Sejarah konsep atom

Spekulasi mengenai keberadaan atom sebagai pembentuk materi muncul pada zaman Yunani Kuno sekitar tahun 500 SM. Pada masa itu muncul dua aliran mengenai pembentuk benda, yaitu aliran Aristoteles dan aliran Anaxagoras, Leucippus dan Democritus. Aristoteles menyatakan bahwa materi dapat terus menerus dibagi, sedangkan Democritus dkk sebaliknya. Mereka mempostulasikan bahwa semua materi terbentuk dari kumpulan partikel yang disebut atom. Kata atom sendiri berasal dari kata atomos yang memang artinya sudah tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep mengenai atom ini tidak mengalami perkembangan yang berarti hingga awal abad 19. 

            Di awal abad 19 (th 1808), penelitian yang dilakukan John Dalton dkk mengenai berat gabungan secara kimia berhasil menunjukkan kebenaran atom sebagai pembentuk materi. Beberapa tahun kemudian, Avogadro, seorang profesor fisika di Turin, dengan jelas mampu membedakan atom dengan molekul, ia juga menunjukkan bahwa gas yang berbeda namun dengan volume yang sama, berisi jumlah molekul yang sama apabila suhu dan tekanannya sama. Hal ini sesuai dengan hipotesis pertama mengenai struktur atom.

            Pada tahun 1815, Prout yang berkebangsaan Inggris, membuat hipotesa bahwa atom semua elemen tersusun dari atom hidrogen. Hipotesis Prout ini tidak dapat diterima hingga akhir abad 19, yaitu ketika para ilmuwan telah berhasil melakukan pengukuran berat atom yang lebih akurat. Setelah penemuan isotop di awal abad 20, hipotesis ini dapat diterima dalam bentuk lain yaitu konsep nomor massa.

            Era fisika atom modern dimulai pada saat Rontgen menemukan sinar-X pada tahun 1895, penemuan radioaktivitas oleh Becquerel pada tahun 1896, dan penemuan elektron oleh J.J.Thomson pada tahun 1897. Pengukuran rasio muatan dan massa elektron oleh Thomson serta penentuan muatan listrik oleh H.A. Wilson (1903), berhasil menentukan massa elektron yaitu sekitar 10-27 g. Harga muatan elektron dengan menggunakan hukum elektrolisis Faraday, menunjukkan bahwa berat atom hidrogen sekitar 1800 kali massa elektron. Penelitian Thomson juga berhasil menunjukkan bahwa semua atom memiliki elektron, sedangkan penelitian Barkla (1911) tentang hamburan sinar-X menunjukkan bahwa jumlah elektron dalam tiap atom (kecuali hidrogen) hampir sama dengan setengah berat atomnya.

            Menurut teori elektromagnetika klasik, model atom Nagaoka (1904) dengan lintasan elektron yang berputar mengelilingi inti, ternyata kurang dapat diterima. Menurut teori ini, elektron yang berputar terus menerus akan mengeluarkan energi secara terus menerus karena percepatan sentripetalnya, sehingga ketika energinya habis, elektron akan jatuh ke inti atom. Model atom ini kemudian diperbaiki oleh J.J. Thomson dengan mengemukakan model atom awan bermuatan. Pada model atom ini baik massa maupun muatan listrik atom akan terdistribusi merata dalam bentuk sebuah bola (1907). Gambaran model atom Thompson ini seperti dapat dianalogikan seperti kue kismis. Akan tetapi, model atom Thomson ternyata gagal menjelaskan hamburan partikel alpha oleh air atau lapisan tipis mica (Rutherford 1906), lapisan emas (Geiger 1910) dan lapisan platinum (Geiger dan Marsden 1909).

            Pada tahun 1911, Rutherford mengusulkan bahwa muatan listrik atom (tidak termasuk elektron) terkonsentrasi pada benda yang sangat kecil di tengah. Melalui teori atomnya, Rutherford dapat menjelaskan fenomena defleksi partikel alpha yang teramati oleh Geiger dan Marsden.  

Setelah keberadaan inti atom yang bermuatan positif dan susunan elektron di luarnya ditemukan, maka perlu dicari konsep baru untuk mengatasi kelemahan teori elektromagnetik klasik. Bohr (1913) mengusulkan bahwa pada saat berputar di lintasannya sendiri elektron tidak melepaskan energi. Dengan menggunakan postulasi kuantum Planck, secara teoretis Bohr dapat menjelaskan fenomena spektrum atom hidrogen dan menentukan konstanta Rydberg. Penemuan ini memastikan bahwa model atom Bohr (Rutherford-Bohr) benar.

Model atom Thomson

Penemuan radioaktivitas oleh Becquerel pada tahun 1896 bersama dengan pembuktian Thomson mengenai keberadaan elektron merupakan titik awal dari teori mengenai struktur atom. Pada masa ini telah diketahui bahwa atom suatu bahan radioaktif akan berubah menjadi atom lain setelah memancarkan partikel bermuatan positif atau negatif, hal ini memunculkan pemahaman bahwa atom terdiri dari sesuatu yang bermuatan positif dan negatif. Jika pemahaman ini benar, maka muatan negatif total pada atom harus merupakan kelipatan bulat dari muatan elementer elektron. Selain itu, karena atom dalam kondisi normal bersifat netral secara listrik, maka jumlah muatan positif dan negatif dalam atom harus sama. Adanya bukti bahwa atom memancarkan elektron dalam berbagai kondisi menunjukkan bahwa atom pasti memiliki elektron.   Dengan demikian diketahui bahwa teori modern mengenai struktur atom pertama kali disusun berdasarkan hipotesis bahwa atom terdiri dari elektron dan partikel bermuatan positif yang belum diketahui namanya saat itu.

Thomson mengusulkan sebuah model atom yang sederhana seperti roti kismis. Menurut model ini atom berbentuk seperti bola dengan muatan listrik terdistribusi merata, dan elektron tersebar pada bola ini dengan jumlah muatan negatif yang sama dengan muatan positif. 

Model atom Thomson dapat memprediksi jumlah partikel alfa yang terhambur melalui lapisan tipis untuk sudut kecil saja. Akan tetapi model atom ini tidak dapat dipertahankan karena tidak mampu memprediksi jumlah partikel alfa yang terhambur untuk sudut lebar.

Model atom Rutherford

Pada tahun 1911 Ernest Rutherford (1871 – 1937) bersama murid-muridnya, Hans Geiger dan Ernest Marsden melakukan eksperimen hamburan partikel alpha. Dalam eksperimennya, partikel alpha ditembakkan ke arah lapisan logam tipis emas. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa sebagian besar partikel alpha melewati lapisan tipis seperti menembus ruang kosong, selain itu ada juga partikel yang terdefleksi dengan sudut yang lebar. Eksperimen juga menunjukkan bahwa ada partikel yang terpantul kembali ke arah datangnya. Hamburan semacam ini jelas tidak dapat dijelaskan dengan menggunakan model atom Thomson.

Rutherford menjelaskan hasil eksperimen ini dengan mengasumsikan bahwa muatan positif dalam sebuah atom terkonsentrasi pada suatu bagian yang relatif kecil   dibanding ukuran atom. Bagian bermuatan positif ini disebut inti (nucleus). Elektron dalam atom diasumsikan berada di luar atom dan bergerak mengelilingi inti atom seperti planet-planet mengelilingi Matahari.

Model atom seperti planet ini ternyata memiliki kelemahan, yaitu:

• Tidak dapat menjelaskan fenomena bahwa atom memancarkan radiasi elektromagnetik karakteristik yang diskret.
• Menurut teori elektromagnetisme Maxwell, partikel yang berkeliling pada lintasan  orbit semacam ini akan mengalami percepatan sentripetal dan memancarkan energi hingga akhirnya akan jatuh ke dalam inti   atom.

Model Atom Bohr

Terdapat beberapa model pendekatan dalam mempelajari struktur atom mulai dari yang sederhana hingga yang sangat rumit. Model atom Bohr merupakan model yang paling sering digunakan karena sederhana tetapi dapat menjelaskan banyak hal. Model atom Bohr ini menggambarkan bahwa atom terdiri atas inti atom dan sejumlah elektron yang mengelilingi inti atom pada lintasan atau kulit tertentu. Inti atom itu sendiri terdiri atas sejumlah proton dan neutron yang berkumpul secara masif.

Jenis atom yang sama akan mempunyai jumlah proton yang sama, sebaliknya atom yang berbeda memiliki jumlah proton yang berbeda. Sebagai contoh, unsur hidrogen (H) mempunyai sebuah proton, sedang unsur emas (Au) mempunyai 79 buah proton. Sebagai suatu konvensi, setiap jenis atom diberi nomor – yang disebut sebagai nomor atom –  berdasarkan jumlah proton yang dimilikinya. Sebagai contoh, nomor atom unsur hidrogen adalah 1 sedang nomor atom dari unsur emas adalah 79.

Karakteristik partikel penyusun atom terdapat pada tabel beriukut.

Terlihat bahwa berat (atau massa) atom terkonsentrasi pada intinya, karena berat elektron sangat ringan bila dibandingkan dengan berat proton dan neutron (≈ 1 / 2.000 kali).

Muatan atom secara alamiah netral, sehingga jumlah proton dan elektron di dalam suatu atom sama. Sebagai contoh, unsur emas (No. atom 79) mempunyai 79 buah proton dan 79 buah elektron. Dengan adanya interaksi energi eksternal, terdapat kemungkinan bahwa jumlah proton dan elektron suatu atom tidak sama sehingga muatan atom tersebut tidak netral. Atom yang tidak netral (bermuatan) disebut sebagai ion (partikel yang bermuatan listrik).

Proses ionisasi adalah peristiwa lepasnya elektron dari lintasannya karena terdapat energi eksternal yang mengenai suatu atom. Setelah peristiwa ini, atom akan bermuatan positif atau dapat disebut sebagai ion positif. Proses ionisasi dapat terjadi bila energi eksternal yang datang lebih besar daripada daya ionisasi atom tersebut.

Struktur atom

Dari pembahasan diatas dapat disimpulkan  bahwa atom adalah penyusun materi termasuk yang paling kecil sekalipun. Atom sebagian besar terdiri atas ruang kosong, akan tetapi pada pusat atom terdapat bagian yang paling masif yang disebut inti atom atau nucleus (nuclear). Inti atom tersusun atas proton dan neutron dengan komposisi tertentu. Neutron bersifat neutral atau tidak bermuatan. Sedangkan proton memiliki muatan listrik +1.

Jadi, pada atom oksigen yang memiliki 8 proton, muatan total  di dalam intinya akan sama dengan +8. Akan tetapi muatan total didalam atom akan tetap netral. Hal ini dikarenakan adanya elektron yang mengelilingi inti akan mengimbangi muatan positif proton dengan muatan negatifnya.

Jumlah elektron dan proton adalah sebanding. Artinya, jumlah proton dan elektron di dalam satu buah atom adalah sama. Jadi, jika sebuah atom memiliki 8 proton, maka atom tersebut akan memiliki 8 elektron. Muatan total elektron di dalam atom akan sama dengan -8, sedangkan muatan inti adalah +8, jadi ketika kita akan menghitung muatan total atom, kita akan mendapatkan (+8) + (-8) = 0.

Inti atom

Seperti telah disebutkan, atom memiliki inti atom yang tersusun atas proton dan neutron. Di dalam inti atom juga berlaku “hukum” lain, yaitu gaya nuklir, yang dapat mengimbangi gaya elektrostatik yang disebabkan oleh proton. Komposisi jumlah proton dan neutron di dalam inti atom akan menentukan apakah suatu inti atom bersifat stabil atau tidak stabil.

Terdapat kemungkinan bahwa beberapa atom (unsur) yang sama ternyata mempunyai inti atom yang tidak sama, dalam arti jumlah neutron yang tidak sama meskipun dengan jumlah proton yang sama. Inti atom dituliskan dengan kaidah sebagai berikut.

_ZX^A

Dimana Z adalah nomor atom yang menunjukkan jumlah proton, X adalah simbol unsur, dan A adalah nomor massa yang menunjukkan jumlah proton + neutron. Sebagai contoh

₂₇Co⁶⁰

adalah inti atom Cobalt yang memiliki 27 proton (no. atom 27) dan memiliki 33 neutron (no. massa 60 – no. atom). Karena nomor atom dan lambang atom (unsur) merupakan satu identitas (nomor atom 6 sudah pasti adalah unsur C) maka penulisan inti atom sering disingkat hanya lambang dan nomor massanya saja, misalnya

Co⁶⁰atau C¹²

Inti-inti atom dari unsur yang sama tetapi memiliki jumlah neutron yang berbeda disebut sebagai isotop. Beberapa contoh isotop Carbon:

₆C¹²,₆C¹³, dan ₆C¹⁴

Kestabilan inti

Berdasarkan hukum Coulomb inti atom akan “pecah” karena adanya daya tolak menolak antara dua proton, akan tetapi ternyata di dalam inti atom terdapat gaya lain yang dapat mengimbangi gaya Coulomb yaitu gaya nuklir. Kekuatan gaya nuklir ini sangat ditentukan oleh jumlah partikel nukleonik (proton dan neutron) di dalam inti atom. Oleh karena itu, keseimbangan antara kekuatan gaya Coulomb dan gaya nuklir di dalam inti atom tersebut sangat dipengaruhi oleh komposisi jumlah proton dan jumlah neutronnya.

Secara umum memang sering dikatakan bahwa inti atom yang stabil untuk inti ringan adalah bila jumlah proton dan jumlah neutronnya sama, sedangkan untuk inti berat jumlah neutronnya satu setengah kali jumlah protonnya. Pernyataan tersebut di atas tidak dapat dibenarkan secara ilmiah karena pada kenyataannya seringkali tidak mengikuti ketentuan itu.

Posisi inti atom yang stabil sudah dipetakan dengan sistem koordinat jumlah proton (sumbu-X) dan jumlah neutron (sumbu-Y) didalam kurva kestabilan inti.

Titik-titik hitam pada kurva tersebut menunjukkan koordinat (jumlah proton dan jumlah neutron) inti atom yang stabil. Terlihat bahwa pada jumlah proton tertentu terdapat beberapa titik hitam dengan jumlah neutron yang berbeda, berarti terdapat kemungkinan bahwa sebuah unsur memiliki beberapa isotop yang stabil.

Kurva kestabilan di atas dijabarkan lebih rinci pada suatu tabel yang disebut sebagai tabel nuklida. Jenis-jenis inti atom (nuklida), baik yang stabil maupun yang tidak stabil, dapat dilihat pada tabel nuklida (nuclide chart). Inti atom yang stabil ditandai dengan warna hitam sedangkan warna lain menunjukkan inti atom (nuklida) yang tidak stabil.

Sebagai contoh, terlihat pada tabel nuklida disamping bahwa unsur besi (Fe) mempunyai tiga isotop yang stabil yaitu Fe⁵⁶, Fe⁵⁷, dan Fe⁵⁸ serta beberapa inti atom atau isotop yang tidak stabil, yang sering disebut sebagai radioisotop atau inti radioaktif. Demikian pula cara untuk mengidentifikasi kestabilan inti atom pada unsur-unsur yang lain.