Energi
radiasi dapat dibayangkan sebagai medan listrik dan magnet bersilasi secara tegak
lurus pada arah rambatan. Contohnya cahaya Nampak.Semua jenis ini merambat dengan
kecepatan cahaya yang sama, c ,sebesar 3,00 X 108 m/s (186000 mi/s)1, tetapi
frekuensi dan panjang gelombangnya berlainan. Frekuensi, v, didefinisikan sebagai
beberapa daur (cycle) gelombang melawati suatu titik dalam satu satuan waktu biasanya
jangka waktu itu adalah 1 detik dan satuan itu dinyatakan sebagai daur per
detik , atau s-1. Satuan SI untuk frekuensi ialah hertz, Hz, 1 Hz = 1 S-1.Panjang
gelombang λ, ialah jarak antara dua titik apa saja yang identik, pada daur berulang berdampingan
(dari) pola gelombang itu, dan dinyatakan dalam satuan panjang, misalnya meter
(m), sentimeter (cm), atau nanometer (1 nm = 10-9 m). Seringkali pengukuran
dibuat dalam panjang gelombang dan bukan frekuensi.Hubungan antara frekuensi dan
panjang gelombang energy radiasi dilukiskan oleh gambar. Kesembandingan terbalik
dinyatakan secara matematik sebagai :
vα1/λ atau v = c/λ
Suatu spectrum merupakan hasil yang diperoleh bila suatu berkas
radiasi dibagi –bagi ke dalam panjang – panjang gelombang komponennya. Jika radiasi yang terbagi - bagi (terdispersikan) itu berasal
dari atom tereksitasi, spectrum itu disebut spektrum atom. Suatu instrument optis
digunakan untuk membentuk spectra disebut spektroskop. Suatu diagram
spektroskop prisma sederhana dipaparkan dalam gambar :
Inti spectrum ini adalah suatu prisma kaca yang
membelokkan jalan cahaya yang melewatinya. Jalan warna - warna (panjang – panjang
gelombang) yang berlainan dibelokkan secara berbeda – beda dan dapat diamati dengan
mata (visual) atau direkam pada film. Alat lain untuk memperoleh spectra ialah spesktroskop
kisi. Suatu kisi dibuat dengan seksama dengan mengguratkan garis-garis sejajar
yang teratur dan berdekatan, pada suatu permukaan yang dipoles. Suatu berkas cahaya
akan didifraksikan dan menghasilkan suatu spektrum, seperti gambar
Bidang studi yang mengusahakan diperolehnya
spektra dan menganalisisnya disebut spektroskopi. Spektroskop prisma dan kisi
digunakan untuk memperoleh spektra, tak hanya dalam daerah nampak, tetapi juga
dalam jangaka yang luas di kiri dan kanan daerah nampak itu (gambar 4.2).
Penemuan spektroskop pada tahun
1859, memungkinkan adanya penelitian terhadap radiasi yang dipancarkan oleh
atom yang dibangkitkan. Melalui penelitian mengenai spektra atonik ialah para
ahli fisika dan kimia menemukan bagaimana hubangan susunan elektron dengan
sifat kimia dari unsur itu.
4.2.1 Spektra Emisi
Bila suatu unsur menyerap energi
secukupnya,misalnya dari nyala atau suatu busur listrik, unsur itu akan
memancarkan energi radiasi. Meskipun tiap unsur dapat dipanaskan sehingga
membara, beberapa unsur cukup dipanaskan dalm suatu nyala bumen untuk
menguapkannya dan membuatnya memancarkan cahaya bewarna khas. Daftar dapat
dilihat ditabel
Suatu metoda yang mudah untuk
menguji suatu zat, apakah mengandung unsur-unsur ini, adalah dengan melarutkan
sedikit bahan dalam air, kemudian celupkan suatu lingkaran kawat platinum ke
dalam larutan itu. Jika tetes kecil larutan diuapkan pada kawat itu dan kawat
dipanaskan dalam nyala panas dari suatu pembakar di laboraturium, nyala itu
akan memperoleh suatu warna yang khas dari unsur-unsur yang dikandung dalam zat
itu.
Suatu unsur seringkali dapat
diidentifikasikan dengan pengamatan oleh mata terhadap nyala dan berdasarkan
rujukan seperti yang dipaparkan dalam tabel diatas. Untuk identifikasi yang
benar-benar positif observasi visual tidaklah mencukupi misalnya, banyak orang
menghadapi kesulitan dalam membedakan nyala litium dan strontium.
Analisis yang cermat trhadap warna
nyala atau radiasi karakteristik lain yang dipancarkan oleh suatu unsur dapat
dilakukan dengan suatu spektroskop. Ketika radiasi yang dipancarkan melewati
suatu prisma dalam suatu spektroskop, radiasi ini dipasahkan dalam
panjang-panjang gelombang penyusunnya untuk membentuk suatu bayangan yang
disebut spektrum emisi.
Suatu spektrum emisi kontinu terdiri
dari suatu pita warna dari semeua panjang gelombang yang mungkin, tanpa
putus-putus. Pada temperatur yang sangat tinggi kebanyakan zat padat akan
menjadi “bara putih” dan memberikan suatu spektrum emisi kontinu. Tak terdapat
garis-garis gelap bial cahaya bara putih tadi dianalisis dengan suatu
spektroskop. Unsur dan senyawaan yang sukar meleleh dapat digunakan sebagai
sumber spekta kontinu dengan mudah. Wolfran (tungsten) yang biasa digunakan sebagai bahan kawat pijar dalam
lampu pijar, merupakan contoh suatu unsur.
Bila suatu arus listrik melewati
tabung yang diisi hidrogen yang
disainnya serupa dengan lampu neon biasa, akan dipancarkan suatu radiasi. Jika
radiasi yang dipancarkan ini disebar oleh suatu prisma atau kisi, akan diperoleh
suatu spektrum emisi diskotinu. Spektrum emisi diskontinu suatu zat terdiri
dari suatu pola garis terang pada latar belakang yang gelap. Spektra emisi
diskontinu juga disebut spektra garis nampak. Spektra emisi semacam itu
memainkan perana penting dalam penyelidikan ilmiah, karena spektrum unsur
bersifatseperti sidik jari. Unsur ribidium, sesium, talium, indium, dalium,
spekskandium ditemukan (antara tahun 1860 dan 1879) sebagai hasil pemeriksaan
spektroskopik bahan galian yang menunjukkan garis-garis spektral nampak yang
tidak sama dengan garis-garis unsur yang telah dikenal sebelumnya.
Unsur helium ditemukan dalam
matahari, 93 juta mil jauhnya, sebelum diketahui bahwa juga terdapat di bumi.
Dalam tahun 1868 para astronom Eropa pergi ke India untuk memperoleh lokasi
yang baik dalam melakukan pengamatn selama gerhana matahari. Seorang astronom
Perancis, Prierre Janssen, merekam beberapa garis yang tak dapat
diidentifikasidalamspektrum dari corona matahari, atas dan mana, J.N. Lockyer,
seorang Inggris sezamannya, menyarankan bahwa garis-garis itu berasal dari
suatu unsur yang terdapat dalam matahari, dan tak terdapat di bumi. Unsur itu
disebut belium dari kata Yunani: belios (matahari). Baru 27 tahun kemudian,
dalam tahun1895, Sir Wililiam Ramsey, menjumpai bahwa helium juga terdapat di
bumi terkait denga bahan-bahan galian tertentu. Dengan memanasi mineral itu ia
mendapti pengeluaran gas: salah satunya memiliki spektral yang cocok dengan
pola yang dijumpai Janssen dan Lockyer.
4.2.2 Spektra Absorpsi.
Bila radiasi elektromagnetik kontinu, misalnya cahaya putih, dilewatkan suatu zat, panjang gelombang tertentu dari radiasi itu mungkin akan diserap. Panjang gelombang-gelombang ini karakteristik dari zat-zat yang mengasorbsi (menyerap) radiasi , dan pola garis-garis gelap ini dirujuk sebagai suatu spektrum absorpsi.
Bila radiasi elektromagnetik kontinu, misalnya cahaya putih, dilewatkan suatu zat, panjang gelombang tertentu dari radiasi itu mungkin akan diserap. Panjang gelombang-gelombang ini karakteristik dari zat-zat yang mengasorbsi (menyerap) radiasi , dan pola garis-garis gelap ini dirujuk sebagai suatu spektrum absorpsi.
Bahan berwarna yang tembus cahaya
menyerap cahaya Nampak pada pada panjang-panjang gelombnag tertentu.
Bahan-bahan yang tak menyerap cahaya Nampak mungkin akan menyerap cahaya
ultraviolet atau inframerah pada panjang-panjang gelombang karakteristik.
Alat-alat elektronik modern dapat merekam spectra absorpsi secara automatic
(Gambar 4-7).
4.2.3 Teori Kuantum Untuk Radiasi.
Sebelum tahun 1900 para ahli fisika
telah menemui masalah dalam memahami sifat energy radiasi yang dipancarkan oleh
materi yang di panaskan. Menurut teori yang palng berpengaruh saat itu, radiasi
yang dipancarkan oleh partikel bermuatan listrik kecil yang berosilasi , yang
frekuensi osilasinya berubah-ubah secara sinambung bila termperaturnya diubah.Namun
persamaan yang diturunkan tidak sesuaidengn data eksperimen. Kemuidan Max
Planck, memecahkan pertentangan in. Planck menyimpulkan bahwa radiasi tak dapat
dipancarkan maupun diserap secara sinambung, melainkan bahwa energy radiasi bersifat tak sinambung dan
terdiri dari paket-paket energy yang disebut kuantum atau foton.
Menurut Planck, energy suatu foton
berbanding lurus dengan frekuensi radiasi atau
Tetapan
,
disebut tetapan kesebandingan Planck,
dengan dimensi energy per foton kali waktu. Jika E dalam Joule,
Dari
frekueni yang dapat dihitung energy yang dikaitkan pada sebuah foton tunggal
energy. Karena
maka
energy mudah pula dihitung bila diketahui panjang gelombang nya.
Contoh 4.2
Dalam
spectrum Nampak (dari) suatu hydrogen yang tereksitasi, terdapat suatu garis merah
dengan suatu panjang gelombang sebesar 656,3 nm. Untuk garis emisi ini,
berapakah frekuensi (dalam hz) dan energy per foton (dalam joule)
Jawaban.
Dalam spectrum electromagnet yang didiagramkan dalam gambar 4-2, makin tinggi frekuensi atau makin pendek panjang gelombang, makin besar energy per foton.
4.2.4 Efek Fotolistrik.
Harus dibedakan dengan jelas intensitas atau terangnya suatu cahaya,
yang merupakan ukuran banyaknya foton per satuan luas per satuan waktu, dan
energy per foton.Suatu sumber cahaya dapat sangat terang , namun bila energy
foton-foton secara individu melampauai energy ambang
,
belum ada electron yang terpental dari
logam sasaran. Sumber cahaya lain mungkin berintensitas rendah (redup,
tetapi jika energy fotonya berada di
atas energy ambang, electron-elektron akan terpentalkan dari logam sasaran dengan
suara kecepatan tertentu.
Energi tiap foton ditentukan oleh
frekuensi cahaya itu, yakni
.
Banyak nya energy yang diperlukan untuk mementalkan sebuh electron dalam sebuah
atom yang terikat ke atom-atom lain dalam logan disebut fungsi kerja,
Jika
foton itu memiliki energy yang melebihi energy ambang minimum ini, maka
kelebihan energi itu dapat diubah menjadi energy kinetic, E.K, dari electron
yang terpancarkan
Jadi, Einstein menerapkan konsep
Planck tentang energy cahaya terkuantisasikan untuk menunjukkan bagaimana
memperhitungkan dengan cermat energy sebuah kuantum / foton.
4.2.5 Penerpan Teori Kuantum dalam Spektra Atom.
Pada tahun 1885, J.J Balmer,
menjumpai bahwa panjang gelombang suatu deret garis garis emisi dalam spectrum
Nampak dari hydrogen atom berhubungan satu sama lain, oleh rumus yang dapat
ditulis sebagai
Dalam persamaan ini, RH adalah suatu tetapan yang disebut tetapan Rydberg dan harganya adalah 1,09678 × 107 m-1 . Untuk deret garis-garis ini, yang disebut deret Balmer,n1 mempunyai harga 2 dan n2 Berharga 2+1, 2+2, 2+3, dan seterusnya. Empat garis ini terlihat dalam daerah Nampak (dari) spectrum hydrogen ( lihat gambar 4-6)
Persamaan (1) merupakan persamaan
umum yang dapat diterapkan untuk deret-deret garis lain dari spectrum hydrogen
itu. Untuk garis-garis berpanjang gelombang lebih panjang, yang muncul di
daerah inframerah, dsebut deret Paschen, harga
n1 ialah 3, n2 adalah 3+1, 3+2, 3+3 dan
seterusnya. Meskipun persamaan (1) sangat sesuai dengan data eksperimen, belum
dapat penjelasan teoritis bagi rumus itu.Pada tahun 1913, Niels Bohr,
mengembangkan suatu teori yang
menjelaskan posisi-posisi garis Balmer dan Paschen itu, yang disebut teori
Bohr.
Teori Bohr. Ia membayangkan atom
sebagai suatu inti postif yang dikitari oleh satu electron atau lebih yang
bergerak dalam suatu lintasan bulat tertentu. Pengandaian Bohr :
1. Selama
sebuah electron tetap tinggal dalam lintasanya ,atau keadaan stastioner,
electron itu tidak bertambah ataupun brkurang energinya.
2. Bila
sebuah electron meloncat dari satu lintasan (atau keadaan stasioner) ke
lintasan yang lain, maka transisi semacam itu disertai dengan penyerapan atau
pemancaran sejumlah tertentu energy yang sama dengan selsih energy antara kedua
keadaam transisi itu.
Keadaan-keadaan stasioner atau
tingkatan energy, yang baisanya dihuni oleh electron, ialah keadaan yang
berenergi relative rendah, yang disebut keadaan dasar. Bilaatom itu dinaikkan
temperaturnya, maka electron-elektron, terutama yang terletak diluar dalam
atom-atom tereksitasi , menyerap energy dan dipaksa meloncat ke tingkatan
dengan energy yang lebih tinggi, yang disebut keadaan eksitasi.
Bila
EH ialah tingkatan energy yang tinggi dan EL tingkatan
energy yang rendah maka selisih energy ialah EH – EL .
Selish energy yang konstan ini menjelaskan mengapa radiasi yang dipancrakan
oleh suatu unsure tertentu selalu mempunyai perangkat frekuensi ( atau panjang
gelombang) yang sama, yakni
Persamaaan
(2) yang menghubungkan frekuensi suatu garis dalam spectrum emisi hydrogen
dengan energy yang dipancarkan bila electron itu jatuh dari tingkatan energy
tinggi ke tingkatan energy rendah :
v = frekuensi emisi e = muatan elektron
m = masa electron z
= banyaknya proton
Dalam kata-kata Bohr, “ Nampak bagi kita bahwa rumus ini emnjelaskan hokum yang menghubung-hubungkan garis-garis dalam spectrum hydrogen. Jika dimasukkan nL =2 dan membiarkann nH beruabh-ubah, akan diproleh deret Balmer. Jika diambil nL = 3 akan diperoleh deret dalam daerah ultramerah yang dijumpai Paschen dan sebelumnya telah di duga oleh Ritz. Jika diambil nL =1….., akan diperoleh [a] deret itu dapat duharapkan.
Dari
ketiga deret yang ditunjukkan dalam gambar 4-9, radiasi Lyman, yang timbul
karena dari perpindhan electron ke
tingkatan energy yang terdekat dengan inti yang postif, mempunyai paanjang
gwlombang terpendek (frekuensi tertinggi). Radiasi Paschen, yang melibatkan
perpindahan electron ke tingktan energy ketiga mempunyai panjang gelombang
terpanjang (frekuensi terpendek). Dalam tiap deret , makin besar selisih antara
tingkatan tinggi dan rendah, makin pendek panjang gelombang dari radiasi yang
dipancarkan bila terjadi perpindahan electron.
Contoh 4.3
Jika
kita ingin menghitung frekuensi (dalam hertz) gunakan Persamaan (2) untuk tiap
garis deret Lyman yang ditunjukkan dalam Gambar 4-9. (Diberikan: 1 C = 9,4805 x
104 kg1/2 . m3/2 . s-1 , dan harga
– harga lain diambil dari Lampiran Tabel A.4).
Jawaban. Untuk menyederhanakan perhitungan dengan Persamaan
(2), pertama – tama kumpulkan tetapan di depan tanda kurung dihitung:
Jadi,
Persamaan (2) dapat disederhanakan menjadi :
Frekuensi
kelima garis Lyman dihitung dari persamaan yang disederhanakan ini, Ringkasan,
Hubungan Persamaan (2) ke Persamaan –
persamaan lain. Jika persamaan (2)
dipecahkan untuk kebalikan panjang gelombang 1/λ, akan diperoleh :
|
(5)
|
|
(4)
|
Dari Persamaan (4) diperoleh suatu
persamaan yang digunakan untuk menghitung energi yang menyertai loncatan
elektro
Untuk mencari Panjang Gelombang
ataupun frekuensi, v, padanannya, dapat
dihitung menggunakan Persamaan (4) ataupun Persamaan (5), dengan menggunakan
persamaan :
Menguji
Teori Bahr
Salah satu cara untuk menguji suatu
teori adalah dengan merancang suatu eksperimen yang hasilnya menerima atau
menolak teori tersebut. Tetapi jika hasil eksperimen yang diperlukan telah
tersedia, maka yang diperlukan hanyalah membandingkan hasil – hasil ini dengan
hasil yang diramalkan oleh teori itu.
Bohr menalarkan bahwa energi yang
dilepaskan oleh sebuah electron yang jatuh dari suatu tingkatan atas ke
tingkatan bawah haruslah sama dengan energy yang diperlukan untuk
mengeksitasikan electron dari tingkatan bahwa ke tingkatan atas tersebut.
Terdapat energi eksitasi yang dikenal untuk hydrogen. Energy pengionannya telah
diukur dan dijumpai sebesar 13,54 eV. Bohr mengandaikan bahwa ini adalah energy
yang diperlukan untuk mengeksitasi electron dari tingkatan keadaan-dasar
ataupun terbawah (
ke suatu posisi di mana tak terdapat lagi gaya
tarik antara electron dan inti. Bohr mengatakan bahwa secara matematik ini
setara dengan harga
sama dengan tak terhingga (∞).
|
(6)
|
Dengan menggunakan rumus semacam ini dan nilai yang tersedia dalam tahun 1913 untuk tetapan Planck, Bohr menghitung energy pengionan hydrogen dan memperoleh harga sebesar 13 eV. Ini cukup mendekati harga eksperimen sehingga orang merasa yakin akan teori Bohr. Harga modern untuk energi pengionan atom hydrogen dihitung dalam Contoh 4.4.
Contoh 4.4
Gunakan Persamaan (6) untuk
menghitung harga modern untuk energy pengionan hydrogen. Bandingkan harga ini
dengan harga modern sebesar 13,60 eV. (Gunakan, 1 eV =
).
Jawaban.
Harga yang dihitung secara tepat
sesuai dengan harga yang ditentukan secara eksperimen.
|
(7)
|
Dengan mengambil
Meskipun model Bohr dengan tingkatan
energy terkuantisasikan, atau bilangan – bilangan kuantum, sukses dalam
menerangkan sifat – sifat spektral atom hidrogen, ternyata gagal untuk atom –
atom yang lebih rumit. Model ini tak dapat diperluas ke atom helium yang
sederhana dengan dua elektron, bahkan bila sejumlah perubahan (modifikasi)
dimasukkan ke dalam teori untuk memperhitungkan antar aksi electron – electron.
Studi lebih lanjut menghasilkan perubahan – perubahan mendasar dalam teori itu,
seperti dikemukakannya sub tingkatan energy (lihat seksi 3.8) dan suatu
perangkat kedua (dari) bilangan kuantum padanannya. Kemudian dikemukakan deret
ketiga bilangan kuantum untuk memperhitungkan perilaku electron dalam medan
magnet.
Bohr merupakan pelopor dalam
penerapan teori kuantum ke dalam bangun elektronik atom – atom. Meskipun atom
yang secara teoretis disepakati dewasa ini cukup berbeda dari atom Bohr, Bohr
diakui sebagai salah satu pencipta fisika atom, bersama – sama Planck, Einstein
dan Rutherford.
Teori
Elektron Modern
Sebelum Planck mempostulatkan kuantisasi
energi radiasi, umumnya diterima bahwa beda yang mendasar antara materi dan
energi radiasi ialah bahwa radiasi tidak mempunyai massa dan diteruskan sebagai
gangguan mirip gelombang. Namun, dalam tahun-tahun setelah penemuan Planck,
hasil beberapa eksperimen menyarankan bahwa radiasi dapat memperdagangkan
karakter mirip artikel maupun karakter mirip gelombang, bergantung pada
eksperimen tertentu yang dilakukan.
Dalam tahun 1924 ahli fisika
Perancis, Prince Louis De Broglie memperluas konsep (bahwa cahaya bersifat baik
sebagai partikel (foton) maupun sebagai gelombang) kepada materi juga. Ia
mempostulatkan bahwa semua materi yang bergerak, mempunyai ciri-ciri gelombang.
Sifat gelombang (dari) suatu partikel yang bergerak di rumuskan sebagai:
Dengan
adalah panjang gelombang, h tetapan Planck dan p
ialah momentum. Momentum ialah hasil
perkalian massa dan kecepatan partikel, p
= mv. Dari persamaan de Broglie, nampak bahwa panjang gelombang berbanding
terbalik dengan momentum. Untuk suatu partikel bergerak yang relatif besar,
misalnya bola baseball, p sangat
besar, sehingga dari perhitungan ternyata
sangat kecil, sekitar
nm. Panjang gelombang ini menyatakan suatu
sifat yang tak bermakna (dari) bola yang bergerak itu. Namun bagi elektron yang
bergerak, p itu begitu kecil sehingga
menjadi bermakna, sering berkisar antara 1 dan
100 nm. Karena itu panjang gelombang sebuah electron yang bergerak, mempunyai
besaran yang cakup memadai untuk diperagakan secara eksperimen, yang segera
dilakukan setelah de Broglie mengusulkan teori dual bagi materi.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar