Penemuan Elektron, Proton dan Neutron

1. Penemuan Elektron

Keberadaan elektron dapat diketahui berdasarkan percobaan sinar katode (Sir William Crookes, 1879). Dalam percobaannya, Crookes menggunakan alat yang disebut tabung sinar katode atau disebut juga tabung Crookes (lihat Gambar 1.1).

Gambar 1.1 Sinar katode adalah elektron yang memiliki massa.

Jika tabung Crookes dihubungkan dengan sumber arus searah tegangan tinggi maka katode akan memancarkan berkas sinar menuju anode. Sinar itu dinamakan sinar katode. Sinar katode memiliki massa. Hal ini dapat dilihat dengan memutarnya baling-baling yang dipasang pada jalannya berkas sinar katode (Gambar 1.1). Pengamatan lain menunjukkan, sinar katode dapat dibelokkan oleh medan listrik menuju kutub positif listrik. Hal ini membuktikan bahwa sinar katode memiliki muatan negatif. 

Berdasarkan fakta tersebut, apa yang dapat Anda simpulkan? Stoney menamakan sinar katode dengan istilah elektron. Dengan demikian, elektron memiliki massa dan bermuatan negatif. Jika bahan katode diganti dengan logam lain selalu dihasilkan sinar katode yang sama. Hal ini membuktikan bahwa sinar katode atau elektron merupakan partikel dasar penyusun materi.

2. Penemuan Proton

Keberadaan proton dibuktikan melalui percobaan tabung Crookes yang dimodifikasi. Tabung Crookes diisi gas hidrogen dengan tekanan rendah. Percobaan ini dikembangkan oleh Eugen Goldstein. Jika tabung Crookes dihubungkan dengan sumber arus listrik di bagian belakang katode yang dilubangi maka akan terbentuk berkas sinar. Goldstein menamakan sinar itu sebagai sinar terusan. Oleh karena sinar terusan bergerak menuju katode maka disimpulkan bahwa sinar terusan bermuatan positif. Menurut Goldstein, sinar terusan tiada lain adalah ion hidrogen. Ion ini terbentuk akibat gas hidrogen bertumbukan dengan sinar katode. Oleh karena ion hidrogen hanya mengandung satu proton maka disimpulkan bahwa sinar positif adalah proton. Penggantian gas hidrogen oleh gas lain selalu dihasilkan sinar yang sama dengan sinar terusan yang dihasilkan oleh gas hidrogen. Hal ini dapat membuktikan bahwa setiap materi mengandung proton sebagai salah satu partikel penyusunnya.

Pada tabung sinar katode yang dimodifikasi, sinar katode mengionisasi gas dalam tabung yang mengakibatkan gas dalam tabung bermuatan positif. Gas yang bermuatan positif ini bergerak menuju katode, sebagian dapat melewati celah katode dan menumbuk dinding tabung.

3. Temuan Neutron

Keberadaan neutron dalam atom ditemukan oleh J. Chadwick melalui percobaan penembakan unsur berilium oleh partikel alfa kecepatan tinggi. Dari percobaan tersebut, terbentuk partikel yang tidak dipengaruhi medan magnet dan dapat bertumbukan dengan parafin. Partikel alfa adalah partikel bermuatan positif yang dipancarkan oleh unsur radio aktif.

Data percobaan menunjukkan bahwa sinar yang keluar dari target berilium tidak dipengaruhi oleh medan magnet. Ketika sinar yang keluar dari target berilium menumbuk parafin, proton akan keluar dari parafin dengan kecepatan tinggi. Chadwick menyimpulkan bahwa partikel yang keluar dari unsur berilium tidak bermuatan dan memiliki massa hampir sama dengan massa proton. Partikel tersebut dinamakan neutron.

Teori Bohr dan Mekanika Kuantum

Teori atom Bohr

Teori atom Niels Bohr didasarkan pada spektrum unsur, sedangkan teori atom mekanika kuantum didasarkan pada dualisme sifat elektron, yaitu sebagai gelombang sekaligus sebagai partikel.

Radiasi dibedakan atas radiasi partikel dan radiasi elektromagnet. Radiasi partikel seperti, sinar alfa, sinar beta, dan sinar katoda, terdiri dari partikel, ada yang bermuatan dan ada yang netral. Suatu radiasi dicirikan oleh panjang gelombang atau frekuensinya.

Panjang gelombang (λ) sama dengan jarak antra dua puncak berurutan. Frekuensi (f) adalah jumlah gelombang tiap detik dinyatakan dalam hertz (Hz). Semakin besar panjang gelombang maka makin kecil frekuensinya. Untuk setiap radiasi berlaku hubungan :

f x λ = c atau f =

Pada tahun 1900, Max Planck mengajukan teori mekanika kuantum yang pada dasarnya merupakan gagasan tenttang partikel gelombang. Menurut Max Planck, radiasi elektromagnet bersifat diskrit, terdiri atas paket-paket kecil (kuanta) atau partikel. Gagasan Max Planck ini sangat bertentangan dengan teori sebelumnyayang menganggap radiasi elektromagnet ssebagai gelombang kontinu, tidak merupakan partikel.  Pernyatan tersebut didukung oleh Einstein dan menamai partikel radiasi tersebut dengan foton. Setiap foton mempunyai energi tertentu yang bergantung pada frekuensi dan panjang gelombangnya :

E = h x f atau E = h x 

Dengan,  E = energi radiasi

h = tetapan Planck (6,63 x 10-34)

Salah satu fakta yang mendukung kebenaran tentang teori kuantum Max Planck ialah efek fotolistrik. Fotolistrik adalah listrik yang diinduksi oleh cahaya (foton).

Informasi penting tentang efek fotolistrik adalah :

1.    Fotolistrik hanya akan terjadi jika cahaya yang digunakan mempunya energi yang cukup, tidak tergantung berapapun intensitasnya dan waktu.

2.    Kuat arus fotolistrik bergantung pada intensitas cahaya yang digunakan, tidak tergantung pada warnanya, asal mempunyai energi yang cukup.

3.    Frekuensi minimum dari cahaya yang dapat menghasilkan efek fotolistrik disebut energi ambang. Setiap logam mempunyai energi ambang tertentu.

Menurut Bohr, spektrum garis menunjukkan bahwa elektron dalam atom hanya dapat beredar tanpa pemancaran atau penyerapan energi. Lintasan tersebut berupa lingkaran dengan jari-jari tertentu yang disebut sebagai kulit atom.

Pada keadaan normal elektron akan mengisi kulit-kulit dengan tingkat energi terendah yang disebut tingkat dasar (Ground state). Apabila suatu atom mendapat energi dari luar maka elektron akan menyerap energi yang sesuai sehingga dapat berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi (tereksitasi).

Meskipun model atom Niels Bohr dapat menjelaskan spektrum gas hidrogen dan spesi lain berelektron tunggal (seperti He+ dan Li+2), tetapi model tersebut tidak dapat menjelaskan spektrum daari atom yang lebih kompleks. Oleh karena itu, para ahli tetap berupaya mencari penjelasan yang lebih sempurna. Ide penting yang sangat berharga dari teori atom Niels Bohr adalah gagasan tentang tingkat-tingkaat energi dalam atom, yaitu gagasan tentang kulit-kulit atom.

 

Teori mekanika kuantum

Pada tahun 1924, Louis de Broglie seorang ahli fisika dari prancis mengemukakan hipotesis tentang gelombang materi. Menurut de Broglie partikel yang bergerak sangat cepat, mempunyai ciri-ciri gelombang.

Sifat gelombang partikel ini dinyatakan dalam persamaan :

λ =

dengan,  λ = panjang gelombang

m = massa partikel

 v = kecepatan

 h = tetapan Planck

menurut Niels Bohr, elektron beredar mengelilingi inti menurut suatu orbit mengikuti bentuk lingkaran dengan jari-jari tertentu. Hal ini tidak sesuai dengan fakta bahwa gerakan elektron menyerupai gelombang elektromagnet.

Pada tahun 1927, Werner Heisenberg, menguatkan teori mekanika kuantum dengan temuannya yang dikenal azas ketidakpastian. Heisenberg mengemukakan metode eksperimen apa saja yang digunakan untuk menentukan posisi atau momentum atau kedua-duanya. Jika suatu eksperrimen dirancang untuk memastikan posisi elektron, maka momentumnya menjadi tidak pasti, sebaliknya jika eksperimen dirancang untuk memastikan momentum atau kecepatan elektron maka posisinya menjadi tidak pasti.

Penemuan Inti Atom dan Teori Rutherford

Pada tahun 1909 Hans Geiger dan Ernest Marsden dengan petunjuk dari Ernest Rutherford melakukan eksperimen di Laboratorium Fisika Universitas Manchester untuk membuktikan kebenaran dari teori atom yang dikemukakan oleh Thomson.

Eksperimen ini melibatkan penambakan partikel alfa (inti atom helium atau ion helium dengan muatan positip) yang diemisikan oleh unsur Radium pada lempengan logam emas tipis dan kemudian mendeteksi partikel alfa yang telah melewati lempengan logam emas tersebut dengan menggunakan layar yang dilapisi seng sulfida (ZnS) sebagai dtetektor.

Rutherford berpendapat bahwa apabila struktur atom yang dikemukakan oleh Thomson adalah benar maka sebagian besar berkas partikel alfa akan melewati lempengan logam emas dan sebagian kecil sekali yang akan didefleksi.

Akan tetapi hasil eksperimen Rutherford sangat mengejutkan, walaupun sebagian besar berkas partikel alfa melewati lempengan logam emas, terdapat banyak berkas partikel alfa yang didefleksi dengan sudut yang besar (lebih dari 900), bahkan terdapat berkas partikel alfa yang direfleksi kembali kearah sumber tanpa pernah menyentuh layer detector.

Setelah merunut pola-pola partikel alfa yang ditembakkan ke lempeng logam emas, maka Rutherford mengambil kesimpulan bahwa sebagian besar ruang dalam atom adalah “ruang kosong”, dan terdapat massa yang terkonsentrasi pada pusat atom yang bermuatan positif dimana ukurannya 10.000 kali lebih kecil dibanding ukuran keseluruhan bagian atom, dan elektron mengelilingi inti atom tersebut seperti planet-planet kita mengelilingi matahari.

Rutherford menyimpulkan struktur atom tersebut berlandaskan eksperimennya sebagai berikut:

Sebagian besar berkas partikel alfa yang dapat melewati lempengan logam emas menunjukan bahwa partikel alfa ini melewati ruang kosong yang ada di dalam atom sehingga dengan mudah partikel alfa ini melewati ruang kosong tersebut tanpa hambatan yang berarti.

Berkas partikel alfa yang didefleksi menunjukan bahwa partikel alfa tersebut berada pada posisi yang dekat dengan inti atom yang bermuatan positif. Muatan positif dengan muatan positif akan saling tolak menolak, hal inilah yang menyebabkan partikel alfa dibelokan dengan sudut yang besar.

Berkas partikel alfa yang di refleksi kembali (dipantulkan kembali) menunjukan bahwa partikel alfa tersebut bertumbukkan dengan inti atom yang bermuatan positif. Inti atom emas mempunyai massa dan muatan positif yang lebih besar disbanding dengan massa dan muatan partikel alfa, hal inilah yang membuat partikel alfa di pantulkan kembali.

Penemua Elektron dan Teori J.J Thomson

Elektron ditemukan oleh Joseph John Thomson pada tahun 1897. Penemuan elektron diawali dengan ditemukannya tabung katode oleh William Crookes. Kemudian J.J. Thomson meneliti lebih lanjut tentang sinar katode ini dan dapat dipastikan bahwa sinar katode ini merupakan partikel, sebab dapat memutar baling-baling yang diletakkan di antara katode dan anode.

Sifat sinar katode, antara lain:

1. merambat tegak lurus dari permukaan katode menuju anode;

2. merupakan radiasi partikel sehingga terbukti dapat memutar baling-baling;

3. bermuatan listrik negatif sehingga dibelokkan ke kutub listrik positif;

4. dapat memendarkan berbagai jenis zat, termasuk gelas.

Dari hasil percobaan tersebut, J.J. Thomson menyatakan bahwa sinar katode merupakan partikel penyusun atom yang bermuatan negatif dan selanjutnya disebut elektron.

J.J. Thomson berhasil menentukan perbandingan antara muatan dengan massa elektron (e/m) sebesar 1,76 ×

108 C/g. Kemudian pada tahun 1909, Robert Millikan dari Universitas Chicago, berhasil menentukan besarnya muatan 1 elektron sebesar 1,6 × 10-19 C. Dengan demikian, maka harga massa 1 elektron dapat ditentukan dari harga perbandingan muatan dengan massa elektron (e/m).

Nilai e/m = 1,76 x 108 C/g, maka

Massa 1 elektron =9.11 x 10-28 g

Setelah penemuan elektron, maka model atom Dalton tidak dapat diterima lagi. Menurut J.J. Thomson, atom merupakan partikel yang bersifat netral. Karena elektron bermuatan negatif maka harus ada partikel lain yang dapat menetralkan muatan negatif tersebut yaitu partikel yang bermuatan positif. Dari penemuannya tersebut, J.J. Thomson mengemukakan teori atomnya yang dikenal dengan teori atom Thomson, yaitu:

Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dan di dalamnya tersebar elektron yang bermuatan negatif.

Karena tersebarnya elektron-elektron di dalam atom bagaikan kismis, sehingga disebut juga model atom roti kismis.

Teori Atom Dalton

Dalil Dalton

• Semua materi terdiri dari partikel yang tak dapat dibagi lagi yang disebut atom.
• Atom dari unsur yang sama adalah serupa dalam hal bentuk dan massa, tetapi atom unsur satu berbeda dari atom unsur lain.
• Atom tidak dapat diciptakan atau dihancurkan.
• Atom unsur yang berbeda dapat digabungkan satu sama lain dalam rasio tertentu untuk membentuk senyawa.
• Atom dari unsur yang sama dapat bergabung dalam lebih dari satu rasio untuk membentuk dua atau lebih senyawa.
• Atom adalah unit terkecil dari materi yang dapat berpengaruh terhadap reaksi kimia.

Kelemahan Teori Atom Dalton

• Ketidakterpisahan atom terbukti salah, karena, atom dapat dibagi lagi menjadi proton, neutron dan elektron. Namun atom adalah partikel terkecil, yang sangat berpengaruh dalam reaksi kimia.
• Menurut Dalton, atom-atom dari unsur yang sama adalah sama dalam segala hal. Pernyataan ini salah karena atom dari beberapa unsur berbeda dalam hal massa dan kepadatan. Atom seperti dari unsur yang sama memiliki massa yang berbeda disebut isotop. Misalnya, klorin memiliki dua isotop yang memiliki nomor massa 35 dan 37 satuan massa atom (sma).
• Dalton juga mengatakan atom elemen yang berbeda berbeda dalam segala hal. Hal ini telah terbukti salah dalam kasus-kasus tertentu seperti atom argon dan atom kalsium, yang memiliki massa atom yang sama yaitu 40. Atom unsur berbeda yang memiliki massa atom yang sama disebut isobar.
• Menurut Dalton atom unsur yang berbeda bergabung dalam rasio nomor sederhana keseluruhan untuk membentuk senyawa. Hal ini tidak terlihat pada senyawa organik kompleks seperti gula C₁₂H₂₂O₁₁.
• Teori ini gagal untuk menjelaskan keberadaan alotrop. Perbedaan sifat arang, grafit, berlian tidak dapat dijelaskan karena ketiganya terdiri dari atom yang sama yaitu karbon.

Kelebihan Teori Atom Dalton

• Memungkinkan kita untuk menjelaskan hukum kombinasi kimia.
• Dalton adalah orang pertama yang mengakui perbedaan yang bisa diterapkan antara partikel dari suatu unsur (atom) dan dari senyawa (molekul).