Teori Kuantum (Mekanika 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 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 dengan frekuensi.
Jadi :
E = h.V
E = Energi kuantum
h = Tetapan Planck = 6,626 x 10-34 J.s
V = Frekuensi

Gambar Max Plank
Planck menganggap energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda, timbul secara terputus-putus walaupun merambat melalui ruang dan merupakan gelombang elektromagnetik yang kontinyu.
Gambar I.13 Einstein
Einstein mengusulkan bukan saja cahaya yang dipancarkan menurut suatu kuantum pada saat tertentu tetapi juga merambat menurut kuanta individual. Hipotesis ini menerangkan efek fotolistrik, yaitu elektron yang terpancar bila frekuensi cahaya cukup tinggi, terjadi dalam daerah cahaya tampak dan ultraviolet.
Hipotesa dari Max Planck dan Einstein menghasilkan rumusan empiris tentang efek fotolistrik yaitu :
hV = Kmaks + hVo

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 foto elektron 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 elektron tersebut lepas. Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam biasanya memerlukan setengah dari energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom bebas dari logam tersebut.
Penafsiran Einstein mengenai foto listrik dikuatkan dengan emisi termionik. Dalam emisi foto listrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedangkan dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakan.
Usul Planck bahwa benda memancarkan cahaya dalam bentuk kuanta tidak bertentangan dengan sifat 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 (f) tertentu oleh partikel bermassa diam (mo). Perubahan ini tidak tergantung dari panjang gelombang foton datang (l).
Hasil pergeseran Compton sangat kecil dan tidak terdeteksi. Hal ini terjadi karena sebagian elektron dalam materi terikat lemah pada atom pusatnya dan sebagian terikat kuat.
Untuk lebih memahami tinjauan teori kuantum dan teori gelombang yang saling melengkapi, amati riak yang menyebar dari permukaan air jika dijatuhkan batu ke permukaan air.
Perhatikan gambar di bawah ini ?
Riak yang menyebar pada permukaan air akan hilang dengan masuknya batu ke dasar.
Gambar Percikan air

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 energi yang terkonsentrasi (terlokalosasi) 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.
Perhatikan gambar berikut :

Gambar  (a) Teori gelombang cahaya menjelaskan difraksi dan interferensi yang tidak dapat dijelaskan oleh teori kuantum.(b) Teori kuantum menjelaskan efek fotolistrik yang tidak dapat di jelaskan oleh teori gelombang.
Bila cahaya melalui celah-celah, cahaya berlalu sebagai gelombang, ketika tiba di layar cahaya berlalu sebagai partikel. Berdasarkan data tersebut, dilakukan eksperimen lanjutan yang meneliti sifat dualisme gelombang dan partikel. Louis de Broglie meneliti keberadaan gelombang melalui eksperimen difraksi berkas elektron.
Louis de Broglie 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. Kilat akan lebih dulu terjadi daripada petir. Kilat menunjukan sifat gelombang berbentuk cahaya, sedangkan petir menunjukan sifat pertikel berbentuk suara.
Prinsip dualitas inilah menjadi titik pangkal berkembangnya mekanika kuantum oleh Erwin Schrodinger. 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”.

Gambar  Erwin Schrodinger dan Werner Heisenberg

Daerah pada ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan suatu elektron disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin Schrodinger. Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron dalam tiga dimensi.
Persamaan Schrodinger

x,y dan z = Posisi dalam tiga dimensi
ψ = Fungsi gelombang
m = massa
E = Energi total
V = Energi potensial
h= h/2π dimana h = konstanta plank dan π = 3,14
Persamaan gelombang dari Schrodinger ini cukup rumit sehingga akan dipelajari dalam fisika kuantum atau mekanika kuantum.
Model atom dengan orbital lintasan elektron ini disebut model atom modern atau model atom mekanika kuantum yang berlaku sampai saat ini, seperti terlihat pada gambar berikut ini.

Gambar Model atom mekanika Kuantum

Awan elektron disekitar inti menunjukan tempat kebolehjadian elektron. Orbital akan menggambarkan tingkat energi elektron. Orbital-orbital dengan tingkat energi yang sama atau hampir sama akan membentuk sub kulit. Beberapa sub kulit bergabung membentuk kulit. Dengan demikian kulit akan terdiri dari beberapa sub kulit dan subkulit terdiri dari beberapa orbital.Walaupun posisi kulitnya sama tetapi posisi orbitalnya belum tentu sama.

Bilangan kuantum yang akan dipelajari ada 4 macam :

1.    Bilangan Kuantum Utama (n)

            Lambang dari bilangan kuantum utama adalah n. Bilangan kuantum utama menyatakan kulit tempat dimana ditemukannya elektron yang dinyatakan dalam bilangan bulat positif. Nilai bilangan itu di mulai dari 1, 2, 3 ampai ke-n.

Jenis-jenis kulit atom berdasarkan konfigurasi elektron tersebut adalah K, L, M dan N. Di bawah ini ditampilkan hubungan jenis kulit dengan bilangan kuantum utama

              Tabel   Hubungan jenis kulit dan nilai bilangan kuantum utama.

Jenis Kulit	Nilai (n)
K	1
L	2
M	3
N	4

Semakin dekat letak kulit atom dengan inti atom maka nilai bilangan kuantum utama semakin kecil (mendekati 1). Sehingga bilangan kuantum utama dapat  digunakan untuk menentukan ukuran orbit (jari-jari) berdasarkan jarak kulit elektron dengan inti atom.

2.    Bilangan Kuantum Azimut (l)

            Bilangan kuantum azimut menyatakan sub kulit tempat elektron berada dan bentuk orbital. Banyaknya subkulit tempat elektron berada tergantung pada nilai bilangan kuantum utama (n). Nilai bilangan kuantum azimut dari 0 sampai dengan (n - 1). Bila n = 1, maka hanya ada satu subkulit yaitu l = 0. Sedangkan n = 2, maka ada dua subkulit yaitu l = 0 dan l = 1. Seandainya dibuat dalam tabel maka akan tampak sebagai berikut :

Tabel  Hubungan bilangan kuantum utama dan azimut serta subkulit.

Bilangan Kuantum Utama (n)	Bilangan Kuantum Azimut (l)	Banyaknya SubKulit
1	0	1
2	0 1	2
3	0 1 2	3
4	0 1 2 3	4

Tabel   Tanda subkulit berdasarkan nilai bilangan kuantum azimut.

Nilai l	Tanda Subkulit	Garis spektrum pada spektroskopi
0	s (sharp)	Terang
1	p (prinsipal)	Terang kedua
2	d (diffuse)	Kabur
3	f (fundamental)	Pembentukan warna

3.       Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Bilangan kuantum magnetik menyatakan orbital tempat ditemukannya elektron pada subkulit tertentu dan arah momentum sudut elektron terhadap inti.

4.       Bilangan Kuantum Spin (s)

Lambang bilangan kuantum spin adalah s yang menyatakan arah rotasi elektron pada porosnya. Ada dua kemungkinan arah rotasi yaitu searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam.

Begitulah elektron yang berotasi, bila searah jarum jam maka memiliki nilai s=+½ dan dalam orbital dituliskan dengan tanda panah ke atas. Sebaliknya untuk elektron yang berotasi berlawanan arah jarum jam maka memiliki nilai s = -½ dan dalam orbital dituliskan dengan tanda panah ke bawah.

Hubungan antara ke-4 bilangan kuantum yaitu bilangan kuantum utama, azimut, magnetik dan spin disajikan pada tabel di bawah ini :

 

Tabel  Hubungan ke empat bilangan kuantum.

Kulit	n	l	M	Sub kulit	Jumlah Orbital	Jumlah Orbital Maksimum
						Subkulit	Kulit
K	1	0	0	1s	1	2	2
L	2	0	0	2s	1	2	8
		1	-1, 0, +1	2p	3	6
M	3	0	0	3s	1	2	18
		1	-1, 0, +1	3p	3	6
		2	-2, -1, 0, +1, +2	3d	5	10
N	4	0	0	4s	1	2	32
		1	-1, 0, +1	4p	3	6
		2	-2, -1, 0, +1, +2	4d	5	10
		3	-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3	4f	7	14

Posted in: Materi Kimia SMA XI