Spektra Atom Hidrogen

1.      Spektrum Radiasi Elektromagnetik

Spektrum (jamak, “spectra”) adalah suatu petunjuk berupa frekuensi atau panjang gelombang yang mempresentasikan energi radiasi gelombang magnetic pada range tertentu. Spektra bisa diklasifikasikan sebagai spectra emisi dan absorpsi.

Ketika radiasi elektromagnetik dikenai pada sampel, radiasi yang diemisikan disebut dengan spectrum emisi. Ketika radiasi elektromagnetik diserap oleh sampel radiasinya disebut spectra absorpsi.

Spectra bisa dikelompokkan sebagai kontinyu, pita dan garis. Spektrum kontinyu memiliki jarak frekuensi atau panjang gelombang yang secara kontinyu tanpa ada jeda.

Ketika suatu cahaya putih matahari di lewati pada celah dan hadapkan pada sebuah prisma segitiga, maka akan dihasilkan spectra yang kontinyu beberapa warna dengan panjang gelombang 500-600 nm. Seperti gambar berikut:

Spektrum pita diidentikkan dengan molekul, memiliki jeda pada frekuensinya. Spektranya digambarkan dengan garis-garis berwarna yang saling berdekatan dan dipisahkan dengan gap atau jeda. Seperti gambar berikut :

Spketrum garis ditunjukkan dengan satu garis yang berlawanan dengan latar hitam. Spektra ini dihasilkan jika atom tereksitasi dalam fase gasa mengemisikan cahaya. Spectrum emisi garis gas Hidrogen pada daerha visible seperti pada gambar berikut :

Semua senyawa bisa mengahasilkan spectra emisi ketika mereka dieksitasikan dengan berbagai cara, dengan melintasi suatu listrik atau pembakaran. Spectra emisi pada suatu unsur terdapat pada daerah UV dan visible (terlihat).

2.      Spektrum Emisi Atom Hidrogen

Spectra ini dihasilkan dengan melewati lintasan listrik yang melewati gas hydrogen pada tekanan rendah. Energi yang diberikan memutus ikatan kovalen pada molekul hydrogen menjadi atom hydrogen pada energi terendah (ground-state).

3.      Johann Jacob Balmer

Lahir pada Mei 1, 1825 dan meninggak Maret 12, 1898 adalah matematikawan Swiss dan fisikawan matematika. 

Johann Balmer, seorang guru Swiss, menemukan spectra garis pada tahun 1885. Dia menemukan ada 4 panjang gelombang yang berbeda pada spectrum garis hydrogen. Itu artinya ada  4 garis.

Di gambarkan dengan rumus berikut :

Keterangan : Balmer Constanta : 109.678, 7 cm^-1

n = 2

m = 3, 4, 5, 6, ~

λ limit = 364,5 saat  m  ∞

            dengan adanya 4 spektra tersebut menjadi pertanyaan kenapa dihasilkan 4 spektra, kenapa tidak hanya satu karena atom hydrogen hanya memiliki satu buah elektron. Berarti kemungkinan ada paket-paket energi pada atom hydrogen tersebut.

4.      Eksperimen Lyman

Akhirnya Lyman melakukan eksperimen kembali. Dia melewati cahaya pada tabung yang berisi atom hydrogen. Ada energi yang diserap ada yang diemisikan sebgai cahaya. Cahaya tersebut dilanjutkan pada perak nitrat AgNO₃ .

Ag⁺ + hv à Ag (Perak di cuci dengan larutan NH3)

Ag+ + NH₃ à [Ag(NH₃)₂]⁺

Adanya cahaya tersebut menyebabkan Ag⁺ menjadi Ag endapan. Dan dihasilkan spectra gelap terang. Dimana yang gelap (kosong) menunjukkan sinarnya diabsorp oleh atom hydrogen, dan yang terang tidak diserap oleh atom hydrogen.

Jika ada transisi, maka akan ada spectra garis pada spectrum emisi gas hidorgen seperti gambar berikut.

Lyman terjadi pada keadaan dasar n=1, deret Balmer pada n=2, Paschen n=3 dan Brackett pada n=4. Deret Balmer terjadi pada daerah UV visible, deret Lyman pada daerah UV. Jadi, atom hydrogen menyerap dan beremisi memiliki ciri spectra tersendiri.  Rumus Balmer adalah seluruhnya secara empiris. Bukan teori. Memang sesuai dengan persamaan tapi tidak ada yang tahu mengapa. Mengapa ada beberapa spectra yang dihasilkan dan itu berada pada daerah yang berbeda disetiap eksperimen. Pada tahun 1885, Balmer menulis sebuah pernyataan :

“Menurut pandangan saya, bahawa Hidrogen adalah lebih dari unsur yang lain yang ditakdirkan untuk membuka jalan kecil yang baru pada pengetahuan struktur materi dan sifatnya. Pada hal yang mulia ini, hubungan panjang gelombang yang pertama dari keempat pada spectra garis atom hydrogen seharusnya menarik perhatian kita”

Apa hal yang penting atas spectrum garis gas hydrogen?

Ia mengindikasikan bahwa hanya energi tertentu yang diperbolehkan untuk sampai pada elektron atom hydrogen. Dengan kata lain, energi elektron tersebut adalah terkuantisasi. Energi elekrton pada atom hydrogen harus dibandingkan dengan energi potensial sebuah bola pada sebuah tangga. Seperti ilustrasi berikut :

Ketika elektron mengalami transisi dari level energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah maka energi cahaya di dilepaskan. Setiap transisi terjadi pada frekuensi dan panjang gelombang tertentu dan digambarkan dengan spectra garis.

Energi juga bisa terjadi dengan eksitasinya elektron dari keadaan dasar ke keadaan energi yang lebih tinggi. Seperti gambar berikut :

Elektron atom hydrogen saat tereksitasi dari energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah :

5.      Rumus Rydberg

1890 Johannes Robert Rydberg, fisikawan Swedish, dengan mengadaptasi persamaan Balmer,  ia menjeneralisasikan rumus Balmer dan menunjukkan aplikaisnya dengan lebih luas. Dia mampu menunjukkan setiap garis dari seluruh spectra hydrogen melalui persamaan Balmer-Rydberg :

  m >> n

Jika n=1, menghasilkan deret Lyman. n= deret Balmer dan n=3 deret Paschen.

Berikut contoh perhitungan menghitung panjang gelombang deret Balmer dengan menggunakan rumus Rydberg ketika m=3.