PERKEMBANGAN MODEL ATOM

Konsep atom pertama kali dikemukakan oleh Demokritos. Namun, konsep atom yang dikemukakan Demokritos tidak didukung oleh eksperimen yang meyakinkan, sehingga tidak dapat diterima oleh beberapa ahli ilmu pengetahuan dan filsafat.

Pengembangan konsep atom-atom melalui eksperimen atau secara ilmiah baru dimulai oleh John Dalton (1805), kemudian dilanjutkan oleh Thomson (1897), Rutherford (1911) dan disempurnakan oleh Bohr (1914). Hasil eksperimen yang memperkuat konsep atom ini menghasilkan gambaran mengenai susunan partikel-partikel tersebut di dalam atom. Gambaran ini berfungsi untuk memudahkan dalam memahami sifat-sifat kimia suatu atom. Gambaran susunan partikel-partikel dasar dalam atom disebut model atom. Berikut ini paparan dari masing-masing model atom tersebut.

1. MODEL ATOM DALTON

Berdasarkan pemikiran bahwa konsep atom Democritus sesuai dengan Hukum Kekekalan Massa dari Lavoisier (berbunyi: massa zat sebelum dan sesudah reaksi sama) dan Hukum Perbandingan Tetap dari Proust (berbunyi: perbandingan massa unsur-unsur dalam suatu senyawa adalah tetap dan tertentu), maka John Dalton tahun 1805 merumuskan teori atom sebagai berikut.

a.        Materi tersusun atas partikel-partikel kecil yang disebut atom.

b.       Atom-atom penyusun unsur bersifat identik (sama dan sejenis).

c.        Atom suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain.

d.       Senyawa tersusun atas dua jenis atom atau lebih dengan perbandingan tetap dan tertentu.

e.   Pada reaksi kimia terjadi penataulangan atom-atom yang bereaksi. Reaksi kimia terjadi karena pemisahan atom-atom dalam senyawa untuk kemudian bergabung kembali membentuk senyawa baru

Hipotesis Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti pada tolak peluru.

Gambar 1. Model atom Dalton, seperti bola pejal

Dalam perkembangannya tidak semua teori atom Dalton benar. Kelemahan dari teori atom Dalton tidak dapat menerangkan suatu larutan dapat menghantarkan listrik. Bagaimana mungkin suatu bola pejal dapat menghantarkan listrik, padahal listrik adalah elektron yang bergerak. Berarti ada partikel lain yang dapat menyebabkan terjadinya daya hantar listrik. Karena ada banyak hal yang tidak dapat diterangkan oleh teori atom Dalton, maka para ilmuwan terdorong untuk melakukan penyelidikan lebih lanjut tentang rahasia atom.

2.      MODEL ATOM THOMSON

Pada tahun 1897, Joseph John Thomson dari Inggris melakukan serangkaian eksperimen. Melalui eksperimen dengan tabung sinar katode Joseph John Thomson berhasil menemukan berkas partikel yang bermuatan negatif. Partikel bermuatan negatif dalam atom ini yang disebut elektron.

Gambar 2. Percobaan Tabung Sinar Katoda

Menurut Thomson, atom berbentuk bulat di mana muatan listrik positif yang tersebar merata dalam atom dinetralkan oleh elektron-elektron yang berada di antara muatan positif. Elektron-elektron dalam atom diumpamakan seperti butiran kismis dalam roti, maka Teori Atom Thomson juga sering dikenal Teori Atom Roti Kismis.

Gambar 3. Model atom Thomson seperti roti kismis

Thomson juga mampu menghitung perbandingan muatan terhadap massa elektron. Besarnya muatan dalam elektron ditemukan oleh Robert Andrew Milikan (1908) melalui percobaan tetes minyak Milikan seperti gambar berikut.

Gambar 4 . Diagram Percobaan Tetes Minyak Milikan

Minyak disemprotkan ke dalam tabung yang bermuatan listrik. Akibat gaya tarik gravitasi akan mengendapkan tetesan minyak yang turun. Bila tetesan minyak diberi muatan negatif maka akan tertarik kekutub positif medan listrik. Hasil percobaan Milikan dan Thomson diperoleh muatan elektron -1,6022 x 10^-19 Coulomb dan massa elektron 9,10938  x 10^-28 gram.

3. MODEL ATOM RUTHERFORD

Pada tahun 1903 Philipp Lenard melalui percobaannya membuktikan bahwa teori atom Thomson yang menyatakan bahwa elektron tersebar merata dalam muatan positif atom adalah tidak benar.Kelemahan dari model atom Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

Eugene Goldstein (1886) melakukan eksperimen menggunakan tabung sinar katoda yang sudah dimodifikasi, yaitu dengan memberi lubang-lubang pada lempeng katoda.

Gambar 5. Percobaan Goldstein untuk Mempelajari Partikel Positif

Ternyata pada saat terbentuk elektron yang menuju anoda terbentuk pula sinar positif yang menuju arah berlawanan melewati lubang pada katoda. Setelah berbagai gas dicoba dalam tabung ini, ternyata gas hidrogenlah yang menghasilkan sinar muatan positif yang paling kecil baik massa maupun muatannya, sehingga partikel ini disebut dengan proton.

Penemuan Goldstein ini didukung dengan penelitian Ernest Rutherford dengan  penembakan parttikel alpha pada pelat emas yang sangat tipis. Dari hasil eksperimennya, ternyata terdapat partikel yang diteruskan, dibelokkan atau dipantulkan. Berarti di dalam atom terdapat susunan-susunan partikel bermuatan positif dan negatif.  Berdasarkan  model atom Rutherford:

a.       Atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif pada pusat atom, serta elektron-elektron yang bermuatan negatif dan bergerak mengelilingi inti,

b.      Sebagian besar volume atom merupakan ruang kosong,

c.   Jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah elektron yang mengelilingi inti, sehingga atom bersifat netral

 

Gambar 6. Model atom Rutherford

Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengitari inti disertai pemancaran energi sehingga lama kelamaan energi elektron akan berkurang. Elektron berbeda muatan dengan inti atom, maka  elektron akan jatuh ke inti. Rutherford belum bisa menjelaskan hal tersebut.

Rutherford juga  berhasil menghitung bahwa massa partikel bermuatan positif  itu kira-kira 1.837 kali massa elektron. Pada tahun 1919 partikel tersebut dinamai proton Massa 1 proton = 1,67262 x 10^–24 gram dan muatannya   1,6022 x 10^-19 Coulomb.  Massa proton = 1 sma (satuan massa atom) dan muatan proton = +1.

Pada tahun 1932 James Chadwick  melakukan eksperimen penembakan partikel alfa pada inti atom berilium (Be). Dari hasil percobaan ditemukan adanya partikel bersifat netral atau tidak bermuatan dan massanya hampir sama dengan proton. Partikel ini disebut neutron .

Gambar 7. Susunan Proton dan Neutron dalam Inti Atom

Massa sebuah neutron adalah 1,67493 × 10^-24 gram, hampir sama atau boleh dianggap sama dengan massa sebutir proton. Dengan penemuan ini para ilmuwan percaya bahwa inti atom tersusun atas dua partikel, yaitu proton (partikel yang bermuatan positif) dan neutron (partikel yang tidak bermuatan). Proton dan neutron mempunyai nama umum,nucleon. Jadi atom tersusun atas inti atom (proton dan neutron) dan kulit atom (eletron).

4.      MODEL ATOM NIELS BOHR

Kelemahan dari Rutherford diperbaiki oleh Niels Bohr dengan percobaannya menganalisa spektrum warna dari atom hidrogen yang berbentuk garis. Hipotesis Bohr adalah :

a.       Atom terdiri dari inti yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif di dalam suatu lintasan (orbit).

b.      Elektron di dalam atom beredar mengelilingi inti atom pada lintasan yang dikenal sebagai keadaan gerakan yang stasioner (tetap) dengan tingkat energi yang dinyatakan dengan n (n = bilangan bulat positif 1, 2, 3…)

c.       Sepanjang elektron berada dalam lintasan stasioner, energi akan konstan. Sehingga tidak ada energi yang dipancarkan maupun diserap.

d.      Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke yang lain dengan menyerap atau memancarkan energi sehingga energi elektron atom itu tidak akan berkurang. Jika berpindah lintasan ke lintasan yang lebih tinggi maka elektron akan menyerap energi. Jika beralih ke lintasan yang lebih rendah maka akan memancarkan energi.

Model atom Bohr digambarkan sebagai berikut.

 

Gambar 8. Model atom Bohr

Menurut model atom Bohr, atom terdiri dari beberapa kulit/lintasan yang didalamnya terdapat sejumlah tertentu elektron. Di sisi lain, model atom ini hanya dapat menerangkan atom-atom yang memiliki elektron tunggal seperti gas hidrogen, tetapi tidak dapat menerangkan spektrum warna dari atom-atom yang memiliki elektron banyak. 

1.      Teori Atom Mekanika Kuantum

Kelemahan teori atom Bohr menimbulkan pertanyaan mengapa elektron di dalam atom Bohr dibatasi untuk mengorbit di sekeliling inti pada jarak tertentu. Pada tahun 1942 ilmuan Louis de Broglie mengemukakan pendapat bahwa ”bila gelombang cahaya dapat berperilaku seperti aliran partikel (foton) maka partikel seperti elektron dapat memiliki sifat gelombang”. Hal ini memunculkan sifat dualisme elektron, yaitu elektron dapat dipandang sebagai partikel dan sebagai gelombang.

Tidak mungkin menentukan kecepatan sekaligus posisi elektron dalam ruang secara pasti, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak  tertentu dari inti atom. Lintasan elektron bukan berbentuk garis tapi sebuah ruang. Elektron boleh jadi ditemukan dalam ruang itu. Ruang-ruang itu disebut orbital.

 

Dengan adanya teori probabilitas maka hilanglah pengertian bahwa elektron beredar mengelilingi inti menurut suatu lingkaran dan selalu berada pada lingkaran tersebut.

Erwin Schrodinger seorang ahli fisika dari Austria, berhasil merumuskan persamaan gelombang untuk menggambarkan gerakan elektron pada atom. Schrodinger memperhitungkan dualisme sifat elektron, yaitu sebagai partikel dan sebagai gelombang dalam suatu persamaan yang memperkenalkan mekanisme gelombang. Model atom dengan menggunakan persamaan gelombang ini disebut model atom modern atau teori mekanika kuantum.

Menurut model atom modern, elektron-elektron dalam atom mengelilingi inti atom pada tingkat energi tertentu. Suatu kulit terdiri atas suatu kumpulan dari satu orbital atau lebih. Orbital adalah daerah dengan peluang terbesar untuk menemukan elektron. Berdasarkan teori atom mekanika kuantum, dapat ditentukan struktur elektronik atom.