Fisika modern kenneth , spektrum optik

2.1  Spektrum optik

Bila kita mengeksitasikan atau membebaskan salah satu elektron terluar atom, maka transisi yang terjadi berada dalam rentang spektrum tampak, karena itu disebut transisi optik. Karena orde energi ikat elektron-elektron terluar dalam atom adalah sekitar beberapa elektron-volt, maka dibutuhkan tegangan elektrik yang relatif rendah untuk membebaskan sebuah elektron terluar guna menghasilkan transisi optik. Penyerapan dan pemancaran cahaya oleh elektron-elektron inilah yang berperan memberi warna pada bahan (meskipun energi elektron dalam zat padat biasanya sangat berbeda dari yang dalam elektron terpisah). Berbeda dari spektrum sinar-X, yang berubah secara perlahan dan mulus dari satu unsur ke unsur lainnya, spektrum optik dapat memperlihatkan perubahan besar antara unsur satu dan tetangganya, terutama yang memiliki subkulit terisi penuh.

Setelah atom hidrogen, diagram tingkat energi yang mudah dipahami adalah diagram logam alkali (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), yang memiliki satu elektron s di luar kulit teras konfigurasi gas mulia. Dengan demikian, sebagian besar keadaan eksitasinya adalah eksitasi dari elektron tunggal ini, dan spektrum yang dihasilkan mirip spektrum hidrogen, karena muatan inti atomnya, + Ze, terhalangi oleh (Z-1) elektron lainnya. Gambar 2.6 memperlihatkan tingkat energi Li dan Na bersama dengan beberapa transisi spektrum pancar, yang mematuhi aturan Δl = ± 1 seperti transisi dalam atom hidrogen.

Gambar 2.6 (a) Diagram tingkat energi litium, yang memperlihatkan beberapa transisi (dilabelkan dengan nilai panjang gelombang dalam nanometer) dalam daerah optik. Beberapa energi hidrogen yang berkaitan turut diperlihatkan sebagai perbandingan. (b) Diagram tingkat energi natrium. Pemisahan struktur halus dari keadaan 3p membuat tiap tarnsisi yang mengandung keadaan ini terpecah menjadi suatu dublet rapat.

Konfigurasi keadaan dasar bagi litium adalah 1s²2s¹ dan bagi natrium 1s²2s²2p⁶3s¹. Keadaan eksitasi ntuk kedua kasus ini dapat diperoleh dengan memindahkan elektron terluar ke tingkat yang lebih tinggi. Sebagai contoh, keadaan eksitasi pertama dari Li adalah 1s²2p¹; pada keadaan ini elektron 2s telah berpindah ke tingkat 2p. Energi yang diperlukan untuk mencapai transisi ini dapat diberikan melalui berbagai cara, seperti melalui penyerapan sebuah foton atau dengan melewatkan arus elektrik melalui bahannya (dalam wujud gas), seperti dalam lampu tabung gas TL. Elektron tereksitasi pada keadaan 2p, kemudian turun cepat sekali ke keadaan 2s, dengan memancarkan sebuah foton dengan panjang gelombang 670,8 nm. Teras gas mulia tidak berperan dalam eksitasi atau pemancaran ini. Karena itu, dalam mempelajari berbagai tingkat energi dan transisi dalam logam-logam alkali dapat mengabaikan semua elektron pada teras gas mulia, kecuali elektron terluar.

Konfigurasi keadaan dasar helium adalah 1s². Sehingga dapat dihasilkan suatu keadaan eksitasi dengan memindahkan salah satu elektron ini ke tingkat yang lebih tinggi. Jadi, beberapa konfigurasi eksitasi yang mungkin adalah 1s¹2s¹, 1s¹2p¹, 1s¹3s¹, dan seterusnya. Foton dipancarkan jika elektron yang tereksitasi itu bertransisi kembali ke tingkat 1s; aturan seleksi Δl = ± 1 membatasi transisi yang dapat terjadi. Gambar 4.2 memperlihatkan sebagian diagram tingkat energi helium.

Gambar 2.7 Sebagian kecil diagram tingkat energi helium. Perhatikan transisi-transisi Δl = ± 1

Gejala fluoresensi, yang juga disebut “cahaya hitam” (black light), adalah penyebab benderangnya benda bila disinari dengan radiasi ultraviolet. Semua foton dalam daerah ultraviolet, yang tidak tampak bagi manusia, memiliki energi yang lebih tinggi daripada yang dalam daerah tampak. Karena itu, jika sebuah foton ultraviolet diserap oleh sebuah atom, maka semua elektron terluarnya (yang menyebabkan transisi optik) tereksitasikan ke tingkat-tingkat yang lebih tinggi. Ketika bertransisi kembali ke keadaan dasar, elektron-elektron tersebut memancarkan berbagai foton dalam daerah tampak. Benda yang benderang bila disinari dengan cahaya ultraviolet seringkali memperlihatkan warna biru atau ujung violet spektrum cahaya tampak (yang tidak terlihat bila bendanya disinari dengan cahaya tampak). Efek ini dapat dipahami dengan meninjau susunan cahaya matahari dan keadaan eksitasi suatu atom khayal. Intensitas cahaya matahari yang tinggi terkumpul pada bagian tengah spktrum tampak, yaitu pada bagian kuning; sedangkan pada ujung merah atau biru, intensitas cahaya matahari kecil sekali. Foton “kuning” memiliki energi untuk mengeksitasikan atom khayal ke tingkat 1 dan 2., tetapi tidak cukup untuk mencapai tingkat 3. Tetapi foton ultraviolet, yang lebih tinggi energinya, memiliki energi yang cukup besar untuk mengeksitasikan atom khayal tersebut cukup untuk mencapai ketiga tingkat. Karena itu, cahaya yang dipancarkan atom khayal ini memiliki komponen biru yang lebih kuat apabila dieksitasikan dengan cahaya ultraviolet ketimbang dieksitasikan dengan cahaya matahari.