Dalam mekanika kuantum, energi sistem terbatas hanya dapat mengambil nilai terkuantisasi tertentu. Atom (inti dan elektron) adalah sistem kuantum yang mengikuti aturan ini; tingkat energinya bersifat diskrit karena sifat mekanika kuantum. Untuk setiap atom tertentu, hanya ada nilai energi spesifik yang diizinkan yang dapat dimiliki elektronnya, dan atom yang berbeda memiliki status energi yang berbeda.
Gagasan bahwa tingkat energi atom terkuantisasi sebenarnya telah diteorikan beberapa dekade sebelum munculnya mekanika kuantum. Para ilmuwan di tahun 1800-an memperhatikan bahwa cahaya dari matahari mengandung garis spektrum dengan energi yang berbeda. Mekanika kuantum modern tidak diformalkan sampai tahun 1926.
Apa Itu Tingkat Energi?
Tingkat energi adalah nilai energi yang dapat dimiliki atau ditempati oleh elektron dalam atom. Keadaan energi atau tingkat energi terendah disebut keadaan dasar. Karena elektron tertarik ke proton bermuatan positif di dalam inti, mereka biasanya akan mengisi tingkat energi yang lebih rendah terlebih dahulu. Keadaan tereksitasi terjadi ketika elektron berenergi lebih rendah pindah ke tingkat energi yang lebih tinggi, meninggalkan "slot" kosong terbuka di keadaan energi yang lebih rendah.
Dua atau lebih tingkat energi dikatakan "merosot" jika memiliki konfigurasi elektron yang berbeda tetapi memiliki jumlah energi yang sama. Ini kemudian disebut tingkat energi yang merosot.
Perbedaan energi antara tingkat ini berbeda untuk elemen yang berbeda, yang memungkinkan mereka untuk diidentifikasi dengan sidik jari spektral unik mereka.
Mekanika kuantum menggambarkan sifat terkuantisasi atau diskrit dari level-level ini.
Model Bohr
Model Bohr adalah perpanjangan dari model Rutherford, yang memperlakukan atom seperti sistem planet. Model Rutherford, bagaimanapun, memiliki kelemahan utama: tidak seperti planet, elektron memiliki muatan listrik, yang berarti mereka akan memancarkan energi saat mereka mengorbit nukleus.
Kehilangan energi dengan cara ini akan menyebabkan mereka jatuh ke dalam inti, sehingga mustahil bagi atom untuk menjadi stabil. Selain itu, energi yang mereka pancarkan akan "tercoreng" melintasi spektrum elektromagnetik, sementara diketahui bahwa atom memancarkan energi dalam garis-garis diskrit.
Model Bohr dikoreksi untuk ini. Lebih khusus lagi, model tersebut berisi tiga postulat:
- Elektron dapat bergerak dalam orbit diskrit dan stabil tertentu tanpa memancarkan energi.
- Orbit memiliki nilai momentum sudut yang merupakan kelipatan bilangan bulat daridikurangikonstanta Planckħ.
- Elektron hanya dapat memperoleh atau kehilangan energi dalam jumlah yang sangat spesifik dengan melompat dari satu orbit ke orbit lainnya dalam langkah-langkah terpisah, dengan menyerap atau memancarkan radiasi dengan frekuensi tertentu.
Model ini memberikan perkiraan tingkat energi orde pertama yang baik untuk atom sederhana seperti atom hidrogen. Ini juga menentukan bahwa momentum sudut elektron harus L = mvr = nħ. Variabeltidakdisebut bilangan kuantum utama.
Postulat bahwa momentum sudut terkuantisasi menjelaskan stabilitas atom dan sifat diskrit spektrumnya, bertahun-tahun sebelum munculnya mekanika kuantum. Model Bohr konsisten dengan pengamatan yang mengarah ke teori kuantum seperti efek fotolistrik Einstein, gelombang materi dan keberadaan foton.
Namun, ada efek kuantum tertentu yang tidak dapat dijelaskan, seperti efek Zeeman atau struktur halus dan sangat halus dalam garis spektral. Ini juga menjadi kurang akurat dengan inti yang lebih besar dan lebih banyak elektron.
Kerang dan Orbital Elektron
Kulit elektron pada dasarnya mewakili tingkat energi yang sesuai dengan bilangan kuantum utamatidak. Cangkang memiliki subtipe yang berbeda. Banyaknya subkulit =tidak.
Ada berbagai jenis subkulit, yang disebut orbital "s", orbital "p", orbital "d", dan orbital "f". Setiap orbital dapat berisi paling banyak dua elektron, masing-masing dengan spin elektron yang berlawanan; elektron dapat berupa "spin up" atau "spin down."
Sebagai contoh: shell "n=3" memiliki tiga subkulit. Ini disebut 3s, 3p dan 3d. Subkulit 3s memiliki satu orbital, mengandung dua elektron. Subkulit 3p memiliki tiga orbital, yang mengandung enam elektron total. Subkulit 3d memiliki lima orbital, yang mengandung 10 elektron total. Oleh karena itu, kulit n=3 memiliki total 18 elektron dalam sembilan orbital yang mencakup tiga subkulit.
Aturan umumnya adalah bahwa cangkang dapat menampung hingga 2(n2) elektron.
Orbital hanya diperbolehkan memiliki dua elektron, satu dari setiap putaran elektron, karena prinsip pengecualian Pauli, yang menyatakan bahwa dua atau lebih elektron tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama dalam sistem kuantum yang sama pada waktu yang sama waktu. Karena alasan ini, atom tidak akan pernah memiliki elektron dengan bilangan kuantum utama yang sama dan spin yang sama dalam orbital yang sama.
Orbital, pada kenyataannya, adalah volume ruang di mana elektron paling mungkin ditemukan. Setiap jenis orbital memiliki bentuk yang berbeda. Orbital "s" terlihat seperti bola sederhana; orbital "p" terlihat seperti dua lobus di sekitar pusat. Orbital "d" dan "f" terlihat jauh lebih rumit. Bentuk-bentuk ini mewakili distribusi probabilitas untuk lokasi elektron di dalamnya.
Elektron Valensi
Tingkat energi terluar suatu atom disebut tingkat energi valensi. Elektron dalam tingkat energi ini terlibat dalam interaksi apa pun yang dimiliki atom dengan atom lain.
Jika tingkat energinya penuh (dua elektron untuk orbital s, enam untuk orbital p dan seterusnya), maka atom tidak mungkin bereaksi dengan unsur lain. Ini membuatnya sangat stabil, atau "inert." Unsur yang sangat reaktif mungkin hanya memiliki satu atau dua elektron di kulit valensi terluarnya. Struktur kulit valensi menentukan banyak sifat atom, termasuk reaktivitas dan energi ionisasinya.
Atom Hidrogen
Memahami tingkat energi atom hidrogen adalah langkah pertama untuk memahami bagaimana tingkat energi bekerja secara umum. Atom hidrogen, yang terdiri dari inti positif bermuatan tunggal dan satu elektron, adalah atom yang paling sederhana.
Untuk menghitung energi elektron dalam tingkat energi hidrogen, E = -13.6eV/n2, dimanatidakadalah bilangan kuantum utama.
Jari-jari orbital juga cukup sederhana untuk dihitung: r = r0tidak2dimana r0 adalah jari-jari Bohr (0,0529 nanometer). Jari-jari Bohr berasal dari model Bohr dan merupakan jari-jari orbit terkecil yang dapat dimiliki elektron di sekitar nukleus dalam atom hidrogen dan masih stabil.
Panjang gelombang elektron, yang berasal dari gagasan mekanika kuantum bahwa elektron keduanya partikel dan gelombang, hanyalah keliling orbitnya, yaitu 2π kali jari-jari yang dihitung di atas: = 2πr0tidak2.
Radiasi Elektromagnetik dan Foton
Elektron dapat bergerak naik turun dalam tingkat energi dengan menyerap atau memancarkan foton yang sangat spesifik panjang gelombang (sesuai dengan jumlah energi tertentu yang sama dengan perbedaan energi antara tingkat). Akibatnya, atom dari unsur yang berbeda dapat diidentifikasi dengan spektrum penyerapan atau emisi yang berbeda.
Spektrum serapan diperoleh dengan membombardir elemen dengan cahaya dari banyak panjang gelombang dan mendeteksi panjang gelombang mana yang diserap. Spektrum emisi diperoleh dengan memanaskan elemen untuk memaksa elektron ke keadaan tereksitasi, dan kemudian mendeteksi panjang gelombang cahaya mana yang dipancarkan saat elektron jatuh kembali ke tingkat energi yang lebih rendah. Spektrum ini akan sering menjadi kebalikan satu sama lain.
Spektroskopi adalah bagaimana astronom mengidentifikasi unsur-unsur dalam objek astronomi, seperti nebula, bintang, planet dan atmosfer planet. Spektrum juga dapat memberi tahu para astronom seberapa cepat objek astronomi bergerak menjauh atau menuju Bumi, dengan seberapa banyak spektrum elemen tertentu bergeser merah atau biru. (Pergeseran spektrum ini disebabkan oleh efek Doppler.)
Untuk menemukan panjang gelombang atau frekuensi foton yang dipancarkan atau diserap melalui transisi tingkat energi elektron, pertama hitung perbedaan energi antara dua tingkat energi:
\Delta E=-13.6\bigg(\frac{1}{n_f^2}-\frac{1}{n_i^2}\bigg)
Perbedaan energi ini kemudian dapat digunakan dalam persamaan untuk energi foton,
\Delta E=hf=\frac{hc}{\lambda}
dimanahadalah konstanta Planck,fadalah frekuensi danλadalah panjang gelombang foton yang dipancarkan atau diserap, dancadalah kecepatan cahaya.
Orbital Molekul dan Tingkat Energi Getaran
Ketika atom terikat bersama, jenis tingkat energi baru dibuat. Sebuah atom tunggal hanya memiliki tingkat energi elektron; sebuah molekul memiliki tingkat energi elektron molekul khusus, serta tingkat energi vibrasi dan rotasi.
Karena atom-atom terikat secara kovalen, orbital dan tingkat energinya saling mempengaruhi untuk menciptakan satu set orbital dan tingkat energi baru. Ini disebutikatandanantiikatanorbital molekul, di mana orbital ikatan memiliki tingkat energi yang lebih rendah dan orbital anti ikatan memiliki tingkat energi yang lebih tinggi. Agar atom-atom dalam suatu molekul memiliki ikatan yang stabil, elektron ikatan kovalen harus berada di orbital molekul ikatan yang lebih rendah.
Molekul juga dapat memiliki orbital non-ikatan, yang melibatkan elektron di kulit terluar atom yang tidak terlibat dalam proses ikatan. Tingkat energi mereka sama seperti jika atom tidak terikat dengan yang lain.
Ketika atom terikat bersama, ikatan tersebut dapat dimodelkan hampir seperti pegas. Energi yang terkandung dalam gerakan relatif atom-atom yang terikat disebut energi vibrasi, dan energi tersebut dikuantisasi seperti halnya tingkat energi elektron. Kompleks molekul juga dapat berputar relatif satu sama lain melalui ikatan atom, menciptakan tingkat energi rotasi terkuantisasi.
Transisi tingkat energi elektron dalam suatu molekul dapat digabungkan dengan transisi tingkat energi vibrasi, yang disebut atransisi vibronik. Kombinasi tingkat energi getaran dan rotasi disebuttransisi rovibrasi; transisi yang melibatkan ketiga jenis tingkat energi disebutrovivronik. Perbedaan tingkat energi umumnya lebih besar antara transisi elektronik, kemudian transisi vibrasi dan kemudian terkecil untuk transisi rotasi.
Atom dan Pita Energi yang Lebih Besar
Ada beberapa aturan yang semakin kompleks tentang status elektron dalam atom yang lebih besar karena atom tersebut memiliki jumlah elektron yang lebih banyak. Keadaan ini bergantung pada besaran seperti spin, interaksi antara spin elektron, interaksi orbital, dan sebagainya.
Bahan kristal memiliki pita energi – elektron dalam jenis padatan ini dapat mengambil nilai energi apa pun di dalamnya pita pseudo-kontinu, selama pita tidak terisi (ada batasan berapa banyak elektron yang dapat berisi). Pita-pita ini, meskipun dianggap kontinu, secara teknis diskrit; mereka hanya mengandung terlalu banyak tingkat energi yang terlalu berdekatan untuk diselesaikan secara terpisah.
Pita yang paling penting disebutkonduksiband danvalensipita; pita valensi adalah kisaran tingkat energi tertinggi dari bahan di mana elektron hadir di suhu nol mutlak, sedangkan pita konduksi adalah kisaran level terendah yang mengandung tidak terisi negara bagian. Dalam semikonduktor dan isolator pita-pita ini dipisahkan oleh celah energi, yang disebutcelah pita. Dalam semimetal, mereka tumpang tindih. Dalam logam, tidak ada perbedaan di antara mereka.