Modul ini membahas sifat dasar atom, berbagai model atom, serta fenomena fisika seperti hamburan partikel alfa dan spektrum atomik. Di akhir modul, diharapkan siswa mampu menjelaskan konsep-konsep dasar tersebut dan mengaplikasikannya dalam kehidupan sehari-hari. Modul ini penting bagi mahasiswa fisika dan calon guru untuk memahami dasar-dasar fisika modern.

1. STRUKTUR ATOMIK MODUL 3
PENDAHULUAN
Dalam modul ini anda akan mempelajari tentang sifat dasar atom, hamburan
partikel alfaa, hamburan Rutherford, dimensi inti, orbit elektron, spektrum atomik,
atom Bohr, tingkat energi spektrum, gerakan inti, eksitasi atom dan penerapan
dalam kehidupan sehari-hari. Setelah mempelajari modul ini anda diharapkan
memiliki kemampuan untuk dapat:
1. Menjelaskan sifat dasar atom
2. Menjelaskan hamburan partikel alfa.
3. Menjelaskan hamburan Rutherford
4. Menjelaskan dimensi inti
5. Menjelaskan orbit elektron
6. Menjelaskan spectrum atomik.
7. menjelaskan atom Bohr
8. menjelaskan tingkat energi dan spektrum.
9. Menjelaskan gerakan inti
10. Menjelaskan eksitasi atomik
Kemampuan tersebut sangat penting bagi mahasiswa atau sederajat karena materri
ini sangat dasar dalam pembelajaran fisika modern. Sebagai calon Guru dapat
mengembangkan materi ini sesuai dengan kebutuhan atau kemampuan. Agar
anda lebih berhasil mempelajari modul ini ikuti petunjuk belajar berikut ini:
1. Baca dan pahami konsep dasar materi ini, lalu kaitkan dengan kehidupan
nyata.
2. Tulis peta konsep tentang materi tersebut, lalu coba jelaskan dengan kata-
kata sendiri.
3. Kerjakan soal-soal latihan dengan tuntas.
4. Jika ada soal yang belum bisa dikerjakan, coba perhatikan rumus dasar
tentang materi tersebut.
5. Mantapkan pemahaman anda, dengan cara berdiskusi dengan teman
sejawat.

2. Kegiatan Belajar 6
MODEL ATOM
1. Sifat dasar Atom
a. jari-jari atom 0,1 nm(0,1.10-9
)m atau tidak dapat dilihat dengan
cahaya tampak(λ=500nm)
b. Semua atom stabil, karena semua gaya dalam atom haruslah
berlawanan jika tidak semua atom akan berantakan.
c. Semua atom terdiri dari proton pada inti dikelilingi oleh electron.
d. Atom memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik.
Spektrum radiasi bermaca-macam yaitu : cahaya tampak, sinar X,
ultraviolet dan infra merah.
2. Hamburan partikel alpha (2H+
)
Sebagai akibat impuls ∫Fdt yang diberikan oleh inti pada partikel alpha,
moentu partikel alpha berubah dengan ∆p dari harga semula p1 ke harga
akhir p2. Ini berati,
∆p = p2 – p1 = ∫ F dt
Karena tetap diam selama partikel alpa tersebut melewatinya, maka energi
kinetic partikel alpa tetap konstan ; jadi besar momentunya juga tetap
konstan, dan
P1 = P2= mv
∆p F
b(param
eter
dam
pak)
Φ
½(π-θ) ½(π-θ)
Partikel
alpha
Partikel alpha θ
b(parameter dampak)
Inti target
Gambar 6.1 Model hamburan partikel alpha

3. 2
sin
sin  

 mvp
, dengan sin
2
cos)(
2
1 
 
sin
2
cos
2
sin2

  , dan
2
sin2

mvp 
∫F dt = ∫F cos  dt
2mv sin 

x
dtf 

cos
2
2mv sin 


 

d
d
dt
F



2/)(
2/)(
cos
2
2
vb
r
d
dt


2mvb sin 



2/)(
2/)(
2
cos
2




dFr
F= 2
2
2
4
1
r
Ze
O




2/)(
2/)(2
2
2
cos2cos
2
sin
4 




d
Ze
bmvO
cot b
Ze
mv
2
2
22
2


cot b
Ze
EkO
2
4
2

 atau
24
2


Ctg
E
Ze
b
ko
 , dengan 2
2
1
mvEk 
3. Model atom Thomsom
Atom merupakan bola padat dengan diameter 10-10
m yang mempunyai
muatan positif yang terbagi merata ke seluruh atom muatan positif
dinetralkan oleh elektron-elektron yang juga tersebar diseluruh atom,
seperti biji dalam semangka.
dalamq = Ze 3
3
3
3
4
3
3
4
R
r
ZeR
rr


dan E = 2
4
1
r
qdalam
O

4. 2
4
1
r
q
E d
O
 = 32
3
3
4
1
4
1
R
Zer
r
R
r
Ze
OO 

F= e . E = e . 3
2
3
4
1
4
1
R
Ze
R
Zer
OO 

4. Model atom dan hamburan Rutherford
 Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif.
 Elektron bermuatan negative yang mengelilingi inti atom.
 Atom bersifat netral
 .Inti dan electron tarik menarik dengan gaya yang sama dengan gaya
sentrifugal
 .Dalam reaksi kimia, hanya electron terluar yang saling mepengaruhi.
Kemudian pada tahun 1911 Ernest Rutherford memakai partikel alfa cepat
sebagai penguar (probes) yang secara spontan dipancarkan oleh unsur atau
elemen radioaktif. Partikel alfa ialah atom helium yang kehilangan dua
elektron sehingga yang tertinggal ialah partikel bermuatan +2e.
Geiger dan Marsden meletakkan sebuah sampel bahan pemancar partikel
alfa dibelakang layar timbal yang mempunyai lubang kecil sehingga
menghasilkan berkas partikel alfa yang tajam. Berkas ini diarahkan pada
selaput emas tipis (gold foil). Layar zink sulfide yang dapat digerakkan
dapat memberikan denyar cahaya tampak bila tertumbuk oleh partikel alfa
yang ditempatkan pada sisi lain dari selaput emas itu. Dapat diduga
bahawa partikel alfa dapat menembus selaput itu dengan hanya mengalami
sedikit defleksi.
Partikel alfa
Miskrisop
Layar
zink
sulfide
Selaput logam tipis
Bahan radioaktif yang Kalimator
memancarkan partikel alfa Timbal
Gambar 4-2. Eksperimen hamburan Rutherford.

5. Geiger dan Marsden ternyata menemukan banyak partikel alfa yang
muncul dari selaput itu dengan deviasi kurang dari 1o
, tetapi beberapa
terhambur dengan sudut yang sangat besar. Satu-satunya model atom
yang didapatkan oleh Rutherford ialah model yang terdiri dari inti kecil
yang bermuatan positif yang merupakan tempat terkonsentrasinya hampir
seluruh massa atom dengan elektron-elektronnya terdapat pada jarak yang
agak jauh.
Inti bermuatan positif
Elektron
Gambar 4.3. Model atom Rutherford
Eksperimen Geiger dan Marsden menyatakan bahwa semua atom suatu
unsur mempunyai muatan inti yang unik dan muatan ini bertambah secara
teratur dari suatu unsur ke unsur lain dalam tabel periodik. Ternyata
muatan inti selalu merupakan kelipatan dari + e; bilangan yang
menyatakan besar satuan muatan positif dalam inti suatu unsur yang
disebut bilangan atomik
Dalam eksprimen Rutherford, partikel alpha yang dideteksi adalah partikel
yang terhambur dengan sudut hamburan antara  dan  d
Gambar 6.3 Sudut partikel alpha dalam eksprimen Rutherford.
Fraksi partikel alpha yang terhambur adalah

d
df

6. Partikel alfa yang mula-mula berarah sedemikian sehingga berada dalam
bidang seluas 2
b disekitar inti akan dihambur dengan sudut  atau lebih.
Bidaang seluas
2
b disebut penampang hamburan, yang dapat ditulis
σ = 2
b
Sekarang kita tinjau selaput setebal t yang berisi n atom persatuan volume.
Banyaknya inti target persatuan luas ialah nt dan berkas partikel alfa yang
datang pada bidang seluas A akan berinteraksi dengan ntA inti.
Penampang hamburan kumpulan untuk sudut  atau lebih sama dengan
banyaknya inti target ntA  .
Jadi besar fraksi f dari banyaknya partikel alfa yang dSedangkan jumlah
perbandingan ditembakan pada inti target
f = ntπb2 = n tσ
5. Model atom Bohr
Panjang gelombang De Broglie untuk electron ini adalah
mv
h

Dengan v menyatakan kecepan electron seperti yang diberikan pada
persamaan
mr
e
v
O4

Jadi, panjang gelombang electron orbital
m
r
e
h O

4

6. Tingkat energi spectrum
Rumus tingkat energi sebagai berikut:
Tingkat energi ini semuanya negatif, hal ini menyatakan bahwa elektron tidak
memiliki cukup energi untuk melarikan diri dari atom. Tingkat
energi yang terendah E1 disebut keadaan dasar (status dasar) dari atom itu dan
tingkat eenrgi lebih tinggi E2, E3, E4 disebut keadaan tereksitasi (status eksitasi).
.....,3,2,1
1
8 222
4






 n
nh
me
En


7. Elektron bebas
Energi, J Energi, eV
n = ~ 0 0
n = 5 - 0,87 x 10 -19
– 0,54
n = 4 - 1,36 x 10 -19
– 0,85
keadaan eksitasi
n = 3 - 2,42 x 10 -19
– 1,51
n = 2 - 5,43 x 10 -19
– 3,40
n = 1 - 21,76 x 10 -19
– 13,6 keadaan dasar
Gambar 4.20. Tingkat energi atom hidrogen
Persamaan spektrum hidrogen sebagai berikut:
Energi electron dengan orbit rn
nO
n
r
e
E
8
2
 ;
2
22
me
hn
r O
n



Dengan substitusikan rn ke En maka didapatkan persamaan :






 2232
4
11
8
1
ninfch
me


8. 





 222
4
1
8 nh
me
E
O
n

n = 1,2,3,… (tingkat energi)
ev
n
En 2
6,13

7. Dimensi inti
Partikel alfa akan mempunyai ro terkecil jika mendekati inti bertatapan
yang akan diikuti oleh hamburan 180o
. Pada saat pendekatan terpendek
energi kinetik awal K dari partikel seluruhnya diubah menjadi energi
potensial listrik sehingga pada saat itu:
K=
OO r
Ze2
2
4
1

Harga K maksimum didapati pada partikel alfa secara alamiah adalah 7,7
MeV yaitu sama dengan 1,2 x 10-12
J.
Muatan partikel alpa 2e dan muatan inti Ze maka
ZmX
K
Ze
r
O
o
16
2
108,3
4
2 


8. Orbit electron
Model atom Rutherford memberi gambaran sebuah inti bermuatan positif
yang kecil dan massif yang dilingkungi pada jarak yang relatif besar oleh
elektron sehingga atom secara keseluruhan bermuatan netral. Dalam
model ini elektron tidak dapat diam, karena tidak ada sesuatupun yang
dapat mempertahankan ditempatnya melawan gaya tarik listrik dari
inti.Energi total elektron bertanda negatif; hal ini berlaku untuk setiap
elektron atomik, dan mencerminkan elektron itu terikat pada inti.
Gaya sentripetal
r
mv
Fc
2

Orbit elektron
r
Fe Fe -e
proton +e elektron

9. 2
2
4
1
r
e
F
O
e


Persyaratan kemantapan orbit ialah :
Fc=Fe
2
22
4
1
r
e
r
mv
O

Sehingga kecepatan electron v berhubungan dengan jari-jari r melalui
rumus :
Kecepatan electron
mr
e
v
O4

Energi total E electron dalam atom hydrogen ialah jumlah energi kinetic
2
2
1
mvK 
Dengan energi potensial
r
e
V
O4
2

Jadi : E=K + V=
r
emv
O42
22

Subsitusikan dari persamaan v maka:
r
e
E
r
e
r
e
E
o

8
48
2
22



Untuk panjang gelombang atom tersebut(partikel alpha)
mv
h
 , sesuai dengan  de Broglie
9. Spektrum atom
Zat mampat (zat padat dan zat cair) pada setiap temperatur memancarkan
radiasi dan setiap panjang gelombang yang ditimbulkan mempunyai
intensitas yang berbeda-beda. Radiasi yang dipancarkan merupakan
kerakteristik dari atom atau molekul unsur tertentu. Setiap unsur
menunjukkan spektrum garis yang unik, bila sampelnya dalam fasa uap
diekstraksikan. Spektroskopi merupakan alat yang digunakan untuk
menganalisis komposisi zat yang tidak diketahui.
Hidrogen
Helium
Air
raksa

10. 7.000 Å 6.000 Å 5.000 Å
4.000 Å
Merah Jingga Kuning Hijau Biru
Ungu
Gambar4-12. Beberapa garis utama dalam spektrum emisi hidrogen, helium dan air
raksa

~
50.000 Å Pfund
20.000 Å Brackett
10.000 Å Paschen
5.000 Å Balmer
2.500 Å
2.000 Å
1.500 Å
1.250 Å
Lyman
1.000 Å
Gambar 4-16. Deret Spektral Hidrogen
Dalam daerah infra merah, terdapat tiga deret spektral yang garis komponennya
memiliki panjang gelombang yang ditentukan oleh rumus sebagai berikut:

11. Spectrum lengkap suatu unsure, dirumuskan secara umum :
 Rumus Balmer untuk panjang gelombang
Balmer 





 22
1
2
11
n
R

n = 3,4,5,….
Kuantitas R, dikenal sebagai tetapan Rydberg, mempunyai harga
R = 1,097x107
m-1
= 0,01097 nm
 Untuk daerah ultraviolet
Lyman )
1
1
1
(
1
22
n
R 

n = 2,3,4,….
 Untuk daerah ulfra merah
Paschen )
1
3
1
(
1
22
n
R 

n = 4,5,6,….
 Brackett )
1
4
1
(
1
22
n
R 

n =5,6,7,….
 Pfund )
1
5
1
(
1
22
n
R 

n = 6,7,8,….
GERAK INTI
Inti hidrogen (sebuah proton) dianggap tetap diam ketika elektron berputar
mengelilinginya. Inti dan elektron berputar disekeliling massanya yang terletak
sangat dekat inti karena massa inti jauh lebih besar dari elektron. Sistem seperti
ini ekuivalen dengan partikel tunggal bermassa m yang berputar disekeliling
partikel yang berat. Jika m menyatakan massa elektron dan M massa inti, maka
m dinyatakan oleh :
Kuantitas m disebut massa tereduksi dari elektron karena harganya lebih kecil
dari m.
Untuk menghitung gerak inti dalam atom hidrogen, maka elektronnya diganti
dengan partikel yang bermassa m dan bermuatan – e. Tingkat energi atom
menjadi :
Mm
mM
m



12. Inti
hidrogen
Pusat massa
Sumbu
Elektron
Gambar 4-22. Elektron dan inti sebuah atom hidrogen berputar pada pusat massa
sistem






 222
4
1
8 nhε
em
En
o