Jelaskan teori atom menurut mekanika kuantum

Mungkin kalian tidak percaya atom itu ada, karena memang tidak ada seorang pun yang pernah melihatnya dengan mata biasa, termasuk para ahli kimia. Sesuatu yang tidak dapat dilihat oleh mata belum tentu tidak ada, misalnya angin. Kita dapat merasakannya melalui hembusannya.

Para ahli menerima keberadaan atom walaupun belum pernah melihatnya dengan mata biasa. Berdasarkan kesimpulan yang diperoleh dari percobaan ataupun eksperimen, para ahli mengajukan teori tentang model atom, yaitu suatu gambar rekaan atom berdasarkan eksperimen ataupun kerja teoritis.

Model atom hanya suatu gambaran, karena para ahli tersebut tidak tahu pasti seperti apakah bentuk atom yang sebenarnya. Bisa jadi suatu saat nanti ditemukan suatu model atom terbaru yang dapat menggugurkan atau menyempurnakan teori atom yang sudah ada dan mungkin ada di antara kalianlah yang menjadi penemunya.

Apa itu Atom?

Teori tentang atom sudah ditemukan sejak 400 tahun Sebelum Masehi (SM), oleh ahli filsafat Yunani, yaitu Leukippos dan Demokritos yang mencari asal mula semua benda di alam semesta. Mereka menyatakan bahwa semua benda terdiri atas bagian-bagian yang sangat kecil dan tidak mungkin dibagi-bagi lagi yang dinamakan atom (a: tidak, tomos: dibagi).

Pada abad ke-5 SM di India telah ada pendapat yang menyatakan bahwa tiap unsur benda terdiri atas satu sampai lima atom. Abad ke-8, Jabir seorang ilmuwan muslim menyatakan bahwa materi dibentuk oleh partikel dasar bermuatan yang menyerupai petir dan partikel, yang tidak dapat dibagi-bagi.

Selanjutnya perkembangan atom setelah abad ke-19 mulai bermunculan, dari model atom Dalton, Thompson, Rutherford, Niels Bohr hingga mekanika kuantum (modern). Nah, pada kesempatan kali ini kita akan membahas model atom mekanika kuantum. Berikut ini penjelasannya.

Model Atom Mekanika Kuantum (Modern)

Pada tahun 1913, berdasarkan analisis spektrum atom dan teori kuantum  yang dikemukakan oleh Max Plank, Niels Bohr mengajukan model atom hidrogen, yaitu atom yang hanya mengandung satu elektron. Menurut Bohr elektron beredar mengitari intinya pada tingkat-tingkat energi tertentu, bagaikan planet-planet mengitari matahari dan elektron dapat berpindah dari tingkat energi satu ke tingkat energi yang lain.

Model Atom Bohr mempunyai beberapa kelemahan:

□ Teori atom Bohr hanya dapat menerangkan spektrum atom yang saderhana, misal Hidrogen, dan tidak dapat menerangkan yang lebih rumit (nomor atom > 1)

□ Teori Bohr tidak dapat menjelaskan pengaruh medan magnet dalam atom hidrogen.

Oleh karena itu, tidak mungkin membayangkan elektron beredar mengitari inti menurut suatu orbit berbentuk lingkaran dengan jari- jari tertentu. Kekurangan model atom Bohr disempurnakan dengan model atom mekanika kuantum yang dikemukakan oleh Erwin Schrodinger pada tahun 1927, seorang ilmuan dari Austria.

Teori Atom Mekanika Kuantum didasarkan pada dualisme sifat elektron yaitu sebagai gelombang dan sebagai partikel.

■ Menurut de Broglie, cahaya dapat berperilaku sebagai materi dan berperilaku sebagai gelombang (dikenal dengan istilah dualisme gelombang partikel).

■ Menurut Heisenberg, tidak mungkin menentukan kecepatan dan posisi elektron secara bersamaan, tetapi yang dapat ditentukan hanyalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti.

Erwin Schrodinger mengajukan teori yang disebut teori atom mekanika kuantum ”Kedudukan elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti yang dapat ditentukan adalah kemungkinan menemukna elektron sebagai fungsi jarak dari inti atom”.

Daerah dangan kemungkinan terbesar ditemukan elektron disebut orbital. Orbital digambarkan berupa awan, yang tebal tipisnya menyatakan besar kecilnya kemungkinan ditemukan elektron di daerah tersebut.

Kemudian Werner Heisenberg mengemukakan bahwa metode eksperimen yang digunakan untuk menemukan posisi atau momentum suatu partikel seperti elektron dapat menyebabkan perubahan, baik pada posisi, momentum atau keduanya.

Teori Schrodinger dan prinsip ketidakpastian Heisenberg melahirkan model atom mekanika kuantum sebagai berikut:

1. Posisi elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti.

2. Atom mempunyai kulit elektron.

3. Setiap kulit elektron memiliki subkulit elektron.

4. Setiap subkulit elektron memiliki sub-sub kulit elektron.

Kesimpulan Mengenai Model Atom Mekanika Kuantum

Model atom mekanika kuantum didasarkan pada:

1. elektron bersifat gelombang dan partikel, oleh Louis de Broglie (1923).

2. persamaan gelombang elektron dalam atom, oleh Erwin Schrodinger (1926).

3. asas ketidakpastian, oleh Werner Heisenberg (1927).

Menurut teori atom mekanika kuantum, elektron tidak bergerak pada lintasan tertentu. Berdasarkan hal tersebut maka model atom mekanika kuantum adalah sebagai berikut:

a) Atom terdiri atas inti atom yang mengandung proton dan neutron, dan elektronelektron mengelilingi inti atom berada pada orbital-orbital tertentu yang membentuk kulit atom, hal ini disebut dengan konsep orbital.

b) Dengan memadukan asas ketidakpastian dari Werner Heisenberg dan mekanika gelombang dari Louis de Broglie, Erwin Schrodinger merumuskan konsep orbital sebagai suatu ruang tempat peluang elektron dapat ditemukan.

c) Kedudukan elektron pada orbital-orbitalnya dinyatakan dengan bilangan kuantum.

Kelebihan dan Kekurangan Model Atom Mekanika Kuantum

Teori dan model atom mekanika kuantum yang diajukan oleh Erwin Schrodinger berhasil menyempurnakan beberapa kelemahan yang ada dalam teori atom Niels Bohr sekaligus membuka pemahaman baru mengenai struktur atom dan pergerakan elektron di dalam atom.

Berikut ini beberapa keunggulan atau kelebihan teori atom mekanika kuantum (modern):

1. Dapat menjelaskan posisi kebolehjadian ditemukannya elektron.

2. Dapat menjelaskan posisi elektron saat mengorbit.

3. Dapat mengukur perpindahan energi eksitasi dan emisinya.

4. Mengidentifikasi proton dan neutron pada inti sedangkan elektron pada orbitalnya.

Teori atom mekanika kuantum didukung dengan rumusan persamaan gelombang yang ditemukan oleh Schrodinger, yaitu persamaan berupa fungsi suatu ruang tiga dimensi (3D). Kelemahannya, yaitu sebagai berikut.

1. Rumusan persamaan gelombang hanya dapat diterapkan secara eksak untuk partikel dalam kotak dan atom dengan elektron tunggal.

2. Model atom mekanika kuantum sulit diterapkan untuk sistem makroskopis (skala lebih besar) dengan kumpulan atom misalnya pada tumbuhan, hewan dan manusia.

Artikel ini akan membahas tentang teori mekanika kuantum, model atom mekanika kuantum, bilangan kuantum, hingga contoh soal dan pembahasan dari mekanika kuantum.

Sebelumnya kamu sudah mempelajari tentang teori Bohr, bukan? Nah, ternyata teori Bohr memiliki banyak kelemahan lho, guys. Ia hanya menjelaskan tentang kulit atom saja, selain itu ia juga tidak menjelaskan spektrum pancar atom yang mengandung lebih dari satu elektron. Padahal, di balik kulit atom terdapat yang namanya subkulit dan di dalamnya lagi terdapat orbital.

Setelah mengetahui kelemahan teori Bohr, maka para ahli mencoba untuk mengemukakan teori-teorinya. Teori itulah yang menjadi dasar dari mekanika kuantum. Yuk, simak lebih jauh penjelasan di bawah ini!

Max Planck

Max Planck merupakan seorang fisikawan Jerman yang dianggap sebagai bapak mekanika kuantum. Ia mematahkan teori fisika klasik yang mengatakan bahwa cahaya merupakan suatu gelombang. Teori fisika klasik tersebut bertahan lama hingga Planck menemukan teori baru dan sangat revolusioner, yaitu gelombang cahaya termasuk dalam gelombang dan suatu partikel.

Louis de Broglie

Louis de Broglie menyatakan bahwa partikel kecil yang bergerak sangat cepat seperti elektron memiliki sifat seperti gelombang. De Broglie merumuskan suatu persamaan dimana panjang gelombang yang ditimbulkan ketika suatu partikel bergerak. Persamaannya bisa dilihat sbb:

Keterangan:

λ = panjang gelombang

h = ketetapan planck

m = massa

v = cepat rambat gelombang

Werner Heisenberg

Teori menurut Heisenberg ini biasa disebut juga sebagai teori ketidakpastian. Mengapa disebut sebagai teori ketidakpastian? Hal ini karena posisi dan momentum elektron tidak bisa ditentukan secara pasti.

Erwin Schrodinger

Dari teori de Broglie dan Heisenberg, maka muncullah teori Schrodinger yang menyatakan bahwa posisi dan momentum elektron tidak bisa ditentukan secara pasti, yang bisa ditentukan adalah probabilitas (kemungkinan daerahnya) menemukan elektron. Daerah dengan probabilitas menemukan elektron terbesar disebut dengan orbital.

Untuk menemukan tingkat energi, bentuk, dan orientasi orbital, maka Schrodinger mengemukakan tiga jenis bilangan kuantum yang terdiri dari bilangan kuantum utama, azimut, dan magnetik. Selengkapnya akan dibahas pada bagian bilangan kuantum di bawah ini.

Model Atom Mekanika Kuantum

Sebelum kita ke bilangan kuantum, alangkah baiknya kita mengenal model atom mekanika kuantum terlebih dahulu. Tak kenal maka… tak paham dong. Yuk langsung aja kita bahas!

Model atom mengalami perkembangan dari yang pertama yaitu model atom Dalton, kemudian disempurnakan oleh Thomson, masih kurang sempurna dan disempurnakan lagi oleh Rutherford, selanjutnya Bohr, dan ternyata masih ada kelemahan hingga akhirnya berkembang lagi menjadi model atom Mekanika Kuantum hingga saat ini.

Model Atom Dalton

Dalton menyebutkan bahwa partikel terkecil dari suatu materi disebut atom. Jadi, ketika ada suatu benda kemudian dibagi dan dibagi terus menerus sampai kecil, hingga ditemukan benda tersebut sudah tidak bisa dibagi lagi, itu disebut atom.

Model Atom Thomson

Ternyata, Thomson menemukan bahwa bagian terkecil dari suatu materi bukanlah atom. Sehingga, teori Dalton menjadi runtuh. Ia menemukan partikel penyusun atom. Thomson menemukan partikel sub atomik yang bermuatan negatif, bernama elektron atau sinar katoda. Teori Thomson menyatakan bahwa atom memiliki muatan yang bernilai positif, kemudian terdapat partikel-partikel negatif yang menyelimuti atom tersebut, sehingga bentuknya seperti roti kismis. Maka dari itu model atom Thomson dikenal dengan sebutan model bola kismis.

Model Atom Rutherford

Selanjutnya Rutherford ingin membuktikan apakah teori Thomson benar atau tidak. Ternyata, ditemukan bahwa atom terdiri dari rongga-rongga kosong dan terdapat inti atom yang bermuatan positif. Nah, massa atom itu berpusat di inti, sehingga elektron tidak berpengaruh terhadap massa atom.

Model Atom Bohr

Ternyata, model atom Rutherford diketahui memiliki beberapa kelemahan teori nih, guys. Sehingga, Niels Bohr dan Ernest Rutherford melakukan percobaan lagi, hingga akhirnya dicetuskan model atom Bohr. Model ini menyatakan bahwa atom terdiri dari inti atom yang mengandung proton dan neutron yang dikelilingi oleh elektron. Jadi, si elektron ini berputar dalam orbitnya dengan tingkatan energi tertentu. Tingkat energi tertentu itulah yang dinamakan dengan orbit atau kulit atom (n), yaitu K, L, M, N.

Tapi, model atom Bohr ini ternyata ada kelemahannya. Ia hanya dapat menjelaskan spektrum dari atom atau ion yang berelektron tunggal.

Model Atom Mekanika Kuantum

Model atom terakhir yang masih eksis hingga saat ini adalah mekanika kuantum. Model ini menyatakan bahwa atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh awan-awan elektron. Dari teori inilah ditemukan empat jenis orbital, yaitu s, p, d, f. Berikut gambaran modelnya:

Bilangan Kuantum

Nah, sekarang kita mengenal macam-macam bilangan kuantum, yuk!

Bilangan Kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama menyatakan tingkat energi utama elektron yang dimiliki dari suatu atom. Bilangan ini dilambangkan dengan n yang melambangkan kulit atom pada model atom Bohr. Kita review kembali bahwa pada model atom Bohr terdapat jenis kulit K (n=1), L (n=2), M (n=3), N (n=4), O (n=5), dst. Semakin besar nilai n, maka akan semakin besar juga ukuran orbital dan tingkat energinya.

Bilangan Kuantum Azimut (l)

Kalau tadi bilangan kuantum utama menyatakan kulit atom, nah kalau bilangan azimuth ini menyatakan suatu bentuk orbital atau sub-kulit atom. Lalu, banyaknya sub kulit ini tergantung pada banyaknya tingkat energi utama (kulit). Maksudnya begini, kalau jumlah kulit (n) adalah 1, maka sub kulit (l) yang diperbolehkan hanya 1. Coba deh lihat di bawah ini:

Begitu seterusnya, tapi untuk saat ini belum ditemukan atom yang elektronnya mengisi sub kulit 5g, sehingga hanya dibahas sampai sub kulit s, p, d, dan f.

Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Selanjutnya adalah bilangan kuantum magnetik yang dilambangkan dengan m. Bilangan ini menyatakan orientasi dari orbital, bentuk khusus orbital, atau ukuran orbital. Dimana nilai m yang diperbolehkan yaitu m = –l  sampai +l.

Dari gambar di atas, kamu bisa mengetahui bahwa sub kulit s (l=0) memiliki harga m=0 yang artinya dia hanya punya 1 buah orbital. Kemudian, sub kulit p (l=1) memiliki harga m=-1, 0, 1 yang artinya dia memiliki 3 buah orbital. Begitu deh seterusnya.

Bilangan Kuantum Spin (s)

Bilangan kuantum yang terakhir adalah spin atau dilambangkan dengan huruf s. Tahukah kamu bahwa selain berevolusi mengelilingi inti, ternyata elektron juga berotasi lho, guys. Nah, itulah yang akan dibahas pada bilangan kuantum spin, dimana bilangan ini akan mendeskripsikan arah spin elektron di dalam orbital. Harga s yang diperbolehkan adalah – ½ atau + ½.

Harga s = + ½ dilambangkan dengan tanda panah mengarah ke atas, sedangkan untuk harga s = – ½ dilambangkan dengan tanda panah yang mengarah ke bawah. Dalam penulisannya, tanda panah mengarah ke atas harus diutamakan atau didahulukan.

Konfigurasi Elektron

Selanjutnya, kita akan mempelajari tentang konfigurasi elektron. Wah apa itu? Konfigurasi elektron merupakan gambaran distribusi elektron dalam orbital-orbital penyusun atom. Kamu harus tau dulu nih prinsip-prinsip dalam menyusun atom, yaitu asas aufbau, kaidah hund, dan larangan pauli.

Asas Aufbau

Asas ini menyatakan bahwa pengisian elektron dimulai dari sub kulit yang memiliki tingkat energi terendah lebih dulu. Begini urutan dari tingkat energi yang terendah hingga yang tertinggi:

Kaidah Hund

Kaidah selanjutnya adalah kaidah hund, yang menyatakan bahwa elektron di dalam suatu orbital tidak boleh berpasangan sebelum masing-masing orbital dalam sub kulit terisi masing-masing 1 elektron. Agar lebih jelas, coba lihat pada gambar di bawah ini:

Pada kaidah hund ini juga terdapat penyimpangan konfigurasi pada sub kulit d. Ternyata, sub kulit d menyukai keadaan stabil, yaitu ketika ½ penuh dan penuh. Contohnya bisa dilihat pada kasus Cr dan Cu berikut ini:

Bisa dilihat bahwa pada orbital d sebenarnya tidak stabil karena kosong. Agar sub kulit d stabil, maka 1 elektron dari sub kulit s diberikan kepada d, sehingga d menjadi stabil.

Asas Larangan Pauli

Terakhir, ada asas larangan pauli. Asas ini menyebutkan bahwa elektron-elektron dalam menyusun atom memiliki masing-masing empat bilangan kuantum yang berbeda. Jadi, gak bisa tuh ada yang sama bilangan kuantumnya di dalam satu atom. Hal ini karena keempat bilangan kuantum menyatakan alamat dari suatu elektron. Coba kamu lihat dari contoh di bawah ini:

Dari contoh di atas, kita bisa tau kalau tidak ada bilangan kuantum yang sama di dalam atom S tersebut. Kalau m-nya sama, maka s-nya berbeda.

Contoh Soal Bilangan Kuantum

Gimana nih guys, masih bingung gak? Udah paham dong pastinya. Biar makin paham lagi, yuk lihat contoh soal dan pembahasan di bawah ini!

Soal 1:

Tentukan konfigurasi elektron dari H, He, Li, O, Na, Ca, Fe, dan Br berdasarkan prinsip aufbau!

Pembahasan soal 1:

Soal 2:

Tentukan keempat bilangan kuantum elektron terakhir dari atom Na, Fe, dan Co!

Pembahasan 2:

Itu dia penjelasan dari materi kimia tentang mekanika kuantum. Sekarang udah paham ‘kan tentang mekanika kuantum? Jadi, kamu udah gak perlu lagi ketakutan kalau bertemu dengan contoh-contoh soal di atas. Semoga penjelasan di atas bisa bermanfaat ya buat kamu. Oh iya, kamu juga boleh banget langsung cek di sini buat tonton video materi dari kakak tutor kimia yang super duper keren, tentunya bakal bikin kamu bersahabat dengan kimia. Jangan lelah untuk belajar ya, guys! Have a nice day!

Baca Juga Artikel Lainnya

Struktur Atom

Sifat Periodik Unsur

Larutan Elektrolit dan Non Elektrolit