Tingkat Energi dan Spektrum
Evi Sulis Setyorini, Fatma Roudhotul Rafida Kolis
Pendidikan Fisika FKIP Universitas Sebelas Maret
email :
[email protected]
email :
[email protected]
ABSTRACT
Berbagai orbit yang diijinkan berkaitan dengan energi elektron yang berbeda-beda. Energi yang ditentukan oleh energi awal dan energi akhir, yang disebut tingkat energi dari atom hidrogen. Tingkat energi ini semuanya negatif; hal ini menyatakan bahwa elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk melarikan diri dari atom. Deretan tingkat energi merupakan karakteristik semua atom, bukan hanya hidrogen. Seperti dalam kasus partikel dalam kotak, pembatasan elektron dalam satu daerah ruang menimbulkan pembatasan pada fungsi gelombang yang diperbolehkan, sehingga membatasi energi yang diijinkan hanya pada energi tertentu saja. Kehadiran tingkat energi diskrit tertentu dalam atom hidrogen menyarankan adanya hubungan dengan spektrum garis. Deret ini bentuknya sama dengan deret spectral empiris yang telah dibicarakan. Jika sebuah elektron pada tingkat eksitasi jatuh ke tingkat yang lebih rendah, kehilangan energinya dipancarkan sebagai foton cahaya tunggal. Menurut model kita, elektron tidak mungkin ada dalam atom kecuali jika elektron itu memiliki tingkat energi tertentu. Loncatan sebuah elektron dari sebuah elektron dari sebuah tingkat ke tingkat yang lain., dengan perbedaan energi antara tingkat itu dilepas sekaligus sebagai sebuah foton alih-alih sebagai sesuatu yang gradual. radiasi yang dipancarkan oleh atom hidrogen yang tereksitasi hanya mengandung panjang gelombang tertentu saja. Panjang gelombang ini jatuh pada deret tertentu yang bergantung dari bilangan kuantum nf dari tingkat akhir electron. Karena bilangan kuantum awal ni harus selalu lebih besar dari bilangan kuantum akhir nf, supaya terdapat kelebihan energy yang dilepas sebagai foton. Deret Lyman bersesuaian dengan nf = 1; deret Balmer bersesuaian dengan nf = 2; deret Paschen bersesuaian dengan nf = 3; deret Brackett bersesuaian dengan nf = 4; dan deret Pfund bersesuaian dengan nf = 5.
Kata Kunci: Energi elektron, Tingkat energi, Spektrum Hidrogen, Deret.
Tingkat Energi dan Spektrum
PENDAHULUAN
Spektrum emisi didapatklan dari alat yang disebut spektrometer. Terdapat beberapa tipe spektrum emisi yaitu spektrum kontinyu, spektrum pita dan spektrum garis. Spektrum kontinyu dikarakterisasi oleh emisi tak terputus sepanjang panjang daerah panjang gelombang terkait. Spektrum pita dihasilkan oleh molekul tereksitasi. Setiap molekul mengemisikan pita yang merupakan karakteristik dari molekul oleh karena itu sering pula disebut sebagai spektum molekular. Spektrum pita terdiri dari kelompok garis-garis yang sangat berdekatan.
Spektrum garis diperoleh saat bahan pengemisi cahaya berupa atom. Oleh karena itu sering disebut spektrum atomik. Pada molekul terdapat level-level energi rotasi dan vibrasi yang dilapiskan pada level energi elektronik. Spektrum garis tergantung pada tipe atom. Asal spektrum garis dapat dijelaskan menggunakan dasar teori Bohr. Jika atom berada pada keadaan dasar, elektron-elektronnya berada pada tingkat-tingkat energi terendah. Ketika atom tereksitasi, elektronelektronnya bergerak ke tingkat energi di atasnya. Elektron tereksitasi mengemisikan foton ketika kembali ke tingkat energi di bawahnya. Radiasi emisi dari atom tereksitasi membentuk garis spektral diskrit (Chatwal & Anand, 1985).
Jumlah garis spektral atom unsur tergantung pada konfigurasi elektron atau banyaknya elektron dalam orbital yang terdapat pada suatu sub kulit. Karakteristik suatu garis spektra ditentukan oleh panjang gelombang dan intensitas garis spektra tersebut. Jika gas atomik atau uap atomik yang bertekanan sedikit di bawah tekanan atmosfer dieksitasi dengan mengalirkan arus listrik radiasi yang dipancarkan hanya mempunyai spektrum yang berisi panjang gelombang tertentu saja. (Beiser, 1991).Pada abad 19 ditemukan bahwa panjang gelombang yang terdapat pada spektrum atomik jatuh pada kumpulan tertentu yang disebut deret spektral. J. J Balmer pada tahun 1885 mempelajari bagian tampak dari spektrum hidrogen. Rumus Balmer untuk panjang gelombang dalam deret memenuhi persamaan:
……………………………………(1)
Nilai R disebut tetapan Rydberg, R =
Dalam daerah ultraviolet terdapat deret Lyman dengan persamaan:
……………………………………...(2)
PEMBAHASAN
Spektrum Emisi Atom Hidrogen
Tabung sinar hidrogen merupakan suatu tabung tipis yang berisi gas hidrogen pada tekanan rendah dengan elektroda pada tiap-tiap ujungnya. Jika anda melewatkan tegangan tinggi (kata-kanlah, 5000 volt), tabung akan menghasilkan sinar berwarna merah muda yang terang.Jika sinar tersebut dilewatkan pada prisma atau kisi difraksi, sinar akan terpecah menjadi beberapa warna. Warna yang dapat anda lihat merupakan sebagian kecil dari spektrum emisi hidrogen. Sebagian besar spektrum tak terlihat oleh mata karena berada pada daerah infra-merah atau ultraviolet.
Pada foto berikut, sebelah kiri menunjukkan bagian dari tabung sinar katoda, dan sebelah kanan menunjukkan tiga garis yang paling mudah dilihat pada daerah tampak (visible)dari spektrum. (mengabaikan "pengotor" " biasanya berada di sebelah kiri garis merah, yang disebabkan oleh cacat pada saat foto diambil. Lihat catatan)
Ada lebih banyak lagi spektrum hidrogen selain tiga garis yang dapat anda lihat dengan mata telanjang. Hal ini memungkinan untuk mendeteksi pola garis-garis pada daerah ultra-violet dan inframerah spektrum dengan baik.Hal ini memunculkan sejumlah "deret" garis yang dinamakan nama penemunya. Gambar di bawah menunjukkan tiga dari deret garis tersebut, deret lainnya berada di daerah infra-merah, jika digambarkan terletak di sebelah kiri deret Paschen.
Deret Lyman merupakan deret garis pada daerah ultra-violet. Perhatikan bahwa garis makin merapat satu sama lain dengan naiknya frekuensi. Akhirnya, garis-garis makin rapat dan tidak mungkin diamati satu per satu, terlihat seperti spektrum kontinu. Hal itu tampak sedikit gelap pada ujung kanan tiap spektrum. Spektrum emisi atom hidrogen bebas dalam keadaan tereksitasi ternyata terdiri atas beberapa set garis-garis spektrum yaitu satu set dalam daerah uv (ultra violet), satu set dalam daerah tampak (visible, artinya tampak oleh mata manusia) dan beberapa set dalam daerah inframerah (IR, infrared) dari spektrum elektro magnetik seperti ditunjukkan oleh Gambar Spektrum ini diperoleh bila cahaya pucat kebiruan dari gas hidrogen yang dipijarkan (artinya teratomisasi) dilewatkan pada sebuah prisma gelas.
Bertahun-tahun para ilmuwan berusaha mendapatkan suatu pola formula yang melukis-kan hubungan antar panjang gelombang ( z) garisgaris spektrum atom hidrogen, dan akhirnya pada tahun 1885 J. Balmer (Swiss) berhasil menunjukkan bahwa grafik hubungan antara frekuensi ( z) dengan 1/n2 ternyata berupa garis lurus dengan mengikuti rumusan:
(dengan n= 3, 4, 5, 6, ....... ) ......... (1.1)
Oleh karena 1/? = ν (bilangan gelombang) dan z z= c /z, maka persamaan (1.1) dewasa ini sering diungkapkan sebagai berikut:
(dengan n= 3,4,5,6, ...........)
Bila elektron menempati orbit pertama (n = 1), dikatakan bahwa atom hidrogen dalam keadaan dasar atau ground state karena atom ini mempunyai energi terendah yang umumnya dicapai pada temperatur kamar untuk hampir sebagian besar unsur maupun molekul. Untuk keadaan tingkat energi yang lebih tinggi, yaitu n > 1 untuk atom hidrogen, dikatakan atom dalam keadaan tereksitasiyang tentunya relatif kurang stabil daripada keadaan dasarnya. Suatu atom atau molekul dapat berada dalam keadaan tereksitasi karena pengaruh pemanasan atau listrik, dan akan kembali ke keadaan dasar dengan memancarkan energi radiasi sebagai spektrum garis yang besarnya sama dengan perbedaan energi antara kedua tingkat energi yang ber-sangkutan.Dari persamaan (1.10) perbedaan energi, zE, antara dua orbit elektron n1 dan n2 (n2 > n1) dapat dinyatakan dengan formula:
Dengan mengenalkan besaran energi cahaya menurut Einstein , zE = h f = h c
ν , ke dalam persamaan (1.11) diperoleh:
( - ) ......... (1.2)
dan = ( - ) .........
Persamaan diatas ini jelas identik dengan persamaan
Ritz (1.5), sehingga tetapan Rydberg, RH, dapat dihitung secara teoretik yaitu sebesar 109708 cm-1; suatu hasil yang sangat mentakjubkan dibandingkan dengan hasil eksperimen, RH = 109679 cm-1. Dengan demikian, Bohr mampu mendemonstrasikan perhitungan-perhitungan yang cukup akurat terhadap spektrum garis atom hidrogen.
Tingkat energi
Berbagai orbit yang diijinkan berkaitan dengan energi elektron yang berbeda-beda. Energi elektron En dinyatakan dalam jejari orbit rn diberikan dalam persamaan :
Disubstitusikan rn ke persamaan : n= 1, 2, 3,...
Sehingga,
n= 1,2,3,.... (Tingkat Energi)
Energi yang ditentukan oleh persamaan tersebut disebut tingkat energi dari atom hidrogen yang diplot dalam gambar dibawah. Tingkat energi ini semuanya negatif; hal ini menyatakan bahwa elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk melarikan diri dari atom. Tingkat energi yang terendah E1 disebut keadaan dasar (status dasar) dari atom itu dan tingkat energi yang lebih tinggi E2, E3, E4, .... disebut keadaan eksitasi (status eksitasi). Ketika bilangan kuantum n bertambah, energi En yang bersesuaian mendekati nol; dalam limit n = , E = 0 dan elektronnya tidak lagi terikat pada inti untuk membentuk atom. (Energi positif untuk kombinasi inti elektron berarti bahwa elektronnya tidak terikat pada inti dan tidak ada syarat kuantum yang harus dipenuhinya;kombinasi seperti itu tidak membentuk atom).
Deretan tingkat energi merupakan karakteristik semua atom, bukan hanya hidrogen. Seperti dalam kasus partikel dalam kotak, pembatasan elektron dalam satu daerah ruang menimbulkan pembatasan pada fungsi gelombang yang diperbolehkan, sehingga membatasi energi yang diijinkan hanya pada energi tertentu saja. Terdapatnya tingkat energi atomic merupakan contoh lebih lanjut dari kuantisasi, atau kecatuan dari kuantitas fisis dalam skala mikroskopik. Dalam dunia kita sehari-hari, materi, muatan listrk, energi dan sebagainya kelihatannya malar. Dalam dunia atom, materi terdiri dari partikel elementer yang memiliki massa diam tertentu; muatan selalu merupakan kelipatan bilangan bulat dari +е atau –e; gelombang elektromagnetik dengan frekuensi v muncul sebagai arus foton, masing-masing energi hv; dan sitem partikel yang mantap seperti atom, hanya dapat memiliki energi tertentu. Seperti yang akan didapati kemudian, kuantitas lain dalam alam juga terkuantisasi, dan kuantisasi ini memasuki segala segi bagaimana elektron, proton, dan netron berinteraksi membentuk materi yang ada disekeliling kita( dan yang membentuk kita) dengan sifat-sifat yang kita kenal.
Kehadiran tingkat energi diskrit tertentu dalam atom hidrogen menyarankan adanya hubungan dengan spektrum garis. Anggaplah jika sebuah elektron pada tingkat eksitasi jatuh ke tingkat yang lebih rendah, kehilangan energinya dipancarkan sebagai foton cahaya tunggal. Menurut model kita, elektron tidak mungkin ada dalam atom kecuali jika elektron itu memiliki tingkat energi tertentu. Loncatan sebuah elektron dari sebuah elektron dari sebuah tingkat ke tingkat yang lain., dengan perbedaan energi antara tingkat itu dilepas sekaligus sebagai sebuah foton alih-alih sebagai sesuatu yang gradual, cocok dengan model ini. Jika bilangan kuantum keadaan awal (energi lebih tinggi) ialah ni dan bilangan kuantum keadaan akhir (energi lebih rendah) ialah nf, kita nyatakan bahwa
Energi awal – energy akhir = energy foton
(4.24)
Dengan v menyatakan frekuensi foton yang dipancarkan.
Keadaan awal dan akhir atom hydrogen yang bersesuaian dengan bilangan kuantum ni dan nf , menurut persamaan 4.23 berenergi
Jadi, perbedaan energy antara kedua keadaan itu adalah
Frekuensi foton yang dipancarkan dalam transisi ini ialah
(4.25)
Dinyatakan dalam panjang gelombang λ, karena λ=c/v, kita dapatkan
(4.26)
Persamaan 4.26 menyatakan bahwa radiasi yang dipancarkan oleh atom hidrogen yang tereksitasi hanya mengandung panjang gelombang tertentu saja. Panjang gelombang ini jatuh pada deret tertentu yang bergantung dari bilangan kuantum nf dari tingkat akhir electron. Karena bilangan kuantum awal ni harus selalu lebih besar dari bilangan kuantum akhir nf, supaya terdapat kelebihan energy yang dilepas sebagai foton, rumus perhitungan untuk lima deret yang pertama ialah
n = 2, 3, 4 … (Lyman)
n = 3, 4, 5, … (Balmer)
n = 4, 5, 6, … (Paschen)
n = 5, 6, 7, … (Brackett)
n = 6, 7, 8, … (Pfund)
Deret ini bentuknya sama dengan deret spectral empiris yang telah dibicarakan. Deret Lyman bersesuaian dengan nf = 1; deret Balmer bersesuaian dengan nf = 2; deret Paschen bersesuaian dengan nf = 3; deret Brackett bersesuaian dengan nf = 4; dan deret Pfund bersesuaian dengan nf = 5.
Sampai di sini kita belum memperoleh kepastian bahwa spektrum garis hidrogen berasal dari transisi electron dari tingkat energi tinggi ke tingkat energo rendah. Langkah terakhir ialah membandingkan harga tetapan dalam persamaan di atas dengan tetapan Rydberg R dari persamaan empiris 4.15 hingga 4.19. harga tetapan ini ialah
Yang ternyata sama dengan R. Model atom hidrogen ini yang pada hakekatnya sama dengan yang dikembangkan oleh Bohr dalam tahun 1913 (walaupun tidak mempunyai konsep gelombang de Broglie untuk memandu pikirannya), sesuai eksperimen. Gambar 4.21 menunjukkan secara skematik bagaimana garis spektral hidrogen berkaitan dengan tingkat energy hidrogen.
KESIMPULAN
Jumlah garis spektral atom unsur tergantung pada konfigurasi elektron atau banyaknya elektron dalam orbital yang terdapat pada suatu sub kulit. Karakteristik suatu garis spektra ditentukan oleh panjang gelombang dan intensitas garis spektra tersebut. Jika gas atomik atau uap atomik yang bertekanan sedikit di bawah tekanan atmosfer dieksitasi dengan mengalirkan arus listrik radiasi yang dipancarkan hanya mempunyai spektrum yang berisi panjang gelombang tertentu saja. Yang ternyata harga tetapannya sama dengan R. Model atom hidrogen ini yang pada hakekatnya sama dengan yang dikembangkan oleh Bohr dalam tahun 1913, sesuai eksperimen, menunjukkan secara skematik bagaimana garis spektral hidrogen berkaitan dengan tingkat energy hidrogen.
Kehadiran tingkat energi diskrit tertentu dalam atom hidrogen menyarankan adanya hubungan dengan spektrum garis. Anggaplah jika sebuah elektronpada tingkat eksitasi jatuh ke tingkat yang lebih rendah, kehilangan energinya dipancarkan sebagai foton cahaya tunggal. Menurut model kita, elektron tidak mungkin ada dalam atom kecuali jika elektron itu memiliki tingkat energi tertentu. Loncatan sebuah elektron dari sebuah elektron dari sebuah tingkat ke tingkat yang lain., dengan perbedaan energi antara tingkat itu dilepas sekaligus sebagai sebuah foton alih-alih sebagai sesuatu yang gradual, cocok dengan model ini. Jika bilangan kuantum keadaan awal (energi lebih tinggi) ialah ni dan bilangan kuantum keadaan akhir (energi lebih rendah) ialah nf, kita nyatakan bahwa
Energi awal – energy akhir = energy foton
Jadi, perbedaan energy antara kedua keadaan itu adalah
Frekuensi foton yang dipancarkan dalam transisi ini ialah
Dinyatakan dalam panjang gelombang λ, karena λ=c/v, kita dapatkan
DAFTAR PUSTAKA
Beiser, Arthur . 1999. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga
Suparmi, dkk. 2012. Analisis Fungsi Gelombang dan Spektrum Energi Potensial Rosen Morse Menggunakan Metode Hipergeometri. Jurnal Matematika & Sains, Agustus 2012, Vol. 17 Nomor 2
Prasetyo, Eko, dkk. 2007. Identifikasi Unsur-Unsur Berdasarkan Spektrum Emisi Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan. Jurnal Sains & Matematika (JSM) ISSN 0854-0675
Dwi Retno, Suyanti. 2009. Efektifitas Praktikum Multimedia Struktur Atom dalam Mengatasi Miskonsepsi Kimia Anorganik Mahasiswa.
