Penemuan Struktur Atom

Jauh sebelum akhir abad ke-19, telah diketahui bahwa menerapkan tegangan tinggi pada tabung tertutup bertekanan rendah yang di isi dengan gas menyebabkan listrik mengalir melalui gas, yang kemudian memancarkan cahaya (Gambar 1). Para peneliti yang mencoba memahami fenomena ini menemukan bahwa bentuk energi yang tidak biasa juga dipancarkan dari katoda, atau elektroda bermuatan negatif; bentuk energi ini disebut sinar katoda.

Gambar 1. Sebuah tabung gas bertekanan rendah memancarkan sinar katoda. 

Pada tahun 1897, fisikawan Inggris J. J. Thomson (1856–1940) dapat membuktikan bahwa atom bukanlah bentuk materi yang paling dasar. Dia mendemonstrasikan bahwa sinar katoda dapat dibelokkan oleh medan magnet atau listrik, yang menunjukkan bahwa sinar katoda adalah partikel yang memiliki muatan. Lebih lanjut, dengan mengukur sejauh mana defleksi sinar katoda dalam medan magnet atau listrik dengan berbagai kekuatan, Thomson dapat menghitung rasio massa terhadap muatan partikel. Partikel-partikel ini dipancarkan oleh katoda bermuatan negatif dan ditolak oleh terminal negatif medan listrik. Karena muatan yang sama saling menolak dan muatan yang berlawanan menarik, Thomson menyimpulkan bahwa partikel memiliki muatan negatif bersih; partikel-partikel ini sekarang disebut elektron. Paling relevan dengan bidang kimia, Thomson menemukan bahwa rasio massa terhadap muatan sinar katoda tidak bergantung pada sifat elektroda logam atau gas, yang menunjukkan bahwa elektron merupakan komponen fundamental dari semua atom.

Gambar 2. Pembelokan Sinar Katoda oleh Medan Listrik. Saat sinar katoda bergerak ke kanan, mereka dibelokkan ke arah elektroda positif (+), menunjukkan bahwa mereka bermuatan negatif.

Pembelokan sinar katoda oleh medan listrik terjadi saat sinar katoda bergerak ke kanan dan dibelokkan ke arah elektroda positif (+). Hal tersebut menunjukkan bahwa sinar katoda bermuatan negatif.

Radioaktivitas

Penyelidikan mengenai struktur atom berikutnya dimulai pada tahun 1896, ketika fisikawan Prancis Henri Becquerel (1852–1908) menemukan bahwa mineral tertentu, seperti garam uranium, mampu memancarkan suatu bentuk energi. Becquerel dibantu oleh Marie Curie (1867–1934) dan suaminya, Pierre (1854–1906) yang pada akhirnya ketiganya mendapatkan Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1903. Marie Curie menciptakan istilah radioaktivitas (dari bahasa Latin radius, yang berarti "sinar") untuk menggambarkan pancaran sinar energi oleh materi. Dia menemukan bahwa satu bijih uranium tertentu didapatkan lebih radioaktif dari pada bijih uranium kebanyakan, yang menunjukkan bahwa bijih itu mengandung satu atau lebih pengotor yang sangat radioaktif. Dimulai dengan ber ton-ton bijih-bijih uranium, Curie mengisolasi dua unsur radioaktif baru setelah bekerja berbulan-bulan yang selanjutnya diberi nama polonium, berasal dari kata Polandia, negara asal Marie, dan radium karena memiliki sifat radioaktivitasnya yang kuat. Pierre Curie sering membawa sebotol radium di saku mantelnya untuk menunjukkan cahaya kehijauan, yang pada akhirnya kebiasaannya tersebut menyebabkan dia sakit akibat terpapar radiasi.

Berdasarkan penemuan Curie, fisikawan Inggris Ernest Rutherford (1871–1937) melakukan eksperimen yang mampu mengarahkan pandangan modern tentang struktur atom. Tidak lama setelah Thomson menemukan elektron, Rutherford menunjukkan bahwa senyawa uranium dan unsur lain memancarkan setidaknya dua jenis radiasi yang berbeda. Satu mudah diserap oleh materi dan tampaknya terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan lebih berat/masif dibandingkan dengan elektron. Karena ini adalah jenis radiasi pertama yang ditemukan, Rutherford menyebut zat ini sebagai partikel α. Rutherford juga menunjukkan terdapat partikel dalam radiasi jenis kedua yang disebut demgam partikel β yang memiliki rasio muatan dan massa yang sama dengan muatan elektron yang ditemukan Thomson; Partikel tersebut saat ini dikenal sebagai elektron berkecepatan tinggi. Sedangkan untuk jenis radiasi ketiga, sinar γ, ditemukan agak belakangan dan ternyata mirip dengan bentuk radiasi berenergi rendah yang disebut sinar-x, yang sekarang banyak digunakan dalam dunia kesehatan.

Gambar 3. Efek medan listrik terhadap partikel α, partikel β dan sinar γ. Elektroda negatif membelokkan partikel β yang bermuatan negatif, sedangkan elektroda positif membelokkan partikel α yang bermuatan positif. sinar γ yang tidak bermuatan tidak mengalami pembelokkan oleh mendan listrik.

Berdasarkan gambar 3. dapat diketahui bahwa partikel β di mengalami pembelokkan yang cukup lebar kearah medan listrik bermuatan positif hal tersebut menunjukkan bahwa partikel β memiliki massa yang relatif kecil. Partikel α sedikit dibelokkan kearah mendan listrik bermuatan negatif yang menunjukkan bahwa partikel α memiliki massa yang lebih besar dibandingkan dengan partikel β. Sedangkan sinar gamma (γ) sama sekali tidak mengalami pembelokkan dalam artian tidak memiliki muatan (netral).

Gambar 4 menunjukkan bahwa seberkas sinar partikel alfa (α) memiliki daya penetrasi yang kecil yang mampu di hentikan hanya dengan selembar kertas, partikel beta (β) memiliki daya penetrasi yang lebih besar dimana dapat melewati selembar kertas atau logam tipis tetapi dapat dihentikan oleh lempengan loga yang lebih tebal dan Sinar gamma (γ) memiliki daya tembus yang paling besar.

Gambar 4. Daya tembus tiga jenis sinar radioaktif.

Model-model Atom

Sejak ilmuwan menemukan bahwa semua materi mengandung muatan negatif yang disebut elektron, dan atom sendiri bermuatan netral maka harus ada muatan positif yang akan menyeimbangkan muatan negatif elektron. Thomson mengajukan model atom dimana elektron tersebar pada suatu bola yang mengandung muatan positif dan sebagian masa dari atom. 

Gambar 5. Model atom thomson dimana elektron tersebar pada suatu bola bermuatan positif

Selanjutnya melalui eksperimen yang sangat terkenal, Rutherford menunjukkan bahwa model atom Thomson adalah salah. Rutherford mengarahkan aliran partikel α ke target foil emas yang sangat tipis (Gambar 6) dan menemukan bagaimana partikel α dihamburkan. Emas dipilih karena dapat dengan mudah dipalu menjadi lembaran yang sangat tipis, meminimalkan jumlah atom dalam target. Jika model atom Thomson benar, partikel α bermuatan positif akan menabrak massa target emas yang terdistribusi secara merata melalui lempengan emas. partikel α mungkin bergerak sedikit lebih lambat ketika mereka melewati lempengan emas, tetapi mereka pada dasarnya harus dapat menembus (Gambar 6b). Namun yang mengherankan Rutherford bahwa, sebagian kecil dari partikel α dibelokkan pada sudut yang besar, dan sebagian dipantulkan langsung kembali ke sumbernya (6c). Menurut Rutherford, "Itu hampir sama luar biasa seolah-olah Anda menembakkan peluru berukuran 15 inci ke selembar kertas tisu dan itu kembali dan mengenai Anda."

Gambar 6. Eksperimen Rutherford. (a) Representasi peralatan yang digunakan Rutherford untuk mendeteksi pembelokan pada aliran partikel α yang diarahkan ke target foil emas tipis. Partikel diproduksi oleh sampel radium. (b) Jika model atom Thomson benar, partikel α seharusnya melewati lempeng emas. (c) Namun, sejumlah kecil partikel α dibelokkan ke berbagai arah, termasuk langsung kembali ke sumbernya. Ini bisa benar hanya jika muatan positif jauh lebih masif daripada partikel α. Ini menunjukkan bahwa massa atom emas terkonsentrasi di wilayah ruang yang sangat kecil, yang disebut nukleus.

Hasil percobaan Rutherford tidak konsisten dengan model atom yang ada (model atom thomson) di mana massa dan muatan positif didistribusikan secara merata di seluruh volume atom. Sebaliknya, menunjukkan bahwa massa dan muatan positif terkonsentrasi di sebagian kecil dari volume atom, yang Rutherford sebut sebagai nukleus. Hal  itulah yang menyebabkan sebagian kecil partikel α bertabrakan dengan inti padat bermuatan positif sehingga menghasilkan defleksi besar, atau dipantulkan langsung ke sumbernya.

Meskipun Rutherford tidak dapat menjelaskan mengapa tolakan antara muatan positif dalam inti yang mengandung lebih dari satu muatan positif tidak menyebabkan inti hancur, dia beralasan bahwa tolakan antara elektron bermuatan negatif akan menyebabkan elektron terdistribusi secara merata di seluruh volume atom. Seperti gaya nuklir kuat, yang jauh lebih kuat daripada interaksi elektrostatik, dapat menyatukan proton dan neutron di dalam nukleus. Berdasarkan temuannya tersebut Rutherford dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1908.

Gambar 7. Sejarah Perkembangan Model Komponen dan Struktur Atom. Tanggal dalam tanda kurung adalah tahun di mana percobaan utama dilakukan

Sejarah perkembangan struktur atom dapat dilihat seperti padaGambar 7. Rutherford menetapkan bahwa inti atom hidrogen adalah partikel bermuatan positif, yang yang ia beri nama proton pada tahun 1920. Ia juga menyatakan bahwa inti unsur selain hidrogen harus mengandung partikel netral secara elektrik dengan massa yang kira-kira sama dengan massa proton. Selanjutnya muatan netral tersebut di kenal dengan neutron yang ditemukan pada tahun 1932 oleh James Chadwick (1891–1974, seorang mahasiswa Rutherford; Mendapatkan hadiah Nobel Fisika pada 1935).

Gambar 8. Perkembangan model-model atom

Model atom Rutherford pada dasarnya sama dengan model atom modern, kecuali sekarang diketahui bahwa elektron tidak terdistribusi secara merata di seluruh volume atom. Sebaliknya, mereka didistribusikan menurut seperangkat prinsip yang dijelaskan oleh Mekanika Kuantum.