DUALISME SIFAT CAHAYA dan MODEL ATOM

DUALISME SIFAT CAHAYA dan MODEL ATOM Diajukan Untuk Ujian Sekolah Praktek Fisika

Disusun oleh : Andini Pupsa Indahsari

13.59.07447

Gempita Anargia

13.59.07516

Ilham Aldi Pratama

13.59.07528

Nurul Latifah

13.59.07608

Taofik Nurhafidz Sutisna

13.59.07665

Kelas XII - 2

SEKOLAH MENENGAH KEJURUAN - SMAK BOGOR 2015 - 2016

Dualisme Sifat Cahaya dan Model Atom (Kelompok 4/XII.2)

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan YME , karena dengan rahmat dan karunia-Nya kami dapat menyelesaikan makalah ini yang berjudul “Dualisme Sifat Cahaya dan Model Atom Menurut Beberapa Ahli” . Meskipun banyak hambatan yang kami alami dalam proses pengerjaannya , tapi kami berhasil menyelesaikan makalah ini dengan sebaik mungkin dan tepat pada waktunya . Tidak lupa kami sampaikan terimakasih kepada guru yang telah membantu dan membimbing kami dalam mengerjakan dan menyelesaikan karya ilmiah ini agar hasilnya bisa sesuai dengan harapan . Kami juga mengucapkan terima kasih kepada teman teman seperjuangan yang sudah memberi saran , kritik dan kontribusi lainnya baik secara langsung maupun tidak langsung dalam pembuatan makalah ini . Tentunya , kami sangat berharap ada hal yang dapat kami berikan kepada orang lain dari makalah ini , oleh karena itu kami berharap semoga makalah ini dapat menjadi sesuatu yang berguna bagi kita bersama . Penulis menyadari bahwa dalam menyusun makalah ini masih jauh dari kata sempurna , untuk itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya makalah ini .Penulis berharap maklalah ini bisa bermanfaat bagi penulis khususnya dan bagi pembaca umumnya .

Bogor , 5 Maret 2016

Penyusun

i


DAFTAR ISI

halaman KATA PENGANTAR ................................................................................................... i DAFTAR ISI ................................................................................................................. ii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... iv BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................. 1 A. Cahaya ................................................................................................................ 1 B. Foton .................................................................................................................. 3 BAB II SIFAT DUALISME CAHAYA ....................................................................... 6 A. Sifat Cahaya sebagai partikel ............................................................................. 6 a.

Radiasi Benda Hitam ...................................................................................... 6

b.

Efek Fotolistrik ............................................................................................. 10

B. Sifat Cahaya Sebagai Gelombang .................................................................... 16 a.

Efek Compton............................................................................................... 16

b.

Difraksi elektron ........................................................................................... 18

BAB III MODEL ATOM MENURUT PARA AHLI ................................................ 20 A. Model Atom Dalton ......................................................................................... 20 a.

Kelemahan Teori Atom Dalton .................................................................... 20

b.

Kelebihan Teori Atom Dalton ...................................................................... 21

B. Model Atom Thomson ..................................................................................... 21 a.

Kelebihan dan Kelemahan Model Atom Thomson ...................................... 21

C. Model Atom Rutherford ................................................................................... 21 a.

Kelebihan dan Kelemahan Model Atom Rutherford ................................... 22

D. Model Atom Bohr ............................................................................................ 23 a.

Kelebihan dan Kelemahan Model Atom Bohr ............................................. 23

E. Model Atom Modern ....................................................................................... 23 a.

Kelebihan Model Atom Modern .................................................................. 24

ii


b. F.

Kelemahan Model Atom Modern ................................................................. 24 Percobaan Spektrum Atom Hidrogen Balmer.................................................. 24

a.

Persamaan Spektrum Atom Hidrogen Balmer ............................................. 25

b.

Deret Spektrum Atom Hidrogen .................................................................. 26

G. Tingkat Energi Elektron ................................................................................... 26 a.

Tingkat Energi elektron Pada Tiap Orbit Elektron....................................... 26

b.

Tingkat Energi Elektron Untuk Melepaskan Ikatan ..................................... 31

BAB IV SOAL DAN PEMBAHASAN ...................................................................... 32 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 35

iii


DAFTAR GAMBAR halaman Gambar 1. Gelombang Elektromagnetik....................................................................... 2 Gambar 2. Gelombang Elektromagnetik yang Membentuk Radiasi Elektromagnetik . 3 Gambar 3. Grafik Pergeseran Radiasi Benda Hitam..................................................... 9 Gambar 4. Skema Alat Einstein .................................................................................. 10 Gambar 5. Tabung Pelucutan Gas ............................................................................... 25 Gambar 6. Orbit Elektron............................................................................................ 27 Gambar 7. Lintasan Stasioner Elektron ...................................................................... 28 Gambar 8. Elektron Berpindah dari Lintasan B ke Lintasan A (rB > rA) .................. 29

iv


BAB I PENDAHULUAN A.

Cahaya Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton. Kedua definisi tersebut merupakan sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern. Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran optik seperti: intensitas, frekuensi atau panjang gelombang, polarisasi dan fase cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi. Masing-masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris dan optika fisis. Pada puncak optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik dan memicu serangkaian penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838 oleh Michael Faraday dengan penemuan sinar katode, tahun 1859 dengan teori radiasi massa hitam oleh Gustav Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig Boltzmann mengatakan bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantum sebagai model dari teori radiasi massa hitam oleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa bahwa energi yang teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang disebut elemen energi, E.

1


Pada tahun 1905, Albert Einstein membuat percobaan efek fotoelektrik, cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk melejit keluar dari orbitnya. Pada pada tahun 1924 percobaan oleh Louis de Broglie menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang, hingga tercetus teori dualitas partikel-gelombang. Albert Einstein kemudian pada tahun 1926 membuat postulat berdasarkan efek fotolistrik, bahwa cahaya tersusun dari kuanta yang disebut foton yang mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert Einstein dan Max Planck mendapatkan penghargaan Nobel masing-masing pada tahun 1921 dan 1918 dan menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh banyak ilmuwan, termasuk Werner Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert, Roy J. Glauber dan lain-lain. Era ini kemudian disebut era optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai dualisme gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut foton. Pengembangan lebih lanjut terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya sinar maser, dan sinar laser pada tahun 1960. Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi memperkenalkan sifatsifat cahaya yang lain yaitu difusi dan hamburan.

Gambar 1. Gelombang Elektromagnetik

2


Gelombang elektromagnetik dapat digambarkan sebagai dua buah gelombang yang merambat secara transversal pada dua buah bidang tegak lurus yaitu medan magnetik dan medan listrik. Merambatnya gelombang magnet akan mendorong gelombang listrik, dan sebaliknya, saat merambat, gelombang listrik akan mendorong gelombang magnet. Diagram di atas menunjukkan gelombang cahaya yang merambat dari kiri ke kanan dengan medan listrik pada bidang vertikal dan medan magnet pada bidang horizontal.

Gambar 2. Gelombang Elektromagnetik yang Membentuk Radiasi Elektromagnetik

B.

Foton Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik. Biasanya foton dianggap sebagai pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X. Foton berbeda dengan partikel elementer lain seperti elektron dan quark, karena ia tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya . Foton memiliki sifat gelombang maupun partikel. Sebagai gelombang, satu foton tunggal tersebar di seluruh ruang dan menunjukkan fenomena gelombang seperti pembiasan oleh lensa dan interferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain. Sebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah:

,

3


di mana

adalah konstanta Planck,

adalah laju cahaya, dan

adalah

panjang gelombangnya. Selain energi partikel foton juga membawa momentum dan memiliki polarisasi. Foton mematuhi hukum mekanika kuantum, yang berarti kerap kali besaran-besaran tersebut tidak dapat diukur dengan cermat. Biasanya besaranbesaran tersebut didefinisikan sebagai probabilitas mengukur polarisasi, posisi, atau momentum tertentu. Sebagai contoh, meskipun sebuah foton dapat mengeksitasi satu molekul tertentu, sering tidak mungkin meramalkan sebelumnya molekul yang mana yang akan tereksitasi.Deskripsi foton sebagai pembawa radiasi elektromagnetik biasa digunakan oleh para fisikawan. Namun dalam fisika teoretis sebuah foton dapat dianggap sebagai mediator buat segala jenis interaksi elektromagnetik, seperti medan magnet dan gaya tolak-menolak antara muatan sejenis. Konsep modern foton dikembangkan secara berangsur-angsur antara 1905-1917 oleh Albert Einstein untuk menjelaskan pengamatan eksperimental yang tidak memenuhi model klasik untuk cahaya. Model foton khususnya memperhitungkan ketergantungan energi cahaya terhadap frekuensi, dan menjelaskan kemampuan materi dan radiasi elektromagnetik untuk berada dalam kesetimbangan termal. Fisikawan lain mencoba menjelaskan anomali pengamatan ini dengan model semiklasik, yang masih menggunakan persamaan Maxwell untuk mendeskripsikan cahaya. Namun dalam model ini objek material yang mengemisi dan menyerap cahaya dikuantisasi. Meskipun modelmodel semiklasik ini ikut menyumbang dalam pengembangan mekanika kuantum, percobaan-percobaan lebih lanjut membuktikan hipotesis Einstein bahwa cahaya itu sendirilah yang terkuantisasi. Kuantum cahaya adalah foton.

4


Konsep foton telah membawa kemajuan berarti dalam fisika teoretis dan eksperimental, seperti laser, kondensasi Bose-Einstein, teori medan kuantum dan interpretasi probabilistik dari mekanika kuantum. Menurut model standar fisika partikel, foton bertanggung jawab dalam memproduksi semua medan listrik dan medan magnet dan foton sendiri merupakan hasil persyaratan bahwa hukum-hukum fisika memiliki kesetangkupan pada tiap titik pada ruang-waktu. Sifat-sifat intrinsik foton seperti muatan listrik, massa dan spin ditentukan dari kesetangkupan gauge ini. Konsep foton diterapkan dalam banyak area seperti fotokimia, mikroskopi resolusi tinggi dan pengukuran jarak molekuler. Baru-baru ini foton dipelajari sebagai unsur komputer kuantum dan untuk aplikasi canggih dalam komunikasi optik seperti kriptografi kuantum .

5


BAB II SIFAT DUALISME CAHAYA

A.

Sifat Cahaya sebagai partikel a.

Radiasi Benda Hitam Apabila sepotong besi kita panaskan, maka suhu logam tersebut akan mengalami kenaikan. Makin lama dipanaskan, suhunya semakin tinggi. Makin tinggi suhu benda akan menimbulkan ruangan di sekitar benda itu menjadi panas. Hal ini menunjukkan bahwa benda memancarkan energi kalor ke sekitarnya. Energi yang dipancarkan benda

6


ke sekitarnya disebut energi radiasi. Energi radiasi yang dipancarkan sebuah

benda

dalam

bentuk

gelombang,

yaitu

gelombang

elektromagnetik. Faktor apa saja yang memengaruhi radiasi suatu benda? Jika kita berada di dekat benda yang panas, pada tubuh kita akan terasa panas. Tubuh akan terasa semakin panas apabila kita berada di dekat benda yang suhunya lebih tinggi. Serta panas yang kita rasakan akan semakin kuat jika benda yang berada di dekat kita berwarna gelap, di samping itu juga makin luas permukaan benda, semakin terasa panas yang kita rasakan. Di samping benda memancarkan panas, benda pun dapat menyerap panas (energi). Hal ini tergantung pada suhu antara benda dengan ruangan di sekitar benda. Apabila suhu benda lebih tinggi daripada suhu ruangan, benda akan memancarkan panas dan sebaliknya jika suhu benda lebih rendah, maka benda tersebut akan menyerap energi (panas). Energi yang dipancarkan oleh suatu benda tidak tergantung pada jenis bendanya. Akan tetapi tergantung pada suhu benda itu dan sifat permukaan benda. Benda yang mudah menyerap panas sekaligus merupakan benda yang memancarkan panas dengan baik. Makin tinggi suhu benda semakin besar energi yang dipancarkan. i.

Hukum Stefan-Boltzman Salah satu hukum radiasi yang menyatakan bahwa jumlah energi yang dipancarkan per unit waktu dari satuan luas permukaan benda hitam ideal sebanding dengan kekuatan keempat suhu absolut hitam. Hukum ini didirikan secara eksperimen oleh Stefan dan diberi dukungan teoretis oleh termodinamika penalaran Boltzmann. Undang-undang ini dapat disimpulkan oleh mengintegrasikan hukum Planck atas spektrum frekuensi seluruh. Ekperimen tentang

7


radiasi kalor benda pertama kali dilakukan oleh Joseph Stefan dan Ludwig Boltzmann, diperoleh kesimpulan yang dinyatakan dalam rumus : W = e V AT4 dengan: W = intensitas radiasi kalor yang dipancarkan benda tiap detiknya (watt) e = emisivitas benda V = kontante Stefans – Boltzmann (5,670 x 10-8 Wm-2K-4) A = luas permukaan benda (m2) T = suhu benda (K) ii.

Hukum Pergeseran Wien Jika sebuah benda hitam dipanaskan, maka benda itu suhunya akan naik dan warnanya akan berubah dari merah tua bergeser ke arah sinar putih. Pergeseran warna benda tersebut menunjukkan bahwa pancaran energi radiasi semakin tinggi suhunya semakin besar frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan benda tersebut dan semakin lengkap gelombang elektromagnetik yang dipancarkan.

8


Gambar 3. Grafik Pergeseran Radiasi Benda Hitam

Spektrum radiasi benda hitam merupakan gambaran dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh benda hitam. Seorang fisikawan dari bangsa Jerman, berhasil menemukan suatu hubungan empiris sederhana bahwa

radiasi benda hitam selalu terdapat

panjang gelombang yang membawa energi paling besar (intensitas maksimum), dan panjang gelombang yang membawa intensitas paling besar (maksimum) selalu bergeser terus ke arah panjang gelombang lebih kecil ketika suhu benda tersebut bertambah. Pernyataan ini dikenal dengan hukum pergeseran Wien yang dirumuskan: λ max. T = C dengan : λ max = panjang gelombang yang membawa energi maksimum T = suhu benda (K) C = konstanta Wien = 2,898×10-3 mK 9


b.

Efek Fotolistrik Untuk menguji teori kuantum yang dikemukakan oleh Max Planck, kemudian Albert Einstein mengadakan suatu penelitian yang bertujuan untuk menyelidiki bahwa cahaya merupakan pancaran paket-paket energi yang kemudian disebut foton yang memiliki energi sebesar hf. Percobaan yang dilakukan Einstein lebih dikenal dengan sebutan efek fotolistrik. Peristiwa efek fotolistrik yaitu terlepasnya elektron dari permukaan logam karena logam tersebut disinari cahaya.

Gambar 4. Skema Alat Einstein

Gambar di atas menggambarkan skema alat yang digunakan Einstein untuk mengadakan percobaan. Alat tersebut terdiri atas tabung hampa udara yang dilengkapi dengan dua elektroda yang dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah (DC). Pada saat alat tersebut dibawa ke dalam ruang gelap, maka amperemeter tidak menunjukkan adanya arus listrik. Akan tetapi pada saat permukaan Katoda dijatuhkan sinar amperemeter menunjukkan adanya arus listrik. Hal ini menunjukkan

10


adanya aliran arus listrik. Hal ini menunjukkan bahwa energi kinetik maksimum elektron yang keluar dari permukaan adalah sebesar: Ek = 1/2mv2 = e Vo dengan: Ek = energi kinetik elektron foto (J atau eV) m = massa elektron (kg) v = kecepatan elektron (m/s) e = muatan elektron (C) Vo = potensial henti (volt) Dalam teori gelombang ada dua besaran yang sangat penting, yaitu frekuensi (panjang gelombang) dan intensitas. Ternyata teori gelombang gagal menjelaskan tentang sifatsifat penting yang terjadi pada efek fotolistrik, antara lain : a) Menurut teori gelombang, energi kinetik elektron foto harus bertambah besar jika intensitas foton diperbesar. Akan tetapi kenyataan menunjukkan bahwa energi kinetik elektron foto tidak tergantung pada intensitas foton yang dijatuhkan. b) Menurut teori gelombang, efek fotolistrik dapat terjadi pada sembarang frekuensi, asal intensitasnya memenuhi. Akan tetapi kenyataannya efek fotolistrik baru akan terjadi jika frekuensi melebihi harga tertentu dan untuk logam tertentu dibutuhkan frekuensi minimal yang tertentu agar dapat timbul elektron foto.

11


c) Menurut teori gelombang diperlukan waktu yang cukup untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Akan tetapi kenyataannya elektron terlepas dari permukaan logam dalam waktu singkat (spontan) dalam waktu kurang 10-9 sekon setelah waktu penyinaran. d) Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa energi kinetik maksimum elektron foto bertambah jika frekuensi foton yang dijatuhkan diperbesar. Teori kuantum mampu menjelaskan peristiwa ini karena menurut teori kuantum bahwa foton memiliki energi yang sama, yaitu sebesar hf, sehingga menaikkan intensitas foton berarti hanya menambah banyaknya foton, tidak menambah energi foton selama frekuensi foton tetap. Menurut Einstein energi yang dibawa foton adalah dalam bentuk paket, sehingga energi ini jika diberikan pada elektron akan diberikan seluruhnya, sehingga foton tersebut lenyap. Oleh karena elektron terikat pada energi ikat tertentu, maka diperlukan energi minimal sebesar energi ikat elektron tersebut. Besarnya energi minimal yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari energi ikatnya disebut fungsi kerja (Wo) atau energi ambang. Besarnya Wo tergantung pada jenis logam yang digunakan. Apabila energi foton yang diberikan pada elektron lebih besar dari fungsi kerjanya, maka kelebihan energi tersebut akan berubah menjadi energi kinetik elektron. Akan tetapi jika energi foton lebih kecil dari energi ambangnya (hf < Wo) tidak akan menyebabkan elektron foto. Frekuensi foton terkecil yang mampu menimbulkan elektron foto disebut frekuensi ambang. Sebaliknya panjang gelombang terbesar yang mampu menimbulkan elektron foto disebut panjang gelombang ambang. Sehingga hubungan antara energi foton, fungsi kerja dan energi kinetik elektron foto dapat dinyatakan dalam persamaan : E = Wo + Ek atau Ek = E – Wo

12


sehingga Ek = hf – hfo = h (f – fo) dengan : Ek = energi kinetik maksimum elektron foto h = konstanta Planck f = frekuensi foton fo = frekuensi ambang i.

Teori Kuantum Planck Pada akhir tahun 1900 Max Planck mengemukakan pendapatnya yang sangat radikal karena apa yang dikemukakan Planck sangat bertentangan dengan pendapat saat itu. Menurut Max Planck bahwa energi radiasi benda hitam dipancarkan tidak secara kontinu tetapi secara diskontinu, yaitu pancaran radiasi benda hitam dipancarkan dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta atau kemudian lebih dikenal sebagai foton. Berikut adalah asumsi yang dinyatakan oleh Max Planck: a) Energi radiasi yang dipancarkan oleh getaran atom-atom benda hitam berbentuk diskret (diskontinu) yaitu berupa paket energi yang besarnya: E=nhf Dengan n adalah bilangan kuantum dan f adalah frekuensi getaran atom, dan h adalah konstanta Planck yang besarnya 13


6,625 x 10

-34

Joule sekon. Karena energinya diskret maka

dikatakan energinya terkuantisasi atau tereksitasi, di mana energi yang boleh diperkenankan adalah untuk n = 1, 2, 3,... yang kemudian dikenal sebagai tingkat-tingkat energi atom. b) Molekul-molekul atau atom-atom akan memancarkan atau menyerap energi dalam bentuk paket-paket energi (diskret) yang disebut kuantum atau foton. Setiap foton memiliki energi sebesar hf. Jika suatu atom menyerap 1 foton, energinya bertambah sebesar hf dan sebaliknya jika memancarkan satu foton energinya akan berkurang sebesar hf. ii.

Teori Kuantum Einsten Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton. Pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom hidrogen, lagi dengan menggunakan kuantisasi. Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang gelombang benda. Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal, tidak ada penjelasan yang gamblang untuk kuantisasi. Mereka dikenal sebagai teori kuantum lama. Istilah "Fisika kuantum" pertama kali digunakan oleh Johnston dalam tulisannya Planck's Universe in Light of Modern Physics (Alam Planck Dalam Cahaya Fisika Modern). Einstein mengusulkan bukan saja cahaya yang dipancarkan menurut suatu kuantum pada saat tertentu tetapi juga menjalar menurut kuanta individual. Hipotesis ini menerangkan efek fotolistrik, yaitu

14


elektron yang terpancar bila frekuensi cahaya cukup tinggi, terjadi dalam daerah cahaya tampak dan ultraungu. Hipotesa dari Max Planck dan Einstein menghasilkan rumusan empiris tentang efek fotolistrik yaitu : hV = Kmaks + hVo hV = Isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang Kmaks = Energi fotoelektron maksimum hVo = Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron dari permukaan logam yang disinari Tidak semua fotoelektron mempunyai energi yang sama sekalipun frekuensi cahaya yang digunakan sama. Tidak semua energi foton (hv) bisa diberikan pada sebuah elektron. Suatu elektron mungkin akan hilang dari energi awalnya dalam interaksinya dengan elektron lainnya di dalam logam sebelum ia lenyap dari permukaan. Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam biasanya memerlukan separuh dari energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom bebas dari logam yang bersangkutan. Penafsiran Einstein mengenai fotolistrik dikuatkan dengan emisi termionik. Dalam emisi foto listrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedangkan dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakannya. Usul Planck bahwa benda memancarkan cahaya dalam bentuk kuanta tidak bertentangan dengan penjalaran cahaya sebagai gelombang. Sementara Einstein menyatakan cahaya bergerak melalui ruang dalam bentuk foton. Kedua hal ini baru dapat

15


diterima setelah eksperimen Compton. Eksperimen ini menunjukan adanya perubahan panjang gelombang dari foton yang terhambur dengan sudut (f) tertentu oleh partikel bermassa diam (mo). Perubahan ini tidak bergantung dari panjang gelombang foton datang (l). Hasil pergeseran compton sangat kecil dan tidak terdeteksi. Hal ini terjadi karena sebagian elektron dalam materi terikat lemah pada atom induknya dan sebagian lainnya terikat kuat. Jika elektron d timbulkan oleh foton, seluruh atom bergerak, bukan hanya elektron tunggalnya. B.

Sifat Cahaya Sebagai Gelombang a.

Efek Compton Menurut teori kuantum cahaya, foton berlaku sebagai partikel, hanya foton tidak memiliki massa diam. Jika pendapat ini benar, maka berdasarkan peristiwa efek fotolistrik yang dikemukakan oleh Einstein, Arthur Holy Compton pada tahun 1923 telah mengamati gejala-gejala tumbukan antara foton yang berasal dari sinar X dengan elektron. Compton mengamati hamburan foton dari sinar X oleh elektron dapat diterangkan dengan menganggap bahwa foton seperti partikel dengan energi hf dan momentum hf/c cocok seperti yang diusulkan oleh Einstein. Percobaan Compton cukup sederhana yaitu sinar X monokromatik (sinar X yang memiliki panjang gelombang tunggal) dikenakan pada keping tipis berilium sebagai sasarannya. Kemudian untuk mengamati foton dari sinar X dan elektron yang terhambur dipasang detektor. Sinar X yang telah menumbuk elektron akan kehilangan sebagian energinya yang kemudian terhambur dengan sudut hamburan sebesar T terhadap arah semula. Berdasarkan hasil pengamatan ternyata sinar X yang terhambur

16


memiliki panjang gelombang yang lebih besar dari panjang gelombang sinar X semula. Hal ini dikarenakan sebagian energinya terserap oleh elektron. Jika energi foton sinar X mula-mula hf dan energi foton sinar X yang terhambur menjadi (hf – hf’) dalam hal ini f > f’, sedangkan panjang gelombang yang terhambur menjadi tambah besar yaitu λ> λ c.

Dengan : λ = panjang gelombang sinar X sebelum tumbukan (m) λ c = panjang gelombang sinar X setelah tumbukan (m) h = konstanta Planck (6,625 × 10-34 Js) mo = massa diam elektron (9,1 × 10-31 kg) c = kecepatan cahaya (3 × 108 ms-1) Ф = sudut hamburan sinar X terhadap arah semula (derajat atau radian) i.

Hipotesa de Broglie Pada tahun 1924 Louise de Broglie mengemukakan pendapatnya bahwa cahaya dapat berkelakuan seperti partikel, maka partikel pun seperti halnya elektron dapat berkelakuan seperti gelombang. Sebuah foton dengan frekuensi f memiliki energi sebesar hf dan 17


memiliki momentum p = hf/c, karena c = f λ, maka momentum foton dapat dinyatakan p = h/ λ sehingga panjang gelombang foton dapat dinyatakan λ = h/p. Untuk benda yang bermassa m bergerak dengan kecepatan memilki momentum linier sebesar mv maka panjang gelombang de Broglie dari benda itu dinyatakan dengan persamaan :

b.

Difraksi elektron Syarat terjadinya difraksi adalah apabila panjang gelombang sinar sama dengan lebar celah atau kisi difraksi dan perilaku gelombang ditunjukkan oleh beberapa gejala fisis, seperti interferensi dan difraksi. Namun manifestasi gelombang yang tidak mempunyai analogi dalam perilaku partikel newtonian adalah gejala difraksi. Davisson dan Germer mempelajari elektron yang terhambur oleh kristal dengan menggunakan peralatan. Dengan mengamati energi elektron dalam berkas primer, sudut jatuhnya pada target, dan kedudukan detektor dapat diubah-ubah. Fisika klasik meramalkan bahwa elektron yang terhambur akan muncul dalam berbagai arah, dengan hanya sedikit kebergantungan dari intensitas terhadap sudut hambur dan lebih sedikit lagi dari energi elektron primer.

18


Manifestasi gelombang yang tidak mempunyai analogi dalam kelakuan partikel Newtonian ialah gejala difraksi. Dalam tahun 1927 Davisson dan Germer di Amerika Serikat dan dalam percobaanya Davisson dan Germer secara bebas meyakinkan hipotesis de Broglie dengan menunjukan berkas elektron terdifraksi bila berkas itu dihamburkan oleh kisi atom yang teratur dari suatu kristal.. Davisson dan germer mempelajari electron yang terhambur oleh zat padat dengan memakai peralatan seperti bedil electron( penembak sinar /berkas), Kristal tunggal nikel, detector electron . eksperimen Davisson dan Germer menunjukkan bukti langsung dari Hipotesis de Broglie tentang sifat gelombang benda bergerak. Analisis eksperimen DavissonGermer sebenarnya tidak langsung seperti yang ditunjukkan di atas karena energi elektron bertambah ketika elektron itu masuk ke dalam kristal dengan besar yang sama dengan besar fungsi kerja (work function) permukaan itu. Jadi kecepatan elektron dalam eksperimen lebih besar dalam kristal dan panjang gelombang de Broglie yang bersangkutan menjadi lebih kecil dari harga di luar kristal. Komplikasi lainnya timbul dari inferensi antara gelombang yang didifraksikan oleh keluarga lain dari bidang bragg yang membatasi terjadinya maksimum dan minimum menjadi hanya kombinasi tertentu dari energy elektron dari sudut pandang sebagai pengganti dari setiap kombinasi yang memenuhi persamaan Bragg.

19


BAB III MODEL ATOM MENURUT PARA AHLI A.

Model Atom Dalton John Dalton (1766–1844), 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. a.

Kelemahan Teori Atom Dalton Pada perkembangan selanjutnya ditemukan berbagai fakta yang tidak dapat dijelaskan oleh teori tersebut, antara lain : 1. Tidak dapat menjelaskan sifat listrik materi. 2. Tidak dapat menjelaskan cara atom-atom saling berikatan. 3. Model atom Dalton tidak dapat menjelaskan perbedaan antara atom unsur yang satu dengan unsur yang lain. Kelemahan –kelemahan tersebut dapat dijelaskan setelah ditemukan beberapa partikel penyusun atom, seperti elektron ditemukan oleh Joseph John Thomson tahun 1900, penemuan partikel proton oleh Goldstein tahun 1886. 20


b.

Kelebihan Teori Atom Dalton 1. Dapat menerangkan Hukum Kekekalan Massa (Hukum Lavoisier) 2. Dapat menerangkan Hukum Perbandingan Tetap (Hukum Proust)

B.

Model Atom Thomson Sehubungan dengan penemuan elektron yang menjadi bagian dari atom oleh J.J. Thomson pada tahun 1897, maka teori atom Dalton mulai goyah. 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. a.

Kelebihan dan Kelemahan Model Atom Thomson Kelebihan dari model atom ini dapat membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur. Sedangkan kelemahan model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

C.

Model Atom Rutherford Untuk menguji model atom J.J. Thomson, maka Ernest Rutherford mengadakan percobaan dengan menembak atom-atom dengan partikel-partikel

21


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. 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 lintasan-lintasan seperti planet-planet mengitari matahari dalam sistim tata surya. a.

Kelebihan dan Kelemahan Model Atom Rutherford 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

22


seharusnya menurut teori atom Rutherford karena elektron memiliki gerakan spiral maka spektrum yang dihasilkan merupakan spektrum yang kontinu tetapi kenyataannya spektrum diskontinu. D.

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 lintasan-lintasan 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/2π. a.

Kelebihan dan Kelemahan Model Atom Bohr Kelebihan dari model atom Bohr adalah bahwa atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron.

Sedangkan

kelemahan model atom ini adalah tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack. E.

Model Atom Modern Model atom mekanika kuantum dikembangkan oleh Erwin Schrodinger (1926).Sebelum Erwin Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner 23


Heisenberg mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara seksama pada saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti atom”. Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan elektron disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin Schrodinger.Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron dalam tiga dimensi. a.

Kelebihan Model Atom Modern 1. Mengetahui dimana posisi elektron yang sedang mengorbit 2. Dapat mengukur perpindahan energi eksitasi dan emisinya 3. Dapat teridentifikasi kalau di inti terdapat proton dan netron kemudian dikelilingi oleh elektron yang berputar diporosnya/ di orbitalnya

b.

Kelemahan Model Atom Modern Persamaan gelombang Schrodinger hanya dapat diterapkan secara eksak untuk partikel dalam kotak dan atom dengan elektron tunggal.

F.

Percobaan Spektrum Atom Hidrogen Balmer Apabila suatu zat dipanaskan secara terus-menerus, maka zat ini akan memancarkan cahaya dengan bentuk spektrum yang kontinu. Pemancaran radiasi cahaya pada zat ini disebabkan oleh getaran atom-atom penyusun zat.

24


Gambar 5. Tabung Pelucutan Gas

Akan tetapi jika suatu gas yang berada dalam tabung gas bertekanan rendah diberi beda potensial tinggi maka gas akan memancarkan spektrum (diskontinu), yang berarti gas hanya memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Gas hidrogen 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 spektrum cahaya), pada pelat film terdapat garis cahaya, di mana satu garis cahaya menampilkan sebuah panjang gelombang yang dipancarkan cahaya dari sumber cahaya. a.

Persamaan Spektrum Atom Hidrogen Balmer 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 :

di mana untuk nA = 2 dan nB = 3, 4, dan 5

25


dengan : λ = panjang gelombang yang dipancarkan R = Konstanta Rydberg = 1,097 × 107 m-1 b.

Deret Spektrum Atom Hidrogen 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 (spektrum 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 … ∞ 2. Deret Balmer : untuk nA = 2 dan nB = 3, 4, 5, 6 … ∞ 3. Deret Paschen : untuk nA = 3 dan nB = 4, 5, 6, 7 … ∞ 4. Deret Braket : untuk nA = 4 dan nB = 5, 6, 7, 8, … ∞ 5. Deret Pfund : untuk nA = 5 dan nB = 6, 7, 8 … ∞

G.

Tingkat Energi Elektron Tingkat energi elektron tergantung oleh posisi orbit elektron tersebut. Elektron hanya dapat berputar mengelilingi inti pada lintasan tertentu dengan tingkat energi yang tertentu pula. Marilah kita mencoba untuk menghitung jarijari lintasan stasioner dan tingkat energinya. a.

Tingkat Energi elektron Pada Tiap Orbit Elektron Gambar dibawah menggambarkan sebuah elektron yang mengorbit di sekitar inti pada jarak r.

26


Gambar 6. Orbit Elektron

Berdasarkan hukum Coulomb antara elektron dan inti atom akan terjadi gaya interaksi, yaitu gaya tarik. Gaya tarik coulomb ini sebagai gaya sentripetal elektron mengelilingi inti atom. Gaya Coulomb

Gaya Sentripetal

Gaya Coulomb = Gaya sentripetal

Energi kinetik elektron

Energi potensial elektron Ep = q V = Energi total elektron

27


E = Ek + Ep

E=

E= 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.

Gambar 7. Lintasan Stasioner Elektron 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.

28


Gambar 8. Elektron Berpindah dari Lintasan B ke Lintasan A (rB > rA)

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 : E = hf = EB – EA

=

=

=

Jari- jari orbit elektron didapat dari postulat Bohr ketiga yaitu :

L

Dari persamaan energi kinetik

29


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:

Jika,

= R maka kita dapatkan

Maka besarnya energi elektron pada lintasan ke n adalah:

Jika nilai π = 3,14 , k = 9 × 109 Nm2/C2 , m = 9,1 × 10-31 kg, e = 1,6 × 1019

C, h = 6,62 × 10-34 Js, dan 1 eV = 1,6 × 10-19 J kita dimasukkan dalam

30


persamaan, maka didapatkan energi elektron pada suatu lintasan tertentu adalah :

b.

Tingkat Energi Elektron Untuk Melepaskan Ikatan Persamaan diatas menunjukkan bahwa energi total elektron 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 elektron 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.

31


BAB IV SOAL DAN PEMBAHASAN

1.

Tentukan energi radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda yang memiliki luas 400 cm2 yang suhunya 127oC, jika diketahui emisivitas benda itu 0,5! Konstanta Stefans – Boltzmann (5,670 x 10-8 Wm-2K-4) Diketahui: A = 400 cm2 = 4 . 10-2 m2 T = 127o C = 273 + 127 o C = 400 K e = 0,5 V = 5,67 x 10-8 W m-2K-4 Ditanyakan : W = ...? Jawab : W = e V AT4 = 0,5 . 5,67 . 10-8 . 4. 10-2 . 4004 = 29,0304 W/m2

2.

Sebuah benda berpijar membunyai suhu 227 derajat celcius. Hitung panjang gelombang dari benda pijar tersebut yang dapat memancarkan energi maksimum. Diketahui: T = 227 o C = 273 + 227 o C = 500 K Ditanyakan: λ max =...? Jawab:

32


3.

Berapa besar energi foton yang dipancarkan oleh sinar kuning yang mempunyai panjang gelombang 600 nm. Diketahui: λ = 600 nm = 6 x 10-7 m Ditanyakan: E = ...? Jawab: 𝑐

𝐸 = ℎ .𝑓 = ℎ

λ

−34

=

3×108

6,6 ×10

−7

6 ×10

= 3,3 x 10-19 J

4.

Sinar X dengan panjang gelombang 0,200 nm dihamburkan dari suatu balok karbon. Jika radiasi yang dihamburkan membentuk sudut 90 derajat terhadap sinar datang, tentukan besar pergeseran Compton. Diketahui: λ = 0,200 nm = 2 x 10-10 m m0 = 9,1 x 10-31 c = 3 x 108 α = 90o ; cos α = 0 Ditanyakan: ∆λ = ...? Jawab: ∆λ =

h 1 − cosα m0 c

33


=

6,6 × 10−14 9,1 ×10−31 × 3 ×108

1−0

= 2,4 × 10−12 𝑚 5.

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:

= 1,097 × 107 ( 2-2 - ∞-1 ) = 1,097 × 107 =

4

1,097 ×107

1 4

= 4,388 × 10-7 m

Jadi panjang gelombang terpendek dari spektrum pada deret Balmer sebesar 4,388 × 10-7 m .

34


DAFTAR PUSTAKA

1. https://id.wikipedia.org/wiki/Cahaya 2. https://id.wikipedia.org/wiki/Foton 3. http://id.termwiki.com/ID/Stefan-Boltzmann_law_%E2%82%81 4. Suharyanto , dkk .2009. Fisika Untuk SMA dan MA Kelas XII. Jakarta : CV.Sahabat .

35

DUALISME SIFAT CAHAYA dan MODEL ATOM

Recommend Documents