4.4 Azas Ketidaktentuan Heisenberg(Uncertainty Principles)[KEMBALI]
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]
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, 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. 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. 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]
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