Jurnal Tingkat Energi dan Spektrum

(1)

Tingkat Energi dan Spektrum

Evi Sulis Setyorini, Fatma Roudhotul Rafida Kolis Pendidikan Fisika FKIP Universitas Sebelas Maret

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.

(2)

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 =

(3)

………...(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)

(4)

(5)

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:

z

=

8,2202 x 1014

(

1-

4 n

2

)

Hertz

(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:

¯

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:

zE= me

(6)

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 Endinyatakan dalam jejari orbit rndiberikan dalam persamaan :

E

_n

=−

e

2

8 πε

₀

r

_n

Disubstitusikan rnke persamaan :

r

_n

=

n

2

_h

2

_ε

0

π me

2 n= 1, 2, 3,... Sehingga,

E

_n

=−

me

4

8 ε

₀2

h

2

(

1 n

2

)

_{n= 1,2,3,....} ₍_{Tingkat Energi)}

(7)

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.

(8)

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

E

_i

−

E

_f

=

hv

(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

Energi awal

=

E

_i

=−

me

Jadi, perbedaan energy antara kedua keadaan itu adalah

E

_i

−

E

_f

=

me

Frekuensi foton yang dipancarkan dalam transisi ini ialah

v

=

E

_i

−

E

_f

(9)

1

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

_f

=

1:

1

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

(10)

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

(11)

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

E

_i

−

E

_f

=

hv

Jadi, perbedaan energy antara kedua keadaan itu adalah

E

_i

−

E

_f

=

me

Frekuensi foton yang dipancarkan dalam transisi ini ialah

v

=

E

_i

−

E

_f

Dinyatakan dalam panjang gelombang λ, karena λ=c/v, kita dapatkan

(12)

DAFTAR PUSTAKA

Beiser, Arthur . 1999. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga

(13)

Prasetyo, Eko, dkk. 2007. Identifikasi Unsur-Unsur Berdasarkan Spektrum Emisi

Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan. Jurnal Sains & Matematika (JSM) ISSN 0854-0675