Kelopak elektron

Dalam kimia dan fisika atom, kelopak elektron atau kulit elektron dapat dianggap sebagai orbit yang dilalui elektron di sekitar nukleus atom. Kulit yang paling dekat dengan nukleus disebut "kulit " (juga disebut "kulit K"), diikuti oleh "kulit " (atau "kulit L"), kemudian "kulit " (atau "kulit M"), dan seterusnya semakin jauh dari nukleus. Kulit elektron sesuai dengan bilangan kuantum utama (n = 1, 2, 3, 4 ...) atau diberi label menurut abjad dengan huruf yang digunakan dalam notasi sinar-X (K, L, M, ...).

Setiap kulit hanya dapat berisi sejumlah elektron tetap: kulit pertama dapat menampung hingga dua elektron, kulit kedua dapat menampung hingga 8 (2 + 6) elektron, kulit ketiga dapat menampung hingga 18 (2 + 6 + 10) elektron dan seterusnya. Rumus umumnya adalah bahwa kulit ke-n pada prinsipnya dapat menampung hingga 2(n2) elektron. Untuk penjelasan mengapa elektron ada di kulit-kulit ini, lihat konfigurasi elektron.

Setiap kulit terdiri dari satu atau lebih subkulit, dan setiap subkulit terdiri dari satu atau lebih orbital atom.

Sejarah 
Model atom Bohr tahun 1913 mencoba mengatur elektron dalam orbit berurutannya, namun, pada saat itu Bohr terus meningkatkan orbit dalam atom menjadi delapan elektron seiring dengan bertambahnya ukuran atom. Bohr membangun model elektron tahun 1913-nya dalam unsur sebagai berikut:

"Dari penjelasan di atas kita dituntun ke skema berikut yang mungkin untuk susunan elektron dalam atom ringan:

Tabel periodik Bohr pada tahun 1913 menunjukkan konfigurasi elektron dalam makalah keduanya di mana ia meneliti unsur ke-24.

Terminologi shell berasal dari modifikasi model Bohr oleh Arnold Sommerfeld. Selama periode ini Bohr bekerja dengan Walther Kossel, yang makalahnya pada tahun 1914 dan pada tahun 1916 menyebut orbitnya sebagai "kulit". Sommerfeld mempertahankan model planet Bohr, tetapi menambahkan orbit elips ringan (ditandai dengan tambahan bilangan kuantum ℓ dan m) untuk menjelaskan struktur spektroskopi halus dari beberapa unsur. Beberapa elektron dengan bilangan kuantum utama yang sama (n) memiliki orbit dekat yang membentuk "kulit" dengan ketebalan positif, bukan orbit melingkar dari model Bohr yang orbitnya disebut "cincin" digambarkan oleh sebuah pesawat.

Keberadaan kulit elektron pertama kali diamati secara eksperimental dalam studi penyerapan sinar-X Charles Barkla dan Henry Moseley. Karya Moseley tidak secara langsung berkaitan dengan studi kulit elektron, karena ia mencoba membuktikan bahwa tabel periodik tidak disusun berdasarkan massa, tetapi oleh muatan proton di dalam nukleus. Namun, karena dalam atom netral, jumlah elektron sama dengan jumlah proton, karya ini sangat penting bagi Niels Bohr yang menyebutkan karya Moseley beberapa kali dalam wawancaranya tahun 1962. Moseley ialah bagian dari kelompok Rutherford, begitu pula Niels Bohr. Moseley mengukur frekuensi sinar-X yang dipancarkan oleh setiap elemen antara kalsium dan seng, dan ditemukanlah bahwa frekuensi menjadi lebih besar ketika unsur-unsur menjadi lebih berat, yang mengarah pada teori bahwa elektron memancarkan sinar-X ketika mereka dipindahkan ke kulit yang lebih rendah. Hal ini mengarah pada kesimpulan bahwa elektron berada di kulit Kossel dengan batas tertentu per kulit, melabeli kulit dengan huruf K, L, M, N, O, P, dan Q. Asal usul terminologi ini adalah alfabet. Barkla, yang bekerja secara independen dari Moseley sebagai eksperimentalis spektrometri sinar-X, pertama kali memperhatikan dua jenis hamburan yang berbeda dari pemotretan sinar-X pada elemen pada tahun 1909 dan menamakannya "A" dan "B". Barkla menjelaskan dua jenis difraksi sinar-X ini: yang pertama tidak terkait dengan jenis bahan yang digunakan dalam percobaan, dan dapat terpolarisasi. Sinar difraksi kedua lainnya ia sebut "fluoresen" karena bergantung pada bahan yang disinari. Tidak diketahui apa arti garis-garis ini pada saat itu, tetapi pada tahun 1911 Barkla memutuskan bahwa mungkin ada garis-garis hamburan sebelum "A", jadi ia mulai dari "K". Namun, percobaan selanjutnya menunjukkan bahwa garis serapan K dihasilkan oleh elektron terdalam. Huruf-huruf ini kemudian ditemukan sesuai dengan nilai n 1, 2, 3, dll. yang digunakan dalam model Bohr. Mereka digunakan dalam notasi spektroskopi Siegbahn.

Pekerjaan menetapkan elektron ke kulit dilanjutkan dari tahun 1913 hingga 1925 oleh banyak ahli kimia dan beberapa fisikawan. Niels Bohr adalah salah satu dari sedikit fisikawan yang mengikuti pekerjaan ahli kimia dalam mendefinisikan tabel periodik, sementara Arnold Sommerfeld bekerja lebih banyak untuk mencoba membuat model kerja atom relativistik yang akan menjelaskan struktur halus spektrum dari sudut pandang fisika orbital melalui pendekatan Atombau. Einstein dan Rutherford, yang tidak mengikuti kimia, tidak mengetahui para ahli kimia yang mengembangkan teori kulit elektron tabel periodik dari sudut pandang kimia, seperti Irving Langmuir, Charles Bury, J.J. Thomson, dan Gilbert Lewis, yang semuanya memperkenalkan koreksi model Bohr seperti maksimum dua elektron di kulit pertama, delapan di berikutnya dan seterusnya, dan bertanggung jawab untuk menjelaskan valensi di kulit elektron terluar, dan membangun atom dengan menambahkan elektron ke kulit terluar. Jadi ketika Bohr menguraikan teori atom kulit elektronnya pada tahun 1922, tidak ada rumus matematika untuk teori tersebut. Jadi Rutherford mengatakan bahwa dia sulit untuk "membentuk gagasan tentang bagaimana Anda sampai pada kesimpulan Anda". Einstein mengatakan tentang makalah Bohr tahun 1922 bahwa "kulit elektron dari atom bersama dengan signifikansinya bagi kimia tampak bagi saya seperti keajaiban – dan tampak bagi saya sebagai keajaiban bahkan sampai hari ini". Arnold Sommerfeld, yang mengikuti struktur elektron Atombau daripada model Bohr yang akrab dengan pandangan ahli kimia tentang struktur elektron, berbicara tentang kuliah Bohr tahun 1921 dan artikel tahun 1922 tentang model kulit sebagai "kemajuan terbesar dalam struktur atom sejak 1913". Namun, perkembangan kulit elektron Niels Bohr pada dasarnya adalah teori yang sama dengan teori kimiawan Charles Rugeley Bury dalam makalahnya tahun 1921.

Saat pekerjaan berlanjut pada struktur kulit elektron Model Sommerfeld-Bohr, Sommerfeld telah memperkenalkan tiga "bilangan kuantum n, k, dan m, yang menggambarkan ukuran orbit, bentuk orbit, dan arah orbit yang dituju." Karena kita menggunakan k untuk konstanta Boltzmann, bilangan kuantum azimut diubah menjadi ℓ. Ketika teori mekanika kuantum modern diajukan berdasarkan mekanika matriks Heisenberg dan persamaan gelombang Schrödinger, bilangan kuantum ini disimpan dalam teori kuantum saat ini tetapi diubah menjadi n sebagai bilangan kuantum utama, dan m menjadi bilangan kuantum magnetik.

Namun, bentuk akhir dari model kulit elektron yang masih digunakan sampai sekarang untuk jumlah elektron dalam kulit ditemukan pada tahun 1923 oleh Edmund Stoner, yang memperkenalkan prinsip bahwa kulit ke-n dijelaskan oleh 2(n2). Melihat hal ini, pada tahun 1925, Wolfgang Pauli menambahkan bilangan kuantum keempat, "spin", selama periode teori kuantum lama atom Tata Surya Sommerfeld-Bohr untuk melengkapi teori kulit elektron modern.

Subkulit 

Setiap kulit terdiri dari satu atau lebih subkulit, yang terdiri dari orbital atom. Misalnya, kulit pertama (K) memiliki satu subkulit, yang disebut ; kulit kedua (L) memiliki dua subkulit, yang disebut  dan ; kulit ketiga memiliki , , dan ; kulit keempat memiliki , ,  dan ; kulit kelima memiliki , , , dan  serta secara teoritis dapat menampung lebih banyak di subkulit  yang tidak ditempati dalam konfigurasi elektron keadaan dasar dari setiap unsur yang diketahui. Berbagai kemungkinan subkulit ditunjukkan pada tabel berikut:

 Kolom pertama merupakan "label subkulit", label huruf kecil untuk jenis subkulit. Misalnya, "subkulit " merupakan subkulit dari kulit keempat (N), dengan tipe () yang dijelaskan di baris pertama.
 Kolom kedua merupakan bilangan kuantum azimut (ℓ) of the subshell. dari subkulit. Definisi yang tepat melibatkan mekanika kuantum, tetapi ini merupakan angka yang mencirikan subkulit.
 Kolom ketiga merupakan jumlah maksimum elektron yang dapat dimasukkan ke dalam subkulit jenis itu. Misalnya, baris atas mengatakan bahwa setiap subkulit tipe- (, , dll.) dapat memiliki paling banyak dua elektron di dalamnya. Kolom yang di bawah selalu memiliki 4 jumlah maksimum elektron lebih besar dari yang di atasnya.
 Kolom keempat merupakan kolom yang menjelaskan kulit mana yang memiliki subkulit jenis itu. Misalnya, melihat dua baris teratas, setiap kulit memiliki subkulit , sedangkan hanya kulit kedua dan lebih tinggi yang memiliki subkulit  (yaitu, tidak ada subkulit "1p").
 Kolom terakhir memberikan asal historis label , , , dan . Mereka berasal dari studi awal garis spektrum atom. Label lainnya, yaitu ,  dan , merupakan kelanjutan alfabetis setelah label terakhir yang berasal dari .

Jumlah elektron pada setiap kulit 

Setiap subkulit dibatasi untuk menampung paling banyak  elektron, yaitu:
 Setiap subkulit  menampung paling banyak 2 elektron
 Setiap subkulit  menampung paling banyak 6 elektron
 Setiap subkulit  menampung paling banyak 10 elektron
 Setiap subkulit  menampung paling banyak 14 elektron
 Setiap subkulit  menampung paling banyak 18 elektron

Oleh karena itu, kulit K, yang hanya berisi subkulit , dapat menampung hingga 2 elektron; kulit L, yang berisi  dan , dapat menampung hingga 2 + 6 = 8 elektron, dan seterusnya; secara umum, kulit ke-n dapat menampung hingga 2n2 elektron.

Meskipun rumus tersebut pada prinsipnya memberikan maksimum, pada kenyataannya maksimum hanya dicapai (dalam unsur yang diketahui) untuk empat kulit pertama (K, L, M, N). Tidak ada unsur yang diketahui memiliki lebih dari 32 elektron dalam satu kulit. Ini karena subkulit diisi sesuai dengan prinsip Aufbau. Unsur pertama yang memiliki lebih dari 32 elektron dalam satu kulit akan termasuk dalam blok-g di periode 8 tabel periodik. Unsur-unsur ini akan memiliki beberapa elektron di subkulit  mereka dan dengan demikian memiliki lebih dari 32 elektron di kulit O (kulit utama kelima).

Energi subkulit dan urutan pengisian 

Meskipun kadang-kadang dinyatakan bahwa semua elektron dalam kulit memiliki energi yang sama, ini hanyalah perkiraan. Namun, elektron dalam satu subkulit memiliki tingkat energi yang persis sama, dengan subkulit berikutnya memiliki lebih banyak energi per elektron daripada yang sebelumnya. Efek ini cukup besar sehingga rentang energi yang terkait dengan kulit dapat tumpang tindih.

Pengisian kulit dan subkulit dengan elektron berlangsung dari subkulit yang energinya lebih rendah ke subkulit yang energinya lebih tinggi. Hal ini mengikuti aturan n + ℓ yang juga dikenal sebagai aturan Madelung. Subkulit dengan nilai n + ℓ yang lebih rendah diisi sebelum subkulit dengan nilai n + ℓ yang lebih tinggi. Dalam kasus nilai n + ℓ yang sama, subkulit dengan nilai n lebih rendah diisi terlebih dahulu.

Karena itu, kulit-kulit selanjutnya diisi di atas bagian-bagian yang luas dari tabel periodik. Kulit K mengisi pada periode pertama (hidrogen dan helium), sedangkan kulit L mengisi pada periode kedua (litium hingga neon). Namun, kulit M mulai mengisi natrium (unsur 11) tetapi tidak selesai mengisi hingga tembaga (unsur 29), dan kulit N bahkan lebih lambat: mulai mengisi kalium (unsur 19) tetapi tidak selesai mengisi sampai iterbium (unsur 70). Kulit O, P, dan Q mulai mengisi dari unsur yang diketahui, tetapi mereka tidak selesai mengisi bahkan pada unsur terberat yang diketahui, oganeson (unsur 118).

Daftar unsur dengan elektron per kulit 
Daftar di bawah ini memberikan unsur-unsur yang disusun berdasarkan kenaikan nomor atom dan menunjukkan jumlah elektron per kulit. Sekilas, himpunan bagian dari daftar menunjukkan pola yang jelas. Secara khusus, setiap himpunan lima unsur (dalam warna ) sebelum setiap gas mulia (golongan 18, berwarna ) yang lebih berat dari helium memiliki jumlah elektron berturut-turut di kulit terluar, yaitu 3 sampai 7.

Pengurutan tabel berdasarkan golongan kimia menunjukkan pola tambahan, terutama yang berkaitan dengan dua kulit terluar terakhir. (Unsur 57 hingga 71 termasuk ke dalam lantanida, sedangkan unsur 89 hingga 103 adalah aktinida.)

Daftar di bawah ini konsisten pada prinsip Aufbau. Namun, ada sejumlah pengecualian terhadap aturan tersebut; misalnya paladium (nomor atom 46) tidak memiliki elektron di kulit kelima, tidak seperti atom lain dengan nomor atom yang lebih rendah. Unsur-unsur setelah hasium (nomor atom 108) memiliki waktu paruh yang sangat pendek sehingga konfigurasi elektronnya belum diukur, maka perhitungan telah dimasukkan sebagai gantinya.

Lihat pula 
 Konfigurasi elektron
 Tabel periodik (konfigurasi elektron)
 Penghitungan elektron
 Aturan 18-elektron

Referensi 

Elektron
Fisika atom
Ikatan kimia
Mekanika kuantum