Perkembangan Teori Atom

Perkembangan Teori Atom

Pemikiran tentang hakikat materi, telah menjadi bagian penting dalam perkembangan ilmu pengetahuan. Dalam setiap masa, selalu muncul pemikir-pemikir yang berusaha untuk menyingkap rahasia di balik materi alam semesta ini. Karenanya  perkembangan pemahaman manusia tentang atom, sebagai unit pembangun materi, memperlihatkan suatu pola keteraturan yang luar biasa, sesuai dengan perkembangan daya pikir manusia dan teknologi perangkat penyelidikan.

Ilmu kimia adalah ilmu yang mempelajari tentang materi dan perubahannya serta perubahan energi yang menyertainya. Karena itu materi menjadi subjek utama dalam bidang ini. Sehingga pemahaman seseorang mengenai materi adalah prasyarat untuk dapat memahami perubahan yang terjadi padanya. Dari sini dapat disimpukan bahwa konsep struktur atom adalah penting dan fundamental.

Untuk dapat memahami struktur atom secara benar, maka mengikuti perkembangan pemahaman manusia tentang atom itu sendiri akan sangat bermanfaat. Bagaimana penyelidikan keberadaan atom dari masa ke masa dapat dirangkum seperti berikut

Pemikiran tentang Atom  sebelum Dalton

Era panjang sebelum lahirnya teori atom Dalton, yang dianggap sebagai teori atom modern pertama, berlangsung dari era pemikiran metafisik Yunani sampai jaman renaissance. Teori atom Dalton dipandang sebagai teori atom modern yang pertama karena merupakan hasil kesimpulan dari berbagai gejala yang terjadi pada materi. Dalton juga meneliti massa relatif dari atom-atom dengan membandingkannya dengan massa atom hidrogen yang diberi massa atom satu, sesuatu yang baru dalam penyelidikan materi. Walaupun beberapa pemikiran sebelumnya juga tidak semata-mata bersifat metafisis, tetapi teori Dalton-lah yang dapat digunakan untuk menjelaskan berbagai gejala yang terjadi pada materi. Juga teori Dalton-lah yang disusun berdasarkan fakta empiris hasil eksperimen. Karena itu teori Dalton dianggap sebagai teori modern.

Pandangan manusia tentang atom dan kekosongan diawali oleh Leucippus, lahir 500 tahun sebelum masehi dan rekannya, Democritus, yang lahir 460 tahun sebelum masehi. Democritus memperluas teori yang dikemukakan Leucippus dan mempostulatkan penerapannya. Leucippus dikenal hanya menulis sedikit karya dan pandangannya tentang atom termuat dalam The Great World System. Democritus lebih produktif dalam menulis dengan sekitar lima puluh dua karya tulis dengan beberapa di antaranya merupakan naskah pendek. Termasuk dalam karyanya itu dia memperluas pandangan Leucippus tentang atom dan kekosongan, dan delapan karya tentang etik (Wohnsigl, 2004).

Teori Leucippus merupakan reaksi terhadap teori Parmenides dan Zeno, dua pemikir Yunani yang lain, merupakan kompromi antara akal sehat dan prinsip. Parmenides dan muridnya, Zeno, percaya bahwa unsur pembentuk alam semesta adalah yang maha Esa, yang tidak berbatas, meliputi segalanya, massa yang tidak bergerak yang tidak berisi ruang kosong.

Leucippus menyatakan bahwa teori ini bisa jadi tidak benar, karena pikiran sehat kita menunjukkan bahwa ada gerakan. Ia mendalilkan kekosongan itu, ketidakhadiran dari semua yang ada, adalah hal penting bagi gerakan. Ia juga mendalilkan bahwa suatu jumlah tanpa batas partikel yang disebutnya atom, yang membentuk segala sesuatu yang ada dan penghancuran/pemutusan atom-atom menyebabkan kerusakan materi.

Democritus mengembangkan teori Leucippus dengan mendeduksi Cosmogony, suatu metode terbentuknya semesta, dengan berpikir bahwa semua materi terdiri dari atom, dan   atom   memiliki   densitas   yang   berbeda-beda.   Atom-atom   akan  bergabung membentuk suatu pusaran atom. Materi yang lebih berat, karena pengaruh gravitasi akan mengumpul di pusat dan membentuk bumi. Yang lebih ringan, dan lebih baik akan terlempar pada bagian luar pusaran dan meningkatkan kecepatan revolusi, kemudian membentuk heavenly bodies. Teori ini jelas salah karena memandang bumi sebagai pusat (geosentris), tetapi satu hal penting dari Leucippus dan Democtritus adalah adanya ruang kosong (void), sesuatu yang kemudian akan dibuktikan oleh Ernest Rutherford. Walaupun konsep ruang kosong keduanya sangat berbeda: Leucippus dan Democritus mengatakan ruang kosong harus ada di antara atom-atom, sedangkan ruang kosong Rutherford berada dalam atom: sebagian besar volume atom itulah ruang kosong.

Jika dirangkum, maka pandangan Leucippus dan Democritus tentang atom adalah sebagai berikut:

Pertama, semua materi tersusun atas atom-atom, yang terlalu kecil untuk dapat  dilihat. Atom-atom ini tidak dapat dibagi lagi menjadi bagian yang lebih kecil. Alasan Democritus menyatakan bahwa bagian terkecil dari materi adalah atom yang tidak dapat dibagi lagi, karena jika pembagian dapat berlangsung terus-menerus, maka materi yang telah terpisah-pisah tidak dapat disusun kembali, dan kenyataannya tidak demikian. Suatu proses dapat bersifat reversibel.

Kedua, Terdapat ruang-ruang kosong di antara atom-atom. Karena adanya ruang kosong ini menyebabkan atom-atom dapat bergerak. Bergeraknya atom-atom inilah yang menyebabkan dapat terjadinya perubahan materi dan sifat-sifat materi. Jika  tidak ada ruang kosong (vacuum) maka atom-atom tidak dapat bergerak, dan tidak akan terjadi perubahan materi.

Ketiga, atom berwujud padat, dan di dalamnya sama sekali tidak terdapat ruang kosong.

Keempat, Atom-atom bersifat homogen dan tidak mempunyai struktur internal. Pandangan ini praktis baru terbantahkan pada saat J.J. Thomson menemukan  elektron.

Kelima, atom-atom memiliki ukuran, bentuk, dan berat yang berbeda-beda.

Konsep atom ini kalah populer dengan konsep kontinuitas materi yang dikemukakan oleh Aristoteles. Menurut Aristoteles, atom hanyalah sebuah khayalan semata-mata, unsur sebagai penyusun materi haruslah bisa dinalar oleh indra manusia. Karena itu Aristoteles menyatakan ada empat unsur penyusun materi yaitu air, tanah, udara, dan api yang tersusun atas empat kualitas yang berlawanan: panas – dingin dan basah – kering. Bahkan kemudian gereja katolik menguatkan pandangan Aristoteles dan menyamakan ide atomistik sebagai Godlessness. Akibatnya sungguh dahsyat, pemikiran tentang atom terhenti sampai abad pertengahan. Sebagai gantinya teori empat unsur dari Aristoteles lebih banyak dirujuk, dan, suatu berkah dibalik bencana, teori empat unsur melahirkan cikal-bakal al-kimia.

Setelah era keemasan Yunani menurun, pusat peradaban beralih ke timur, ilmuwan- ilmuwan Arab menterjemahkan buku-buku Yunani, dan melanjutkan penyelidikan tentang hakekat materi. Berdasarkan teori empat unsur dari Aristoteles mereka berusaha mencampurkan satu ‘unsur’ dengan unsur lain untuk menghasilkan emas. Ilmuwan Arab berhasil mengembangkan teknik-teknik analitik seperti penyaringan, destilasi, dan filtrasi. Dari sini mereka menemukan bahwa tanah, air, dan api  bukanlah zat dasar penyusun materi. Sehingga mereka mengembangkan ‘tiga  kualitas’ sebagai gantinya, yaitu belerang yang mewakili sifat mudah terbakar suatu zat, air raksa mewakili sifat mengkilap, dan garam sebagai hasil yang selalu terjadi ketika dua zat dicampurkan (Wospakrik, 2005).

Konsep atomos muncul kembali saat Pierre Gassendi (1592 – 1655) berhasil memisahkan konsep atomisme dengan atheisme. Ini menyebabkan atomisme dapat diterima secara lebih luas. Saat itu, tahun 1624, parlemen Perancis telah menyatakan bahwa siapapun yang mengajarkan paham yang bertentangan dengan Aristoteles akan dihukum mati. Pada tahun 1649, Gassendi mempublikasikan karyanya, Syntagma hilosophiae Epicuri, yang terbagi menjadi tiga bagian: Logic, Physics, dan Ethics.

Sebelum mendiskusikan tentang atom, terdapat tiga bab dalam buku Gasssendi yang menjelaskan pentingnya ruang kosong. Baru kemudian diikuti penjelasan tentang  teori atom Yunani: bahwa atom tidak dapat diciptakan dan atau dimusnahkan, bahwa atom berwujud padat, bahwa atom memiliki berat/massa, dan bahwa atom tidak dapat lagi dibagi. Gassendi juga yakin, bahwa atom bukan hanya suatu “pemberhentian” geometris belaka, tetapi atom memiliki ukuran tertentu, walaupun itu sangat kecil.

Satu perbedaan dengan konsep atom Yunani, dan ini yang menyebabkan dia dapat memisahkannya dari atheisme, adalah bahwa menurutnya atom tidak kekal eksistensinya, tetapi diciptakan oleh Tuhan. Pergerakan atom tidaklah a se ipsis (atas kemauannya sendiri) tetapi dei gratia, merupakan pemberian Tuhan. Menurut Gassendi atom-atom juga dapat bergabung membentuk molleculae atau corpuscula. Atom atom itu bergabung bukan karena gaya elektrostatik, tetapi karena adanya gaya mekanik seperti kancing dan lubangnya (Park, 1998).

Terdapat rentang sekitar 150 tahun dari masa Gassendi untuk memunculkan John Dalton dari Inggris.

1. Teori Atom Dalton

Pernyataan yang kemudian terkenal sebagai teori atom Dalton, berawal dari ketertarikan John Dalton terhadap cuaca. Sepanjang hidupnya dia mencatat tekanan uap, kelembaban udara, kelarutan gas, dan campuran gas dalam atmosfir. Bahkan sampai sehari sebelum meninggal, dengan tangan gemetar Dalton masih mencatat cuaca hari itu. Dalton mempublikasikan metodenya untuk menentukan berat atom, dan teorinya tentang atmosfir dan perilaku gas dalam bukunya, A New System of Chemical Phylosophy. Hanya pada beberapa halaman terakhir bukunya tersebut Dalton memaparkan teorinya tentang atom. Secara garis besar pandangannya tentang atom adalah sebagai berikut:

Pertama, unsur-unsur terbuat dari atom. Atom ini bersifat diskrit, tidak terbagi, dan tidak dapat mengalami kerusakan/kemusnahan. Tentu saja ini bukan gagasan Dalton sendiri, tetapi berasal dari atomisme Yunani. Yang perlu diingat adalah bahwa gagasan ini bukanlah gagasan populer pada awal 1800, saat Dalton mempublikasikannya. Definisi Dalton tentang unsur adalah sama dengan definisi saat ini, suatu materi kimia yang tidak dapat didekomposisi lagi menjadi lebih sederhana dengan cara-cara kimia biasa. Definisi ini mengacu pada Lavoisier. Atom Dalton dapat diibaratkan seperti bola bilyard, yang tidak memiliki struktur sub atomik.

Kedua, atom-atom suatu unsur adalah identik dalam hal massa. Konsep ini diketahui belakangan adalah salah dengan penemuan isotop, tetapi perlu diingat konsep isotop baru diketahui 100 tahun kemudian.

Ketiga, atom-atom dari unsur yang berbeda akan mempunyai massa yang berbeda pula. Ini juga bukan merupakan pemikiran murni dari Dalton, tetapi juga bersumber dari atomisme Yunani. Yang membedakan adalah Dalton-lah yang pertama kali menggambarkan perbedaan tersebut, sementara sebelumnya hanyalah sebuah pernyataan tanpa bukti. Dalton telah dapat menentukan massa atom relatif dari suatu unsur.

Keempat, atom-atom bergabung dalam perbandingan yang bulat dan sederhana. Pernyataan ini merujuk pada hukum perbandingan tetap dari Joseph Louis Proust pada 1797. Penemuan Dalton adalah hukum kelipatan perbandingan, yang dirumuskan dari penyelidikannya terhadap oksida nitrogen. Secara modern hukum ini dinyatakan,  atom-atom  dari  suatu  unsur  dapat  bergabung  dengan  lebih  dari  satu macam perbandingan dengan suatu atom unsur lain untuk membentuk lebih dari satu senyawa.

Ide kelima yang implisit dalam teori Dalton tetapi biasanya tidak dibicarakan adalah bahwa atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Atom-atom suatu unsur tidak berubah selama reaksi kimia, contohnya atom oksigen dan nitrogen tetap berada sebagai dirinya dalam keadaan sebagai senyawa, dan dapat didekomposisi untuk kembali menjadi unsur bebas (Park, 1998) .

Teori atom dalton

2. Model Atom Thomson

J.J. Thomson melakukan penyelidikan terhadap atom dengan menggunakan tabung sinar katoda (Cathode Ray Tube = CRT). Dengan alat ini Thomson menemukan elektron (yang disebutnya corpuscle) sebagai partikel sub atomik dalam atom pada 1896. Penemuan ini mematahkan anggapan bahwa atom merupakan partikel terkecil yang tidak mengandung struktur yang lebih elementer.

J.J. Thomson sampai pada kesimpulan bahwa elektron (corpuscles) merupakan partikel penyusun semua atom, karena dengan menggunakan katoda yang berasal dari unsur berbeda-beda, jenis sinar yang dipancarkan adalah sama. Pernyataan ini layak dicatat karena keberaniannya untuk menyatakan sinar katoda merupakan suatu partikel

Diagram tabung sinar katoda dapat dilihat pada gambar II.1. Sinar dari katoda dilewatkan melalui celah sempit pada anoda. Pada daerah tertentu dari tabung dipasang pelat deflektor yang dihubungkan dengan kutub baterai. Jika hubungan dengan baterai pada pelat deflektor diputuskan, maka jalannya sinar katoda adalah lurus. Tetapi ketika baterai dipasang, maka sinar katoda dibelokkan pada daerah tersebut mendekati kutub positif baterai. Percobaan ini membuktikan bahwa sinar katoda bermuatan negatif.

Untuk menentukan nilai perbandingan muatan dengan massa elektron (e/m),  Thomson memasang dua kutub berlawanan dari suatu magnet listrik pada sisi tabung pada daerah pelat deflektor. Pemasangan sedemikian rupa sehingga garis  gaya  medan magnetnya menyilang tegak lurus garis medan listrik antara pelat deflektor. Kekuatan medan magnet diatur sedemikian rupa sehingga mengakibatkan pembelokan sinar katoda yang sama besar tetapi arahnya berlawanan dengan pembelokan oleh medan listrik. Dengan mengukur besar medan listrik dan medan magnet dapat ditentukan besar harga e/m (Wospakrik, 2005).

teori atom thomson

3.Teori Atom Rutherford

Ernest Rutherford, ilmuwan besar yang berhasil menemukan inti atom. Bekerja di laboratorium Universitas Manchester, Rutherford bekerja sama dengan Hans   Geigerdan seorang mahasiswanya bernama Ernest Marsden, menyelidiki hamburan sinar  alfa sejak 1898.

Rutherford menduga simpangan gerak partikel alfa yang melewati lembaran tipis emas dari arah datangnya semula akan memiliki sudut simpangan yang kecil. Hal ini karena partikel alfa bergerak sangat cepat, sekitar 160.000 km/s dan lembaran emas yang dilewati hanya setebal 0,006 cm.

Hasil percobaan sungguh di luar dugaan. Dilaporkan oleh Geiger bahwa terdapat beberapa berkas sinar alfa yang dipantulkan balik. Komentar Rutherford yang  menjadi terkenal, ”Tidak masuk akal! Ini sama halnya dengan anda menembakkan peluru berdiameter 15 inchi pada selembar kertas tissue kemudian mendapati bahwa peluru tadi terpantul balik menembaki Anda.”(Krane, 1992).

Penjelasan yang mungkin untuk ini adalah bahwa atom tidaklah benar-benar pejal, tetapi berisi ruangan kosong. Massa atom pasti terkonsentrasi dalam inti atom yang disebutnya  teras  atom,  sehingga  ketika  sinar  alfa  yang  bermuatan  positif  dan massa atom jauh lebih kecil dari atom emas menumbuknya akan terpental tanpa inti itu mengalami perubahan posisi. Ini sama seperti kelereng yang menabrak bola besi dengan diameter jauh lebih besar, kelereng itu akan terpental dan bola besinya tidak berubah.

Di samping itu percobaan menunjukkan bahwa hampir seluruh berkas sinar alfa diteruskan tanpa mengalami pembelokan arah, dan sebagian kecil, 1 berkas sinar alfa tiap 200 berkas dibelokkan dengan sudut kecil, sekitar 2˚. Dan hanya sedikit sekali berkas (Geiger – Marsden melaporkan 1/8.000 untuk lembaran tipis platinum dan Rutherford melaporkan 1/20.000 untuk lempeng emas) sinar alfa yang dipantulkan dengan sudut pantulan mencapai 90˚ atau lebih. Hasil ini membimbing Rutherford pada suatu kesimpulan yang berseberangan dengan J.J. Thomson, sehingga ia menemukan inti atom, yang disebut oleh Rutherford sebagai "charge concentration" dalam makalahnya pada tahun 1911. Istilah inti atom (nucleus) baru digunakan dalam bukunya yang diterbitkan pada tahun 1912. Dalam makalahnya tersebut, Rutherford menulis, "We shall suppose that for distances less that 10¯12 cm the central charge and also the charge on the alpha particle may be supposed to be concentrated at a point."

Karena itu Rutherford memberikan model bahwa atom dengan radius 10-12  cm  dengan sebagian besar volume atom merupakan ruang kosong, dengan inti atom pada pusatnya sebagai sebuah titik di mana terjadi konsentrasi muatan positif. Elektron- elektron berada pada jarak yang jauh dari inti atom. Jika dilakukan perbesaran sampai inti atom sebesar kelereng dengan diameter 2 cm, maka atom telah kira-kira sebesar bumi. 

Rutherford tidak punya ketertarikan untuk mempelajari lebih jauh bagaimana atom dapat stabil tanpa elektron jatuh ke dalam inti atom. Rutherford menulis pada bagian awal papernya, "The question of the stability of the atom proposed need not be considered at this stage, for this will obviously depend upon the minute structure of the atom, and on the motion of the constituent charged parts." Persoalan ini dijawab seorang berumur duapuluh tujuh tahun, Neils Bohr.

Teori atom rutherford

4. Teori Atom Bohr

Pada tahun 1913, Neils Bohr mengemukakan bahwa atom ternyata mirip dengan sistem tata surya, dengan elektron-elektron mengitari inti atom seperti halnya planet- planet mengitari matahari. Dengan alasan yang sama bahwa sistem tata surya tidak runtuh karena tarikan gravitasi antara matahari dan tiap planet, atom juga tidak runtuh karena tarikan elektrostatik coulomb antara inti atom dengan tiap elektron. Dalam kedua kasus ini, gaya tarik berperan memberikan percepatan sentripetal yang dibutuhkan untuk mempertahankan gerak edar (Krane, 1992). Menurut Bohr, elektron tidak bergerak menurut lintasan yang sembarang, tetapi pada lintasan tertentu yang disebut lintasan stasioner. Dalam lintasan ini, elektron tidak kehilangan energi selama bergerak.  Besarnya momentum anguler elektron dalam lintasan ini memenuhi persamaan mvr =nh/2p, di mana n disebut bilangan    kuantum utama dengan harga yang diijinkan 1, 2, 3 dan seterusnya.

Elektron dapat berpindah dari lintasan stasionernya ke lintasan dengan tingkat energi lebih tinggi, jika menyerap energi (foton) yang cukup, dan sebaliknya dapat kembali ke lintasan stasionernya dengan melepaskan foton. Model atom Bohr ini dapat menjelaskan dengan memuaskan spektrum garis dari gas hidrogen dan atom berelektron satu lainnya (hydrogen like). Kebenaran teori Bohr ini dapat dibuktikan dengan eksperimen yang dilakukan oleh James Frank dan Gustav Hertz, dua orang ilmuwan Jerman. Mereka menggunakan sebuah tabung yang diisi dengan uap raksa di mana elektron dapat dipercepat dengan medan listrik dengan potensial U1 dan sebelum elektron menabrak anoda kemudian diperlambat dengan U2, di mana U2 < U1.

Hasil ini membimbing pada satu kesimpulan bahwa eksitasi pada atom air raksa bersifat diskrit.  Mula mula elektron  secara  konstan  dipercepat  dan   bertumbukan secara elastis dengan atom-atom raksa. Akibatnya arus akan naik. Ketika elektron dipercepat maka energi kinetiknya (Ekin = e U1) naik, dan ketika energi kinetik elektron mencapai tingkatan tertentu di mana harganya sama dengan tingkat energi pertama dari elektron dalam atom raksa maka elektron akan memberikan semua energi kinetiknya kepada elektron raksa sehingga mengalami eksitasi. Karena energi kinetiknya berkurang, elektron tidak dapat melalui daerah perlambatan, maka arus akan menurun. Hal ini akan berulang untuk setiap kelipatannya (Bronner ,2006).

Teori Atom Bohr

5 . Teori Atom Modern

Model atom mekanika kuantum dikembangkan oleh Erwin Schrodinger (1926).Sebelum Erwin Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara seksama pada saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti atom”. Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan elektron disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin Schrodinger.Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron dalam tiga dimensi.

Teori Atom Modern