4.4 Azas Ketidaktentuan Heisenberg(Uncertainty Principles)[kembali]
4.4 Azas Ketidaktentuan Heisenberg(Uncertainty
Principles)
Pendekatan ke bangun atom menggunakan
pengandaian bahwa elektron bergerak mengitari inti dalam lintasan-lintasan yang
ditentukan(well-defined).Pada tahun 1927, Werner Heisenberg menemukan bahwa
metode eksperimen apa saja yang digunakan untuk menentukan posisi dan momentum
suatu objek yang bergerak, dapat menyebabkan perubahan baik dalam posisi atau
momentum atau keduanya dan karenanya memasukkan suatu unsur ketidaktentuan ke
dalam pengukuran itu. Heisenberg mengembangkan persamaan matematika untuk
menunjukkan bahwa tidak ada metode eksperimen yang dapat dirancang untuk
mengukur dengan serempak posisi maupun momentum secara cermat, dari suatu
objek. Azas ketidaktentuan Heisenberg menyatakan bahwa hasil kali
ketidaktentuan dalam momentum, Δp,
dan dalam posisi Δx haruslah sama atau lebih besar dari tetapan Planck,h
(Δp)( Δx) ≥ h
Semakin kecil Δp maka semakin
besar Δx dan sebaliknya
Azas ketidaktentuan
merupakan salah satu sebab mengapa teori fisika klasik yang berlaku untuk
sistem-sistem makro,tidak berlaku untuk fenomena dalam skala atom yang
submikroskopis itu. Sebuah elektron begitu kecil sehingga akan terganggu atau
tergerakkan secara tak teramalkan oleh suatu usaha untuk memeriksanya,seperti
menyinarinya dengan cahaya atau sinar-X. Akibat dari keterbatasan ini,model
atom yang mempostulatkan bahwa elektron-elektron bergerak dalam
lintasan-lintasan tertentu dan dengan momentum tertentu,tidaklah
memuaskan,paling jauh yang dapat dilakukan adalah menemukan posisi yang
mungkin(probable) dari elektron itu dalam sebuah atom
4.5 Gambaran Mekanika Kuantum (dari) Elektron dalam Atom[kembali]
4.5 Gambaran Mekanika Kuantum
(dari) Elektron dalam Atom
Sifat dasar yang mendua(dari) materi dan radiasi
,peragaan baik karakter mirip gelombang maupun mirip partikel , menghadapkan
kita pada tugas mencari suatu pemeritan untuk gejala-gelaja submikroskopis yang
sangat berbeda dari pemerian klasik dari Newton.Tujuannya ialah memaparkan
suatu pemerian yang dipersatukan yang berlaku untuk semua eksperimen yang
mungkin, baik submikroskopis maupun makroskopis.Pemerian yang dipersatukan
untuk mencapai sasaran ini disebut mekanika kuantum atau mekanika gelombang.
Pendekatan ini didasarkan pengandaian bahwa ada gelombang yang dikaitkan baik
dengan materi maupun dengan radiasi dan bahwa pemerian matematis dari gelombang
semacam ini menyajikan informasi mengenai energi electron dan posisi mereka.
Banyak teoretisi telah memberi sumbangan pada mekanika
kuantum, namun perkembangan awal merupakan karya Heisenberg dan Schrodinger.Dalam tahun 1926 berdasarkan
karya de Broglie, Schrodinger .Dalam tahun 1926 berdasarkan karya de Broglie,
Schrodinger mengembangkan suatu persamaan yang menghubungkan sifat sifat
gelombang yang dikaitkan dengan energy electron.
Persamaan
Schrodinger :
Adalah persamaan diferensial order kedua yang
menyatakan energy total,E ,dan energy potensial ,V, dari suatu partikel ,dalam
massa ,m , dan sebagai fungsi dari posisinya dalam tiga dimensi ,x,y dan z
,(penurunan dan penerapan persamaan ini diparparkan secara terperinci dalam
banyak buku pelajaran lanjutan ).
Perhitunngan perhitungan yang didasarkan pada
persamaan schrodinger untuk menentukan posisi dan energy electron dalam atom
adalah sukar dan berkepanjangan .Perhitungan yang telah dilakukan hanya
memuaskan untuk atom hydrogen dan ion ion satu electron.Oleh karena itu,gagasan
yang berlaku untuk hydrogen digunakan juga untuk memerikan electron dalam semua
atom.
Dalam seksi ini, pertama-tama akan diuraikan beberapa
hasil yang diperoleh untuk atom hydrogen .Dalam mekanika kuantum ,electron
diperlakukan sebagai ψ suatu gelombang 3 dimensi. Ketidak
mungkinan dalam menentukan posisi yang cermat dari suatu elektron pada suatu
saat tertentu diketahui dari azaz ketidaktentuan. Namun, fungsi gelombang ψ,
memberikan daerah dalam mana suatu elektron berpeluang besar untuk ditemukan.
Daerah ini atau fungsi gelombang itu sendiri disebut suatu orbital
Meskipun posisi yang
cermat suatu elektron ta dapat ditentukan namun kebolehjadian (probabilitas)
elektron berada dalam suatu lokasi tertentu dapat dihitung dari persamaan
schrodinger. Suatu elektron menghini suatu orbital meskipun keboleh jadian
suatu elektron berada pada tiap posisi dalam orbital atom ini tidaklah sama.
Untuk membantu memahami hal ini dapatlah elektron dibayangkan sebagai sebuah
partikel yang bergerak dari tempat ketempat begitu cepat, sehingga elektron itu
agak menyerupai awan elektron yang kerapatannya beranekargam dalam orbital itu.
Kuadrat fungsi gelombang itu ψ2
pada suatu titik ditafsirkan sebagai keboleh jadian menemukan elektron tersebut
dalam suatu volume kecil tertentu (pada titik itu) atau rapatan elektron yang
mungkin.
4.5.1 Bilangan kuantum untuk elektron[kembali]
4.5.1 Bilangan kuantum
untuk elektron, keadaan
energi yang dihuni dalam suatu atom hydrogen yang diberikan oleh tiga bilangan
kuantum. Umtuk atom-atom lain, diperlukan bilangan kuantum keempat.
Bilangan kuantum utama atau pertama, n, suatu atom bhor dipertahankan dalam
model mekanika kuantum itu. Nilainya bulat ,yaitu 1, 2, 3, 4 dan
seterusnya ,dan menyatakan dalam lingkaran energi utama dimana elektron itu
berada . makin besar harga n maka makin besar ukuran orbital yang dihuni
electron itu.
Orbital satu-satunya dalam tinkat 1 suatu atom hydrogen adalah suatu daerah
yang bersifat simetris-bola,yang disebut orbital 1s. suatu alur rapatan
electron-mungkin terhadap jarak dari inti atom, rapatan electron maksimum
berada didekat inti rapatan mengecil secara eksponen dengan naiknya harga r.
Karena rapatan electron mungkin menurun secara eksponen dengan bertambahnya
jarak dari inti, secara teoritis rapatan itu tidak pernah nol. Suatu batas yang
lazim terhadap suatu pemaparan skematik suatu orbital ialah menunjukan daerah
dalam mana terdapat 90% kebolehjadian untuk menjumpai electron itu. Batas untuk
daerah keboleh jadian 90% ini disebut kontur 90-persen ( garis atau bidang
bentuk 90-persen).Diluar batas ini rapatan electron menjadi demikian kecil
(artinya awan electron menjadi begitu kabur), sehingga tidak praktis untuk
memaparkannya dalam suatu lukisan. Dua cara untuk mendiagramkan awan electron
dalam orbit 1s dari suatu atom hydrogen ,dipaparkan dalam Gambar 4-11
Gambar 4-11
Jika electron dalam orbital 1s
dipaparkan sebagai suatu awan muatan negative yang rapatannya berkurang dengan
bertambahnya jarak inti , bagaimana mungkin untuk memperoleh
suatu atom h itu? Suatu cara dlam mana hal itu dicapai dalam pemeria mekanika kuantum ialah dengan membayangkan
ruangan yang dinyatakan oleh orbital 1s i u tuk dibagi dalam sederet kulit
kulit bulat, tipis, seragam, dan bersekutu pusat( konsentrik) kulit kulit ini
terpisah satu sama lain oleh jarak kecil, ∆r (kira kira seperti lapisan lapisan
bawang merah). Kebolehjadian untuk
menemukan elektron itu antara kulit dengan jari jari r dan kulit berjari
jari r+ ∆r (dapat dibandingkan dengan volume tiap kulit bawang) disebut keboleh
jadian radial, keboleh jadian radial merupakan dua variabel, volum, V, dari
daerah elektron antara kulit kulit itu dan kerapatan elektron antara kedua
kulit, ψ2. Pada r =0 keboleh jadiannya nol,karena
volumenya nol
Dengan bertambahnya r,
volume antara kulit kulit tipis itu bertambah pula. Bersamaan dengan itu,
kerapatan elektron berkurang. Mula mula bertambah volume melebihi berkurangnya
ralatan, sehingga keboleh jadian radial V.X ψ2
bertambah .Pada harga r yang besar, berkurangnya ψ2lebih
penting (daripada pertambahan volume) sehingga keboleh jadian radial mendekati
nol, ketika ψ2 mendekati nol,. Harga maksimum
keboleh jadian radial diperoleh pada saat V.X ψ2
mencapai maksimum untuk orbital 1s
hidroge maksimum, maksimum mini terjadi pada 0,529 A, sama dengan radius yang
dihitung oleh bohr untuk model planetnya.
Bilangan
kuantum kedua, l. Bilangan kuantum kedua, l, menyatakan
pada subtingkatan energi macam apa elektron itu berada dan menentukan bentuk
orbital dalam suatu subtingkatan harga harga yang diizinka pada l bergantung
pada n, dan berjangkaantara nol sampai n-1
Jika n sama dengan 1 l hanya dapat mepunyai harga nol. Artinya hanya ada 1 tipe orbital
yakni orbital 1s u tuk tingkatan utama pertama. Bila n=2, lmempunya harga nol
dan 1,jadi terdapat dua subtingkatan dan dua jenis orbital yg berkaitan dengan
tingkatan utama dan kedua, kedua sub tingkatan itu disebut subtingkatan 2s dan
2pdan orbitalnya ialah 2s dan 2p bila n =3 l mempunyai harga 0,1,dan 2. Bila n
=4 harganya ialah 0,1,2,3. Jadi, tingkatan utama ketiga mempunyai tiga macam dan
tingkatkan utama keempat mempunyai empat macam orbital. Bila l = 0 orbitalnya
adalah orbital s karena l dapat =0 bila n = 1, 2,3 atau bilangan bulat apa
saja, maka dalam tiap tingkatan energi utama selalu terdapat orbital s yang
bulat. Penampang orbital 2s dan 3s, yang menunjukan rapatan elektron relatif
didalam kontors 90% dipaparkan dalam gambar
Bila l = 1, orbital
ditandai sebagai orbital p. Karena l dapat mempunyai harga 1 untuk semua harga
n, kecuali n = 1,suatu orbitak p merupakan bagian dari tiap tingkatan bagian
utama, kecuali tingkatan pertama. Orbital p sering digambarkan sebagai memiliki
bentuk halter (dumpbell). Penampang orbital 2p dan 3p,yang menunjukan rapatan
elektro relatif didalam kontur 90%.
Penandaaan huruf
orbital yang diperikan oleh l = 2 dan l = 3 masing masing adalah d dan f.
Subtingkatan d pertama kali dijumpai dalam tingkatan umum ketiga dan
subbtingkatannya f baru muncul dalam
tingakatan uutama keempat
Bilangan
Kuantum Ketiga m1, menyatakan orbital khusus mana yang
dihuni oleh electron itu dalam suatu subtingakatan energy. Dalam semua
tingakatan energy pertama kecuali tingkatan pertama, terdapat lebih dari
subtingkatan energy dan karenanya lebih dari macam orbital. Bilangan
kuantum m1 mempunyai harga bilangan
bulat seperti contoh berikut ini :
Untuk subtingkatan s,l = 0,m1 = 0;satu tipe s
Untuk subtingkatan p,l = 1, m1 = +1,0,-1;tiga tipe p
Untuk subtingkatan d,l = 2,m1 = +2,+1,0,-1,-2;lima
tipe d
Untuk subtingkatan f,l =3 ,m1 =
+3,+2,+1,0,-1,-2,-3;tujuh tipe f
Harga
ml +1,0, dan -1 untuk subtingkatan p berpadanan dengan tiga orbital
p,masing-masing bersumbukan sumbu koordinat x,y, dan z.Orbital-orbital ini
disebut orbital Px,Py,dan Pz.Bentuk geometric kasar dari ketiga orbital 2p
ditunjukkan dalam Gambar 4-15.Harga ml +2,+1,0,-1,dan -2 untuk suatu
subtingkatan d berpadanan dengan lima orbital d.Bentuk geometric dan
orientasi(sikap) kelima orbital 3d ditunjukkan dalam Gambar 4-16.Untuk suatu
subtingkatan f,harga m1 adalah +3,+2,+1,0,-1,-2,dan -3 yang berpadanan dengan
ketujuh orbital f.Bentuk geometric orbital f sangat rumit
Gambar
4-15 Gambar
4-16
Bilangan
kuantum keempat,m3,menguraikan dua cara dalam mana suatu
electron dapat diluruskan dlam suatu medan magnet:parallel atau melawan medan
magnet tersebut. Elektron dapat dibayangkan sebagai berputar mengikuti arah
jarum jam atau berlawannan arah jarum jam ( Bilangan kuantum spin +1/2 atau
-1/2)
4.5.2 Azas Ekslusi Pauli[kembali]
4.5.2 Azas Ekslusi Pauli. Keadaan electron dalam atom diperikan oleh
empat bilangan kuantum : n,l,m1,ms. Taka da dua elektron dalam satu atom boleh
memiliki empat biilangan kuantum yang tept sama. Inilah azas eklusi pauli yang
terkenal, yang dikemukakan oleh Wolfgang Pauli. Pernyataan yang lain adalah :
Jika dua electron menghuni satu orbital, harga ms mereka haruslah berlainan
Dalam suatu atom helium,dua electron menghuni
orbital 1s dalam keadaan dasar. Kedua electron ini mempunyai spin yang
berlawanan dan dikatakan berpasangan
4.5.3 Urutan Pengisian Orbital[kembali]
4.5.3 Urutan Pengisian Orbital. Pengisian mulai dengan subtingkatan
berenergi-terendah dan terus ke atas. Dalam suatu subtingkatan,electron
haruslah mempunyai spin sebanyak mungkin tak berpasangan. Aturan ini yang
dikenal seebagai aturan Hund,berarti bahwa tiap orbital dihuni dengan satu
electron terlebih dahulu , sebelum ada orbital yang dihuni dua, dan bahwa
electron-elektron pertama yang menghuni orbital-orbital dalam suatu
subtingkatan haruslah mempunyai spin parallel
Aturan
Hund dan Energi Pengionan. Dalam
seksi 3.6.2 dibahas kecenderungan naiknya energy pengionan dari kiri ke kanan
sepanjang suatu periode. Ditunjukkan bahwa unsur VIA oksigen dan belerang
mempunyai energy pengionan yang agak lebih rendah dibandingkan apa yang
diharapkan kecenderungan itu. Harga yang
rendah ini berkaitan dengan pasangan electron dalam orbital p. Maka bila dua
buah electron menghuni sebuah orbital, energy pengionan yang diperlukan untuk
membuang salah sat elektron itu akan lebih rendah, dalam elektron-elektron
orbital p berpasangan, mempunyai energy pengionan yang lebih rendah daripada
harga yang diramalkan berdasarkan garis lancar pertama
4.6 Spektra fotoelektron Atom[kembali]
4.6 Spektra fotoelektron Atom
Satu cara yang mungkin
untuk menentukan secra eksperimen electron dalam atom ialah dengan mengukur
energy kinetic dari electron yang terpental. Hubungan yang mendasar ini
mempunyai bentuk yang sama dengan persamaan efek fotolistrik. Diandaikan energy
total dari fotoan yang terserap,mula-mula digunakan untuk mengalahkan gaya
tarik atom terhadap elektronnya,yang disebut energy ikatan,Eb.Kemudian sisa
energy foton itu diubah menjadi energy kinetic electron yang terpental
itu.Hubungan ialah :
Efoton = hv = Eb +K.E
Jika energy radiasi
cukup tinggi,maka energy fotoan yang terserap cukup besar untuk mementalkan sebuah elektron dari
tingkatan energy apa saja dalam atom tersebut. Oleh karena itu, sederatan
energy pengikatan, disebut spektum fotoelektron, dapat ditentukan dengan sebuah
atom
Sebuah fotoelektron
neon, menunjukkan bahwa electron-elektron dalam sebuah atom neon diikat dengan
tiga energi ikatan yang berlainan. Yang terbesar ialah 667,0 eV :
Eb =
hv – K.E. = 1,253.6 – 586.66 = 667.0 eV
Energi ikatan (dari)
electron yang paling lemah terikatnya,21,6 eV, sama dengan energy pengionan
pertama neon. Itu karena dalam kedua kasus tsb satu electron terluar
dipentalkan dari dalam sebuah atom netral gas. Namun energy pengionan
kedua,ketiga dan selanjutnya tidak sama dengan energy ikatan electron yang
telah ditentukan dengan spektroskopi fotoelektron. Dalam mengukur energy
ikatan,hanya satu electron yang diipentalkan,biasanya dari dalam suatu partikel
netral,tetapi electron itu dapat berasal dari tingkatan energy mana saja.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar