Makalah Atom

BAB I

PENDAHULUAN

A.                Latar Belakang

Selama lebih dari 2400 tahun, para filsuf dan ilmuwan telah mencoba meneliti tentang atom dengan menggunakan beragam percobaan dan pengamatan. Karena atom tak dapat dilihat dan diraba maka peneliti mengamati bagaimana materi berkelakuan. Pengamatan seperti ini disebut pengamatan tak langsung. Sementara melakukan pengamatan tak langsung, ilmuwan membangun suatu model atom. Suatu model atom akan diubah begitu informasi baru tentang atom berhasil dikumpulkan. Dalam bahasan ini kita akan mempelajari bagaimana konsep atom yang diawali oleh para filsuf Yunani kuno ribuan tahun yang lalu sampai dengan model atom Bohr. Sedangkan model atom modern yang diyakini ilmuwan saat ini akan dibahas dalam subbab berikutnya.

B.                 Rumusan Masalah

1.      Bagaimana perkembangan mengenai atom dari zaman dahulu sampai sekarang?

2.      Apakah Teori Demokritus yang mengatakan bahwa atom adalah bagian paling kecil dari suatu partikel masih benar adanya?

3.      Bagaimana pendapat mengenai atom bagi ilmuwan-ilmuwan terdahulu sampai sekarang?

C.                Tujuan Makalah

1.      Supaya mengetahui perkembangan mengenai atom dari zaman dahulu sampai sekarang.

2.      Agar dapat memahami bagaimana bentuk atom secara teoretis dan praktiknya.

3.      Untuk mengetahui beberapa pendapat ilmuwan-ilmuwan mengenai atom.

BAB II

PEMBAHASAN

A.                Perkembangan Teori Atom

Apakah bangunan dasar dari setiap zat? Pertanyaan ini telah muncul lebih dari 2000 tahun yang lalu. Demokritus, salah seorang filsuf Yunani kuno saat itu, setelah mengajukan banyak pertanyaan dan pengamatan sampai pada kesimpulan bahwa zattidak dapat terus dibagi menjadi bagian yang lebih kecil; suatu saat akan diperoleh bagian zat yang paling kecil di mana bagian ini tidak dapat dibagi lagi. Demokritus menamakan bagian paling kecil yang tidak dapat dibagi lagi ini sebagai atom (kata atom berasal kata Yunani “atomos” yang berarti “tidak dapat dipotong” atau “tidak dapat dibagi” ). Walaupun Demokritus dan pendukungnya sudah berada pada jalur yang benar, sejarah menunjukkan bahwa teori atom yang murni hasil pemikiran ini diabaikan dan dilupakan orang selama 2000 tahun.

1.      Model Atom Dalton

John Dalton (1766-1844), ilmuwan Inggris yang telah lama berkecimpung dalam bidang meteorologi, yaitu studi tentang cuaca. Pengamatannya terhadap komposisi udara memimpinnya meneliti sifat-sifat gas. Ia menemukan bahwa gas-gas bergabung seolah-olah mereka disusun oleh partikel-partikel individu. Partikel-partikel ini adalah atom-atom Demokritus.

Pada tahun 1803, Dalton menggabungkan hasil-hasil eksperimennya dengan pengamatan-pengamatan lain tentang zat dan mengusulkan sebuah teori atom. Berikut teori atom menurut John Dalton :

a.       Semua materi terdiri dari partikel yang tak dapat dibagi lagi yang disebut atom.

b.      Atom dari unsur yang sama adalah serupa dalam hal bentuk dan massa, tetapi atom unsur satu berbeda dari atom unsur lain.

c.       Atom tidak dapat diciptakan atau dihancurkan.

d.      Atom unsur yang berbeda dapat digabungkan satu sama lain dalam rasio tertentu untuk membentuk senyawa.

e.       Atom dari unsur yang sama dapat bergabung dalam lebih dari satu rasio untuk membentuk dua atau lebih senyawa.

f.        Atom adalah unit terkecil dari materi yang dapat berpengaruh terhadap reaksi kimia.

Adapun kelebihan teori atom menurut John Dalton adalah :

a.         Memungkinkan kita untuk menjelaskan hukum kombinasi kimia.

b.         Dalton adalah orang pertama yang mengakui perbedaan yang bisa diterapkan antara partikel dari suatu unsur (atom) dan dari senyawa (molekul).

Adapun kelemahan teori atom menurut John Dalton adalah :

a.       Ketidakterpisahan atom terbukti salah, karena atom dapat dibagi lagi menjadi proton, neutron dan elektron. Namun atom adalah partikel terkecil yang sangat berpengaruh dalam reaksi kimia.

b.      Menurut Dalton, atom-atom dari unsur yang sama adalah sama dalam segala hal. Pernyataan ini salah karena atom dari beberapa unsur berbeda dalam hal massa dan kepadatan. Atom seperti dari unsur yang sama memiliki massa yang berbeda disebut isotop. Misalnya, klorin memiliki dua isotop yang memiliki nomor massa 35 dan 37 satuan massa atom (sma).

c.       Dalton juga mengatakan atom elemen yang berbeda berbeda dalam segala hal. Hal ini telah terbukti salah dalam kasus-kasus tertentu seperti atom argon dan atom kalsium, yang memiliki massa atom yang sama yaitu 40. Atom unsur berbeda yang memiliki massa atom yang sama disebut isobar.

d.      Menurut Dalton atom unsur yang berbeda bergabung dalam rasio nomor sederhana keseluruhan untuk membentuk senyawa. Hal ini tidak terlihat pada senyawa organik kompleks seperti gula C₁₂H₂₂O₁₁.

e.       Teori ini gagal untuk menjelaskan keberadaan alotrop. Perbedaan sifat arang, grafit, berlian tidak dapat dijelaskan karena ketiganya terdiri dari atom yang sama yaitu karbon.

2.      Model Atom Thomson

Teori Atom Thomson adalah salah satu teori yang mencoba mendeskripsikan bentuk atom yaitu seperti bentuk roti kismis. Diibaratkan sebagai roti kismis karena saat itu Thomson beranggapan bahwa atom bermuatan positif dengan adanya elektron bermuatan negatif di sekelilingnya. Perhatikan gambar berikut:

Pada gambar di atas, bagian berwarna oranye bermuatan positif, sedangkan berwarna hijau adalah elektron yang bermuatan negatif.
Sampai akhir abad ke-19, konsep mengenai bentuk atom masih berupa bola pejal layaknya bola biliar. Sedangkan pada tahun 1897 Joseph John Thomson secara total merubah konsep atom dengan adanya penemuan elektron yang dikenal dengan teori atom Thomson.

Sekiranya teori atom Thomson dapat diringkas sebagai berikut :

a.       Atom berupa bola yang bermuatan positif dengan adanya elektron yang bermuatan negatif di sekelilingnya.

b.      Muatan positif dan negatif pada atom besarnya sama. Hal ini menjadikan atom bermuatan netral. Suatu atom tidak mempunyai muatan positif atau negatif yang berlebihan.

Selain roti kismis, teori atom Thomson dapat diumpamakan sebagai semangka. Daging buah yang berwarna merah melambangkan ruang yang bermuatan positif, sedangkan biji yang tersebar di dalamnya adalah elekton yang bermuatan negatif.

Elektron ditemukan oleh J.J. Thomson melalui percobaan tabung sinar katoda. Pada saat itu, Thomson melihat bahwa jika arus listrik melewati tabung vakum, ada semacam aliran berkilau yang terbentuk. Thomson menemukan bahwa aliran berkilau tersebut dibelokkan ke arah plat kutub positif. Teori atom Thomson membuktikan bahwa aliran tersebut terbentuk dari partikel kecil dari atom dan partikel terebut bermuatan negatif. Thomson menamai penemuan tersebut sebagai elektron.

Beberapa kelebihan dan kelemahan dari model atom Thomson, dapat dilihat seperti uraian berikut ini:

Kelebihan Teori Atom Thomson :

a.       Dapat menerangkan adanya partikel yang lebih kecil dari atom yang disebut partikel subatomik.

b.      Dapat menerangkan sifat listrik atom.

Kelemahan Teori Atom Thomson :

a.    Tidak dapat menerangkan fenomena penghamburan partikel alfa oleh selaput tipis emas yang dikemukakan oleh Rutherford.

b.    Tidak dapat menjelaskan adanya inti atom.

3.      Model Atom Rutherford

Ernest Rutherford (1871-1937) seorang fisikawan kelahiran Nelson, Selandia Baru. Dia merupakan salah seorang dari orang-orang pertama yang memecah atom, ia menunjukkan bahwa atom bukan merupakan materi terkecil yang tidak dapat dipisahkan lagi. Setelah melakukan beberapa kali penelitian, dia terinspirasi oleh puding buah plum dengan cokelat yang tersebar sebagai analogi model atom.

Pada tahun 1903 Philipp Lenard melalui percobaannya membuktikan bahwa teori atom Thomson yang menyatakan bahwa elektron tersebar merata dalam muatan positif atom adalah tidak benar. Hal ini mendorong Ernest Rutherford (1911) tertarik melanjutkan eksperimen Lenard. Dengan bantuan kedua muridnya Hans Geiger dan Ernest Marsden, Rutherford melakukan percobaan dengan hamburan sinar α. Partikel α bermuatan positif.

Berikut uraian Teori Atom Rutherford adalah :

Setelah diusulkannya teori atom Dalton dan Thomson, muncul teori yang lebih baru yang digagas oleh Ernerst Rutherford, yang sekarang dikenal dengan teori atom Rutherford. Pada tahun 1911, Rutherford menyangkal kebenaran teori atom Thomson yang mengatakan bahwa atom merupakan bermuatan positif, dan di sekelilingnya terdapat elektron bermuatan negatif layaknya roti kismis.

Teori Atom Rutherford tersusun dari : 

a.       Atom terdiri dari inti yang bermuatan positif yang mengandung sebagian besar massa atom.

b.      Elektron mengelilingi inti pada jarak yang relatif sangat jauh.

c.       Semua proton terkumpul dalam inti atom dan menyebabkan inti atom bermuatan  positif.

d.      Sebagian besar ruangan dalam atom merupakan ruangan kosong/hampa.

e.       Jumlah muatan inti sama dengan jumlah muatan elektron sehingga ataom bersifat netral.

f.        Gaya sentripetal elektron dalam mengelilingi inti berasal dari gaya tarik elektrostatik antara elektron dengan inti.

Teori atom Rutherford mengatakan bahwa atom mempunyai inti yang merupakan pusat massa yang kemudian dinamakan nukleus, dengan dikelilingi awan elektron bermuatan negatif. Teori atom Rutherford didasarkan pada eksperimen penembakan inti atom lempengan emas dengan partikel alfa yang dikenal dengan percobaan Geiger-Marsden. Pada saat itu, Rutherford menyusun desain rancangan percobaan penembakan atom emas oleh partikel alfa yang dipancarkan oleh unsur radioaktif. Ternyata, sinar radioaktif tersebut ada yang dipantulkan, dibelokkan, dan diteruskan.

Rutherford menjelaskan bahwa jika partikel alfa mengenai inti atom, maka akan terjadi tumbukan yang mengakibatkan pembelokan atau pemantulan partikel alfa. Hal itu disebabkan karena massa dan muatan atom terpusat pada inti (nukleus). Rutherford menyarankan bahwa muatan inti atom sebanding dengan massa atom dalam sma( satuan massa atom). Partikel alfa yang mengenai awan elektron tidak dibelokkan maupun dipantulkan.

Adapun kelebihan dari Teori Rutherford adalah :

a.       Bahwa atom memiliki inti atom yang bermuatan positif dan disekelilingnya terdapat elektron yang mengelilinya.

b.      Dapat menerangkan fenomena penghamburan partikel alfa oleh selaput tipis emas.

c.       Jari-jari inti atom dan jari-jari atom sudah dapat ditemukan.

d.      Sudah dapat menerangkan/menentukan bentuk lintasan elektron yang mengelilingi inti atom.

e.       Dapat menggambarkan gerak elektron di sekitar inti.

f.        Elektron dapat bergerak dalam lintasan apapun, dari lintasan yang tak terhingga jumlahnya.

Adapun kekurangan dari Teori Rutherford adalah :

a)      Model atom rutherford ini belum mampu menjelaskan dimana letak elektron dan cara rotasinya terhadap ini atom.

b)      Elektron memancarkan energi ketika bergerak, sehingga energi atom menjadi tidak stabil.

c)      Tidak dapat menjelaskan spektrum garis pada atom hidrogen (H).

d)      Tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom. Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengelilingi inti ini disertai pemancaran energi sehingga lama-kelamaan energi elektron akan berkurang dan lintasannya makin lama akan mendekati inti dan jatuh ke dalam inti. 

4.      Model Atom Bohr

Model atom Bohr mengemukakan bahwa atom terdiri dari inti berukuran sangat kecil dan bermuatan positif dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif yang mempunyai orbit. Inilah gambar teori model atom Bohr. Penjelasan teori atom Bohr dapat dibaca pada sub bunyi postulat teori atom Bohr di bawah.

a.      Penjelasan Teori Atom Bohr

Niels Bohr mengajukan teori atom Bohr ini pada tahun 1915. Karena model atom Bohr merupakan modifikasi (pengembangan) dari model atom Rutherford, beberapa ahli kimia menyebutnya dengan teori atom Rutherford-Bohr. Walaupun teori atom Bohr ini mengalami perkembangan, namun kenyataannya model atom Bohr masih mempunyai kelemahan. Namun demikian, beberapa poin dari model atom Bohr dapat diterima. Tidak seperti teori atom Dalton maupun teori atom Rutherford, keunggulan teori atom Bohr dapat menjelaskan tetapan Rydberg untuk garis spektra emisi hidrogen. Itulah salah satu kelebihan teori atom Niels Bohr.

Model atom Bohr berbentuk seperti tata surya, dengan elektron yang berada di lintasan peredaran (orbit) mengelilingi inti bermuatan positif yang ukurannya sangat kecil. Gaya gravitasi pada tata surya secara matematis dapat diilustrasikan sebagai gaya Coulomb antara nukleus (inti) yang bermuatan positif dengan elektron bermuatan negatif.

b.      Bunyi Postulat Teori Atom Bohr

Teori atom Bohr kiranya dapat dijelaskan seperti berikut:

1.      Elektron mengitari inti atom dalam orbit-orbit tertentu yang berbentuk lingkaran. Orbit-orbit ini sering disebut sebagai kulit-kulit elektron yang dinyatakan dengan notasi K, L, M, N ... dst yang secara berututan sesuai dengan n = 1, 2, 3, 4 ... dst.

2.      Elektron dalam tiap orbit mempunyai energi tertentu yang makin tinggi dengan makin besarnya lingkaran orbit atau makin besarnya harga n. Energi ini bersifat terkuantisasi dan harga-harga yang diijinkan dinyatakan oleh harga momentum sudut elektron yang terkuantisasi sebesar n(h/2π) dengan n = 1, 2, 3, 4 ... dst.

3.      Selama dalam orbitnya, elektron tidak memancarkan energi dan dikatakan dalam keadaan stasioner. Keberadaan elektron dalam orbit stasioner ini dipertahankan oleh gaya tarik elektrostatik elektron oleh inti atom yang diseimbangkan oleh gaya sentrifugal dari gerak elektron.

4.      Elektron dapat berpindah dari orbit satu ke orbit lain yang mempunyai energi lebih tinggi bila elektron tersebut menyerap energi yang besarnya sesuai dengan perbedaan energi antara kedua orbit yang bersangkutan, dan sebaliknya bila elektron berpindah ke orbit yang mempunyai energi lebih rendah akan memancarkan energi radiasi yang teramati sebagai spektrum garis yang besarnya sesuai dengan perbedaan energi antara kedua orbit yang bersangkutan.

5.      Atom dalam molekul dikatakan dalam keadaan tingkat dasar (ground state) apabila elektron-elektronnya menempati orbit-orbit sedemikian sehingga memberikan energi total terendah. Dan apabila elektron-elektron menempati orbit-orbit yang memberikan energi lebih tinggi daripada energi tingkat dasarnya dikatakan atom dalam tingkat tereksitasi (excited state). Atom dalam keadaan dasar lebih stabil daripada dalam keadaan tereksitasi.

c.       Model Hidrogen Bohr

Contoh paling sederhana dari model atom hidrogen Bohr (Z = 1) atau sebuah ion mirip hidrogen (Z > 1), yang mempunyai elektron bermuatan negatif mengelilingi inti bermuatan positif. Energi elektromagnetik akan diserap atau dilepaskan ketika sebuah elektron berpindah dari lintasan satu ke lintasan lain. Jari-jari dari lintasan bertambah sebagai n², dimana n adalah bilangan kuantum utama. Transisi dari 3 ke 2 menghasilkan garis pertama dalam deret Balmer. Untuk hidrogen (Z = 1) akan menghasilkan foton dengan panjang gelombang 656 nm (cahaya merah).

d.      Kelebihan Model Atom Bohr

Atom terdiri dari beberapa kulit/subkulit untuk tempat berpindahnya elektron dan atom membentuk suatu orbit dimana inti atom merupakan positif dan disekelilingnya terdapat elektron.

e.       Kelemahan Teori Atom Bohr

Walaupun dinilai sudah revolusioner, tetapi masih ditemukan kelemahan teori atom Bohr yaitu: 

1.      Melanggar asas ketidakpastian Heisenberg karena elektron mempunyai jari-jari dan lintasan yang telah diketahui.

2.      Model atom Bohr mempunyai nilai momentum sudut lintasan ground state yang salah.

3.      Lemahnya penjelasan tentang prediksi spektra atom yang lebih besar.

4.      Tidak dapat memprediksi intensitas relatif garis spektra.

5.      Model atom Bohr tidak dapat menjelaskan struktur garis spektra yang baik.

6.      Tidak dapat menjelaskan efek Zeeman.

B.                 Model Atom Mekanika Kuantum

Keberhasilan percobaan Franck dan Hertz membuktikan adanya tingkat energi dalam atom raksa memperkuat dukungan terhadap model atom Bohr. Tingkat energi yang sebelumnya hanyalah postulat sekarang menjadi kenyataan. Teori atom Bohr dengan kuantisasi energi dan kuantisasi momentum sudut elektron, sukses menjelaskan masalah kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen (Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, dan Pfund).Tetapi, seperti halnya model-model atom terdahulu, model atomini pun harus diuji apakah sesuai dengan hasil percobaan atau tidak. Ternyata model atom Bohr ini tidak dapat menjelaskan efek Zeeman, anomali efek Zeeman (AEZ) atau struktur halus, spektrum dari atom-atom berelektron banyak.

Walaupun model atom Bohr gagal terhadap empat hal tersebut, model atom ini tetap merupakan tonggak sejarah penting dalam kemajuan ilmu fisika untuk mempelajari struktur atom. Masih diperlukan para fisikawan cerdas dan kreatif untuk mengembangkan model atom Bohr agar sesuai dengan fakta percobaan. Saat ini model atom yang diterima adalah model atom mekanika kuantum atau model atom mekanika gelombang. Perkembangan teori atom ini merupakan sumbangan dari beberapa ilmuwan. Jantung dari teori ini adalah persamaan fungsi gelombang Schrodinger. Dari persamaan fungsi gelombang ini dapat diturunkan empat macam bilangan kuantum n, l, m_l, dan m_s, di mana kumpulan akan menyatakan keadaan dari sebuah elektron dalam struktur  atom.

1.      Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

Dualisme gelombang partikel yang dikemukakan oleh teori de Broglie mengilhami Heisenberg. Ciri utama gelombang ditunjukkan oleh panjang gelombang, sedangkan ciri utama partikel ditunjukkan oleh momentumnya. Oleh karena itu, Heinsberg mempostulatkan suatu prinsip alamiah sangat penting yang membatasi pengetahuan yang dapat kita miliki tentang partikel. Prinsip Ketidakpastian Heinsberg menyatakan bahwa tidak mungkin kita tidak mengetahui posisi partikel secara teliti dan momentum partikel secara teliti pada saat yang bersamaan. Jika kita dapat menentukan momentum partikel secara teliti. Sebaliknya, jika kita dapat menentukan momentum partikel secara teliti, pastilah posisinya tidak teliti.

2.      Apa itu Bilangan Kuantum?

Seperti telah dinyatakan bahwa diperlukan pengembangan terhadap model atom Bohr untuk melakukan pendekatan pada gejala atomik dengan cara yang lebih umum. Pendekatan ini dilakukan berdasarkan kuantisasi momentum dan energi oleh gelombang elektron. Oleh karena itu, model atom ini disebut model atom mekanika gelombang atau model atom mekanika kuantum.

Dalam model atom Bohr, untuk menetapkan keadaan stasioner elektron hanya diperlukan satu bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama (simbol n). Disini, satu-satunya kuantitas yang berubah ketika elektron bergerak adalah kedudukan pada suatu orbit tertentu. Dalam model atom mekanika kuantum, untuk menetapkan keadaan stasioner elektron diperlukan empat bilangan kuantum. Keempat bilangan kuantum tersebut adalah:

a.                   Bilangan kuantum utama (simbol n),

b.                  Bilangan kuantum orbital (simbol l),

c.                   Bilangan kuantum magnetik (simbol m_l),

d.                  Bilangan kuantum spin (simbol m_s).

a.      Bilangan Kuantum Utama

Bilangan kuantum utama dalam teori kuantum bersesuaian dengan bilangan kuantum n dalam teori Bohr, yaitu menentukan energi total elektron. Energi total elektron adalah konstan, dapat bernilai berapa saja, tetapi harus negatif. Ini berarti bahwa untuk mengeluarkan elektron dari orbitnya diperlukan enegi. Energi  total elektron dalam atom seperti hidrogen adalah kekal dan terkuantisasi hanya oleh bilangan kuantum utama n. Nilai bilangan kuantum utama adalah bulat mulai dari 1 sampai tak hingga.

Bilangan kuantum utama n= 1,2,3...tak hingga

Orbit tempat elektron bergerak disebut kulit dan diberi nama dengan huruf besar K,L,M,N,O.... kulit dengan n=1 diberi nama kulit K; kulit dengan n=2 diberi nama kulit L; kulit dengan n=3 diberi nama M; dan seterusnya

b.      Bilangan Kuantum Orbital

Bilangan kuantum orbital muncul karena teramatinya efek Zeeman. Pieter Zeenam (1865-1943) menemukan garis-garis tambahan dalam spektrum emisi jika atom-atom tereksitasi diletakan dalam medan magnetik luar homogen, gejala ini disebut efek Zeenam.

Efek Zeenam tidak dapat dijelaskan oleh orbit lingkaran Bohr karena orbit lingkaran hanya memilii satu orientasi aton atau satu vektor momentum sudut. Vektor momentun sudut L adalah vektor yang melalui inti atom dan tegak lurus bidang orbit.

Berdasarkan efek Zeenam, Arnold Sommerfeld (1868-1951) mengusulkan orbit elips selain orbit lingkaran (orbit lingkaran adalah hal khusus dari orbit elips). Dengan orbit elips, orientasi orbit dapat lebih dari satu. Oleh karena itu, untuk menyatakan keadaan kuantum dari elektron diperlukan dua bilangan kuantum lain yang menyatakan vektor momentum sudut orbital, yaitu bilangan kuantum orbital dan bilangan kuantum magnetik.

Bilangan kuantum orbital sering disebut juga sebagai bilangan kuantum azimut, diberi lambang l, adalah bilangan kuantum yang menentukan besar momentum sudut elektron (diberi lambang huruf besar L). Nilai l dibatasidibatasi oleh nilai n, yaitu bilangan bulat mulai dari nol sampai dengan (n – l). Misalnya untuk n=3, nilai yang diperbolehkan adalah l=0,1, dan 2.

Besar momentum sudut

Karena l terbatas pada nilai-nilai tertentu, maka besar mementum sudut elektron (L), jadi seperti enegi total elektron, momentum sudut elektron juga terkuantisasi (diskret) dan ekal.

            Jika bilangan kuantum utama n menyatakan kulit, tempat elektron berada maka bilangan kuantum orbital menyatakan subkulit tempat elektron berada dan juga bentuk orbital. Seperti halnya kulit, subkulit juga diberi nama tetapi dengan menggunakan huruf kecil s, p, d, f, g, h, . . . . Empat huruf pertama berasal dari klasifikasi empiris dari spektrum, yaitu deret sharp (tajam), principal (utama), diffuse (kabur), dan fundamental (pokok) yan terjjadi sebelum teori atom dikembangkan. Abjad berikutnya mulai dari f adalah sesuai dengan urutan abjad. Dengan demikian, subkulit s untuk l=0, subkulit p untuk l=l, subkulit d untuk l=2.

c.       Bilangan kuantum magnetik

            Bilangan kuantum orbital menyatakan besar momentum sudut elektron. Momentum sudut adalah besaran vektor yang arahnya dinyatakan oleh kaidah tangan kanan.

            Untu menyatakan arah momentum sudut diperkenalkan bilangan kuantum magnetik, diberi lambang m_l, nilai m_l dibatasi oleh nilai l, yaitu bilangan bulat mulai dari –l sampai +l.

Kaitan antara nilai m_l dengan arah momentum sudut orbital, misalnya medan magnetik luar homogen berarah ke sumbu Z positif maka arah Z akan menentukan arah L dalam ruang. Menurut mekanika kuantum, proyeksi dan komponen L pada sumbu Z yaitu L_z, adalah terkuantisasi. Nilai-nilai L_z, yang diperbolehkan berkaitan dengan m_p. Fakta bahwa arah L dikuantisasi dengan acuan ke medan magnetik luar sering disebut sebagai kuantisasi ruang.

d.      Bilangan Kuantum Spin

Model Bohr-Sommerfeld yang menyatakan orbiit elips selain orbit lingkaran berhasil menjelaskan efek Zeeman. Dalam model ini keadaan elektron ditetapkan berdasarkan tiga bilangan kuantum: n, l, m_l. Tetapi muncul gejala baru, garis-garis spektra sering terpecah menjadi lebih banyak garis daripada yang diprakirakan. Pada pakar fisika menyebut gejala ini anomali efek Zeeman (AEZ). Sedangkan asal penyebab efek dikenal sebagai struktur halus. Sebagai contoh, garis pertama deret Balmer dari atom hidrogen menunjukan sebuah struktur bhalus yang terpisah 0,14 nm.

Struktur halu ditunjukkan secara eksperimen pada tahun 1927 oleh Phipps dan Taylor. Mereka melewatkan seberkas atom-atom hidrogen pada keadaan l=0, nilai m_l  yang diperbolehkan m_l=0, dan nilai L_z yang diperbolehkan adalah tiba di layar. Hasil eksperi men menunjukkan bahwa berkas hidrogen terpisah menjadi dua komponen. Dapatkah kita simpulkan bahwa ada sumbangan lain pada momen magnetik selain ada momen magnetik orbital.

Terjadinya AEZ berhasil dijelaskan oleh pauli. Pauli menyatakan hipotesis bahwa terjadinya AEZ adalah karena adanya rotasi tersembunyi yang menghasilkan momentum sudut tambahan dia mengusulkan bilangan kuantum keempat yang hanya boleh memiliki dua  nilai, supaya dapat menjelaskan AEZ.

Goudsmit dan Unlenbeck kemudian mengusulkan bahwa rotasi tersembunyi ini disebabkan oleh momentum sudut intrinsik dala, elektron itu sendiri (bukan oleh momentum sudut orbital). Momentum sudut intrinsik dikaitkan dengan elektron muatan listrik yang berputar pada porosnya sendiri (mirip dengan rotasi Bumi mengitari porosnya sendiri) dan karena itu disebut spin elektron. Dengan kata lain, momentum sudut total elektron dalam suatu keadaan elektronik tertentu diakibatkan oleh momentum sudut orbital L dan momentum sudut spin, P.

Pada tahun 1929, Dirac dengan teorinya menunjukkan bahwa spin elektron dapat dijelaskan oleh suatu bilangan kuantum m_s, yang hanya boleh memiliki nilai ½. Momentum sudut soin hanya dapat memiliki dua orientasi (dua arah), ditentukan oleh bilangan kuantum magnetik spin (sering hanya disebut dengan bilangan kuantum spin), diberi lambang m_s, dimna m_s hanya diperbolehkan memiliki dua nilai +½ dan -½.

Bilangan kuantum spin                 m_s = ±½

Komponen Z (searah medan magnetik luar) dari momentum sudut spin S_z diberikan oleh kedua nilai ±h/2 untuk S_z berkaitan dengan dua orientasi yang diperbolehkan untuk S_z. Nilai m_s =+½  menunjukkan arah spin ke atas (putaran elektron terhadap porosnya berlawanan arah jarum jam), sedangkan nilai m_s = ½ menunjukkan arah spin kebawah (putaran elektron terhadap porosnya searah jarum jam).

e.       Asas Larangan Pauli

Mengapa semua elektron dalam sebuah atom tidak turun saja menempati tingkat 1s yang memiliki energi paling rendah? Jawabannya ditemukan oleh Wolfgang Pauli pada tahun 1925, berdasarkan studinya terhadap data transaksi yang ada dan yang diperkirakan hadir tetapi tidak muncul dalam suatu spektrum emisi atom. Bunyi asas larangan Pauli adalah sebagai berikut.

Asas Larangan Pauli

Tidak ada dua elektron dalam sebuah atom yang dapat memiliki keempat bilangan kuantum yang persis sama.

Asas ini mengatakan bahwa tidak ada dua elektron dalam sebuah atom yang dapat memiliki sekumpulan (n,l,m_l,m_s) yang persis sama. Kedua elektron bisa saja memiliki tiga bilangan kuantum yang tepat sama (misalnya n, l, dan m_l  tepat sama) tetapi bilangan kuantum lainnya (yaitu m_s) haruslah berbeda.

Asas larangan Pauli merupakan aturan paling penting yang mengatur atom, dan kajian sifat-sifat atom hanya akan berhasil melalui pemahaman secara mendalam terhadap asas ini.

Mari kita lihat bagaimana asas ini bekerja untuk atom helium (Z=2). Elektron pertama atom helium pada keadaan dasar memiliki himpunan bilangan kuantum (n=1, l=0, m_l=0, dan m_s=+½). Elektron kedua bisa memiliki ketiga bilangan kuantum n, l, dan m_l sama tetapi bilangan kuantum keempat m_s harus berbeda. Karena elektron pertama m_s = +½. Asas Larangan Pauli juga membatasi setiap orbital hanya mampu menampung maksimum 2 elektron, dan dalam satu orbital (disebut elektron berpasangan) harus memiliki spin dalam arah berlawanan.

Asas Larangan Pauli bersama dengan prinsip Aufbau, aturan Hund, serta orbital penuh dan setengah penuh, digunakan untuk menentukan ‘konfigurasi elektron untuk atom-atom berelektron banyak. (konfigurasi elektron adalah gambaran tentang persebaran elektron-elektron ke dalam orbital-orbital kulit elektron).

BAB III

PENUTUP

A.                Kesimpulan

Sekarang kebanyakan orang sudah tahu bahwa atom merupakan dasar pembentuk materi yang ada di alam semesta ini. Kalau ditanya bagaimana struktur atom, hampir semua orang tahu, struktur atom itu mirip seperti struktur tata surya. Tetapi untuk mencapai kesimpulan seperti sekarangini, sejarahnya sangat panjang. Dengan mengikuti sejarah perkembangan teori atom kita dapat melihat bagaimana para ilmuwan bekerja-proses ilmiah berlangsung dan bagaimana metoda ilmiah diterapkan.

Sejarah teori atom dimulai dari pendapat Demokritus yang disempurnakan oleh Dalton yang menyebutkan atom mirip bola pejal, yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Setelah ditemukan elektron, yang ukurannya lebih kecil dari atom baru dipikirkan bahwa atom bukanlah bentuk tunggal, tetapi terdiri dari elektron yang bermuatan negatif dan bagian tengah muatannya positif, J.J. Thomson yang menemukan elektron melukiskan atom seperti bola positif yang dinetralkan oleh elektron di sela-sela muatan positif mirip roti kismis atau buah semangka. Rutherford menunjukkan model atom Thomson tidak dapat menjelaskan peristiwa hamburan sinar alfa ketika ditembakkan pada selembar emas. Rutherford menyimpulkan, atom terdiri dari inti bermuatan positif yang mengandung hampir seluruh massa atom dan elektron bergerak mengelilingi inti. Ternyata model atom Rutherford tidak dapat menjelaskan spektrum garis yang dihasilkan gas hidrogen seperti yang diamati oleh Balmer, Lymann, Paschen, Brackett, dan Pfund. Untuk menjelaskan spektrum garis gas hidrogen itu, Bohr menciptakan teori yang revolusioner berdasarkan dua buah postulatnya yang terkenal yakni, a) pada lintasan stasioner, elektron mengelilingi inti tanpa membebaskan energi, dan b) jika terjadi transisi elektron, atom memancarkan atau menyerap energi. Teori atom Bohr ternyata belum dapat menjelaskan gejala terpecahnya spektrum ketika atom berada di dalam medan magnet tidak homogen (efek Zeeman) dan timbulnya struktur halus jika digunakan spektroskop yang lebih teliti. Untuk menjelaskan fenomena tersebut digunakanlah sebuah mekanika kuantum, sehingga dikenal empat bilangan kuantum untuk mendeskripsikan sebuah elektron di dalam atom. Prinsip eksklusi Pauli menyarankan tidak ada dua buah elektron yang memiliki keempat bilangan kuantum yang sama. Berdasarkan teori kuantum dan prinsip eksklusi Pauli, kita dapat menyusun konfigurasielektron dan tabel periodik unsur.

Efek samping dari proses perkembangan teori atom tersebut kita mengenal sinar katoda, sinar X, dan laser yang memberi andil sangat besar dalam perkembangan dunia modern seperti yang kita rasakan saat ini.  

DAFTAR PUSTAKA

Kanginan, Marthen. 2007. Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta : Erlangga.

Daton, Goris Seran dkk. 2007. Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta : Grasindo