Pengertian Elektron, Sejarah, Massa, Orbit, dan Level Energinya

Posted on

Pengertian Elektron, Sejarah, Massa, Orbit, dan Level Energinya – Elektron adalah partikel subatomik stabil yang paling dikenal. Partikel ni membawa muatan negatif, yang dianggap sebagai satuan dasar muatan listrik. Massa elektron adalah 9,10938356 × 10 −31 kg , yang hanya 1/1,836 massa proton . Oleh karena itu elektron dianggap hampir tidak bermassa dibandingkan dengan proton atau neutron , dan massa elektron tidak termasuk dalam hitungan nomor massa dari suatu atom .

Elektron ditemukan pada tahun 1897 oleh fisikawan Inggris J.J Thomson selama penyelidikan sinar katoda . Penemuan elektronnya, yang awalnya ia sebut sel-sel korpuscles, memainkan peran penting dalam merevolusi pengetahuan struktur atom. Dalam kondisi biasa elektron terikat ke inti atom bermuatan positif oleh daya tarik antara muatan listrik yang berlawanan. Dalam atom netral, jumlah elektron identik dengan jumlah muatan positif pada inti atom. Setiap atom, mungkin memiliki lebih banyak atau lebih sedikit elektron daripada muatan positif dan dengan demikian bermuatan negatif atau positif secara keseluruhan atom bermuatan ini dikenal sebagai ion. Tidak semua elektron dikaitkan dengan atom;beberapa terjadi dalam keadaan bebas dengan ion dalam bentuk materi yang dikenal sebagai plasma .

Dalam suatu atom tertentu, elektron bergerak di sekitar nukleus dalam susunan yang teratur orbital, daya tarik antara elektron dan nukleus mengatasi tolakan di antara elektron-elektron yang sebaliknya akan menyebabkan mereka terbang terpisah. Orbital-orbital ini diorganisasikan dalam kulit konsentris yang bergerak keluar dari nukleus dengan jumlah subkelop yang meningkat. Elektron dalam orbital yang paling dekat dengan inti diikat paling erat; mereka yang berada di orbital terluar terlindung oleh elektron-elektron yang melakukan intervensi dan yang paling longgar dipegang oleh nukleus. Ketika elektron bergerak di dalam struktur ini, elektron membentuk awan muatan negatif yang menempati hampir seluruh volume atom. Susunan struktural elektron yang terperinci dalam suatu atom disebut sebagai konfigurasi elektron dari atom. Konfigurasi elektron tidak hanya menentukan ukuran atom individu tetapi juga sifat kimia atomnya. Klasifikasi unsur – unsur dalam kelompok unsur-unsur serupa dalam tabel periodik , misalnya, didasarkan pada kesamaan dalam struktur elektron mereka.

Dalam bidang fisika partikel, ada dua cara untuk mengklasifikasi elektron. Elektron adalah afermion , sejenis partikel yang dinamai sesuai statistik Fermi-Dirac yang menggambarkan perilakunya. Semua fermion dicirikan oleh nilai setengah-bulat dari spin mereka , di mana spin sesuai dengan momentum sudut intrinsik dari partikel. Konsep spin diwujudkan dalam persamaan gelombang untuk elektron yang dirumuskan oleh PAM Dirac.

Persamaan gelombang Dirac juga memprediksi keberadaan mitra antimateri dari elektron, yaitu positron. Dalam kelompok fermion partikel subatomik, elektron dapat diklasifikasikan lebih lanjut sebagai lepton . Lepton adalah partikel subatomik yang hanya bereaksi oleh gaya elektromagnetik , lemah , dan gravitasi yang tidak merespon kekuatan kuat jarak dekat yang bertindak di antara quark dan mengikat proton dan neutron dalam inti atom.

Daya, massa, dan putaran

Para ilmuwan telah mengetahui sejak akhir abad ke-19 bahwa elektron memiliki muatan listrik negatif. Nilai muatan ini pertama kali diukur oleh fisikawan Amerika Robert Millikan antara 1909 dan 1910. Dalam percobaan Tetes Minyak Millikan, ia menangguhkan tetes minyak kecil di sebuah ruangan yang berisi kabut minyak. Dengan mengukur tingkat jatuhnya tetes minyak, ia mampu menentukan beratnya. Tetes minyak yang memiliki muatan listrik (diperoleh, misalnya, oleh gesekan ketika bergerak di udara) kemudian dapat diperlambat atau dihentikan dengan menerapkan gaya listrik.

Dengan membandingkan gaya listrik yang diterapkan dengan perubahan gerak, Millikan mampu menentukan muatan listrik pada setiap tetes. Setelah dia mengukur banyak tetes, dia menemukan bahwa muatan pada mereka semua adalah kelipatan sederhana dari satu angka. Unit dasar muatan ini adalah muatan pada elektron, dan muatan yang berbeda pada tetesan minyak berhubungan dengan mereka yang memiliki 2, 3, 4, … elektron tambahan pada mereka.

Muatan pada elektron sekarang diterima menjadi 1.602176565 × 10 −19 coulomb . Untuk karya ini Millikan dianugerahi Hadiah Nobel dibidang Fisika pada tahun 1923.

Percobaan tetes minyak milikan 1909 dan 1910, fisikawan Amerika, Robert Millikan melakukan serangkaian eksperimen penurunan minyak. Dengan membandingkan gaya listrik yang diterapkan dengan perubahan dalam gerakan tetes minyak, ia dapat menentukan muatan listrik pada setiap tetes. Dia menemukan bahwa semua tetes memiliki muatan yang kelipatan sederhana dari satu angka, yaitu muatan fundamental elektron.

Muatan pada proton sama besarnya dengan yang ada pada elektron tetapi berlawanan dengan tanda (—) yaitu, proton memiliki muatan positif. Karena muatan listrik berlawanan menarik satu sama lain, ada kekuatan yang menarik antara elektron dan proton. Gaya ini adalah apa yang membuat elektron tetap berada di orbit sekitar inti atom, sesuatu hal seperti cara gravitasi membuat Bumi mengorbit Matahari .

Elektron memiliki massa sekitar 9,109382911 × 10 −28 gram. Massa proton atau neutron sekitar 1,836 kali lebih besar. Ini menjelaskan mengapa massa atom terutama ditentukan oleh massa proton dan neutron dalam nukleus.

Elektron memiliki sifat intrinsik lainnya . Salah satunya disebut spin. Elektron dapat digambarkan sebagai sesuatu seperti Bumi, berputar di sekitar sumbu rotasi. Faktanya, sebagian besar partikel dasar memiliki sifat ini. Tidak seperti Bumi, mereka ada di dunia subatomik dan diatur oleh hukum mekanika kuantum. Oleh karena itu, partikel-partikel ini tidak dapat berputar dengan cara sembarang, tetapi hanya pada tingkat spesifik tertentu. Angka ini bisa 1 / 2 , 1, 3 / 2 , 2, … kali unit dasar rotasi. Seperti proton dan neutron, elektron memiliki spin 1/2 .

Partikel dengan setengah-bilangan bulat berputar disebut fermion, fisikawan Amerika Italia Enrico Fermi , yang menyelidiki sifat mereka di paruh pertama abad ke-20. Fermion memiliki satu properti penting yang akan membantu menjelaskan baik cara elektron diatur dalam orbitnya dan cara proton dan neutron diatur di dalam nukleus. Mereka tunduk pada Prinsip Pengecualian Pauli (nama untuk fisikawan Austria Wolfgang Pauli ), yang menyatakan bahwa tidak ada dua fermion dapat menempati orbit yang sama. Contoh dua elektron dalam helium atom harus memiliki arah spin yang berbeda jika mereka menempati orbit yang sama.

Karena elektron yang berputar dapat dianggap sebagai muatan listrik yang bergerak, elektron dapat dianggap sebagai elektromagnet kecil. Ini berarti bahwa, seperti halnya magnet lainnya, sebuah elektron akan merespon kehadiran medan magnet dengan memutar. (Pikirkan jarum kompas menunjuk ke utara di bawah pengaruh medan magnet Bumi.) Fakta ini biasanya diungkapkan dengan mengatakan bahwa elektron memiliki momen magnetis . Dalam fisika, momen magnetik menghubungkan kekuatan medan magnet dengan torsi yang dialami oleh objek magnetik. Karena spin intrinsiknya, elektron memiliki momen magnetik yang diberikan oleh −9.28 × 10 −24 joule per tesla .

Orbit dan tingkat energi

Tidak seperti planet yang mengorbit Matahari, elektron tidak dapat berada pada jarak sembarangan dari nukleus; mereka hanya bisa ada di lokasi tertentu tertentu yang disebut orbit yang diizinkan. Properti ini, pertama kali dijelaskan oleh fisikawan Denmark Niels Bohr pada tahun 1913, adalah hasil lain dari mekanika kuantum — khususnya, persyaratan bahwa momentum sudut elektron di orbit, seperti yang lain di dunia kuantum, datang dalam kumpulan terpisah yang disebut quanta.

Dalam elektron atom Bohr hanya dapat ditemukan di orbit yang diizinkan, dan orbit yang diizinkan ini berada pada energi yang berbeda. 

Hukum mekanika kuantum menggambarkan proses di mana elektron dapat bergerak dari satu orbit yang diizinkan, atau tingkat energi satu ke yang lain. Seperti banyak proses di dunia kuantum, proses ini tidak mungkin untuk divisualisasikan. Sebuah elektron menghilang dari orbit di mana ia berada dan muncul kembali di lokasi barunya tanpa pernah ada tempat di antaranya. Proses ini disebut lompatan kuantum.

Karena orbit yang berbeda memiliki energi yang berbeda, setiap kali terjadi lompatan kuantum, energi yang dimiliki oleh elektron akan berbeda setelah lompatan. Sebagai contoh, jika sebuah elektron melompat dari yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, energi yang hilang harus pergi ke suatu tempat dan pada kenyataannya akan dipancarkan oleh atom dalam seikat radiasi elektromagnetik. Bundel ini dikenal sebagai foton, dan emisi foton dengan perubahan tingkat energi adalah proses dimana atom memancarkan cahaya. 

Dengan cara yang sama, jika energi ditambahkan ke atom, elektron dapat menggunakan energi itu untuk membuat lompatan kuantum dari orbit yang lebih rendah ke yang lebih tinggi. Energi ini dapat diberikan dalam banyak cara. Salah satu cara yang umum adalah agar atom menyerap foton dengan frekuensi yang tepat . Sebagai contoh, ketika cahaya putih bersinar pada atom, ia secara selektif menyerap frekuensi-frekuensi tersebut sesuai dengan perbedaan energi antara orbit yang diizinkan.

Setiap elemen memiliki set tingkat energi yang unik, sehingga frekuensi di mana ia menyerap dan memancarkan cahaya bertindak sebagai semacam sidik jari, mengidentifikasi elemen tertentu. Sifat atom ini telah menimbulkan spektroskopi, sebuah ilmu yang ditujukan untuk mengidentifikasi atom dan molekul oleh jenis radiasi yang mereka pancarkan atau serap.

Gambar atom ini, dengan elektron bergerak naik turun antara orbit yang diizinkan, disertai dengan penyerapan atau emisi energi, mengandung fitur penting dari model atom Bohr , yang mana Bohr menerima Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 1922. Model dasarnya tidak berfungsi dengan baik dalam menjelaskan rincian struktur atom lebih rumit dari hidrogen. Ini membutuhkan pengenalan mekanika kuantum. Dalam mekanika kuantum setiap elektron yang mengorbit direpresentasikan oleh ekspresi matematik yang dikenal sebagai fungsi gelombang.

Kerang elektron

Dalam versi mekanika kuantum model atom Bohr, masing-masing orbital elektron yang diizinkan diberi bilangan kuantum n yang membentang dari 1 (untuk orbit yang paling dekat dengan nukleus) hingga tak terbatas (untuk orbit yang sangat jauh dari nukleus). Semua orbital yang memiliki nilai n yang sama membentuk cangkang. Di dalam setiap shell mungkin ada subhells yang sesuai dengan tingkat rotasi dan orientasi orbital yang berbeda serta arah putaran elektron. Secara umum, semakin jauh dari inti sebuah shell, semakin banyak subhells yang dimilikinya.

Gravatar Image
Seorang Guru dan Dosen. Aktif melakukan riset di bidang pendidikan dan fisika. Lulusan sarjana pendidikan Universitas Negeri Makassar dan magister Pascasarjana Universitas Negeri Makassar. Artikel dalam website ini valid dan dapat dipercaya kebenarannya.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *