Struktur Elektronik dan Notasi Atom

Abstrak

8 8.1 Jarak Tingkat Energi

150.000

100.000 200.000

angka 0

50.000

• membedakan fermion dan boson dan menjelaskan signifikansinya dalam ilmu atom.

dan fisika nuklir.

pemisahan.

• pengaruh interaksi Coulomb, pengisian kulit elektron, dan momentum sudut pada energi keadaan atom. • menafsirkan

dan menjelaskan konfigurasi elektronik dan simbol istilah untuk memahami momentum sudut elektron individu dan keseluruhan atom. • menjelaskan perbedaan

antara pemisahan struktur halus dan struktur hiperhalus

Gambar

8.1

menunjukkan tingkat energi untuk hidrogen, helium, litium, dan europium.

Sebagai pengingat, hidrogen memiliki 1 elektron, helium memiliki 2, litium memiliki 3, dan europium memiliki 63.

Perhatikan betapa berbedanya tingkat energi tersebut! Keadaan tereksitasi pertama hidrogen berada pada ketinggian lebih dari 80.000 cmÿ1 di atas keadaan dasar, sedangkan keadaan tereksitasi pertama helium berada pada ketinggian sekitar

Gambar 8.1 Tingkat energi hidrogen, helium, litium, dan europium. Garis merah di bagian atas setiap unsur adalah ambang ionisasi, yaitu energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari atom.

Litium Europium Helium

Hidrogen

E (cm–1)

40 230

40 220 40 240 40 250

40 210

Ingatlah bahwa keadaan dasar hidrogen, helium, litium, dan europium tidak memiliki energi 0. Keadaan dasar setiap unsur memiliki energi seperti mode terendah gelombang berdiri yang memiliki energi. Energi keadaan dasar hidrogen yang sebenarnya sangat berbeda dengan energi helium atau litium.

keadaan yang lebih padat di Europium. Meskipun ada banyak keadaan, keadaan tersebut masih terpisah

Namun, kita selalu melakukan spektroskopi berkenaan dengan energi keadaan dasar unsur tersebut. Gambar 8.1 merupakan alat pembelajaran yang bagus, tetapi dapat menyesatkan karena memberikan kesan bahwa, misalnya, keadaan tereksitasi pertama litium memiliki energi yang mirip dengan keadaan tereksitasi pertama europium. Padahal tidak!!

Perbedaan energi dibandingkan dengan keadaan dasar mereka serupa. Perbedaan yang halus, tetapi penting.

Tingkat energi yang tampak seperti pita padat hanyalah artefak pembuatan gambar dengan banyak sekali tingkat energi yang terpisah (diagram europium memiliki 500 tingkat di dalamnya). Gambar 8.2 adalah perbesaran tingkat energi Europium dari 40.210 cmÿ1 hingga 40.250 cmÿ1, yang berada tepat di tengah salah satu bidang yang padat. Seperti yang dapat Anda lihat, 7 tingkat ini sangat berdekatan, tetapi masih terpisah. Memplot semua 500 tingkat tersebut secara bersamaan benar-benar menyoroti pengelompokannya.

Meskipun tingkat energinya sangat padat, mereka masih terpisah.

160.000 cmÿ1 di atas keadaan dasar!1 Keadaan hidrogen tampak semakin dekat satu sama lain seiring peningkatan energi, tetapi helium tampak "menggumpal" sedikit lebih banyak. Dan lihatlah Europium; tampaknya ada celah besar antara keadaan dasar sebelum serangkaian tingkat energi yang sangat padat, celah, dan kemudian bahkan lebih banyak lagi! Garis merah pada setiap unsur adalah energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari atom. Kita menyebutnya ambang ionisasi.

Pikirkanlah sejenak, lalu lanjutkan membaca.

Pertanyaan Panduan

Mengapa tingkat energi sangat berbeda untuk setiap unsur?

Europium

konstan, q1 dan q2 adalah muatan, dan r adalah jarak di antara keduanya. Ini mewakili tarikan atau tolakan antara partikel bermuatan. • Interaksi Coulomb: Interaksi antara dua

partikel bermuatan karena muatan listriknya. Ini diatur oleh gaya Coulomb dan merupakan hal mendasar dalam memahami perilaku partikel bermuatan.

Ada banyak interaksi yang terjadi di dalam atom. Setiap interaksi ini memengaruhi di mana tingkat energi diskret berakhir. Jika kita, sebagai fisikawan, memahami semua interaksi ini, kita seharusnya dapat menghitung sifat-sifat atom seperti energi keadaan tertentu, lebar garis alami setiap transisi, dan apa yang akan terjadi jika kita menempatkan atom-atom dalam situasi tertentu seperti di dalam medan listrik, medan magnet, atau jika kita menempatkan sekelompok atom ini bersama-sama dengan sangat terkompresi di bawah gravitasi sehingga energi gravitasi diubah menjadi panas dan akhirnya atom- atom tersebut menyatu.2 Meskipun ada banyak interaksi yang terjadi di dalam atom, dua kontribusi terbesar yang menentukan energi keadaan atom adalah interaksi Coulomb dan bagaimana elektron mengisi "kulit".

di mana F adalah gaya, ke = 8,987 × 109 N · m2/C2 adalah gaya Coulomb Definisi •

Gaya Coulomb: Gaya antara dua partikel bermuatan, dijelaskan oleh F =

Kita menggunakan frasa interaksi Coulomb ketika kita berpikir tentang interaksi umum antara partikel bermuatan, seperti bagaimana interaksi ini dapat memengaruhi tingkat energi. Kita menggunakan frasa gaya Coulomb ketika kita secara khusus berpikir tentang gaya yang diberikan satu partikel bermuatan pada partikel bermuatan lainnya.

Interaksi Coulomb adalah cara kita menggambarkan interaksi antara partikel bermuatan. Untuk atom hidrogen, hanya ada 1 interaksi Coulomb. Interaksi tersebut terjadi antara satu elektron, yang bermuatan negatif, dan satu proton, yang bermuatan positif. Faktanya, interaksi ini sangat sederhana sehingga kita dapat memecahkan persamaan Schrödinger secara tepat untuk menemukan pengaruh interaksi ini terhadap tingkat energi. Atom helium memiliki dua elektron dan dua proton. Kedua proton berada di dalam nukleus dan, meskipun secara teknis ada interaksi Coulomb antara kedua proton, interaksi tersebut dikalahkan oleh gaya nuklir kuat, yang merupakan topik dalam Bab 10. Oleh karena itu, kita dapat menganggap nukleus sebagai satu partikel dengan muatan +2. Di sisi lain, kedua elektron tidak terkurung rapat seperti dua proton di dalam nukleus. Untuk atom helium, secara efektif ada 3 interaksi Coulomb: satu antara dua elektron, satu antara salah satu elektron dan nukleus, dan satu antara elektron lainnya dan nukleus. Meningkatnya jumlah interaksi menyebabkan sebagian besar perbedaan dramatis antara tingkat energi hidrogen dan helium.

q1q2r2 , yang berarti

8.2 Interaksi Coulomb dan Kulit Elektron

Itu adalah cara yang sangat rumit untuk mengatakan “bintang.”

Kontribusi utama kedua berasal dari sesuatu yang disebut kulit elektron, yang terdiri dari subkulit elektron. Kulit pertama disebut 1, dan berisi 1 subkulit yang diberi label 1s, lihat Gambar 8.3. Kulit kedua adalah 2 dan memiliki dua kulit. Kulit ketiga adalah 3 dan memiliki 3 subkulit dan seterusnya.

Pada Gambar 8.3, kita berhenti menunjukkan semua subkulit yang mungkin pada kulit 5. Ada subkulit 5g, 6f, 6g, 6h, dst. yang tidak ditampilkan. Dalam mekanika kuantum dan fisika atom, nomor kulit (1, 2, 3, ...)

Litium memiliki 3 elektron dan europium memiliki 63. Seperti helium, kita dapat menganggap inti litium sebagai 1 partikel dengan muatan +3. Meskipun europium memiliki 63 proton dalam inti, kita masih dapat menganggap inti sebagai 1 partikel dengan muatan +63,3. Sekarang kita memiliki banyak interaksi. Setiap elektron memiliki interaksi Coulomb dengan setiap elektron lainnya dan setiap elektron memiliki interaksi Coulomb dengan inti. Salah satu soal pekerjaan rumah untuk bab ini akan meminta Anda menghitung jumlah interaksi Coulomb untuk beberapa atom pertama dalam tabel periodik.

Gambar 8.3 Bagaimana elektron mengisi kulit. Diagram ini sering disebut aturan pemesanan energi Madelung, dinamai menurut fisikawan Jerman Erwin Madelung. Baris teratas adalah kulit n = 1 dan memiliki satu

subkulit. Baris kedua adalah subkulit. Baris ketiga adalah kulit n = 3 dan memiliki tiga subkulit, dan seterusnya

Neutron dalam nukleus juga penting, tetapi tidak sepenting muatan proton. Efek neutron terhadap status energi dibahas dalam Bab 10.

kulit n = 2 dan memiliki dua

ÿ 2, +1 ÿÿ1, +1

2 ÿ 2 ÿ

2 ÿ

Subkulit elektron muncul karena elektron dalam atom dapat memiliki momentum sudut orbital dan spin. Huruf yang menyertai nomor kuantum utama adalah nomor kuantum momentum sudut orbital untuk elektron dalam subkulit tersebut. Subkulit menggunakan sebutan huruf historis yang dibahas dalam Bab 7.

Mengapa Kulit-p Dapat Menampung 6 Elektron? Elektron dengan label p berarti = 1. Ada tiga kemungkinan orientasi untuk vektor momentum sudut ini: m = ÿ1, 0, dan 1. Selain itu, elektron dapat memiliki spin ke atas atau ke bawah.

ÿ0, +1

2 ÿ

Misalnya, jika n = 3, maka = 0, 1, atau 2. Itu berarti kulit n = 3 memiliki tiga

subkulit: 3s, 3p, dan 3d. Tidak ada subkulit 3f karena = n, yang tidak diperbolehkan.

ÿ 1, +1 ÿ1, ÿ1

2 ÿ

Setelah subkulit 2s terisi, elektron mulai mengisi subkulit 2p, yang berisi 6 elektron.

Berikutnya adalah 3s diikuti oleh 3p, 4s, 3d, 4p, dst.

dan yang lainnya spin down (ms = ÿ1/2). Subkulit p dapat menampung 6 elektron secara total: 3 spin up dan 3 spin down. Subkulit d dapat menampung 10 elektron (5 up dan 5 down), subkulit f dapat menampung 14, subkulit g dapat menampung 18, dst. Subkulit terisi dalam urutan tertentu yang ditunjukkan secara kasar pada Gambar 8.3.

Elektron dengan label d berarti = 2. Ada 5 kemungkinan orientasi untuk vektor ini (m = -2, -1, 0, 1, dan 2). Termasuk spin up dan spin down untuk setiap m menghasilkan 10 kemungkinan orientasi. Dengan menggunakan notasi (m, ms), kemungkinan orientasi untuk subkulit d adalah:

ÿ0, +1 ÿ0, ÿ1

adalah bilangan kuantum yang disebut bilangan kuantum utama, yang dilambangkan dengan huruf n. Ini adalah bilangan kuantum yang sama dengan n yang dibahas dalam Bab 6.

ÿ1, +1 ÿÿ2, +1

Artinya ada 6 orientasi yang dimiliki elektron yaitu = 1. Dengan menggunakan notasi (m, ms), kemungkinan orientasi untuk subkulit p adalah:

Sebagai pengingat, jika sebuah elektron berlabel s, maka ia memiliki = 0. Jika ia memiliki label p, maka ia memiliki = 1, dan seterusnya. Misalnya, 3p memberi tahu kita bahwa n = 3 dan = 1. Dari penyelesaian persamaan Schrödinger, kita menemukan bahwa n adalah batas atas pada nilai-nilai yang mungkin untuk Sebagai pengingat, adalah nol atau bilangan bulat positif. Dari matematika, kita menemukan = n ÿ 1.

ÿÿ1, +1

2 ÿ

ÿÿ2, ÿ1

Gambar 8.4 adalah gambar model Bohr dari hidrogen, helium, dan litium dalam keadaan energi terendah (keadaan dasar). Ingatlah bahwa elektron sebenarnya lebih seperti gelombang, tetapi saya suka menggambarnya sebagai bola-bola kecil untuk mengeksplorasi konsep ini.

Hidrogen memiliki 1 elektron sehingga subkulit 1s terisi setengah. Helium memiliki 2 elektron yang terisi penuh Subkulit s dapat menampung total 2 elektron, salah satunya memiliki spin ke atas (ms = +1/2)