Perkembangan teori atom klasik sampai mekaninka kuantum

1.      

Teori Atom Dalton

Pada tahun  1803-1807, John Dalton mengemukakan pendapatnya tentang atom. Teori atom Dalton didasarkan pada dua hukum, yaitu :

a.       Hukum kekekalan massa (hukum Lavoisier), bahwa “Massa total zat-zat sebelum reaksi akan selalu sama dengan massa total zat-zat hasil reaksi”.

b.      Hukum susunan tetap (hukum prouts), bahwa “Perbandingan massa unsur-unsur dalam suatu senyawa selalu tetap”.

Pendapat Dalton tentang atom :

1. Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi lagi
2. Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda
3. Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan  bulat dan sederhana. Misalnya air terdiri atom-atom hydrogen dan atom-atom oksigen
4. Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.
5. Atom seunsur memiliki massa dan sifat yang sama, demikian sebaliknya.

Hipotesa Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti bola kasti

Kelemahan Teori Dalton:

·      Ternyata atom bukanlah sesuatu yang tak terbagi malainkan terdiri dari berbagai partikel subatom.

·      Atom yang sama tidak selalu memiliki sifat dan massa yang sama.

·      Melalui reaksi nuklir, atom dari suatu unsure dapat diubah menjadi atom unsur lain.

·      Beberapa unsur tidak terdiri atas atom-atom melainkan molekul-molekul. Molekul unsur terbentuk dari atom-atom sejenis dengan jumlah tertentu.

2.      

Berdasarkan  penilitian J.J. Thomson 1897 yang mendapat penghargaan Nobel dalam bidang fisika tahun 1906, penemuan electron berkaitan dengan percobaan-percobaan tentang hantaran listrik melalui tabung hampa. Ini sebabnya kita tidak terkena sengatan listrik ketika melintas di bawah kabel listrik tegangan tinggi.

Tentang sinar katode, dapat dipastikan bahwa sinar katode merupakan partikel, sebab dapat memutar baling-baling yang diletakkan diantara katode dan anode.                                                                                                                                                                                     

Pendapat Thomson tentang atom :

sinar katode merupakan partikel penyusun atom (partikel subatom) yang bermuatan negative dan selanjutnya disebut elektron.

Ø  Pada tahun 1900, elektron-elektron tersebar di dalamnya seperti roti kismis. Secara keseluruhan atom bersifat netral.                                                                                                                                                                           

Selain itu Thomson memperbaiki teori atom Dalton, dan menyatakan bahwa :

“Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dan didalamnya tersebar muatan negatif elektron”

Ø  Model atom ini dapat digambarkan sebagai jambu biji yang sudah dikelupas kulitnya. Biji jambu menggambarkan elektron yang tersebar marata dalam bola daging jambu yang pejal, yang pada model atom Thomson dianalogikan sebagai bola positif yang pejal.

Model atom Thomson dapat digambarkan sebagai berikut :

 

Kelemahan Teori Thomson:

·         tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negative dalam bola atom tersebut.

2

3.      

Pada tahun 1910, Rutherford bersama dua orang asistennya (Hans Geiger dan Erners Masreden) melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng tipis emas. Alfa adalah yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas.

                                                                                                                                                                  

Percobaan ini 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.

                                                                                                                                                                               

Hasil pengamatan :

1.       Dari pengamatan ini, 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°).

2.       Dari pengamatan Marsden diperoleh fakta bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan lebih.

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

4.       Partikel alfa yang mendekati inti atom dibelokkan karena mengalami gaya tolak inti.

5.       Sebagian besar partikel sinar alfa dapat tembus karena melalui ruang hampa.

Kesimpulan :

1. Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan.
2. Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisan atom-atom emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif.
3. Partikel tersebut merupakan partikel yang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil dari pada ukuran atom keseluruhan.
4. Atom seperti bola berongga dengan inti di pusat atom + electron yang beredar mengelilingi inti.
5. Atom bersifat netral karena muatan inti (+) sama dengan muatan electron (-).
6. Massa atom terpusat pada inti.

3

Ø  Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford, yang menyatakan bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif, dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif.

Model atom Rutherford :

                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

Kelemahan:

·         Tidak dapat menjelaskan mengapa electron tidak jatuh ke dalam inti atom.

·         Teori Rutherford bertentangan dengan teori elektrodinamika klasik, gerakan electron mengitari inti akan disertai pemancar energy berupa radiasi electromagnet. Jika demikian, maka energy electron akan semakin berkurang sehingga gerakannya akan lambat. Sementara itu, jika gerakan electron lambat, maka lintasannya akan berbentuk spiral dan akhirnya ia akan jatuh ke inti atom.

                                                               

                                                                                                                               

4.        

Pada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen.

Ø  Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati daerah di sekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hydrogen melibatkan gabungan antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Planck, diungkapkan dengan empat postulat, sebagai berikut:

1. Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu electron dalam atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner (menetap) electron dan merupakan lintasan melingkar disekelilingi inti.
2. Selama electron berada dalam lintasan stasioner, energy elektron tetap, sehingga tidak ada energy dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.
3. Elektron dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan stasioner lain yang disertaipemancaran atau penyerapan sejumlah energy tertentu.

4.       Pada keadaan normal (tanpa pengaruh luar), electron menempati tingakat energy terendah yaitu kulit K. Keadaan seperti itu disebut tingkat dasar (ground state).

Ø  Menurut model atom bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasan-lintasan tertentu yang disebut kulit electron.

Ø  Tingkat energi paling rendah adalah kulit elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar nomor kulitnya dan semakin tinggi tingkat energinya.

                                                                                                                                                                           

Kelemahan:

·         Model atom ini tidak bisa menjelaskan spectrum warna dari atom berelektron banyak.

·         Gagal menjelaskan efek Zeeman, yaitu spectrum atom yang lebih rumit bila ditempatkan pada medan magnet.

TEORI MEKANIKA KUANTUM

Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi menjadi beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam. Teori kuantum dari Max Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang dipancarkan oleh benda mampat. Radiasi inilah yang menunjukan sifat partikel dari gelombang. Radiasi yang dipancarkan setiap benda terjadi secara tidak kontinyu (discontinue) dipancarkan dalam satuan kecil yang disebut kuanta (energi kuantum).

Planck berpendapat bahwa kuanta yang berbanding lurus dengan frekuensi tertentu dari cahaya, semuanya harus berenergi sama dan energi ini E berbanding lurus dengan.

Jadi :

E = h.V

E = Energi kuantum
h = Tetapan Planck = 6,626 x 10^-34 J.s
V = Frekuensi

Planck menganggap bahwa energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda, timbul secara terputus-putus walaupun penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang elektromagnetik yang kontinyu.

Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton.

Einstein mengusulkan bukan saja cahaya yang dipancarkan menurut suatu kuantum pada saat tertentu tetapi juga menjalar menurut kuanta individual. Hipotesis ini menerangkan efek fotolistrik, yaitu elektron yang terpancar bila frekuensi cahaya cukup tinggi, terjadi dalam daerah cahaya tampak dan ultraungu.

Hipotesa dari Max Planck dan Einstein menghasilkan rumusan empiris tentang efek fotolistrik yaitu :

hV = Kmaks + hVo

hV Kmaks	= Isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang = Energi fotoelektron maksimum
hVo	=	Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron dari permukaan logam yang disinari

Tidak semua fotoelektron mempunyai energi yang sama sekalipun frekuensi cahaya yang digunakan sama. Tidak semua energi foton (hv) bisa diberikan pada sebuah elektron. Penafsiran Einstein mengenai fotolistrik dikuatkan dengan emisi termionik. Dalam emisi foto listrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedangkan dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakannya.

Usul Planck bahwa benda memancarkan cahaya dalam bentuk kuanta tidak bertentangan dengan penjalaran cahaya sebagai gelombang. Sementara Einstein menyatakan cahaya bergerak melalui ruang dalam bentuk foton. Kedua hal ini baru dapat diterima setelah eksperimen Compton.

Pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom hidrogen, lai dengan menggunakan kuantisasi.  

Di dalam fisika atom, model Bohr adalah model atom yang diperkenalkan oleh Niels Bohr pada 1913. Model ini menggambarkan atom sebagai sebuah inti kecil bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron yang bergerak dalam orbit sirkular mengelilingi inti — mirip sistem tata surya, tetapi peran gaya gravitasi digantikan oleh gaya elektrostatik. 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. Seperti sudah diketahui sebelumnya, Rutherford mengemukakan teori atom Rutherford berdasarkan percobaan hamburan sinar alfa oleh partikel emas yang dilakukannya.
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 teoretis 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.

Pada tahun 1924, Louis de Broglie, seorang ahli fisika dari Perancis memberikan teorinya tentang gelombang benda. Menurut de Broglie, gerakan partikel mempunyai cirri-ciri gelombang. Hipotesis de Broglie terbukti ketika ditemukan bahwa electron menunjukan sifat difraksi seperti halnya sinar X. sifat gelombang dari electron digunakan dengan mikroskop electron. Hipotesis Louis de Broglie berlaku untuk setiap benda yang bergerak. Namun pada benda-benda biasa seperti bola golf atau peluru yang mempunyai massa yang relative besar, maka akan menghasilkan panjang gelombang yang sangat kecil, bahkan sampai tidak teramati.

Dualisme Gelombang dan Partikel

Louis de Broglie meneliti keberadaan gelombang melalui eksperimen difraksi berkas elektron.

Dari hasil penelitiannya inilah diusulkan “materi mempunyai sifat gelombang di samping partikel”, yang dikenal dengan prinsip dualitas.

Sifat partikel dan gelombang suatu materi tidak tampak sekaligus, sifat yang tampak jelas tergantung pada perbandingan panjang gelombang de Broglie dengan dimensinya serta dimensi sesuatu yang berinteraksi dengannya.

Pertikel yang bergerak memiliki sifat gelombang. Fakta yang mendukung teori ini adalah petir dan kilat.

Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal: tidak ada penjelasan jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal sebagai teori kuantum lama.

seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara seksama pada saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti atom”.

Werner Heisenberg mengajukan rumus baru di bidang fisika, suatu rumus yang teramat sangat radikal, jauh berbeda dalam pokok konsep dengan rumus klasik Newton. Teori rumus baru ini --sesudah mengalami beberapa perbaikan oleh orang-orang sesudah Heisenberg--sungguh-sungguh berhasil dan cemerlang. Rumus itu hingga kini bukan cuma diterima melainkan digunakan terhadap semua sistem fisika, tak peduli yang macam apa dan dari yang ukuran bagaimanapun.

Salah satu konsekuensi dari teori Heisenberg adalah apa yang terkenal --dengan rumus "prinsip ketidakpastian" yang dirumuskannya sendiri di tahun 1927. Prinsip itu umumnya dianggap salah satu prinsip yang paling mendalam di bidang ilmiah dan paling punya daya jangkau jauh. Dalam praktek, apa yang diterapkan lewat penggunaan "prinsip ketidakpastian" ini adalah mengkhususkan batas-batas teoritis tertentu terhadap kesanggupan kita membuat ukuran-ukuran ilmiah.

"Prinsip ketidakpastian" ini menjamin bahwa fisika, dalam keadaannya yang lumrah, tak sanggup membikin lebih dari sekedar dugaan-dugaan statistik. Seorang ilmuwan yang menyelidiki radioaktivitas, misalnya, mungkin mampu menduga bahwa satu dari setriliun atom radium, dua juta akan mengeluarkan sinar gamma dalam waktu sehari sesudahnya.
Tetapi, Heisenberg sendiri tidak bisa menaksir apakah ada atom radium yang khusus yang akan berbuat begitu. Dalam banyak hal yang praktis, ini bukannya satu pembatasan yang ketat. Bilamana menyangkut jumlah besar, metoda statistik sering mampu menyuguhkan basis pijakan yang dapat dipercaya untuk sesuatu langkah. Tetapi, jika menyangkut jumlah dari ukuran kecil, soalnya jadi lain. Di sini "prinsip ketidakpastian" memaksa kita menghindar dari gagasan sebab-akibat fisika yang ketat. Ini mengedepankan suatu perubahan yang amat mendasar dalam pokok filosofi ilmiah. Begitu mendasarnya sampai-sampai ilmuwan besar Einstein tak pernah mau terima prinsip ini. "Saya tidak percaya," suatu waktu Einstein berkata, "bahwa Tuhan main-main dengan kehancuran alam semesta."

Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan elektron disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin Schrodinger.

Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron dalam tiga dimensi.

Persamaan Schrodinger:

x,y dan z  m E V

= Posisi dalam tiga dimensi = Fungsi gelombang = massa = h/2 dimana h = konstanta plank dan  = 3,14 = Energi total = Energi potensial

Persamaan gelombang dari Schrodinger ini cukup rumit sehingga akan dipelajari dalam fisika kuantum pada tingkat perguruan tinggi.

Awan elektron disekitar inti menunjukan tempat kebolehjadian elektron.

Orbital menggambarkan tingkat energi elektron. Orbital-orbital dengan tingkat energi yang sama atau hampir sama akan membentuk sub kulit. Beberapa sub kulit bergabung membentuk kulit.

Dengan demikian kulit terdiri dari beberapa sub kulit dan subkulit terdiri dari beberapa orbital.

Walaupun posisi kulitnya sama tetapi posisi orbitalnya belum tentu sama.

DAFTAR PUSAKA :

http://kimiamifkho.wordpress.com/2009/07/22/perkembangan-teori-atom/

LBB Gama Jogja Tim Akademik. 2009. Belajar Modul. Jogjakarta, PT Gama Jogja Sentosa Aksara Press

Purba, Michael. 2006, Kimia untuk SMA kelas X. Jakarta, PT Gelora Aksara Pratama