MUHAMMAD FARHAN MENDRA: TEORI KUANTUM DAN ELEKTRONIK STRUKTUR ATOM

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

CHAPTER 1

1.Tujuan

LINK

Untuk mempelajari transisi dari fisika klasik ke teori kuantum
Untuk mempelajari teori Bohr untuk spektrum emisi atom hidrogen

Alat dan Bahan [kembali]

A. Alat

Kawat Uji

Pembakar Bunsen

B. Bahan

Natrium

Dasar Teori [kembali]

7.1 Dari Fisika Klasik ke Teori kuantum

Upaya awal oleh fisikawan abad ke-19 untuk memahami atom dan molekul bertemu dengan kesuksesan hanya terbatas. Dengan asumsi bahwa molekul berperilaku seperti rebound bola, fisikawan mampu memprediksi dan menjelaskan beberapa fenomena makroskopis, seperti tekanan yang diberikan oleh gas. Dapat diartikan bahwa gaya yang menahan atom tidak bisa dijelaskan bersama. Butuh waktu lama untuk menyadari dan menerimanya.

Era baru dalam fisika dimulai pada tahun 1900 dengan seorang fisikawan muda Jerman bernama Max Planck. Pada suhu tertentu, Planck menemukan bahwa atom dan molekul hanya memancarkan energi kuantitas diskrit tertentu atau kuanta. Memang, kesibukan penelitian yang kemudian mengubah konsep alam kita selamanya.

Sifat Gelombang

Gelombang memiliki ciri-ciri yaitu panjang dan tingginya serta jumlah gelombang yang melewati titik tertentu per detik. Selain itu gelombang memiliki satu sifat penting yaitu kecepatan yang bergantung pada jenisnya gelombang dan sifat media yang dilalui gelombang tersebut.

Kecepatan gelombang ( v ) adalah hasil kali panjang gelombang ( λ ) dan frekuensinya ( f ).

A B

Gambar A menunjukkan suatu gelombang yang memiliki panjang gelombang dan amplitudo. Sedangkan gambar B menunjukkan dua gelombang yang memiliki panjang gelombang dan frekuensi berbeda. Panjang gelombang bagian bawah tiga kali gelombang bawah, tetapi frekuensinya hanya sepertiga dari gelombang atas. Dan keduanya memilki kesamaan kecepatan amplitude

Radiasi Elektromagnetik

JAMES CLERK MAXWELL

Pada tahun 1873 James Clerk Maxwell mengusulkan bahwa cahaya tampak terdiri dari gelombang elektromagnetik. Berdasarkan teori nya tersebut, gelombang elektromagnetik memiliki komponen medan listrik dan komponen medan magnet.

Medan listrik dan komponen medan magnet dari gelombang elektromagnetik. Kedua komponen ini memiliki panjang gelombang , frekuenesi, dan amplitudo, tetapi mereka berosilasi menjadi dua bidang yang saling tegak lurus.

Arti penting dari teori Maxwell adalah ini memberikan deskripsi matematis tentang perilaku umum cahaya, khususnya lar, modelnya secara akurat menggambarkan bagaimana energi dalam bentuk radiasi bisa disebarkan melalui ruang sebagai medan listrik dan magnet yang bergetar. Radiasi elektromagnetik adalah emisi dan transmisi energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Didalam ruang hampa gelombang elektromagnetik bergerak 3,00 × 10^8 m/s (dibulatkan) atau sekitar 186.000 mil/s. Kecepatan ini berbeda dari satu medium ke medium lainnya. Kecepatan gelombang elektromagnetik atau biasa disebut kecepatan cahaya biasa dilambangkan dengan c. Satuan dari panjang gelombang elektromagnetik biasanya diberikan dalam nanometer (nm).

Maka dari hal tersebut didapati rumus kecepatan cahaya yaitu

Dari gambar diatas menunjukkan berbagai jenis radiasi elektromagnetik yang berbeda dari satu sama lain dalam panjang gelombang dan frekuensi. Gelombang yang paling pendek memiliki frekuensi tertinggi, dikaitkan dengan sinar γ (gamma) yang dihasilkan dari perubahan dalam inti atom. Dan dapat kita lihat semakin tinggi frekuensinya, semakin besar energi radiasinya. Jadi, radiasi ultraviolet, sinar X, dan sinar γ memiliki energi radiasi yang tinggi.

Teori Kuantum Planck

Pada tahun 1900, seorang fisikawan asal Jerman, Max Planck muncul dengan gebrakan baru yang menjadi awal munculnya fisika modern. Planck mampu menjelaskan permasalahan bencana ultraviolet yang sebelumnya tidak mampu dijelaskan oleh ilmuwan-ilmuwan lainnya.

Menurut Planck, radiasi elektromagnetik yang dipancarkan suatu benda terbagi-bagi, atau diskret ke dalam paket-paket energi yang disebut Kuantum. Besarnya energi ini bergantung pada besarnya frekuensi gelombang elektromagnetik. Planck menjelaskan teorinya ini dengan rumus matenatik berikut.

Teori Planck ini mampu menjelaskan bencana ultraviolet. Hasil perhitungan dengan persamaan Planck ini ternyata sama dengan hasil eksperimen sebelumnya. Mereka menjukkan grafik pengamatan benda hitam dengan pola yang sama.

Teori Planck kemudian lebih dikenal sebagai Teori Kuantum dana mengawali peralihan fisika klasik menuju fisika modern. Teori Planck juga menginspirasi banyak ilmuwan terhadap berbagai pandangan baru, salah satunya mengenai cahaya.

7.2 Efek Fotolistrik

Pada tahun 1905, Albert Einstein menggunakan teori untuk memecahkan misteri lain dalam fisika, efek fotolistrik, sebuah fenomena dimana elektron dikeluarkan dari permukaan logam tertentu yang terbuka untuk menerangi setidaknya frekuensi minimum tertentu, yang disebut frekusiensi ambang. Jumlah electron yang dikeluarkan sebanding dengan intensitas cahaya, tetapi energi elektron yang dikeluarkan tidak. Dibawah frekuensi ambang tidak ada elektron yang dikeluarkan tidak peduli seberapa kuat cahayanya.

Efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang cahaya. Bagaimanapun Einstein membuat asumsi yang luar biasa. Partikel cahaya yang sekarang disebut foton menggunakann teori radiasi kuantum Planck sebagai titik awal. Einstein menyimpulkannya setiap foton harus memiliki energy E, yang diberikan persamaan.

Elektron tertahan dalam logam dengan gaya tarik, dan melepaskannya dari logam membutuhkan cahaya dengan frekuensi yang cukup tinggi (sesuai dengan energi yang cukup tinggi) untuk membebaskan mereka. Menyinari seberkas cahaya ke permukaan logam bisa jadi dianggap menembakkan seberkas partikel foton pada atom logam. Jika frekuensi foton sedemikian rupa hv persis sama dengan energi yang mengikat electron. Jika kita menggunakan cahaya dengan frekuensi yang lebih tinggi , maka electron tidak hanya akan terlempar longgar, tetapi mereka juga akan memperoleh energi kinetic. Situasi ini diringkas oleh persamaan.

Dimana EK adalah energi kinetic elektron yang dikeluarkan dana W adalah fungsi kerjanya, yang merupakan ukuran seberapa kuat electron terikat dalam logam.

Jadi kesimpulannya adalah semakin itinggi intens cahayanya, semakin besar jumlah elektron yang dipancarkan oleh logam, dan semakin tinggi frekuensi cahaya, semakin besar energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan.

Teori cahaya Einstein menimbulkan dilemma bagi para ilmuwan. Di satu sisi, itu menjelaskan efek fotolistrik dengan memuaskan. Di sisi lain, partikel teori cahaya tidak konsisten dengan perilaku gelombang cahaya yang diketahui. Satu-satunya cara untuk menyelesaikan dilemma ini adalah dengan menerima gagasan bahwa cahaya memiliki kedua partikel seperti dan properti seperti gelombang. Bergantung pada eksperimen, cahaya berperilaku sebagai gelombang atau sebagai aliran partikel. Konsep ini, yang disebut dualitas gelombang partikel benar-benar asing bagi cara berpikir fisikawan tentang materi dan radiasi, dan itu butuh waktu lama bagi mereka untuk menerimanya.

7.3 Teori Bohr tentang Atom Hidrogen

Spektrum Emisi

Spektrum emisi atau spektrum pancar adalah spektrum radiasi (elektromagnetik) kontinu ataupun garis yang dipancarkan oleh zat. Agar dapat melihat spektrum emisi kita perlu memberi energi pada sampel material, baik dengan energi panas maupun dengan energi lain. Perhatikanlah gambar berikut untuk memahami lebih lanjut.

Gas yang akan diteliti diletakkan pada tabung pelepasan yang memuat dua elektroda. Saat electron mengalir dari elektroda negatif ke elektroda positif mereka akan bertumbukan dengan gas, proses pertumbukan ini lah yang mengarah pada emisi cahaya oleh atom. Cahaya yang dipancarkan dipisahkan menjadi komponen-komponennya oleh sebuah prisma. Setiap warna komponen difokuskan pada posisi tertentu, menurut panjang gelombangnya, dan membentuk gambar berwarna dari celah pada pelat fotografi.

Setiap unsur kimia memiliki spektrum emisi yang berbeda beda. Garis kateristik dalam spektrum atom berguna untuk mengidentifikasi atom yang tidak diketehaui dengan cara mencocokkan garis spektrum dari unsur yang belum diketahui dengan garis spektrum emisi dari unsur yang sudah diketahui, jika sama maka identitas unsur yang tidak diketahui bisa ditetapkan. Berikut contoh spktrum emisi dari beberapa unsur.

Spektrum Emisi Atom Hidrogen

Bohr mendalilkan bahwa electron hanya diizinkan untuk menempati orbit tertentu pada energi tertentu (elektron dikuantisasi). Sehingga elektron yang berada di dalam orbit tidak akan berputar ke inti sehingga tidak akan memancarkan energi. Bohr mengaitkan emisi radiasi oleh atom hidrogen yang berenergi kepada elektron yang jatuh dari orbit yang tinggi ke orbit yang lebih rendah sehingga memancarkan kuantum energi (foton) dalam bentuk cahaya (Gambar 1.4). Sedangkan jika elektron berpindah dari orbit rendah ke orbit yang lebih tinggi menyebabkan penyerapan energi radiasi oleh atom.

Bohr mengatakan bahwa energi yang dapat ditempati oleh sebuah elektron dalam atom hidrogen diberikan oleh :

yang mana RH, konstanta Rydberg untuk atom hidrogen, memiliki nilai 2,18 X 10⁻¹⁸ J. Angka n adalah bilangan bulat yang disebut bilangan kuantum utama; ini memiliki nilai n = 1, 2, 3, dst. Sedangkan Tanda negatif dalam rumus adalah konvensi arbitrer, yang menandakan energi elektron dalam atom lebih rendah dari energi elektron bebas (E∞ = 0) , yang merupakan elektron yang jauh dari inti. Ketika elektron semakin dekat ke inti), En menjadi lebih negative. Nilai yang paling negatif saat berada pada keadaan dasar (n=1). Elektron hidrogen yang n lebih besar dari 1 dikatakan dalam keadaan tereksitasi. Jari-jari setiap orbit melingkar dalam model Bohr tergantung pada n². Jadi, ketika n bertambah dari 1 menjadi 2 menjadi 3, jari-jari orbit meningkat dengan sangat cepat. Semakin tinggi keadaan tereksitasi, semakin jauh elektron dari inti.

Penerapan gambar 1.8 pada proses emisi,jatuhnya elektron dari orbit tinggi ke orbit rendah, sehingga perbedaan energi pada kondisi awal (i) dan akhir (f) adalah :

∆E = Ef - Ei

yang mana dari gambar 1.8 menghasilkan :

Tabel 7.1 Berbagai Seri dalam Spektrum Emisi Atom Hidrogen

Seri	n_f	n_i	Wilayah spektrum
Lyman	1	2, 3, 4, ...	Ultraviolet
Balmer	2	3, 4, 5, ...	Cahaya tampak dan ultraviolet
Paschen	3	4, 5, 6, ...	Inframerah
Brackett	4	5, 6, 7, ...	Inframerah

7.4 Sifat Dualisme Elektron

Pada tahun 1924 Louis de Broglie menyimpulkan jika gelombang cahaya dapat berperilaku seperti aliran partikel (foton), tidak mungkin partikel seperti elektron dapat memiliki sifat gelombang. Menurutnya elektron yang terikat pada inti berperilaku seperti gelombang stasioner yang dapat dihasilkan dengan memetik. Gelombang stasioner memiliki beberapa titik yang tidak bergerak pada stringnya yang disebut node. Ampitudo gelombang pada node = 0. Semakin besar frekuensi getaran, semakin pendek panjang gelombang dan bertambah banyak jumlah node.

Gambar 2.1 Setiap titik mewakili sebuah simpul. Panjang string (𝝀) harus sama dengan bilangan bulat total satu setengah panjang gelombang (𝝀/2).

Jika sebuah elektron berperilaku seperti gelombang stasioner dalam atom hidrogen, panjang gelombang harus sesuai dengan keliling orbit dengan tepat, kalau tidak, sebagian gelombang akan membatalkan sendiri pada setiap orbit berurutan yang menyebabkan amplitudo gelombang akan dikurangi menjadi nol, dan gelombang tidak akan ada.

Gambar 2.2 (a) Lingkar orbit sama dengan jumlah panjang gelombang yang tidak terpisahkan (orbit yang diizinkan) (b) Lingkar orbit tidak sama dengan jumlah panjang gelombang integral (orbit yang tidak diizinkan) menyebabkan gelombang elektron tidak menutup dengan sendirinya.

Hubungan antara keliling orbit yang diizinkan (2𝝅r) dan panjang gelombang (𝝀) elektron diberikan oleh:

Ket : r = jari jari orbit

𝝀 = Panjang gelombang dari gelombang elektron.

De Broglie menyimpulkan bahwa partikel dan sifat gelombang terkait dengan ekspresi :

Ket : 𝝀 =panjang gelombang yang terkait dengan partikel yang bergerak

m= massa

u= kecepatan.

Setelah de Broglie memperkenalkan persamaannya, Clinton Davisson dan Lester Germer di Amerika Serikat dan G. P. Thomson di Inggris menunjukkan bahwa elektron memang memiliki sifat mirip gelombang. Dengan mengarahkan seberkas elektron melalui selembar kertas emas tipis, Thomson memperoleh satu set cincin konsentris pada layar, mirip dengan pola yang diamati ketika sinar X (yang merupakan gelombang) digunakan.

Gambar 2.4 (a) pola difraksi sinar-X dari aluminium foil. (b) Difraksi elektron aluminium foil. Kesamaan kedua pola ini menunjukkan bahwa elektron dapat berperilaku seperti sinar X dan menampilkan sifat gelombang.

Percobaan [kembali]

Rangkaian sensor suhu LM35 sebelum dijalankan :

Rangkaian suhu LM35 setelah dijalankan :

Gambar rangkaian simulasi saat temperatur antara 16 - 30 derajat Celcius (Motor dalam keadaan OFF)

Gambar rangkaian simulasi ketika mencapai suhu < 16

Gambar rangkaian simulasi ketika mencapai suhu ≥ 30

Prinsip Kerja Rangkaian :

Pada rangkaian pengkondisi suhu ruangan ini, digunakan sensor LM 35, dimana nantinya pendingin akan menyala secara otomatis saat mendeteksi suhu ruangan telah mencapai suhu ≥ 300 , dan penghangat akan menyala secara otomatis saat mendeteksi suhu ruangan < 160

Ketika suhu ruang mencapai ≥ 30 maka tegangan yang dikeluarkan oleh sensor akan diperbesar 10x oleh op amp non inverting amplifier. maka arus akan masuk ke dalam komparator non inverting karena Vin > Vref (prinsip kerja komparator non inverting).kemudian arus melalui resistor 100ohm dan ke kaki basis transistor, lalu keluar ke kaki emitter dan menuju Motor dan LED (sebagai indikator), lalu Motor (KIPAS ANGIN) akan menyala. dan arus berakhir di ground.

Begitu juga sebaliknya, ketika suhu ruang mencapai < 16 maka tegangan yang dikeluarkan oleh sensor akan diperbesar 10x oleh op amp non inverting amplifier. maka arus akan masuk ke dalam komparator inverting karena Vin < Vref (prinsip kerja komparator inverting). kemudian arus melalui resistor 100ohm dan ke kaki basis transistor, lalu keluar ke kaki emitter dan menuju Motor dan LED (sebagai indikator), lalu Motor (HATTER) akan menyala. dan arus berakhir di ground.

MUHAMMAD FARHAN MENDRA