115 A d. 6541 A e. 8227 A 12. Suatu atom H memancarkan spektrum pada deret Balmer. Loncatan elektron yang terjadi pada atom H tersebut adalah a. dari lintasan bilangan kuantum n = 6 ke n = 3 b. dari lintasan bilangan kuantum n = 6 ke n = 4 c. dari lintasan bilangan kuantum n = 3 ke n = 1 d. dari lintasan bilangan kuantum n = 4 ke n = 1 e. dari lintasan bilangan kuantum n = 5 ke n = 2 13. Panjang gelombang pada deret Balmer akan mencapai maksimum bila transisi elektron dari a. lintasan dasar ke lintasan n = 2 b. lintasan n = 2 ke lintasan dasar c. lintasan n = 3 ke lintasan n = 2 d. lintasan n = 2 ke lintasan n = e. lintasan n = ke lintasan n = 2
168
14. Apabila elektron berpindah dari lintasan 4 ke lintasan 2, sedangkan energi dasar elektron 13,6 ev dan 1 ev =1,6 1019 joule maka besar energi yang dipancarkan adalah a. 1,36 1019 joule b. 4,08 1019 joule c. 5,44 1019 joule d. 6,80 1019 joule e. 1.63 1019 joule 15. Energi terbesar yang dipancarkan sebagai radiasi foton pada perpindahan elektron dalam deret Balmer adalah a. 13,6 eV b. 3,4 eV c. 1,5 eV d. 0,85 eV e. 0,38 eV 16. Besar energi yang diperlukan untuk bereksitasi dari n =2 ke n = 4 pada atom hidrogen bila diketahui E = 13,6 eV adalah a. 2,6 eV b. 3,4 eV c. 4,2 eV d. 5,6 eV e. 6,8 eV 17. Garis-garis spektrum Paschen dihasilkan bila dalam atom hidrogen terjadi transisi elektron dari tingkat yang lebih tinggi ke tingkat n = 3. Jika tetapan Rydberg = 1,097 107 m1, maka panjang gelombang terbesar dari deret Paschen adalah a. 8,2 107 m b. 11,5 107 m c. 14,4 107 m d. 16,7 107 m e. 18,8 107 m 18. Jika kontanta Rydberg = 1,097 107 m-1 maka panjang gelombang terbesar pada deret Lyman adalah 169
a. 912 b. 1000 c. 1215 d. 1500 e. 1600 19. Apabila energi elektron atom hidrogen pada lintasan dasar = 13,6 ev, maka energi ionisasi pada atom H yang berasal dari lintasan n = 3 adalah a. 1,51 ev b. 4,53 ev c. 9,07 ev d. 10,60 ev e. 12,09 ev 20. Untuk bilangan kuantum utama n = 2, akan mempunyai bilangan kuantum orbital (l) yang bernilai a. 0 dan 1 b. 1 dan 2 c. 2 dan 3 d. 3 dan 4 e. 4 dan 5
5.8 Tindak Lanjut Jika anda telah selesai mengerjakan soal latihan dan tes formatif di atas, maka hitung jawaban anda yang benar kemudian gunakan rumus di bawah ini untuk menentukan tingkat penguasaan anda terhadap materi modul ini. Rumus: 100% Tingkat Penguasaan: 90% - 100% 80% - 89% 70% - 79% = = = Baik Sekali Baik Cukup
170
0% - 69%
=
Kurang
Jika tingkat penguasaan anda di bawah 80%, maka diharapkan mengulangi materi ini, khususnya bagian-bagian yang belum dipahami, serta menambah pengetahuan dari referensi lain yang berhubungan.
171
