Teori Atom

Teori Atom

Sebuah atom selama ini dijelaskan secara sederhana mempunyai komposisi yang terdiri atas proton (bermuatan positip), elektron (bermuatan negatip), dan neutron (netral).Tapi kini ada lagi ditambah dengan partikel higgs-boson, yang disebut god particles yang dianggap memberi massa pada atom.



Tapi untuk mempermudah pemahaman disini digunakan penjelasan menurut Niels Bohr:

• Atom itu terdiri dari inti atom atau nucleus yang dikelilingi elektron-elektron pada orbitnya.
• Nucleus mempunyai muatan listrik positip dan menarik elektron yang bermuatan listrik negatip.
• Tanpa adanya gaya sentrifugal, elektron-elektron itu akan tertarik dan menabrak nucleus. Tapi adanya gaya sentrifugal yang bekerja pada elektron, maka ada percepatan yang mengimbangi gaya tarik nucleus, sehingga elektron itu bergerak mengelilingi nucleus.

Atom itu terdiri dari sebuah inti atom (nucleus) sebagai pusat yang dikelilingi elektron-elektron. Sehingga atom itu dapat dibandingkan dengan sebuah planet yang dikelilingi satelit-satelit. Seperti halnya satelit-satelit berada pada orbitnnya karenna adanya gaya tarik gravitasi massa planet, maka setiap elektron berada di orbitnya karena adanya gaya tarik elektrostatis antara elektron dengan nucleus.

Setiap elektron mempunyai suatu muatan listrik sebesar 1,062 x 10^-19 coulomb (C), dan sebagian partikel di dalam nucleus mempunyai muatan positip dengan besar yang sama. Karena muatan yang berlawanan tarik-menarik, maka timbul suatu gaya tarik di antara elektron dan nucleus yang bermuatan berlawanan.

Dibandingkan dengan massa nucleus, elektron adalah partikel relatip kecil dengan massa yang hampir dapat diabaikan. Jadi, elektron-elektron itu dapat dianggap sebagai partikel listrik negatip yang tidak mempunyai massa sama sekali.

Nucleus dari sebuah atom merupakan cluster yang sebagian besar terdiri dari dua macam partikel, yaitu proton dan neutron.

Proton mempunyai muatan listrik positip, sama besar (tapi berlawanan polaritas) dengan muatan negatip pada elektron. Sebuah neutron tidak mempunyai muatan sama sekali. Proton dan neutron masing-masing mempunyai massa sekitar 1800 kali massa sebuah elektron. Untuk sebuah atom tertentu, banyaknya proton biasanya sama banyak dengan elektron-elektron di orbit.

Dalam fisika, proton adalah partikel subatomik dengan muatan positif sebesar 1.6 × 10^-19 coulomb dan massa 938 MeV (1.6726231 × 10^-27 kg, atau sekitar 1836 kali massa sebuah elektron).

Karena proton dan elektron di orbit sama banyak dan muatannya sama besar dan berlawanan, keduanya secara elektris saling menetralisir satu sama lain. Oleh karena itu, semua atom biasanya netral secara elektris.

Jika sebuah atom kehilangan sebuah elektron, maka atom dikatakan kehilangan beberapa muatan negatip. Karena itu, atom itu dikatakan bermuatan positip, dan atom itu disebut ion positip. Demikian pula, bila sebuah atom mendapatkan tambahan elektron, maka atom itu menjadi bermuatan negatip dan disebut sebuah ion negatip.

Atom-atom dibedakan menurut banyaknya dan susunan dari tiga jenis partikel itu. Tapi, semua elektron itu identik, sebagaimana semua proton dan semua neutron. Sebuah elektron dari sebuah atom dapat menggantikan sebuah elektron dari setiap atom lain. Bahan yang berlainan jenis atom-atom juga berlainan, atau kombinasinya yang berbeda dari beberapa jenis atom.

Banyaknya proton dalam sebuah atom disebut nomor atom (atomic number) dari atom. Berat atom (atomic weight) hampir sama dengan total banyaknya proton dan neutron di dalam nucleus dari atom. Atom bahan semikonduktor silikon mempunyai 14 proton dan 14 neutron di dalam nucleusnya, juga 14 elektron di orbit. Karena itu nomer atom silikon adalah 14, dan berat atomnya hampir 28.

Orbit Elektron dan Level Energi Atom dapat digambarkan secara mudah dengan gambar dua dimensi seperti pada gambar di bawah ini. Terlihat elektron-elektron hanya dapat menempati lingkaran orbit (shell) tertentu pada jarak yang tetap dari nucleus, dan bahwa setiap orbit dapat mengandung hanya sejumlah elektron tertentu.

Banyaknya elektron pada suatu orbit dirumuskan dengan 2 n², dimana n = quantum number (bilangan kuantum) yang sama dengan nomor orbit. Jadi untuk sebuah atom silikon terdapat dua elektron berkeliling pada orbit pertama, delapan pada orbit kedua, dan empat pada orbit yang terluar (orbit valensi).

Keempat belas elektron yang berkeliling itu menetralisir muatan positip dari keempat belas proton di dalam nucleus, sehingga terbentuk sebuah atom netral.

Elektron-elektron pada orbit terluar menentukan karakteristik elektrik (dan kimia) setiap jenis atom tertentu. Elektron-elektron ini biasanya disebut elektron valensi. Sebuah atom bisa mempunyai orbit terluar atau orbit valensi terisi penuh atau terisi sebagian.

Atom-atom dari dua semikonduktor yang penting, yaitu silikon (Si) dan germanium (Ge) digambarkan seperti pada gambar di atas ini. Terlihat bahwa setiap atom ini mempunyai empat elektron pada orbit terluar (orbit valensi) yang dapat mengandung maksimum delapan. Maka, dikatakaan orbit valensi mempunyai empat elektron dan empat hole.

Sebuah hole adalah ketidak-adaan (kekosongan) elektron pada suatu orbit yang seharusnya elektron berada. Meskipun orbit valensi mempunnyai empat hole, baik silikon maupun germanium adalah netral secara listrik, karena total banyaknya elektron (bermuatan negatip) di orbit sama besar dengan total banyaknya proton (bermuatan positip) di dalam nucleus.

Semakin dekat sebuah elektron pada nukleus, semakin besar gaya yang mengikat elektron itu. Setiap orbit mempunyai suatu energy level, s uatu tingkat energi yang terkait dengan orbitnya yang menyatakan berapa banyaknya energi yang harus dipasok untuk menarik keluar sebuah elektron meninggalkan orbitnya.

Karena berada paling jauh dari nukleus, elektron-elektron orbit valensi memerlukan energi yang paling sedikit untuk meninggalkan atomnya. Sebaliknya, elektron-elektron yang terdekat dengan nucleus memerlukan energi yang terbesar untuk menariknya keluar dari atom.

Energi level yang dibahas di atas diukur dengan satuan electron volt (eV). Satu eV didefinisikan sebagai sejumlah energi yang diperlukan untuk memindahkan sebuah elektron melewati beda potensial sebesar satu volt.

Energy Band Sampai disini, telah dibahas sebuah sistem elektron dari sebuah atom sendirian. Elektron-elektron dari sebuah atom sendirian beraksi hanya terhadap gaya-gaya yang ada dalam atom itu. Tapi, bila atom-atom itu berdekatan, seperti di dalam zat padat, elektron-elektronnya berada di bawah pengaruh gaya-gaya dari atom-atom yang lain. Dalam keadaan seperti ini, energy level yang diduduki elektron-elektron menjadi sebuah band (kumpulan) energy level. Di dalam setiap bahan tertentu terdapat dua energy band berlainan yang di dalamnya ada elektron-elektron, yaitu valence band dan conduction band. Di antara kedua band ini terdapat yang dinamakan energy gap, biasanya tidak ada elektron. Gap ini disebut forbidden gap. Valence band, conduction band, dan forbidden gap terlihat seperti pada gambar di bawah ini.

Elektron di dalam conduction band menjadi terpisah dari atomnya dan mengambang (drifting) mengalir di dalam bahan. Elektron-elektron di dalam conduction band lebih mudah bergerak dengan sejumlah energi yang relatip lebih kecil. Sejumlah energi yang jauh lebih besar diperlukan untuk menarik elektron dari valence band atau untuk menggerakkan elektron di sekitar valence band. Elekton-elektron di dalam valence band biasanya pada orbit di sekitar sebuah nucleus. Untuk jenis bahan tertentu, forbidden gap bisa besar, kecil, atau tidak ada.

Perbedaan antara konduktor, insulator, dan semikonduktor sebagian besar terkait dengan lebar relatip dari forbidden gap.

Perlu untuk dicatat disini bahwa diagram energy band itu merupakan gambar grafis energy levels yang terkait dengan elektron-elektron.

Sekali lagi, elektron-elektron valence band sebenarnya berada di orbit sekitar nucleus dari sebuah atom; elektron-elektron di conduction band mengambang (drifting) sekitar ruang-ruang di antara atom-atom.

Konduksi di dalam Zat Padat Konduksi terjadi pada setiap bahan tertentu bila dikenakan tegangan menyebabkan elektron-elektron di dalam bahan bergerak ke arah yang diinginkan. Hal ini disebabkan satu atau dua dari dua proses, gerakan elektron dan transfer (pemindahan) hole.

Pada gerakan elektron, elektron-elektron bebas dalam conduction band bergerak di bawah pengaruh medan listrik. Karena mempunyai muatan listrik negatip, elektron-elektron ditolak dari terminal negatip tegangan terpasang dan ditarik menuju terminal positip. Pemindahan hole berkaitan dengan elektron-elektron yang masih terikat pada atom-atomnya, yaitu elektron-elektron di valence band.

Jika beberapa energy level di valence band yang tidak ditempati elektron, maka ada hole yang dapat menarik elektron. Sebuah elektron dapat melompat dari sebuah atom untuk mengisi hole di atom yang lain. Jika ada elektron melompat, elektron itu meninggalkan hole di belakangnya, jadi ada hole berpindah ke arah berlawanan dengan arah elektron bergerak. Dalam hal ini dapat dikatakaan bahwa terjadi arus listrik karena pemindahan hole.

Pada gambar di atas ini tidak ada elektron bebas. Tapi, elektron-elektron dalam orbit di sekitar atom-atom mengalami gaya tarik ke terminal positip dari tegangan terpasang, dan penolakan dari terminal negatip. Akibatnya, sebuah elektron dapat dibuat melompat dari sebuah atom mengisi hole pada atom yang lain, selama elektron itu bergerak menuju terminal postip.

Pada gambbar (a), sebuah elektron dibuat bergerak dari atom y ke atom x. Hole pada orbit valensi dari atom x sekarang terisi, dan sebuah hole timbul pada orbit valensi dari atom y, gambar (b). Jika sebuah elektron sekarang melompat dari atom z mengisi hole atom y, sebuah hole timbul pada orbit valensi atom z, gambar (c). Jadi hole itu telah berpindah atom x ke atom z.

Hole dapat dianggap sebagai partikel positip, dan karena itu hole bergerak melewati medan listrik berlawanan arah dengan gerak elektron, partikel positip ditarik menuju terminal negatip dari tegangan terpasang. Dalam keadaan seperti gambar di atas (dimana ada sedikit elektron bebas), lebih mudah menerangkan dengan gerakan hole dibandingkan menerangkan elektron berlompatan dari atom ke atom.

Karena aliran arus listrik terdiri dari gerakan elektron di conducion band dan hole di valence band, elektron dan hole disebut sebagai pembawa muatan (charge carrier). Setiap kali sebuah hole pindah, elektron harus dipasok energi yang cukup agar elektron dapat melepaskan diri dari atomnya. Elektron bebas memerlukan energi lebih sedikit dibandingkan dengan hole untuk menggerakkan elektron, karena elektron sudah lepas dari atomnya. Karena itu, mobilitas elektron lebih cepat dari pada hole.

Satuan arus listrik adalah ampere (A). Satu ampere dapat didefinisikan sebagai arus listrik yang mengalir bila muatan sebesar satu coulomb melewati sebuah titik tertentu dalam satu detik. Dari definisi ini, dapat dihitung berapa banyaknya elektron yang terdapat dalam arus listrik sebesar satu ampere. Karena muatan listrik dalam satu elektron adalah 1,602 x 10^-19 C, maka banyaknya elektron dengan total muatan listrik 1 C adalah 1/(1,602 x 10^-19) sama dengan 6,24 x 10¹⁸ elektron. Bila ada arus listrik sebesar 1 mikroA mengalir, maka terdapat elektron-elektron yang lewat sebanyak 6,24 x 10¹² atau 6.240.000.000.000 elektron per detik.

Arus Konvensional dan Aliran Elektron Semula diyakini bahwa muatan positip itu menyatakan sejumlah muatan listrik yang lebih banyak, sedangkan muatan negatip menyatakan muatan listrik yang lebih sedikit. Jadi, dianggap arus listrik itu mengalir dari positip ke negatip. Konvensi ini masih dipakai sampai saat ini, meskipun arus listrik sekarang adalah gerakan elektron dari negatip ke positip.




Arus listrik mengalir dari positip ke negatip merupakan arah arus konvensional. Elektron mengalir dari negatip ke positip sebagai arah aliran gerakan elektron.

Adalah penting, untuk memahami baik arah arus listrik konvensional maupun aliran gerakan elektron. Dalam diagram skema suatu rangkaian elektronik digambar dengan anak panah untuk menunjukkan arah arus listrik konvensional. Sehingga, suatu rangkaian elektronik paling mudah dipahami dengan menggunakan aliran arus listrik dari positip ke negatip. Tapi, untuk menjelaskan bagaimana prinsip kerja sebuah divais harus diterangkan dengan aliran gerakan elektron.

Gaya Ikat antar Atom Apakah suatu bahan itu sebuah konduktor, sebuah semikonduktor, atau sebuah insulator umumnya tergantung pada apa yang terjadi dengan elektron-elektron orbit terluar, ketika atom-atom itu mengikatkan diri bersama untuk membentuk suatu zat padat.

Dalam hal tembaga, atom-atomnya mempunyai elektron-elektron valensi yang mudah terlepas. Hal ini menimbulkan massa elektron bebas yang besar (atau electron gas) yang mengambang (drifting) melalui celah-celah ruang di antara atom-atom tembaga. Karena masing-masing atom kehilangan sebuah elektron (muatan negatip), atom itu menjadi ion positip. Massa elektron itu, tentu saja, bermuatan negatip, akibatnya, timbul suatu gaya tarik elektrostatis di antara ion positip dan massa elektron. Inilah gaya ikat yang mengikat atom-atom itu menjadi sebuah zat padat. Dalam hal tembaga atau logam-logam lain, disebut metallic bonding (ikatan metal/logam).

Dalam hal silikon, yang mempunyai empat elektron orbit terluar dan empat hole, susunan ikatannya agak rumit dibandingkan dengan tembaga. Atom-atom di dalam sebatang silikon padat sedemikian dekatnya satu sama lainnya sehingga elekttron-elektron orbit terluar berperilaku seolah-olah mengorbit pada orbit valensi dari dua atom. Dengan cara ini setiap elektron orbit valensi mengisi salah satu hole dari orbit valensi dari sebuah atom tetangganya.

Susunan seperti ini mebentuk suatu gaya ikat yang disebut ikatan kovalen (covalent bonding). Dalam ikatan kovalen setiap orbit valensi dari setiap atom dalam keadaan terisi, akibatnya tidak ada hole dan tidak ada elektron bebas yang mengambang di dalam bahan semikonduktor. Ikatan kovalen yang sama juga terdapat di dalam germanium.

Atom-atom dalam bahan semikonduktor, yang dipersiapkan untuk pembuatan divais, diatur menjadi pola tiga dimensi tertentu yang disebut crystal lattice. Masing-masing atom terikat dengan ikatan kovalen dengan empat buah atom di sekitarnya.

Pada beberapa bahan insulator, misalnya karet dan plastik, proses ikatannya juga ikatan kovalen. Elektron-elektron valensi dalam ikatan ini terikat sangat kuat pada atom-atomnya, sehingga kemungkinan arus mengalir tidak ada.

Pada jenis bahan insulator lain, beberapa atomnya terpisah dengan elektron orbit terluar, tapi elektron-elektron itu telah diterima masuk ke dalam orbit atom-atom lain. Jadi, atom-atom tsb mengalami ionisasi, dan atom-atom yang memberikan elektron-elektronnya menjadi ion-ion positip, atom-atom yang menerima elektron-elektron menjadi ion-ion negatip. Hal ini menimbulkan gaya ikat elektrostatik di antara atom-atom, dan disebut ikatan ionik.

kembali

back