PERKEMBANGAN TEORI ATOM

Salam untuk teman - teman dan pembaca sekalian. Dalam postingan kali ini, saya berbagi artikel yang merupakan tugas Mata Kuliah Fisika Modern. Kiranya ini dapat bermanfaat bagi kita semua.. :)

 

Perkembangan Teori Atom

A.   Substansi

Aliran sekolah Nyaya dan Vaisheshika mengembangkan teori yang menjelaskan bagaimana atom-atom bergabung menjadi benda-benda yang lebih kompleks.

Rujukan mengenai atom di dunia Barat muncul satu abad kemudian oleh Leukippos , yang kemudian oleh muridnya, Demokritus mensistematis pandangan ini. Kira-kira pada tahun 450 SM, Demokritus menciptakan istilah Ãtomos  yang berarti tidak dapat dipotong ataupun partikel terkecil dari materi yang tidak dapat dibagi-bagi lagi.

Pada tahun 1661, Robert Boyle mempublikasikan buku (The Sceptical Chymist ) yang berargumen bahwa materi-materi di dunia ini terdiri dari berbagai kombinasi ataupun atom-atom yang berbeda. Hal ini berbeda dengan pandangan klasik bahwa materi terdiri dari unsur udara, tanah, api, dan air.

Pada tahun 1789, istilah element atau unsur didefinisikan oleh seorang bangsawan dan peneliti Perancis, Antoine Lavoisier , sebagai bahan dasar yang tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi dengan menggunakan metode-metode kimia.

Dalam bukunya, A New System of Chemical Philosophy pada tahun 1803, John Dalton menggunakan konsep atom untuk menjelaskan mengapa unsur-unsur selalu bereaksi dalam perbandingan yang bulat dan tetap dan mengapa gas-gas tertentu lebih larut dalam air dibandingkan dengan gas-gas lainnya. Ia mengajukan bahwa setiap unsur mengandung atom-atom tunggal unik yang tidak dapat dibagi – bagi lagi kemudian lebih jauh bergabung menjadi senyawa-senyawa kimia.

Melalui hasil kerjanya pada sinar katoda pada tahun 1897, J. J. Thomson menemukan elektron dan sifat-sifat subatomiknya. Hal ini meruntuhkan konsep atom sebagai satuan yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Karena atom-atom pada umumnya neutral, maka selain atom mempunyai muatan negatif, atom juga terdiri dari muatan positif yg besarnya sama dengan muatan negatifnya J.J. Thomson mengajukan suatu model atom:

“Elektron-elektron yang bermuatan negatif terletak dalam suatu muatan positif yang terdistribusi kontinyu”.Distribusi muatan positif diandaikan berbentuk bola dengan jari-jari ~ 10-10 m elektron bermuatan negative materi bermuatan positif . Atom merupakan bola bermuatan positif serba-sama yg mengandung electron.  Model atom Thomson : model plum-pudding (kue) karena menyerupai kue yg berkismis. Thomson percaya bahwa elektron-elektron terdistribusi secara merata di seluruh atom, dan muatan-muatannya diseimbangkan oleh keberadaan lautan muatan positif.

Namun pada tahun 1909, para peneliti di bawah arahan Ernest Rutherford menembakkan ion helium ke lembaran tipis emas dan menemukan bahwa sebagian kecil ion tersebut dipantulkan dengan sudut pantulan yang lebih tajam dari yang apa yang diprediksi oleh teori Thomson. Rutherford kemudian mengajukan bahwa muatan positif suatu atom massanya terkonsentrasi pada inti atom, dengan elektron-elektron mengitari inti atom, seperti planet mengitari matahari. Rutherford melakukan eksperimen untuk membuktikan kebenaran model atom Thomson. Eksperimen tersebut dilakukan oleh Geiger & Marsden (asisten Rutherford) berupa hamburan partikel  oleh keping emas.Dari eksperimen diperoleh hasil bahwa hampir semua partikel  menembus keping emas. Tetapi terjadi keistimewaan bahwa ada partikel  yg dihamburkan balik. Diperoleh satu partikel  diantara 8.000 partikel  yang dibelokkan dengan sudut  > 90^o. Berdasarkan hasil eksperimen tersebut  Rutherford menarik kesimpulan bahwa :

1)     Atom sebagian besar kosong.

2)     Dalam atom terdapat suatu inti dengan muatan positif yang dikelilingi oleh-oleh elektron.

3)     Volume inti  sangat – sangat kecil dari volume atom.

Pada tahun 1913, fisikawan Niels Bohr mengkaji ulang model atom Rutherford dan mengajukan bahwa elektron-elektron terletak pada orbit-orbit yang terkuantisasi dan dapat meloncat dari satu orbit ke orbit lainnya, namun tidak dapat dengan bebas berputar spiral ke dalam maupun keluar dalam keadaan transisi. Teori Bohr memperkenalkan atom sebagai sejenis miniatur planet yang mengitari matahari, dengan elektron-elektron mengelilingi orbitnya.  

Bohr membuktikan bahwa elektron-elektron dalam sebuah atom hanya dapat berputar dalam orbitnya dalam ukuran spesifik tertentu. Atau dalam kalimat rumusan lain: elektron-elektron yang mengitari bagian pokok berada pada tingkat energi (kulit) tertentu tanpa menyerap atau memancarkan energi. Elektron dapat berpindah dari lapisan dalam ke lapisan luar jika menyerap energi. Sebaliknya, elektron akan berpindah dari lapisan luar ke lapisan lebih dalam dengan memancarkan energi.

Dasar dari mekanika kuantum adalah bahwa energi itu tidak kontinyu, tapi diskrit -- berupa 'paket' atau 'kuanta'. Konsep ini cukup revolusioner, karena bertentangan dengan fisika klasik yang berasumsi bahwa energi itu berkesinambungan.
Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi menjadi beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam. Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton. Pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari ato hidrogen, lagi dengan menggunakan kuantisasi. Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang gelombang benda.

Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal: tidak ada penjelasan jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal sebagai teori kuantum lama.

Salah satu kelemahan model atom Bohr hanya bisa dipakai untuk menjelaskan model atom hydrogen dan atom atau ion yang memiliki konfigurasi elektron seperti atom hydrogen, dan tidak bisa menjelaskan untuk atom yang memiliki banyak elektron.

Mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925, Heisenberg merumuskan prinsip ketidakpastiannya pada tahun 1927, dan interpretasi Kopenhagen terbentuk dalam waktu yang hampir bersamaan. Pada 1927, Paul Dirac menggabungkan mekanika kuantum dengan relativitas khusus. Dia juga membuka penggunaan teori operator, termasuk notasi bra-ket yang berpengaruh. Pada tahun 1932, Neumann Janos merumuskan dasar matematika yang kuat untuk mekanika kuantum sebagai teori operator.

Bidang kimia kuantum dibuka oleh Walter Heitler dan Fritz London, yang mempublikasikan penelitian ikatan kovalen dari molekul hidrogen pada tahun 1927. Kimia kuantum beberapa kali dikembangkan oleh pekerja dalam jumlah besar, termasuk kimiawan Amerika Linus Pauling.

Werner heinsberg (1901-1976), Louis de Broglie (1892-1987), dan Erwin Schrödinger (1887-1961) merupakan para ilmuwan yang menyumbang berkembangnya model atom modern atau yang disebut sebagai model atom mekanika kuantum.

Pernyataan de Broglie yang menyatakan bahwa partikel dapat bersifat seperti gelombang telah menginspirasi Schrödinger untuk menyusun model atomnya dengan memperhatikan sifat elektron bukan hanya sebagai partikel tapi juga sebagai gelombang, artinya dia menggunakan dualisme sifat elektron.

Menurut Schrödinger elektron yang terikat pada inti atom dapat dianggap memiliki sifat sama seperti “standing wave” , anda bisa membayangkan gelombang standing wave ini seperti  senar pada gitar (lihat gambar). Ciri standing wave ini ujung-ujungnya harus memiliki simpul sehingga ½ gelombang yang dihasilkan berjumlah bilangan bulat.

Hal yang sama dapat diterapkan apabila kita menganggap elektron dalam atom hydrogen sebagai “standing wave”. Hanya orbit dengan dengan jumlah ½ gelombang tertentu saja yang diijinkan, orbit dengan jumlah ½ gelombang yang bukan merupakan bilangan bulat tidak diijinkam. Hal inilah penjelasan yang rasional mengapa energi dalam atom hydrogen terkuantisasi.

Schrödinger kemudian mengajukan persamaan yang kemudian dikenal dengan nama “persamaan gelombang Schrödinger”

Apakah orbital itu? Orbital adalah daerah kebolehjadian kita menemukan elektron dalam suatu atom atau bisa dikatakan daerah dimana kemungkinan besar kita dapat menemukan elektron dalam suatu atom.

Bedakan dengan istilah orbit yang dipakai di model atom Bohr. Orbit berupa lintasan dimana kita bisa tahu lintasan dimana elektron mengelilingi inti, tapi pada orbital kita tidak tahu bagaimana bentuk lintasan elektron yang sedang mengelilingi inti. Yang dapat kita ketahui adalah dibagian mana kemungkinan besar kita dapat menemukan elektron dalam atom.

Werner Heisenberg menjelaskan secara gamblang tentang sifat alami dari orbital, analisis matematika yang dihasilkannya menyatakan bahwa kita tidak bisa secara pasti menentukan posisi serta momentum suatu partikel pada kisaran waktu tertentu.

Pembatasan ini sangat penting bila kita memmpelajari partikel yang sangat kecil seperti elektron, oleh sebab itulah kita tidak bisa menentukan secara pasti posisi elektron yang sedang mengelilingi inti atom seperti yang ditunjukan oleh model atom Bohr, dimana elektron bergerak dalam orbit yang berbentuk lingkaran. Disinilah mulai diterimanya model atom mekanika kuantum yang diajukan oleh Schrödinger.

Sesuai dengan azaz Heisenberg ini maka fungsi gelombang tidak dapat menjelaskan secara detail pergerakan elektron dalam atom, kecuali fungsi gelombang kuadrat yang dapat diartikan sebagai probabilitas distribusi elektron dalam orbital. Hal ini bisa dipakai unutk menggambarkan bentuk orbital dalam bentuk distribusi elektron, atau dikenal sebagai peta densitas.

B.  Benang Merah (konsep yang menghubungkan anntar teori)

Sekolah Nyaya dan Vaisheshika : Atom – atom bergabung menjadi benda yang lebih kompleks

Leukippos dan Demokritus : Istilah atom yang sebagai bagian terkecil yang tidak dapat dibagi – bagi.

Robert Boyle : Materi terdiri dari kombinasi atom – atom yang berbeda.

Antonie Lavoisier : Membuktikan atom dengan metode – merode kimia.

Jhon Dallton : Atom –atom bergabung dengan komposisi tertentu.

J. J. Thomson : Percobaan sinar katoda membuktikan adanya bagian yang lebih kecil dari atom, yaitu partikel elektron dan proton yang kontinyu dengan kata lain berbentuk pejal.

Ernest Rutherford : Percobaan lempeng tipis emas menyatakan proton tidak kontinyu tetapi merupakan partikel yang terpisah yang berada pada bagian inti sehingga ada ruang kosong dalam atom dan elektron mengelilingi inti seperti matahari. Ada kelemahan yang tidak dapat dijelaskan, yaitu mengapa elektron tidak jatuh ke inti ?  

Neils Bohr : Elektron tidak jatuh ke inti saat mengorbit, karena adanya keseimbangan antara gaya Coulomb dan gaya Sentripetal.

Mekanika Kuantum : Salah satu kelemahan model atom Bohr hanya bisa dipakai untuk menjelaskan model atom hydrogen dan atom atau ion yang memiliki konfigurasi elektron seperti atom hydrogen, dan tidak bisa menjelaskan untuk atom yang memiliki banyak elektron. Muncul teori bahwa electron memilki sifat dualisme untuk menjelaskan atom yang memilki banyak elektron. 

dari berbagai sumber..