STRUKTUR ATOM

BAB 2. ATOM, MOLEKUL, DAN ION

2.2 STRUKTUR ATOM

Menurut teori atom Dalton, atom didefinisikan sebagai unit dasar suatu unsur yang dapat berkombinasi secara kimiawi. Dalton membayangkan atom sebagai sesuatu yang sangat kecil dan tidak dapat dibagi-bagi. Namun, serangkaian penyelidikan yang dimulai pada tahun 1850-an dan berkembang hingga abad kedua puluh jelas

menunjukkan bahwa atom pada dasarnya memiliki struktur internal yang terdiri dari partikel-partikel yang lebih kecil dan disebut partikel subatomik. Penelitian-penelitian yang akan dijelaskan selanjutnya mengarah pada penemuan tiga partikel subatomik, yaitu elektron, proton, dan neutron.

Pada tahun 1890-an, banyak ilmuwan tertarik untuk mempelajari radiasi, suatu jenis emisi dan transmisi energi melalui ruang dalam bentuk gelombang. Informasi yang diperoleh dari penelitian ini memberikan kontribusi yang besar terhadap pe-ngetahuan tentang struktur atom. Salah satu perangkat penyelidikan yang digunakan adalah tabung sinar katoda, yang merupakan awal mula dari tabung televisi (Gambar 2.3). Tabung sinar katoda berupa sebuah tabung kaca yang sebagian besar udara

didalamnya telah dikosongkan. Ketika dua pelat logam terhubung dengan sumber listrik tegangan tinggi, pelat bermuatan negatif, yang disebut katoda, akan memancarkan sinar tak terlihat. Sinar katoda akan tertarik ke pelat bermuatan positif, yang disebut anoda. Sinar tersebut akan melewati lubang hingga mencapai ujung tabung. Ketika sinar mengenai permukaan yang dilapisi oleh lapisan khusus, sinar akan menghasilkan fluoresensi atau cahaya terang yang kuat.

Gambar 2.3 Tabung sinar katoda dengan medan listrik yang tegak lurus terhadap arah sinar katoda dan sebuah medan magnet eksternal. Simbol N dan S menunjukkan kutub utara dan selatan magnet. Sinar katoda akan mengenai ujung tabung (A) akibat pengaruh medan magnet, di C akibat pengaruh medan listrik, dan di B ketika tidak ada pengaruh medan magent atau listrik dari luar atau jika efek medan magnet dan listrik tidak saling mempengaruhi satu sama lain.

Pada beberapa percobaan, dua pelat bermuatan listrik dan sebuah magnet ditambahkan pada bagian luar dari tabung sinar katoda (lihat Gambar 2.3). Jika medan magnet menyala dan medan listrik dimatikan, sinar katoda akan mengenai titik A. Sedangkan jika hanya medan listrik saja yang aktif, sinar akan menumbuk titik C. Ketika medan magnet dan medan listrik dimatikan atau keduanya memiliki kekuatan yang seimbang, maka keduanya akan saling meniadakan pengaruh satu sama lain dan sinar akan mengenai titik B. Menurut teori elektromagnetik, suatu benda bermuatan yang bergerak akan berperilaku seperti magnet dan dapat berinteraksi dengan medan listrik dan medan magnet yang dilaluinya. Karena sinar katoda tertarik oleh pelat ber-muatan positif dan tertolak oleh pelat berber-muatan negatif, maka sinar katoda pasti terdiri atas partikel-partikel bermuatan negatif. Seperti yang diketahui, partikel-partikel bermuatan negatif disebut sebagai elektron. Gambar 2.4 menunjukkan efek sebuah magnet batang terhadap sinar katoda.

Gambar 2.4 (a) Sinar katoda yang dihasilkan dalam tabung tak bermuatan akan mengalir dari katoda (kiri) menuju anoda (kanan). Pada dasarnya sinar tersebut tidak tampak, namun adanya fluoresensi dari lapisan seng sulfida pada permukaan kaca menyebabkan sinar berwarna hijau. (b) Sinar katoda akan mengarah ke bawah jika magnet didekatkan. (c) Jika kutub magnet dibalik maka sinar akan

membengkok ke arah yang berlawanan.

Seorang fisikawan Inggris, JJ Thomson, menggunakan tabung sinar katoda dan ilmunya tentang teori elektromagnetik untuk menentukan perbandingan antara muatan listrik dengan massa elektron tunggal yang menunjukkan angka -1.76 x 108 C/g, dimana C adalah Coulomb, satuan muatan listrik. Selanjutnya, serangkaian percobaan dilakukan oleh R.A. Millikan, seorang fisikawan Amerika, antara tahun 1908‒1917. R.A Milikan menemukan muatan elektron sebesar -1,6022 x 1019 C. Dari data tersebut, ia

memperhitungkan massa elektron sebagai berikut :

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 = ^{𝑚𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛} 𝑚𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛⁄ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 = ^{−1,6022 × 10} −19𝐶 −1,76 × 108𝐶 𝑔⁄ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 = 9,10 × 10⁻²⁸𝑔

Nilai tersebut menunjukkan massa electron yang sangat kecil. Radioaktivitas

Pada tahun 1895, fisikawan Jerman, Wilhelm Röntgen, menyadari bahwa sinar katoda menyebabkan kaca dan logam memancarkan sinar yang sangat tidak biasa. Radiasi ini berenergi tinggi sehingga dapat menembus materi, menutup pelat fotografi dengan lapisan gelap, dan menyebabkan berbagai jenis zat berpendar. Karena sinar tersebut tidak dapat dibelokkan oleh magnet, maka sinar tersebut tidak mengandung partikel bermuatan seperti sinar katoda. Röntgen menyebutnya sinar X.

Tidak lama setelah penemuan Röntgen, Antoine Becquerel, seorang profesor fisika di Paris, mulai mempelajari sifat berpendarnya materi. Secara kebetulan, ia menemukan bahwa jika suatu pelat fotografi dengan lapisan tebal dibiarkan terkena senyawa uranium tertentu akan menyebabkan pelat menjadi gelap, bahkan tanpa adanya pengaruh sinar katoda. Seperti sinar X, sinar dari senyawa uranium tersebut berenergi dan tidak dapat dibelokkan oleh magnet. Namun, sinar tersebut berbeda dengan sinar X karena dihasilkan secara spontan. Salah satu siswa Becquerel, Marie Curie,

memberikan nama radioaktivitas untuk menggambarkan emisi secara spontan oleh partikel dan/atau radiasi. Akibatnya, setiap unsur yang memancarkan radiasi secara spontan disebut unsur radioaktif.

Gambar 2.5 Tiga jenis sinar hasil emisi unsur radioaktif. Sinar β terdiri dari partikel bermuatan negativ (elektron) sehingga tertarik oleh pelat bermuatan positif. Hal yang sama juga berlaku untuk sinar α yang bermuatan positif sehingga ia tertarik ke pelat bermuatan negativ. Karena sinar ɤ tidak bermuatan maka ia tidak terpengaruh oleh medan listrik eksternal.

Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa pada proses penembakan atau pemecahan zat radioaktif seperti uranium akan menghasilkan tiga jenis sinar. Dua diantaranya dapat dibelokkan oleh pelat logam yang bermuatan berlawanan (Gambar 2.5). Sinar alpha (α) terdiri dari partikel-partikel bermuatan positif, yang disebut partikel α, oleh karena itu dibelokkan oleh pelat bermuatan positif. Sinar beta (β) atau partikel β, adalah elektron dan dibelokkan oleh pelat bermuatan negatif. Jenis sinar ketiga adalah radiasi radioaktif, terdiri dari sinar berenergi tinggi yang disebut sinar gamma (ɤ). Seperti sinar X, sinar ɤ tidak bermuatan dan tidak terpengaruh oleh medan listrik atau medan magnet eksternal.

Proton dan Inti Atom

Pada awal 1900-an, dua spesifikasi tentang atom menjadi jelas : (1) atom mengandung elektron dan (2) atom tidak bermuatan (netral). Untuk menjaga kenetralannya, atom harus memiliki jumlah muatan positif dan negatif yang sama. Berdasarkan hal tersebut, Thomson berpendapat bahwa atom dapat dianggap sebagai bola bermuatan positif dengan electron tersebar di permukaan bola tersebut (Gambar 2.6). Model atom Thomson yang disebut pula model "roti kismis" merupakan teori atom yang diterima hingga beberapa tahun.

Pada tahun 1910, seorang fisikawan Selandia Baru, Ernest Rutherford, yang sebelumnya belajar bersama Thomson di Universitas Cambridge, memutuskan untuk menggunakan suatu partikel untuk meneliti lebih lanjut tentang struktur atom. Bersama dengan rekannya, Hans Geiger dan seorang sarjana bernama Ernest Marsden,

Rutherford melakukan serangkaian percobaan menggunakan lempeng emas dan logam lain yang sangat tipis sebagai target partikel α yang berasal dari sumber zat radioaktif (Gambar 2.7). Mereka mengamati bahwa sebagian besar partikel menembus lempengan (diteruskan) dan hanya sedikit yang dibelokkan. Mereka juga menyadari bahwa partikel α dibelokkan pada sudut yang besar. Padahal seharusnya partikel α justru dipantulkan dari arah ia datang. Temuan ini benar-benar mengejutkan, karena dalam model Thomson muatan positif tersebar di dalam atom sehingga partikel sinar α yang ditembakkan diharapkan dapat melewati atom dengan sedikit pembauran. Ketika Rutherford menceritakan penemuannya ini, ia mengatakan "Ini sama luar biasanya dengan jika Anda menembak lempeng setebal 15inci pada selembar kertas tisu dan lempeng tersebut terlempar kembali dan memukul Anda."

Gambar 2.7 (a) Desain percobaan Rutherford tentang hamburan partikel α oleh lempengan emas. Sebagian besar partikel α dapat melewati lempeng emas dengan sedikit atau tanpa terhambur. Sedangkan sebagian kecil dipantulkan dengan sudut yang sangat besar. (b) Gambaran dari partikel α yang diteruskan dan diapntulkan oleh inti atom.

Berdasarkan hasil percobaan tentang hamburan sinar partikel α, Rutherford menyusun model baru tentang struktur atom, dimana sebagian besar atom berupa ruang kosong. Struktur ini akan memungkinkan sebagian besar partikel α melewati lempeng emas dengan sedikit partikel α yang dibelokkan. Rutherford juga berpendapat bahwa muatan positif atom terpusat pada inti atom. Hal inilah yang menyebabkan partikel α yang mendekati nukleus akan terkena gaya tolak yang besar dengan sudut hamburan yang besar pula. Selain itu, partikel α yang bergerak menuju inti akan mengalami tolakan yang besar sehingga partikel akan bergerak ke arah yang berlawanan.

Partikel bermuatan positif dalam inti atom disebut proton. Dalam percobaan terpisah ditemukan bahwa muatan tiap proton sama dengan elektron dan massa proton adalah 1,67262 x 10-24g, atau sekitar 1840 kali lebih berat dibandingkan massa elektron.

Pada tahap penyelidikan, para ilmuwan menerima pendapat Rutherford tentang atom. Massa inti atom merupakan sebagian besar dari massa atom secara keseluruhan, namun inti hanya menempati sekitar 1/1013 dari volume atom. Dalam Satuan

International (SI), atom (dan molekul) dinyatakan dalam satuan pikometer (pm), dimana 1pm = 1 x 10-12m.

Gambar 2.6 Model atom Thomson biasanya dimisalkan seperti model roti kismis, makanan penutup tradisional Inggris. Elektron berada pada bola yang bermuatan positif.

Jari-jari atom berukuran sekitar 100pm, sedangkan jari-jari inti atom hanya sekitar 5 X 10-3pm. Anda dapat mengumpamakan ukuran relatif atom dan intinya dengan membayangkan bahwa jika atom sebuah stadion olahraga, maka volume intinya akan sebanding dengan sebuah kelereng kecil. Meskipun proton terletak hanya terbatas pada inti atom, elektron dipahami sebagai partikel yang tersebar dengan jarak tertentu dari inti.

Jika ukuran atom dianggap sebagai stadion olahraga, maka inti atom hanya berukuran sebesar kelereng

Neutron

Model atom Rutherford meninggalkan satu masalah besar yang belum terpecahkan. Seperti yang telah diketahui, hidrogen, atom paling sederhana, hanya memiliki satu proton dan atom helium memiliki dua proton. Oleh karena itu, perbandingan massa atom helium dengan atom hidrogen seharusnya adalah 2:1.

(Karena massa elektron jauh lebih ringan dari proton, maka kontribusi electron terhadap massa atom dapat diabaikan.) Namun dalam kenyataannya, perbandingan massanya adalah 4:1.

Rutherford dan peneliti-peneliti lain mengatakan bahwa seharusnya ada partikel subatomik lain dalam inti atom. Hal ini dibuktikan oleh seorang fisikawan Inggris bernama James Chadwick pada tahun 1932. Ketika Chadwick dibombardir lembaran

tipis berilium dengan partikel α, radiasi berenergi sangat tinggi yang mirip dengan sinar ɤ dipancarkan oleh logam. Percobaan selanjutnya menunjukkan bahwa sinar tersebut sebenarnya terdiri dari partikel-partikel tidak bermuatan (netral) dengan massa yang sedikit lebih besar daripada proton. Chadwick menyebut partikel ini sebagai neutron.

Berdasarkan hasil penemuan ini, masalah perbandingan massa telah terpecahkan. Dalam inti helium terdapat dua proton dan dua neutron, tetapi dalam inti hidrogen hanya ada satu proton tanpa neutron, oleh karena itu perbandingan massanya adalah 4:1.

Ada beberapa partikel subatomik lain, tapi elektron, proton, dan neutron adalah tiga komponen dasar atom yang penting dalam ilmu kimia. Tabel 2.1 menunjukkan massa dan muatan ketiga partikel dasar tersebut.

Table 2.1 Massa dan Muatan Partikel Subatomik

Partikel Subatomik Massa (g)

Muatan Coulomb ^Satuan Muatan Elektron * 9,10938 x 10-28 ‒ 1,6022 x 10-19 ‒ 1 Proton 1,67262 x 10-24 + 1,6022 x 10-19 + 1 Neutron 1,67493 x 10-24 0 0

* Penelitian yang lebih teliti memberikan nilai yang lebih akurat terhadap massa elektron dibandingkan Millikan.