SPEKTRUM ATOM HIDROGEN

A.      Teori Atom Bohr

Model atom Bohr dikemukakan oleh Niels Bohr yang berusaha menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen yang tidak dapat dijelaskan oleh model atom Rutherford. Model atom Bohr memuat tiga postulat sebagai berikut.

1. Di dalam atom hidrogen, elektron hanya dapat mengelilingi lintasan tertentu tertentu yang diijinkan tanpa membebaskan (melepaskan) energi. Lintasan ini disebut lintasan stasioner dan memiliki energi tertentu yang sesuai.
2. Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan yang lain. Energi dalam bentuk foton cahaya akan dilepaskan jika elektron berpindah ke lintasan yang lebih dalam, sedangkan Energi dalam bentuk foton cahaya akan diserapkan supaya elektron berpindah ke lintasan yang lebih luar. Energi dilepas atau diserap dalam paket sebesar hf sesuai dengan persamaan Planck.

E = hf

Dimana h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi cahaya atau foton yang dilepas atau diserap.

3. lintasan-lintasan stasioner yang diijinkan untuk ditempati elektron memiliki momentum sudut yang merupakan kelipatan bulat dari nilai

(nilai ini biasa ditulis juga sebagai ћ)

                                                        

Teori Rutherford selanjutnya diperbaiki oleh Niels Bohr, Pendekatan yang dilakukan Bohr adalah sifat dualisme yang dapat bersifat sebagai partikel dan dapat bersifat sebagai gelombang. Hal ini dibuktikan oleh Bohr dengan melihat spektrum dari atom hidrogen yang dipanaskan. Spektrum yang dihasilkan sangat spesifik hanya cahaya dari frekuensi tertentu. Spektrum yang dihasilkan merupakan gambaran bahwa elektron mengelilingi inti, beberapa spektrum yang dihasilkan mengindikasikan bahwa elektron mengelilingi inti dalam berbagai tingkat energi.

Hasil ini telah mengantarkan Bohr untuk mengembangkan model atom     yang dinyatakan bahwa :

1. Atom tersusun atas inti bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif.
2. Elektron mengelilingi inti atom pada orbit tertentu dan stasioner (tetap), dengan tingkat energi tertentu.
3. Eelektron pada orbit tertentu dapat berpindah lebih tinggi dengan menyerap energi. Sebaliknya, elektron dapat berpindah dari orbit yang lebih tinggi ke yang rendah dengan melepaskan energi.
4. Pada keadaan normal (tanpa pengaruh luar), elektron menempati tingkat energi terendah (disebut tingkat dasar = ground state).

Teori atom yang diajukan oleh Bohr, hanya dapat menjelaskan hubungan antara energi dengan elektron untuk atom hidrogen, namun belum memuaskan untuk atom yang lebih besar.

B.      Spektrum Pancar

Sejak abad ke-17, ketika Newton menunjukkan bahwa cahaya matahari terdiri atas berbagai komponen warna yang dapat digabungkan kembali menjadi sinar putih, para ilmuwan telah mempelajari sifat spektrum pancar (emission spectra), yang dapat berupa spektrum kontinu maupun spektrum garis dari radiasi yang dipancarkan oleh zat. Spektrum pancar zat dapat dihasilkan dengan cara memberikan energi pada sampel materi baik dengan energi termal maupun dengan bentuk energi lainnya (misalnya loncatan listrik tegangan tinggi bila zatnya berupa gas). Sifat umum spektrum pancar dari matahari dan dari padatan yang dipanaskan adalah bersifat kontinue; yakni, semua rentang panjang gelombang cahaya ada dalam spektrum tersebut.

Disisi lain, spektrum pancar atom dalam fasa gas, tidak menunjukkan spektrum panjang gelombang kontinu yang merentang dari merah sampai violet; namun, atom-atom hanya memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang khas. Spektrum semacam ini disebut spektrum garis sebab radiasinya dicirikan dengan penampakan garis-garis terang dalam spektrumnya.

Setiap unsur mempunyai spektrum pancar yang unik. Garis-garis khas dalam spektrum atom dapat digunakan dalam analisis kimia untuk mengidentifikasi seseorang. Bila garis-garis spektrum pancar dari unsur yang diketahui, maka identitas sampel dengan cepat ditentukan. Walaupun manfaat prosedur ini telah diketahui sejak lama, asal-usul garis-garis ini belum diketahui sampai awal tahun 1990-an.

C.      Spektrum Pancar Atom Hidrogen

Pada tahun 1913, tidak lama setelah penemuan Planck dan Einstein, fisikawan Denmark Neils Bohr memberikan penjelasan teoretis untuk spektrum pancar atom hidrogen. Cara penyelesaian Bohr sangat rumit dan tidak dianggap benar dalam semua aspek detailnya. Jadi kita hanya berkonsenterasi pada asumsi-asumsi yang penting dan hasil akhirnya saja, yamg dapat menjelaskan garis-garis spektrum. Dalam atom hidrogen, dipercaya bahwa gaya tarik elektrostatik antara proton (diibaratkan matahari) yang positif dan elektron (diibaratkan planet) yang negatif menarik elektron ke dalam dan gaya ini diimbangi secara tepat oleh percepatan yang disebabkan oleh gerak melingkar elektronnya.

Model atom Bohr menyertakan gagasan tentang gerakan elektron dalam orbit melingkar, namun ia memasukkan syarat yang ketat. Tiap elektron dalam atom hidrogen hanya dapat menempati orbit tertentu. Karena tiap orbit memiliki energi tertentu, energi yang berkaitan dengan gerakan elektron pada orbit yang diizinkan harus mempunyai nilai yang konstan, atau terkuantitas.

Pancaran radiasi dari atom berenergi, dapat dihubungkan dengan jatuhnya elektron dari orbit berenergi tinggi ke orbit yang berenergi rendah, dan memberikan satu kuantum energi (foton) dalam bentuk cahaya. Dengan menggunakan argumen yang didasarkan interaksi elektrostatik dan hukum Newton tentang gerak, Bohr menunjukkan bahwa elektron dalam aom hidrogen dapat memiliki energi yang diperoleh dari rumus

            Keterangan : RH = 2,18 x 10^-18 Joule

      Model atom Bohr berhasil menjelaskan kestabilan elektron dengan memasukkan konsep lintasan atau orbit stasioner dimana elektron dapat berada di dalam lintasannya tanpa membebaskan energi. Spektrum garis atomik juga merupakan efek lain dari model atom Bohr. Spektrum garis adalah hasil mekanisme elektron di dalam atom yang dapat berpindah lintasan dengan menyerap atau melepas energi dalam bentuk foton cahaya.

Dengan demikian, struktur atom berdasarkan model atom Bohr adalah elektron dapat berada di dalam lintasan-lintasan stasioner dengan energi tertentu. Lintasan elektron dapat juga dianggap sebagai tingkat energi elektron.

Elektron yang berada di lintasan tertentu yang stasioner dengan jari-jari tertentu dikatakan memiliki energi tertentu. Elektron yang berada di lintasan ke-n berada pada jari-jari lintasan dan energi sebagai berikut.

Dalam persamaan ini, energi E dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV). Teori atom Bohr dapat menjelaskan terjadinya spektrum emisi dan absorbsi dari atom hidrogen, karena adanya transisi elektron dari satu orbit ke orbit yang lain. Untuk atom hidrogen elektron paling stabil bila berada pada n = 1 (pada keadaan dasar)  dan jika n > 1, akan kurang stabil, disebut keadaan tereksitasi, bila elektron kembali ke keadaan dasar akan dipancarkan energi.

Saat proses pemancaran, elektron berpindah ke keadaan yang berenergi lebih rendah yang ditandai dengan bilangan kuantum utama n_f (subskrip i dan f masing-masing menyatakan keadaan awal dan keadaan akhir). Keadaan dengan energi lebih rendah ini dapat berupa keadaan tereksitasi lain maupun keadaan dasar. Selisih antara energi awal dan energi akhir adalah :

△E = E_f  - E_i

            Dan

Jadi,

        

Karena transisi ini menghasilkan pemancaran foton berfrekuensi v dan berenergi hv , maka dapat ditulis :

△E = hv 

Berdasarkan teori atom Bohr adanya deret spektrum atom hidrogen dapat digambarkan sebagai berikut :

Jika sebuah gas diletakkan di dalam tabung kemudian arus listrik dialirkan ke dalam tabung, gas akan memancarkan cahaya. Cahaya yang dipancarkan oleh setiap gas berbeda-beda dan merupakan karakteristik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalam bentuk spektrum garis dan bukan spektrum yang kontinu.

Kenyataan bahwa gas memancarkan cahaya dalam bentuk spektrum garis diyakini berkaitan erat dengan struktur atom. Dengan demikian, spektrum garis atomik dapat digunakan untuk menguji kebenaran dari sebuah model atom.

Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya dengan panjang gelombang berbeda. Untuk gas hidrogen yang merupakan atom yang paling sederhana, deret panjang gelombang ini ternyata mempunyai pola tertentu yang dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan matematis. Seorang guru matematika Swiss bernama Balmer menyatakan deret untuk gas hidrogen sebagai persamaan berikut ini. selanjutnya, deret ini disebut deret Balmer.

Dimana panjang gelombang dinyatakan dalam satuan nanometer (nm).

Beberapa orang yang lain kemudian menemukan deret-deret yang lain selain deret Balmer sehingga dikenal adanya deret Lyman, deret Paschen, Bracket, dan Pfund. Pola deret-deret ini ternyata serupa dan dapat dirangkum dalam satu persamaan. Persamaan ini disebut deret spektrum hidrogen.

Dimana R adalah konstanta Rydberg yang nilainya 1,097 × 10⁷ m⁻¹.

- Deret Lyman (m = 1)

dengan n = 2, 3, 4, ….

- Deret Balmer (m = 2)

dengan n = 3, 4, 5 ….

- Deret Paschen (m = 3)

                                                                

dengan n = 4, 5, 6 ….

- Deret Bracket (m = 4)

                                                                            

dengan n = 5, 6, 7, ….

- Deret Pfund (m = 5)

                                                                        

dengan n = 6, 7, 8 ….

Dalam model atom Rutherford, elektron berputar mengelilingi inti atom dalam lintasan atau orbit. Elektron yang berputar dalam lintasan seolah-olah bergerak melingkar sehingga mengalami percepatan dalam geraknya. Menurut teori elektromagnetik, elektron yang mengalami percepatan akan memancarkan gelombang elektromagnetik secara kontinu. Ini berarti elektron lama kelamaan akan kehabisan energi dan jatuh ke dalam tarikan inti atom. Ini berarti elektron tidak stabil. Di pihak lain elektron memancarkan energi secara kontinu dalam spektrum kontinu. Ini bertentangan dengan kenyataan bahwa atom memancarkan spektrum garis.

Ketidakstabilan elektron dan spektrum kontinu sebagai konsekuensi dari model atom Rutherford tidak sesuai dengan fakta bahwa atom haruslah stabil dan memancarkan spektrum garis. Diperlukan penjelasan lain yang dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen.