Bohr dan Spektrum Game Elektron
Beda Pelangi dan Spektrum Diskrit
Gambar: Nucleus hydro elemon, CC0 — Wikimedia Commons
Spektrum garis hidrogen hanya memancarkan warna-warna spesifik, bukan warna pelangi yang menyambung. Jika kita mengarahkan cahaya matahari atau lampu pijar melewati sebuah prisma kaca, cahaya tersebut akan terurai menjadi spektrum kontinu: deretan warna yang mengalir mulus tanpa celah dari merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, hingga ungu. Semua panjang gelombang cahaya hadir tanpa terputus sedikit pun.
Namun hal yang sama sekali berbeda terjadi saat gas hidrogen di dalam tabung hampa dialiri tegangan listrik tinggi. Gas tersebut memendarkan cahaya, tetapi ketika dilewatkan ke prisma, yang terlihat di layar detektor bukanlah pelangi. Layar justru gelap gulita, kecuali 4 garis warna tipis yang terpisah tegas: merah, sian, biru, dan ungu. Inilah yang disebut spektrum garis (diskrit). Sebelum Niels Bohr mengajukan teorinya, keberadaan garis-garis terpisah ini menjadi misteri besar bagi para fisikawan karena fisika klasik meramalkan atom seharusnya memancarkan cahaya secara kontinu.
Seorang ilmuwan memanaskan tabung berisi gas hidrogen dan mengarahkan pancaran cahayanya melewati prisma ke layar detektor. Pola apa yang akan tampak pada layar?
- Rentetan warna pelangi yang menyatu mulus tanpa celah sedikit pun
- Satu bidang warna solid yang menutupi seluruh layar detektor
- Beberapa garis cahaya tipis dengan warna tertentu yang dipisahkan ruang gelap
- Latar belakang pelangi terang yang disilang oleh beberapa garis-garis gelap
Jawaban: Beberapa garis cahaya tipis dengan warna tertentu yang dipisahkan ruang gelap
Gas hidrogen yang dipanaskan memancarkan spektrum emisi diskrit (berupa garis-garis tipis berwarna terang dengan latar belakang gelap), bukan spektrum kontinu seperti pelangi. Opsi A keliru karena pelangi mulus berasal dari cahaya putih (spektrum kontinu). Opsi B keliru karena pendaran hidrogen terurai menjadi beberapa garis panjang gelombang spesifik. Opsi D keliru karena garis gelap di atas latar pelangi merupakan spektrum absorpsi (penyerapan), bukan emisi.
Ciri khas spektrum emisi atom hidrogen dibandingkan cahaya putih
Level Game dalam Atom Bohr
Elektron hanya bisa berada di lintasan spesifik dengan energi tertentu, sama seperti karakter game yang hanya bisa berada di level tertentu.
Untuk memecahkan teka-teki spektrum garis, Niels Bohr mengusulkan bahwa elektron di dalam atom tidak berputar secara bebas. Bayangkan sebuah permainan platformer 2D: karakter game kamu hanya bisa berpijak di Lantai 1, Lantai 2, atau Lantai 3. Tidak ada aturan dalam game yang membiarkan karakter melayang diam di "Lantai 1,5". Dalam atom hidrogen, lintasan-lintasan yang diizinkan ini disebut sebagai tingkat energi atau lintasan stasioner. Aturan pembatasan nilai ini dikenal dengan istilah kuantisasi.
Aturan kuantisasi ini secara langsung membantah Opsi E (yang menyatakan bahwa elektron dapat mengorbit pada sembarang jarak dengan energi berapa pun). Menurut Bohr, elektron terikat pada orbit dengan jari-jari dan energi tertentu saja. Ruang di antara dua orbit bukanlah tempat yang diizinkan bagi elektron untuk menetap.
Tentukan Benar atau Salah untuk tiap pernyataan mengenai lintasan elektron menurut Bohr:
- Elektron dapat mengorbit inti atom pada sembarang jarak asalkan energinya mencukupi. — Salah
- Tidak ada posisi orbit yang diizinkan bagi elektron di ruang antara dua tingkat energi yang berdekatan. — Benar
Pernyataan pertama SALAH karena menurut Bohr, elektron hanya boleh mengorbit pada lintasan stasioner spesifik dengan radius tertentu (terkuantisasi), tidak bisa pada sembarang radius. Pernyataan kedua BENAR karena energi dan orbit elektron terkuantisasi, sehingga ruang di antara dua tingkat energi yang berdekatan bukanlah orbit yang diizinkan untuk ditempati elektron.
Prinsip kuantisasi lintasan elektron pada model atom Bohr
Turun Level dan Foton
Garis spektrum muncul karena foton dilepaskan saat elektron turun dari level energi tinggi ke level energi yang lebih rendah.
Bagaimana garis-garis cahaya berwarna terbentuk? Saat atom menyerap energi dari luar, elektron melompat naik ke tingkat energi yang lebih tinggi (keadaan tereksitasi). Namun, elektron tidak bertahan lama di posisi tersebut. Ketika karakter elektron melompat turun dari orbit luar ke orbit yang lebih dalam—misalnya dari Lantai 3 ke Lantai 2—ia membawa energi berlebih yang harus dilepaskan ke lingkungan.
Elektron melepaskan kelebihan energi tersebut dengan "melemparkan koin", yaitu memancarkan sebuah partikel cahaya yang disebut foton. Fakta ini membuktikan kebenaran Opsi D: setiap garis pada spektrum emisi atom mewakili peristiwa transisi elektron dari satu tingkat energi ke tingkat energi lain yang lebih rendah.
Besar energi foton yang dilepaskan tidak sembarangan, melainkan sama persis dengan selisih energi antara kedua lintasan yang terlibat:
$$E_{\text{foton}} = E_{\text{awal}} - E_{\text{akhir}}$$
Persamaan ini mengonfirmasi kebenaran Opsi C. Karena posisi tiap orbit sudah terkuantisasi secara pasti, maka selisih energinya pun bernilai pasti. Selisih energi yang spesifik inilah yang menghasilkan foton dengan warna (panjang gelombang) tertentu, menciptakan garis-garis diskrit dan bukan spektrum kontinu.
Sebuah tabung gas hidrogen memancarkan seberkas cahaya biru tipis setelah dialiri listrik. Menurut teori Bohr, dari manakah asal berkas cahaya tersebut?
- Inti atom bergetar sangat kencang dan melepaskan radiasi elektromagnetik berlebih.
- Elektron berpindah dari tingkat energi lebih tinggi ke lebih rendah sambil melepaskan foton cahaya.
- Elektron memantulkan kembali berkas gelombang cahaya dari aliran listrik di sekitarnya.
- Elektron menyerap energi foton saat dipaksa berpindah ke tingkat energi orbit yang lebih luar.
Jawaban: Elektron berpindah dari tingkat energi lebih tinggi ke lebih rendah sambil melepaskan foton cahaya.
Cahaya spesifik pada spektrum emisi dihasilkan ketika elektron melompat turun dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat yang lebih rendah, melepaskan selisih energinya dalam wujud partikel cahaya (foton). Opsi A keliru karena emisi spektrum berasal dari transisi elektron, bukan getaran inti atom. Opsi C keliru karena atom mengemisikan cahayanya sendiri akibat transisi elektron, bukan memantulkan cermin. Opsi D keliru karena penyerapan cahaya terjadi saat elektron naik level (absorpsi), bukan saat memancarkan cahaya emisi.
Penyebab terjadinya garis spektrum emisi diskrit berdasarkan energi foton