Dalam dunia kimia dan fisika kuantum, struktur atom dijelaskan melalui konsep orbital. Orbital adalah daerah di sekitar inti atom di mana probabilitas menemukan elektron berada paling tinggi. Memahami bagaimana elektron mengisi ruang-ruang ini sangat krusial, dan pertanyaan fundamental yang muncul adalah: jumlah maksimum elektron di setiap orbital adalah berapa?
Jawabannya terletak pada prinsip-prinsip mekanika kuantum, terutama melalui empat bilangan kuantum yang mendefinisikan keadaan energi dan posisi elektron. Prinsip pengisian orbital ini diatur oleh Aturan Pauli, yang merupakan kunci utama untuk menentukan kapasitas setiap "rumah" elektron tersebut.
Setiap elektron dalam atom dapat dideskripsikan secara unik oleh empat bilangan kuantum:
Prinsip yang paling penting dalam konteks ini adalah **Prinsip Pengecualian Pauli**. Prinsip ini menyatakan bahwa tidak ada dua elektron dalam satu atom yang boleh memiliki keempat bilangan kuantum yang sama persis. Konsekuensinya langsung terasa pada orbital. Karena dua elektron yang berbagi orbital yang sama (memiliki $n, l,$ dan $m_l$ yang sama), mereka harus memiliki spin yang berlawanan (satu $+1/2$ dan satu $-1/2$).
Visualisasi: Dua elektron dengan spin berlawanan mengisi satu orbital.
Jenis orbital ditentukan oleh bilangan kuantum $l$, yang kemudian menentukan jumlah orientasi ($m_l$), dan akhirnya menentukan kapasitas total elektron.
| Jenis Orbital (l) | Subkulit | Jumlah Orientasi ($m_l$) | Jumlah Maksimum Elektron |
|---|---|---|---|
| $l=0$ | s | 1 (hanya $m_l=0$) | $1 \times 2 = 2$ |
| $l=1$ | p | 3 ($m_l = -1, 0, +1$) | $3 \times 2 = 6$ |
| $l=2$ | d | 5 ($m_l = -2, -1, 0, +1, +2$) | $5 \times 2 = 10$ |
| $l=3$ | f | 7 ($m_l = -3 \text{ hingga } +3$) | $7 \times 2 = 14$ |
Secara spesifik menjawab pertanyaan inti, jumlah maksimum elektron di setiap orbital adalah dua (2).
Penting untuk membedakan antara "orbital" dan "subkulit". Satu orbital, terlepas dari jenisnya (s, p, d, atau f), hanya dapat menampung maksimal dua elektron. Perbedaan terletak pada jumlah total orbital dalam subkulit tersebut:
Konsep ini adalah dasar bagi diagram orbital dan konfigurasi elektron. Misalnya, ketika mengisi orbital $p$, elektron pertama akan mengisi masing-masing orbital $p_x, p_y,$ dan $p_z$ secara sendiri-sendiri (sesuai Aturan Hund) sebelum mulai berpasangan. Pasangan hanya terbentuk ketika sudah ada satu elektron di setiap orbital dalam subkulit yang sama, dan pasangan tersebut harus memiliki spin yang berlawanan, mematuhi Prinsip Pengecualian Pauli.
Memahami kapasitas orbital ini bukan hanya latihan teoretis; ini menentukan reaktivitas kimia suatu unsur, sifat magnetiknya, dan bagaimana ikatan kimia terbentuk. Jika suatu orbital terisi penuh (memiliki 2 elektron), orbital tersebut cenderung lebih stabil dan kurang reaktif untuk menerima atau melepaskan elektron tambahan. Sebaliknya, orbital yang setengah terisi seringkali menjadi situs utama terjadinya reaksi. Oleh karena itu, pemahaman mendalam mengenai kapasitas orbital dua elektron adalah pilar utama dalam memahami kimia unsur-unsur periodik.
Sebagai ringkasan, batas absolut yang ditetapkan oleh fisika kuantum, melalui Prinsip Pauli, adalah bahwa satu ruang orbital tunggal tidak dapat dihuni oleh lebih dari dua elektron, dan kedua elektron tersebut harus memiliki momentum sudut (spin) yang berlawanan.