Model - Model Atom ( Momentum Sudut Orbital Dan Spin )

Fisika Modern MODEL - MODEL ATOM

BAHAN AJAR FISIKA MODERN

Standar Kompetensi :   Mahasiswa dapat memahami fakta, konsep, kaidah, prinsip, prosedur, interaksi, dan mekanisme partikel dalam fisika modern

Kompetensi Dasar :       Mahasiswa dapat menjelaskan susunan konfigurasi elektron pada atom

Indikator :   - Mekanisme elektron dalam atom

-   Spektrum dan kedudukan elektron

Materi Pokok : Model – model atom

Submateri Pokok : - Momentum sudut orbital dan spin      - Spektrum optik

 - Prinsip Pauli                                        - Efek Zeeman                       

 - Susunan berkala

Tujuan

A.      Tujuan PPK

Mahasiswa mampu :

o  Menjelaskan orbit dan keberadaan spin elektron

o  Menjelaskan dan menerapkan prinsip Paulli

o  Menjelaskan peristiwa efek Zeeman

B.       Tujuan Kinerja Ilmiah

o  Membuktikan keberadaan spin elektrom melalui eksperimen

o  Membuktikan kebenaran prinsip Paulli

o  Mengklasifikasi unsur-unsur berdasarkan persamaan sifat-sifatnya

o  Membuktikan efek Zeeman

C. Tujuan Afektif

o   Mengajukan pertanyaan dengan baik.

o   Menyampaikan pendapat dengan baik.

o   Menjadi pendengar yang aktif.

Sumber Pembelajaran : Buku Fisika Modern karangan Arthur Beiser, Kenneth Krane, Sutrisno, Media Internet, dan lain – lain

Sarana / Media Pembelajaran : LCD, laptop, slide power point, papan tulis

MODEL – MODEL ATOM

Momentum Sudut Orbital dan Spin

Elektron dapat terikat pada inti atom melalui gaya tarik menarik Coulomb. Jika jumlah elektron berbeda dari muatan listrik inti, atom tersebut dinamakan sebagai ion. Perilaku elektron terikat yang seperti gelombang dideskripsikan menggunakan fungsi matematika yang disebut orbital atom. Tiap-tiap orbital atom memiliki satu set bilangan kuantumnya sendiri, yaitu energi, momentum sudut, dan proyeksi momentum sudut.

Elektron dapat berpindah dari satu orbital ke orbital lainnya melalui emisi ataupun absorpsi foton yang energinya sesuai dengan perbedaan potensial antarorbital. Metode perpindahan orbital lainnya meliputi pertumbukan dengan partikel elektron lain. Agar dapat melepaskan diri dari atom, energi elektron haruslah ditingkatkan melebihi energi pengikatannya. Ini terjadi pada efek fotolistrik, di mana foton yang berenergi lebih tinggi dari energi ionisasi atom diserap oleh elektron.

Oleh karena elektron bermuatan, ia menghasilkan momen magnetik orbital yang proposional terhadap momentum sudut. Keseluruhan momen magnetik sebuah atom adalah setera dengan jumlah vektor momen magnetik orbital dan momen magnetik spin keseluruhan elektron dan inti atom. Namun, momen magnetik inti sangatlah kecil dan dapat diabaikan jika dibandingkan dengan elektron. Momen magnetik dari dua elektron yang menduduki orbital yang sama (disebut elektron berpasangan) akan saling meniadakan.

Ikatan kimia antaratom terjadi sebagai akibat dari interaksi elektromagnetik. Ikatan yang terkuat terbentuk melalui perkongsian elektron maupun transfer elektron di antara atom-atom, mengizinkan terbentuknya molekul. Dalam molekul, pegerakan elektron dipengaruhi oleh beberapa inti atom dan elektron menduduki orbital molekul, sama halnya dengan elektron yang menduduki orbital atom pada atom bebas. Faktor mendasar pada struktur molekul adalah keberadaan pasangan elektron. Kedua elektron yang berpasangan memiliki spin yang berlawanan, mengizinkan keduanya menduduki orbital molekul yang sama.

Degenerasi sebanyak n² dari tingkat energi atom hidrogen disebabkan oleh adanya nilai l yang berbeda untuk suatu n tertentu. Namun dengan adanya suatu interaksi lain/bukan interaksi Coulomb mengakibatkan terpecahnya tingkat energi untuk suatu bilangan kuantum n. Terjadinya pemecahan tingkat energi ini mengakibatkan garis spectrum yang dipancarkan menjadi lebih banyak dan disebut spectrum struktur halus.

Ada beberapa garis spektrum halus yang tidak dapat dijelaskan karena adanya multiple l Misalnya yang terjadi pada garis kuning dari natrium sebagai hasil transisi dari n = 3, l = 1(3p) ke n = 3, l  = 0 (3s). Goudsmit dan Uhlenbeck 1925 mengusulkan bahwa elektron memiliki suatu komponen sudut intrinsik yang tidak dipengaruhi oleh gerak orbitalnya dan disebut sebagai spin elektron. Hal ini dapat menggambarkan bahwa elektron berotasi pada sumbunya sehingga menghasilkan momentum sudut spin S.

Karena elektron bermuatan listrik negatif, maka gerak rotasinya menghasilkan medan magnet dengan momen magnetnya µ, berlawanan arah L_s.

Elektron yang berspin tersebut di dalam atom mengedari inti, namun dilihat oleh elektron (jika pengamat diam terhadap elektron), inti yang bermuatan positif tersebut mengedari elektron sehingga dari sisi elektron terdapat medan magnet akibat edaran inti tersebut.

Suatu keadaan dengan nomor kuantum momentum sudut spin S (lebih sering diangkat sebagai bilangan kuantum spin) karena pengaruh medan magnet ini terkuantisasi ruang sebanyak 2s + 1. Dari pengamatan, nilai tersebut selalu sama dengan 2 sehingga 2s + 2 Atau s = ½

Besar momentum sudut spin :

    ...(1)

Sedangkan komponen momentum sudut spin ke arah medan magnet adalah :

S_z = m_sh                                   ... (2)

Dengan m_s adalah bilangan kuantum magnetik spin yang dapat bernilai -s dan +s atau  -½  atau ½.

Orbital elektron dan tingkat energi dari sistem elektron banyak diklasifikasikan menjadi 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, dan seterusnya dalam kasus atom-atom hidrogenik. Masalahnya adalah bagaimana elektron-elektron tersebut didistribusikan ke dalam orbital elektron. Apakah seluruh elektron digabungkan ke dalam orbital yang paling stabil yaitu orbital 1s dengan energi terendahnya? Kesimpulan dari teori kuantum adalah bahwa hanya ada dua elektron yang dapat menempati orbital yang sama. Aturan ini berkaitan dengan momentum sudut khusus yang disebut sebagai spin elektron.

Keberadaan spin elektron dibuktikan melalui beberapa eksperimen yaitu :

1.                  Eksperimen berkas atom oleh Stern dan Gerlach

            Aliran atom dapat dihasilkan dalam sebuah ruang vakum melalui nozel setelah melakukan evaporasi perak atau logam alkali dengan pemanasan. Aliran atom yang demikian itu dalam vakum disebut sebagai berkas atom. O. Stern dan W. Gerlach menemukan pada tahun 1922 bahwa berkas atom perak atau atom natrium, yang memiliki hanya satu elektron pada kulit terluar, berpisah membentuk dua garis dalam sebuah medan magnet tidak homogen.

Di dalam eksperimen ini berkas atom perak yang netral dilewatkan dalam suatu medan magnet tak homogen dalam arah sumbu z (Gb. 1). Jika atom tersebut mempunyai momen magnet µ, maka energi interaksinya dengan medan magnet adalah :                               E = -µβ                        ... (3)

Di dalam medan magnet dengan gradien dβ/dz, maka atom tersebut mengalami gaya arah z sebesar :             F_z = µ_z dβ/dz                         ... (4)

Secara klasik, momen dipol magnet terorientasi secara acak sehingga diharapkan berkas atom setelah melewati medan magnet menjadi melebar. Hasil dalam eksperimen tersebut menunjukkan bahwa berkas atom terpecah menjadi dua komponen diskret yang berarti bahwa hanya ada dua kemungkinan nilai dari µ_z, karena atom perak hanya mempunyai sebuah elektron di kulit terluarnya, hasil eksperimen di atas menunjukkan bahwa spin elektron juga hanya mempunyai dua kemungkinan nilai.

Eksperimen ini memberikan gambaran bahwa sebuah elektron memiliki sebuah momen magnetik, yang merupakan sifat magnetik yang berkaitan dengan arus listrik melingkar.

Gambar 1. Eksperimen berkas atom oleh Stern dan Gerlach.

1.                  Garis ganda (doblet) dalam spektrum atom logam alkali

            Sebuah warna oranye dari reaksi pembakaran natrium dapat dipancarkan dari lampu lecutan listrik dengan uap natrium. Garis-garis hitam (garis Fraunhofer) ditemukan dalam spektrum dari matahari terdiri dari garis-garis dengan panjang gelombang yang sama sebagaimana spektrum natrium dan disebut sebagai garis-garis D. Garis-garis D dari natrium berasal dari transisi antara tingkat 3s dan 3p dan pada garis-garis itu diamati terdiri dari dua garis yang berdekatan (doblet) pada panjang gelombang 5895.93 Å dan 5889.97 Å. Doblet seperti itu juga ditemukan pada atom alkali yang lain dan jarak pemisahannya diketahui akan semakin membesar dengan susunan Li < Na < K < Rb < Cs. S.A. Goudsmit dan G.E. Uhlenbeck mengusulkan bahwa pemisahan garis spektra disebabkan oleh momen magnetik dari sebuah elektron yang berkaitan dengan gerakan melingkarnya. Karena momentum sudut dikaitkan dengan gerakan melingkar dari sebuah muatan listrik, momentum sudut ini yang menjadi asal usul momen magnetik dari sebuah elektron. Momentum sudut yang berkaitan dengan gerakan melingkar oleh sebuah elektron disebut sebagai spin elektron.

Dalam usaha untuk membahas spin elektron dalam mekanika kuantum, operator harus diperkenalkan seperti pada momentum sudut orbital. Marilah kita menuliskan momen sudut spin sebagai s topi dan dengan komponen-z ditulis sebagai s_z. Dengan mengambil analogi terhadap momentum sudut orbital, fungsi eigen yang umum Γ untuk s topi dan s_z diharapkan ada dan harus memiliki hubungan sebagai berikut :

s adalah bilangan kuantum untuk kuadrat dari spin dan disebut sebagai bilangan kuantum spin. m_s adalah bilangan kuantum untuk komponennya dan disebut sebagai bilangan kuantum spin magnetik. Aturan umum untuk momentum sudut menyarankan bahwa m_s harus memiliki 2s + 1 nilai yang mungkin dengan s, s – 1,…, s, s + 1, s, s.

Dengan eksperimen, berkas atom dipisahkan menjadi dua komponen dalam sebuah medan magnet dan spektra logam alkali terpisahkan menjadi 2 garis. Berdasarkan penemuan ini, m_s disimpulkan hanya memiliki 2 nilai yang mungkin. Ini mengikuti ketentuan bahwa 2s + 1 = 2 dan karenanya kita mendapatkan s, s = 1/2, m_s = ±1/2. Harus dicatat bahwa bilangan kuantum spin adalah sebuah setengah bilangan bulat dengan hanya satu nilai yaitu s = 1/2. Nilai yang dibolehkan untuk m_s dibatasi hanya pada nilai ±1/2. Spin adalah momentum sudut yang sangat khusus jika dibandingkan dengan momentum sudut orbital.

Meskipun sifat yang khusus dari momentum sudut spin sangat sulit untuk dimengerti secara konseptual, perhitungan dan perlakuan matematikanya sangatlah sederhana. Karena hanya ada dua keadaan, maka hanya terdapat dua buah fungsi eigen. Biasanya fungsi spin berkaitan dengan dengan m_s = 1/2 dinyatakan sebagai α, dan fungsi spin yang lain untuk m_s = -1/2 dinyatakan sebagai β.

Dalam kaitan dengan orientasi dari momen magentik yang berkaitan dengan gerakan berputar, arah ke atas disebut sebagai spin α dan arah ke bawah disebut sebagai spin β. Variabel σ untuk fungsi spin α(σ), β(σ) disebut sebagai koordinat spin. Meskipun keberartian dari koordinat spin σ tidak jelas, kita tidak perlu untuk memperhatikan apa yang direpresentasikannya.

Koordinat spin adalah koordinat ke empat yang mengkuti tiga koordinat untuk posisi dalam ruang tiga dimensi. Secara formal, nilai yang dimungkinkan untuk koordinat spin hanya ada dua kasus yaitu orientasi keatas σ = ↑ dan orientasi ke bawah σ = ↓.

Probabilitas untuk menemukan sebuah elektron pada σ = ↑ adalah sama dengan 1 dalam keadaan spin ke atas α dan 0 dalam keadaan spin ke bawah β. Di sisi yang lain, probabilitas untuk menemukan sebuah elektron pada keadaan σ = ↓ adalah sama dengan 0 dalam keadaan spin ke atas α dan 1 dalam keadaan spin ke bawah β.

Dalam mekanika kuantum, beberapa integral perlu dihitung dalam kaitannya dengan probabilitas dan normalisasi. Sebagaimana untuk spin, sebuah penjumlahan yang sederhana untuk dua koordinat saja, ↑ dan ↓ yang diperlukan. Sebagai contoh persamaan (9) akan menghasilkan :

...(10)



Dan hal yang sama

...(11)




Sebagai tambahan 

...(12)

Sebagaimana dapat dilihat dari perhitungan-perhitungan ini, fungsi-fungsi spin α, β dalam persamaan (9) memenuhi sifat ortonormalitas.

Untuk sebuah fungsi ψ dari sebuah elektron dengan memperhatikan spin elektron, terdiri dari variabel untuk koordinat spasial x, y, z dan koordinat spin σ. Jika komponen dari spin elektron s_z memiliki suatu nilai – nilai yang pasti, fungsi spin dapat terdiri dari α atau β. Ini akan memberikan keadaan bahwa fungsi orbital spasial untuk koordinat kartesian φ(x,y,z) menghasilkan pasangan fungsi gelombang berikut untuk elektron-elektron yang di akomodasi dalam orbital spasial ini.

... (13)

... (14)

Persamaan-persamaan ini berkaitan dengan sebuah aturan bahwa jumlah elektron dalam setiap orbital spasial (dalam kasus sebuah atom dengan orbital 1s, 2s, 2p_x, 2p_y, 3d_xy, dll.) haruslah tidak melebihi dua.

Prinsip Pauli

Pertanyaan tentang berapa banyak elektron yang dapat menempati sebuah orbital atomik seperti pada orbital 1s adalah masalah yang sangat penting dalam hubungannya dengan spektra atomik dan sifat-sifat atomiknya. Solusi dari masalah ini diberikan oleh Pauli pada tahun 1924 dan aturan ini disebut sebagai prinsip Pauli atau prinsip eksklusi Pauli.

Prinsip Pauli yaitu tidak mungkin di dalam atom terdapat 2 elektron dengan keempat bilangan kuantum yang sama. Hal ini berarti, bila ada dua elektron yang mempunyai bilangan kuantum utama, azimuth dan magnetik yang sama, maka bilangan kuantum spinnya harus berlawanan.

Setiap orbital dapat ditempati oleh sebuah elektron dengan spin α atau spin β, akan tetapi ia tidak dapat ditempati oleh dua atau lebih elektron dengan spin yang sama. Aturan ini ditetapkan oleh Pauli berdasarkan hasil eksperimen seperti pada spektra atomik. Hal yang sangat penting adalah bahwa setiap elektron memenuhi aturan ini, dalam hubungannya dengan pembentukan fungsi gelombang elektron banyak.

Marilah kita meninjau dua elektron. Satu terletak pada sebuah koordinat q₁ dan yang lain pada q₂. Keadaan ini dinyatakan dengan sebuah fungsi gelombang yang ditulis sebagai Ψ(q₁,q₂). Hal yang sama sebuah keadaan untuk dua elektron dengan koordinat yang saling bertukar dapat ditulis sebagai Ψ(q₁,q₂). Meskipun Ψ(q₁,q₂) dan Ψ(q₂,q₁) secara matematika berbeda ekspresi yang menyatakan penomoran elektron-elektron sebagai 1 dan 2, kita tidak dapat mengenal setiap perbedaan dalam penomoran ketika kita mengamati elektron. Ini akan mengakibatkan bahwa probabilitas untuk menemukan elektron nomor 1 pada q₁ dan elektron nomor 2 pada q₂ harus sama dengan probabilitas untuk menemukan elektron nomor 1 pada q₂ dan elektron nomor 2 pada q₁. Kondisi ini dinyatakan dengan persamaan berikut :

... (15)

Dengan mencatat bahwa fungsi gelombang secara umum adalah bilangan kompleks, kita akan memperoleh :

... (16)

Pilihan awal dari dua elektron dan juga geometrinya dapat diambil sembarang. Dengan demikian adalah tidak masuk akal untuk mengasumsikan bahwa konstanta θ dalam persamaan (16) berbeda dan bergantung pada pilihan dari elektron dan geometrinya. Karenanya hubungan yang sama harus dipenuhi untuk sebuah pertukaran dari q₁ dan q₂.

... (17)

Dua persamaan ini akan menghasilkan :

... (18)

Sehingga,

... (19)

Dan akan menghasilkan :

... (20)

Dan kemudian

... (21)

Kita bisa menyatakan bahwa tanda dari sebuah fungsi gelombang dapat berubah atau tidak, ketika sebuah pasangan partikel yang identik dipertukarkan koordinat geometriknya. Sifat dari partikel akan menentukan yang mana dari dua kemungkinan tersebut yang dapat terjadi.

1.                  Untuk tanda yang tidak berubah dengan sebuah perkalian +1, fungsi gelombangnya simetrik terhadap pertukaran koordinat dan partikel tipe ini disebut sebagai partikel Bose atau boson

2.                  Untuk tanda yang berubah dengan sebuah perkalian -1, fungsi gelombangnya antisimetrik terhadap pertukaran koordinat dan partikel tipe ini disebut sebagai partikel Fermi atau fermion.

Prinsip Pauli menunjukkan bahwa elektron adalah fermion dan fungsi gelombang akan berubah tandanya jika terjadi pertukaran koordinat. Jika sebuah fungsi gelombang simetrik diijinkan untuk elektron-elektron, ini akan berlawanan dengan prinsip Pauli. Sebagai contoh, marilah kita mengasumsikan bahwa terdapat dua elektron menempati orbital 1s dengan spin α. Fungsi gelombang Ψ yang berkaitan dengan asumsi ini dinyatakan dengan fungsi orbital φ_1s sebagai berikut :

... (22)

Sekarang, marilah kita menukarkan koordinat dari nomor 1 dan nomor 2 dan kemudian kita mendapatkan :

... (23)

Ini secara jelas menunjukkan simetri fungsi gelombang untuk boson. Dengan kata yang lain, jika elektron-elektron tersebut adalah foston, akan ada dua atau lebih elektron yang menempati keadaan 1s yang sama dalam atom. Akan tetapi, keadaan ini akan berlawanan dengan prinsip Pauli.

Di sisi lain, untuk fungsi gelombang yang simetrik, tidak ada keadaan yang berlawanan dengan prinsip Pauli yang dapat diterima. Gambaran ini dapat dengan mudah dilihat ketika sebuah fungsi gelombang determinan, yang diusulkan oleh J. C. Slater dan disebut sebagai determinan Slater, digunakan.

Marilah kita memperkenalkan fungsi orbital ψ₁ dan ψ₂ yang juga terkandung koordinat spin sebagai tambahan dari koordinat spasial. Kita menulis fungsi gelombang Ψ untuk sistem dengan 2 elektron sebagai determinan berikut :

... (24)

Setelah melakukan ekspansi, kita akan mendapatkan persamaan berikut yang menunjukkan karakter antisimetrik.

... (25)

Harus dicatat di sini bahwa Hamiltonian invarian terhadap pertukaran koordinat dari partikel identik dan bahwa jika Ψ = ψ₁(q₁)ψ₂(q₁) adalah sebuah solusi dari ψ = Eψ, maka ψ = ψ₁(q₂)ψ₂(q₂) juga merupakan solusi dari ψ = Eψ. Ini akan diikuti dengan keadaan bahwa determinan di atas memenuhi hubungan Ψ = EΨ. Dengan menggunakan determinan yang diusulkan oleh Slater, kita dapat membangun sebuah fungsi gelombang antisimetrik yang terdiri dari fungsi-fungsi orbital.

Sekarang kita mengasumsikan lagi bahwa ada dua elektron yang menempati orbital 1s dengan spin yang sama yaitu spin α. Dalam kasus ini, ψ₁ = φ_1s .α, ψ₂ = φ_1s .α, atau ψ_1s = ψ₂. Dengan demikian, kita dapat mengabaikan indeks dengan ψ₁ = ψ₂ = ψ. Fungsi gelombang determinan untuk sistem ini akan menjadi :

... (26)

Nilai yang sama dengan nol pada determinan ini adalah hasil yang pasti berkaitan dengan aturan umum dari determinan bahwa sebuah determinan dengan sebuah pasangan pada baris yang sama atau kolom yang sama akan sama dengan nol. Jika aturan ini digunakan, determinan dalam persamaan (26) dengan mudah akan diketahui sama dengan nol tanpa perlu dilakukan ekspansi.

Berdasarkan pada hasil ini, dengan mudah terlihat bahwa sebuah konfigurasi elektron yang menempati orbital dan melanggar prinsip Pauli akan menghasilkan fungsi gelombang yang secara fisik tidak dapat dimungkinkan dengan sebuah nilai yang sama dengan nol atau mengindikasikan ketidakberadaan partikel. Perhatian yang lebih detail dan hati-hati telah menunjukkan bahwa fungsi gelombang yang antisimetrik, kompatibel dengan prinsip Pauli. Ini akan memberikan pemahaman bahwa elektron adalah fermion dengan karakter antisimetrik.

Karenanya, lebih mudah untuk menyatakan sebuah fungsi gelombang atom banyak sebagai sebuah determinan dari sebuah matrik dengan di dalamnya tersusun fungsi orbital. Sebuah fungsi gelombang determinan dibentuk dari fungsi orbital ternormalisasi sebagai sebuah fungsi untuk elektron banyak, dengan menyatakan bahwa sebuah faktor 1/N! ada di dalamnya.

Dalam usaha untuk menyatakan sebuah fungsi gelombang determinan dalam bentuk yang singkat, kita dapat menuliskannya sebagai |ψ₁ψ₂…ψ_N| melalui sebuah barisan fungsi orbital {ψ_1i} di antara sebuah pasangan garis vertikal. Sebuah susunan dari fungsi orbital dalam sebuah bentuk matriks adalah ekivalen dengan membuat sebuah konfigurasi elektron yang berkaitan dengan keberadaan elektron pada masing-masing orbital.

Dengan kata lain, hal ini mengakibatkan bahwa elektron akan menempati tingkat energi masing-masing. Sehingga, keadaan di mana elektron menempati orbital atau tingkat tertentu disebut sebagai konfigurasi elektron atau konfigurasi elektronik. Fungsi gelombang determinan digunakan sebagai perumusan matematik dari konfigurasi elektron. Metoda konseptual untuk membuat konfigurasi elektron dapat dipahami sebagai pengisian orbital oleh elektron.

Pembentukan fungsi gelombang determinan tidak memiliki kelebihan fisik yang penting jika nilainya sama dengan nol berlawanan dengan keberadaan elektron-elektron. Untuk dapat menghindari situasi yang tidak wajar, kehati-hatian harus dilakukan sedemikian rupa sehingga tidak ada fungsi orbital yang identik yang berada dalam barisan orbital dalam determinan atau dengan kata lain, kita tidak menggunakan kombinasi yang sama dari sebuah fungsi koordinat spasial dan sebuah fungsi spin lebih dari sekali dalam determinan.

Penggunaan fungsi gelombang determinan menjamin dipenuhinya sifat antisimetrik elektron, dan karenanya konfigurasi elektron yang tidak sejalan dengan prinsip Pauli secara otomatis dapat dihindari karena nilai dari determinan yang demikian itu sama dengan nol.

Susunan Berkala

Susunan berkala disebut juga sebagai sistem periodik unsur-unsur. Seperti kita ketahui, telah dikenal lebih dari 100 unsur terdapat di alam dan masing-masing unsur memiliki sifat-sifat yang berbeda. Oleh karena itu untuk mempelajari kelakukan setiap unsur, perlu diadakan klasifikasi unsur-unsur dalam golongan-golongan yang didasarkan atas persamaan sifat-sifatnya. Unsur-unsur yang memiliki sifat-sifat yang mirip dimasukan kedalam satu golongan, sehingga dapat dipelajari dengan lebih mudah dan lebih sistematis, sekaligus dapat melihat hubungan antara satu hal dengan hal lainnya.

Secara singkat, guna susunan berkala adalah untuk meramalkan dan mengetahui sifat unsur, sehingga kita dapat meramalkan dan mengetahui berbagai gejala / kejadian di alam. Contohnya :

1.                  Bagi orang geologi, dapat diramalkan bahwa rubidium mungkin terdapat sebagai trace elemen dari mineral potasium

2.                  Bagi orang kimia, dapat menjelaskan kenapa Na dapat berikatan dengan Cl, dan hanya atom Cl yang dapat terikat

3.                  Bagi orang mesin, dapat menjelaskan kenapa logam pada umumnya mudah menghantarkan panas, bersifat magnet.

Telah dikatakan bahwa susunan berkala yang sekarang digunakan merupakan fungsi berkala dari nomor atom. Nomor atom tersebut menunjukan jumlah proton atau jumlah elektron, maka susunan berkala ini disusun berdasarkan konfigurasi elektron dari atom unsur-unsur. Unsur-unsur dengan konfigurasi elektron yang mirip, mempunyai sifat kimia dan sifat fisika yang mirip. Berarti konfigurasi elektron berhubungan dengan sifat unsur.

Susunan berkala terdiri dari ::

a.                  Baris mendatar dengan nomor atom yang berurut disebut perioda. Ada tujuh perioda, yaitu Perioda (I) sampai dengan (VII)

b.                  Baris vertikal disebut grup atau golongan.

 








Gambar 2. Susunan Berkala                                                        Gambar 3. Tabel Periodik

Gambar 4. Muatan elektron                                   Gambar 5. Elemen – elemen pada Tabel Periodik

Spektrum Optik

Spektrum optik merupakan bagian dari spektrum elektromagnetik yang tampak oleh mata manusia. Radiasi elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang ini disebut sebagai cahaya tampak atau cahaya saja. Spektrum optik adalah spektrum yang kontinu sehingga tidak ada batasan yang tepat dari spektrum optic antara satu warna dengan warna lainnya.

Mata normal manusia dapat menerima panjang gelombang dari 400 sampai 700 nanometer (nm), meskipun beberapa orang dapat menerima panjang gelombang dari 380 sampai 780 nm. Mata yang telah beradaptasi dengan cahaya biasanya memiliki sensitivitas maksimum di sekitar 555 nm, di wilayah hijau dari spektrum optik. Warna pencampuran seperti pink atau ungu, tidak terdapat dalam spektrum ini karena warna-warna tersebut hanya akan didapatkan dengan mencampurkan beberapa panjang gelombang.

Gambar 6. Warna – warna spektrum

Panjang gelombang yang kasat mata diartikan oleh jangkauan spektral jendela optik, wilayah spektrum elektromagnetik yang melewati atmosfer. Radiasi elektromagnetik di luar jangkauan panjang gelombang optik, atau jendela transmisi lainnya hampir seluruhnya diserap oleh atmosfer. Dikatakan jendela optik karena manusia tidak bisa menjangkau wilayah di luar spektrum optik. Inframerah terletak sedikit di luar jendela optik, namun tidak dapat dilihat oleh mata manusia.

Banyak spesies yang dapat melihat panjang gelombang di luar jendela optik. Lebah dan serangga lainnya dapat melihat cahaya ultraviolet, yang membantu mereka mencari nektar di bunga. Spesies tanaman bergantung pada penyerbukan yang dilakukan oleh serangga sehingga yang berkontribusi besar pada keberhasilan reproduksi mereka adalah keberadaan cahaya ultraviolet, bukan warna yang bunga perlihatkan kepada manusia. Burung juga dapat melihat ultraviolet (300-400 nm).

Berikut batasan  untuk warna-warna spektrum:

·                     Ungu 380-450 nm 

·                     Biru 450-495 nm

·                     Hijau 495-570 nm

·                     Kuning 570-590 nm

·                     Jingga 590-620 nm

·                     Merah 620-750 nm

Efek Zeeman

Efek Zeeman adalah pemisahan sebuah garis spektrum menjadi beberapa komponen disebabkan oleh adanya medan magnet. Periswa efek Zeemen terjadi ketika sebuah atom dipengaruhi oleh medan magnet maka spektrumnya akan terpecah dan energi yang dihasilkan akan berkurang.

Tahun 1896 Zeeman mengulangi eksperimen Faraday dengan peralatan yang lebih sensitif, sehingga menemukan bahwa Faraday memang betul. Dengan menggunakan alat modern dan di dalam medan magnetik yang sangat kuat ditemukan setiap garis spektrum terpisah menjadi beberapa komponen bila medan magnetik tersebut dihidupkan.

Spektrum garis atomik teramati saat arus listrik dialirkan melalui gas di dalam sebuah tabung lecutan gas. Garis-garis tambahan dalam spektrum emisi teramati jika atom-atom tereksitasi diletakkan di dalam medan magnet luar. Satu garis di dalam spektrum garis emisi terlihat sebagai tiga garis (dengan dua garis tambahan) di dalam spektrum apabila atom diletakkan di dalam medan magnet. Terpecahnya satu garis menjadi beberapa garis di dalam medan magnet dikenal sebagai efek Zeeman.

Gambar 7. Pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet

Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan menggunakan model atom Bohr. Dengan demikian, diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum yang dapat menjelaskan efek Zeeman dan spektrum atom berelektron banyak.

Gambar 8. Efek Zeeman mengenai transisi energi elektron dalam atom yang berada dalam suatu medan magnet B

          Peristiwa efek Zeeman merupakan bukti yang jelas dari kuantisasi ruang. Dikarenakan m₁ dapat memiliki 2l + 1 harga dari +l melewati 0 hingga –l, suatu keadaan dimana bilangan kuantum orbital l terpecah menjadi 2l + 1. Jika atom m buah pecahan sub keadaan yang berbeda energi  tersebut diletakkan dalam medan magnetik.

Namun, karena perubahan m₁ = 0, ± 1, kita dapat mengharapkan bahwa garis spektral D terbatas pada  yang timbul dari transisi antara dua keadaan dengan satu berbeda hanya terpecah menjadi tiga komponen, seperti terlihat pada gambar (8). Efek Zeeman normal terdiri dari garis spektral berfrekuensi v_o terpecah menjadi tiga komponen berfrekuensi. Dalam menganalisis transisi antara keadaan ml yang berbeda, seringkali kita perlu untuk menggunakan aturan seleksi kedua : bahwa transisi yang terjadi hanyalah yang mengubah ml sebanyak 0, +1, atau -1. Perubahan ml sebanyak dua atau lebih tidak diperkenankan. 

 

Gerak magnetik elektron orbital dalam sebuah atom hidrogen bergantung dari momentum sudut l, besar, serta arah l terhadap medan akan menentukan berapa besar sumbangan magnetik pada energi total atom apabila terletak dalam medan magnetik. Momen magnetik adalah sebuah arus (current loop) dimana :                       ... (27)

Dalam peristiwa efek Zeeman ini, apabila seberkas atom hidrogen yang terdiri atas jumlah bagian atom yang sama (masing-masing dalam keadaan m_l = -1, 0, dan +1) dilewatkan pada suatu daerah yang didalamnya terdapat suatu medan magnet tak seragam.

Gambar 8. Garis spektral yang timbul dari transisi

Karena atom-atom dengan m_l = +1 mengalami neto gaya ke atas, maka mereka dibelokkan ke atas, atom-atom dengan m_l = -1 dibelokkan ke bawah, dan atom dengan m_l = 0 tidak dibelokkan. Setelah melewati medan magnet, berkas atom dijatuhkan pada suatu layar, di situ berkas membentuk sebuah titik terang. Apabila medan magnetnya dihilangkan, maka hanya terdapat satu titik di pusat layar, karena berkas sama sekali tidak mengalami pembelokan. Apabila medan magnetnya dinyalakan, maka akan terdapat tiga buah titik pada layar, yaitu satu di pusat (berkaitan dengan m_l = 0), satu di atas pusat (m_l = +1), dan satu di bawah pusat (m_l = -1).

Kesimpulan

Elektron dapat terikat pada inti atom melalui gaya tarik menarik Coulomb. Elektron dapat berpindah dari satu orbital ke orbital lainnya melalui emisi ataupun absorpsi foton yang energinya sesuai dengan perbedaan potensial antarorbital. Metode perpindahan orbital lainnya meliputi pertumbukan dengan partikel elektron lain.

Prinsip Pauli yaitu tidak mungkin di dalam atom terdapat 2 elektron dengan keempat bilangan kuantum yang sama. Hal ini berarti, bila ada dua elektron yang mempunyai bilangan kuantum utama, azimuth dan magnetik yang sama, maka bilangan kuantum spinnya harus berlawanan.

Susunan berkala atau sistem periodik unsur-unsur adalah susunan lebih dari 100 unsur dengan sifat yang berbeda dan unsur-unsur yang memiliki sifat-sifat yang mirip dimasukan kedalam satu golongan, sehingga dapat dipelajari dengan lebih mudah dan lebih sistematis, sekaligus dapat melihat hubungan antara satu hal dengan hal lainnya.

Spektrum optik adalah spektrum yang kontinu sehingga tidak ada batasan yang tepat dari spektrum optik antara satu warna dengan warna lainnya. Berikut batasan  untuk warna-warna spektrum:

·                     Ungu 380-450 nm 

·                     Biru 450-495 nm

·                     Hijau 495-570 nm

·                     Kuning 570-590 nm

·                     Jingga 590-620 nm

·                     Merah 620-750 nm

Efek Zeeman adalah pemisahan sebuah garis spektrum menjadi beberapa komponen disebabkan oleh adanya medan magnet. Periswa efek Zeemen terjadi ketika sebuah atom dipengaruhi oleh medan magnet maka spektrumnya akan terpecah dan energi yang dihasilkan akan berkurang.

Pertanyaan

1. Bagaimana proses perpindahan elektron dgn proses emisi ?
2. Mengapa hanya ada 2 nilai spin (1/2 dan -1/2) ?