a. Sejarah
Awal Munculnya Mekanika Kuantum
Perkembangan dan pemahaman dunia atom
mempengaruhi pandangan emosional, sehingga ilmuan mengalami kesulitan dan
kebuntuan dalam mengimajinasikan dunia atom. Teori-teori yang diciptakan
sebelumnya seakan belum bisa menjawab fakta yang terus terjadi dan mengaami
perkembangan. Keadaan ini dilukiskan oleh pengalaman Heisenberg: “Saya ingat
pembicaraan saya dengan Bohr yang berlangsung selama berjam-jam hingga larut
malam dan mengakhirinya dengan putus asa; dan ketika perbincangan itu berakhir
saya berjalan-jalan sendirian di taman terdekat dan mengulangi pertanyaan pada
diri saya sendiri berkali-kali: Mungkinkah alam itu absurd sebagaimana
yang tampak pada kita dalam eksperimen-eksperimen atom ini?”
Kondisi psikologis Heisenberg merupakan
salah satu pemicu perkembangan revolusioner dunia atom. Benda atau materi yang
diciptakan berkeinginan untuk sesuai dengan fungsi dan kedudukannya dalam suatu
fenomena. Absurd yang dimaksud adalah absurditas subatom yang dipandang sebagai
benda atau materi sudah tidak memadai lagi. Subatom merupakan kesinambungan
pembentuk jaringan dinamis yang terpola, sehingga subatom bukan banda atau
materi. Sub-subatom merupakan jaring-jaring pembentuk dasar materi, bukan
sebagai blok-blok dasar pembentuk materi.
Mekanika kuantum merupakan paradigma
sains revolusioner pada awal abad 20. Lahirnya mekanika kuantum tidak terlepas
dari teori-teori yang sudah diciptakan sebelumnya, utamanya teori atom.
Mekanika kuantum merupakan bentuk perkembangan teori atom yang berperan untuk
merevisi teori-teori yang sudah ada sebelumnya sesuai dengan perkembangan
fenomena yang terjadi, terutama dunia mikroskosmik. Menurut Gary Zukaf
(2003:22) Mekanika adalah kajian ilmu tentang gerak, sedangkan kuantum
merupakan kuantitas ukuran sesuatu dengan besar tertentu. Mekanika kuantum
adalah kajian ilmu tentang fenomena gerak kuantum. Secara sederhana mekanika
kuantum menyatakan bahwa partikel pada tingkat subatomik tidak sesuai dengan
hukum fisika klasik. Entitas elektron dapat berwujud materi atau energi yang
bergantung pada cara pengukurannya
B. Perkembangan
Mekanika Kuantum
1.
Fisika Kuantum
Pembahasan tentang produksi cahaya dan
cara pengkajiannya di dalam tahun 1900 merupakan babak baru yang menandai
lahirnya fisika kuantum. Sumber-sumber cahaya seperti benda benda padat yang
dipanaskan dan gas-gas yang dihasilkan oleh sebuah lecutan listrik merupakan
awal dari penelitian tentang bagaimana kuatnya radiasi pada berbagai panjang
gelombang. Joseph Stefan dan Ludwig Boltzman telah melakukan pengukuran laju
energi kalor radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda, kemudian dikenal dengan
Hukum Stefan-Boltzman. Selanjutnya Wilhelm Wien seorang fisikawan Jerman
menemukan suatu hubungan yang empiris sederhana antara panjang gelombang yang
dipancarkan untuk intensitas maksimum (λm) dengan suhu mutlak (T) sebuah benda
yang dikenal sebagai Hukum Pergeseran Wien. Berikut ini terdapat dua
teori klasik yang mencoba menjelaskan spektrum radiasi benda hitam yaitu teori
Wien dan teori Rayleigh Jeans :
- Teori Wien menyatakan hubungan antara intensitas radiasi dengan panjang gelombang menggunakan analogi antara radiasi dalam ruangan dan distribusi kelajuan molekul gas. Ternyata persamaan tersebut hanya mampu menjelaskan radiasi benda hitam untuk λ pendek, tetapi gagal untuk λ panjang.
- Teori Rayleigh-Jeans menyatakan hubungan antara intensitas dan panjang gelombang radiasi dengan menggunakan penurunan dari teori klasik murni. Ternyata persamaan tersebut berhasil menjelaskan radiasi benda hitam untuk λ yang panjang, tetapi gagal untuk λ yang pendek
Pada tahun 1900, fisikawan
berkebangsaan Jerman Max Planck (1858-1947), memutuskan untuk mempelajari
radiasi benda hitam. Beliau berusaha untuk mendapatkan persamaan matematika
yang menyangkut bentuk dan posisi kurva pada grafik distribusi spektrum. Planck
menganggap bahwa permukaan benda hitam memancarkan radiasi secara
terus-menerus, sesuai dengan hukum-hukum fisika yang diakui pada saat itu.
Hukum-hukum itu diturunkan dari hukum dasar mekanika yang dikembangkan oleh Sir
Isaac Newton. Namun dengan asumsi tersebut ternyata Planck gagal untuk
mendapatkan persamaan matematika yang dicarinya. Kegagalan ini telah mendorong
Planck untuk berpendapat bahwa hukum mekanika yang berkenaan dengan kerja suatu
atom sedikit banyak berbeda dengan Hukum Newton.
Max Planck mulai berasumsi baru, bahwa
permukaan benda hitam tidak menyerap atau memancarkan energi secara kontinu,
melainkan berjalan sedikit demi sedikit dan secara bertahap. Menurut Planck,
benda hitam menyerap energi dalam berkas-berkas kecil dan memancarkan energi
yang diserapnya dalam berkas-berkas kecil pula. Berkas-berkas kecil itu
selanjutnya disebut kuantum. Teori kuantum ini bisa diibaratkan dengan naik
atau turun menggunakan tangga. Hanya pada posisi-posisi tertentu, yaitu pada
posisi anak tangga kita dapat menginjakkan kaki, dan tidak mungkin menginjakkan
kaki di antara anak-anak tangga itu.
Dengan hipotesis yang revolusioner ini,
Planck berhasil menemukan suatu persamaan matematika untuk radiasi benda hitam
yang benar-benar sesuai dengan data percobaan yang diperolehnya. Persamaan
tersebut selanjutnya disebut Hukum Radiasi Benda Hitam Planck yang
menyatakan bahwa intensitas cahaya yang dipancarkan dari suatu benda hitam
berbeda-beda sesuai dengan panjang gelombang cahaya. Planck mendapatkan suatu
persamaan :
E = hf
Keterangan:
- E adalah energi (Joule)
- h adalah tetapan Planck, h = 6.63× (Js)
- f adalah frekuensi dari cahaya (Hz)
Hipotesis Planck berlawanan dengan
teori klasik tentang gelombang elektromagnetik yang merupakan titik awal dari
lahirnya teori kuantum sebagai penanda terjadinya revolusi dalam bidang fisika.
Terobosan Planck merupakan tindakan yang sangat berani karena bertentangan
dengan hukum fisika yang telah mapan dan sangat dihormati. Ilmu fisika mampu
menyuguhkan pengertian yang mendalam tentang alam benda dan materi melalui
teori ini. Planck menerbitkan karyanya pada majalah yang sangat terkenal.
Namun untuk beberapa saat, karya Planck
ini tidak mendapatkan perhatian dari masyarakat ilmiah saat itu. Pada mulanya,
Planck sendiri dan fisikawan lainnya menganggap bahwa hipotesis tersebut tidak
lain dari fiksi matematika yang cocok. Namun setelah berjalan beberapa tahun,
anggapan tersebut berubah hingga hipotesis Planck tentang kuantum dapat
digunakan untuk menerangkan berbagai fenomena fisika.
C. Pengakuan
Terhadap Teori Kuantum
Teori kuantum sangat penting dalam ilmu
pengetahuan karena pada prinsipnya teori ini dapat digunakan untuk meramalkan
sifat-sifat kimia dan fisika suatu zat. Pengakuan terhadap hasil karya Planck
datang perlahan-lahan karena pendekatan yang ditempuh merupakan cara berfikir
yang sama sekali baru. Albert Einstein menggunakan konsep kuantum untuk
menjelaskan efek fotolistrik yang diamati. Efek fotolistrik merupakan
fenomena fisika berupa pancaran elektron dari permukaan benda apabila cahaya
dengan energi tertentu menimpa permukaan benda itu. Semua logam dapat
menunjukkan fenomena ini. Penjelasan Einstein mengenai efek fotolistrik itu
terbilang sangat radikal, sehingga untuk beberapa waktu tidak diterima secara
umum. Einstein melakukan eksperimen dengan menembakkan cahaya pada permukaan
logam Natrium (Sodium) dan mengamati partikel-partikel atau elektron-elektron
pada permukaan logam terhambur dengan kecepatan tertentu.
Elektron-elektron yang terhambur
memiliki energi kinetik sebesar ½ mv2, dimana m adalah masa
elektron dan v adalah kecepatan elektron yang terhambur. Peristiwa pergerakan
elektron dengan kecepatan tertentu merupakan sifat dari partikel, sehingga
dikatakan bahwa gelombang cahaya dapat berperilaku seperti partikel. Namun
hanya cahaya dengan frekuensi atau energi tertentu yang mampu menghamburkan
elektron-elektron pada permukaan logam Natrium, yaitu energi foton harus sama
dengan energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron (fungsi kerja logam)
ditambah dengan energi kinetik dari elektron yang terhambur. Dengan demikian,
penerapan teori kuantum untuk menjelaskan efek fotolistrik telah mendorong ke
arah perhatian yang luar biasa terhadap teori kuantum dari Planck yang sebelumnya
diabaikan.
D. Eksperimen
Davison-Germer
Sebelum eksperimen Davison-Germer, pada
tahun 1924 Louis-Victor de Broglie merumuskan secara empiris bahwa semua
partikel atau materi, tidak hanya cahaya, memilki sifat alami seperti
gelombang. Gelombang dalam mekanika klasik memiliki sifat-sifat seperti
interferensi, difraksi dan polarisasi. Pada tahun 1927, hipotesa de Broglie
ini dikonfirmasi oleh dua eksperimen yang dilakukan secara terpisah oleh George
Paget Thomson (anak dari J.J. Thomson, penemu elektron, peraih Nobel Fisika
tahun 1906) yang melakukan eksperimen dengan melewatkan berkas elektron ke
dalam film tipis logam dan mengamati pola difraksi (sifat gelombang) dari
elektron yang terhambur dari permukaan logam. Atas jasanya G.P. Thomson
dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1934.
Sedangkan di tempat terpisah C.J.
Davisson dan L.H. Germer (Bell Labs) menembakkan elektron-elektron dengan
kecepatan rendah ke dalam kristal Nikel dan mengukur intensitas
elektron-elektron yang terhambur dari permukaan kristal Nikel pada sudut
hamburan yang berbeda. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa elektron-elektron
yang terhambur memiliki pola difraksi seperti yang diperkirakan oleh Bragg
dalam difraksi sinar-X dari kristal Nikel. De Broglie dianugerahi Hadiah Nobel
Fisika pada tahun 1929 dan Davison dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1934
atas penemuan difraksi elektron atas jasa merumuskan hipotesanya.
Teori Kuantum Modern dikembangkan dalam
perhitungan energi partikel atau elektron menggunakan persamaan gelombang yang
dirumuskan oleh Erwin Schroedinger, sehingga dikenal dengan persamaan
Schroedinger. Persamaan ini bersama dengan prinsip ekslusi Pauli yang
menyatakan bahwa elektron dan partikel Fermion lain tidak dapat memiliki
keadaan kuantum yang sama (energi, orbital, spin dan lain-lain) merupakan dasar
bagi penerapan teori kuantum modern dalam menjelaskan efek zeeman, atom
berelektron banyak, osilator harmonis dan atom hidrogen. Diantara kedua teori
kuantum klasik dan modern, terdapat beberapa model atom dikembangkan oleh
Thomson, Rutherford, Bohr dan Sommerfeld-Bohr. Model atom tersebut berdasarkan
teori kuantum lama (besaran diskrit) dan sebagai dasar bagi penerapakan teori
kuantum modern khusunya dalam atom hidrogen dan atom berlektron banyak.
Pada tahun 1906, J.J. Thomson menemukan
besaran perbandingan antara muatan dan massa elektron (muatan spesifik
elektron) yang berkesimpulan bahwa elektron merupakan partikel paling dasar
dari setiap materi. Dengan demikian model atom Dalton yang menyatakan bahwa
atom merupakan bagian terkecil dari materi gugur. Thomson menyatakan bahwa atom
mengandung banyak sekali elektron-elektron yang bermuatan negatif. Karena atom
bersifat netral, maka di dalam atom terdapat muatan-muatan positif yang
menyeimbangkan elektron yang bermuatan negatif. Thomson membuat model bahwa
atom berbentuk bola padat dengan muatan-muatan listrik positif tersebar merata
di seluruh bagian bola. Muatan-muatan positif dinetralkan oleh
elektron-elektron bermuatan negatif yang melekat pada bola segaram pada bola bermuatan
positif seperti kismis yang melekat pada kue. Sehingga model atom Thomson
dikenal dengan model atom kue kismis. J. J. Thomson akhirnya diberi hadiah
Nobel Fisika pada tahun 1906 .
Ernest Rutherford dibantu asistennya
yaitu Geiger dan Marsden pada tahun 1911 melakukan eksperimen menembakkan
partikel alfa (α) melalui celah pelat timbal yang akhirnya menumbuk lempeng
tipis emas. Untuk mendeteksi partikel alfa yang terhambur dari lempeng emas,
dipasang lempeng lapisan seng sulfida. Hasilnya menunjukkan bahwa sebagian
besar partikel alfa dilewatkan tanpa mengalami pembelokkan oleh lapisan emas
dan hanya sedikit yang dibelokkan atau dipantulkan. Hasil eksperimen Rutherford
menunjukkan bahwa model atom Thomson yang menyatakan bahwa muatan positif
tersebar merata di dalam atom tidak dapat diterima.
Model atom Rutherford menyatakan bahwa
semua muatan positif berkumpul di tengah atom (inti atom) dan inti atom
dikelilingi oleh elektron-elektron pada jarak yang relatif jauh.
Elektron-elektron ini berputar pada lintasan-lintasannya seperti planet
mengelilingi matahari dalam sistem tata surya. Model atom Rutherford tidak
mampu menjelaskan dua pertanyaan yaitu pertama, mengapa elektron yang
dipercepat hingga memancarkan gelombang elektromagnetik tidak dapat jatuh ke dalam
inti atom? Karena dengan model tadi diperkirakan bahwa elektron akan jatuh ke
dalam inti atom dalam waktu 10-8 detik, namun kenyataannya elektron
bergerak stabil di lintasannya.
Kedua, hasil pengamatan spektrum atom
hidrogen melalui spektrometer menunjukkan bahwa spektrum berbentuk garis (deret
Balmer) sedangkan menurut model atom Rutherford, spectrum atom hydrogen seperti
planet mengelilingi matahari dalam sistem tata surya
Pada tahun 1911 Niels Bohr membuat
model atom seperti berikut:
- Elektron bergerak dalam orbitnya yang melingkar di sekitar inti atom (proton) dibawah pengaruh gaya Coulomb.
- Elektron tidak dapat berputar di sekitar inti melalui setiap orbit, tetapi elektron hanya melalui orbit stabil (orbit stasioner) tanpa memancarkan energi.
- Radiasi dipancarkan oleh atom jika elektron melompat dari suatu orbit stasioner yang energinya lebih tinggi ke dalam orbit yang energinya lebih rendah.
- Ukuran orbit-orbit yang diperbolehkan ditentukan oleh keadaan kuantum tambahan yaitu momentum sudut orbital elektron.
Pada tahun 1913, Niels Bohr seorang
fisikawan berkebangsaan Swedia mengikuti jejak Einstein menerapkan Teori
Kuantum untuk menerangkan hasil studinya mengenai spektrum atom hidrogen. Bohr
mengemukakan teori baru mengenai struktur dan sifat-sifat atom. Teori atom Bohr
pada prinsipnya menggabungkan teori kuantum Planck dan teori atom dari Ernest
Rutherford yang dikemukakan pada tahun 1911. Bohr mengemukakan bahwa
apabila elektron dalam orbit atom menyerap suatu kuantum energi, elektron akan
meloncat keluar menuju orbit yang lebih tinggi.
Sebaliknya, jika elektron itu
memancarkan suatu kuantum energi, elektron akan jatuh ke orbit yang lebih dekat
dengan inti atom. Melalui teori kuantum, Bohr juga menemukan rumus matematika
yang dapat dipergunakan untuk menghitung panjang gelombang dari semua garis
yang muncul dalam spektrum atom hidrogen. Nilai hasil perhitungan ternyata
sangat cocok dengan yang diperoleh dari percobaan langsung. Namun, untuk unsur
yang lebih rumit dari hidrogen, teori Bohr tidak cocok dalam meramalkan panjang
gelombang garis spektrum. Meskipun demikian, teori ini diakui sebagai langkah
maju dalam menjelaskan fenomena-fenomena fisika yang terjadi dalam tingkatan
atomik.
Teori kuantum dari Planck diakui
kebenarannya karena dapat dipakai untuk menjelaskan berbagai fenomena fisika
yang saat itu tidak bisa diterangkan dengan teori klasik. Pada tahun 1918
Planck memperoleh Hadiah Nobel bidang fisika berkat teori kuantumnya. Dengan
memanfaatkan teori kuantum untuk menjelaskan efek fotolistrik, Einstein
memenangkan hadiah nobel bidang fisika pada tahun 1921.
Selanjutnya Bohr yang mengikuti jejak
Einstein menggunakan teori kuantum untuk teori atomnya juga dianugerahi Hadiah
Nobel Bidang Fisika tahun 1922. Tiga hadiah Nobel fisika dalam waktu yang
hampir berurutan di awal abad ke-20 sebagai penanda pengakuan secara luas
terhadap lahirnya teori mekanika kuantum. Teori ini mempunyai arti penting dan
fundamental dalam fisika.
Di antara perkembangan beberapa bidang
ilmu pengetahuan di abad ke-20, perkembangan mekanika kuantum memiliki arti
yang paling penting, jauh lebih penting dibandingkan teori relativitas dari
Einstein. Oleh sebab itu, Planck dianggap sebagai Bapak Mekanika Kuantum yang
telah mengalihkan perhatian penelitian dari fisika makro yang mempelajari
objek-objek tampak ke fisika mikro yang mempelajari objek-objek sub-atomik.
Perombakan dalam penelitian fisika sejak memasuki abad ke-20, perhatian orang
mulai tertuju ke arah penelitian atom.
Melalui penjelasan teori kuantum inilah
manusia mampu mengenali atom dengan baik. Sebagai konsekuensi atas beralihnya
bidang kajian dalam fisika, maka muncul beberapa disipilin ilmu spesialis
seperti fisika nuklir dan fisika zat padat. Fisika nuklir yang perkembangannya
cukup kontroversial kini menawarkan berbagai macam aplikasi praktis yang sangat
bermanfaat dalam kehidupan. Energi nuklir misalnya, saat ini telah mensuplai
sekitar 17 % kebutuhan energi listrik dunia. Sedang perkembangan dalam fisika
zat pada telah mengantarkan ke arah revolusi dalam bidang mikro-elektronika,
dan kini sedang menuju ke arah nano-elektronika.
1. Max Planck
Lahir
pada tahun 1858 di kota Kiel, Jerman. Dia belajar di Universitas Berlin dan
Munich diperoleh gelar Doktor dalam ilmu fisika dengan summa cum laude dari
Universitas Munich saat berumur dua puluh satu tahun. Dia mengajar di
Universitas Munich, kemudian di Universitas Kiel. Di tahun 1889 dia jadi
mahaguru Univeristas Berlin sampai pensiunnya tiba tatkala usianya mencapai
tujuh puluh. Saat itu tahun 1928.
2.
Albert Einstein
Albert
Einstein adalah seorang ilmuan fisika yang dipandang luas sebagai ilmuan
terbesar di abad ke-20. Dia mengemukakan teori relativitas dan juga banyak
menyumbang dalam pengembangan mekanika kuantum, mekanika statistik, dan
kosmologi. Dia dianugerahi penghargaan nobel dalam fisika pada tahun 1921 untuk
penjelasannya tentang efek foto elektrik dan pengabdiannya bagi fisika
teoretis. Setelah teori relativitas umum dirumuskan, Einstein menjadi terkenal
ke seluruh dunia, hal ini merupakan pencapaian yang tidak biasa bagi seorang
ilmuan. Di masa tuanya, keterkenalan Einstein melampaui ketenaran semua ilmuan
dalam sejarah dan dalam budaya populer.
Kata Einstein dianggap bersinonim
dengan kecerdasan atau bahkan jenius. Einstein dinamakan “Orang Abad Ini” oleh
majalah time pada tahun 1999. Kepopulerannya juga membuat nama “Einstein”
digunakan secara luas dalam iklan dan barang dagang lain, dan akhirnya “Albert
Eisntein” didaftarkan sebagai merk dagang. Sebagai salah satu penghargaan
baginya, sebuah satuan fotokimia diberi nama einstein, sebuah unsur kimia
diberi nama einsteinium, dans ebuah asteroid diberi nama 2001 Einstein.
Einstein dilahirkan di Ulm di Württemberg, Jerman (sekitar 100 km sebelah timur
Stuttgart).
Ayah Einstein bernama Hermann Einstein
dan ibunya bernama Peuline. Ayahnya adalah seorang penjual ranjang bulu yang
kemudian menjalani pekerjaan elektrokimia. Mereka menikah di Stuttgart-Bad
Cannstatt. Keluarga mereka keturunan yahudi.
Albert Einstein disekolahkan di sekolah
katolik dan atas keinginan ibunya dia diberi pelajaran biola. Saat berumur lima
tahun, ayahnya menunjukkan kompas kantung, dan Einstein menyadari bahwa sesuatu
diruang kosong akan bereaksi terhadap jarum di kompas tersebut. Dia kemudian
menjelaskan pengalamannya sebagai salah satu saat yang paling menggugah dalam
hidupnya. Meskipun dia membuat model dan alat mekanik sebagai hobi, dia
dianggap sebagai pelajar yang lambat. Kemungkinannya disebabakan oleh dyslexia,
sifat pemalu, atau karena struktur yang tidak biasa pada otaknya (setelah
diteliti kematiannya).
2.
Niels Bohr
Niels
Henrik Dacid Bohr merupakan seorang bapak teori struktur atom yang lahir pada
tahun 1885 di Kompenhagen. Dia meraih gelar doktor fisika dari Universitas
Compenhagen pada tahun 1911. Tak lama kemudian, dia pergi ke Cambridge,
Inggris. Di sana dia belajar di bawah asuhan J.J. Thomson seorang ilmuan yang
menemukan elektron.
Beberapa bulan kemudian, dia pindah
lagi ke Manchester untuk belajar pada Ernest Rutherford yang beberapa tahun
sebelumnya menemukan nucleus atau bagian inti atom. Rutherford menegaskan bahwa
atom umumnya kosong, denga bagian pokok berat pada tengahnya dan elektron
dibagian luarnya. Tak lama kemudian, Bohr mengembangkan teorinya sendiri yang
baru serta radikal tentang struktur atom. Kertas kerja Bohr bagaikan membuai
dalam sejarah “On the Constitution of Atoms and Molecules” diterbitkan dalam
Philosophical Magazine tahun 1933.
3.
Louis de Broglie
Louis
Victor Pierre Raymon de Broglie lahir pada 15 Agustus 1892 di Dieppe, Perancis.
Keturunan de Broglie berasal dari Piedmont Italia barat laut cukup dikenal
dalam sejarah Perancis karena mereka telah melayani raja-raja Perancis baik
dalam perang dan jabatan diplomatik selama beratus tahun.
Pada tahun 1740, Raja Louis XI
mengangkat salah satu anggota keluarga de Broglie, Francois Marie (1671-1745)
sebagai Duc (seperti Duke di Inggris), yaitu suatu gelar keturunan yang hanya
disandang oleh anggota keluarga tertua. Putra Duc pertama ini ternyata membantu
Austria dalam Perang Tujuh Tahun (1756-1763). Karena itu, Kaisar Perancis I
dari Austria menganugerahkan gelar Prinz yang berhak disandang seluruh anggota
keluarga de Broglie.
Setelah meninggalnya saudara tertua
Louis de Broglie yaitu Maurice yang juga fisikawan (eksperimen) pada 1960,
Louis serempak menjadi Duc Perancis (ke-7) dan Prinz Austria. Louis
mulanya belajar pada Lycee Janson de Sailly di Paris dan memperoleh gelar dalam
sejarah pada 1909. Ia menjadi tertarik pada ilmu pengetahuan alam karena
katanya, “terpengaruh oleh filsafat dan buku-buku Henry Poincare (1854-1912)”
seorang matematikawan besar Perancis.
4.
Werner Karl Heisenberg
Pada
tahun 1925 Werner Karl Heisenberg mengajukan rumus baru dibidang fisika. Rumus
tersebut merupakan suatu rumus yang teramat sangat radikal, jauh berbeda dalam
pokok konsep dengan rumus klasik Newton. Teori rumus baru ini telah mengalami
beberapa perbaikan dan berhasil oleh orang-orang sesudah Heisenberg. Kini rumus
tersebut diterima dan digunakan terhadap semua sistem fisika. Secara matematik
dapat dibuktikan hanya dengan menggunakan sistem mikroskopik untuk di ukur.
Atas dasar ini, mekanika klasik secara matematik lebih sederhana dari mekanika
kuantum. Ketika dihadapkan pada sistem dimensi atom, perkiraan tentang mekanika
kuantum lebih tepat daripada mekanika klasik.
5.
Erwin Schrodinger
Erwin
rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961) ialah fisikawan Austria. Ia
lahir di Wina, Austria-Hongaria. Ibunya berasal dari Inggris dan ayahnya
berasal dari Austria. Ia memperoleh gelar doktor di kota itu di bawah bimbingan
mantan murid Ludwig Boltzmann. Selama PD I, ia menjadi perwira artileri.
Setelah perang, ia mengajar di zurich, Swiss. Disana ia menangkap pengertian
Louis Victor de Broglie yang menyatakan bahwa partikel yang bergerak memilik
sifat gelombang dan mengembangkan pengertian itu menjadi suatu teori yang
terperinci dengan baik.
Setelah ia menemukan persamaannya yang
terkenal, ia dan ilmuan lainnya memecahkan persamaan itu untuk berbagai
masalah. Di sini kuantisasi muncul secara alamiah, misalnya dalam masalah tali
yang bergetar. Setahun sebelumnya, Werner Karl Heisenberg telah
mengemukakan formulasi mekanika kuantum, namun perumusannya agak sulit dipahami
ilmuan masa itu. Schrödinger memperlihatkan bahwa kedua formulasi itu setara
secara matematis.
6.
Paul Dirac
Pada
tanggal 8 Agustus 1902 lahirlah seorang anak yang diberi nama Paul Andrien
Maurice Dirac di Bristol Inggris. Siapa sangka di kemudian hari anak yang
dikenal sebagai Paul Dirac ini akan menjadi fisikawan besar Inggris yang dapat
disejajarkan dengan Newton, Thomson, dan Maxwell.
Melalui teori kuantumnya yang
menjelaskan tentang elektron, Dirac menjelma menjadi fisikawan ternama di dunia
dan namanya kemudian diabadikan bagi persamaan relativistik yang
dikembangkannya, yaitu persamaan Dirac. Tulisan ini dibuat untuk mengenang
kembali perjalanan karirnya yang cemerlang dalam bidang fisika teori.
Dirac kecil tumbuh dan besar di
Bristol. Ayahnya yang berasal dari Swiss bernama Charles lahir di kota Monthey
dekat Geneva pada tahun 1866 dan kemudian pindah ke Bristol Inggris, untuk
menjadi guru bahasa Prancis di Akademi Teknik Merchant Venturers. Ibunya
bernama Florence Holten, wanita yang lahir di Liskeard pada tahun 1878 dan
menjadi pustakawan di kota Bristol. Ayah dan Ibu Dirac menikah di Bristol pada
tahun 1899 dan memiliki tiga orang, dua laki-laki (di mana Paul adalah yang
lebih muda) dan seorang perempuan.
Setelah menyelesaikan pendidikan SMA
dan sekolah teknik, Paul Dirac melanjutkan studi di Jurusan teknik elektro
Universitas Bristol pada tahun 1918. Pilihannya ini diambil berdasarkan anjuran
ayahnya yang menginginkan Paul mendapatkan pekerjaan yang baik. Dirac
menyelesaikan kuliahnya dengan baik, tetapi dia tidak mendapatkan pekerjaan
yang cocok paska berkecamuknya perang dunia pada saat itu. Keinginannya adalah
pergi ke Universitas Cambridge untuk meperdalam matematika dan fisika.
Dia diterima di akademi St John
Cambridge pada tahun 1921, tetapi hanya ditawarkan beasiswa yang tidak memadai
untuk menyelesaikan kuliahnya. Untungnya dia sanggup mengambil kuliah
matematika terapan di Universitas Bristol selama dua tahun tanpa harus membayar
uang kuliah dan tetap dapat tinggal di rumah. Setelah itu pada tahun 1923 dia
berhasil mendapatkan beasiswa penuh di akademi St John dan dana penelitian dari
Departemen perindustrian dan sains, tetapi dana ini pun belum bisa menutupi
jumlah biaya yang diperlukan untuk kuliah di Cambridge.
Pada akhirnya Paul Dirac berhasil mewujudkan
keinginannya kuliah di Akademi St John karena adanya permintaan dari pihak
universitas. Di Cambridge Paul Dirac mengerjakan semua pekerjaan sepanjang
hidupnya sejak kuliah paska sarjananya pada tahun 1923 sampai pensiun sebagai
profesor (lucasian professor) pada tahun 1969.
Pada tanggal 20 oktober 1984 Paul Dirac
meninggal dunia pada usia 84 tahun, sebagai peraih hadiah nobel fisika tahun
1933 dan anggota British order of merit tahun 1973. Paul Dirac merupakan
fisikawan teoritis Inggris terbesar di abad ke-20. Pada tahun 1995 perayaan
besar disellenggarakan di London untuk mengenang hasil karyanya dalam fisika.
Sebuah monumen dibuat di Westminster
Abbey untuk mengabadikan namanya dan hasil karyanya, di mana di sini dia
bergabung bersama sejumlah monumen yang sama yang dibuat untuk Newton, Maxwell,
Thomson, Green dan fisikawan-fisikawan besar lainnya. Pada monumen itu
disertakan pula Persamaan Dirac dalam bentuk relativistik yang kompak.
Sebenarnya persamaan ini bukanlah persamaan yang digunakan Dirac pada saat itu,
tetapi kemudian persamaan ini digunakan oleh mahasiswanya.
Dirac mengukuhkan teori mekanika
kuantum dalam bentuk yang paling umum dan mengembangkan persamaan relativistik
untuk elektron, yang sekarang dinamakan menggunakan nama beliau yaitu persamaan
Dirac. Persamaan ini juga mengharuskan adanya keberadaan dari pasangan
antipartikel untuk setiap partikel misalnya positron sebagai antipartikel dari
elektron. Dia adalah orang pertama yang mengembangkan teori medan kuantum yang
menjadi landasan bagi pengembangan seluruh teori tentang partikel subatom atau
partikel elementer. Pekerjaan ini memberikan dasar bagi pemahaman kita tentang
gaya-gaya alamiah. Dia mengajukan dan menyelidiki konsep kutub magnet tunggal
(magnetic monopole), sebuah obyek yang masih belum dapat dibuktikan
keber-adaannya, sebagai cara untuk memasukkan simetri yang lebih besar ke dalam
persamaan medan elektromagnetik Maxwell.
Paul Dirac melakukan kuantisasi medan
gravitasi dan membangun teori medan kuantum umum dengan konstrain dinamis, yang
memberikan landasan bagi terbentuknya Teori Gauge dan Teori Superstring,
sebagai kandidat Teory Of Everything, yang berkembang sekarang. Teori-teorinya
masih berpengaruh dan penting dalam perkembangan fisika hingga saat ini, dan
persamaan dan konsep yang dikemukakannya menjadi bahan diskusi di kuliah-kuliah
fisika teori di seluruh dunia.
Langkah awal menuju teori kuantum baru
dimulai oleh Dirac pada akhir September 1925. Saat itu, R H Fowler, pembimbing
risetnya, menerima salinan makalah dari Werner Heisenberg berisi penjelasan dan
pembuktian teori kuantum lama Bohr dan Sommerfeld, yang masih mengacu pada
prinsip korespondensi Bohr tetapi berubah persamaannya sehingga teori ini
mencakup secara langsung kuantitas observabel. Fowler mengirimkan makalah
Heisenberg kepada Dirac yang sedang berlibur di Bristol dan menyuruhnya untuk
mempelajari makalah itu secara teliti. Perhatian Dirac langsung tertuju pada
hubungan matematis yang aneh, pada saat itu, yang dikemukakan oleh seorang
seperti Werner Karl Heisenberg.
Beberapa pekan kemudian setelah kembali
ke Cambridge, Dirac tersadar bahwa bentuk matematika tersebut mempunyai bentuk
yang sama dengan kurung poisson (poisson Bracket) yang terdapat dalam fisika
klasik dalam pembahasan tentang dinamika klasik dari gerak partikel. Didasarkan
pada pemikiran ini dengan cepat dia merumuskan ulang teori kuantum yang
didasarkan pada variabel dinamis non-komut (non-comuting dinamical variables).
Cara ini membawanya kepada formulasi mekanika kuantum yang lebih umum
dibandingkan dengan yang telah dirumuskan oleh fisikawan yang lain. Pekerjaan
ini merupakan pencapaian terbaik yang dilakukan oleh Dirac yang menempatkannya
lebih tinggi dari fisikawan lain yang pada saat itu sama sama mengembangkan
teori kuantum.
Sebagai fisikawan muda yang baru
berusia 25 tahun, dia cepat diterima oleh komunitas fisikawan teoritis pada
masa itu. Dia diundang untuk berbicara di konferensi-konferensi yang
diselenggarakan oleh komunitas fisika teori, termasuk kongres Solvay pada tahun
1927 dan tergabung sebagai anggota dengan hak-hak yang sama dengan anggota yang
lain yang terdiri dari para pakar fisika ternama dari seluruh dunia.
Formulasi umum tentang teori kuantum
yang dikembangkan oleh Dirac memungkinkannya untuk melangkah lebih jauh. Dengan
formulasi ini, dia mampu mengembangkan teori transformasi yang dapat
menghubungkan berbagai formulasi-formulasi yang berbeda dari teori kuantum.
Teori tranformasi menunjukkan bahwa semua formulasi tersebut pada dasarnya
memiliki konsekuensi fisis yang sama, baik dalam persamaan mekanika gelombang
Schrodinger maupun mekanika matriknya Heisenberg. Ini merupakan pencapaian yang
gemilang yang membawa pada pemahaman dan kegunaan yang lebih luas dari mekanika
kuantum.
Teori tranformasi ini merupakan puncak
dari pengembangan mekanika kuantum oleh Dirac karena teori ini menyatukan
berbagai versi dari mekanika kuantum, yang juga memberikan jalan bagi
pengembangan mekanika kuantum selanjutnya. Di kemudian hari rumusan teori
transformasi ini menjadi miliknya sebagaimana tidak ada versi mekanika kuantum
yang tidak menyertainya. Bersama dengan teori transformasi, mekanika kuantum
versi Dirac disajikan dalam bentuk yang sederhana dan indah, dengan struktur
yang menunjukkan kepraktisan dan konsep yang elegan, dan berkaitan erat dengan
teori klasik.
Karir cemerlang Dirac sesungguhnya
telah tampak ketika dia masih berada di tingkat sarjana. Pada saat itu Dirac
telah menyadari pentingnya teori relatifitas khusus dalam fisika, suatu teori
yang menjadikan Einstein terkenal pada tahun 1905, yang dipelajari Dirac dari
kuliah yang dibawakan oleh C D Broad, seorang profesor filsafat di Universitas
Bristol. Sebagian besar makalah yang dibuat Dirac sebagai mahasiswa paska
sarjana ditujukan untuk menyajikan bentuk baru dari rumusan yang sudah ada
dalam literatur menjadi rumusan yang sesuai (kompatibel) dengan relatifitas khusus.
Pada tahun 1927 Dirac berhasil
mengembangkan teori elektron yang memenuhi kondisi yang disyaratkan oleh teori
relatifitas khusus dan mempublikasikan persamaan relativistik yang invarian
untuk elektron pada awal tahun 1928. Sebagian fisikawan lain sebenarnya
memiliki pemikiran yang sama dengan apa yang dilakukan oleh Dirac, meskipun
demikian belum ada yang mampu menemukan persamaan yang memenuhi seperti apa
yang telah dicapai oleh Dirac. Dia memiliki argumen yang sederhana dan elegan
yang didasarkan pada tujuan bahwa teori tranformasinya dapat berlaku juga dalam
mekanika kuantum relativistik sebuah argumen yang menspesifikasikan bentuk umum
dari yang harus dimiliki oleh persamaan relativistik ini, sebuah argumen yang
menjadi bagian yang belum terpecahkan bagi semua fisikawan.
Dirac menunjukkan kemudian bahwa
persamaannya ini mengandung implikasi yang tidak diharapkan bagi suatu
partikel. Persamaannya memperkirakan adanya antipartikel, seperti positron dan
antiproton yang bermuatan negatif, yaitu suatu obyek yang saat ini sudah sangat
dikenal di laboratorium fisika energi tinggi. Menurut teorinya, semua partikel
memiliki antipartikel yang tertentu yang terkait dengannya
Model
atom mekanika kuantum dikembangkan oleh Erwin Schrodinger (1926).Sebelum Erwin
Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg mengembangkan teori
mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian yaitu “Tidak
mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara seksama pada
saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron
pada jarak tertentu dari inti atom”..
Daerah
ruang sekitar inti atom dengan keboleh jadian untuk mendapatkan electron
disebut orbital. Bentuk dan tingkat energy orbital dirimuskan oleh Erwin
Schodinger. Erwin Schodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan
fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya electron
dalam tiga dimensi.
Persamaan
Schodinger :
X,y
dan z = posisi dalam tiga dimensi
Y
dan z = fungsi gelombang
m
= massa
ђ = h/2p dimana h = konstanta
plank dan P = 3,14
E = energy total
V = energy potensial
Model
atom orbital lintasan electron ini disebut model atom modern atau model atom
mekanika kuantum yang berlaku sampai saat ini, awan elektron disekitar inti
menunjukan tempat kebolehjadian electron. Orbital menggambarkan tinggkat energy
electron. Orbital – orbital dengat tingkat energy yang sama atau hampir sama
akan membentuk sub kulit. Beberapa sub kulit bergambung membentuk kulit.
Dengan
demikian kulit terdiri dari beberapa sub kulit dan sub kulit terdiri dari
beberapa orbital. Walaupun posisi kulitnya sama tetapi orbitalnya belum tentu
sama.
Ciri
khas model atom mekanika kuantum adalah
- Gerakan elektron memiliki sifat gelombang, sehingga lintasannya (orbitnya) tidak stasioner seperti model Bohr, tetapi mengikuti penyelesaian kuadrat fungsi gelombang yang disebut orbital (bentuk tiga dimensi darikebolehjadian paling besar ditemukannya elektron dengan keadaan tertentu dalam suatu atom)
2. Bentuk dan ukuran orbital bergantung
pada harga dari ketiga bilangan kuantumnya. (Elektron yang menempati orbital
dinyatakan dalam bilangan kuantum tersebut)
- Posisi elektron sejauh 0,529 Amstrong dari inti H menurut Bohr bukannya sesuatu yang pasti, tetapi bolehjadi merupakan peluang terbesar ditemukannya elektron.
Model atom mekanika kuantum didasarkan
atas :
1. Electron
bersifat gelombang dan partikel, oleh Louis de Broglie pada tahun 1923.
2. Persamaan
gelombang dalam atom, oleh Erwin Schrodinger pada tahun 1926.
3. Asas
ketidakpastian oleh Werner Heisenberg pada tahun 1927.
Menurut teori mekanika kuantum,
electron tidak bergerak pada lintasan tertentu. Berdasarkan model atom
tersebut, maka model atom mekanika kuantum adalah sebagai berikut :
Ø Atom
terdiri atas inti atom yang mengandung proton dan neutron. Dan electron –
electron yang mengelilingi inti atom berada pada orbital – orbital tertentu
yang membentuk kulit atom. Hal ini disebut konsep orbital.
A.
Bilangan Kuantum
Kegagalan
teori atom Bohr dalam menerangkan spektra atom hidrogen dalam medan magnet dan
medan listrik, mendorong Erwin Schrodinger mengembangkan teori atom yang
didasarkan pada prinsip-prinsip mekanika kuantum. Teori atom mekanika
kuantum mirip dengan yang diajukan oleh model atom Bohr, yaitu atom memiliki
inti bermuatan positif dikelilingi oleh elektron-elektron bermuatan negatif.
Perbedaannya terletak pada posisi elektron dalam mengelilingi inti atom.
Menurut
Bohr, keberadaan elektron-elektron dalam mengelilingi inti
atom berada dalam orbit dengan jarak tertentu dari
inti atom, yang disebut jari-jari atom (perhatikan Gambar 1.4). Menurut teori
atom mekanika kuantum, posisi elektron dalam mengelilingi inti atom tidak dapat
diketahui secara pasti sesuai prinsip ketidakpastian Heisenberg. Oleh karena
itu, kebolehjadian (peluang) terbesar ditemukannya elektron berada pada orbit
atom tersebut. Dengan kata lain, orbital adalah daerah kebolehjadian terbesar
ditemukannya elektron dalam atom.
Menurut
model atom mekanika kuantum, gerakan elektron dalam mengelilingi inti atom
memiliki sifat dualisme sebagaimana diajukan oleh de Broglie. Oleh karena
gerakan elektron dalam mengelilingi inti memiliki sifat seperti gelombang maka
persamaan gerak elektron dalam mengelilingi inti harus terkait dengan fungsi
gelombang. Dengan kata lain, energi gerak (kinetik) elektron harus diungkapkan
dalam bentuk persamaan fungsi gelombang.
Persamaan
yang menyatakan gerakan elektron dalam mengelilingi inti atom dihubungkan
dengan sifat dualisme materi yang diungkapkan dalam bentuk koordinat Cartesius.
Persamaan ini dikenal sebagai
persamaan Schrodinger.
Dari
persamaan Schrodinger ini dihasilkan tiga bilangan kuantum,
yaitu bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum
azimut(l), dan bilangan kuantum magnetik(m). Ketiga bilangan kuantum ini
merupakan bilangan bulat sederhana yang menunjukkan peluang adanya elektron di
sekeliling inti atom. Penyelesaian persamaan Schrodinger menghasilkan tiga
bilangan kuantum. Orbital diturunkan dari persamaan Schrodinger sehingga
terdapat hubungan antara orbital dan ketiga bilangan kuantum tersebut.
a.
Bilangan Kuantum Utama (n)
Bilangan
kuantum utama (n) memiliki nilai n = 1, 2, 3, ..., n. Bilangan kuantum ini
menyatakan tingkat energi utama elektron dan sebagai ukuran kebolehjadian
ditemukannya elektron dari inti atom. Jadi, bilangan kuantum utama serupa
dengan tingkat-tingkat energi elektron atau orbit menurut teori atom Bohr.
Bilangan kuantum utama merupakan fungsi jarak yang dihitung dari inti atom
(sebagai titik nol). Jadi, semakin besar nilai n, semakin jauh jaraknya dari
inti.
Oleh
karena peluang menemukan elektron dinyatakan dengan orbital maka dapat
dikatakan bahwa orbital berada dalam tingkat-tingkat energi sesuai dengan
bilangan kuantum utama (n). Pada setiap tingkat energi terdapat satu atau lebih
bentuk orbital. Semua bentuk orbital ini membentuk kulit (shell). Kulit adalah
kumpulan bentuk orbital dalam bilangan kuantum utama yang sama.
Kulit-kulit ini diberi lambang mulai dari K, L, M,
N, ..., dan seterusnya. Hubungan bilangan kuantum utama dengan lambang kulit
sebagai berikut :
b.
Bilangan Kuantum Azimuth (l)
Bilangan
kuantum azimut disebut juga bilangan kuantum momentum sudut, dilambangkan
dengan l (huruf el kecil). Bilangan kuantum azimut menentukan bentuk orbital.
Nilai bilangan kuantum azimut adalah l = n–1. Oleh karena nilai n merupakan
bilangan bulat dan terkecil sama dengan satu maka harga l juga merupakan deret bilangan
bulat 0, 1, 2, …, (n–1). Jadi, untuk n=1 hanya ada satu harga bilangan kuantum
azimut, yaitu 0. Berarti, pada kulit K (n=1) hanya terdapat satu bentuk
orbital. Untuk n=2 ada dua harga bilangan kuantum azimut, yaitu 0 dan 1.
Artinya, pada kulit L (n=2) terdapat dua bentuk orbital, yaitu orbital yang
memiliki nilai l =0 dan orbital yang memiliki nilai l=1.
N
|
Kulit
|
Bil. Kuantum Azimuth (l)
|
|
1
|
K
|
0 (s)
|
|
2
|
L
|
0 (s), 1 (p)
|
|
3
|
M
|
0 (s), 1(p), 2(d)
|
|
4
|
N
|
0 (s), 1(p), 2(d), 3(f)
|
Hubungan subkulit dengan lambangnya adalah sebagai
berikut :
Bil.
Kuantum Azimuth (l)
|
0
|
1
|
2
|
3
|
...
|
Lambang Subkulit
|
s
|
P
|
D
|
f
|
...
|
c.
Bilangan Kuantum Magnetik (m)
Bilangan
kuantum magnetik menyatakan orbital tempat ditemukannya elektron pada subkulit tertentu
dan arah momentum sudut elektron terhadap inti. Sehingga nilai bilangan kuantum
magnetik berhubungan dengan bilangan kuantum azimut dan bernilai dari - l
hingga + l (l = nilai bilangan kuantum azimutnya).
Misalnya
subkulit s mempunyai nilai l = 0 maka bilangan kuantum magnetiknya (m) = 0.
Angka nol ini melambangkan satu-satunya orbital yang ada pada subkulit s. Sub
kulit p mempunyai nilai l = 1 maka bilangan kuantum magnetiknya = - 1, 0, +1.
Angka-angka tersebut melambangkan 3 orbital yang ada pada subkulit p. Subkulit
d mempunyai nilai l = 2 maka bilangan kuantum magnetiknya = - 2, - 1, 0, + 1, +
2. Angka-angka tersebut melambangkan 5 orbital yang ada pada subkulit d dan
demikian seterusnya.
d.
Bilangan Kuantum Spin (s)
Menunjukkan
arah perputaran elektron pada sumbunya. Dalam satu orbital, maksimum
dapat beredar 2 elektron dan kedua elektron ini berputar melalui sumbu dengan
arah yang berlawanan, dan masing-masing diberi harga spin +1/2 atau -1/2.
Ket :
(s = sharp)
(p = principle)
(d = diffuse)
(f = fundamental)
(d = diffuse)
(f = fundamental)
B. Konfigurasi electron berdasarkan konsep
bilangan kuantum
Konfigurasi
elektron menggambarkan penataan/susunan elektron dalam atom.
Dalam menentukan konfigurasi elektron suatu atom, ada 3 aturan yang harus
dipakai, yaitu : Aturan Aufbau, Aturan Pauli, dan Aturan Hund.
1. Aturan
Aufbau
Pengisian
orbital dimulai dari tingkat energi yang rendah ke tingkat energi yang tinggi.
Elektron mempunyai kecenderungan akan menempati dulu subkulit yang energinya
rendah. Besarnya tingkat energi dari suatu subkulit dapat diketahui dari
bilangan kuantum utama (n) dan bilangan kuantum azimuth ( l ) dari orbital
tersebut. Orbital dengan harga (n + l) lebih besar, mempunyai tingkat energi
yang lebih besar. Jika harga (n + l) sama, maka orbital yang harga n-nya lebih
besar mempunyai tingkat energi yang lebih besar. Urutan energi dari yang paling
rendah ke yang paling tinggi sebagaimana digaram yang dibuat oleh Mnemonik
Moeler adalah sebagai berikut:
1s
< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p
< 6s < 4f < 5d ….
2. Aturan Pauli (Eksklusi Pauli)
Aturan ini dikemukakan oleh Wolfgang
Pauli pada tahun 1926. Yang menyatakan “Tidak boleh terdapat dua
elektron dalam satu atom dengan empat bilangan kuantum yang sama”.
Orbital yang sama akan mempunyai bilangan kuantum n, l, m, yang sama tetapi
yang membedakan hanya bilangan kuantum spin (s). Dengan demikian, setiap
orbital hanya dapat berisi 2 elektron dengan spin (arah putar) yang berlawanan.
Jadi, satu orbital dapat ditempati maksimum oleh dua elektron, karena jika
elektron ketiga dimasukkan maka akan memiliki spin yang sama dengan salah satu
elektron sebelumnya.
Contoh :
Pada
orbital 1s, akan ditempati oleh 2 elektron, yaitu :
Elektron
Pertama à n=1, l=0, m=0, s= +½
Elektron
Kedua à n=1, l=0, m=0, s= – ½
(Hal
ini membuktikan bahwa walaupun kedua elektron mempunyai n,l dan m yang sama
tetapi mempunyai spin yang berbeda)
3.
Aturan Hund
Aturan ini dikemukakan oleh Friedrick
Hund Tahun 1930. yang menyatakan “elektron-elektron dalam
orbital-orbital suatu subkulit cenderung untuk tidak berpasangan”.
Elektron-elektron baru berpasangan
apabila pada subkulit itu sudah tidak ada lagi orbital kosong.Untuk menyatakan
distribusi elektron-elektron pada orbital-orbital dalam suatu subkulit,
konfigurasi elektron dituliskan dalam bentuk diagram orbital.
Suatu orbital digambarkan dalam bentuk
kotak, sedangkan elektron yang menghuni orbital digambarkan dengan dua anak
panah yang berlawanan arah. Jika orn=bital hanya mengandung satu elektron, maka
anak panah yang ditulis mengarah ke atas.
Dalam menerapkan aturan hund, maka kita
harus menuliskan arah panah ke atas terlebih dahulu pada semua kotak, baru
kemudian diikuti dengan arah panah ke bawah jika masihterdapat elektron sisanya
Konfigurasi elektron menyatakan sebaran
elektron dalam atom. Nomor atom menunjukkan jumlah elektron.
Hal ini membuktikan bahwa terdapat hubungan antara sifat-sifat unsur dengan
konfigurasi elektron, katena tabel Sistem Periodik Unsur (SPU) disusun
berdasarkan kenaikan nomor atom unsur. Pada SPU dikenal istilah Golongan (kolom
vertikal) dan Periode (baris horizontal)
A.
Hubungan Konfigurasi
Elektron dengan Letak Unsur pada Tabel Periodik
Nomor kulit dan
jumlah elektron yang ada pada subkulit menunjukkan letak
unsur pada tabel periodik.
Jadi ada hubungan antara konfigurasi elektron dengan
letak unsur pada
tabel periodic.
1. Hubungan
Konfigurasi Elektron dengan Letak Unsur pada Tabel Periodik
Nomor golongan dan nomor periode dapat ditentukan
dari konfigurasi
elektron.
a. Nomor golongan
ditentukan dari jumlah elektron pada kulit terluar.
SPU dibagi atas 8 golongan. Setiap
golongan dibagi atas Golongan Utama (A) dan Golongan Transisi (B). Penomoran
golongan dilakukan berdasarkan elektron valensi yang dimiliki oleh suatu unsur.
Setiap Unsur yang memiliki elektron valensi sama akan menempati golongan yang
sama pula
Berdasarkan letak elektron terakhir
pada orbitalnya, dalam konfigurasi elektron, unsur-unsur dalam SPU dibagi
menjadi 4 blok, yaitu blok s, blok p, blok d, dan blok f.
a.
Jika konfigurasi elektron berakhir di
blok s atau p maka pasti menempati golongan A
b.
Jika konfigurasi elektron berakhir di
blok d maka pasti menempati golongan B
c.
Jika konfigurasi elektron berakhir di
blok f maka pasti menempati golongan B (Lantanida, n=6 dan Aktinida, n=7
(gol.radioatif))
Selain itu untuk menentukan nomor
golongan, ditentukan dengan mengetahui jumlah elektron valensi pada konfigurasi
terakhir.
Contoh :
11Na = 1s2
2s2 2p6 3s1
Dapat diketahui bahwa elektron terakhir pada n=3 mempunyai
elektron valensi 1, berarti golongan I serta berakhir di subkulit s, berarti
Golongan A, jadi kalau digabungkan menjadi Golongan IA
b. Nomor periode ditentukan dari nomor kulit
terbesar.
SPU terdiri atas 7 periode. Periode
disusun berdasarkan kenaikan nomor atom. Unsur-unsur yang mempunyai jumlah
kulit sama akan menempati baris yang sama. Dengan demikian jumlah kulit sama
dengan periode, sehingga periode 1 memiliki n-1, periode 2 memiliki n=2, dst.
Contoh :
11Na = 1s2
2s2 2p6 3s1
Dapat diketahui bahwa elektron terakhir
berada pada n=3 yang berarti unsur tersebut masuk dalam Periode 3
1.
Hubungan Konfigurasi Elektron dengan Letak Unsur pada
Tabel Periodik untuk
Golongan Transisi
Nomor golongan unsur transisi ditentukan dari jumlah
elektron 3d dengan 4s. Untuk golongan IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, dan VIIIB,
nomor golongan diambil dari jumlah elektron pada subkulit 3d dan 4s. Golongan IB
dan IIB diambil dari jumlah elektron pada subkulit 4s. Nomor periode tetap diambil
dari nomor kulit (bilangan kuantum utama) terbesar. Pada unsur transisi ada tiga
kolom yang diberi nomor golongan yang sama yaitu golongan VIIIB.
2.
Unsur-unsur Transisi (Peralihan)
Unsur-unsur transisi adalah unsur-unsur yang pengisian
elektronnya berakhir pada subkulit d. Aturan penomoran golongan
unsur transisi adalah:
a. Nomor golongan sama
dengan jumlah elektron pada subkulit s
di-
tambah d.
b. Nomor golongan dibubuhi huruf B.
CATATAN :
1. Jika s + d = 9, golongan VIIIB.
2. Jika s + d = 10, golongan VIIIB.
3. Jika s + d = 11, golongan IB.
4. Jika s + d = 12, golongan IIB.
|
3.
Unsur-unsur Transisi-Dalam
Unsur-unsur transisi–dalam adalah unsur-unsur yang pengisian
elektronnya berakhir
pada subkulit f. Unsur-unsur
transisi-dalam hanya dijumpai pada periode keenam dan ketujuh dalam sistem
periodik, dan ditempatkan secara terpisah di bagian bawah.
referensi :
Anonim.2014.Teori Kuantum [serial online]. http://www.forumsains.com. Di akses pada 31 agustus 2014.
Bahtiar, A. 2014. Fisika Modern, Definisi, Konsep dan Aplikasinya [serial online]. http://pustaka.unpad.ac.id. Di akses pada 31 agustus 2014.
Haliday, D., & Resnick, R. 1984.Fisika Moderen. Jakarta: Erlangga.
Liong, T.H. 1992. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar