Sejarah Penemuan Atom

1.  Model Atom Democritus (460 SM–370 SM)

Sejarah penemuan atom bermula sejak zaman dahulu kala. Pada tahun 400 SM seorang filsuf Yunani bernama Democritus, mengemukakan bahwa materi tersusun atas partikel - partikel kecil yang tidak dapat dibelah kembali. Beliau memberi istilah "ATOMOS" Ilmu kimia semakin pesat, pemahaman atom pun meningkat. Democritus mengembangkan teori tentang penyusun suatu materi. Menurut Democritus jika suatu materi dibelah terus-menerus suatu ketika akan diperoleh suatu partikel fundamental yang disebut sebagai atom (Yunani: atomos = tidak terbagi). 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. Pendapat ini ditolak oleh Aristoteles (384–322 SM), yang berpendapat bahwa materi bersifat kontinu (materi dapat dibelah terus-menerus sampai tidak berhingga). Aristoteles lebih menyetujui teori Empedokles, yaitu materi tersusun atas api, air tanah dan udara. Sekitar tahun 1592 - 1655  Gasendi mengemukakan bahwa atom merupakan bagian terkecil suatu zat.

Pada tahun 1661, Robert Boyle mempublikasikan bukunya "The Sceptical Chymist" yang berargumen bahwa materi-materi di dunia ini terdiri dari berbagai kombinasi "corpuscules",  yaitu atom-atom yang berbeda. Berseberangan dengan berbagai pendapat klasik bahwa materi terdiri dari unsur - unsur tanah, api, air, dan udara.

Pada tahun 1789, istilah element (unsur) didefinisikan oleh seorang bangsawan dan peneliti Perancis, Antoine Lavoisier, sebagai bahan dasar yang tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi dengan menggunakan metode-metode kimia. Selain itu, Antoine juga dikenal sebagai penemu oksigen.

2. Model Atom John Dalton pada tahun 1808 

Dalton lahir di Eaglefield, Inggris, pada tanggal 6 September 1766. Orang tuanya menganut agama Quaker, hidup miskin, dan hanya mampu memberi pendidikan lebih sedikit di atas pendidikan dasar. Sebagian besar ilmu pengetahuan yang menyinari otak Dalton adalah hasil dari renungan serta penelaahannya sendiri. Sebagai anak yang cerdas dan rajin belajar sendiri, Pada usia 12 tahun Dalton mulai mengajar. .

Pada tahun 1808, John Dalton mencoba untuk membuktikan keberadaan atom. Ia membuat hipotesa tentang atom berdasarkan hukum kekekalan massa dan hukum perbandingan tetap. Karena itu, ia melakukan berbagai eksperimen yang akhirnya menunjukkan adanya unsur yang terdiri dari partikel yang paling kecil bernama atom meski ia tidak mengetahui strukturnya pada waktu itu. Ia beranggapan bahwa atom berbentuk seperti pejal. Dalam buku karangannya yang berjudul New System of Chemical Philosophy ia berhasil merumuskan hal tentang atom sekitar tahun 1803. Ia menyatakan bahwa materi terdiri atas atom yang tidak dapat dibagi lagi. Tiap-tiap unsur terdiri atas atom-atom dengan sifat dan massa identik, dan senyawa terbentuk jika atom dari berbagai unsur bergabung dalam komposisi yang tetap. Dalam teorinya, ia menyatakan bahwa;

a) setiap unsur terdiri dari partikel terkecil yang bernama atom,

b) setiap atom dari unsur yang sama memiliki sifat yang sama,

c) jika unsur berbeda, sifat juga berbeda

d) atom tidak dapat diubah dan dimusnahkan,

e) atom yang bergabung membentuk molekul,

f) dan dalam senyawa, perbandingan massa masing-masing unsur adalah tetap

v  Kelebihan teori atom Dalton

a. Dapat menerangkan Hukum Kekekalan Massa (Hukum Lavoisier)

b. Dapat menerangkan Hukum Perbandingan Tetap (Hukum Proust)

v  Kelemahan teori atom Dalton

Pada perkembangan selanjutnya ditemukan berbagai fakta yang tidak dapat dijelaskan oleh teori tersebut, antara lain :

a. Tidak dapat menjelaskan sifat listrik materi.

b. Tidak dapat menjelaskan cara atom-atom saling berikatan.

c. Model atom  Dalton tidak dapat menjelaskan perbedaan antara atom unsur yang satu dengan unsur yang lain.

3. Model Atom J.J Thomson

Thomson dikenal sebagai salah seorang ahli fisika yang terkenal di Inggris. J.J Thomson lahir di pinggiran Kota Manchester yakni Creetham Hill pada tanggal 18 Desember tahun 1856. Ia berhasil memperoleh gelar professor di tahun 1918. Di Cambridge, Thomson juga dikenal sebagai professor yang aktif di laboratorium Cavendish. Keberadaanya saat itu menggantikan John Strutt. Berkat prestasinya  yang luar biasa, J.J Thomson kemudian dikenang sebagai professor terhormat di Royal Institution di London dan juga dikenal dunia sebagai tokoh penemu elektron.

Berdasarkan percobaan tentang hantaran listrik melalui tabung hampa/tabung pengawan muatan (discharge tube) atau tabung sinar katode. Dalam tabung katode tekanan gas dalam tabung dapat diatur melalui pompa isap (pompa vakum). Pada tekanan cukup rendah  dan tegangan yang cukup tinggi (beberapa ribu volt), gas dalam tabung akan berpijar dengan cahaya yang warnanya tergantung pada jenis gas dalam tabung (gas neon berwarna merah, gas natrium berwarna kuning). Jika tekanan gas dikurangi, maka daerah didepan katode akan menjadi gelap. Daerah gelap ini akan bertambah jika tekanan gas dalam tabung terus dikurangi, akhirnya seluruh tabung menjadi gelap, tetapi bagian tabung didepan katode berpendar dengan warna kehijauan.

Melalui percobaan dapat ditunjukkan bahwa  perpendaran tersebut disebabkan oleh suatu radiasi yang memancar dari permukaan katode menuju anode. Oleh karena berasal dari katode, maka radiasi ini disebut sinar katode. Hasil percobaan tabung katoda ini membuktikan bahwa ada partikel bermuatan negatif dalam suatu atom karena sinar tersebut dapat dibelokkan ke arah kutub positif medan listrik. selanjutnya sinar katode ini merupakan partikel yang bermuatan negatif dan oleh Thomson partikel ini dinamakan elektron. Karena J. J. Thomson menemukan elektron dan sifat-sifat subatomiknya, hal ini meruntuhkan konsep atom sebagai satuan yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Thomson percaya bahwa elektron-elektron terdistribusi secara merata di seluruh atom, dan muatan-muatannya diseimbangkan oleh keberadaan lautan muatan positif (model puding prem).

Kesimpulan:

J. J. Thomson pada tahun 1904, dapat membuktikan bahwa ada partikel bermuatan negatif dalam atom yang dinamai elektron. Ia juga beranggapan jika ada muatan yang negatif, maka seharusnya ada juga muatan yang positif. Karena itu, ia menyatakan bahwa atom berbentuk seperti kue kismis atau plum pudding dalam bahasa Inggris, karena menurutnya bola pejal yang merupakan atom itu sendiri bermuatan positif dan ada elektron yang menyebar di sekitarnya sehingga atom tersebut menjadi netral. Tetapi ia tidak dapat menjelaskan susunan muatan negatif dan positif dari atom.

Kelebihan

1. Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.

2. Dapat menerangkan sifat listrik atom

Kelemahan

1. Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut,

2. Belum dapat menjelaskan reaksi kimia yang terjadi antar atom

4. Model Atom Ernest Rutherford

Ernest Rutherford lahir pada 30 Agustus 1871 di Nelson, Selandia Baru, Ernest menerima pendidikan awal di sekolah-sekolah pemerintah dan pada usia 16 masuk Nelson Collegiate School. Pada tahun 1889 ia mendapat beasiswa Universitas dan ia melanjutkan ke Universitas Selandia Baru, Wellington, di mana ia masuk Canterbury College. Ia lulus MA pada tahun 1893 dengan ganda pertama di Matematika dan Ilmu Fisik dan dia melanjutkan dengan penelitian di College untuk waktu yang singkat, menerima B.Sc. gelar tahun berikutnya. Pada tahun yang sama, 1894, ia dianugerahi Beasiswa. 1.851 Pameran Sains, memungkinkan dia pergi ke Trinity College, Cambridge, sebagai mahasiswa riset di Laboratorium Cavendish di bawah JJ Thomson. Pada tahun 1897 ia dianugerahi gelar BA Penelitian dan Kesiswaan Trotter Coutts-Trinity College. Kesempatan datang ketika Ketua Macdonald Fisika di McGill University, Montreal, menjadi kosong, dan pada 1898 ia berangkat ke Kanada untuk mengambil posting.
Rutherford kembali ke Inggris pada tahun 1907 menjadi Langworthy Profesor Fisika di Universitas Manchester, menggantikan Sir Arthur Schuster, dan pada 1919 ia menerima undangan Sir Joseph Thomson sebagai Profesor Fisika Cavendish di Cambridge. Dia juga menjadi Ketua Dewan Penasehat, HM Pemerintah, Departemen Penelitian Ilmiah dan Industri; Profesor Filsafat Alam, Royal Institution, London, dan Direktur Laboratorium Mond Royal Society, Cambridge.

Teori atom Rutherford didasarkan pada eksperimen penembakan inti atom lempeng emas dengan partikel alfa yang dikenal dengan percobaan Geiger-Marsden. Para peneliti di bawah arahan Ernest Rutherford menembakkan ion helium ke lembaran tipis emas, dan menemukan bahwa sebagian kecil ion tersebut dipantulkan dengan sudut pantulan yang lebih tajam dari apa yang diprediksikan oleh teori Thomson. Rutherford kemudian mengajukan pendapat bahwa muatan positif suatu atom dan kebanyakan massanya terkonsentrasi pada inti atom, dengan elektron yang mengitari inti atom seperti planet mengitari matahari. Muatan positif ion helium yang melewati inti padat ini haruslah dipantulkan dengan sudut pantulan yang lebih tajam. Pada tahun 1913, ketika bereksperimen dengan hasil proses peluruhan radioaktif, Frederick Soddy menemukan bahwa terdapat lebih dari satu jenis atom pada setiap posisi tabel periodik. Istilah isotop kemudian diciptakan oleh Margaret Todd sebagai nama yang tepat untuk atom-atom yang berbeda namun merupakan satu unsur yang sama. J.J. Thomson selanjutnya menemukan teknik untuk memisahkan jenis-jenis atom tersebut melalui hasil kerjanya pada gas yang terionisasi.

Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners Masreden) melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (α) terhadap lempeng tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Dari pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada penyimpangan sudut kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan Marsden diperoleh fakta bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan lebih.

Gambar 1. Eksperimen Rutherford-ernest

Dengan model seperti itu, maka penghamburan sinar alfa lempeng emas tipis dapat dijelaskan sbg berikut:

1. Sebagian besar partikel sinar alfa dapat tembus karena melalui daerah hampa

2. Partikel alfa yang mendekati inti atom dibelokkan karena mengalani gaya tolak inti

3. Partikel alfa yang menuju inti atom dipantulkan karena inti bermuatan positif dan sangat pejal.

Kelebihan

1. Membuat hipotesa bahwa atom tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilingi inti

2. Dapat menerangkan efek penghamburan sinar alfa pada lempeng tipis emas.

Kelemahan
Tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom.

5. Model Atom Bohr

Niels Bohr (lahir di Kopenhagen, Denmark, 7 Oktober 1885) dan merupakan anak dari Christian Bohr seorang professor Fisiologi di Universitas Kopenhagen. Niels Bohr adalah seorang ahli fisika dari Denmark dan pernah  meraih hadiah Nobel Fisika pada tahun 1922.

Pada tahun 1913, Bohr menerapkan konsep mekanika kuantum untuk model atom yang telah dikembangkan oleh Ernest Rutherford, yang menggambarkan bahwa atom tersusun dari inti atom (nukleus) yang dikelilingi oleh orbit elektron. Anak laki-lakinya, Aage Niels Bohr, juga penerima Hadiah Nobel. Niels Bohr meninggal di Kopenhagen, Denmark, 18 November 1962 pada umur 77 tahun.

Sebelumnya telah ditemukan bahwa terdapat lebih dari satu jenis atom pada setiap posisi tabel periodik. Istilah isotop kemudian diciptakan oleh Margaret Todd sebagai nama yang tepat untuk atom-atom yang berbeda namun merupakan satu unsur yang sama. Model atom hidrogen Bohr yang menunjukkan loncatan elektron antara orbit-orbit tetap dan memancarkan energi foton dengan frekuensi tertentu. Sementara itu, pada tahun 1913, fisikawan Niels Bohr mengkaji ulang model atom Rutherford dan mengajukan bahwa elektron-elektron terletak pada orbit-orbit yang terkuantisasi dan dapat meloncat dari satu orbit ke orbit lainnya, namun tidak dapat dengan bebas berputar spiral ke dalam maupun keluar dalam keadaan transisi. Elektron haruslah menyerap ataupun memancarkan sejumlah energi tertentu untuk melakukan transisi antara orbit-orbit yang tetap ini. Menurut model atom bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasan-lintasan tertentu yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Tingkat energi paling rendah adalah kulit elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar nomor kulitnya dan semakin tinggi tingkat energinya.

Gambar 2. Atom Bohr

Model atom Bohr telah memperkenalkan konsep bilangan kuantum n yang menyatakan orbit atau kulit atom, yakni n = 1, 2, 3 … yang disebut juga kulit K, L, M …. Susunan elektron dalam kulit-kulit atom disebut konfigurasi elektron aturan konfigurasi elektron untuk atom-atom Z ≤ adalah:

·         Pengisian elektron dimulai dari tingkat energi yang paling rendah, dalam hal ini kulit K.

·         Kulit K hanya dapat memuat maksimum 2 elektron, sedangkan kulit L dan M dapat memuat 8.

·         Untuk atom unsur Z = 19 dan Z = 20, pengisian elektron sampai ke kulit N elektron.

Kelebihan dan Kekurangan atom Bohr:

Kelebihan:

-       Keberhasilan teori Bohr terletak pada kemampuannya untuk meramalkan garis-garis dalam spektrum atom hidrogen

-       Salah satu penemuan adalah sekumpulan garis halus, terutama jika atom-atom yang dieksitasikan diletakkan pada medan magnet.

-       Dalam orbital tertentu, energi elektron adalah tetap. Elektron akan menyerap energi jika berpindah ke orbit yang lebih luar dan akan membebaskan energi jika berpindah ke orbit yang lebih dalam

Kelemahan:

-       Struktur garis halus ini dijelaskan melalui modifikasi teori Bohr tetapi teori ini tidak pernah berhasil memerikan spektrum selain atom hydrogen

-       Belum mampu menjelaskan adanya stuktur halus (fine structure) pada spektrum, yaitu 2 atau lebih garis yang sangat berdekatan.

-       Belum dapat menerangkan spektrum atom kompleks, Intensitas relatif dari tiap garis spektrum emisi, serta Efek Zeeman, yaitu terpecahnya garis spektrum bila atom berada dalam medan magnet.

6. Model Atom Modern

Pada tahun 1926, dengan menggunakan pemikiran Louis de Broglie bahwa partikel berperilaku seperti gelombang, Erwin Schrödinger mengembangkan suatu model atom matematis yang menggambarkan elektron sebagai gelombang tiga dimensi daripada sebagai titik-titik partikel. Konsekuensi penggunaan bentuk gelombang untuk menjelaskan elektron ini adalah bahwa adalah tidak mungkin untuk secara matematis menghitung posisi dan momentum partikel secara bersamaan. Hal ini kemudian dikenal sebagai prinsip ketidakpastian, yang dirumuskan oleh Werner Heisenberg pada 1926. Menurut konsep ini, untuk setiap pengukuran suatu posisi, seseorang hanya bisa mendapatkan kisaran nilai-nilai probabilitas momentum, demikian pula sebaliknya. Walaupun model ini sulit untuk divisualisasikan, ia dapat dengan baik menjelaskan sifat-sifat atom yang terpantau yang sebelumnya tidak dapat dijelaskan oleh teori mana pun. Oleh sebab itu, model atom yang menggambarkan elektron mengitari inti atom seperti planet mengitari matahari digugurkan dan digantikan oleh model orbital atom di sekitar inti di mana elektron paling berkemungkinan berada.

Perkembangan pada spektrometri massa mengijinkan dilakukannya pengukuran massa atom secara tepat. Peralatan spektrometer ini menggunakan magnet untuk membelokkan trayektori berkas ion, dan banyaknya defleksi ditentukan dengan rasio massa atom terhadap muatannya. Kimiawan Francis William Aston menggunakan peralatan ini untuk menunjukkan bahwa isotop mempunyai massa yang berbeda. Perbedaan massa antar isotop ini berupa bilangan bulat, dan ia disebut sebagai kaidah bilangan bulat. Penjelasan pada perbedaan massa isotop ini berhasil dipecahkan setelah ditemukannya neutron, suatu partikel bermuatan netral dengan massa yang hampir sama dengan proton, yaitu oleh James Chadwick pada tahun 1932. Isotop kemudian dijelaskan sebagai unsur dengan jumlah proton yang sama, namun memiliki jumlah neutron yang berbeda dalam inti atom.

Pada tahun 1950-an, perkembangan pemercepat partikel dan detektor partikel mengijinkan para ilmuwan mempelajari dampak-dampak dari atom yang bergerak dengan energi yang tinggi. Neutron dan proton kemudian diketahui sebagai hadron, yaitu komposit partikel-partikel kecil yang disebut sebagai kuark. Model-model standar fisika nuklir kemudian dikembangkan untuk menjelaskan sifat-sifat inti atom dalam hal interaksi partikel subatom ini.

Sekitar tahun 1985, Steven Chu dkk. di Bell Labs mengembangkan sebuah teknik untuk menurunkan temperatur atom menggunakan laser. Pada tahun yang sama, sekelompok ilmuwan yang diketuai oleh William D. Phillips berhasil memerangkap atom natrium dalam perangkap magnet. Claude Cohen-Tannoudji kemudian menggabungkan kedua teknik tersebut untuk mendinginkan sejumlah kecil atom sampai beberapa mikrokelvin. Hal ini mengijinkan ilmuwan mempelajari atom dengan presisi yang sangat tinggi, yang pada akhirnya membawa para ilmuwan menemukan kondensasi Bose-Einstein.

Kelemahan Model Atom Modern

Persamaan gelombang Schrodinger hanya dapat diterapkan secara eksak untuk partikel dalam kotak dan atom dengan elektron tunggal