Penjelasan tentang struktur atom
yang lebih lengkap diperlukan untuk mengetahui struktur yang lebih detil
tentang elektron di dalam atom. Model atom yang lengkap harus dapat menerangkan
misteri efek Zeeman dan sesuai untuk atom berelektron banyak. Dua gejala ini
tidak dapat diterangkan oleh model atom Bohr.
Efek Zeeman
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.
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.
Model Atom Mekanika Kuantum
Sebelumnya kita sudah membahas
tentang dualisme gelombang-partikel yang menyatakan bahwa sebuah objek dapat
berperilaku baik sebagai gelombang maupun partikel. dalam skala atomik,
elektron dapat kita tinjau sebagai gejala gelombang yang tidak memiliki posisi
tertentu di dalam ruang. Posisi sebuah elektron diwakili oleh kebolehjadian
atau peluang terbesar ditemukannya elektron di dalam ruang.
Demi mendapatkan penjelasan yang
lengkap dan umum dari struktur atom, prinsip dualisme gelombang-partikel
digunakan. Di sini gerak elektron digambarkan sebagai sebuah gejala gelombang.
Persamaan dinamika Newton yang sedianya digunakan untuk menjelaskan gerak
elektron digantikan oleh persamaan Schrodinger yang menyatakan fungsi gelombang
untuk elektron. Model atom yang didasarkan pada prinsip ini disebut model atom
mekanika kuantum.
posisi dan keberadaan elektron di
dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom
Persamaan Schrodinger untuk elektron
di dalam atom dapat memberikan solusi yang dapat diterima apabila ditetapkan
bilangan bulat untuk tiga parameter yang berbeda yang menghasilkan tiga
bilangan kuantum. Ketiga bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utama,
orbital, dan magnetik. Jadi, gambaran elektron di dalam atom diwakili oleh
seperangkat bilangan kuantum ini.
Bilangan Kuantum Utama
Dalam model atom Bohr, elektron
dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu.
Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron.
Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat
energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n. untuk atom hidrogen,
sebagaimana dalam model atom Bohr, elektron pada kulit ke-n memiliki
energi sebesar
Adapun untuk atom berelektron banyak (terdiri atas lebih
dari satu elektron), energi elektron pada kulit ke-n adalah
Dimana Z adalah nomor atom. Nilai-nilai bilangan
kuantum utama n adalah bilangan bulat mulai dari 1.
n = 1, 2, 3, 4, ….
Bisa dikatakan bahwa bilangan
kuantum utama berkaitan dengan kulit elektron di dalam atom. Bilangan kuantum
utama membatasi jumlah elektron yang dapat menempati satu lintasan atau kulit
berdasarkan persamaan berikut.
Jumlah
maksimum elektron pada kulit ke-n adalah 2n2
Bilangan Kuantum Orbital
Elektron yang bergerak mengelilingi
inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada
di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari
gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik
menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron
berada di dalam medan magnet.
Tiap orientasi momentum sudut elektron memiliki tingkat
energi yang berbeda. Meskipun kecil perbedaan tingkat energi akan teramati
apabila atom berada di dalam medan magnet. Momentum sudut elektron dapat
dinyatakan sebagai
Dimana
Bilangan l disebut bilangan kuantum orbital. Jadi,
bilangan kuantum orbital l menentukan besar momentum sudut elektron.
Nilai bilangan kuantum orbital l adalah
l = 0, 1, 2, 3, … (n – 1)
misalnya, untuk n = 2, nilai l
yang diperbolehkan adalah l = 0 dan l = 1.
Bilangan Kuantum Magnetik
Momentum sudut elektron L
merupakan sebuah vektor. Jika vektor momentum sudut L diproyeksikan ke
arah sumbu yang tegak atau sumbu-z secara tiga dimensi akan didapatkan besar
komponen momentum sudut arah sumbu-z dinyatakan sebagai Lz.
bilangan bulat yang berkaitan dengan besar Lz adalah m.
bilangan ini disebut bilangan kuantum magnetik. Karena besar Lz
bergantung pada besar momentum sudut elektron L, maka nilai m
juga berkaitan dengan nilai l.
m = −l, … , 0, … , +l
misalnya, untuk nilai l = 1,
nilai m yang diperbolehkan adalah −1, 0, +1.
Gambar
Bilangan Kuantum Spin
Bilangan kuantum spin diperlukan
untuk menjelaskan efek Zeeman anomali. Anomali ini berupa terpecahnya garis
spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan. Jika efek
Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali
disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron
menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron. Momentum sudut spin juga
mempunyai dua orientasi yang berbeda, yaitu spin atas dan spin bawah. Tiap
orientasi spin elektron memiliki energi yang berbeda tipis sehingga terlihat
sebagai garis spektrum yang terpisah.
garis spektra atom yang terpisah di
dalam medan magnet berasal dari spin elektron
Spin elektron diwakili oleh bilangan
kuantum tersendiri yang disebut bilangan kuantum magnetik spin (atau biasa
disebut spin saja). Nilai bilangan kuantum spin hanya boleh satu dari dua nilai
+½ atau −½. jika ms adalah bilangan kuantum spin, komponen
momentum sudut arah sumbu-z dituliskan sebagai
Sz = msћ
Dimana
Spin ke atas dinyatakan dengan
Spin ke bawah dinyatakan dengan
Atom Berelektron Banyak
Model atom mekanika kuantum dapat
digunakan untuk menggambarkan struktur atom untuk atom berelektron banyak.
Posisi atau keadaan elektron di dalam atom dapat dinyatakan menggunakan
seperangkat (empat) bilangan kuantum. Misalnya, elektron dengan bilangan
kuantum n = 2, l = 1, m = −1 dan ms = −½
menyatakan sebuah elektron pada kulit L, subkulit p, orbital −1 dengan arah
spin