Model Atom pra-Kuantum dan Teori Kuantum Lama Model Bohr

Keberhasilan mendeteksi elektron memberikan hipotesis bahwa atom terdiri dari partikel-partikel sub-atomik…

Model Atom Model Thomson: Model “Plum pudding” atau “model kue kismis” atom = bola bermuatan positif (diameter 10-10 m), elektron dicakup di dalamnya, terdistribusi seragam (seperti kismis pada kue) yaitu elektron bagian dari atom, dapat terlepas – atom tidak lagi bagian terkecil dari materi!

Eksperimen Geiger-Marsden-Rutherford Geiger, Marsden, 1906 - 1911 (diinterpretasi oleh Rutherford, 1911) Menggunakan partikel  dari sumber radioaktif Membuat “beam/berkas” partikel menggunakan “kolimator” (plat tembaga yang dilubangi, membentuk garis lurus) menembaki foil emas, perak, tembaga dengan berkas tersebut Mengukur sudut hamburan partikel dengan scintillating screen (ZnS)

Hasil eksperimen Geiger-Marsden Sebagian besar partikel dibelokkan hanya dengan sudut kecil, namun sebagian lagi dengan sudut besar, atau bahkan dikembalikan. Distribusi sudut hamburan partikel tidak sesuai dengan prediksi model Thomson (hanya sudut kecil) Tapi sesuai dengan hamburan oleh inti yang rapat bermuatan positif dengan diameter < 10-14 m, dikelilingi oleh elektron pada 10-10 m

Model Rutherford “Planetary model of atom” muatan positif terkonsentrasi di inti (<10-14 m); elektron negatif berada dalam orbit mengelilingi inti pada jarak 10-10 m; elektron terikat di inti melalui gaya elektromagnetik.

Model Rutherford Permasalahan dengan model Rutherford: elektron dalam orbit mengelilingi inti mengalami percepatan sentripetal yang mengubah arah kecepatannya; menurut teori elektromagnetik (persamaan Maxwell), elektron yang dipercepat akan memancarkan radiasi elektromagnetik (frekuensi = frekuensi revolusi); elektron kehilangan energi melalui radiasi  orbit akan meluruh; karena frekuensi revolusinya terus berubah  spektrum emisi kontinu (tidak ada garis spektra), dan atom-atom tidak akan stabil (lifetime  10-10 s )

Spektrum Atom Spektrum emisi dan absorpsi Atom-atom memancarkan dan menyerap panjang gelombang spesifik. Atom-atom dari berbagai unsur memiliki panjang gelombang emisi dan absorbsi yang beragam pula. Panjang gelombangnya sama baik untuk absorbsi maupun emisi. Tahun 1885, Balmer menemukan formula empirik yang menguraikan panjang gelombang tersebut untuk atom hidrogen. placed in (n=3,l=656.3 nm) etc.

Teori Bohr untuk Atom Hidrogen (1913) Asumsi dasar teori Bohr: Elektron bergerak dalam orbit lingkaran mengelilingi proton di bawah pengaruh gaya tarik Coulomb. Hanya orbit tertentu yang stabil (stasioner). Dalam orbit ini atom hidrogen tidak memancarkan energi dalam bentuk radiasi EM. Karena itu, energi total atom konstan dan mekanika klasik dapat digunakan untuk menguraikan gerak elektron. Radiasi dipancarkan oleh atom hidrogen apabila elektron melompat dari keadaan awal yang lebih energetik ke keadaan yang kurang energetik. Frekuensi  dari radiasi yang dipancarkan terkait dengan perubahan energi dalam atom dan tidak bergantung pada frekuensi gerak orbit elektron: Ukuran orbit elektron yang diperkenankan ditentukan oleh syarat yang diberikan pada momentum sudut orbit elektron: centripetal force

Teori Bohr untuk Atom Hidrogen (1913) Konsekuensi teori Bohr: Energi potensial atom hidrogen: Energi total atom dengan asumsi bahwa intinya diam: Dari hukum kedua Newton diterapkan bagi elektron: Tanda negatif menyatakan bahwa elektron terikat ke inti (proton) Dari asumsi ke-4 dan hal ini berarti: Radius orbit elektron yang diperkenankan Radius Bohr: Tingkat energi elektron:

Teori Bohr untuk Atom Hidrogen (1913) Konsekuensi teori Bohr: Energi ionisasi: Level tertinggi terkait dengan E = 0 dan n = , energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron sepenuhnya dari atom (energi ionisasi = E1). Keadaan dasar (ground state): Keadaan energi terendah (n = 1) disebut keadaan dasar (ground state). Foton yang diemisikan/diserap: Dari postulat ke-3, dalam transisi elektron dari orbit dengan bilangan kuantum utama (principal quantum number) ni ke nf, terdapat emisi foton dengan frequensi  diberikan oleh:

Teori Bohr untuk Atom Hidrogen (1913) Konsekuensi teori Bohr: panjang gelombang foton yang dipancarkan atau diserap: Karena l = c, konstanta Rydberg dapat ditentukan! terdapat transisi yang disebut : - Deret Lyman nf = 1, ni = 2,3,4,… - Deret Balmer nf = 2, ni = 3,4,5,… - Deret Paschen nf = 3, ni = 4,5,6,… Prinsip Korespondensi Bohr: Mekanika kuantum bersesuaian dengan fisika klasik apabila selisih energi antara tingkat-tingkat kuantisasi sangatlah kecil.

Keadaan dasar dan keadaan tereksitasi Keadaan dasar (ground state) = keadaan energi terendah, n = 1; elektron dalam keadaan normal; elektron berada “di dasar sumur potensial”; energi yang diperlukan untuk mengeluarkannya dari sumur = “binding energy (energi ikat)”; Keadaan tereksitasi (excited states) = keadaan dengan n > 1 excitation = pindah ke keadaan yang lebih tinggi de-excitation = pindah ke keadaan yang lebih rendah Satuan energi eV = “electron volt” = energi yang diterima elektron ketika dipercepat melalui potensial listrik 1 Volt; biasa digunakan dalam fisika atom dan nuklir; 1 eV = 1.6 x 10-19 J Hubungan antara energi dan panjang gelombang: E = h = hc/; hc = 1.24 x 10-6 eV m

Eksitasi dan de-eksitasi Proses Eksitasi: Memperoleh energi melalui tumbukan dengan atom, molekul, atau elektron lain; energi kinetik tumbukan dari penumbuk dikonversi menjadi energi internal atom Energi yang berasal dari pemanasan; Menyerap foton yang datang dengan energi tertentu. Proses de-eksitasi: De-eksitasi spontan dengan pemancaran foton yang membawa energi = selisih antara dua tingkat energi; Umunya, kala hidup keadaan tereksitasi adalah  10-8 s (bandingkan dengan periode revolusi  10-16 s )

Eksitasi: states of electron in hydrogen atom:

Modifikasi Teori Bohr Keberhasilan teori Bohr: menjelaskan deret Balmer dan deret-deret spektra yang lain memprediksi dengan tepat nilai konstanta Rydberg memberi pernyataan radius atom memprediksi tingkat-tingkat energi atom hidrogen Teori ini memberikan model bagaimana kelakuan atom hidrogen. Dengan penyempurnaan dan modifikasi, teori ini dapat digunakan sebagai model untuk atom lain selain hidrogen. Perluasan teori Bohr untuk atom hydrogen-like: Atom hydrogen-like mengandung hanya satu elektron : He-, Li2-, Be3- dst. Untuk memperluas ke teori atom hydrogen-like, gantikan e2 dengan Ze2 dengan Z adalah bilangan atom suatu unsur.

Modifikasi Teori Bohr Perluasan Sommerfeld dari teori Bohr: Sommerfeld memperluas teori Bohr dengan menyertakan orbit elips. Model Sommerfeld memperkenalkan, sebagai tambahan dari principal quantum number n, suatu bilangan kuantum baru, disebut orbital quantum number l , dengan nilai l merentang dari 0 ke n-1 dalam step bilangan bulat. Untuk suatu n, l = 0,1,…,n -1 : n = 2  l = 0,1… Electron pada suatu keadaan energi yang diperkenankan dapat pindah ke sejumlah orbit yang terkait dengan l yang berbeda. Semua keadaan dengan bilangan kuantum utama yang sama n dikatakan membentuk kulit (shell), yang diidentifikasi dengan huruf K,L,M,…terkait dengan n = 1,2,3,… Huruf-huruf s, p, d, f, g,… digunakan untuk menandai keadaan dengan l = 0,1,2,3,4,…

Modifikasi Teori Bohr Bilangan kuantum magnetik orbital ml Bilangan kuantum lain diperkenalkan ketika ditemukan garis-garis spektra gas memisah (split) menjadi beberapa garis berdekatan ketika gas diletakkan dalam medan magnetik kuat (Zeeman effect). Orbital magnetic quantum number ml : -l =< ml =< l (2l+1 states) Bilangan kuantum magnetik spin ms Bilangan kuantum lain diperkenalkan ketika ditemukan bahwa garis-garis spektra gas membelah menjadi dua garis berdekatan (fine structure) tanpa medan magnetik akibat dari spin elektron. Spin magnetic quantum number ms : ms =-1/2,+1/2 Jumlah keadaan yang diperkenankan dengan n dan l 2(2l+1) Contoh: p subshell memiliki 2(2x1+1) = 6 keadaan yang mungkin

Prinsip Korespondensi Bohr (1923): Prediksi teori kuantum terhadap kelakuan dari sebarang sistem haruslah berkorespondensi dengan prediksi fisika klasik dalam limit di mana bilangan kuantum yang memberi spesifikasi keadaan sistem tersebut sudah sangat besar. Kaedah seleksi berlaku di seluruh cakupan bilangan kuantum. Jadi setiap kaedah seleksi yang perlu untuk memperoleh korespondensi yang dipersyaratkan dalam limit klasik (n besar) juga berlaku dalam limit kuantum (n kecil).