bab vi. teori kuantum dan persamaan schrodinger
TRANSCRIPT
172
Bab 6
Mekanika Kuantum dan Persamaan Schrodinger
6.1 Deskripsi
Bab ini merupakan bab materi lanjutan yang diberikan setelah mid test. Dalam bab ini
menjelaskan tentang mekanika kuantum dan persamaan schrodinger. Mekanika Kuantum
merupakan pembahasan tentang teori atom secara kuantum meliputi pengenalan tentang tiga
bilangan kuantum dalam atom yaitu bilangan kuantum utama, bilangan kuantum orbital dan
bilangan kuantum magnetic. Dilanjutkan dengan pembahasan tentang persamaan schrodinger
bebas bebas waktu dan konfigurasi electron. Dalam materi ini banyak diuraikan model-model
konfigurasi electron termasuk untuk atom yang berelektron banyak.
6.2 Relevansi
Keterkaitan antara bab ini dengan bab sebelumnya merupakan sangat erat karena merupakan
materi lanjutan. Setelah bab sebelumnya membahas tentang struktur atom, maka dalam bab ini
menjelaskan tentang mekanisme konfigurasi electron-elektron dalam atom.
6.3 Tujuan Instruksional Khusus (TIK)
Setelah mempelajari bab ini, diharapkan mahasiswa mampu :
1. Menjelaskan sekali lagi perbedaan antara teori atom klasik dengan teori kuantum modern
2. Memahami persamaan schrodinger dan dapat menyelesaikan persoalan yang terkait.
3. Menjelaskan mekanisme konfigurasi electron cara aufbau dan cara pfund.
4. Menyelesaikan bentuk konfigurasi electron atom berelektron banyak.
6.4 Uraian Materi
Model atom Niels Bohr dapat menjelaskan inti atom yang bermuatan positif yang
dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif di dalam suatu lintasan. Elektron dapat
berpindah dari satu lintasan ke yang lain dengan menyerap atau memancarkan energy
sehingga energi elektron atom itu tidak berkurang. Model atom Bohr ini merupakan model
atom yang mudah dipahami, namun Bohr hanya dapat menjelaskan untuk atom berelektron
sedikit dan tidak dapat menjelaskan bagaimana adanya sub lintasan-lintasan yang terbentuk
173
diantara lintasan-lintasan elektron. Karena itu dalam perkembangan selanjutnya, teori atom
dikaji dengan menggambarkan pendekatan teori atom mekanika kuantum.
Perkembangan muktahir di bidang mekanika kuantum dimulai dari teori Max Planck
yang mengemukakan kuanta-kuanta energi dilanjutkan oleh Louis de Broglie tentang dualisme
partikel, kemudian oleh Werner Heisenberg tentang prinsip ketidakpastian dan yang terakhir
saat ini adalah Erwin Schrodinger tentang persamaan gelombang. Mekanika kuantum ini dapat
menerangkan kelamahan teori atom Bohr tentang garis-garis terpisah yang sedikit berbeda
panjang gelombangnya dan memperbaiki model atom Bohr dalam hal bentuk lintasan elektron
dari yang berupa lingkaran dengan jari-jari tertentu menjadi orbital dengan bentuk ruang tiga
dimensi yang tertentu.
6.4.1 Teori Kuantum
Teori kuantum dari Max Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang
dipancarkan oleh benda mampat. Radiasi inilah yang menunjukan sifat partikel dari
gelombang. Radiasi yang dipancarkan setiap benda terjadi secara tidak kontinyu (discontinue)
dipancarkan dalam satuan kecil yang disebut kuanta (energi kuantum). Planck berpendapat
bahwa kuanta yang berbanding lurus dengan frekuensi tertentu dari cahaya, semuanya harus
berenergi sama dan energi ini E berbanding lurus, Jadi :
E = h V (6.1)
Dimana : E = Energi kuantum ; h = Tetapan Planck = 6,626 x 10-34 J.s ; V = Frekuensi
Planck menganggap hawa energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda, timbul
secara terputus-putus walaupun penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang
elektromagnetik yang kontinyu. Einstein mengusulkan bukan saja cahaya yang dipancarkan
menurut suatu kuantum pada saat tertentu tetapi juga menjalar menurut kuanta individual.
Hipotesis ini menerangkan efek fotolistrik, yaitu elektron yang terpancar bila frekuensi cahaya
cukup tinggi, terjadi dalam daerah cahaya tampak dan ultraungu.
Hipotesa dari Max Planck dan Einstein menghasilkan rumusan empiris tentang efek
fotolistrik yaitu :
hV = Kmaks + hVo (6.2)
dimana :
174
hV = Isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang
Kmaks = Energi fotoelektron maksimum
hVo = Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron dari permukaan
logam yang disinari
Tidak semua fotoelektron mempunyai energi yang sama sekalipun frekuensi cahaya
yang digunakan sama. Tidak semua energi foton (hv) bisa diberikan pada sebuah elektron.
Suatu elektron mungkin akan hilang dari energi awalnya dalam interaksinya dengan elektron
lainnya di dalam logam sebelum ia lenyap dari permukaan. Untuk melepaskan elektron dari
permukaan logam biasanya memerlukan separuh dari energi yang diperlukan untuk
melepaskan elektron dari atom bebas dari logam yang bersangkutan.
Penafsiran Einstein mengenai fotolistrik dikuatkan dengan emisi termionik. Dalam
emisi foto listrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh electron untuk lepas,
sedangkan dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakannya. Usul Planck bahwa benda
memancarkan cahaya dalam bentuk kuanta tidak bertentangan dengan penjalaran cahaya
sebagai gelombang. Sementara Einstein menyatakan cahaya bergerak melalui ruang dalam
bentuk foton. Kedua hal ini baru dapat diterima setelah eksperimen Compton. Eksperimen ini
menunjukan adanya perubahan panjang gelombang dari foton yang terhambur dengan sudut
(φ) tertentu oleh partikel bermassa diam (mo). Perubahan ini tidak bergantung dari panjang
gelombang foton datang ( λ).
Hasil pergeseran compton sangat kecil dan tidak terdeteksi. Hal ini terjadi karena
sebagian elektron dalam materi terikat lemah pada atom induknya dan sebagian lainnya terikat
kuat. Jika elektron d timbulkan oleh foton, seluruh atom bergerak, bukan hanya elektron
tunggalnya. Untuk lebih memahami tinjauan teori kuantum dan teori gelombang yang saling
melengkapi, marilah kita amati riak yang menyebar dari permukaan air jika kita menjatuhkan
batu ke permukaan air.
Pernahkan Anda perhatikan hal ini ?
175
Gambar 6.1 Riak gelombang permukaan air
Riak yang menyebar pada permukaan air akan hilang dengan masuknya batu ke
dasar.
Analogi ini dapat menjelaskan energi yang dibawa cahaya terdistribusi secara kontinyu ke
seluruh pola gelombang. Hal ini menurut tinjauan teori gelombang sedangkan menurut teori
kuantum, cahaya menyebar dari sumbernya sebagai sederetan konsentrasi energi yang
teralokalisasi masing-masing cukup kecil sehingga dapat diserap oleh sebuah elektron. Teori
gelombang cahaya menjelaskan difraksi dan interferensi yang tidak dapat dijelaskan oleh teori
kuantum. Sedangkan teori kuantum menjelaskan efek fotolistrik yang tidak dapat dijelaskan
oleh teori gelombang Louis de Broglie meneliti keberadaan gelombang melalui eksperimen
difraksi berkas elektron. Dari hasil penelitiannya inilah diusulkan “materi mempunyai sifat
gelombang di samping partikel”, yang dikenal dengan prinsip dualitas.
Sifat partikel dan gelombang suatu materi tidak tampak sekaligus, sifat yang tampak
jelas tergantung pada perbandingan panjang gelombang de Broglie dengan dimensinya serta
dimensi sesuatu yang berinteraksi dengannya. Pertikel yang bergerak memiliki sifat
gelombang. Fakta yang mendukung teori ini adalah petir dan kilat.
Pernahkan Anda mendengar bunyi petir dan melihat kilat ketika hujan turun? Manakah
yang lebih dulu terjadi, kilat atau petir? Kilat akan lebih dulu terjadi daripada petir. Kilat
menunjukan sifat gelombang berbentuk cahaya, sedangkan petir menunjukan sifat pertikel
berbentuk suara.
Hipotesis de Broglie dibuktikan oleh C. Davidson an LH Giermer (Amerika Serikat)
dan GP Thomas (Inggris). Prinsip dualitas inilah menjadi titik pangkal berkembangnya
mekanika kuantum oleh Erwin Schrodinger tahun 1926 seorang ahli Fisika dari Austria
berhasil merumuskan persamaan gelombang untuk menggambarkan bentuk dan tingkat energi
176
orbital. Model atom ini disebut model atom mekanika kuantum dan merupakan model atom
yang diterima hingga dewasa ini.
6.4.2 Bilangan Kuantum
Model atom mekanika kuantum mempunyai persamaan dengan model atom Bohr
dalam hal tingkat energi. Sedangkan perbedaan kedua model atom tersebut terletak pada
bentuk lintasan elektron, di mana pada model atom Bohr electron-elektron menempati
lintasan-lintasan berbentuk lingkaran dengan jari-jari tertentu, sedangkan pada model atom
mekanika kuantum, lintasan-lintasan elektronnya berbentuk elips bukan berbentuk lingkaran
yang lebih dikenal dengan orbital. Untuk menyatakan lintasan/orbit elektron berbentuk elips
diperlukan 4 macam bilangan kuantum yaitu :
1. Bilangan kuantum utama (n)
2. Bilangan kuantum orbital (l)
3. Bilangan kuantum magnetik (ml)
4. Bilangan kuantum spin (ms)
1. Bilangan Kuantum Utama (n)
Bilangan kuantum utama menentukan besarnya energi total elektron pada orbit/lintasan
elektron pada kulit atom.
Besarnya energi total elektron pada atom bersifat kekal dan besarnya energi pada masing-
masing kulit atom ditentukan oleh bilangan kuantum utama. Bilangan kuantum utama
mempunyai harga positif yaitu 1, 2, 3, … dst. Bilangan kuantum utama menyatakan tempat
lintasan /orbit electron dalam atom yang disebut kulit atom yang diberi nama dengan huruf
besar, yaitu kulit K untuk n = 1, L untuk n = 2, M untuk n = 3, dan seterusnya.
Telah diterangkan di muka bahwa energi total electron pada orbit adalah kekal dan
memiliki harga negatif yang berarti untuk melepaskan elektron dari orbitnya diperlukan
energi. Besarnya energi elektron pada atom hidrogen pada
177
kulit ke-n dinyatakan :
(6.3)
Sedangkan untuk atom lain yang memiliki sebuah elektron seperti halnya He+, Li+2
atau Be+3 energi total elektronnya dinyatakan :
(6.4)
Dimana : n = bilangan kuantum utama ; Z = nomor atom
2. Bilangan Kuantum Orbital (l)
Bilangan kuantum orbital yang diberi simbol l menyatakan besarnya momentum sudut
elektron mengelilingi inti atom.
Momentum sudut diberi lambang L dan besarnya dinyatakan dalam persamaan :
(6.5)
di mana L = Momentum sudut/anguler electron ; l = bilangan kuantum orbital
h = = 1,054 × 10-34 Js
Nilai bilangan kuantum orbital dinyatakan l = (n – 1) yaitu 0, 1, 2, 3, …, n–1. Keadaan
momentum sudut electron pada orbitnya menyatakan subkulit elektron pada inti atom yang
diberi nama sub kulit s, p, d, e, f, g dan seterusnya sesuai dengan urutan abjad. Di mana
pemberian nama subkulit diambil dari huruf awal klasifikasi spektrum yang memancarkan
elektron, yaitu sharp (tajam) = s , principal (utama) = p , diffuse (kabur) = d , fundamental
(pokok) = f.
Besarnya momentum sudut pada masing-masing subkulit dapat dinyatakan sebagai
berikut :
Kombinasi antara bilangan kuantum utama (n) dengan bilangan kuantum orbital (l)
sering digunakan untuk menyatakan keadaan suatu atom, yang juga dapat untuk menyatakan
178
jumlah elektron dalam kulit atau subkulit atom. Misalnya untuk n = 2 dan l = 0 menyatakan
keadaan electron pada subkulit 2s, untuk n = 3 dan l = 2 menyatakan keadaan elektron pada
3d, dan seterusnya yang secara lengkap dapat dinyatakan dalam tabel berikut :
3. Bilangan Kuantum Magnetik ( ml )
Bilangan kuantum magnetik yang diberi simbol ml,digunakan untuk menyatakan arah
momentum sudut elektron.
Oleh karena momentum termasuk besaran vektor, maka momentum sudut elektron
selain dinyatakan besarnya, juga perlu diketahui arahnya. Arah momentum sudut (L) dapat
dinyatakan dengan aturan kaidah tangan kanan yaitu jika arah lipatan jari-jari tangan kanan
menyatakan arah gerakan electron maka arah ibu jari tangan kanan menyatakan arah
momentum sudut elektronnya. Bilangan kuantum magnetik mempunyai harga dari –l melalui 0
hingga +l , sehingga untuk setiap bilangan kuantum orbital l akan ada sebanyak bilangan
kuantum magnetik sebanyak (ml) = (2l + 1).
Menurut para tokoh Fisika modern (Schrodinger, Heinsenberg), momentum sudut
mempunyai komponen X, Y dan Z, untuk komponen X atau Y dari momentum sudut
mempunyai besar yang sembarang, akan tetapi untuk komponen Z tidak sembarang tetapi
terkuantisasi. Besarnya momentum sudut elektron dipengaruhi oleh medan magnet luar (B)
apabila medan magnet luar sejajar dengan sumbu z maka besarnya nilai L untuk arah Z
memenuhi persamaan
(6.6)
Sehingga banyaknya ml untuk setiap nilai l = 0 dalam arah Z terdapat satu nilai ml=0,
sedangkan untuk nilai l = 1 terdapat 3 nilai m yaitu -1, 0, 1 dan besar momentum sudut ke arah
sumbu Z (LZ) untuk l = 1 yaitu – h/2π, 0 , +h/2π dan arah vektor momentum sudut terhadap
sumbu Z dapat dicari sebagai berikut :
179
Kemungkinan besar momentum sudut dan arahnya serta bentuk lintasan/ orbit elektron pada
bilangan orbital = 1 dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 6.2 Momentum sudut pada bilangan orbital = 1
4. Bilangan Kuantum Spin ( ms )
Bilangan kuantum spin mula-mula dikemukakan oleh Wolfgang Pauli setelah
mengamati tentang spektrum atom hidrogen dengan menggunakan spektroskopis yang
mempunyai daya pisah (ketelitian) yang tinggi. Hasilnya diperoleh bahwa setiap spektrum
garis yang diamati selalu terdiri atas sepasang garis yang saling berdekatan. Menurut Pauli
garis ini pastilah berasal dari transisi dari 2 tingkat energi yang sangat berdekatan. Pauli
menduga bahwa kedua tingkat energi ini berhubungan dengan momentum sudut instrinsik
electron yang berbeda dengan momentum sudut orbital. Momentum sudut instrinsik yaitu
momentum sudut yang ada dalam elektron itu sendiri. Selain bergerak mengelilingi inti atom,
elektron pun juga bergerak pada porosnya (sumbunya).
Gerakan elektron pada sumbunya ini menghasilkan momentum sudut spin yang
berkaitan dengan momentum sudut instrinsik elektron yang dinyatakan sebagai bilangan
kuantum spin yang diberi simbol ms. Ada dua bilangan kuantum spin, yaitu ms = +½ dan ms =
180
-½. Harga positif menyatakan arah spin ke atas berotasi berlawanan arah gerak jarum jam,
sedangkan harga negatif menyatakan spin ke bawah berotasi searah gerak jarum jam.
Pendapat yang dikemukakan oleh Pauli ini didukung oleh Goudsmit dan
Uhlenbeck yang menjelaskan bahwa besarnya momentum sudut intrinsic atau spin dinyatakan
dalam persamaan :
(6.7)
dimana : S = momentum sudut spin ; ms = bilangan kuantum spin
Besarnya komponen momentum sudut spin elektron sepanjang arah medan magnetik ke arah
sumbu Z dinyatakan :
(6.8)
Gambar 6.3 Momentum sudut intrinsik/spin elektron
Contoh soal 1. Ada berapa kemungkinan bilangan kuantum magnetik pada bilangan kuantum
utama n = 3?
Penyelesaian:
Banyaknya kemungkinan bilangan kuantum magnetik dinyatakan :
ml = 2l + 1 di mana l = (n – 1) untuk n = 3 maka nilai l = (3 – 1) = 2, maka jumlah bilangan
kuantum magnetik sebanyak :
181
ml = 2.2 + 1 = 4 + 1 = 5 yakni 2, 1, 0, –1 dan –2.
Contoh soal 2. Tentukan besarnya momentum sudut yang mungkin pada tingkatan n = 3 jika
dinyatakan dalam !
Penyelesaian :
Besarnya momentum sudut elektron yang mengelilingi inti atom dinyatakan :
. Untuk n= 3 terdapat lima bilangan kuantum magnetik, maka terdapat 5 nilai
momentum sudut yaitu :
Rangkuman ke empat bilangan kuantum
6.4.3 Persamaan Schrodinger
Perbedaan pokok antara mekanika Newton (klasik) dengan mekanika kuantum terletak
pada cara menggambarkannya. Dalam mekanika klasik, masa depan partikel telah ditentukan
oleh kedudukan awal, momentum awal serta gaya-gaya yang beraksi padanya. Dalam dunia
makroskopik kuantitas seperti ini dapat ditentukan dengan ketelitian yang cukup sehingga
mendapatkan ramalan mekanika Newton yang cocok dengan pengamatan. Dalam mekanika
kuantum ketentuan tentang karakteristik masa depan seperti mekanika Newton tidak mungkin
diperoleh, karena kedudukan dan momentum suatu partikel tidak mungkin diperoleh dengan
ketelitian yang cukup, sehingga dalam teori ini digunakan prinsip ketidakpastian dan
probabilitas.
Fungsi dan Persamaan Gelombang
182
Kuantitas yang diperlukan dalam mekanika kuantum adalah fungsi gelombang dari benda itu
(dinotasikan dengan Ψ). Ψ itu sendiri sebenarnya tidak memiliki tafsiran fisis, Ψ2 merupakan
kuadrat besaran mutlak yang mana berbanding lurus dengan peluang (kebolehjadian) untuk
mendapatkan partikel itu di tempat itu dan pada saat itu. Nilai dari momentum, momentum
sudut dan energi dapat diperoleh dari Ψ . Adapun ungkapan matematis dari Ψ2 adalah :
(6.9)
dengan Ψ* merupakan konjugate kompleks dari Ψ, apabila Ψ merupakan fungsi kompleks.
Berikut contohnya,
Persyaratan untuk fungsi gelombang :
1. Karena Ψ2(x, t) merupakan kebolehjadian, maka fungsi Ψ perlu dinormalisasi agar
kebolehjadian menemukan partikel di seluruh interval adalah satu.
2. Ψ harus berharga tunggal, karena P hanya berharga tunggal pada tempat dan waktu
tertentu, yaitu 1(satu).
Berdasarkan kedua persyaratan diatas, maka sudah tentu berlaku hubungan dibawah ini :
(6.10)
Fungsi yang memenuhi persamaan diatas dinamakan fungsi yang ternormalisasi. Pernyataan
dari ungkapan tersebut ialah probabilitas dari menemukan partikel di suatu tempat setiap saat
bernilai 1(tidak mungkin 0,2, 3…dst).
Persamaan Schroedinger
Persamaan Schroedinger merupakan suatu postulat tentang gerak suatu partikel bermassa m0
dalam potensial bergantung waktu V(x,t). Di bawah ini dicantumkan persamaan itu untuk
kasus 1 dimensi dengan koordinat cartesis x :
183
(6.11)
Dalam ungkapan ini mo merupakan massa partikel, x merupakan kedudukan partikel,
dan t adalah waktu. Fungsi Ψ(x,t) merupakan solusi dari persamaan tersebut, yang dinamakan
fungsi gelombang Schroedinger.
Dinyatakan dalam teori mekanika kuantum, bahwa fungsi gelombang Ψ(x,t) :
“ secara sepenuhnya menggambarkan sistem fisika mikro yang dipelajari, dalam arti
bahwa, semua informasi mengenai besaran fisika system itu dapat diperoleh dari
Ψ(x,t) ”.
Persamaan Schroedinger merupakan suatu postulat, jadi merupakan suatu andaian
dasar. Bermanfaat atau tidaknya postulat itu bergantung dari kemampuannya dalam meramal
gejala yang berkaitan dengan proses fisika tingkat atom dan sub-atom. Berikut ini contohnya
(bukan bukti) :
# Ambil kasus sederhana, yaitu elektron yang bergerak dalam satu dimensi dengan vector
gelombang tunggal k0 dan frekuensi tunggal ω0. Untuk kasus dengan vector gelombang
tunggal seperti itu, gelombang ada diseluruh interval x, antara -∞< x < ∞. Kedudukan elektron
tidak tertentu, sesuai dengan ketidakpastian Heisenberg , (∆x) (∆k) ≥ ½ dengan (∆k) = 0.
Gerak elektron dalam ruang digambarkan oleh fungsi gelombang :
(6.12)
Dengan :
Maka persamaan (6.12) dapat ditulis sebagai :
(6.13)
Menurut postulat Schoedinger informasi tentang partikel dapat diperoleh dari Ψ(x,t) . Lalu
bagaimanakah cara memperolehnya?
a. Lakukanlah operasi matematika
184
Terhadap fungsi gelombang Ψ(x,t), hasil operasinya sebagai berikut :
(6.14)
Selanjutnya diperoleh momentum linier partikel bersangkutan, dengan ungkapan :
(6.15)
Dengan :
(6.16)
Sebagai operator momentum linier.
b. Bagaimanakah agar dapat memperoleh nilai energi E0 dari fungsi gelombang
Jika operator momentum linier dioperasikan dalam fungsi gelombang di peroleh :
(6.17)
Dengan menyelesaikan solusi persamaan energy di atas, selanjutnya diperoleh operator
energy,
(6.18)
Bila operator momentum kita kuadratkan maka akan didapatkan operator matematika yang
lain :
Selanjutnya diterapkan pada fungsi gelombang :
Hasilnya adalah sebagai berikut :
Persamaan terakhir di sebut sebagai persamaan (6.19).
185
Dengan demikian :
Merupakan operator matematika yang menghasilkan energi kinetic partikel yang digambarkan
dengan fungsi gelombang :
Dengan notasi k, yaitu :
Sebagai operator energy kinetic.
Operator untuk kedudukan adalah x itu sendiri. Notasinya adalah xˆ . Dengan demikian
operator untuk fungsi potensial V(xˆ,t) adalah V(x,t) . Dengan operator kedudukan partikel :
Perhatikanlah persamaan gelombang Schroedinger di bawah ini :
(6.20)
Persamaan (6.20) ini dapat ditulis dengan ungkapan yang lain yaitu :
(6.21)
Ungkapan tersebut sama dengan :
(6.22)
Sehingga didapat ungkapan bagi operator energi total yang dikenal sebagai operator Hamilton,
Dengan demikian persamaan schoedinger dengan menggunakan operator-operator yang
dibataskan di atas menjadi :
186
6.4.4 Persamaan Schroedinger Bebas Waktu (PSBW)
Jika fungsi potensial tidak bergantung waktu, bagaimanakah bentuk persamaan
Schroedinger untuk kasus dengan potensial bebas waktu V(x)? Untuk kasus seperti itu
persamaan gelombang Schroedinger (6.20) berbentuk :
(6.21)
Bila dilakukan separasi variable (pemisahan peubah) dalam solusi persamaan di atas sehingga
:
lalu substitusikan dalam persamaan Schroedinger bebas waktu menghasilkan :
(6.22)
dan dapat ditulis pula kedalam bentuk :
(6.23)
Dari persamaan (23) di atas jelas terlihat bahwa ruas kiri dari persamaan tersebut hanya
mengandung variable x, dan ruas tengah hanya mengandung variable t. Sedangkan persamaan
itu berlaku untuk semua harga x maupun t.
Hal ini hanya berlaku jika ruas kiri dan ruas tengah selalu bernilai tetap, misalkan sama
dengan G. Dengan demikian dapat diperoleh dua persamaan berikut :
Solusi dari kedua persamaan di atas adalah :
dengan G = E, yang merupakan energy total partikel yang direpresentasikan oleh fungsi
gelombang Ψ(x,t) .
187
persamaan Schroedinger sebagai Fungsi potensial tidak bergantung waktu, diperoleh :
(6.24)
dengan fungsi gelombang total:
(6.25)
Bahasan pada bab berikutnya tentang penerapan solusi persamaan schrodinger pada atom
hydrogen dan atom berelektron banyak merupakan kajian tugas yang akan diberikan kepada
mahasiswa.
6.4.5 Konfigurasi Elektron
Pedoman yang digunakan dalam penulisan konfigurasi elektron adalah Azas Aufbau,
Azas Larangan Pauli dan Kaidah Hund.
Azas Aufbau
Azas Aufbau (berasal dari bahasa Jerman yang berarti membangun) menyatakan
bahwa : “Pengisian elektron dimulai dari subkulit yang berenergi paling rendah dilanjutkan
pada subkulit yang lebih tinggi energinya”.
Berdasarkan ketentuan tersebut maka urutan pengisian (kofigurasi) electron mengikuti
tanda panah pada gambar berikut!
Gambar 6.4 Diagram Curah Hujan
188
Perhatikan contoh penulisan konfigurasi elektron dari beberapa atom berikut!
Langkah-langkah penulisan konfigurasi electron :
1. Tentukanlah jumlah elektron dari atom unsur tersebut! Jumlah elektron dari atom unsur
sama dengan nomor atom unsur tersebut.
2. Tuliskan jenis subkulit yang dibutuhkan secara urut berdasarkan diagram curah hujan
yang telah Anda baca yaitu:
1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-6s-4f-5d-6p-7s-5f-6p-7p-8s
3. Isikan elektron pada masing-masing subkulit dengan memperhatikan jumlah electron
maksimumnya.
4. Elektron ditulis agak ke atas setelah tanda orbital. Jika subkulit paling rendah sudah terisi
maksimum, maka sisa elektron dimasukkan pada subkulit berikutnya.
Ingatlah penjelasan terdahulu mengenai hal berikut:
Berdasarkan jumlah orbital tiap subkulit dan tiap orbital maksimum terisi dua elektron, maka
jumlah elektron maksimum pada tiap-tiap subkulit adalah:
Subkulit s maksimum isi 2 elektron
Subkulit p maksimum isi 6 elektron
Subkulit d maksimum isi 10 elektron
Subkulit f maksimum isi 14 elektron
189
Perhatikan contoh dengan mengikuti langkah-langkah tersebut!
Atom unsur dengan tanda atom 16S32 akan kita buat konfigurasi elektronnya maka
1. Nomor atom unsur tersebut = 16 (lihatlah angka yang tertulis di bawah tanda atom).
Dengan demikian jumlah elektron atom tersebut sebanyak 16.
2. Jenis subkulit yang dibutuhkan secara urut kita tuliskan sebagian, mulai dari yang paling
kiri 1s-2s-2p-3s-3p-4s
3. Isikan pada subkulit 1s sebanyak 2 elektron. Sisanya isikan pada subkulit 2s sebanyak 2
elektron. Sudah berapa elektron yang Anda masukkan pada subkulit tersebut? Apakah
masih ada sisanya? Jika masih, lanjutkan ke subkulit berikutnya! Subkulit berikutnya
adalah 2p dengan elektron yang dapat diisikan maksimumnya sebanyak 6.
Masih ada sisa lagi?
Isikan pada subkulit berikutnya yaitu 3s dengan 2 elektron.
Masih ada sisa lagi?
Masukkan sisanya pada subkulit selanjutnya yaitu 3p sebanyak sisanya, yaitu Sehingga
konfigurasi elektron untuk atom unsur dengan tamda atom 16S32 dapat dituliskan secara
berurut sebagai berikut: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.
Contoh soal 3. Buatlah konfigurasi elektron untuk atom unsur-unsur dengan tanda atom
sebagai berikut:
1. 12MG24
2. 9F19
3. 17Cl35
Penyelesaian :
1. 12MG24 : 1s2 2s2 2p6 3s2
2. 9F19 : 1s2 2s2 2p5
3. 17Cl35 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Pada contoh sebelumnya, subkulit dituliskan secara urut sesuai nomor kulitnya,
tetapi pada Sc dan Ga setelah 3p adalah 4s bukan 3d. Untuk keteraturan penulisan
subkulit 3d ditulis sebelum 4s tetapi pada urutan pengisian orbital subkulit 4s diisi
penuh terlebih dahulu, setelah itu barulah subkulit 3d
190
Jadi konfigurasi elektron untuk atom Sc dan Ga dapat juga dituliskan sebagai berikut:
Bagaimana konfigurasi elektron dengan nomor-nomor besar atau banyak?
Unsur - unsur dengan nomor atom besar atau banyak tentunya akan terlihat lebih panjang dan
tidak praktis. Untuk itu, konfigurasi elektron atom berelektron banyak dapat disingkat
penulisannya dengan penulisan lambang unsur gas mulia yang sesuai.
Mis : Konfigurasi elektron gas mulia :
Sedangkan :
Dapat Anda singkat penulisannya menjadi seperti berikut ini : 20Ca40 : [Ar] 4s2
Elektron pada atom Argon = 18 sehingga Anda hanya menuliskan subkulit yang
berisi elektron sebanyak sisa dari seluruh elektron atom tersebut.
Skema ini digunakan untuk memudahkan dalam menyingkat.
191
Penjelasan yang sudah Anda pelajari merupakan konfigurasi elektron untuk atom,
bagaimana untuk ion?
Ion bermuatan positip adalah atom netral yang melepaskan sebagaian elektronnya. Elektron
yang dilepaskan letaknya pada kulit terluar, sehingga penulisan konfigurasi elektronnya sama
dengan atom netralnya dikurangi sebanyak elektron yang dilepaskan.
Contoh:
16K32 memiliki konfigurasi elektron 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1. Jika berbentuk ion K+ maka
elektron pada kulit terluarnya akan melepas sebanyak 1, sehingga konfigurasi elektronnya
menjadi 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6.
Bagaimana dengan ion bermuatan negatif?
Ion bermuatam negatip adalah atom netral yang menerima atau menyerap elektron. Elektron
yang diterima ini akan menempati orbital dari subkulit terluar yang belum penuh atau
maksimum, sehingga penulisan konfigurasi elektronnya sama dengan atom netralnya ditambah
dengan elektron yang diterima.
Contoh :
9F19 memiliki konfigurasi elektron 1s2 2s2 2p5. Jika berbentuk ion F maka electron pada kulit
terluar akan bertambah sebanyak 1, sehingga konfigurasi elektronnya menjadi 1s2 2s2 2p6.
192
Contoh soal 4. Buatlah konfigurasi elektron dari ion berikut!
1. Ca2+ (nomor atom Ca=20)
2. O2- (nomor atom O=8)
Penyelesaian :
1. Ca2+ memiliki elektron 20 – 2 = 18
Jumlah elektron ion = nomor atom – muatan
Konfigurasi elektron atom 20Ca : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 sehingga konfigurasi elektron ion
Ca2+ menjadi 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
2. O2- memiliki muatan 8+2=10
Jumlah elektron ion = nomor atom + muatan
Konfigurasi atom 8O 1s2 2s2 2p4 sehingga konfigurasi electron ion O2- menjadi 1s2 2s2
2p6 3s2 3p6
Hal lain yang harus Anda perhatikan dalam menuliskan konfigurasi elektron adalah kestabilan.
Atom akan lebih stabil bila kulit atau subkulit terisi elektron penuh atau setengah penuh.
Contoh:
Konfigurasi elektron 24Cr52 yang benar adalah 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 bukan 1s2 2s2 2p6
3s2 3p6 4s2 3d4. Karena orbital d maksimum berisi 10 elektron maka akan lebih stabil jika
orbital d diisi 5 atau 10 elektron.
Bagaimana dengan konfigurasi elektron 29Cu63?
Mirip halnya dengan 24Cr52 maka konfigurasi elektron 29Cu63 adalah
Konfigurasi elektron dalam atom selain diungkapkan dengan diagram curah hujan, seringkali
diungkapkan dalam diagram orbital. Ungkapan yang kedua akan
bermanfaat dalam menentukan bentuk molekul dan teori hibridisasi pada modul
berikutnya.
193
Kita ingat kembali bahwa :
1. Orbital-orbital dilambangkan dengan kotak
2. Elektron dilambangkan sebagai tanda panah dalam kotak
3. Banyaknya kotak ditentukan berdasarkan bilangan kuantum magnetik, yaitu:
4. Untuk orbital-orbital yang berenergi sama dilambangkan dengan sekelompok
kotak yang bersisian, sedangkan orbital dengan tingkat energi berbeda digambarkan
dengan kotak yang terpisah
5. Satu kotak orbital berisi 2 elektron, satu tanda panah mengarah ke atas dan satu lagi
mengarah ke bawah
Pembuatan konfigurasi elektron dalam diagram orbital memenuhi aturan atau kaidah Hund.
Kaidah Hund
Friedrich Hund (1927), seorang ahli fisika dari Jerman mengemukakan aturan
pengisian elektron pada orbital yaitu :
“orbital-orbital dengan energi yang sama, masing-masing diisi lebih dulu oleh satu elektron
arah (spin) yang sama atau setelah semua orbital masing-masing terisi satu elektron kemudian
elektron akan memasuki orbital-orbital secara urut dengan arah (spin) berlawanan”.
194
Marilah kita tuliskan konfigurasi elektron dalam bentuk diagram orbital yang sesuai dengan
Kaidah Hund!
Contoh soal 5. Tuliskan konfigurasi elektron dalam bentuk diagram orbital untuk unsur :
195
6.4.6 Azas Larangan Pauli
W. Pauli (1924) mengemukakan Azas Larangan Pauli “Tidak boleh ada electron dalam
satu atom yang memiliki ke empat bilangan kuantum yang sama”
Marilah kita buktikan pernyataan Pauli dengan contoh seperti ini!
Sebuah atom memiliki 8 elektron pada kulit L. Posisi elektron-elektron tersebut
digambarkan dalam orbital sebagai berikut:
Tuliskan ke empat bilangan kuantum yang dimiliki oleh elektron ke-3 dan electron ke-6 pada
subkulit p tersebut!
Bagaimana menyelesaikannya, ikutilah penyelesaian berikut ini!
� Elektron ke-3 pada subkulit p dan kulit L
Pada kulit L memiliki bilangan kuantum utama n=2. Sedangkan untuk subkulit p memiliki
bilangan kuantum azimut l =1 dan orbital pada kolom ke-3 memiliki bilangan kuantum
magnetik m=+1, serta arah rotasi ke atas maka bilangan kuantum spin s=+½. Jika
digabungkan n=2, l =1, m=+1, s=+½
� Elektron ke-6 hanya berbeda pada arah rotasi dengan elektron ke-3, maka ke
196
empat bilangan kuantum yang dimiliki elektron ke-6 adalah n=2, l =1, m=+1,
s=-½
Suatu atom unsur memiliki nomor atom 15. Tentukan:
1. Konfigurasi elektron dasarnya
2. Gambaran orbital dari konfigurasi elektron yang telah Anda buat
3. Ke empat bilangan kuantum dari elektron terakhir pada konfigurasi electron
197
198
199
6.5 Latihan Soal
1. Tentukan berapa banyaknya bilangan kuantum orbital untuk bilangan kuantum utama = 4!
2. Berapa banyak bilangan kuantum magnetik untuk bilangan kuantum utama = 5?
3. Hitunglah besarnya momentum sudut yang kemungkinan dimiliki elektron yang
menempati bilangan kuantum utama = 5!
4. Buatlah konfigurasi elektron yang singkat untuk atom unsur dengan tanda atom sebagai
berikut :
a. 38Sr88 ;
b. 50Sn119 ;
c. 33As75
5. Tentukan harga ke empat bilangan kuantum n, - l, m, dan s untuk elektron terakhir dari
atom:
a. 38Sr88
b. 12Mg(2+) 24
6.6 Test Formatif
1. Tempat kebolehjadian ditemukannya elektron disebut…
a. orbit
b. orbital
c. subkulit
d. kulit
e. inti atom
2. Bilangan kuantum yang digunakan untuk menentukan bentuk orbital dan ukuran orbital
adalah…
a. n dan l
b. m dan l
c. n dan m
d. m dan s
e. n dan s
3. Suatu elektron memiliki kulit ke-3 dan subkulit p maka nilai bilangan kuantum yang
mungkin adalah…
200
a. n=3, l=2, m=-2, s=-1/2
b. n=3, l=1, m=+2, s=+1/2
c. n=3, l=2, m=-1, s=-1/2
d. n=3, l=1, m=+1, s=+1/2
e. n=3, l=2, m=+1, s=+1/2
4. Bilangan kuantum azimut (ml) tidak menyatakan…
a. Subkulit tempat elektron berada
b. Bentuk orbital
c. Besarnya momentum sudut elektron terhadap inti
d. Arah orbital
e. Arah momentum sudut elektron terhadap inti
5. Ketiga bilangan kuantum yang dimiliki oleh elektron pada subkulit 3d adalah…
a. n=3 l=0 m=+1
b. n=3 l=1 m=+1
c. n=3 l=0 m=+2
d. n=3 l=1 m=+2
e. n=3 l=1 m=+3
6. Arah rotasi elektron pada porosnya dinyatakan dengan bilangan kuantum…
a. utama
b. azimut
c. magnetik
d. spin
e. orbital
7. Jumlah elektron maksimum pada subkulit maksimum yang dimiliki oleh atom dengan
bilangan kuantum utama = 2 adalah…
a. 2
b. 5
c. 6
d. 10
e. 14
8. Belerang dengan nomor atom 16, konfigurasi elektron ion S2- adalah…
201
a. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
b. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
c. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
d. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 4s2
e. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 4s2
9. Dalam atom belerang dengan nomor atom 16 memiliki elektron yang tidak berpasangan
sebanyak…
a. 1
b. 2
c. 3
d. 4
e. 5
10. Ion X2- mempunyai konfigurasi elektron [Ar] 3d10 4s2. Maka atom X memiliki nomor
atom…
a. 12
b. 18
c. 22
d. 30
e. 48
11. Keempat bilangan kuantum untuk elektron terakhir dari atom X dengan nomor atom 24
adalah…
a. n=3 l=0 m=0 s=+½
b. n=3 l=1 m=+1 s=-½
c. n=3 l=2 m=+1 s=+½
d. n=3 l=2 m=-1 s=+½
e. n=3 l=2 m=0 s=-½
12. Pedoman yang digunakan untuk menyusun konfigurasi elektron adalah…
a. Kaidah Aufbau, Azas Hund, Larangan Pauli
b. Azas Hund, Azas Aufbau, Kaidah Pauli
c. Azas Aufbau, Kaidah Pauli, Larangan Hund
d. Azas Larangan Pauli, Azas Hund, Kaidah Aufbau
202
e. Azas Aufbau, Azas Larangan Pauli, Kaidah Hund
13. Jumlah elektron dari suatu atom yang ke empat bilangan kuantum electron terakhirnya
n=2, l=1, m=0, s=-½ adalah…
a. 2
b. 4
c. 7
d. 5
e. 9
14. Unsur dengan nomor atom 24 memiliki konfigurasi elektron…
a. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s6
b. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4
c. 1s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4
d. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6
e. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
15. Tidak boleh ada elektron dalam satu atom yang memiliki ke empat bilangan kuantum
yang sama. Pernyataan ini dikemukakan oleh…
a. Hund
b. Pauli
c. Aufbau
d. Planck
e. Heisenberg
6.7 Tindak Lanjut
Jika anda telah selesai mengerjakan soal latihan dan tes formatif di atas, maka hitung jawaban
anda yang benar kemudian gunakan rumus di bawah ini untuk menentukan tingkat penguasaan
anda terhadap materi modul ini.
Rumus:
������� �������� ������ ������� ���� ����
������ �����100%
Tingkat Penguasaan:
90% - 100% = Baik Sekali
203
80% - 89% = Baik
70% - 79% = Cukup
0% - 69% = Kurang
Jika tingkat penguasaan anda di bawah 80%, maka diharapkan mengulangi materi ini,
khususnya bagian-bagian yang belum dipahami, serta menambah pengetahuan dari referensi
lain yang berhubungan.