struktur atom pertemuan 2

BAHAN AJAR PERTEMUAN 2

MODEL ATOM BOHR DAN MEKANIKA GELOMBANG

A.      Model Atom Bohr

1.    Kekurangan Model Atom Rutherford

Menurut hukum fisika Klasik dari Maxwell, jika suatu partikel yang bermuatan listrik bergerak melingkar akan mengemisikan energinya dalam bentuk cahaya yang mengakibatkan percepatan partikel semakin berkurang dan akhirnya diam. Dengan demikian, jika elektron yang bermuatan negatif bergerak melingkar (mengelilingi inti bermuatan positif) maka akan kehilangan energinya sehingga gerakan elektron akan berkurang, yang akhirnya akan jatuh ke inti. Jadi, menurut Hukum Fisika Klasik, model atom Rutherford tidak stabil sebab elektron akan kehilangan energinya dan akan jatuh ke inti, pada akhirnya atom akan musnah. Akan tetapi, faktanya atom stabil.

2.    Teori Kuantum Max Planck (1900)

Pada tahun 1900, fisikawan Jerman, Max Planck menjelaskan teorinya mengenai radiasi benda panas. Menurutnya, radiasi elektromagnetik tidak bersifat kontinu, melainkan diskontinu. Artinya suatu benda hanya dapat memancarkan atau menyerap radiasi elektromagnetik dalam ukuran atau paket-paket kecil dengan nilai tertentu yang ia sebuat sebagai kuantum. Salah satu fakta yang mendukung teori kuantum Max Planck, yaitu efek fotolistrik, yang dikemukakan oleh Albert Einstein pada tahun 1905.

Fotolistrik adalah listrik yang diinduksi oleh cahaya (foton). Einstein menerangkan bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel foton yang energinya sebanding dengan frekuensi cahaya. Jika frekuensinya rendah, setiap foton mempunyai jumlah energi yang sangat sedikit dan tidak mampu memukul elektron agar dapat keluar dari permukaan logam. Jika frekuensi (dan energi) bertambah, maka foton memperoleh energi yang cukup untuk melepaskan elektron.

3.    Spektrum Emisi Atom Hidrogen

Spektrum emisi hidrogen dihasilkan dari percobaan dengan menggunakan tabung sinar hidrogen, yaitu suatu tabung tipis yang diisi gas hidrogen pada tekanan rendah dengan elektroda pada tiap-tiap ujungnya. Jika tegangan tinggi dilewatkan pada tabung tersebut, maka tabung akan menghasilkan sinar seperti pada gambar.

Gambar (a) Percobaan Spektrum Emisi Hidrogen (b) Spektrum Garis Atom Hidrogen

Sumber: Chang, Raymond. General Chemistry 6th ed. 2008

Jika sinar yang dihasilkan tersebut dilewatkan pada prisma atau kisi difraksi, sinar akan terpecah menjadi beberapa garis spektrum dengan warna yang berbeda. Ketika energi listrik dengan tegangan yang tinggi dialirkan pada tabung berisi gas hidrogen, elektron dalam atom hidrogen akan tereksitasi dari keadaan awalnya. Setelah itu elektron akan mengemisikan energi dalam bentuk cahaya dengan panjang gelombang tertentu untuk kembali ke keadaan awalnya lagi. Energi yang dipancarkan elektron itulah yang menghasilkan spektrum-spektrum dengan beberapa warna tersebut.

Pada tahun 1913, Niels Bohr, seorang fisikawan Denmark menjelaskan teorinya yang menjelaskan spektrum emisi yang dihasilkan oleh atom hidrogen. Untuk menjelaskan mengapa elektron tidak tertarik ke inti, Bohr berpendapat bahwa elektron hanya boleh menempati orbit tertentu dengan energi tertentu. Ketika energi diserap oleh elektron, maka ia akan tereksitasi dari orbitnya pada keadaan dasar menuju orbit tertentu yang lebih luar. Kemudian ia akan kembali ke orbital awalnya lagi dengan memancarkan energi. Energi yang dipancarkan inilah yang akan menghasilkan spektrum seperti gambar di atas.

Energi yang dipancarkan elektron dari tiap orbit yang berbeda akan menghasilkan spektrum yang berbeda pula. Elektron hanya boleh mengalami eksitasi ke orbit-orbit atau lintasan dengan tingkat energi tertentu. Karena itulah spektrum yang dihasilkan berupa spektrum garis yang menunjukkan tingkat-tingkat energi pada orbit dalam atom tersebut.

4.    Model Atom Bohr (1913)

Bermula dari fakta yang ditemukannya lewat percobaan spektrum atom hidrogen, Bohr menyatakan bahwa kegagalan model atom Rutherford dapat disempurnakan dengan menerapkan Teori Kuantum dari Planck bahwa energi elektron terkuantisasi. Sebuah elektron yang berada di suatu orbit tidak akan memancarkan energi dan oleh karena itu tidak akan tertarik menuju ke inti. Model atom Bohr dinyatakan dalam bentuk empat postulat berkaitan dengan pergerakan elektron, yaitu sebagai berikut.

a.       Dalam mengelilingi inti atom, elektron berada pada orbit tertentu yang sering disebut sebagai kulit. Kulit ini merupakan gerakan stasioner (menetap) dari elektron dalam mengelilingi inti atom dengan jarak tertentu.

b.      Selama elektron berada pada lintasan stasioner tertentu, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi yang diemisikan atau diserap.

c.       Elektron dapat beralih dari satu kulit ke kulit lain. Pada peralihan ini, besarnya energi yang terlibat sama dengan persamaan Planck, ΔE = h.

d.      Lintasan stasioner elektron memiliki momentum sudut. Besarnya momentum sudut adalah kelipatan dari nh/2π , dengan n adalah bilangan kuantum dan h adalah tetapan Planck.

Gambar Model atom hidrogen menurut Bohr

Kulit atau lintasan elektron dalam mengelilingi inti atom dilambangkan dengan n = 1, n = 2, n = 3, dan seterusnya. Lambang ini dinamakan bilangan kuantum. Model atom Bohr ditunjukkan pada Gambar. Huruf K, L, M, dan seterusnya digunakan untuk menyatakan lintasan elektron dalam mengelilingi inti atom. Lintasan dengan n = 1 disebut kulit K, lintasan dengan n = 2 disebut kulit L, dan seterusnya.

Model atom Bohr dapat menerangkan spektrum atom hidrogen secara memuaskan. Menurut Bohr, cahaya akan diserap atau diemisikan dengan frekuensi tertentu (sesuai persamaan Planck) melalui peralihan elektron dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Jika atom hidrogen menyerap energi dalam bentuk cahaya maka elektron akan beralih ke tingkat energi yang lebih tinggi. Sebaliknya, jika atom hidrogen mengemisikan cahaya maka elektron akan beralih ke tingkat energi yang lebih rendah.

B.       Model Atom Mekanika Gelombang

 

1.    Keterbatasan Model Atom Bohr

Keterbatasan dari teori atom Niels Bohr antara lain yaitu tidak dapat menjelaskan mengapa elektron hanya boleh berada pada tingkat energi tertentu. Selain itu Bohr juga tidak dapat menjelaskan spektrum atom dari unsur yang berelektron banyak.

2.    Hipotesis Louis de Broglie (1924)

Keterbatasan dari model atom Bohr itu baru mulai dapat dijelaskan setelah Louis de Broglie, seorang ahli fisika dari Perancis, mengemukakan gagasanya tentang gelombang materi. Louis de Broglie, menjelaskan bahwa cahaya (gelombang) dalam suasana tertentu dapat bersifat sebagai partikel-partikel. Sebaliknya partikel pada keadaan tertentu, dapat memperlihatkan sifat-sifat seperti gelombang. Keadaan yang memungkinkan elektron untuk bersifat seperti partikel sekaligus sebagai gelombang tersebut hanya dapat terpenuhi pada tingkat energi tertentu saja. Hipotesis de Broglie terbukti benar dengan ditemukannya sifat gelombang dari elektron. Elektron mempunyai sifat difraksi seperti halnya sinar–X. Akibat dari dualisme sifat elektron sebagai materi dan sebagai gelombang, maka lintasan orbit elektron yang dikemukakan Bohr tidak dapat dibenarkan. Gelombang tidak bergerak menurut suatu garis, melainkan menyebar pada suatu daerah tertentu.

Gambar: Difraksi sinar X dan difraksi elektron

3.    Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

Untuk menentukan lokasi dari partikel subatomik yang bersifat sebagai gelombang, fisikawan Jerman, Werner Heisenberg merumuskan apa yang sekarang dikenal sebagai prinsip ketidakpastian Heisenberg. Yaitu, tidak mungkin menentukan dengan tepat momentum dan posisi suatu partikel secara pasti. Dengan kata lain, untuk menghitung dengan tepat momentum partikel, kita harus mengurangi ketepatan dalam penentuan posisinya dan sebaliknya. Dengan menerapkan prinsip ini pada atom H, kita dapat melihat bahwa sangat tidak mungkin untuk mengetahui lokasi tepat dan momentum tepat dari elektron. Maka tidak sesuai lagi jika kita menggambarkan bahwa elektron mengelilingi inti pada suatu orbit yang spesifik seperti yang dinyatakan dalam model atom Bohr.

4.    Model Atom Mekanika Gelombang

Pada tahu 1926, seorang fisikawan asal Austria, Erwin Schrödinger menggunakan teknik matematis yang rumit untuk merumuskan sebuah persamaan yang mendeskripsikan perilaku dan energi dari partikel submikroskopis seperti elektron. Hukum ini sejalan dengan hukum Newton untuk gerak benda makroskopis.

Walaupun menurut Heisenberg tidak bisa menentukan di mana keberadaan elektron dalam atom pada suatu waktu tertentu, namun dapat ditentukan daerah di mana elektron boleh jadi berada pada suatu waktu tertentu. Melalui persamaan gelombangnya, Schrödinger merumuskan model atom yang dikenal dengan model atom mekanika kuantum atau mekanika gelombang. Pada model ini, ia mengajukan konsep tentang kerapatan elektron, yaitu kebolehjadian terbesar bagi elektron untuk dapat ditemukan pada satu daerah tertentu di dalam atom. Daerah dengan kerapatan elektron yang tinggi menunjukkan kebolehjadian yang tinggi untuk menemukan posisi elektron. Jika pada model atom Bohr menggunakan istilah orbit untuk menyatakan lintasan yang dilalui elektron untuk mengelilingi inti, maka pada mekanika gelombang digunakan istilah orbital, yaitu daerah dengan kebolehjadian yang tinggi untuk menemukan elektron.