perkembangan teori atom
perkembangan teori atom

Teori Atom – Penjelasan dan Sejarah Lengkap

Posted on

Setiap unsur memiliki sifat yang unik, yang spesifik dan berbeda satu sama lainnya. Ini di karenakan setiap unsur dibentuk dari satu jenis atom. Untuk itu maka pemahaman mengenai pengertian atom dan struktur atom merupakan suatu hal yang sangat penting dalam mempelajari sifat-sifat suatu unsur dan reaksi kimia suatu unsur.

Unsur atau elemen merupakan zat dasar yang membentuk semua materi. Sekitar 90% unsur telah ada secara alami di alam. Dua unsur terkecil di alam ialah Hidrogen dan Helium, meskipun begitu, keduanya merupakan unsur yang terbanyak di alam. Sekitar 98% dari massa di alam semesta ini berasal dari Hidrogen dan Helium.

Pengertian Atom Berdasarkan Perkembangan Teori Atom

Pemahaman mengenai konsep atom diperoleh manusia secara perlahan. Diawali dengan sebuah hipotesis kemudian dibuktikan dan diperdalam melalui serangkaian eksperimen.

Hipotesis paling awal bermula dari pernyataan Demokritus bahwa semua zat di alam semesta berasal dari unsur terkecil yang bergerak di dalam void/vakum. Ini adalah deskripsi mengenai atom yang dijadikan landasan dalam Teori Atom Dalton.

Teori Atom Dalton

Pada tahun 1809, seorang saintis John Dalton mengemukakan sebuah teori atom Dalton yang menyatakan bahwa atom ialah suatu padatan berukuran sangat kecil, merupakan komponen terkecil dari suatu materi dan tidak dapat dibagi lagi menjadi komponen yang lebih kecil.

Walaupun definisi atom ini kurang tepat dalam perspektif kimia modern, namun ini merupakan dasar yang sangat penting dalam perkembangan ilmu kimia. Point penting dari teori atom Dalton adalah:

  1. Semua materi dibentuk oleh atom. Atom adalah zat yang tak dapat dibagi dan tak dapat dihancurkan.
  2. Semua atom dari suatu elemen memiliki sifat-sifat dan massa yang sama.
  3. Senyawa dibentuk dari kombinasi dua atau berbagai jenis atom.
  4. Reaksi kimia merupakan proses penata-ulangan atom-atom.

Teori atom Dalton didukung oleh beberapa konsep hasil eksperimen dari beberapa kimiawan yang berpengaruh di zamannya. Diantarannya ialah hukum kekekalan massa yang diajukan Antonie Laurent de Lavoisier, hukum perbandingan tetap dari Joseph L. Proust dan ide mengenai perbedaan senyawa dan unsur oleh John Dalton sendiri.

Kelemahan teori atom Dalton adalah menganggap bahwa atom ialah materi yang padat dan tidak dapat dibagi lagi menjadi partikel yang lebih kecil. Hal ini nantinya dibantah dengan eksperimen tabung katoda Thomson.

Pada perkembangan berikutnya, Teori atom diperbarui oleh J.J. Thomson.

Teori Atom Thomson

Di tahun 1897 J.J. Thomson mempublikasikan penemuannya mengenai corspuscle yaitu suatu partikel penyusun atom yang memiliki muatan negatif, kini dikenal sebagai elektron. Berdasarkan temuan tersebut, Thomson mengusulkan teori atom yang menjelaskan tentang struktur penyusun atom. Di dalamnya terdapat elektron​1​.

Percobaan Tabung Sinar Katoda

Percobaan yang dilakukan oleh Thomson dikenal sebagai eksperimen tabung sinar katoda. Skema sederhananya seperti ini:

Percobaan Tabung Sinar Katoda

Garis biru merupakan sinar yang berasal dari katoda (C) yang dilewatkan celah sempit anoda (A), kemudian menembus logam (B) melewati medan muatan listrik dan magnet (D) (E).

Berdasarkan teori elektromagnetik, suatu benda bermuatan yang berperilaku seperti magnet akan berinteraksi dengan medan magnet maupun medan listrik. Di dalam percobaan ini, diperoleh bahwa sinar dari katoda tersebut berbelok ketika medan muatan listrik diberikan. Sinar tersebut bergerak menghindari medan listrik bermuatan negatif dan menuju ke medan listrik positif. Artinya, partikel sinar tersebut memiliki muatan negatif.

Berdasarkan pembelokan sinarnya, diperoleh juga bahwa massa dari partikel bermuatan negatif ini sangat kecil karena sudut pembelokannya besar. Semakin mudah suatu partikel berbelok maka semakin kecil massanya.

Percobaan di atas dilakukan untuk berbagai kondisi dan berbagai lapisan logam sampel, kemudian hasilnya dianalisa secara statistika. Namun J. J. Thomson tidak berhasil menemukan massa dari elektron, ia hanya mampu mendeskripsikan massa tersebut dalam rasio muatan elektrik dengan massa, yaitu: $-1.76 \times 10^8 \text{C/g}$. Data ini yang kemudian digunakan untuk pengukuran massa atom dengan percobaan tetes minyak Millikan.

Percobaan Tetes Minyak Millikan

Pengukuran massa elektron untuk pertama kalinya dilakukan oleh R. A. Millikan dengan eksperiment tetes minyak Millikan:

Percobaan Tetes Minyak Millikan

Percobaan ini dapat dipelajari dengan sederhana. Pertama suatu minyak dimasukkan dalam atomizer, kemudian disemprotkan ke tabung yang bercelah, karena adanya gravitasi, maka tetesan minyak akan jatuh, sebagian melewati celah. Minyak yang melewati celah memiliki muatan negatif (elektron) sehingga akan dapat dibuat melayang dengan menyeimbangkan energi gravitasi dan muatan listrik. Dengan mengamati tetesan minyak yang melayang di tabung, dapat diketahui muatan yang bekerja. Setelah itu dilakukan berkali-kali sehingga diperoleh perulangan muatan.

Angka kelipatan tersebut dicatat sebagai muatan dari elekron, yang diperoleh ialah:$ -1.6022 \times 10^{-19}$. Angka tersebut dihubungkan secara sederhana dengan rasio muatan terhadap massa elekron yang diusulkan Thomson, diperoleh:

$$\text{massa elekron} = \frac{\text{muatan elekron}}{rasio muatan elekron/massa}$$
$$\text{massa elekron} = \frac{-1.6022 \times 10^{-19} \text{C}}{ -1.76 \times 10^8 \text{C/g}}$$
$$\text{massa elekron} = 9.10 \times 10^{-28}$$

Ilustrasi Model Atom Thomson

Dari serangkaian percobaan tersebut Thomson merumuskan model atom seperti kue kismis:

Ilustrasi Model atom Thomson (Model Kue Kismis)

Model ini merupakan prediksi dari Thomson setelah mengetahui keberadaan elektron yang menyebar di dalam atom. Pada umumnya ketika terdapat muatan negatif, maka akan ada penyeimbangnya yaitu muatan positif. Namun Thomson tak berhasil membuktikan keberadaan muatan positif yang tersebar di atom.

Kelemahan teori atom Thomson ini adalah tidak mampu menjelaskan mengenai keberadaan proton dan inti atom. Namun ini bertahan cukup lama, hingga Rutherford berhasil menemukan muatan positif, yang dikenal sebagai proton.

Teori Atom Rutherford

Empat belas tahun setelah J.J. Thomson mengungkapkan keberadaan elektron, pada tahun 1911 Ernest Rutherford menemukan keberadaan muatan positif yang kini dikenal sebagai proton. Ernest Rutherford sebenarnya pernah belajar bersama dengan J. J. Thomson di Cambridge.

Eksperimen Lempeng Emas

Rutherford merancang percobaan menggunakan sinar alfa yang ditembakkan ke logam emas​1​:

Percobaan Lempeng Emas Rutherford 1910

Walaupun ini dirancang oleh Rutherford, namun eksperimennya dilakukan oleh Hans Geiger yang merupakan rekan kerjanya di laboraturium​2​ dan Ernest Marsden yang merupakan mahasiswa PhD di laboraturium tersebut.

Ketika sinar radiasi alfa ditembakkan ke lempengan emas tipis, inilah yang terjadi​3​:

  • Kebanyakan dari sinar diteruskan, artinya atom dapat ditembus dan memiliki ruang kosong
  • Beberapa sinar dibelokkan menunjukkan bahwa sinar tersebut berbenturan dengan partikel bermuatan yang sama,
  • Beberapa sinar lainnya dipantulkan ke arah sebaliknya menunjukkan bahwa dalam atom terdapat partikel yang memiliki muatan sama dengan partikel alfa dan massa yang sangat besar.

Karena sinar alfa memiliki muatan positif, maka partikel yang menolaknya (memantulkan dan membelokkannya) pastilah bermuatan positif juga. Partikel bermuatan positif yang terletak di inti atom inilah definisi dasar dari proton.

Ilustrasi Model Atom Rutherford


Dari percobaan tersebut, Rutherford menyangkal model atom kue kismis dari Thomson dan menggantikannya dengan model atom Rutherford:

Model atom Rutherford

Karena ide paling menonjol dari teori atom Rutherford ialah bahwa sebagian besar atom adalah ruang kosong dan bagian tengah atom terdapat proton, maka model atom ini sering disebut sebagai model atom nuklir (inti). Tetapi Rutherford belum bisa menjelaskan bagaimana interaksi antara elektron dan inti atom sehingga dapat membentuk atom. Bagian ini akan dijelaskan oleh Teori atom Bohr.

Teori Atom Bohr

Niels Bohr (1885 – 1962) adalah seorang fisikawan berkebangsaan Denmark yang mengikuti perkembangan penelitian mengenai spektrum atom hidrogen dan efek fotoelektrik​4​.

  1. Ia mengemukakan bahwa atom tersusun oleh elektron dan inti atom (proton), dimana elektron mengitari inti atom dalam lintasan (orbit) yang melingkar (seperti planet mengitari matahari)
  2. Ia mengemukakan hipotesis bahwa dalam efek fotoelektrik dan emisi spektra hidrogen, elektron tidak mengeluarkan energi sambil mengitari lintasan yang sama, namun berpindah lintasan ketika mengeluarkan atau menerima energi.
  3. Energi pada setiap orbital terkuantifikasi (bersifat deskrit dan tidak kontinu).
  4. Energi yang diserap dan dilepaskan oleh elektron ketika berpindah orbital bernilai sama.

Konsep Matematis Teori Atom Bohr

Niels Bohr menggunakan ide Planck mengenai kuantifikasi energi dan ide Einstein bahwa cahaya adalah foton yang energinya sama dengan frekuensinya. Artinya energi yang diserap atau dipancarkan ketika suatu elektron berpindah orbital dapat dihitung dengan​5​:

$$\Delta E = E_f – E_i = \frac{hc}{\lambda}$$

dengan; $E_f $ dan $E_i$ adalah energi orbital awal dan akhir, $h=$ konstanta Planck, dan $c=$ konstanta kecepatan cahaya. Dengan mengasumsikan bahwa energi bersifat deskrit (tidak kontinu) maka energi dapat dihitung dengan:

$$E_n = -\frac{k}{n^2}$$

dengan, $n = 1, 2, 3, …$ dan $k =$ konstanta fundamental terdiri dari massa elektron, muatan dan konstanta Planck.

Jika kedua persamaan disubsitusikan, diperoleh​5​;

$$ \Delta E = k \left( \frac{1}{n^2_1} – \frac{1}{n^2_2} \right) = \frac{hc}{\lambda} $$

Ketika suatu elektron berpindah orbital, maka terjadi perubahan energi, perubahan ini dideskripsikan sebagai $\Delta E$ yang kemudian akan diemisikan dalam bentuk foton.

Ilustrasi Model Atom Bohr

Model atom Bohr dapat diilustrasikan seperti model planet di tata surya dimana inti atom dikelilingi oleh elektron dengan lintasan yang pasti.

Model atom Bohr yang dikenal sebagai model lintasan planet​6​.

Pasti sudah tak asing lagi kan dengan gambar model atom yang keren itu? Iya, ini bisa dikatakan sebagai model atom yang paling dikenal (sebagai desain), termasuk penggunaanya dlaam berbagai simbol, lambang dan animasi. Gambaran modelnya secara teoritis ialah seperti ini:

Lingkaran hitam merupakan lintasan elektron (orbital), titik hitam ialah inti atom dan titik merah adalah elektron.

Model atom Bohr ini menjelaskan sebagian besar fenomena fisika di masa itu, seperti efek fotolistrik dan spektrum pada atom hidrogen, ini membawa Niels Bohr mendapatkan Nobel Fisika pada tahun 1922.

Namun, model ini tidak dapat menjelaskan tentang spektrum pada atom-atom berukuran besar (elektronnya lebih dari satu). Pemisahan spektrum ketika terpengaruh oleh medan magnet. Sehingga ilmuwan berusaha menyempurnakan model atom yang lebih sempurna yakni teori atom Modern (Schrodinger & Heisenberg).

Teori Atom Modern

Teori atom modern merupakan gabungan dari berbagai teori atom sebelumnya yang secara eksperimen tidak terbantahkan dan mampu menjelasakan berbagai fenomena fisika quantum. Beberapa point penting dari teori atom modern ialah:

  1. Hampir seluruh massa atom terpusat hanya pada inti atom, sehingga inti atom sangat padat/rapat. Inti atom terdiri dari neutron (partikel tak bermuatan) dan proton (partikel bermuatan positif) yang dikelilingi oleh awan elektron (partikel bermuatan negatif).
  2. Hampir seluruh volume dari sebuah atom adalah ruang kosong yang dihuni oleh elektron, partikel bermuatan negatif yang massanya sangat kecil. Karena massa yang sangat kecil, elektron memiliki sifat sebagai partikel kuantum.
  3. Partikel kuantum ialah partikel yang posisinya pada waktu yang tepat tak dapat ditentukan (prinsip ketidak-pastian Heisenberg).
  4. Radius dari sebuah atom didefinisikan sebagai ruang dimana kemungkinan keberadaan atom ialah 95%. Biasanya 30-300 picometer.

Prinsip Ketidak-pastian Heisenberg

Ini adalah awal mula dari mekanika kuantum. Sebelumnya, fisika klasik beranggapan bahwa segala fenomena dapat diukur dengan pasti, permasalahannya hanyalah ketepatan metode dan alat ukurnya saja. Heisenberg mengubah pola pikir para peneliti dengan mengungkapkan bahwa momentum dan lokasi dari sebuah elektron tak bisa ditentukan pada saat yang bersamaan. Artinya elektron tidak dapat ditentukan posisinya pada waktu yang spesifik alat apapun yang digunakan dalam pengukuran.

Kemudian untuk memperkirakan posisi dari sebuah elektron, digunakanlah foton berenergi tinggi. Ketika sebuah foton berkecepatan tinggi mengenai elektron, maka momentum dari elektron akan berubah. Perubahan momentum ini dapat ditentukan berdasarkan energi dari foton yang ditembakkan​7​.

Dengan begitu, prinsip ketidak pastian Heisenberg dapat di digambarkan dalam suatu persamaan matematis. Jika variabel $x$ adalah posisi dari partikel, dan $p$ adalah momentum dari partikel. Momentum, $p$, dari sebuah foton dapat diketahui berdasarkan konstanta Planck, $h$, dan panjang gelombangnya, $\lambda$, dalam persamaan $\frac{h}{\lambda}$. Sedangkan posisinya ditentukan dari panjang gelombang, $\lambda$. Maka perubahan momentum dan posisi dari elektron dapat direpresentasikan sebagai​8​:

$$\Delta p = \frac{h}{\lambda}$$

$$\Delta x = \lambda $$

Dengan substitusi akan diperoleh persamaan:

$$\Delta p = \frac{h}{\lambda}$$

$$\Delta p \Delta x = h$$

Persamaan ini kemudian direvisi kembali oleh Heisenberg dan Niels Bohr agar lebih tepat menjadi:
$$\Delta p \Delta x \geq \frac{h}{4\phi}$$

Dari pertidaksamaan ini dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai $\Delta p$ maka semakin besar nilai $\Delta x$. Ini membuktikan bahwa semakin akurat penentuan momentum semakin tidak akurat penentuan posisinya. Sebaliknya, semakin akurat penentuan posisinya, semakin tidak akurat penentuan momentumnya.

Ilustrasi Model Atom Modern

Model atom modern menggambarkan tubuh atom yang merupakan awan elektron, artinya kemungkinan menemukan elektron terdapat di area tubuh atom namun posisi maupun lintasannya tak dapat dipastikan.

Teori atom modern adalah hasil pengembangan dari berbagai model atom sehingga sudah dianggap paling tepat dalam menggambarkan sifat fisika dan kimia dari sebuah atom. Dirumuskannya model atom modern ini dengan prinsip ketidakpastian Heisenberg mengawali cabang baru dalam ilmu fisika dan kimia yang disebut mekanika kuantum.

Pustaka

  1. (1)
    Chang, R.; Goldsby, K. A. Chemistry, 11th ed.; Mc Graw Hill: New York, 2005.
  2. (2)
    History Program, T. A. Alpha Particles and the Atom https://history.aip.org/exhibits/rutherford/sections/alpha-particles-atom.html.
  3. (3)
    2020, BBC. Co. uk. Rutherford and the nucleus https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zgc2y4j/revision/2.
  4. (4)
  5. (5)
  6. (6)
    aSGuest109347, aSGuest109347. Bohr Atomic Model http://www.authorstream.com/Presentation/aSGuest109347-1140126-bohr-s-atomic-model/ (accessed Dec 2020).
  7. (7)
  8. (8)
    Petrucci, P.; Harwood, W.; Herring, G.; Madura, J. General Chemistry. 9th Ed., 9th ed.; Pearson Prentince Hall: New Jersey, 2020; Vol. 1.
Mengaku-ngaku sebagai penulis sejak 2013, tak satupun buku yang berhasil dituliskan. Amatir Garis Keras!

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.