Tingkat energi dan spektra garis
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| discrete/dɪˈskriːt/ | diskrit |
| energy levels/ˈenədʒi ˈlevlz/ | tingkat energi |
| ground state/ɡraʊnd steɪt/ | keadaan dasar |
| excited states/ekˈsaɪtɪd steɪts/ | keadaan tereksitasi |
| emission spectrum/ɪˈmɪʃn ˈspektrəm/ | spektrum emisi |
| transition/trænˈsɪʃn/ | transisi |
| absorption spectrum/əbˈsɔːpʃn ˈspektrəm/ | spektrum penyerapan |
Setiap unsur memiliki kode batang
- Lampu jalan natrium berwarna oranye. Rambu neon berwarna merah. Lampu merkuri berwarna putih kebiruan. Tidak satupun bisa dipaksa menjadi warna lain.
- Pisahkan cahaya itu dengan prisma dan Anda tidak akan mendapatkan pelangi. Anda akan melihat beberapa garis tajam, selalu pada panjang gelombang yang sama untuk unsur tersebut.
- Garis-garis inilah cara kita mengetahui komposisi Matahari dan setiap bintang jauh tanpa harus pergi ke sana.
- Pelajaran ini menjelaskan mengapa garis-garis itu ada: tingkat energi diskrit di dalam atom, dan $hf = E_2 - E_1$.
Tingkat energi diskrit
- Dalam atom terisolasi, elektron hanya dapat berada pada energi diskrit tertentu, tidak pernah di antaranya. Energi terendah adalah keadaan dasar; sisanya adalah keadaan tereksitasi.
- Secara konvensi, energinya ditulis negatif, dengan $E = 0$ untuk elektron yang baru saja bebas dari atom. Untuk hidrogen, keadaan dasarnya adalah $E_1 = -13.6\ \text{eV}$, dan tingkat yang lebih tinggi merangkak naik menuju nol.
- Tanda negatif berarti terikat. Angka menunjukkan berapa banyak energi yang harus disuplai untuk melepaskan elektron sepenuhnya.
- Tingkat-tingkat tersebut semakin berdekatan saat naik, itulah sebabnya garis spektrum memadat menuju ujung panjang gelombang pendek.
Tangga yang semakin rapat saat memanjat
Elektron dalam atom hanya dapat menempati tingkat energi ____ tertentu.
Tingkat-tingkatnya diskrit (terkuantisasi)—elektron tidak dapat memiliki energi di antaranya.
Tingkat energi atom ditulis sebagai negatif, dengan 0 untuk elektron yang baru bebas.
Keadaan terikat paling kuat (dasar) adalah yang paling negatif; energi naik menuju 0 saat elektron dibebaskan.
Emisi: satu jatuh, satu foton
- Ketika elektron jatuh dari tingkat lebih tinggi $E_2$ ke tingkat lebih rendah $E_1$, ia memancarkan satu foton:
- Kedua energi bernilai negatif dan selisihnya positif, jadi kurangkan dengan hati-hati: $-3.40 - (-13.6) = 10.2\ \text{eV}$.
- Karena tingkatnya diskrit, hanya energi foton tertentu yang keluar. Spektrum emisi adalah kumpulan garis terang tajam di latar belakang gelap, satu garis per transisi.
Sedikit garis, selalu yang sama
Membuat garis spektral suatu unsur
Elektron yang turun antara tingkat energi tetap memancarkan foton dengan energi tepat sebesar selisihnya—panjang gelombang dan warna yang tetap. Setiap lompatan adalah satu garis dari kode batang unsur tersebut.
Ketika elektron turun dari tingkat $E_2$ ke $E_1$, foton yang dipancarkan memiliki energi:
$hf = E_2 - E_1$ — jumlah positif, karena $E_2$ adalah tingkat yang lebih tinggi (kurang negatif).
Menjelaskan spektrum garis, soal empat poin standar
- Satu. Elektron dalam atom terisolasi hanya dapat menempati tingkat energi diskrit.
- Dua. Elektron dalam keadaan tereksitasi jatuh ke tingkat lebih rendah, dan energi yang hilang dipancarkan sebagai satu foton.
- Tiga. Energi foton sama dengan selisih antara dua tingkat, $hf = E_2 - E_1$, sehingga hanya frekuensi tertentu yang dipancarkan.
- Empat. Setiap transisi yang mungkin menghasilkan satu garis, dan himpunan tingkat yang sama selalu menghasilkan garis yang sama, itulah sebabnya spektrum mengidentifikasi unsur.
- Keempat poin ini adalah nilai terpisah. Jawaban yang berhenti setelah "tingkatnya diskrit" hanya mendapat satu poin.
Spektrum emisi terlihat seperti:
Transisi diskrit menghasilkan panjang gelombang diskrit — garis terang. (Garis gelap pada latar terang adalah spektrum absorpsi.)
Susunlah penjelasan empat poin mengenai spektrum emisi garis secara berurutan.
Keempat ide diberi nilai separately. Berhenti di "tingkatnya diskrit" mengumpulkan satu dari empat poin.
Contoh terpecahkan: garis ultraviolet hidrogen
- Empat tingkat terendah hidrogen adalah $-13.6$, $-3.40$, $-1.51$ dan $-0.85\ \text{eV}$. Temukan panjang gelombang ketiga garis dari transisi ke keadaan dasar, dan berapa banyak garis total yang diberikan oleh keempat tingkat tersebut.
- $2 \to 1$: $\Delta E = 10.2\ \text{eV}$, sehingga $\lambda = 1240/10.2 = 122\ \text{nm}$.
- $3 \to 1$: $12.09\ \text{eV}$, $\lambda = 103\ \text{nm}$. $4 \to 1$: $12.75\ \text{eV}$, $\lambda = 97.3\ \text{nm}$. Ketiganya adalah ultraviolet, dan loncatan terbesar menghasilkan panjang gelombang terpendek.
- Total: $4\to3$, $4\to2$, $4\to1$, $3\to2$, $3\to1$, $2\to1$, jadi enam garis. Hitung setiap pasangan penurunan, bukan hanya yang jatuh ke keadaan dasar.
- Garis merah terlihat hidrogen adalah $3\to2$: $1.89\ \text{eV}$, $656\ \text{nm}$.
Elektron turun dari $-1.5\ \text{eV}$ ke $-3.4\ \text{eV}$. Berapakah energi foton yang dipancarkan?
$hf = E_2 - E_1 = (-1.5) - (-3.4) = 1.9\ \text{eV}$.
Berapa banyak garis spektral berbeda yang dapat dihasilkan oleh empat tingkat energi?
Setiap pasangan menurun dihitung: 4-3, 4-2, 4-1, 3-2, 3-1, 2-1. Secara umum n tingkat menghasilkan n(n-1)/2 garis, bukan n-1.
Dari tingkat ke garis
- Aturan mencocokkan diagram dengan spektrum singkat: celah energi terbesar menghasilkan frekuensi tertinggi dan panjang gelombang terpendek.
- Jadi panah terlebar pada diagram tingkat adalah garis paling ke kiri pada skala panjang gelombang.
- Dua atom dengan tingkat yang sepenuhnya berbeda tetapi memiliki celah yang sama memancarkan garis yang sama. Celah menentukan warna, bukan salah satu tingkat secara mandiri.
Panah terlebar, garis paling kiri
Pasangkan setiap transisi dengan garis yang dihasilkannya.
Frekuensi dan panjang gelombang bergerak berlawanan arah, di sinilah letak sebagian besar kebingungan dalam tipe soal ini.
Pada diagram tingkat energi, lompatan menurun terbesar menghasilkan garis dengan ____ panjang gelombang.
Celah terbesar, energi foton terbesar, frekuensi tertinggi, panjang gelombang terpendek. Pada skala panjang gelombang, garis itu berada paling jauh ke kiri.
Penyerapan: garis yang sama, gelap
- Teruskan cahaya putih melalui gas dingin dan foton yang energinya sesuai tepat dengan transisi naik akan diserap, mengangkat elektron ke tingkat yang lebih tinggi.
- Hasilnya adalah garis gelap pada latar belakang terang kontinu, spektrum penyerapan, pada panjang gelombang yang sama persis dengan yang dipancarkan gas tersebut.
- Bagian halus, dan bagian bernilai: elektron tereksitasi segera jatuh kembali dan memancarkan ulang foton dengan energi yang sama, tetapi ke arah acak, sehingga hampir tidak ada yang melanjutkan sepanjang sinar asli.
- Segala hal lain dalam cahaya putih tidak cocok dengan celah apa pun dan tembus lurus. Garis gelap Matahari terbentuk oleh gas yang lebih dingin di lapisan luarnya.
Pelangi dengan bagian yang hilang
Gas menyerap cahaya pada panjang gelombang yang sama dengan yang dipancarkannya.
Selisih energi yang sama berlaku untuk kedua arah — sehingga garis absorpsi tepat berada di posisi garis emisi.
Mengapa gas dingin menghasilkan garis gelap dalam spektrum kontinu? Pilih semua yang berlaku.
Arah acak adalah poin yang dinilai. Absorpsi saja tidak akan menggelapkan garis, karena energi bisa saja terus berjalan ke depan.
Contoh dikerjakan: dari panjang gelombang menjadi celah
- Laser memancarkan cahaya merah dengan panjang gelombang $650\ \text{nm}$ ketika elektron turun antara dua tingkat. Temukan celah energi.
- $\Delta E = \dfrac{hc}{\lambda} = \dfrac{1240}{650} = 1.91\ \text{eV} = 3.1\times10^{-19}\ \text{J}$.
- Gunakan $hc = 1240\ \text{eV nm}$ jika jawaban diminta dalam eV, dan $hc = 1.99\times10^{-25}\ \text{J m}$ jika diminta dalam joules. Mencampurnya adalah kesalahan standar.
- Perhatikan apa yang dapat dan tidak dapat dikatakan soal: celah, bukan salah satu tingkat. Dua atom berbeda dengan celah yang sama memberikan garis yang sama.
Laser memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 650 nm. Berapakah selisih energi antara dua tingkat tersebut, dalam eV?
1240/650 = 1.91 eV. Pengukuran menetapkan SELISIHNYA, bukan salah satu tingkat: dua atom berbeda dengan selisih energi yang sama memancarkan garis yang sama.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- Tingkat energi negatif. Mengurangkannya dengan cara yang salah menghasilkan energi foton negatif dan panjang gelombang negatif.
- $n$ tingkat menghasilkan $\tfrac{1}{2}n(n-1)$ garis, bukan $n - 1$. Hitung setiap pasangan.
- Celah terbesar menghasilkan panjang gelombang terpendek. Kedua kata bergerak berlawanan arah.
- Untuk penyerapan, katakan pemancaran ulang terjadi ke arah acak. "Foton diserap" saja tidak menjelaskan garis gelap, karena energi bisa saja berlanjut ke depan.
- Konversi eV ke joules sebelum dicampur dengan besaran SI, atau tetap dalam eV dan gunakan $1240\ \text{eV nm}$ sepanjang waktu.
Anda telah memahaminya
- elektron dalam atom terisolasi menempati tingkat energi diskrit yang negatif, yang terendah adalah keadaan dasar
- penurunan dari $E_2$ ke $E_1$ memancarkan satu foton dengan $hf = E_2 - E_1$, menghasilkan garis terang tajam yang unik untuk unsur tersebut
- spektrum penyerapan adalah garis gelap pada latar belakang terang pada panjang gelombang yang sama, karena foton yang dipancarkan ulang pergi ke arah acak
- celah energi terbesar menghasilkan frekuensi tertinggi dan panjang gelombang terpendek, dan $n$ tingkat menghasilkan $\tfrac{1}{2}n(n-1)$ kemungkinan garis