Teori – Teori dan Struktur Atom

Konsep atom sudah dikenal sejak peradaban Yunani (500 SM). “Atom” berasal dari bahasa Yunani, yaitu atomos, yang berarti tidak dapat dibagi. Menurut filosof Yunani, atom dianggap sebagai partikel sangat kecil yang tidak dapat diurai lagi. Sayangnya, tidak ditemukan data atau eksperimen yang dapat menjelaskan pemikiran tersebut.

Pada tahun 1803, John Dalton menjelaskan postulat mengenai teori atom berdasarkan pemikiran kuno tersebut. Postulat teori atom Dalton berbunyi :

  1. Atom adalah zat yang terdiri dari bagian terkecil yang tidak dapat diurai
  2. Semua atom pada unsur yang sama bersifat identik, tetapi atom – atom yang berasal dari unsur yang berbeda memiliki sifat yang berbeda pula
  3. Senyawa kimia terbentuk dari atom – atom dengan jumlah perbandingan tertentu
  4. Reaksi kimia terjadi karena adanya perubahan susunan atom dari satu kombinasi menjadi kombinasi yang lain. Sifat individu atom sendiri tidak mengalami perubahan.

Postulat Dalton ini bertahan selama hampir seratus tahun. Kunci keberhasilan teori ini adalah adanya konsep yang menjelaskan bahwa tiap unsur memiliki atom dengan karakteristik massa tertentu.

Menjelang akhir 1800, teori atom Dalton mulai diragukan karena adanya penemuan sinar X (1895), radioaktifitas (1896), elektron (1897), dan unsur radium (1898). Penemuan – penemuan tersebut menunjukkan bahwa atom merupakan struktur yang sangat rumit, yang tersusun dari partikel – partikel sub atom. Rutherford dkk menemukan bahwa zat – zat radioaktif dapat menghasilkan tiga macam radiasi, yaitu radiasi yang bersifat positif (disebut partikel a), negatif (b) dan netral (g). Dengan dibuktikan bahwa suatu unsur dapat menghasilkan tiga macam radiasi yang berbeda sifat, maka teori atom Dalton tidak dapat diikuti lagi.

Pada tahun 1911, Rutherford menggambarkan atom sebagai suatu partikel bulat dengan suatu pusat kecil yang disebut sebagai inti atom (nucleus). Karena inti atom menolak partikel a, maka inti atom bermuatan positif. Elektron dibayangkan berada di luar inti, membentuk permukaan luar dari atom. Penelitian modern kemudian menunjukkan bahwa atom terbagi atas tiga macam partikel, yaitu proton, neutron, dan elektron.

Tabel 4.1 Partikel – partikel atom

Massa Muatan
gram s m a Coulomb unit muatan elektronik
Proton 1,67 x 10-24 1,007276 + 1,602 x 10-19 +1
Neutron 1,67 x 10-24 1,008665 0 0
Elektron 9,11 x 10-28 0,000549 – 1,602 x 10-19 -1

Proton dan neutron membentuk inti. Karena proton bermuatan positif dan neutron tidak bermuatan, maka inti atom bermuatan positif. Banyaknya proton dalam inti disebut sebagai proton number (nomor proton) atau atomic number (nomor atom). Tiap unsur memiliki nomor atom yang berbeda – beda, contohnya karbon (C),memiliki nomor atom 6, nitrogen (N) memiliki nomor atom 7, oksigen (O) memiliki nomor atom 8, dll. Sampai dengan unsur bernomor atom 20, jumlah proton dan neutron dalam inti sama. Di atas nomor atom 20, jumlah neutron umumnya lebih besar dari pada jumlah proton. Misalnya, timbal (Pb) dengan jumlah proton 82, memiliki 125 neutron dalam inti. Banyaknya proton dan neutron dalam inti disebut nucleon number (nomor inti) atau mass number (nomor massa).

Elektron digambarkan mengelilingi inti atom menurut lintasan tertentu. Karena letaknya di luar, maka elektron – elektron inilah yang berperan ketika unsur – unsur mengalami reaksi atau membentuk ikatan. Susunan elektron di dalam atom menentukan sifat dari unsur yang bersangkutan.

4.2. Konfigurasi Elektron

Elektron tersusun dalam kulit – kulit (n) yang dapat dinyatakan dalam huruf kapital, yaitu K, L, M, N, O, … atau angka, yaitu 1, 2, 3, 4, 5, … . Tiap kulit memiliki sub – sub kulit yang dinyatakan dengan huruf, yaitu s, p d, f. Dalam sub – sub kulit terdapat ruang (orbital) yang dapat menampung elektron dengan kapasitas tertentu.

Tabel 4.2. Sub – sub kulit dan kapasitas elektron di dalamnya

Sub kulit

Jumlah ruang

(orbital)

Kapasitas

elektron

S

1

2

P

3

6

D

5

10

F

7

14

Elektron diisikan pada ruang – ruang (orbital) dengan energi yang terendah lebih dulu. Sistem pengisian elektron berdasarkan tingkat energi ini disebut sebagai Azas Aufbau.

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

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). 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

model atom : demmocritus

2. Teori Atom John Dalton

Pada tahun 1803, John Dalton mengemukakan mengemukakan pendapatnaya tentang atom. Teori atom Dalton didasarkan pada dua hukum, yaitu hukum kekekalan massa (hukum Lavoisier) dan hukum susunan tetap (hukum prouts). Lavosier mennyatakan bahwa “Massa total zat-zat sebelum reaksi akan selalu sama dengan massa total zat-zat hasil reaksi”. Sedangkan Prouts menyatakan bahwa “Perbandingan massa unsur-unsur dalam suatu senyawa selalu tetap”. Dari kedua hukum tersebut Dalton mengemukakan pendapatnya tentang atom sebagai berikut:

  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 hidrogen dan atom-atom oksigen

Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

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.

gambar : model atom dalton

3. Teori Atom J. J. Thomson

Berdasarkan penemuan tabung katode yang lebih baik oleh William Crookers, maka J.J. Thomson meneliti lebih lanjut tentang sinar katode dan dapat dipastikan bahwa sinar katode merupakan partikel, sebab dapat memutar baling-baling yang diletakkan diantara katode dan anode. Dari hasil percobaan ini, Thomson menyatakan bahwa sinar katode merupakan partikel penyusun atom (partikel subatom) yang bermuatan negatif dan selanjutnya disebut elektron.
Atom merupakan partikel yang bersifat netral, oleh karena elektron bermuatan negatif, maka harus ada partikel lain yang bermuatan positifuntuk menetrallkan muatan negatif elektron tersebut. Dari penemuannya tersebut, Thomson memperbaiki kelemahan dari teori atom dalton dan mengemukakan teori atomnya yang dikenal sebagai Teori Atom Thomson. Yang menyatakan bahwa:

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

gambar: model atom JJ Thomson

4. Teori Atom Rutherford

Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners Masreden) melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) 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.
Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesipulan beberapa berikut:

  1. Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan
  2. Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisanatom-atom emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif.

Partikel tersebut merupakan partikelyang 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 daripada ukuran atom keseluruhan.

gambar : model atom Rutherford

5. Teori Atom Bohr

ada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen. Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati daerah disekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen 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 elektron dalam atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner (menetap) elektron dan merupakan lintasan melingkar disekeliling inti.
  2. Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.
  3. Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan stasioner lain. Pada peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat, besarnya sesuai dengan persamaan planck, ΔE = hv.
  4. Lintasan stasioner yang dibolehkan memilki besaran dengan sifat-sifat tertentu, terutama sifat yang disebut momentum sudut. Besarnya momentum sudut merupakan kelipatan dari h/2∏ atau nh/2∏, dengan n adalah bilangan bulat dan h tetapan planck.

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: teori atom Neils Bohr

6. Teori Atom Modern

Model atom mekanika kuantum dikembangkan oleh Erwin Schrodinger (1926).Sebelum Erwin Schrodinger, 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”.

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.

gambar: teori atom modern