Sejarah Penemuan Proton, Neutron, Elektron, Serta Sejarah Perkembangan Model Atom

1. Sejarah Penemuan Proton, Neutron, dan Elektron
Pengetahuan para ahli tentang atom bukan berdasarkan pengamatan langsung pada objeknya, seperti halnya kita mengamati buah jeruk, yakni membukanya, membelahnya, dan kemudian menggambarkan strukturnya. Atom terlalu kecil untuk diamati. Diameter atom-atom antara 30 dan 150 pikometer (1 pikometer = 0,0000000001 meter). Dengan alat pembesar apapun kita tidak dapat melihat atom. Atom yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini hanyalah model hasil perkiraan para ahli sebagai kesimpulan mereka dari berbagai eksperimen dan pengkajian teoritis yang pernah dilakukan. Inilah sebabnya model atom berkembang menurut temuan-temuan baru. Pada kesempatan kali ini, kita akan membahas sedikit mengenai Sejarah Penemuan Proton, Neutron, dan Elektron.

Gambar: Atom dengan awan elektron

Sejak awal abad ke-20 para ahli menyakini kebenaran model atom yang menggambarkan atom terdiri dari atas inti atom yang berukuran kecil dan elektron-elektron yang berada sebagai "awan" di seputar inti atom. Inti atom terdiri atas proton dan neutron. Ketiga macam partikel ini tergolong partikel dasar, sebab atom unsur-unsur dibentuk oleh partikel-partikel ini. Proton bermassa 1,67 x 10^-24  gram. Dalam menyatakan massa partikel dasar, massa proton dan massa neutron dinyatakan sama dengan 1. Massa elektron 1/1836 kali massa proton. Oleh karena massa elektron jauh lebih kecil daripada massa proton, massa elektron dapat diabaikan terhadap massa proton. Proton bermuatan 1,60 x 10^-19 coulomb. Dalam menyatakan muatan partikel dasar, muatan proton dinyatakan sama dengan +1 . Besarnya muatan elektron sama tetapi berlawanan tanda dengan muatan proton. Oleh karena itu, muatan elektron dinyatakan sama dengan -1. Sedangkan neutron merupakan partikel yang tidak bermuatan.

Gambar: Susunan partikel atom (joeruff.com)

 

Bagaimanakah partikel-partikel dasar penyusun atom dtemukan dan diketahui sifat-sifatnya? Eksperimen pertama yang menunjukkan adanya elektron dilakukan seorang ahli fisika bangsa Inggris J.J. Thomson sekitar tahun 1900. Ia mengamati dua pelat elektroda dalam tabung vakum. Ketika dua pelat elektroda tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi, dari elektroda negatif (katoda) menjalar sinar menuju elektroda positif (anoda). Sinar-sinar yang keluar dari katoda itu disebut sinar katoda, dan tabung vakum tadi dinamakan tabung sinar katoda. Sinar katoda tidak terlihat oleh mata, tetapi keberadaannya dapat diketahui karena mampu memendarkan ZnS yang terdapat pada kaca dinding tabung sinar katoda. Sinar katoda dibelokkan oleh muatan listrik ke arah kutub positif. Fakta ini menjadi landasan bagi Thomson untuk menyimpulkan bahwa sinar katoda sebagai arus partikel bermuatan negatif, yang dinamakan elektron. Berdasarkan pengukuran simpangan jalan berkas elektron (sinar katoda) dalam medan magnet, Thomson berhasil mengetahui hasil perbandingan muatan terhadap massa elektron, yaitu:

e/m = 1,76 x 10⁸ coulomb/gram

e menunjukkan muatan elektron dalam satuan coulomb dan m menunjukkan massa elektron dalam satuan gram.

 Gambar: Alat eksperimen J.J. Thomson (en.wikibooks.org)

Selanjutnya, pada tahun 1909 Robert Millikan berhasil menentukan muatan elektron melalui eksperimen tetesan minyak. Pada eksperimen tetesan minyak, tetesan halus minyak dapat menangkap satu, dua, tiga, empat, lima, dan seterusnya elektron. Dari eksperimen tersebut, Millikan menemukan bahwa tetesan halus minyak mempunyai muatan yang merupakan kelipatan bulat dari -1,60 x 10^-19  coulomb. Dengan demikian, ia menyimpulkan bahwa elektron mempunyai muatan sebesar -1,60 x 10^-19  coulom. Oleh karena perbandingan muatan terhadap massa elektron telah diketahui Thomson sebesar 1,76 x 10⁸  coulomb/gram dan muatan elektron diketahui Millikan sebesar 1,60 x 10^-19  coulom, maka massa elektron dapat dihitung, yakni sebesar 9,11 x 10^-28  gram.

Gambar: Eksperimen tetes minyak Robert Millikan (stmary.ws)

Bagaimana inti atom ditemukan? Penemuan inti atom berawal dari penemuan keradioaktifan. Unsur radioaktif, misalnya uranium dan radium, secara spontan membelah diri karena inti atomnya tidak stabil. Unsur radioaktif membelah diri seraya memancarkan sinar radioaktif. Sebagian dari sinar radioaktif dinamakan sinar allfa, Sinar alfa terdiri atas arus partikel yang merupakan ion helium dengan muatan 2+ (He^{2+  )} 

Rutherford, dalam eksperimen yang dilakukannya, mengarahkan berkas sinar alfa pada lempeng tipis logam, misalnya emas, platina, dan tembaga. Ternyata sebagian besar partikel alfa dapat menembus lempeng tipis logam tanpa penyimpangan arah. Hanya saja sebagian kecil sinar alfa yang disimpangkan perjalanannya, dan sebagian kecil dipantulkan. Oleh karena sinar alfa bermuatan positif dan hanya sebagian kecil sinar itu dibelokkan atau dipantulkan, maka Rutherford menyimpulkan bahwa pada dasarnya atom merupakan ruang kosong. Di dalam atom mesti ada inti atom yang bermuatan positif dan berukuran jauh lebih kecil daripada atom, tetapi hampir seluruh massa atom terpusat pada inti atom. Oleh karena inti atom bermuatan positif, maka inti atom mesti terdiri atas proton-proton.

 Gambar: Eksperimen Rutherford (chegg.com)

Berdasarkan fakta bahwa massa inti atom unsur-unsur selalu lebih besar daripada keseluruhan massa proton yang membentuknya, pada tahun 1920 Rutherford mengajukan hipotesis bahwa dalam inti atom harus ada partikel yang tidak bermuatan, sedangkan massanya hampir sama dengan massa proton. Baru 12 tahun berikutnya, tepatnya pada tahun 1932, hipotesis Rutherford berhasil dibuktikan oleh James Chadwick. Dalam eksperimen yang dilakukannya, Chadwick menembaki atom berilium dengan sinar alfa. Dari hasil penembakan itu terdeteksi adanya partikel tidak bermuatan, yang dinamakan neutron. Neutron tergolong partikel dasar karena semua atom mengandung partikel ini (kecuali isotop hidrogen -1).

Partikel-partikel dasar itulah yang selanjutnya menyusun berbagai macam model atom seperti yang kita kenal saat ini.

2. Sejarah Perkembangan Model Atom
Perkembangan model atom menjalani masa yang cukup panjang sebelum sampai ke model yang sekarang ini dipakai sebagai model atom. Tercatat orang Yunani yang pertama kali memberikan penamaan untuk atom, dengan menyebutnya sebagai atomos (tak dapat dibagi). 

Berikut ini ringkasan sejarah perkembangan atom dari masa ke masa:

Model Atom Dalton

• Atom merupakan bagian zat yang tidak dapat dibagi lagi
• Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain. Misalnya, atom unsur perak tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain seperti besi. Atom suatu unsur semuanya serupa.
• Dua buah atom atau lebih yang berasal dari unsur-unsur yang berlainan, dapat bersenyawa membentuk molekul. Misalnya, atom-atom hidrogen dan oksigen, bersenyawa membentuk molekul. Misalnya, atom-atom hidrogen dan oksigen, bersenyawa membentuk molekul air. Jadi, molekul suatu zat dapat dibagi atas atom dan molekul yang masih mempunyai sifat seperti zat asalnya.
• Atom-atom yang bersenyawa dalam molekul, mempunyai perbandingan tertentu dan jumlah massa keseluruhannya tetap. Jumlah massa sebelum reaksi sama dengan jumlah massa sesudah reaksi.
• Bila dua macam atom membentuk dua macam senyawa atau lebih, maka atom-atom yang sama dalam kedua senyawa itu mempunyai perbandingan yang sederhana.

Model Atom Thomson

• Sebuah atom mempunyai muatan-muatan listrik positif yang tersebar merata di seluruh bagian atom
• Muatan listrik positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron yang tersebar di antara muatan-muatan listrik positif.

Model Atom Rutherford

• Muatan listrik positif dan sebagian besar massa atom berkumpul pada suatu titik di tengah-tengah atom yang disebut inti atom.
• Pada jarak relatif jauh dari inti atom, elektron beredar mengelilingi inti, sama seperti planet-planet beredar mengelilingi Matahari.
• Jumlah muatan listrik positif pada inti atom, sama besarnya dengan elektron-elektron yang mengelilingi inti, sehingga muatan atom secara keseluruhan netral.

Model Atom Bohr

• Elektron pada lintasan tertentu mempunyai energi tertentu. Lintasan ini disebut dengan kulit atom
• Elektron dapat berpindah dari satu orbit ke orbit lain, dengan cara penyerapan atau pelepasan energi.