Bohr & Misteri Spektrum Cahaya

Planet vs Elektron: Sebuah Masalah

Bayangkan tata surya kita. Planet-planet mengorbit matahari di jarak tertentu, tapi secara teori fisika klasik, kita bisa meletakkan planet di jarak mana pun asalkan energinya pas. Orbit planet itu kontinu — ibarat kamu bisa berdiri di titik mana saja pada sebuah bidang miring yang mulus.

Awalnya, ilmuwan (lewat model atom Rutherford) mengira atom itu bekerja persis seperti tata surya: elektron mengorbit inti bebas di sembarang jarak. Tapi ada satu masalah besar yang membingungkan.

Kalau teori planet itu benar diterapkan ke elektron, energi elektron akan terkuras dan akhirnya ia bergerak spiral menabrak inti atom dalam sekejap! Selain itu, pancaran energinya akan terus-menerus melemah perlahan, sehingga cahayanya berbentuk spektrum warna pelangi yang utuh (kontinu).

Namun faktanya, atom itu sangat stabil. Terlebih lagi, kalau kamu memanaskan gas hidrogen, cahaya yang dipancarkan tidak kontinu, melainkan hanya muncul di warna-warna tertentu saja (garis-garis diskrit).

Gambar: Umop503, CC0 — Wikimedia Commons

Jelas bahwa analogi "planet yang bisa mengorbit di sembarang jarak" ini gagal menjelaskan kenyataan di dunia atom. Harus ada aturan baru!

Aturan Bohr: Tangga, Bukan Bidang Miring

Melihat kebuntuan fisika klasik, fisikawan Niels Bohr mengajukan ide revolusioner: Elektron tidak bebas berada di sembarang jarak!

Bohr menyatakan bahwa elektron HANYA diizinkan berada pada lintasan spesifik yang punya tingkat energi tetap. Alih-alih bidang miring (di mana kamu bisa berdiri di ketinggian 1 meter, 1,2 meter, atau 1,234 meter), lintasan elektron ini mirip seperti anak tangga.

Kamu bisa berdiri kokoh di anak tangga ke-1 (kita sebut $n=1$), atau lompat ke anak tangga ke-2 ($n=2$), tapi kamu sama sekali tidak bisa melayang di antara keduanya (tidak ada orbit $n=1.5$). Saat elektron berada teguh di lintasan yang diizinkan ini, kondisinya stasioner—artinya, elektron ajaibnya tidak memancarkan energi, sehingga atom tidak runtuh.

Inilah jawaban yang menumbangkan model klasik: Elektron TIDAK bisa mengorbit pada sembarang jarak dengan energi berapa pun. Mereka tertahan pada orbit terkuantisasi. Ini secara langsung membuktikan bahwa Pernyataan V pada soal adalah SALAH.

Hukum Kekekalan: Ke Mana Energi Pergi?

Elektron tidak selamanya diam di satu tempat. Saat atom diberi energi (misal dari panas atau listrik), elektron bisa "melompat" naik ke orbit luar yang energinya lebih tinggi (misal dari $n=2$ ke $n=3$). Namun, kondisi di orbit luar ini kurang stabil. Elektron secara alami akan "turun kasta" kembali ke orbit yang lebih dalam.

Nah, ketika elektron melompat turun dari anak tangga tinggi ke anak tangga yang lebih rendah, ada selisih energi dari lintasan tersebut. Pertanyaannya: Hukum Kekekalan Energi bilang energi gak bisa musnah, lalu ke mana perginya energi sisa tersebut?

Energi sisa itu secara harfiah dibuang keluar dari atom agar elektron bisa muat masuk ke lintasan barunya yang lebih rendah energinya.

Besar energi yang dibuang ini sama mutlak dengan selisih energi dari kedua tingkat lintasan tersebut. $\Delta E = E_{awal} - E_{akhir}$