Teori atom Rutherford walaupun lebih baik dari model atom Thomson karena ditunjang oleh hasil eksperimen, tidak dapat menjelaskan spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom hidrogen.
Sebuah elektron akan tetap di salah satu orbitnya, apabila tidak ada energi yang diradiasikan. Apabila diberi radiasi elektron akan berpindah ke lintasan yang lain. Berpindahnya elektron dari lintasan tertentu ke lintasan yang lain menghasilkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang tertentu yang harganya berada di antara daerah infra merah dan ultra violet. Gelombang ini menghasilkan garis-garis spektrum yang mengumpul dalam suatu deret spektrum.
Seperti kita ketahui jika pada sebuah prisma dipancarkan seberkas cahaya maka akan didispersikan menjadi suatu spektrum. Apabila sumber cahayanya zat padat atau zat cair yang berpijar, spektrum yang dihasilkan adalah kontinu, artinya cahaya dengan semua panjang gelombang muncul dalam spektrum tersebut. Apabila sumber cahayanya berupa gas yang berpijar, spektrumnya mempunyai sifat yang berbeda dan menjadi beberapa warna saja dalam bentuk garis-garis paralel yang terisolasi satu sama lain. Spektrum jenis ini disebut spektrum garis emisi. Panjang gelombang garis-garis ini ditentukan oleh elemen yang mengemisikan cahaya tersebut. Hidrogen memberikan himpunan garis-garis tertentu pada posisi yang sama, helium menghasilkan himpunan yang lain, air raksa menghasilkan himpunan yang lain lagi dan seterusnya. Spektrum garis emisi hidrogen, helium, dan air raksa ditunjukkan pada Gambar 1.8.
Pada mulanya sangat sulit menentukan sifat atau rumus yang dapat menggambarkan frekuensi pada sebuah grup cahaya yang timbul pada spektrum garis tersebut. Pada akhir abad XIX dalam suatu eksperimen ditemukan bahwa panjang gelombang dalam setiap deret spektrum dapat dispesifikasikan dengan rumus empiris yang sederhana dan dapat menjelaskan frekuensi gelombang yang dipancarkan oleh hidrogen. Deret spektrum ini pertama kali ditemukan oleh J.J. Balmer [1885] ketika ia mempelajari bagian tampak dari spektrum hidrogen. Spektrum ini terlihat pada daerah cahaya tampak yang dapat dengan jelas teramati. Dari pengamatan ternyata garis-garis menjadi makin rapat dan akhirnya terkumpul bersama-sama pada batas deretan garis-garis tersebut, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.9.
Rumus Balmer untuk panjang gelombang dalam deret tersebut adalah
Garis spektrum yang terjadi pada deret Balmer dengan panjang gelombang terbesar 656,3 nm [disebut H] berwarna merah dan secara berturut-turut di sebelahnya dengan panjang gelombang 486,3 nm [disebut H] berwarna biru. Panjang gelombang 434,1 nm [disebut H] berwarna ungu, dan panjang gelombang 364,6 nm [disebut H berwarna ultra ungu. Ketika panjang gelombangnya bertambah kecil, garis yang didapatkan bertambah berdekatan dan intensitasnya lebih lemah. Di luar batas itu tidak terdapat lagi garis yang terpisah, hanya terdapat spektrum kontinu yang lemah.
Garis H bersesuaian dengan n = 3, garis H dengan n = 4, garis H dengan n = 5 dan seterusnya. Batas deret bersesuaian dengan n = ~ sehingga pada saat itu panjang gelombangnya adalah 4/R sesuai dengan hasil eksperimen.
Di sini jelas bahwa frekuensi-frekuensi yang timbul pada deret Balmer ini disebabkan oleh adanya perpindahan letak elektron dari lapisan kulit yang ke 3, 4, 5 …. dan seterusnya ke lapisan kulit yang ke-2 pada susunan atom
Hidrogen. Hal ini berarti bahwa bila sebuah elektron pada kulit ke-3 atom Hidrogen pindah ke kulit ke-2 maka akan terpancar foton dengan panjang gelombang H yaitu 656,3 nm [cahaya merah]. Deret Balmer hanya berisi panjang gelombang pada bagian tampak dari spektrum hidrogen. Garis spektrum hidrogen dalam daerah ultra ungu dari infra merah jatuh pada beberapa deret lain.
Deret Lyman mempunyai spektrum ultra ungu hasil loncatan elektron dari orbit n>1 ke orbit n=1, dengan panjang gelombang:
Berdasarkan Gambar 1.10 tersebut bahwa deret Brackett bertumpang tindih dengan deret Paschen dan Pfund, berada pada daerah infra merah. Keteraturan yang terjadi dalam struktur atom hidrogen dan atom yang lebih kompleks, membuka peluang pengujian teori struktur atom yang kemudian dikembangkan oleh Niels Bohr.
Ingin mempelajari Atom Hidrogen secara lebih mendalam? Kamu bisa menyimak baik-baik pembahasan yang ada di sini. Setelahnya, kamu bisa mengerjakan kuis berupa latihan soal untuk mengasah kemampuan.
Lewat pembahasan ini, kamu bisa belajar mengenai Atom Hidrogen. Kamu akan diajak untuk memahami materi dan tentang metode menyelesaikan soal.
Kamu juga akan memperoleh latihan soal interaktif yang tersedia dalam tiga tingkat kesulitan, yaitu mudah, sedang, dan sukar. Tertarik untuk mempelajarinya?
Sekarang, kamu bisa mulai mempelajari materi lewat uraian berikut. Apabila materi ini berguna, bagikan ke teman-teman kamu supaya mereka juga mendapatkan manfaatnya.
Kamu dapat download modul & contoh soal serta kumpulan latihan soal Atom Hidrogen dalam bentuk pdf pada link dibawah ini:
- Modul Atom Hidrogen
- Kumpulan Soal Mudah, Sedang & Sukar
Definisi
Rentetan warna diskontinu yang diperoleh apabila cahaya dari eksitasi atom hidrogen diuraikan ke dalam komponennya.
Spektrum Atom Hidrogen
Suatu spektrum [atau spektra] atau rentetan warna yang terlihat oleh kita sehari-hari biasanya merupakan suatu spektra kontinu karena terdiri atas banyak komponen dengan panjang gelombang masing-masing.
Sementara itu, apabila sumber spektrum hanya menghasilkan sedikit komponen panjang gelombang, maka akan terbentuk spektrum diskontinu, seperti yang diamati pada spektrum hidrogen, yang terlihat pada gambar sebagai berikut.
Berdasarkan spektra ini Johann Balmer mengemukakan persamaan sebagai berikut:
$v=3,2881\times10^{15}s^{-1}\left[\frac{1}{2^{2}}-\frac{1}{n^{2}}\right]$
dimana,
$v=$frekuensi garis spektra
$n=$suatu bilangan bulat yang lebih besar dari 2.
Bila kita masukkan $n=3$, didapat frekuensi yang sesuai dengan garis merah, bila $n=4$ didapat frekuensi garis hijau dan seterusnya.
Teori fisika klasik tidak dapat menjelaskan terbentuknya spektrum atom ini, maka dimulailah era teori kuantum.
Menggunakan teori kuantum yang dikemukakan Max Planck dan beberapa prinsip fisika klasik Niels Bohr mengemukakan teori atomnya dan perhitungan tingkat energi elektron pada suatu orbit $n$, sebagai:
$E_{n}=\frac{-R_{H}}{n^{2}}$
dimana
$E_{n}=$tingkat energi atom pada orbit $n$
$R_{H}=$konstanta Rydberg untuk atom Hidrogen, $2,179\times10^{-18}$J
Normalnya pada atom hidrogen, elektron berada pada tingkat dasar [ground state] dengan $n=1$, dan ketika elektron ini menerima satu kuanta energi [paket energi] ia dapat berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi [$n=2,3,$ dan seterusnya].
Sebaliknya ketika elektron dari tingkat energi tertentu kembali ke tingkat dasar maka ia akan mengemisikan energi dalam bentuk foton dengan energi sebesar selisih antara kedua tingkat energi tersebut. Maka, didapat:
$\begin{aligned}\Delta E & =hv\\ R_{H}\left[\frac{1}{n_{i}^{2}}-\frac{1}{n_{f}^{2}}\right] & =hv \end{aligned} $
dimana,
$n_{i}=$ tingkat energi awal [\emph{initial}] sebelum transisi elektron
$n_{f}=$ tingkat energi akhir [\emph{final}] setelah transisi elektron
$h=$ konstanta Planck [$6,626\times10^{-34}m^{2}kg/s$]
$v=$ frekuensi foton yang diemisikan
Ingat pada perhitungan panjang gelombang atau frekuensi foton yang akan diabsorbsi atau diemisikan nilai negatif dapat diabaikan, karena nilai negatif disini hanya melambangkan perbedaan tingkat energi.
Selain untuk hidrogen, teori Bohr dapat diaplikasikan untuk spesi-spesi yang mirip hidrogen, seperti $He^{+}$ dan $Li^{2+}$ yang digambarkan melalui persamaan:
$E_{n}=\frac{-Z^{2}R_{H}}{n^{2}}$
dimana,
$Z=$ nomor atom unsur
Selain itu teori Bohr juga dapat memprediksi jari-jari suatu orbit atom hidrogen melalui persamaan:
$r_{n}=n^{2}a_{0}$
dimana,
$r_{n}=$jari-jari orbit atom hidrogen pada tingkat energi tertentu
$a_{0}=$jari-jari Bohr / jari-jari pada tingkat dasar, yakni 53 pm
Nilai $a_{0}$ ini didapat dari persamaan
$a_{0}=\frac{4\pi\epsilon_{0}\hbar^{2}}{m_{e}e^{2}}$
$a_{0}=$ radius atom Bohr
$\epsilon_{0}=$ permitivitas
$\hbar=$ $\frac{h}{2\pi}$ dimana h adalah konstanta Planck
$m_{e}=$ massa elektron
$e=$ muatan elektron
Deret Spektra Atom Hidrogen
Berbagai spektra atom hidrogen yang ditemukan disusun ke dalam deret-deret berikut:
- Deret Lyman [$n_{f}=1$] dihasilkan dari transisi elektron ke tingkat dasar mulai dari $n=\infty$ hingga $n=2$
- Deret Balmer [$n_{f}=2$] dihasilkan dari transisi elektron ke tingkat energi kedua
- Deret Paschen [$n_{f}=3$]
- Deret Brackett [$n_{f}=4$]
- Deret Pfund [$n_{f}=5$]
Contoh Soal dan Pembahasan
- Tentukan warna yang mungkin timbul bila terjadi transisi dari $n=5$ ke $n=3$ pada ion $Be^{3+}$!
Jawaban
$\begin{aligned}\Delta E & =RZ^{2}\frac{1}{n_{i}^{2}}-\frac{1}{n_{f}^{2}}\\ \frac{hc}{\lambda} & =2,179\times10^{-18}\times4^{2}\left[\frac{1}{5^{2}}-\frac{1}{3^{2}}\right]\\ \frac{1,986\times10^{-25}}{\lambda} & =2,479\times10^{-18}\\ \lambda & =0,80113\times10^{-7}m\\ & =80,113nm \end{aligned}$ [nilai negatif dapat diabaikan].
Foton yang diemisikan berada di bawah panjang gelombang visible, maka tidak akan ada cahaya yang nampak.