Teori Kuantum Atom

Teori kuantum atom dengan model atom mekanika kuantum dikemukakan oleh Erwin Schrodinger pada tahun 1926. Erwin Schrodinger berhasil merumuskan persamaan gelombang untuk menggambarkan bentuk dan tingkat energi orbital. Model atom ini disebut model atom mekanika kuantum dan merupakan model atom yang diterima hingga dewasa ini.

Sejarah Teori Kuantum Atom

Louis de Broglie seorang ahli Fisika dari Perancis pada tahun 1923 mengajukan hipotesis tentang gelombang materi. Menurutnya, gerakan partikel yang bergerak mendekati kecepatan cahaya, seperti halnya gerakan elektron mengitari inti atom, mempunyai sifat gelombang. Hipotesis ini dibuktikan kebenarannya oleh Davidson dan Germer dengan mengamati pola-pola difraksi elektron yang berenergi tertentu yang ditembakkan pada lempeng logam nikel.

Thomson menemukan bahwa elektron memberi sifat difraksi sama seperti sinar X, sifat gelombang dari elektron ini kemudian digunakan pada mikroskop elektron.

Pada tahun 1926 Erwin Schrodinger seorang ahli Fisika dari Austria berhasil merumuskan persamaan gelombang untuk menggambarkan bentuk dan tingkat energi orbital. Model atom ini disebut model atom mekanika kuantum dan merupakan model atom yang diterima hingga dewasa ini. Model atom mekanika kuantum mempunyai persamaan dengan model atom Bohr dalam hal tingkat energi. Sedangkan perbedaan kedua model atom tersebut terletak pada bentuk lintasan elektron, di mana pada model atom Bohr elektronelektron menempati lintasan-lintasan berbentuk lingkaran dengan jari-jari tertentu, sedangkan pada model atom mekanika kuantum, lintasan-lintasan elektronnya berbentuk elips bukan berbentuk lingkaran yang lebih dikenal dengan orbital.

Bilangan Kuantum Dalam Teori Kuantum Atom

Untuk menyatakan lintasan/orbit elektron berbentuk elips diperlukan 4 macam bilangan kuantum yaitu :

1. Bilangan kuantum utama (n)
2. Bilangan kuantum orbital (l)
3. Bilangan kuantum magnetik (m_l)
4. Bilangan kuantum spin (m_s)

1. Bilangan Kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama menentukan besarnya energi total elektron pada orbit/lintasan elektron pada kulit atom. Besarnya energi total elektron pada atom bersifat kekal dan besarnya energi pada masing-masing kulit atom ditentukan oleh bilangan kuantum utama. Bilangan kuantum utama mempunyai harga positif yaitu 1, 2, 3, … dst. Bilangan kuantum utama menyatakan tempat lintasan /orbit elektron dalam atom yang disebut kulit atom yang diberi nama dengan huruf besar, yaitu kulit K untuk n = 1, L untuk n = 2, M untuk n = 3, dan seterusnya.

Telah diterangkan di muka bahwa energi total elektron pada orbit adalah kekal dan memiliki harga negatif yang berarti untuk melepaskan elektron dari orbitnya diperlukan energi. Besarnya energi elektron pada atom hidrogen pada kulit ke-n dinyatakan :

Sedangkan untuk atom lain yang memiliki sebuah elektron seperti halnya He⁺, Li⁺2 atau Be⁺3 energi total elektronnya dinyatakan :

Dimana :

n = bilangan kuantum utama
Z = nomor atom

2. Bilangan Kuantum Orbital (l)

Bilangan kuantum orbital yang diberi simbol l menyatakan besarnya momentum sudut elektron mengelilingi inti atom. Momentum sudut diberi lambang L dan besarnya dinyatakan dalam persamaan :

di mana

L = Momentum sudut/anguler elektron
l = bilangan kuantum orbital

Nilai bilangan kuantum orbital dinyatakan l = (n – 1) yaitu 0, 1, 2, 3, …, n–1. Keadaan momentum sudut elektron pada orbitnya menyatakan subkulit elektron pada inti atom yang diberi nama sub kulit s, p, d, e, f, g dan seterusnya sesuai dengan urutan abjad. Di mana pemberian nama subkulit diambil dari huruf awal klasifikasi spektrum yang memancarkan elektron, yaitu sharp (tajam) = s , principal (utama) = p , diffuse (kabur) = d , fundamental (pokok) = f.

Besarnya momentum sudut pada masing-masing subkulit dapat dinyatakan sebagai berikut :

Kombinasi antara bilangan kuantum utama (n) dengan bilangan kuantum orbital (l) sering digunakan untuk menyatakan keadaan suatu atom, yang juga dapat untuk menyatakan jumlah elektron dalam kulit atau subkulit atom. Misalnya untuk n = 2 dan l = 0 menyatakan keadaan elektron pada subkulit 2s, untuk n = 3 dan l = 2 menyatakan keadaan elektron pada 3d, dan seterusnya yang secara lengkap dapat dinyatakan dalam tabel berikut :

3. Bilangan Kuantum Magnetik ( m_l )

Bilangan kuantum magnetik yang diberi simbol m_l, digunakan untuk menyatakan arah momentum sudut elektron. Oleh karena momentum termasuk besaran vektor, maka momentum sudut elektron selain dinyatakan besarnya, juga perlu diketahui arahnya. Arah momentum sudut (L) dapat dinyatakan dengan aturan kaidah tangan kanan yaitu jika arah lipatan jari-jari tangan kanan menyatakan arah gerakan elektron maka arah ibu jari tangan kanan menyatakan arah momentum sudut elektronnya. Bilangan kuantum magnetik mempunyai harga dari –l melalui 0 hingga +l, sehingga untuk setiap bilangan kuantum orbital l akan ada sebanyak bilangan kuantum magnetik sebanyak (m_l) = (2l + 1).

Menurut para tokoh Fisika modern (Schrodinger, Heinsenberg), momentum sudut mempunyai komponen X, Y dan Z, untuk komponen X atau Y dari momentum sudut mempunyai besar yang sembarang, akan tetapi untuk komponen Z tidak sembarang tetapi terkuantisasi. Besarnya momentum sudut elektron dipengaruhi oleh medan magnet luar (B) apabila medan magnet luar sejajar dengan sumbu z maka besarnya nilai L untuk arah Z memenuhi persamaan :

L_z = m_l h

Sehingga banyaknya m_l untuk setiap nilai l = 0 dalam arah Z terdapat satu nilai m_l = 0, sedangkan untuk nilai l = 1 terdapat 3 nilai m yaitu -1, 0, 1 dan besar momentum sudut ke arah sumbu Z (L_Z) untuk l = 1 yaitu –h , 0 , +h dan arah vektor momentum sudut terhadap sumbu Z dapat dicari sebagai berikut :

cos θ₁ = maka nilai θ₁ = 45^o
cos θ₂ = 0 maka nilai θ₂ = 90^o
cos θ₃ = maka nilai θ₃ = 135^o

Kemungkinan besar momentum sudut dan arahnya serta bentuk lintasan/ orbit elektron pada bilangan orbital = 1 dapat digambarkan sebagai berikut :

Momentum sudut pada bilangan orbital = 1

4. Bilangan Kuantum Spin ( m_s )

Bilangan kuantum spin mula-mula dikemukakan oleh Wolfgang Pauli setelah mengamati tentang spektrum atom hidrogen dengan menggunakan spektroskopis yang mempunyai daya pisah (ketelitian) yang tinggi. Hasilnya diperoleh bahwa setiap spektrum garis yang diamati selalu terdiri atas sepasang garis yang saling berdekatan. Menurut Pauli garis ini pastilah berasal dari transisi dari 2 tingkat energi yang sangat berdekatan. Pauli menduga bahwa kedua tingkat energi ini berhubungan dengan momentum sudut instrinsik elektron yang berbeda dengan momentum sudut orbital. Momentum sudut instrinsik yaitu momentum sudut yang ada dalam elektron itu sendiri. Selain bergerak mengelilingi inti atom, elektron pun juga bergerak pada porosnya (sumbunya). Gerakan elektron pada sumbunya ini menghasilkan momentum sudut spin yang berkaitan dengan momentum sudut instrinsik elektron yang dinyatakan sebagai bilangan kuantum spin yang diberi simbol ms. Ada dua bilangan kuantum spin, yaitu ms = +½ dan ms = -½. Harga positif menyatakan arah spin ke atas berotasi berlawanan arah gerak jarum jam, sedangkan harga negatif menyatakan spin ke bawah berotasi searah gerak jarum jam.

Pendapat yang dikemukakan oleh Pauli ini didukung oleh Goudsmit dan Uhlenbeck yang menjelaskan bahwa besarnya momentum sudut intrinsik atau spin dinyatakan dalam persamaan :

dimana :

S = momentum sudut spin
m_s = bilangan kuantum spin

Besarnya komponen momentum sudut spin elektron sepanjang arah medan magnetik ke arah sumbu Z dinyatakan:

Momentum sudut intrinsik/spin elektron dalam teori kuantum atom