PERKEMBANGAN TEORI ATOM

PERKEMBANGAN TEORI ATOM
Oleh: Herdiyanto Mahmud Bokings

PENDAHULUAN
Upaya menyingkap tabir zat telah dimulai kurang lebih 2500 tahun silam. Pemrakarsanya adalah para filsuf Yunani purba di Miletos, kota pelabuhan utama dan pusat perdagangan Ionia. Masalah utama yang menarik perhatian para filsuf Ionia adalah bagaimana memahami keberadaan alam dan perubahannya.
Para filsuf Yunani Ionia adalah pengembang cara berpikir logis, cara berpikir yang berusaha menyederhanakan masalah rumit ke unsur dasarnya guna menarik kesimpulan yang terkandung di balik masalah tersebut dengan menggunakan akal atau rasio. Inilah yang melahirkan pendapat yang dewasa ini lazim disebut teori ilmiah.
Salah satu konsep ilmiah tertua adalah bahwa semua materi dapat dipecah menjadi partikel terkecil, dimana partikel-partikel ini tidak bisa dibagi lebih lanjut.

ISI

KONSEP ATOM DEMOCRITUS

Konsep dasar tentang atom sebenarnya sudah lama dikenal orang. Konsep tersebut antara lain berasal dari pemikiran orang Yunani kuno yang dipelopori oleh Democritus yang hidup pada akhir abad ke-4 dan awal abad ke-5 Sebelum Masehi. Menurut teori yang dikemukakannya, suatu benda dapat dibagi menjadi bagian-bagian yang sangat kecil yang akhirnya tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani yaitu ”atomos” yang berarti ”tidak dapat dibagi”. Disebutkan bahwa alasan ini berasal dari observasi di mana butiran pasir dapat bersama-sama membentuk sebuah pantai.
Dalam analoginya, pasir adalah atom, dan pantai adalah senyawa. Analogi ini kemudian dapat dihubungkan dengan pengertian Democritus terhadap atom yang tidak bisa dibagi lagi: walaupun sebuah pantai dapat dibagi ke dalam butiran-butiran pasirnya, butiran pasir ini tidak dapat dibagi. Democritus juga beralasan bahwa atom sepenuhnya padat, dan tidak memiliki struktur internal. Dia juga berpikir harus ada ruang kosong antar atom untuk memberikan ruang untuk pergerakannya (seperti pergerakan dalam air dan udara, atau fleksibilitas benda padat).
Sebagai tambahan, Democritus juga menjelaskan bahwa untuk menjelaskan perbedaan sifat dari material yang berbeda, atom dibedakan ke dalam bentuk,massa dan ukurannya. Dengan model atomnya, Democritus mampu menjelaskan bahwa semua yang kita lihat terdiri dari bagian/blok bangunan yang lebih kecil disebut atom.

TEORI ATOM DALTON

Satu nama yang patut dikemukakan sebagai pencetus teori atom modern yang asli adalah guru dan ahli kimia Inggris John Dalton (1776-1844). Sumbangan Dalton merupakan keunikan dari teorinya yang meliputi dua hal. Pertama, Dalton adalah orang pertama yang melibatkan kejadian kimiawi seperti halnya kejadian fisis dalammerumuskan gagasannya tentang atom. Kedua, Dalton juga mendasarkan asumsinya pada data kuantitatif, tidak menggunakan data kualitatif.
Dasar teori atom Dalton ditunjang oleh tiga hukum alam. Pertama, hukum kekekalan massa. Dalam serangkaian percobaan pembakaran dan proses-proses yang berhubungan dengannya, Antoine Lavoisier (1743-1794) menyatakan bahwa dalam semua proses pembakaran bahan dengan oksigen dari udara, maka bahan tersebut akan mengalami perubahan. Dengan melakukan berbagai percobaan yang lebih seksama dan tingkat pengukuran yang lebih teliti, Lavoisier mendapat berat total zat sebelum reaksi sama dengan sesudah reaksi. Inilah yang dikenal sebagai hukum kekekalan massa, sebagaimana dibayangkan oleh Anaksagoras.
Kedua adalah hukum susunan tetap (atau juga dikenal dengan hukum perbandingan tetap). Kimiawan Perancis , Joseph LouisProust (1754-1826) melakukan berbagai percobaan dan pengukuran yang teliti terhadap komposisi sejumlah mineral dan senyawa logam yang dihasilkan melalui reaksi kimia. Hasilnya, komposisi ini selalu tertentu dan beberapa logam ternyata dapat membentuk lebih dari satu oksida dan sulfida. Hasil temuan ini menuntun Proust ke rumusan hukum perbandingan tetap berikut: “Dalam semua senyawa kimia, unsur-unsur penyusunnya selalu muncul dalam perbandingan berat yang tetap, tak bergantung pada bagaimana reaksinya dilakukan”.
Ketiga, setelah mempelajari data-data temuan para kimiawan lain dan yang ia lakukan sendiri, Dalton mendapati bahwa dua unsur berbeda ternyata dapat membentuk pula lebih daripada satu senyawa yang berbeda. Dengan melakukan analisis perhitungan yang lebih seksama, pada 1803 Dalton menyimpulkan hukum yang dikenal sebagai hukum perbandingan berganda: “Apabila sebuah unsur dengan berat yang sama bergabung dengan unsur lain yang beratnya berbeda, maka perbandingan berat unsur yang berbeda ini merupakan bilangan bulat”.
Mengapa setiap reaksi kimia harus tunduk pada ketiga hukum di atas? Jawabannya ternyata ada di tangan Dalton, dan ini ia sumbangkan lewat adikaryanya, Teori Atom Dalton. Teori ini dicetuskan pada tahun 1804. Uraian terinci kemudian ia tuangkan dalam bukunya, A New System of Chemical Philosophy, yang diterbitkan pada tahun 1808, empat tahun setelah selesai ditulis. Gagasan pokoknya:
Unsur tidaklah sinambung, melainkan tersusun atas sejumlah zat utuh terkecil yang tak terbelahkan, yakni atom-atom (sebagaimana dibayangkan Leukipos dan Democritus).
Atom-atom unsur sejenis adalah sama, terutama beratnya, sedangkan yang tak sejenis berbeda beratnya.
Reaksi kimia tidak dapat mencipta atau memusnahkan atom
Atom unsur-unsur yang berbeda dapat bergabung membentuk senyawa.

Penggabungan atom dua unsur A dan B, mengikuti aturan sederhana bertahap.
Beberapa gagasan Dalton ini ternyata perlu diubah kemudian, tetapi bermanfaat karena mampu menjelaskan ketiga hukum di atas.


Gambar 3. Teori Atom Dalton
Pertama, hukum kekekalan massa Lavoisier terjelaskan karena atom-atom tak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Reaksi kimia hanya mengubah susunan gabungan atom-atom semata. Dengan demikian, jumlah total atom tetap, berat totalnya juga tetap.
Kedua, penjelasan bagi hukum perbandingan tetap Proust adalah apabila suatu senyawa kimia dibentuk dari dua unsur yang berbeda, maka jumlah atom masing-masing unsur dalam senyawa atomnya tertentu. Karena itu, perbandingan berat unsur-unsur penyusun senyawa itu juga tertentu.
Ketiga, teori atom menjelaskan pula hukum perbandingan berganda Dalton. Karena penggabungan atom dua unsur yang berbeda dapat membentuk lebih daripada satu “atom senyawa” yang tak sama, dan masing-masing mengandung jumlah atom yang tertentu, maka dengan aturan “penggabungan sederhana bertahap” terjelaskan bahwa satu atom timah misalnya, bergabung dengan satu atom oksigen untuk membentuk senyawa pertama, dan dengan dua atom oksigen untuk senyawa kedua.
Walaupun teori Dalton cukup untuk menjelaskan keberadaan atom, namun struktur atom masih belum dijelaskan dan alasan mengapa elemen yang berbeda memiliki sifat dan ciri yang berbeda masih belum terjawab.


MODEL ATOM THOMSON

Pada awal 1900an, J.J. Thomson mengusulkan model atom baru yang mengikutkan keberadaan partikel elektron dan proton. Karena eksperimen menunjukkan proton memiliki massa yang jauh lebih besar dibandingkan elektron, maka model Thomson menggambarkan atom sebagai proton tunggal yang besar.
Di dalam partikel proton, Thomson memasukkan elektron yang menetralkan adanya muatan positif dari proton. Menurut Thomson, atom terdiri dari suatu bulatan bermuatan positif dengan rapat muatan yang merata. Di dalam muatan positif ini tersebar elektron dengan muatan negatif yang besarnya sama dengan muatan positif.
Cara yang populer untuk menggambarkan model ini adalah dengan menganggap elektron sebagai kismis (plumb) di dalam kue puding proton, sehingga model ini diberi nama model kue kismis (plumb-pudding model).


Gambar 5. Model AtomThomson
Walaupun model atom Thomson adalah yang pertama yang memasukkan konsep adanya proton dan elektron yang bermuatan, model Thomson tidak mampu melewati pengamatan pada eksperimen-eksperimen berikutnya.
Sebagai catatan, proton yang digunakan dalam model Thomson ini bukanlah partikel proton yang ditemukan di model yang lebih modern. Bahkan sesungguhnya dapat dikatakan model Thomson tidak memiliki proton, namun sebuah sel bermuatan positif.
Pengaruh model atom Dalton dapat dilihat dengan jelas pada model Thomson. Dalton berspekulasi bahwa atom adalah benda padat, dan Thomson mendukung gagasan ini dalam modelnya dengan mengelompokkan elektron dan proton bersama-sama. Namun ia maju selangkah mencirikan struktur kelistrikannya. Menurut Thomson:
Atom merupakan sebuah bola bermuatan (listrik) positif yang di dalamnya tertanam elektron-elektron bermuatan negatif.
Jumlah elektron selalu sama dengan muatan positif atom, sehingga atom secara keseluruhan adalah netral.
Bila atom kehilangan satu atau lebih elektron, atom menjadi bermuatan positif yang disebut ion positif.
Dengan model atom ini, Thomson mengukuhkan kembali teori Lorentz bahwa pemancaran cahaya oleh atom diakibatkan getaran elektron-elektron di sekitar kedudukan setimbangnya. Perhitungan Thomson memperlihatkan agar getarannya dapat menghasilkan cahaya tampak, bola atom harus berjari-jari sekitar satu per seratus juta centimeter. Angka ini hampir sama dengan yang diperoleh dengan menggunakan metode lain. Namun sayang, model ini masih mengandung kelemahan, yaitu pada ketakberhasilannya menerangkan keteraturan pola spektrum garis cahaya unsur bersangkutan.



MODEL ATOM RUTHERFORD
Pada tahun 1910, Ernest Rutherford melakukan percobaan pada kebenaran model ini dengan melakukan yang sekarang dikenal sebagai eksperimen hamburan Rutherford (Rutherford scattering experiment). Rutherford menemukan partikel-α, sebuah partikel yang dipancarkan oleh atom radioaktif, pada tahun 1909. Partikel ini memiliki muatan positif, dan faktanya adalah kita sekarang tahu bahwa partikel-α seperti atom helium dilepaskan dari elektronnya, memberikannya muatan 2+. Dalam eksperimen hamburan ini, aliran partikel-α ini diarahkan ke lembaran emas. Lembaran emas ini dipilih oleh Rutherford karena dapat dibuat sangat tipis--hanya setebal beberapa atom emas. Saat partikel-α melintasi lembaran emas, Rutherford dapat mengukur berapa banyak partikel-α yang akan dihamburkan oleh atom emas dengan mengamati kilatan cahaya partikel-α menabrak layar scintilator


Gambar 7. Percobaan Rutherford
Di bawah teori atom Thomson, Rutherfod berhipotesa partikel-α akan dibelokkan sedikit, saat proton emas menolak partikel-α yang bermuatan positif tinggi. Namun pada kenyataannya, eksperimen hamburan Rutherford menunjukkan hasil yang jelas-jelas menolak hipotesis tersebut dan tentunya model atom Thomson. Rutherfod menemukan sebagian besar partikel alfa mampu menembus lembaran emas tanpa dibelokkan. Bersamaan dengan itu, Rutherford juga menemukan partikel alfa yang dibelokkan sedikit, namun dengan sangat mengejutkan, Rutherford juga menemukan beberapa partikel alfa yang dibelokkan pada sudut yang sangat tajam kembali ke sumber radioaktif.
Untuk menjelaskan adanya sebagian besar partikel-α yang menembus lembaran emas tanpa dibelokkan, Rutherford kemudian mengembangkan model inti atom. Dalam model ini, Rutherford menempatkan sebuah proton yang besar (seperti eksperimen dan model sebelumnya) di pusat atom. Rutherford berteori bahwa di sekitar proton terdapat ruang besar yang kosong dari segala partikel kecuali elektron yang jarang-jarang.
Ruang terbuka yang besar ini memberikan alasan adanya partikel alfa yang tidak terbelokkan. Partikel alfa yang dibelokkan sedikit diperkirakan telah lewat cukup dekat dari proton sehingga dibelokkan oleh gaya elektrostatik. Sedangkan beberapa partikel alfa yang dibelokkan kembali ke sumber diperkirakan telah mengalami tumbukan dengan inti sehingga dipantulkan kembali oleh gaya elektrostatik.
Percobaan oleh Ernest Rutherford telah dapat menunjukkan bahwa atom terdiri dari sebentuk awan difus elektron bermuatan negatif mengelilingi inti yang kecil, padat, dan bermuatan positif. Berdasarkan data percobaan ini, sangat wajar jika fisikawan kemudian membayangkan sebuah model sistem keplanetan yang diterapkan pada atom, model Rutherford tahun 1911, dengan elektron-elektron mengorbit inti seperti layaknya planet mengorbit matahari. Namun demikian, model sistem keplanetan untuk atom menemui beberapa kesulitan. Sebagai contoh, hukum mekanika klasik (Newtonian) memprediksi bahwa elektron akan melepas radiasi elektromagnetik ketika sedang mengorbit inti. Karena dalam pelepasan tersebut elektron kehilangan energi, maka lama-kelamaan akan jatuh secara spiral menuju ke inti. Ketika ini terjadi, frekuensi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan akan berubah. Namun percobaan pada akhir abad 19 menunjukkan bahwa loncatan bunga api listrik yang dilalukan dalam suatu gas bertekanan rendah di dalam sebuah tabung hampa akan membuat atom-atom gas memancarkan cahaya (yang berarti radiasi elektromagnetik) dalam frekuensi-frekuensi tetap yang diskret.

Gambar 8. Model Atom Rutherford
Meskipun demikian, ada satu hal yang menarik pada model atom Rutherford: spektrum gelombang elektromagnetik yang dipancarkan elektron berdasarkan perhitungan berada dalam rentang cahaya tampak. Untuk tiap jari-jari orbit tertentu, panjang gelombang cahaya bersangkutan juga tertentu. Namun, karena jari-jari elektron terus berkurang secara kontinu, maka panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya semakin panjang (memerah) dengan peralihan warna secara kontinu. Jadi, spekturm cahaya yang dipancarkannyaberupa susunan pita warna kontinu. Ini jelas bertentangan dengan hasil pengamatan bahwa spektrum atom adalah tak kontinu, berupa garis-garis berwarna yang saling terpisah.
Sukses model atom Rutherford dalam menerangkan gejala hamburan partikel alfa menunukkan bahwa model “tata surya” mini ini tidaklah terlalu keliru. Paling tidak, ia telah mendekati model struktur atom yang memadai.

TEORI ATOM BOHR

Masalah kestabilan model atom Rutherford akhirnya teratasi dengan sumbangan fisikawan teori Denmark, Niels Henrik Bohr pada tahun 1913. Menarik untuk dikemukakan bahwa pada tahun 1911, begitu ia menyelesaikan doktornya di Kopenhagen, ia melanjutkan riset pascadoktornya di Laboratorium Cavendish di bawah arahan Sir J.J. Thomson. Tahun berikutnya, 1912, ia



melanjutkan program riset di Universitas Manchester di bawah arahan Rutherford. Keterlibatannya dengan kedua fisikawan kenamaan penggagas model atom ini memberinya andil besar untuk merumuskan model atomnya.
Gagasan yang dikemukakan Bohr luarbiasa radikal, karena sangat bertentangan dengan teori elektromagnetik Maxwell-Lorentz yang telah dipandang mapan ketika itu. Bohr dalam hal ini menggunakan konsep teori kuantum yang dikemukakan oleh Planck dan Einstein. Menurut Bohr:
Terdapat orbit-orbit stabil tertentu pada elektron. Di sana elektron sama sekali tidak memancarkan radiasi elektromagnetik. Pada setiap orbit stabil tersebut, momentum sudut orbital elektron terkuantisasi menjadi kelipatan bilangan bulat dari tetapan Planck h dibagi dengan keliling lingkaran berjari-jari atuan, 2π, yakni:

mvr = n h/2π , n = 1, 2, 3, ....

Bila elektron berpindah (bertransisi) dari satu orbit stabil dengan energi E1 ke orbit stabil lain dengan energi E2 yang berjari-jari lebih kecil, maka elektron tersebut akan memancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi f berbanding lurus dengan selisih energi kedua orbit bersangkutan:

f = (E_1- E_2)/h

Terdapatnya orbit-orbit stabil elektron yang taksinambung dalam setiap atom berakibat bahwa perpindahan elektron-elektron dari orbit-orbit luar ke dalam akan menghasilkan pancaran cahaya dalam pola deretan garis spektrum dengan frekuensi (panjang gelombang) tertentu.


Gambar 10. Model Atom Bohr
Model ini adalah pengembangan dari model puding prem (1904), model Saturnian (1904), dan model Rutherford (1911). Karena model Bohr adalah pengembangan dari model Rutherford, banyak sumber mengkombinasikan kedua nama dalam penyebutannya menjadi model Rutherford-Bohr.
Kunci sukses model ini adalah dalam menjelaskan formula Rydberg mengenai garis-garis emisi spektral atom hidrogen, walaupun formula Rydberg sudah dikenal secara eksperimental, tetapi tidak pernah mendapatkan landasan teoritis sebelum model Bohr diperkenalkan. Tidak hanya karena model Bohr menjelaskan alasan untuk struktur formula Rydberg, ia juga memberikan justifikasi hasil empirisnya dalam hal suku-suku konstanta fisika fundamental.
Model Bohr adalah sebuah model primitif mengenai atom hidrogen. Sebagai sebuah teori, model Bohr dapat dianggap sebagai sebuah pendekatan orde pertama dari atom hidrogen menggunakan mekanika kuantum yang lebih umum dan akurat, dan dengan demikian dapat dianggap sebagai model yang telah usang. Namun demikian, karena kesederhanaannya, dan hasil yang tepat untuk sebuah sistem tertentu, model Bohr tetap diajarkan sebagai pengenalan pada mekanika kuantum.
Dengan teori kuantum, Bohr juga menemukan rumus matematika yang dapat dipergunakan untuk menghitung panjang gelombang dari semua garis yang muncul dalam spektrum atom hidrogen. Nilai hasil perhitungan ternyata sangat cocok dengan yang diperoleh dari percobaan langsung. Namun untuk unsur yang lebih rumit dari hidrogen, teori Bohr ini ternyata tidak cocok dalam meramalkan panjang gelombang garis spektrum. Meskipun demikian, teori ini diakui sebagai langkah maju dalam menjelaskan fenomena-fenomena fisika yang terjadi dalam tingkatan atomik. Teori kuantum dari Planck diakui kebenarannya karena dapat dipakai untuk menjelaskan berbagai fenomena fisika yang saat itu tidak bisa diterangkan dengan teori klasik.

MODEL ATOM MODERN


Gambar 11. E. Schrodinger, W. Heisenberg, dan W. Pauli, Perintis Mekanika Kuantum
Penjelasan tentang struktur atom yang lebih lengkap diperlukan untuk mengetahui struktur yang lebih detil tentang elektron di dalam atom. Model atom yang lengkap harus dapat menerangkan misteri efek Zeeman dan sesuai untuk atom berelektron banyak. Dua gejala ini tidak dapat diterangkan oleh model atom Bohr.
Spektrum garis atomik teramati saat arus listrik dialirkan melalui gas di dalam sebuah tabung lucutan gas. Garis-garis tambahan dalam spektrum emisi teramati jika atom-atom tereksitasi diletakkan di dalam medan magnet luar. Satu garis di dalam spektrum garis emisi terlihat sebagai tiga garis (dengan dua garis tambahan) di dalam spektrum apabila atom diletakkan di dalam medan magnet. Terpecahnya satu garis menjadi beberapa garis di dalam medan magnet dikenal sebagai efek Zeeman.


Gambar 12. Pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet
Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan menggunakan model atom Bohr. Dengan demikian, diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum yang dapat menjelaskan efek Zeeman dan spektrum atom berelektron banyak.
Dalam skala atomik, elektron dapat kita tinjau sebagai gejala gelombang yang tidak memiliki posisi tertentu di dalam ruang. Posisi sebuah elektron diwakili oleh kebolehjadian atau peluang terbesar ditemukannya elektron di dalam ruang itu. Di sini gerak elektron digambarkan sebagai sebuah gejala gelombang. Persamaan dinamika Newton yang sedianya digunakan untuk menjelaskan gerak elektron digantikan oleh persamaan Schrodinger yang menyatakan fungsi gelombang untuk elektron. Model atom yang didasarkan pada prinsip ini disebut model atom mekanika kuantum.


Gambar 13. Posisi dan keberadaan elektron di dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom.

Persamaan Schrodinger untuk elektron di dalam atom dapat memberikan solusi yang dapat diterima apabila ditetapkan bilangan bulat untuk tiga parameter yang berbeda yang menghasilkan tiga bilangan kuantum. Ketiga bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utama, orbital, dan magnetik. Jadi, gambaran elektron di dalam atom diwakili oleh seperangkat bilangan kuantum ini.
Bilangan Kuantum Utama
Dalam model atom Bohr, elektron dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu. Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n. untuk atom hidrogen, sebagaimana dalam model atom Bohr, elektron pada kulit ke-n memiliki energi sebesar

Bilangan Kuantum Orbital
Elektron yang bergerak mengelilingi inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron berada di dalam medan magnet.

Gambar 14. Terpecahnya garis spektum atomik di dalam medan magnet.
Tiap orientasi momentum sudut elektron memiliki tingkat energi yang berbeda. Meskipun kecil perbedaan tingkat energi akan teramati apabila atom berada di dalam medan magnet. Momentum sudut elektron dapat dinyatakan sebagai

Bilangan l disebut bilangan kuantum orbital. Jadi, bilangan kuantum orbital l menentukan besar momentum sudut elektron. Nilai bilangan kuantum orbital l adalah
l = 0, 1, 2, 3, … (n – 1)
misalnya, untuk n = 2, nilai l yang diperbolehkan adalah l = 0 dan l = 1.
Bilangan Kuantum Magnetik
Momentum sudut elektron L merupakan sebuah vektor. Jika vektor momentum sudut L diproyeksikan ke arah sumbu yang tegak atau sumbu-z secara tiga dimensi akan didapatkan besar komponen momentum sudut arah sumbu-z dinyatakan sebagai Lz. bilangan bulat yang berkaitan dengan besar Lz adalah m. bilangan ini disebut bilangan kuantum magnetik. Karena besar Lz bergantung pada besar momentum sudut elektron L, maka nilai m juga berkaitan dengan nilai l.
m = −l, … , 0, … , +l
misalnya, untuk nilai l = 1, nilai m yang diperbolehkan adalah −1, 0, +1.
Marilah kita sekarang kita lihat bagaimana tiap tingkta energi diberi nama dengan ketiga bilangan kuantum (n, l, m) ini. Keadaan dasar diperkenankan memiliki n = 1, karena itu l = 0. Di sini hanya satu nilai m yang diperkenankan, m = 0. Jadi, keadaan dasar memiliki bilangan kuantum (1, 0, 0). Keadaan eksitasi pertama memiliki n = 2, sehingga nilai l yang diperkenankan l = 0 atau l = 1. Untuk l = 0, hanyalah m = 0 yang diperkenankan. Untuk l =1, nilai m adalah -1, 0, atau +1. Dengan demikian himpunan bilangan kuantum yang mungkin bagi tingkat ini adalah (2, 0, 0), (2, 1, 1), (2, 1, 0), dan (2, 1, -1). Semua keadaan ini memiliki n = 2, dan karena itu semua memiliki energi yang sama, karena energi hanya bergantung pada n. Semua keadaan ini dikatakan terdegenerasi. Jadi, tingkat n = 2 terdegenerasi rangkap-empat. Jika kita daftarkan semua gabungan bilangan kuantum yang mungkin bagi tingkat n = 3, akan kita dapati sembilan kemungkinan gabungan. Karena itu, tingkat n = 3 terdegenerasi rangkap-sembilan. Pada umumnya, tingkat ke-n terdegenerasi rangkap n2.


Gambar 15. Tingkat n = 3 terdegenerasi rangkap-sembilan.
Hampir pada saat bersamaan ketika gambaran mengenai kulit elektron pada atom hidrogen menjadi jelas rumusannya, para fisikawan terganggu oleh pengamatan spektrum atom hidrogen dan atom alkali yang lebih teliti, yang menunjukkan bahwa setiap sub-sub kulit (m) ternyata tidak tunggal tetapi ganda.
Penjelasannya ditemukan oleh dua fisikawan muda Belanda, George E. Uhlenbeck (1900-1988) dan Samuel Goudsmit (1902-1978), pada tahun 1925. Keduanya mengemukakan elektron sebagai partikel ibarat gasing yang berputar terhadap sumbu yang melewati pusatnya. Gerak rotasi ini dinyatakan dengan besaran terukur momentum sudut, yang diberi nama spin.
Bilangan Kuantum Spin
Bilangan kuantum spin diperlukan untuk menjelaskan efek Zeeman anomali. Anomali ini berupa terpecahnya garis spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan. Jika efek Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron. Momentum sudut spin juga mempunyai dua orientasi yang berbeda, yaitu spin atas dan spin bawah. Tiap orientasi spin elektron memiliki energi yang berbeda tipis sehingga terlihat sebagai garis spektrum yang terpisah.
Spin elektron diwakili oleh bilangan kuantum tersendiri yang disebut bilangan kuantum magnetik spin (atau biasa disebut spin saja). Nilai bilangan kuantum spin hanya boleh satu dari dua nilai +½ atau −½. jika ms adalah bilangan kuantum spin, komponen momentum sudut arah sumbu-z dituliskan sebagai
Sz = msћ
dimana

Spin ke atas (rotasi searah putaran jarum jam) dinyatakan dengan

Spin ke bawah (rotasi berlawanan arah putaran jarum jam) dinyatakan dengan





Gambar 16. Garis spektrum atom yang terpisah di dalam medan magnet berasal dari spin elektron.
Model atom mekanika kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan struktur atom untuk atom berelektron banyak. Posisi atau keadaan elektron di dalam atom dapat dinyatakan menggunakan seperangkat (empat) bilangan kuantum. Misalnya, elektron dengan bilangan kuantum n = 2, l = 1, m = −1 dan ms = −½ menyatakan sebuah elektron pada kulit L, subkulit p, orbital −1 dengan arah spin ke bawah.
Memasuki era pasca Perang Dunia II, upaya para fisikawan, khususnya dalam bidang kajian energi tinggi, lebih diarahkan pada perburuan aneka “zat tak-terbelahkan paling sederhana” selain elektron, proton, dan neutron, yang semuanya dikelaskan sebagai partikel elementer. Para fisikawan teori dan eksperimen, ternyata berhasil menyingkap tabir rahasia alam tentang kehadiran sejumlah partikel elementer lain yang terus bertambah jumlahnya.
Pencirian bilangan-bilangan kuantum jatidiri partikel elementer beserta hukum kekekalan yang berkaitan dengannya pada awal dasawarsa 1960-an dan keberhasilan menata rapi ulang “taman partikel elementer” mengundang perenungan lebih lanjut. Apakah terdapat semacam “Daftar Susunan Berkala Partikel Elementer”? jawabannya adalah “ya”. Jawaban ini menyarankan partikel hadron khususnya adalah semacam “atom partikel elementer” yang dibangun oleh sejumlah kecil partikel elementer mendasar quark, yang barangkali adalah “atom” sebenarnya.
Semua pencapaian ini semakin mencerahkan pemahaman para fisikawan tentang alam partikel elementer dan interaksi alam mendasar dalam upaya mereka menemukan jawaban tentang hakikat zat yang diprakarsai oleh para filsuf Yunani purba purba sekitar 2500 tahun silam.
Kesimpulan yang dicapai dari upaya pemahaman hakikat zat hingga tahap ini adalah sebagai berikut. Bila zat diibaratkan sebagai sebuah “bangunan”, maka quark dan lepton adalah “batu-bata”-nya dengan skema struktur seperti yang tampak pada Gambar 15.


Gambar 17. Quark dan Lepton, Partikel elementer sebenarnya?
PENUTUP
Pengetahuan para ilmuwan tentang atom bukan berdasarkan pengamatan langsung terhadap atom per atom, sebab atom terlalu kecil untuk dapat diamati dan diukur sacara langsung. Diameter atom dinyakini berkisar antara 30 pm sampai 150 pm (1 pm = 10-12 m). Dengan alat pembesar apapun kita belum dapat melihat atom, tetapi gejala yang ditimbulkan oleh atom itu dapat diukur seperti jejak atom, nyala, difraksi, dan lain-lain.
Teori-teori atom yang ada sekarang hanya merupakan model yang dibangun oleh para ilmuwan sebagai kesimpulan dari hasil berbagai kajian teoritis dan gejala empiris dengan berbagai pendekatan dan metode ilmiah. Itulah sebabnya terdapat beberapa model atom yang telah dikembangkan dan dipublikasikan menurut temuan-temuan yang secara sinergetis saling mendukung atau bahkan menolak usulan model atom sebelumnya. Sampai saat ini, teori atom yang paling muktahir adalah berdasarkan teori mekanika kuantum atau mekanika gelombang dengan berbagai asumsi dan teorema.
Referensi

Arthur Beiser (terjemahan The Houw Liong). 1999. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Pn. Erlangga.

Hans J. Wospakrik. 2005. Dari Atomos Hingga Quark. Jakarta: Pn. Universitas Atmajaya.

Kenneth Krane (terjemaham H.J.Wospakrik). 2008. Fisika Modern. Jakarta: Pn. Universitas Indonesia.

Ralph H. Petrucci (terjemahan Suminar Achmadi). 1987. Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern. Jilid 1 edisi keempat. Jakarta: Pn. Erlangga.
PERKEMBANGAN TEORI ATOM



PERKEMBANGAN TEORI ATOM
Oleh: Herdiyanto Mahmud Bokings

PENDAHULUAN
Upaya menyingkap tabir zat telah dimulai kurang lebih 2500 tahun silam. Pemrakarsanya adalah para filsuf Yunani purba di Miletos, kota pelabuhan utama dan pusat perdagangan Ionia. Masalah utama yang menarik perhatian para filsuf Ionia adalah bagaimana memahami keberadaan alam dan perubahannya.
Para filsuf Yunani Ionia adalah pengembang cara berpikir logis, cara berpikir yang berusaha menyederhanakan masalah rumit ke unsur dasarnya guna menarik kesimpulan yang terkandung di balik masalah tersebut dengan menggunakan akal atau rasio. Inilah yang melahirkan pendapat yang dewasa ini lazim disebut teori ilmiah.
Salah satu konsep ilmiah tertua adalah bahwa semua materi dapat dipecah menjadi partikel terkecil, dimana partikel-partikel ini tidak bisa dibagi lebih lanjut.

ISI

KONSEP ATOM DEMOCRITUS

Konsep dasar tentang atom sebenarnya sudah lama dikenal orang. Konsep tersebut antara lain berasal dari pemikiran orang Yunani kuno yang dipelopori oleh Democritus yang hidup pada akhir abad ke-4 dan awal abad ke-5 Sebelum Masehi. Menurut teori yang dikemukakannya, suatu benda dapat dibagi menjadi bagian-bagian yang sangat kecil yang akhirnya tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani yaitu ”atomos” yang berarti ”tidak dapat dibagi”. Disebutkan bahwa alasan ini berasal dari observasi di mana butiran pasir dapat bersama-sama membentuk sebuah pantai.
Dalam analoginya, pasir adalah atom, dan pantai adalah senyawa. Analogi ini kemudian dapat dihubungkan dengan pengertian Democritus terhadap atom yang tidak bisa dibagi lagi: walaupun sebuah pantai dapat dibagi ke dalam butiran-butiran pasirnya, butiran pasir ini tidak dapat dibagi. Democritus juga beralasan bahwa atom sepenuhnya padat, dan tidak memiliki struktur internal. Dia juga berpikir harus ada ruang kosong antar atom untuk memberikan ruang untuk pergerakannya (seperti pergerakan dalam air dan udara, atau fleksibilitas benda padat).
Sebagai tambahan, Democritus juga menjelaskan bahwa untuk menjelaskan perbedaan sifat dari material yang berbeda, atom dibedakan ke dalam bentuk,massa dan ukurannya. Dengan model atomnya, Democritus mampu menjelaskan bahwa semua yang kita lihat terdiri dari bagian/blok bangunan yang lebih kecil disebut atom.

TEORI ATOM DALTON

Satu nama yang patut dikemukakan sebagai pencetus teori atom modern yang asli adalah guru dan ahli kimia Inggris John Dalton (1776-1844). Sumbangan Dalton merupakan keunikan dari teorinya yang meliputi dua hal. Pertama, Dalton adalah orang pertama yang melibatkan kejadian kimiawi seperti halnya kejadian fisis dalammerumuskan gagasannya tentang atom. Kedua, Dalton juga mendasarkan asumsinya pada data kuantitatif, tidak menggunakan data kualitatif.
Dasar teori atom Dalton ditunjang oleh tiga hukum alam. Pertama, hukum kekekalan massa. Dalam serangkaian percobaan pembakaran dan proses-proses yang berhubungan dengannya, Antoine Lavoisier (1743-1794) menyatakan bahwa dalam semua proses pembakaran bahan dengan oksigen dari udara, maka bahan tersebut akan mengalami perubahan. Dengan melakukan berbagai percobaan yang lebih seksama dan tingkat pengukuran yang lebih teliti, Lavoisier mendapat berat total zat sebelum reaksi sama dengan sesudah reaksi. Inilah yang dikenal sebagai hukum kekekalan massa, sebagaimana dibayangkan oleh Anaksagoras.
Kedua adalah hukum susunan tetap (atau juga dikenal dengan hukum perbandingan tetap). Kimiawan Perancis , Joseph LouisProust (1754-1826) melakukan berbagai percobaan dan pengukuran yang teliti terhadap komposisi sejumlah mineral dan senyawa logam yang dihasilkan melalui reaksi kimia. Hasilnya, komposisi ini selalu tertentu dan beberapa logam ternyata dapat membentuk lebih dari satu oksida dan sulfida. Hasil temuan ini menuntun Proust ke rumusan hukum perbandingan tetap berikut: “Dalam semua senyawa kimia, unsur-unsur penyusunnya selalu muncul dalam perbandingan berat yang tetap, tak bergantung pada bagaimana reaksinya dilakukan”.
Ketiga, setelah mempelajari data-data temuan para kimiawan lain dan yang ia lakukan sendiri, Dalton mendapati bahwa dua unsur berbeda ternyata dapat membentuk pula lebih daripada satu senyawa yang berbeda. Dengan melakukan analisis perhitungan yang lebih seksama, pada 1803 Dalton menyimpulkan hukum yang dikenal sebagai hukum perbandingan berganda: “Apabila sebuah unsur dengan berat yang sama bergabung dengan unsur lain yang beratnya berbeda, maka perbandingan berat unsur yang berbeda ini merupakan bilangan bulat”.
Mengapa setiap reaksi kimia harus tunduk pada ketiga hukum di atas? Jawabannya ternyata ada di tangan Dalton, dan ini ia sumbangkan lewat adikaryanya, Teori Atom Dalton. Teori ini dicetuskan pada tahun 1804. Uraian terinci kemudian ia tuangkan dalam bukunya, A New System of Chemical Philosophy, yang diterbitkan pada tahun 1808, empat tahun setelah selesai ditulis. Gagasan pokoknya:
Unsur tidaklah sinambung, melainkan tersusun atas sejumlah zat utuh terkecil yang tak terbelahkan, yakni atom-atom (sebagaimana dibayangkan Leukipos dan Democritus).
Atom-atom unsur sejenis adalah sama, terutama beratnya, sedangkan yang tak sejenis berbeda beratnya.
Reaksi kimia tidak dapat mencipta atau memusnahkan atom
Atom unsur-unsur yang berbeda dapat bergabung membentuk senyawa.

Penggabungan atom dua unsur A dan B, mengikuti aturan sederhana bertahap.
Beberapa gagasan Dalton ini ternyata perlu diubah kemudian, tetapi bermanfaat karena mampu menjelaskan ketiga hukum di atas.


Gambar 3. Teori Atom Dalton
Pertama, hukum kekekalan massa Lavoisier terjelaskan karena atom-atom tak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Reaksi kimia hanya mengubah susunan gabungan atom-atom semata. Dengan demikian, jumlah total atom tetap, berat totalnya juga tetap.
Kedua, penjelasan bagi hukum perbandingan tetap Proust adalah apabila suatu senyawa kimia dibentuk dari dua unsur yang berbeda, maka jumlah atom masing-masing unsur dalam senyawa atomnya tertentu. Karena itu, perbandingan berat unsur-unsur penyusun senyawa itu juga tertentu.
Ketiga, teori atom menjelaskan pula hukum perbandingan berganda Dalton. Karena penggabungan atom dua unsur yang berbeda dapat membentuk lebih daripada satu “atom senyawa” yang tak sama, dan masing-masing mengandung jumlah atom yang tertentu, maka dengan aturan “penggabungan sederhana bertahap” terjelaskan bahwa satu atom timah misalnya, bergabung dengan satu atom oksigen untuk membentuk senyawa pertama, dan dengan dua atom oksigen untuk senyawa kedua.
Walaupun teori Dalton cukup untuk menjelaskan keberadaan atom, namun struktur atom masih belum dijelaskan dan alasan mengapa elemen yang berbeda memiliki sifat dan ciri yang berbeda masih belum terjawab.


MODEL ATOM THOMSON

Pada awal 1900an, J.J. Thomson mengusulkan model atom baru yang mengikutkan keberadaan partikel elektron dan proton. Karena eksperimen menunjukkan proton memiliki massa yang jauh lebih besar dibandingkan elektron, maka model Thomson menggambarkan atom sebagai proton tunggal yang besar.
Di dalam partikel proton, Thomson memasukkan elektron yang menetralkan adanya muatan positif dari proton. Menurut Thomson, atom terdiri dari suatu bulatan bermuatan positif dengan rapat muatan yang merata. Di dalam muatan positif ini tersebar elektron dengan muatan negatif yang besarnya sama dengan muatan positif.
Cara yang populer untuk menggambarkan model ini adalah dengan menganggap elektron sebagai kismis (plumb) di dalam kue puding proton, sehingga model ini diberi nama model kue kismis (plumb-pudding model).


Gambar 5. Model AtomThomson
Walaupun model atom Thomson adalah yang pertama yang memasukkan konsep adanya proton dan elektron yang bermuatan, model Thomson tidak mampu melewati pengamatan pada eksperimen-eksperimen berikutnya.
Sebagai catatan, proton yang digunakan dalam model Thomson ini bukanlah partikel proton yang ditemukan di model yang lebih modern. Bahkan sesungguhnya dapat dikatakan model Thomson tidak memiliki proton, namun sebuah sel bermuatan positif.
Pengaruh model atom Dalton dapat dilihat dengan jelas pada model Thomson. Dalton berspekulasi bahwa atom adalah benda padat, dan Thomson mendukung gagasan ini dalam modelnya dengan mengelompokkan elektron dan proton bersama-sama. Namun ia maju selangkah mencirikan struktur kelistrikannya. Menurut Thomson:
Atom merupakan sebuah bola bermuatan (listrik) positif yang di dalamnya tertanam elektron-elektron bermuatan negatif.
Jumlah elektron selalu sama dengan muatan positif atom, sehingga atom secara keseluruhan adalah netral.
Bila atom kehilangan satu atau lebih elektron, atom menjadi bermuatan positif yang disebut ion positif.
Dengan model atom ini, Thomson mengukuhkan kembali teori Lorentz bahwa pemancaran cahaya oleh atom diakibatkan getaran elektron-elektron di sekitar kedudukan setimbangnya. Perhitungan Thomson memperlihatkan agar getarannya dapat menghasilkan cahaya tampak, bola atom harus berjari-jari sekitar satu per seratus juta centimeter. Angka ini hampir sama dengan yang diperoleh dengan menggunakan metode lain. Namun sayang, model ini masih mengandung kelemahan, yaitu pada ketakberhasilannya menerangkan keteraturan pola spektrum garis cahaya unsur bersangkutan.



MODEL ATOM RUTHERFORD
Pada tahun 1910, Ernest Rutherford melakukan percobaan pada kebenaran model ini dengan melakukan yang sekarang dikenal sebagai eksperimen hamburan Rutherford (Rutherford scattering experiment). Rutherford menemukan partikel-α, sebuah partikel yang dipancarkan oleh atom radioaktif, pada tahun 1909. Partikel ini memiliki muatan positif, dan faktanya adalah kita sekarang tahu bahwa partikel-α seperti atom helium dilepaskan dari elektronnya, memberikannya muatan 2+. Dalam eksperimen hamburan ini, aliran partikel-α ini diarahkan ke lembaran emas. Lembaran emas ini dipilih oleh Rutherford karena dapat dibuat sangat tipis--hanya setebal beberapa atom emas. Saat partikel-α melintasi lembaran emas, Rutherford dapat mengukur berapa banyak partikel-α yang akan dihamburkan oleh atom emas dengan mengamati kilatan cahaya partikel-α menabrak layar scintilator


Gambar 7. Percobaan Rutherford
Di bawah teori atom Thomson, Rutherfod berhipotesa partikel-α akan dibelokkan sedikit, saat proton emas menolak partikel-α yang bermuatan positif tinggi. Namun pada kenyataannya, eksperimen hamburan Rutherford menunjukkan hasil yang jelas-jelas menolak hipotesis tersebut dan tentunya model atom Thomson. Rutherfod menemukan sebagian besar partikel alfa mampu menembus lembaran emas tanpa dibelokkan. Bersamaan dengan itu, Rutherford juga menemukan partikel alfa yang dibelokkan sedikit, namun dengan sangat mengejutkan, Rutherford juga menemukan beberapa partikel alfa yang dibelokkan pada sudut yang sangat tajam kembali ke sumber radioaktif.
Untuk menjelaskan adanya sebagian besar partikel-α yang menembus lembaran emas tanpa dibelokkan, Rutherford kemudian mengembangkan model inti atom. Dalam model ini, Rutherford menempatkan sebuah proton yang besar (seperti eksperimen dan model sebelumnya) di pusat atom. Rutherford berteori bahwa di sekitar proton terdapat ruang besar yang kosong dari segala partikel kecuali elektron yang jarang-jarang.
Ruang terbuka yang besar ini memberikan alasan adanya partikel alfa yang tidak terbelokkan. Partikel alfa yang dibelokkan sedikit diperkirakan telah lewat cukup dekat dari proton sehingga dibelokkan oleh gaya elektrostatik. Sedangkan beberapa partikel alfa yang dibelokkan kembali ke sumber diperkirakan telah mengalami tumbukan dengan inti sehingga dipantulkan kembali oleh gaya elektrostatik.
Percobaan oleh Ernest Rutherford telah dapat menunjukkan bahwa atom terdiri dari sebentuk awan difus elektron bermuatan negatif mengelilingi inti yang kecil, padat, dan bermuatan positif. Berdasarkan data percobaan ini, sangat wajar jika fisikawan kemudian membayangkan sebuah model sistem keplanetan yang diterapkan pada atom, model Rutherford tahun 1911, dengan elektron-elektron mengorbit inti seperti layaknya planet mengorbit matahari. Namun demikian, model sistem keplanetan untuk atom menemui beberapa kesulitan. Sebagai contoh, hukum mekanika klasik (Newtonian) memprediksi bahwa elektron akan melepas radiasi elektromagnetik ketika sedang mengorbit inti. Karena dalam pelepasan tersebut elektron kehilangan energi, maka lama-kelamaan akan jatuh secara spiral menuju ke inti. Ketika ini terjadi, frekuensi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan akan berubah. Namun percobaan pada akhir abad 19 menunjukkan bahwa loncatan bunga api listrik yang dilalukan dalam suatu gas bertekanan rendah di dalam sebuah tabung hampa akan membuat atom-atom gas memancarkan cahaya (yang berarti radiasi elektromagnetik) dalam frekuensi-frekuensi tetap yang diskret.

Gambar 8. Model Atom Rutherford
Meskipun demikian, ada satu hal yang menarik pada model atom Rutherford: spektrum gelombang elektromagnetik yang dipancarkan elektron berdasarkan perhitungan berada dalam rentang cahaya tampak. Untuk tiap jari-jari orbit tertentu, panjang gelombang cahaya bersangkutan juga tertentu. Namun, karena jari-jari elektron terus berkurang secara kontinu, maka panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya semakin panjang (memerah) dengan peralihan warna secara kontinu. Jadi, spekturm cahaya yang dipancarkannyaberupa susunan pita warna kontinu. Ini jelas bertentangan dengan hasil pengamatan bahwa spektrum atom adalah tak kontinu, berupa garis-garis berwarna yang saling terpisah.
Sukses model atom Rutherford dalam menerangkan gejala hamburan partikel alfa menunukkan bahwa model “tata surya” mini ini tidaklah terlalu keliru. Paling tidak, ia telah mendekati model struktur atom yang memadai.

TEORI ATOM BOHR

Masalah kestabilan model atom Rutherford akhirnya teratasi dengan sumbangan fisikawan teori Denmark, Niels Henrik Bohr pada tahun 1913. Menarik untuk dikemukakan bahwa pada tahun 1911, begitu ia menyelesaikan doktornya di Kopenhagen, ia melanjutkan riset pascadoktornya di Laboratorium Cavendish di bawah arahan Sir J.J. Thomson. Tahun berikutnya, 1912, ia



melanjutkan program riset di Universitas Manchester di bawah arahan Rutherford. Keterlibatannya dengan kedua fisikawan kenamaan penggagas model atom ini memberinya andil besar untuk merumuskan model atomnya.
Gagasan yang dikemukakan Bohr luarbiasa radikal, karena sangat bertentangan dengan teori elektromagnetik Maxwell-Lorentz yang telah dipandang mapan ketika itu. Bohr dalam hal ini menggunakan konsep teori kuantum yang dikemukakan oleh Planck dan Einstein. Menurut Bohr:
Terdapat orbit-orbit stabil tertentu pada elektron. Di sana elektron sama sekali tidak memancarkan radiasi elektromagnetik. Pada setiap orbit stabil tersebut, momentum sudut orbital elektron terkuantisasi menjadi kelipatan bilangan bulat dari tetapan Planck h dibagi dengan keliling lingkaran berjari-jari atuan, 2π, yakni:

mvr = n h/2π , n = 1, 2, 3, ....

Bila elektron berpindah (bertransisi) dari satu orbit stabil dengan energi E1 ke orbit stabil lain dengan energi E2 yang berjari-jari lebih kecil, maka elektron tersebut akan memancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi f berbanding lurus dengan selisih energi kedua orbit bersangkutan:

f = (E_1- E_2)/h

Terdapatnya orbit-orbit stabil elektron yang taksinambung dalam setiap atom berakibat bahwa perpindahan elektron-elektron dari orbit-orbit luar ke dalam akan menghasilkan pancaran cahaya dalam pola deretan garis spektrum dengan frekuensi (panjang gelombang) tertentu.


Gambar 10. Model Atom Bohr
Model ini adalah pengembangan dari model puding prem (1904), model Saturnian (1904), dan model Rutherford (1911). Karena model Bohr adalah pengembangan dari model Rutherford, banyak sumber mengkombinasikan kedua nama dalam penyebutannya menjadi model Rutherford-Bohr.
Kunci sukses model ini adalah dalam menjelaskan formula Rydberg mengenai garis-garis emisi spektral atom hidrogen, walaupun formula Rydberg sudah dikenal secara eksperimental, tetapi tidak pernah mendapatkan landasan teoritis sebelum model Bohr diperkenalkan. Tidak hanya karena model Bohr menjelaskan alasan untuk struktur formula Rydberg, ia juga memberikan justifikasi hasil empirisnya dalam hal suku-suku konstanta fisika fundamental.
Model Bohr adalah sebuah model primitif mengenai atom hidrogen. Sebagai sebuah teori, model Bohr dapat dianggap sebagai sebuah pendekatan orde pertama dari atom hidrogen menggunakan mekanika kuantum yang lebih umum dan akurat, dan dengan demikian dapat dianggap sebagai model yang telah usang. Namun demikian, karena kesederhanaannya, dan hasil yang tepat untuk sebuah sistem tertentu, model Bohr tetap diajarkan sebagai pengenalan pada mekanika kuantum.
Dengan teori kuantum, Bohr juga menemukan rumus matematika yang dapat dipergunakan untuk menghitung panjang gelombang dari semua garis yang muncul dalam spektrum atom hidrogen. Nilai hasil perhitungan ternyata sangat cocok dengan yang diperoleh dari percobaan langsung. Namun untuk unsur yang lebih rumit dari hidrogen, teori Bohr ini ternyata tidak cocok dalam meramalkan panjang gelombang garis spektrum. Meskipun demikian, teori ini diakui sebagai langkah maju dalam menjelaskan fenomena-fenomena fisika yang terjadi dalam tingkatan atomik. Teori kuantum dari Planck diakui kebenarannya karena dapat dipakai untuk menjelaskan berbagai fenomena fisika yang saat itu tidak bisa diterangkan dengan teori klasik.

MODEL ATOM MODERN


Gambar 11. E. Schrodinger, W. Heisenberg, dan W. Pauli, Perintis Mekanika Kuantum
Penjelasan tentang struktur atom yang lebih lengkap diperlukan untuk mengetahui struktur yang lebih detil tentang elektron di dalam atom. Model atom yang lengkap harus dapat menerangkan misteri efek Zeeman dan sesuai untuk atom berelektron banyak. Dua gejala ini tidak dapat diterangkan oleh model atom Bohr.
Spektrum garis atomik teramati saat arus listrik dialirkan melalui gas di dalam sebuah tabung lucutan gas. Garis-garis tambahan dalam spektrum emisi teramati jika atom-atom tereksitasi diletakkan di dalam medan magnet luar. Satu garis di dalam spektrum garis emisi terlihat sebagai tiga garis (dengan dua garis tambahan) di dalam spektrum apabila atom diletakkan di dalam medan magnet. Terpecahnya satu garis menjadi beberapa garis di dalam medan magnet dikenal sebagai efek Zeeman.


Gambar 12. Pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet
Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan menggunakan model atom Bohr. Dengan demikian, diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum yang dapat menjelaskan efek Zeeman dan spektrum atom berelektron banyak.
Dalam skala atomik, elektron dapat kita tinjau sebagai gejala gelombang yang tidak memiliki posisi tertentu di dalam ruang. Posisi sebuah elektron diwakili oleh kebolehjadian atau peluang terbesar ditemukannya elektron di dalam ruang itu. Di sini gerak elektron digambarkan sebagai sebuah gejala gelombang. Persamaan dinamika Newton yang sedianya digunakan untuk menjelaskan gerak elektron digantikan oleh persamaan Schrodinger yang menyatakan fungsi gelombang untuk elektron. Model atom yang didasarkan pada prinsip ini disebut model atom mekanika kuantum.


Gambar 13. Posisi dan keberadaan elektron di dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom.

Persamaan Schrodinger untuk elektron di dalam atom dapat memberikan solusi yang dapat diterima apabila ditetapkan bilangan bulat untuk tiga parameter yang berbeda yang menghasilkan tiga bilangan kuantum. Ketiga bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utama, orbital, dan magnetik. Jadi, gambaran elektron di dalam atom diwakili oleh seperangkat bilangan kuantum ini.
Bilangan Kuantum Utama
Dalam model atom Bohr, elektron dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu. Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n. untuk atom hidrogen, sebagaimana dalam model atom Bohr, elektron pada kulit ke-n memiliki energi sebesar

Bilangan Kuantum Orbital
Elektron yang bergerak mengelilingi inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron berada di dalam medan magnet.

Gambar 14. Terpecahnya garis spektum atomik di dalam medan magnet.
Tiap orientasi momentum sudut elektron memiliki tingkat energi yang berbeda. Meskipun kecil perbedaan tingkat energi akan teramati apabila atom berada di dalam medan magnet. Momentum sudut elektron dapat dinyatakan sebagai

Bilangan l disebut bilangan kuantum orbital. Jadi, bilangan kuantum orbital l menentukan besar momentum sudut elektron. Nilai bilangan kuantum orbital l adalah
l = 0, 1, 2, 3, … (n – 1)
misalnya, untuk n = 2, nilai l yang diperbolehkan adalah l = 0 dan l = 1.
Bilangan Kuantum Magnetik
Momentum sudut elektron L merupakan sebuah vektor. Jika vektor momentum sudut L diproyeksikan ke arah sumbu yang tegak atau sumbu-z secara tiga dimensi akan didapatkan besar komponen momentum sudut arah sumbu-z dinyatakan sebagai Lz. bilangan bulat yang berkaitan dengan besar Lz adalah m. bilangan ini disebut bilangan kuantum magnetik. Karena besar Lz bergantung pada besar momentum sudut elektron L, maka nilai m juga berkaitan dengan nilai l.
m = −l, … , 0, … , +l
misalnya, untuk nilai l = 1, nilai m yang diperbolehkan adalah −1, 0, +1.
Marilah kita sekarang kita lihat bagaimana tiap tingkta energi diberi nama dengan ketiga bilangan kuantum (n, l, m) ini. Keadaan dasar diperkenankan memiliki n = 1, karena itu l = 0. Di sini hanya satu nilai m yang diperkenankan, m = 0. Jadi, keadaan dasar memiliki bilangan kuantum (1, 0, 0). Keadaan eksitasi pertama memiliki n = 2, sehingga nilai l yang diperkenankan l = 0 atau l = 1. Untuk l = 0, hanyalah m = 0 yang diperkenankan. Untuk l =1, nilai m adalah -1, 0, atau +1. Dengan demikian himpunan bilangan kuantum yang mungkin bagi tingkat ini adalah (2, 0, 0), (2, 1, 1), (2, 1, 0), dan (2, 1, -1). Semua keadaan ini memiliki n = 2, dan karena itu semua memiliki energi yang sama, karena energi hanya bergantung pada n. Semua keadaan ini dikatakan terdegenerasi. Jadi, tingkat n = 2 terdegenerasi rangkap-empat. Jika kita daftarkan semua gabungan bilangan kuantum yang mungkin bagi tingkat n = 3, akan kita dapati sembilan kemungkinan gabungan. Karena itu, tingkat n = 3 terdegenerasi rangkap-sembilan. Pada umumnya, tingkat ke-n terdegenerasi rangkap n2.


Gambar 15. Tingkat n = 3 terdegenerasi rangkap-sembilan.
Hampir pada saat bersamaan ketika gambaran mengenai kulit elektron pada atom hidrogen menjadi jelas rumusannya, para fisikawan terganggu oleh pengamatan spektrum atom hidrogen dan atom alkali yang lebih teliti, yang menunjukkan bahwa setiap sub-sub kulit (m) ternyata tidak tunggal tetapi ganda.
Penjelasannya ditemukan oleh dua fisikawan muda Belanda, George E. Uhlenbeck (1900-1988) dan Samuel Goudsmit (1902-1978), pada tahun 1925. Keduanya mengemukakan elektron sebagai partikel ibarat gasing yang berputar terhadap sumbu yang melewati pusatnya. Gerak rotasi ini dinyatakan dengan besaran terukur momentum sudut, yang diberi nama spin.
Bilangan Kuantum Spin
Bilangan kuantum spin diperlukan untuk menjelaskan efek Zeeman anomali. Anomali ini berupa terpecahnya garis spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan. Jika efek Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron. Momentum sudut spin juga mempunyai dua orientasi yang berbeda, yaitu spin atas dan spin bawah. Tiap orientasi spin elektron memiliki energi yang berbeda tipis sehingga terlihat sebagai garis spektrum yang terpisah.
Spin elektron diwakili oleh bilangan kuantum tersendiri yang disebut bilangan kuantum magnetik spin (atau biasa disebut spin saja). Nilai bilangan kuantum spin hanya boleh satu dari dua nilai +½ atau −½. jika ms adalah bilangan kuantum spin, komponen momentum sudut arah sumbu-z dituliskan sebagai
Sz = msћ
dimana

Spin ke atas (rotasi searah putaran jarum jam) dinyatakan dengan

Spin ke bawah (rotasi berlawanan arah putaran jarum jam) dinyatakan dengan





Gambar 16. Garis spektrum atom yang terpisah di dalam medan magnet berasal dari spin elektron.
Model atom mekanika kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan struktur atom untuk atom berelektron banyak. Posisi atau keadaan elektron di dalam atom dapat dinyatakan menggunakan seperangkat (empat) bilangan kuantum. Misalnya, elektron dengan bilangan kuantum n = 2, l = 1, m = −1 dan ms = −½ menyatakan sebuah elektron pada kulit L, subkulit p, orbital −1 dengan arah spin ke bawah.
Memasuki era pasca Perang Dunia II, upaya para fisikawan, khususnya dalam bidang kajian energi tinggi, lebih diarahkan pada perburuan aneka “zat tak-terbelahkan paling sederhana” selain elektron, proton, dan neutron, yang semuanya dikelaskan sebagai partikel elementer. Para fisikawan teori dan eksperimen, ternyata berhasil menyingkap tabir rahasia alam tentang kehadiran sejumlah partikel elementer lain yang terus bertambah jumlahnya.
Pencirian bilangan-bilangan kuantum jatidiri partikel elementer beserta hukum kekekalan yang berkaitan dengannya pada awal dasawarsa 1960-an dan keberhasilan menata rapi ulang “taman partikel elementer” mengundang perenungan lebih lanjut. Apakah terdapat semacam “Daftar Susunan Berkala Partikel Elementer”? jawabannya adalah “ya”. Jawaban ini menyarankan partikel hadron khususnya adalah semacam “atom partikel elementer” yang dibangun oleh sejumlah kecil partikel elementer mendasar quark, yang barangkali adalah “atom” sebenarnya.
Semua pencapaian ini semakin mencerahkan pemahaman para fisikawan tentang alam partikel elementer dan interaksi alam mendasar dalam upaya mereka menemukan jawaban tentang hakikat zat yang diprakarsai oleh para filsuf Yunani purba purba sekitar 2500 tahun silam.
Kesimpulan yang dicapai dari upaya pemahaman hakikat zat hingga tahap ini adalah sebagai berikut. Bila zat diibaratkan sebagai sebuah “bangunan”, maka quark dan lepton adalah “batu-bata”-nya dengan skema struktur seperti yang tampak pada Gambar 15.


Gambar 17. Quark dan Lepton, Partikel elementer sebenarnya?
PENUTUP
Pengetahuan para ilmuwan tentang atom bukan berdasarkan pengamatan langsung terhadap atom per atom, sebab atom terlalu kecil untuk dapat diamati dan diukur sacara langsung. Diameter atom dinyakini berkisar antara 30 pm sampai 150 pm (1 pm = 10-12 m). Dengan alat pembesar apapun kita belum dapat melihat atom, tetapi gejala yang ditimbulkan oleh atom itu dapat diukur seperti jejak atom, nyala, difraksi, dan lain-lain.
Teori-teori atom yang ada sekarang hanya merupakan model yang dibangun oleh para ilmuwan sebagai kesimpulan dari hasil berbagai kajian teoritis dan gejala empiris dengan berbagai pendekatan dan metode ilmiah. Itulah sebabnya terdapat beberapa model atom yang telah dikembangkan dan dipublikasikan menurut temuan-temuan yang secara sinergetis saling mendukung atau bahkan menolak usulan model atom sebelumnya. Sampai saat ini, teori atom yang paling muktahir adalah berdasarkan teori mekanika kuantum atau mekanika gelombang dengan berbagai asumsi dan teorema.
Referensi

Arthur Beiser (terjemahan The Houw Liong). 1999. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Pn. Erlangga.

Hans J. Wospakrik. 2005. Dari Atomos Hingga Quark. Jakarta: Pn. Universitas Atmajaya.

Kenneth Krane (terjemaham H.J.Wospakrik). 2008. Fisika Modern. Jakarta: Pn. Universitas Indonesia.

Ralph H. Petrucci (terjemahan Suminar Achmadi). 1987. Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern. Jilid 1 edisi keempat. Jakarta: Pn. Erlangga.
PERKEMBANGAN TEORI ATOM



PERKEMBANGAN TEORI ATOM
Oleh: Herdiyanto Mahmud Bokings

PENDAHULUAN
Upaya menyingkap tabir zat telah dimulai kurang lebih 2500 tahun silam. Pemrakarsanya adalah para filsuf Yunani purba di Miletos, kota pelabuhan utama dan pusat perdagangan Ionia. Masalah utama yang menarik perhatian para filsuf Ionia adalah bagaimana memahami keberadaan alam dan perubahannya.
Para filsuf Yunani Ionia adalah pengembang cara berpikir logis, cara berpikir yang berusaha menyederhanakan masalah rumit ke unsur dasarnya guna menarik kesimpulan yang terkandung di balik masalah tersebut dengan menggunakan akal atau rasio. Inilah yang melahirkan pendapat yang dewasa ini lazim disebut teori ilmiah.
Salah satu konsep ilmiah tertua adalah bahwa semua materi dapat dipecah menjadi partikel terkecil, dimana partikel-partikel ini tidak bisa dibagi lebih lanjut.

ISI

KONSEP ATOM DEMOCRITUS

Konsep dasar tentang atom sebenarnya sudah lama dikenal orang. Konsep tersebut antara lain berasal dari pemikiran orang Yunani kuno yang dipelopori oleh Democritus yang hidup pada akhir abad ke-4 dan awal abad ke-5 Sebelum Masehi. Menurut teori yang dikemukakannya, suatu benda dapat dibagi menjadi bagian-bagian yang sangat kecil yang akhirnya tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani yaitu ”atomos” yang berarti ”tidak dapat dibagi”. Disebutkan bahwa alasan ini berasal dari observasi di mana butiran pasir dapat bersama-sama membentuk sebuah pantai.
Dalam analoginya, pasir adalah atom, dan pantai adalah senyawa. Analogi ini kemudian dapat dihubungkan dengan pengertian Democritus terhadap atom yang tidak bisa dibagi lagi: walaupun sebuah pantai dapat dibagi ke dalam butiran-butiran pasirnya, butiran pasir ini tidak dapat dibagi. Democritus juga beralasan bahwa atom sepenuhnya padat, dan tidak memiliki struktur internal. Dia juga berpikir harus ada ruang kosong antar atom untuk memberikan ruang untuk pergerakannya (seperti pergerakan dalam air dan udara, atau fleksibilitas benda padat).
Sebagai tambahan, Democritus juga menjelaskan bahwa untuk menjelaskan perbedaan sifat dari material yang berbeda, atom dibedakan ke dalam bentuk,massa dan ukurannya. Dengan model atomnya, Democritus mampu menjelaskan bahwa semua yang kita lihat terdiri dari bagian/blok bangunan yang lebih kecil disebut atom.

TEORI ATOM DALTON

Satu nama yang patut dikemukakan sebagai pencetus teori atom modern yang asli adalah guru dan ahli kimia Inggris John Dalton (1776-1844). Sumbangan Dalton merupakan keunikan dari teorinya yang meliputi dua hal. Pertama, Dalton adalah orang pertama yang melibatkan kejadian kimiawi seperti halnya kejadian fisis dalammerumuskan gagasannya tentang atom. Kedua, Dalton juga mendasarkan asumsinya pada data kuantitatif, tidak menggunakan data kualitatif.
Dasar teori atom Dalton ditunjang oleh tiga hukum alam. Pertama, hukum kekekalan massa. Dalam serangkaian percobaan pembakaran dan proses-proses yang berhubungan dengannya, Antoine Lavoisier (1743-1794) menyatakan bahwa dalam semua proses pembakaran bahan dengan oksigen dari udara, maka bahan tersebut akan mengalami perubahan. Dengan melakukan berbagai percobaan yang lebih seksama dan tingkat pengukuran yang lebih teliti, Lavoisier mendapat berat total zat sebelum reaksi sama dengan sesudah reaksi. Inilah yang dikenal sebagai hukum kekekalan massa, sebagaimana dibayangkan oleh Anaksagoras.
Kedua adalah hukum susunan tetap (atau juga dikenal dengan hukum perbandingan tetap). Kimiawan Perancis , Joseph LouisProust (1754-1826) melakukan berbagai percobaan dan pengukuran yang teliti terhadap komposisi sejumlah mineral dan senyawa logam yang dihasilkan melalui reaksi kimia. Hasilnya, komposisi ini selalu tertentu dan beberapa logam ternyata dapat membentuk lebih dari satu oksida dan sulfida. Hasil temuan ini menuntun Proust ke rumusan hukum perbandingan tetap berikut: “Dalam semua senyawa kimia, unsur-unsur penyusunnya selalu muncul dalam perbandingan berat yang tetap, tak bergantung pada bagaimana reaksinya dilakukan”.
Ketiga, setelah mempelajari data-data temuan para kimiawan lain dan yang ia lakukan sendiri, Dalton mendapati bahwa dua unsur berbeda ternyata dapat membentuk pula lebih daripada satu senyawa yang berbeda. Dengan melakukan analisis perhitungan yang lebih seksama, pada 1803 Dalton menyimpulkan hukum yang dikenal sebagai hukum perbandingan berganda: “Apabila sebuah unsur dengan berat yang sama bergabung dengan unsur lain yang beratnya berbeda, maka perbandingan berat unsur yang berbeda ini merupakan bilangan bulat”.
Mengapa setiap reaksi kimia harus tunduk pada ketiga hukum di atas? Jawabannya ternyata ada di tangan Dalton, dan ini ia sumbangkan lewat adikaryanya, Teori Atom Dalton. Teori ini dicetuskan pada tahun 1804. Uraian terinci kemudian ia tuangkan dalam bukunya, A New System of Chemical Philosophy, yang diterbitkan pada tahun 1808, empat tahun setelah selesai ditulis. Gagasan pokoknya:
Unsur tidaklah sinambung, melainkan tersusun atas sejumlah zat utuh terkecil yang tak terbelahkan, yakni atom-atom (sebagaimana dibayangkan Leukipos dan Democritus).
Atom-atom unsur sejenis adalah sama, terutama beratnya, sedangkan yang tak sejenis berbeda beratnya.
Reaksi kimia tidak dapat mencipta atau memusnahkan atom
Atom unsur-unsur yang berbeda dapat bergabung membentuk senyawa.

Penggabungan atom dua unsur A dan B, mengikuti aturan sederhana bertahap.
Beberapa gagasan Dalton ini ternyata perlu diubah kemudian, tetapi bermanfaat karena mampu menjelaskan ketiga hukum di atas.


Gambar 3. Teori Atom Dalton
Pertama, hukum kekekalan massa Lavoisier terjelaskan karena atom-atom tak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Reaksi kimia hanya mengubah susunan gabungan atom-atom semata. Dengan demikian, jumlah total atom tetap, berat totalnya juga tetap.
Kedua, penjelasan bagi hukum perbandingan tetap Proust adalah apabila suatu senyawa kimia dibentuk dari dua unsur yang berbeda, maka jumlah atom masing-masing unsur dalam senyawa atomnya tertentu. Karena itu, perbandingan berat unsur-unsur penyusun senyawa itu juga tertentu.
Ketiga, teori atom menjelaskan pula hukum perbandingan berganda Dalton. Karena penggabungan atom dua unsur yang berbeda dapat membentuk lebih daripada satu “atom senyawa” yang tak sama, dan masing-masing mengandung jumlah atom yang tertentu, maka dengan aturan “penggabungan sederhana bertahap” terjelaskan bahwa satu atom timah misalnya, bergabung dengan satu atom oksigen untuk membentuk senyawa pertama, dan dengan dua atom oksigen untuk senyawa kedua.
Walaupun teori Dalton cukup untuk menjelaskan keberadaan atom, namun struktur atom masih belum dijelaskan dan alasan mengapa elemen yang berbeda memiliki sifat dan ciri yang berbeda masih belum terjawab.


MODEL ATOM THOMSON

Pada awal 1900an, J.J. Thomson mengusulkan model atom baru yang mengikutkan keberadaan partikel elektron dan proton. Karena eksperimen menunjukkan proton memiliki massa yang jauh lebih besar dibandingkan elektron, maka model Thomson menggambarkan atom sebagai proton tunggal yang besar.
Di dalam partikel proton, Thomson memasukkan elektron yang menetralkan adanya muatan positif dari proton. Menurut Thomson, atom terdiri dari suatu bulatan bermuatan positif dengan rapat muatan yang merata. Di dalam muatan positif ini tersebar elektron dengan muatan negatif yang besarnya sama dengan muatan positif.
Cara yang populer untuk menggambarkan model ini adalah dengan menganggap elektron sebagai kismis (plumb) di dalam kue puding proton, sehingga model ini diberi nama model kue kismis (plumb-pudding model).


Gambar 5. Model AtomThomson
Walaupun model atom Thomson adalah yang pertama yang memasukkan konsep adanya proton dan elektron yang bermuatan, model Thomson tidak mampu melewati pengamatan pada eksperimen-eksperimen berikutnya.
Sebagai catatan, proton yang digunakan dalam model Thomson ini bukanlah partikel proton yang ditemukan di model yang lebih modern. Bahkan sesungguhnya dapat dikatakan model Thomson tidak memiliki proton, namun sebuah sel bermuatan positif.
Pengaruh model atom Dalton dapat dilihat dengan jelas pada model Thomson. Dalton berspekulasi bahwa atom adalah benda padat, dan Thomson mendukung gagasan ini dalam modelnya dengan mengelompokkan elektron dan proton bersama-sama. Namun ia maju selangkah mencirikan struktur kelistrikannya. Menurut Thomson:
Atom merupakan sebuah bola bermuatan (listrik) positif yang di dalamnya tertanam elektron-elektron bermuatan negatif.
Jumlah elektron selalu sama dengan muatan positif atom, sehingga atom secara keseluruhan adalah netral.
Bila atom kehilangan satu atau lebih elektron, atom menjadi bermuatan positif yang disebut ion positif.
Dengan model atom ini, Thomson mengukuhkan kembali teori Lorentz bahwa pemancaran cahaya oleh atom diakibatkan getaran elektron-elektron di sekitar kedudukan setimbangnya. Perhitungan Thomson memperlihatkan agar getarannya dapat menghasilkan cahaya tampak, bola atom harus berjari-jari sekitar satu per seratus juta centimeter. Angka ini hampir sama dengan yang diperoleh dengan menggunakan metode lain. Namun sayang, model ini masih mengandung kelemahan, yaitu pada ketakberhasilannya menerangkan keteraturan pola spektrum garis cahaya unsur bersangkutan.



MODEL ATOM RUTHERFORD
Pada tahun 1910, Ernest Rutherford melakukan percobaan pada kebenaran model ini dengan melakukan yang sekarang dikenal sebagai eksperimen hamburan Rutherford (Rutherford scattering experiment). Rutherford menemukan partikel-α, sebuah partikel yang dipancarkan oleh atom radioaktif, pada tahun 1909. Partikel ini memiliki muatan positif, dan faktanya adalah kita sekarang tahu bahwa partikel-α seperti atom helium dilepaskan dari elektronnya, memberikannya muatan 2+. Dalam eksperimen hamburan ini, aliran partikel-α ini diarahkan ke lembaran emas. Lembaran emas ini dipilih oleh Rutherford karena dapat dibuat sangat tipis--hanya setebal beberapa atom emas. Saat partikel-α melintasi lembaran emas, Rutherford dapat mengukur berapa banyak partikel-α yang akan dihamburkan oleh atom emas dengan mengamati kilatan cahaya partikel-α menabrak layar scintilator


Gambar 7. Percobaan Rutherford
Di bawah teori atom Thomson, Rutherfod berhipotesa partikel-α akan dibelokkan sedikit, saat proton emas menolak partikel-α yang bermuatan positif tinggi. Namun pada kenyataannya, eksperimen hamburan Rutherford menunjukkan hasil yang jelas-jelas menolak hipotesis tersebut dan tentunya model atom Thomson. Rutherfod menemukan sebagian besar partikel alfa mampu menembus lembaran emas tanpa dibelokkan. Bersamaan dengan itu, Rutherford juga menemukan partikel alfa yang dibelokkan sedikit, namun dengan sangat mengejutkan, Rutherford juga menemukan beberapa partikel alfa yang dibelokkan pada sudut yang sangat tajam kembali ke sumber radioaktif.
Untuk menjelaskan adanya sebagian besar partikel-α yang menembus lembaran emas tanpa dibelokkan, Rutherford kemudian mengembangkan model inti atom. Dalam model ini, Rutherford menempatkan sebuah proton yang besar (seperti eksperimen dan model sebelumnya) di pusat atom. Rutherford berteori bahwa di sekitar proton terdapat ruang besar yang kosong dari segala partikel kecuali elektron yang jarang-jarang.
Ruang terbuka yang besar ini memberikan alasan adanya partikel alfa yang tidak terbelokkan. Partikel alfa yang dibelokkan sedikit diperkirakan telah lewat cukup dekat dari proton sehingga dibelokkan oleh gaya elektrostatik. Sedangkan beberapa partikel alfa yang dibelokkan kembali ke sumber diperkirakan telah mengalami tumbukan dengan inti sehingga dipantulkan kembali oleh gaya elektrostatik.
Percobaan oleh Ernest Rutherford telah dapat menunjukkan bahwa atom terdiri dari sebentuk awan difus elektron bermuatan negatif mengelilingi inti yang kecil, padat, dan bermuatan positif. Berdasarkan data percobaan ini, sangat wajar jika fisikawan kemudian membayangkan sebuah model sistem keplanetan yang diterapkan pada atom, model Rutherford tahun 1911, dengan elektron-elektron mengorbit inti seperti layaknya planet mengorbit matahari. Namun demikian, model sistem keplanetan untuk atom menemui beberapa kesulitan. Sebagai contoh, hukum mekanika klasik (Newtonian) memprediksi bahwa elektron akan melepas radiasi elektromagnetik ketika sedang mengorbit inti. Karena dalam pelepasan tersebut elektron kehilangan energi, maka lama-kelamaan akan jatuh secara spiral menuju ke inti. Ketika ini terjadi, frekuensi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan akan berubah. Namun percobaan pada akhir abad 19 menunjukkan bahwa loncatan bunga api listrik yang dilalukan dalam suatu gas bertekanan rendah di dalam sebuah tabung hampa akan membuat atom-atom gas memancarkan cahaya (yang berarti radiasi elektromagnetik) dalam frekuensi-frekuensi tetap yang diskret.

Gambar 8. Model Atom Rutherford
Meskipun demikian, ada satu hal yang menarik pada model atom Rutherford: spektrum gelombang elektromagnetik yang dipancarkan elektron berdasarkan perhitungan berada dalam rentang cahaya tampak. Untuk tiap jari-jari orbit tertentu, panjang gelombang cahaya bersangkutan juga tertentu. Namun, karena jari-jari elektron terus berkurang secara kontinu, maka panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya semakin panjang (memerah) dengan peralihan warna secara kontinu. Jadi, spekturm cahaya yang dipancarkannyaberupa susunan pita warna kontinu. Ini jelas bertentangan dengan hasil pengamatan bahwa spektrum atom adalah tak kontinu, berupa garis-garis berwarna yang saling terpisah.
Sukses model atom Rutherford dalam menerangkan gejala hamburan partikel alfa menunukkan bahwa model “tata surya” mini ini tidaklah terlalu keliru. Paling tidak, ia telah mendekati model struktur atom yang memadai.

TEORI ATOM BOHR

Masalah kestabilan model atom Rutherford akhirnya teratasi dengan sumbangan fisikawan teori Denmark, Niels Henrik Bohr pada tahun 1913. Menarik untuk dikemukakan bahwa pada tahun 1911, begitu ia menyelesaikan doktornya di Kopenhagen, ia melanjutkan riset pascadoktornya di Laboratorium Cavendish di bawah arahan Sir J.J. Thomson. Tahun berikutnya, 1912, ia



melanjutkan program riset di Universitas Manchester di bawah arahan Rutherford. Keterlibatannya dengan kedua fisikawan kenamaan penggagas model atom ini memberinya andil besar untuk merumuskan model atomnya.
Gagasan yang dikemukakan Bohr luarbiasa radikal, karena sangat bertentangan dengan teori elektromagnetik Maxwell-Lorentz yang telah dipandang mapan ketika itu. Bohr dalam hal ini menggunakan konsep teori kuantum yang dikemukakan oleh Planck dan Einstein. Menurut Bohr:
Terdapat orbit-orbit stabil tertentu pada elektron. Di sana elektron sama sekali tidak memancarkan radiasi elektromagnetik. Pada setiap orbit stabil tersebut, momentum sudut orbital elektron terkuantisasi menjadi kelipatan bilangan bulat dari tetapan Planck h dibagi dengan keliling lingkaran berjari-jari atuan, 2π, yakni:

mvr = n h/2π , n = 1, 2, 3, ....

Bila elektron berpindah (bertransisi) dari satu orbit stabil dengan energi E1 ke orbit stabil lain dengan energi E2 yang berjari-jari lebih kecil, maka elektron tersebut akan memancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi f berbanding lurus dengan selisih energi kedua orbit bersangkutan:

f = (E_1- E_2)/h

Terdapatnya orbit-orbit stabil elektron yang taksinambung dalam setiap atom berakibat bahwa perpindahan elektron-elektron dari orbit-orbit luar ke dalam akan menghasilkan pancaran cahaya dalam pola deretan garis spektrum dengan frekuensi (panjang gelombang) tertentu.


Gambar 10. Model Atom Bohr
Model ini adalah pengembangan dari model puding prem (1904), model Saturnian (1904), dan model Rutherford (1911). Karena model Bohr adalah pengembangan dari model Rutherford, banyak sumber mengkombinasikan kedua nama dalam penyebutannya menjadi model Rutherford-Bohr.
Kunci sukses model ini adalah dalam menjelaskan formula Rydberg mengenai garis-garis emisi spektral atom hidrogen, walaupun formula Rydberg sudah dikenal secara eksperimental, tetapi tidak pernah mendapatkan landasan teoritis sebelum model Bohr diperkenalkan. Tidak hanya karena model Bohr menjelaskan alasan untuk struktur formula Rydberg, ia juga memberikan justifikasi hasil empirisnya dalam hal suku-suku konstanta fisika fundamental.
Model Bohr adalah sebuah model primitif mengenai atom hidrogen. Sebagai sebuah teori, model Bohr dapat dianggap sebagai sebuah pendekatan orde pertama dari atom hidrogen menggunakan mekanika kuantum yang lebih umum dan akurat, dan dengan demikian dapat dianggap sebagai model yang telah usang. Namun demikian, karena kesederhanaannya, dan hasil yang tepat untuk sebuah sistem tertentu, model Bohr tetap diajarkan sebagai pengenalan pada mekanika kuantum.
Dengan teori kuantum, Bohr juga menemukan rumus matematika yang dapat dipergunakan untuk menghitung panjang gelombang dari semua garis yang muncul dalam spektrum atom hidrogen. Nilai hasil perhitungan ternyata sangat cocok dengan yang diperoleh dari percobaan langsung. Namun untuk unsur yang lebih rumit dari hidrogen, teori Bohr ini ternyata tidak cocok dalam meramalkan panjang gelombang garis spektrum. Meskipun demikian, teori ini diakui sebagai langkah maju dalam menjelaskan fenomena-fenomena fisika yang terjadi dalam tingkatan atomik. Teori kuantum dari Planck diakui kebenarannya karena dapat dipakai untuk menjelaskan berbagai fenomena fisika yang saat itu tidak bisa diterangkan dengan teori klasik.

MODEL ATOM MODERN


Gambar 11. E. Schrodinger, W. Heisenberg, dan W. Pauli, Perintis Mekanika Kuantum
Penjelasan tentang struktur atom yang lebih lengkap diperlukan untuk mengetahui struktur yang lebih detil tentang elektron di dalam atom. Model atom yang lengkap harus dapat menerangkan misteri efek Zeeman dan sesuai untuk atom berelektron banyak. Dua gejala ini tidak dapat diterangkan oleh model atom Bohr.
Spektrum garis atomik teramati saat arus listrik dialirkan melalui gas di dalam sebuah tabung lucutan gas. Garis-garis tambahan dalam spektrum emisi teramati jika atom-atom tereksitasi diletakkan di dalam medan magnet luar. Satu garis di dalam spektrum garis emisi terlihat sebagai tiga garis (dengan dua garis tambahan) di dalam spektrum apabila atom diletakkan di dalam medan magnet. Terpecahnya satu garis menjadi beberapa garis di dalam medan magnet dikenal sebagai efek Zeeman.


Gambar 12. Pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet
Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan menggunakan model atom Bohr. Dengan demikian, diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum yang dapat menjelaskan efek Zeeman dan spektrum atom berelektron banyak.
Dalam skala atomik, elektron dapat kita tinjau sebagai gejala gelombang yang tidak memiliki posisi tertentu di dalam ruang. Posisi sebuah elektron diwakili oleh kebolehjadian atau peluang terbesar ditemukannya elektron di dalam ruang itu. Di sini gerak elektron digambarkan sebagai sebuah gejala gelombang. Persamaan dinamika Newton yang sedianya digunakan untuk menjelaskan gerak elektron digantikan oleh persamaan Schrodinger yang menyatakan fungsi gelombang untuk elektron. Model atom yang didasarkan pada prinsip ini disebut model atom mekanika kuantum.


Gambar 13. Posisi dan keberadaan elektron di dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom.

Persamaan Schrodinger untuk elektron di dalam atom dapat memberikan solusi yang dapat diterima apabila ditetapkan bilangan bulat untuk tiga parameter yang berbeda yang menghasilkan tiga bilangan kuantum. Ketiga bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utama, orbital, dan magnetik. Jadi, gambaran elektron di dalam atom diwakili oleh seperangkat bilangan kuantum ini.
Bilangan Kuantum Utama
Dalam model atom Bohr, elektron dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu. Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n. untuk atom hidrogen, sebagaimana dalam model atom Bohr, elektron pada kulit ke-n memiliki energi sebesar

Bilangan Kuantum Orbital
Elektron yang bergerak mengelilingi inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron berada di dalam medan magnet.

Gambar 14. Terpecahnya garis spektum atomik di dalam medan magnet.
Tiap orientasi momentum sudut elektron memiliki tingkat energi yang berbeda. Meskipun kecil perbedaan tingkat energi akan teramati apabila atom berada di dalam medan magnet. Momentum sudut elektron dapat dinyatakan sebagai

Bilangan l disebut bilangan kuantum orbital. Jadi, bilangan kuantum orbital l menentukan besar momentum sudut elektron. Nilai bilangan kuantum orbital l adalah
l = 0, 1, 2, 3, … (n – 1)
misalnya, untuk n = 2, nilai l yang diperbolehkan adalah l = 0 dan l = 1.
Bilangan Kuantum Magnetik
Momentum sudut elektron L merupakan sebuah vektor. Jika vektor momentum sudut L diproyeksikan ke arah sumbu yang tegak atau sumbu-z secara tiga dimensi akan didapatkan besar komponen momentum sudut arah sumbu-z dinyatakan sebagai Lz. bilangan bulat yang berkaitan dengan besar Lz adalah m. bilangan ini disebut bilangan kuantum magnetik. Karena besar Lz bergantung pada besar momentum sudut elektron L, maka nilai m juga berkaitan dengan nilai l.
m = −l, … , 0, … , +l
misalnya, untuk nilai l = 1, nilai m yang diperbolehkan adalah −1, 0, +1.
Marilah kita sekarang kita lihat bagaimana tiap tingkta energi diberi nama dengan ketiga bilangan kuantum (n, l, m) ini. Keadaan dasar diperkenankan memiliki n = 1, karena itu l = 0. Di sini hanya satu nilai m yang diperkenankan, m = 0. Jadi, keadaan dasar memiliki bilangan kuantum (1, 0, 0). Keadaan eksitasi pertama memiliki n = 2, sehingga nilai l yang diperkenankan l = 0 atau l = 1. Untuk l = 0, hanyalah m = 0 yang diperkenankan. Untuk l =1, nilai m adalah -1, 0, atau +1. Dengan demikian himpunan bilangan kuantum yang mungkin bagi tingkat ini adalah (2, 0, 0), (2, 1, 1), (2, 1, 0), dan (2, 1, -1). Semua keadaan ini memiliki n = 2, dan karena itu semua memiliki energi yang sama, karena energi hanya bergantung pada n. Semua keadaan ini dikatakan terdegenerasi. Jadi, tingkat n = 2 terdegenerasi rangkap-empat. Jika kita daftarkan semua gabungan bilangan kuantum yang mungkin bagi tingkat n = 3, akan kita dapati sembilan kemungkinan gabungan. Karena itu, tingkat n = 3 terdegenerasi rangkap-sembilan. Pada umumnya, tingkat ke-n terdegenerasi rangkap n2.


Gambar 15. Tingkat n = 3 terdegenerasi rangkap-sembilan.
Hampir pada saat bersamaan ketika gambaran mengenai kulit elektron pada atom hidrogen menjadi jelas rumusannya, para fisikawan terganggu oleh pengamatan spektrum atom hidrogen dan atom alkali yang lebih teliti, yang menunjukkan bahwa setiap sub-sub kulit (m) ternyata tidak tunggal tetapi ganda.
Penjelasannya ditemukan oleh dua fisikawan muda Belanda, George E. Uhlenbeck (1900-1988) dan Samuel Goudsmit (1902-1978), pada tahun 1925. Keduanya mengemukakan elektron sebagai partikel ibarat gasing yang berputar terhadap sumbu yang melewati pusatnya. Gerak rotasi ini dinyatakan dengan besaran terukur momentum sudut, yang diberi nama spin.
Bilangan Kuantum Spin
Bilangan kuantum spin diperlukan untuk menjelaskan efek Zeeman anomali. Anomali ini berupa terpecahnya garis spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan. Jika efek Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron. Momentum sudut spin juga mempunyai dua orientasi yang berbeda, yaitu spin atas dan spin bawah. Tiap orientasi spin elektron memiliki energi yang berbeda tipis sehingga terlihat sebagai garis spektrum yang terpisah.
Spin elektron diwakili oleh bilangan kuantum tersendiri yang disebut bilangan kuantum magnetik spin (atau biasa disebut spin saja). Nilai bilangan kuantum spin hanya boleh satu dari dua nilai +½ atau −½. jika ms adalah bilangan kuantum spin, komponen momentum sudut arah sumbu-z dituliskan sebagai
Sz = msћ
dimana

Spin ke atas (rotasi searah putaran jarum jam) dinyatakan dengan

Spin ke bawah (rotasi berlawanan arah putaran jarum jam) dinyatakan dengan





Gambar 16. Garis spektrum atom yang terpisah di dalam medan magnet berasal dari spin elektron.
Model atom mekanika kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan struktur atom untuk atom berelektron banyak. Posisi atau keadaan elektron di dalam atom dapat dinyatakan menggunakan seperangkat (empat) bilangan kuantum. Misalnya, elektron dengan bilangan kuantum n = 2, l = 1, m = −1 dan ms = −½ menyatakan sebuah elektron pada kulit L, subkulit p, orbital −1 dengan arah spin ke bawah.
Memasuki era pasca Perang Dunia II, upaya para fisikawan, khususnya dalam bidang kajian energi tinggi, lebih diarahkan pada perburuan aneka “zat tak-terbelahkan paling sederhana” selain elektron, proton, dan neutron, yang semuanya dikelaskan sebagai partikel elementer. Para fisikawan teori dan eksperimen, ternyata berhasil menyingkap tabir rahasia alam tentang kehadiran sejumlah partikel elementer lain yang terus bertambah jumlahnya.
Pencirian bilangan-bilangan kuantum jatidiri partikel elementer beserta hukum kekekalan yang berkaitan dengannya pada awal dasawarsa 1960-an dan keberhasilan menata rapi ulang “taman partikel elementer” mengundang perenungan lebih lanjut. Apakah terdapat semacam “Daftar Susunan Berkala Partikel Elementer”? jawabannya adalah “ya”. Jawaban ini menyarankan partikel hadron khususnya adalah semacam “atom partikel elementer” yang dibangun oleh sejumlah kecil partikel elementer mendasar quark, yang barangkali adalah “atom” sebenarnya.
Semua pencapaian ini semakin mencerahkan pemahaman para fisikawan tentang alam partikel elementer dan interaksi alam mendasar dalam upaya mereka menemukan jawaban tentang hakikat zat yang diprakarsai oleh para filsuf Yunani purba purba sekitar 2500 tahun silam.
Kesimpulan yang dicapai dari upaya pemahaman hakikat zat hingga tahap ini adalah sebagai berikut. Bila zat diibaratkan sebagai sebuah “bangunan”, maka quark dan lepton adalah “batu-bata”-nya dengan skema struktur seperti yang tampak pada Gambar 15.


Gambar 17. Quark dan Lepton, Partikel elementer sebenarnya?
PENUTUP
Pengetahuan para ilmuwan tentang atom bukan berdasarkan pengamatan langsung terhadap atom per atom, sebab atom terlalu kecil untuk dapat diamati dan diukur sacara langsung. Diameter atom dinyakini berkisar antara 30 pm sampai 150 pm (1 pm = 10-12 m). Dengan alat pembesar apapun kita belum dapat melihat atom, tetapi gejala yang ditimbulkan oleh atom itu dapat diukur seperti jejak atom, nyala, difraksi, dan lain-lain.
Teori-teori atom yang ada sekarang hanya merupakan model yang dibangun oleh para ilmuwan sebagai kesimpulan dari hasil berbagai kajian teoritis dan gejala empiris dengan berbagai pendekatan dan metode ilmiah. Itulah sebabnya terdapat beberapa model atom yang telah dikembangkan dan dipublikasikan menurut temuan-temuan yang secara sinergetis saling mendukung atau bahkan menolak usulan model atom sebelumnya. Sampai saat ini, teori atom yang paling muktahir adalah berdasarkan teori mekanika kuantum atau mekanika gelombang dengan berbagai asumsi dan teorema.
Referensi

Arthur Beiser (terjemahan The Houw Liong). 1999. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Pn. Erlangga.

Hans J. Wospakrik. 2005. Dari Atomos Hingga Quark. Jakarta: Pn. Universitas Atmajaya.

Kenneth Krane (terjemaham H.J.Wospakrik). 2008. Fisika Modern. Jakarta: Pn. Universitas Indonesia.

Ralph H. Petrucci (terjemahan Suminar Achmadi). 1987. Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern. Jilid 1 edisi keempat. Jakarta: Pn. Erlangga.
PERKEMBANGAN TEORI ATOM
















PERKEMBANGAN TEORI ATOM
Oleh: Herdiyanto Mahmud Bokings

PENDAHULUAN
Upaya menyingkap tabir zat telah dimulai kurang lebih 2500 tahun silam. Pemrakarsanya adalah para filsuf Yunani purba di Miletos, kota pelabuhan utama dan pusat perdagangan Ionia. Masalah utama yang menarik perhatian para filsuf Ionia adalah bagaimana memahami keberadaan alam dan perubahannya.
Para filsuf Yunani Ionia adalah pengembang cara berpikir logis, cara berpikir yang berusaha menyederhanakan masalah rumit ke unsur dasarnya guna menarik kesimpulan yang terkandung di balik masalah tersebut dengan menggunakan akal atau rasio. Inilah yang melahirkan pendapat yang dewasa ini lazim disebut teori ilmiah.
Salah satu konsep ilmiah tertua adalah bahwa semua materi dapat dipecah menjadi partikel terkecil, dimana partikel-partikel ini tidak bisa dibagi lebih lanjut.

ISI

KONSEP ATOM DEMOCRITUS

Konsep dasar tentang atom sebenarnya sudah lama dikenal orang. Konsep tersebut antara lain berasal dari pemikiran orang Yunani kuno yang dipelopori oleh Democritus yang hidup pada akhir abad ke-4 dan awal abad ke-5 Sebelum Masehi. Menurut teori yang dikemukakannya, suatu benda dapat dibagi menjadi bagian-bagian yang sangat kecil yang akhirnya tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani yaitu ”atomos” yang berarti ”tidak dapat dibagi”. Disebutkan bahwa alasan ini berasal dari observasi di mana butiran pasir dapat bersama-sama membentuk sebuah pantai.
Dalam analoginya, pasir adalah atom, dan pantai adalah senyawa. Analogi ini kemudian dapat dihubungkan dengan pengertian Democritus terhadap atom yang tidak bisa dibagi lagi: walaupun sebuah pantai dapat dibagi ke dalam butiran-butiran pasirnya, butiran pasir ini tidak dapat dibagi. Democritus juga beralasan bahwa atom sepenuhnya padat, dan tidak memiliki struktur internal. Dia juga berpikir harus ada ruang kosong antar atom untuk memberikan ruang untuk pergerakannya (seperti pergerakan dalam air dan udara, atau fleksibilitas benda padat).
Sebagai tambahan, Democritus juga menjelaskan bahwa untuk menjelaskan perbedaan sifat dari material yang berbeda, atom dibedakan ke dalam bentuk,massa dan ukurannya. Dengan model atomnya, Democritus mampu menjelaskan bahwa semua yang kita lihat terdiri dari bagian/blok bangunan yang lebih kecil disebut atom.

TEORI ATOM DALTON

Satu nama yang patut dikemukakan sebagai pencetus teori atom modern yang asli adalah guru dan ahli kimia Inggris John Dalton (1776-1844). Sumbangan Dalton merupakan keunikan dari teorinya yang meliputi dua hal. Pertama, Dalton adalah orang pertama yang melibatkan kejadian kimiawi seperti halnya kejadian fisis dalammerumuskan gagasannya tentang atom. Kedua, Dalton juga mendasarkan asumsinya pada data kuantitatif, tidak menggunakan data kualitatif.
Dasar teori atom Dalton ditunjang oleh tiga hukum alam. Pertama, hukum kekekalan massa. Dalam serangkaian percobaan pembakaran dan proses-proses yang berhubungan dengannya, Antoine Lavoisier (1743-1794) menyatakan bahwa dalam semua proses pembakaran bahan dengan oksigen dari udara, maka bahan tersebut akan mengalami perubahan. Dengan melakukan berbagai percobaan yang lebih seksama dan tingkat pengukuran yang lebih teliti, Lavoisier mendapat berat total zat sebelum reaksi sama dengan sesudah reaksi. Inilah yang dikenal sebagai hukum kekekalan massa, sebagaimana dibayangkan oleh Anaksagoras.
Kedua adalah hukum susunan tetap (atau juga dikenal dengan hukum perbandingan tetap). Kimiawan Perancis , Joseph LouisProust (1754-1826) melakukan berbagai percobaan dan pengukuran yang teliti terhadap komposisi sejumlah mineral dan senyawa logam yang dihasilkan melalui reaksi kimia. Hasilnya, komposisi ini selalu tertentu dan beberapa logam ternyata dapat membentuk lebih dari satu oksida dan sulfida. Hasil temuan ini menuntun Proust ke rumusan hukum perbandingan tetap berikut: “Dalam semua senyawa kimia, unsur-unsur penyusunnya selalu muncul dalam perbandingan berat yang tetap, tak bergantung pada bagaimana reaksinya dilakukan”.
Ketiga, setelah mempelajari data-data temuan para kimiawan lain dan yang ia lakukan sendiri, Dalton mendapati bahwa dua unsur berbeda ternyata dapat membentuk pula lebih daripada satu senyawa yang berbeda. Dengan melakukan analisis perhitungan yang lebih seksama, pada 1803 Dalton menyimpulkan hukum yang dikenal sebagai hukum perbandingan berganda: “Apabila sebuah unsur dengan berat yang sama bergabung dengan unsur lain yang beratnya berbeda, maka perbandingan berat unsur yang berbeda ini merupakan bilangan bulat”.
Mengapa setiap reaksi kimia harus tunduk pada ketiga hukum di atas? Jawabannya ternyata ada di tangan Dalton, dan ini ia sumbangkan lewat adikaryanya, Teori Atom Dalton. Teori ini dicetuskan pada tahun 1804. Uraian terinci kemudian ia tuangkan dalam bukunya, A New System of Chemical Philosophy, yang diterbitkan pada tahun 1808, empat tahun setelah selesai ditulis. Gagasan pokoknya:
Unsur tidaklah sinambung, melainkan tersusun atas sejumlah zat utuh terkecil yang tak terbelahkan, yakni atom-atom (sebagaimana dibayangkan Leukipos dan Democritus).
Atom-atom unsur sejenis adalah sama, terutama beratnya, sedangkan yang tak sejenis berbeda beratnya.
Reaksi kimia tidak dapat mencipta atau memusnahkan atom
Atom unsur-unsur yang berbeda dapat bergabung membentuk senyawa.

Penggabungan atom dua unsur A dan B, mengikuti aturan sederhana bertahap.
Beberapa gagasan Dalton ini ternyata perlu diubah kemudian, tetapi bermanfaat karena mampu menjelaskan ketiga hukum di atas.


Gambar 3. Teori Atom Dalton
Pertama, hukum kekekalan massa Lavoisier terjelaskan karena atom-atom tak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Reaksi kimia hanya mengubah susunan gabungan atom-atom semata. Dengan demikian, jumlah total atom tetap, berat totalnya juga tetap.
Kedua, penjelasan bagi hukum perbandingan tetap Proust adalah apabila suatu senyawa kimia dibentuk dari dua unsur yang berbeda, maka jumlah atom masing-masing unsur dalam senyawa atomnya tertentu. Karena itu, perbandingan berat unsur-unsur penyusun senyawa itu juga tertentu.
Ketiga, teori atom menjelaskan pula hukum perbandingan berganda Dalton. Karena penggabungan atom dua unsur yang berbeda dapat membentuk lebih daripada satu “atom senyawa” yang tak sama, dan masing-masing mengandung jumlah atom yang tertentu, maka dengan aturan “penggabungan sederhana bertahap” terjelaskan bahwa satu atom timah misalnya, bergabung dengan satu atom oksigen untuk membentuk senyawa pertama, dan dengan dua atom oksigen untuk senyawa kedua.
Walaupun teori Dalton cukup untuk menjelaskan keberadaan atom, namun struktur atom masih belum dijelaskan dan alasan mengapa elemen yang berbeda memiliki sifat dan ciri yang berbeda masih belum terjawab.


MODEL ATOM THOMSON

Pada awal 1900an, J.J. Thomson mengusulkan model atom baru yang mengikutkan keberadaan partikel elektron dan proton. Karena eksperimen menunjukkan proton memiliki massa yang jauh lebih besar dibandingkan elektron, maka model Thomson menggambarkan atom sebagai proton tunggal yang besar.
Di dalam partikel proton, Thomson memasukkan elektron yang menetralkan adanya muatan positif dari proton. Menurut Thomson, atom terdiri dari suatu bulatan bermuatan positif dengan rapat muatan yang merata. Di dalam muatan positif ini tersebar elektron dengan muatan negatif yang besarnya sama dengan muatan positif.
Cara yang populer untuk menggambarkan model ini adalah dengan menganggap elektron sebagai kismis (plumb) di dalam kue puding proton, sehingga model ini diberi nama model kue kismis (plumb-pudding model).


Gambar 5. Model AtomThomson
Walaupun model atom Thomson adalah yang pertama yang memasukkan konsep adanya proton dan elektron yang bermuatan, model Thomson tidak mampu melewati pengamatan pada eksperimen-eksperimen berikutnya.
Sebagai catatan, proton yang digunakan dalam model Thomson ini bukanlah partikel proton yang ditemukan di model yang lebih modern. Bahkan sesungguhnya dapat dikatakan model Thomson tidak memiliki proton, namun sebuah sel bermuatan positif.
Pengaruh model atom Dalton dapat dilihat dengan jelas pada model Thomson. Dalton berspekulasi bahwa atom adalah benda padat, dan Thomson mendukung gagasan ini dalam modelnya dengan mengelompokkan elektron dan proton bersama-sama. Namun ia maju selangkah mencirikan struktur kelistrikannya. Menurut Thomson:
Atom merupakan sebuah bola bermuatan (listrik) positif yang di dalamnya tertanam elektron-elektron bermuatan negatif.
Jumlah elektron selalu sama dengan muatan positif atom, sehingga atom secara keseluruhan adalah netral.
Bila atom kehilangan satu atau lebih elektron, atom menjadi bermuatan positif yang disebut ion positif.
Dengan model atom ini, Thomson mengukuhkan kembali teori Lorentz bahwa pemancaran cahaya oleh atom diakibatkan getaran elektron-elektron di sekitar kedudukan setimbangnya. Perhitungan Thomson memperlihatkan agar getarannya dapat menghasilkan cahaya tampak, bola atom harus berjari-jari sekitar satu per seratus juta centimeter. Angka ini hampir sama dengan yang diperoleh dengan menggunakan metode lain. Namun sayang, model ini masih mengandung kelemahan, yaitu pada ketakberhasilannya menerangkan keteraturan pola spektrum garis cahaya unsur bersangkutan.



MODEL ATOM RUTHERFORD
Pada tahun 1910, Ernest Rutherford melakukan percobaan pada kebenaran model ini dengan melakukan yang sekarang dikenal sebagai eksperimen hamburan Rutherford (Rutherford scattering experiment). Rutherford menemukan partikel-α, sebuah partikel yang dipancarkan oleh atom radioaktif, pada tahun 1909. Partikel ini memiliki muatan positif, dan faktanya adalah kita sekarang tahu bahwa partikel-α seperti atom helium dilepaskan dari elektronnya, memberikannya muatan 2+. Dalam eksperimen hamburan ini, aliran partikel-α ini diarahkan ke lembaran emas. Lembaran emas ini dipilih oleh Rutherford karena dapat dibuat sangat tipis--hanya setebal beberapa atom emas. Saat partikel-α melintasi lembaran emas, Rutherford dapat mengukur berapa banyak partikel-α yang akan dihamburkan oleh atom emas dengan mengamati kilatan cahaya partikel-α menabrak layar scintilator


Gambar 7. Percobaan Rutherford
Di bawah teori atom Thomson, Rutherfod berhipotesa partikel-α akan dibelokkan sedikit, saat proton emas menolak partikel-α yang bermuatan positif tinggi. Namun pada kenyataannya, eksperimen hamburan Rutherford menunjukkan hasil yang jelas-jelas menolak hipotesis tersebut dan tentunya model atom Thomson. Rutherfod menemukan sebagian besar partikel alfa mampu menembus lembaran emas tanpa dibelokkan. Bersamaan dengan itu, Rutherford juga menemukan partikel alfa yang dibelokkan sedikit, namun dengan sangat mengejutkan, Rutherford juga menemukan beberapa partikel alfa yang dibelokkan pada sudut yang sangat tajam kembali ke sumber radioaktif.
Untuk menjelaskan adanya sebagian besar partikel-α yang menembus lembaran emas tanpa dibelokkan, Rutherford kemudian mengembangkan model inti atom. Dalam model ini, Rutherford menempatkan sebuah proton yang besar (seperti eksperimen dan model sebelumnya) di pusat atom. Rutherford berteori bahwa di sekitar proton terdapat ruang besar yang kosong dari segala partikel kecuali elektron yang jarang-jarang.
Ruang terbuka yang besar ini memberikan alasan adanya partikel alfa yang tidak terbelokkan. Partikel alfa yang dibelokkan sedikit diperkirakan telah lewat cukup dekat dari proton sehingga dibelokkan oleh gaya elektrostatik. Sedangkan beberapa partikel alfa yang dibelokkan kembali ke sumber diperkirakan telah mengalami tumbukan dengan inti sehingga dipantulkan kembali oleh gaya elektrostatik.
Percobaan oleh Ernest Rutherford telah dapat menunjukkan bahwa atom terdiri dari sebentuk awan difus elektron bermuatan negatif mengelilingi inti yang kecil, padat, dan bermuatan positif. Berdasarkan data percobaan ini, sangat wajar jika fisikawan kemudian membayangkan sebuah model sistem keplanetan yang diterapkan pada atom, model Rutherford tahun 1911, dengan elektron-elektron mengorbit inti seperti layaknya planet mengorbit matahari. Namun demikian, model sistem keplanetan untuk atom menemui beberapa kesulitan. Sebagai contoh, hukum mekanika klasik (Newtonian) memprediksi bahwa elektron akan melepas radiasi elektromagnetik ketika sedang mengorbit inti. Karena dalam pelepasan tersebut elektron kehilangan energi, maka lama-kelamaan akan jatuh secara spiral menuju ke inti. Ketika ini terjadi, frekuensi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan akan berubah. Namun percobaan pada akhir abad 19 menunjukkan bahwa loncatan bunga api listrik yang dilalukan dalam suatu gas bertekanan rendah di dalam sebuah tabung hampa akan membuat atom-atom gas memancarkan cahaya (yang berarti radiasi elektromagnetik) dalam frekuensi-frekuensi tetap yang diskret.

Gambar 8. Model Atom Rutherford
Meskipun demikian, ada satu hal yang menarik pada model atom Rutherford: spektrum gelombang elektromagnetik yang dipancarkan elektron berdasarkan perhitungan berada dalam rentang cahaya tampak. Untuk tiap jari-jari orbit tertentu, panjang gelombang cahaya bersangkutan juga tertentu. Namun, karena jari-jari elektron terus berkurang secara kontinu, maka panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya semakin panjang (memerah) dengan peralihan warna secara kontinu. Jadi, spekturm cahaya yang dipancarkannyaberupa susunan pita warna kontinu. Ini jelas bertentangan dengan hasil pengamatan bahwa spektrum atom adalah tak kontinu, berupa garis-garis berwarna yang saling terpisah.
Sukses model atom Rutherford dalam menerangkan gejala hamburan partikel alfa menunukkan bahwa model “tata surya” mini ini tidaklah terlalu keliru. Paling tidak, ia telah mendekati model struktur atom yang memadai.

TEORI ATOM BOHR

Masalah kestabilan model atom Rutherford akhirnya teratasi dengan sumbangan fisikawan teori Denmark, Niels Henrik Bohr pada tahun 1913. Menarik untuk dikemukakan bahwa pada tahun 1911, begitu ia menyelesaikan doktornya di Kopenhagen, ia melanjutkan riset pascadoktornya di Laboratorium Cavendish di bawah arahan Sir J.J. Thomson. Tahun berikutnya, 1912, ia



melanjutkan program riset di Universitas Manchester di bawah arahan Rutherford. Keterlibatannya dengan kedua fisikawan kenamaan penggagas model atom ini memberinya andil besar untuk merumuskan model atomnya.
Gagasan yang dikemukakan Bohr luarbiasa radikal, karena sangat bertentangan dengan teori elektromagnetik Maxwell-Lorentz yang telah dipandang mapan ketika itu. Bohr dalam hal ini menggunakan konsep teori kuantum yang dikemukakan oleh Planck dan Einstein. Menurut Bohr:
Terdapat orbit-orbit stabil tertentu pada elektron. Di sana elektron sama sekali tidak memancarkan radiasi elektromagnetik. Pada setiap orbit stabil tersebut, momentum sudut orbital elektron terkuantisasi menjadi kelipatan bilangan bulat dari tetapan Planck h dibagi dengan keliling lingkaran berjari-jari atuan, 2π, yakni:

mvr = n h/2π , n = 1, 2, 3, ....

Bila elektron berpindah (bertransisi) dari satu orbit stabil dengan energi E1 ke orbit stabil lain dengan energi E2 yang berjari-jari lebih kecil, maka elektron tersebut akan memancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi f berbanding lurus dengan selisih energi kedua orbit bersangkutan:

f = (E_1- E_2)/h

Terdapatnya orbit-orbit stabil elektron yang taksinambung dalam setiap atom berakibat bahwa perpindahan elektron-elektron dari orbit-orbit luar ke dalam akan menghasilkan pancaran cahaya dalam pola deretan garis spektrum dengan frekuensi (panjang gelombang) tertentu.


Gambar 10. Model Atom Bohr
Model ini adalah pengembangan dari model puding prem (1904), model Saturnian (1904), dan model Rutherford (1911). Karena model Bohr adalah pengembangan dari model Rutherford, banyak sumber mengkombinasikan kedua nama dalam penyebutannya menjadi model Rutherford-Bohr.
Kunci sukses model ini adalah dalam menjelaskan formula Rydberg mengenai garis-garis emisi spektral atom hidrogen, walaupun formula Rydberg sudah dikenal secara eksperimental, tetapi tidak pernah mendapatkan landasan teoritis sebelum model Bohr diperkenalkan. Tidak hanya karena model Bohr menjelaskan alasan untuk struktur formula Rydberg, ia juga memberikan justifikasi hasil empirisnya dalam hal suku-suku konstanta fisika fundamental.
Model Bohr adalah sebuah model primitif mengenai atom hidrogen. Sebagai sebuah teori, model Bohr dapat dianggap sebagai sebuah pendekatan orde pertama dari atom hidrogen menggunakan mekanika kuantum yang lebih umum dan akurat, dan dengan demikian dapat dianggap sebagai model yang telah usang. Namun demikian, karena kesederhanaannya, dan hasil yang tepat untuk sebuah sistem tertentu, model Bohr tetap diajarkan sebagai pengenalan pada mekanika kuantum.
Dengan teori kuantum, Bohr juga menemukan rumus matematika yang dapat dipergunakan untuk menghitung panjang gelombang dari semua garis yang muncul dalam spektrum atom hidrogen. Nilai hasil perhitungan ternyata sangat cocok dengan yang diperoleh dari percobaan langsung. Namun untuk unsur yang lebih rumit dari hidrogen, teori Bohr ini ternyata tidak cocok dalam meramalkan panjang gelombang garis spektrum. Meskipun demikian, teori ini diakui sebagai langkah maju dalam menjelaskan fenomena-fenomena fisika yang terjadi dalam tingkatan atomik. Teori kuantum dari Planck diakui kebenarannya karena dapat dipakai untuk menjelaskan berbagai fenomena fisika yang saat itu tidak bisa diterangkan dengan teori klasik.

MODEL ATOM MODERN


Gambar 11. E. Schrodinger, W. Heisenberg, dan W. Pauli, Perintis Mekanika Kuantum
Penjelasan tentang struktur atom yang lebih lengkap diperlukan untuk mengetahui struktur yang lebih detil tentang elektron di dalam atom. Model atom yang lengkap harus dapat menerangkan misteri efek Zeeman dan sesuai untuk atom berelektron banyak. Dua gejala ini tidak dapat diterangkan oleh model atom Bohr.
Spektrum garis atomik teramati saat arus listrik dialirkan melalui gas di dalam sebuah tabung lucutan gas. Garis-garis tambahan dalam spektrum emisi teramati jika atom-atom tereksitasi diletakkan di dalam medan magnet luar. Satu garis di dalam spektrum garis emisi terlihat sebagai tiga garis (dengan dua garis tambahan) di dalam spektrum apabila atom diletakkan di dalam medan magnet. Terpecahnya satu garis menjadi beberapa garis di dalam medan magnet dikenal sebagai efek Zeeman.


Gambar 12. Pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet
Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan menggunakan model atom Bohr. Dengan demikian, diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum yang dapat menjelaskan efek Zeeman dan spektrum atom berelektron banyak.
Dalam skala atomik, elektron dapat kita tinjau sebagai gejala gelombang yang tidak memiliki posisi tertentu di dalam ruang. Posisi sebuah elektron diwakili oleh kebolehjadian atau peluang terbesar ditemukannya elektron di dalam ruang itu. Di sini gerak elektron digambarkan sebagai sebuah gejala gelombang. Persamaan dinamika Newton yang sedianya digunakan untuk menjelaskan gerak elektron digantikan oleh persamaan Schrodinger yang menyatakan fungsi gelombang untuk elektron. Model atom yang didasarkan pada prinsip ini disebut model atom mekanika kuantum.


Gambar 13. Posisi dan keberadaan elektron di dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom.

Persamaan Schrodinger untuk elektron di dalam atom dapat memberikan solusi yang dapat diterima apabila ditetapkan bilangan bulat untuk tiga parameter yang berbeda yang menghasilkan tiga bilangan kuantum. Ketiga bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utama, orbital, dan magnetik. Jadi, gambaran elektron di dalam atom diwakili oleh seperangkat bilangan kuantum ini.
Bilangan Kuantum Utama
Dalam model atom Bohr, elektron dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu. Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n. untuk atom hidrogen, sebagaimana dalam model atom Bohr, elektron pada kulit ke-n memiliki energi sebesar

Bilangan Kuantum Orbital
Elektron yang bergerak mengelilingi inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron berada di dalam medan magnet.

Gambar 14. Terpecahnya garis spektum atomik di dalam medan magnet.
Tiap orientasi momentum sudut elektron memiliki tingkat energi yang berbeda. Meskipun kecil perbedaan tingkat energi akan teramati apabila atom berada di dalam medan magnet. Momentum sudut elektron dapat dinyatakan sebagai

Bilangan l disebut bilangan kuantum orbital. Jadi, bilangan kuantum orbital l menentukan besar momentum sudut elektron. Nilai bilangan kuantum orbital l adalah
l = 0, 1, 2, 3, … (n – 1)
misalnya, untuk n = 2, nilai l yang diperbolehkan adalah l = 0 dan l = 1.
Bilangan Kuantum Magnetik
Momentum sudut elektron L merupakan sebuah vektor. Jika vektor momentum sudut L diproyeksikan ke arah sumbu yang tegak atau sumbu-z secara tiga dimensi akan didapatkan besar komponen momentum sudut arah sumbu-z dinyatakan sebagai Lz. bilangan bulat yang berkaitan dengan besar Lz adalah m. bilangan ini disebut bilangan kuantum magnetik. Karena besar Lz bergantung pada besar momentum sudut elektron L, maka nilai m juga berkaitan dengan nilai l.
m = −l, … , 0, … , +l
misalnya, untuk nilai l = 1, nilai m yang diperbolehkan adalah −1, 0, +1.
Marilah kita sekarang kita lihat bagaimana tiap tingkta energi diberi nama dengan ketiga bilangan kuantum (n, l, m) ini. Keadaan dasar diperkenankan memiliki n = 1, karena itu l = 0. Di sini hanya satu nilai m yang diperkenankan, m = 0. Jadi, keadaan dasar memiliki bilangan kuantum (1, 0, 0). Keadaan eksitasi pertama memiliki n = 2, sehingga nilai l yang diperkenankan l = 0 atau l = 1. Untuk l = 0, hanyalah m = 0 yang diperkenankan. Untuk l =1, nilai m adalah -1, 0, atau +1. Dengan demikian himpunan bilangan kuantum yang mungkin bagi tingkat ini adalah (2, 0, 0), (2, 1, 1), (2, 1, 0), dan (2, 1, -1). Semua keadaan ini memiliki n = 2, dan karena itu semua memiliki energi yang sama, karena energi hanya bergantung pada n. Semua keadaan ini dikatakan terdegenerasi. Jadi, tingkat n = 2 terdegenerasi rangkap-empat. Jika kita daftarkan semua gabungan bilangan kuantum yang mungkin bagi tingkat n = 3, akan kita dapati sembilan kemungkinan gabungan. Karena itu, tingkat n = 3 terdegenerasi rangkap-sembilan. Pada umumnya, tingkat ke-n terdegenerasi rangkap n2.


Gambar 15. Tingkat n = 3 terdegenerasi rangkap-sembilan.
Hampir pada saat bersamaan ketika gambaran mengenai kulit elektron pada atom hidrogen menjadi jelas rumusannya, para fisikawan terganggu oleh pengamatan spektrum atom hidrogen dan atom alkali yang lebih teliti, yang menunjukkan bahwa setiap sub-sub kulit (m) ternyata tidak tunggal tetapi ganda.
Penjelasannya ditemukan oleh dua fisikawan muda Belanda, George E. Uhlenbeck (1900-1988) dan Samuel Goudsmit (1902-1978), pada tahun 1925. Keduanya mengemukakan elektron sebagai partikel ibarat gasing yang berputar terhadap sumbu yang melewati pusatnya. Gerak rotasi ini dinyatakan dengan besaran terukur momentum sudut, yang diberi nama spin.
Bilangan Kuantum Spin
Bilangan kuantum spin diperlukan untuk menjelaskan efek Zeeman anomali. Anomali ini berupa terpecahnya garis spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan. Jika efek Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron. Momentum sudut spin juga mempunyai dua orientasi yang berbeda, yaitu spin atas dan spin bawah. Tiap orientasi spin elektron memiliki energi yang berbeda tipis sehingga terlihat sebagai garis spektrum yang terpisah.
Spin elektron diwakili oleh bilangan kuantum tersendiri yang disebut bilangan kuantum magnetik spin (atau biasa disebut spin saja). Nilai bilangan kuantum spin hanya boleh satu dari dua nilai +½ atau −½. jika ms adalah bilangan kuantum spin, komponen momentum sudut arah sumbu-z dituliskan sebagai
Sz = msћ
dimana

Spin ke atas (rotasi searah putaran jarum jam) dinyatakan dengan

Spin ke bawah (rotasi berlawanan arah putaran jarum jam) dinyatakan dengan





Gambar 16. Garis spektrum atom yang terpisah di dalam medan magnet berasal dari spin elektron.
Model atom mekanika kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan struktur atom untuk atom berelektron banyak. Posisi atau keadaan elektron di dalam atom dapat dinyatakan menggunakan seperangkat (empat) bilangan kuantum. Misalnya, elektron dengan bilangan kuantum n = 2, l = 1, m = −1 dan ms = −½ menyatakan sebuah elektron pada kulit L, subkulit p, orbital −1 dengan arah spin ke bawah.
Memasuki era pasca Perang Dunia II, upaya para fisikawan, khususnya dalam bidang kajian energi tinggi, lebih diarahkan pada perburuan aneka “zat tak-terbelahkan paling sederhana” selain elektron, proton, dan neutron, yang semuanya dikelaskan sebagai partikel elementer. Para fisikawan teori dan eksperimen, ternyata berhasil menyingkap tabir rahasia alam tentang kehadiran sejumlah partikel elementer lain yang terus bertambah jumlahnya.
Pencirian bilangan-bilangan kuantum jatidiri partikel elementer beserta hukum kekekalan yang berkaitan dengannya pada awal dasawarsa 1960-an dan keberhasilan menata rapi ulang “taman partikel elementer” mengundang perenungan lebih lanjut. Apakah terdapat semacam “Daftar Susunan Berkala Partikel Elementer”? jawabannya adalah “ya”. Jawaban ini menyarankan partikel hadron khususnya adalah semacam “atom partikel elementer” yang dibangun oleh sejumlah kecil partikel elementer mendasar quark, yang barangkali adalah “atom” sebenarnya.
Semua pencapaian ini semakin mencerahkan pemahaman para fisikawan tentang alam partikel elementer dan interaksi alam mendasar dalam upaya mereka menemukan jawaban tentang hakikat zat yang diprakarsai oleh para filsuf Yunani purba purba sekitar 2500 tahun silam.
Kesimpulan yang dicapai dari upaya pemahaman hakikat zat hingga tahap ini adalah sebagai berikut. Bila zat diibaratkan sebagai sebuah “bangunan”, maka quark dan lepton adalah “batu-bata”-nya dengan skema struktur seperti yang tampak pada Gambar 15.


Gambar 17. Quark dan Lepton, Partikel elementer sebenarnya?
PENUTUP
Pengetahuan para ilmuwan tentang atom bukan berdasarkan pengamatan langsung terhadap atom per atom, sebab atom terlalu kecil untuk dapat diamati dan diukur sacara langsung. Diameter atom dinyakini berkisar antara 30 pm sampai 150 pm (1 pm = 10-12 m). Dengan alat pembesar apapun kita belum dapat melihat atom, tetapi gejala yang ditimbulkan oleh atom itu dapat diukur seperti jejak atom, nyala, difraksi, dan lain-lain.
Teori-teori atom yang ada sekarang hanya merupakan model yang dibangun oleh para ilmuwan sebagai kesimpulan dari hasil berbagai kajian teoritis dan gejala empiris dengan berbagai pendekatan dan metode ilmiah. Itulah sebabnya terdapat beberapa model atom yang telah dikembangkan dan dipublikasikan menurut temuan-temuan yang secara sinergetis saling mendukung atau bahkan menolak usulan model atom sebelumnya. Sampai saat ini, teori atom yang paling muktahir adalah berdasarkan teori mekanika kuantum atau mekanika gelombang dengan berbagai asumsi dan teorema.
Referensi

Arthur Beiser (terjemahan The Houw Liong). 1999. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Pn. Erlangga.

Hans J. Wospakrik. 2005. Dari Atomos Hingga Quark. Jakarta: Pn. Universitas Atmajaya.

Kenneth Krane (terjemaham H.J.Wospakrik). 2008. Fisika Modern. Jakarta: Pn. Universitas Indonesia.

Ralph H. Petrucci (terjemahan Suminar Achmadi). 1987. Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern. Jilid 1 edisi keempat. Jakarta: Pn. Erlangga.
PERKEMBANGAN TEORI ATOM