Sejarah Lengkap Perkembangan Teori Model Atom

Pernahkah Anda berpikir bagaimana seandainya sebuah kayu dipotong menjadi dua, kemudian setiap bagian dipotong lagi menjadi dua, kemudian setiap bagian yang kecil dipotong menjadi dua lagi, dan seterusnya sampai bentuk yang terkecil. Kira-kira apa yang akan Anda peroleh? Nah, seperti itulah juga semua zat yang ada di dunia ini yang juga tersusun atas partikel-partikel paling kecil yang menyusun zat yang lebih besar. Partikel terkecil yang menyusun setiap zat di dunia ini oleh para ilmuwan dikenal dengan sebutan atom.

Sejak dahulu kala pertama manusia berpikir tentang zat penyusun setiap materi, kemudian dirumuskannya teori atom dan sampai sekarang di zaman yang serba canggih ini, keberadaan atom sudah diterima semua orang, tetapi bagaimana bentuk sebenarnya atom tersebut serta penyusunnya belum diketahui secara pasti. Para ahli hanya mereka-reka berdasarkan pengamatan di laboratorium terhadap gejala yang ditimbulkan jika suatu materi diberi perlakukan tertentu. Dari pengamatan gejala-gejala tersebut para ahli kemudian membuat teori tentang atom dan memperkirakan bentuk atom tersebut yang dikenal dengan sebutan model atom. Model-model atom yang diusulkan oleh para ahli mengalami per-kembangan sampai sekarang dan akan terus berkembang seiring dengan semakin canggihnya instrumen laboratorium yang ditopang oleh kemajuan iptek yang luar biasa.

Meskipun kami hanya akan membahas teori model atom yang dimulai tahun 1800-an, akan tetapi gagasan mengenai atom sudah ada jauh sebelumnya. Kata ‘atom’ sebenarnya berasal dari Bahasa Yunani Kuno dan secara kasar diterjemahkan sebagai ‘tidak dapat dibagi’, diciptakan oleh para filsuf Yunani yaitu Leucippus dan muridnya Democritus (sekitar 460 – 370 SM). Walaupun ide-ide mereka tentang atom tidak sempurna dibandingkan dengan konsep-konsep kita saat ini, mereka mnguraikan bahwa atom tidak terbatas jumlahnya, tidak tercipta, dan abadi, dan bahwa kualitas suatu benda dihasilkan dari jenis atom yang menyusunnya.

Para ilmuan Yunani ini membayangkan atom memiliki bentuk yang bervariasi tergantung pada jenis materialnya. Mereka membayangkan atom besi memiliki kait yang mengunci setiap atom penyusunnya secara bersama-sama, menjelaskan mengapa besi adalah padatan pada suhu kamar. Atom-atom air halus dan licin, menjelaskan mengapa air adalah cairan pada suhu kamar dan dapat dialirkan. Meskipun kita sekarang tahu bahwa ini tidak terjadi, ide-ide mereka meletakkan dasar bagi model atom masa depan.

Model Atom Dalton

John Dalton (1766-1844) ialah seorang guru SMA di Manchester, Inggris. Ia terkenal karena teorinya yang membangkitkan kembali istilah “atom”. Dalam buku karangannya yang berjudul New System of Chemical Philosophy ia berhasil merumuskan hal tentang atom sekitar tahun 1803. Sumbangan Dalton merupakan keunikan dari teorinya yang meliputi dua hal: 

1. Dia adalah orang pertama yang melibatkan kejadian kimiawi seperti halnya kejadian fisis dalam merumuskan gagasannya tentang atom.
2. Dia mendasarkan asumsinya pada data kuantitatif, tidak menggunakan pengamatan kualitatif atau untung-untungan.

Teori atom Dalton dikemukakan berdasarkan dua hukum, yaitu hukum kekekalan massa dan hukum perbandingan tetap. Teori atom Dalton dikembangkan selama periode 1803-1808, sebagai berikut :

1. Materi tersusun atas partikel-partikel terkecil yang disebut atom. 
2. Atom-atom penyusun unsur bersifat identik (sama dan sejenis).
3. Atom suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain.
4. Senyawa tersusun atas 2 jenis atom atau lebih dengan perbandingan tetap dan tertentu.
5. Pada reaksi kimia terjadi penataulangan atom-atom yang bereaksi. Reaksi kimia terjadi karena pemisahan atom-atom dalam senyawa untuk kemudian bergabung kembali membentuk senyawa baru.

Dalam perkembangannya tidak semua teori atom Dalton benar, karena pada tahun 1897 J.J.Thomson menemukan partikel bermuatan listrik negatif yang kemudian disebut elektron. Tahun 1886 Eugene Goldstein menemukan partikel bermuatan listrik positif yang kemudian disebut proton. Dan tahun 1932 James Chadwick berhasil menemukan neutron. Salah satu hipotesis Dalton adalah reaksi kimia dapat terjadi karena penggabungan atom-atom atau pemisahan gabungan atom. Misalnya, logam natrium bersifat netral dan reaktif dengan air dan dapat menimbulkan ledakan. Jika logam natrium direaksikan dengan gas klorin yang bersifat racun dan berbau merangsang, maka akan dihasilkan NaCl yang tidak reaktif terhadap air, tidak beracun, dan tidak berbau merangsang seperti logam natrium dan gas klorin. Karena ada banyak hal yang tidak dapat diterangkan oleh teori atom Dalton, maka para ilmuwan terdorong untuk melakukan penyelidikan lebih lanjut tentang rahasia atom.

Model Atom Thompson

Pada tahun 1897 J. J. Thompson menemukan elektron. Berdasarkan penemuannya tersebut, kemudian Thompson mengajukan teori atom baru yang dikenal dengan sebutan model atom Thompson. Menurut Thomson, atom berbentuk bulat di mana muatan listrik positif yang tersebar merata dalam atom dinetralkan oleh elektron-elektron yang berada di antara muatan positif. Elektron-elektron dalam atom diumpamakan seperti butiran kismis dalam roti, maka Teori Atom Thomson juga sering dikenal Teori Atom Roti Kismis.

Model Atom Rutherford 

Antoine Henri Becquerel (1852-1908), seorang ilmuwan dari Perancis pada tahun 1896 menemukan bahwa uranium dan senyawa-senyawanya secara spontan memancarkan partikel-partikel. Partikel yang dipancarkan itu ada yang bermuatan listrik dan memiliki sifat yang sama dengan sinar katode atau elektron. Unsur-unsur yang memancarkan sinar itu disebut unsur radioaktif, dan sinar yang dipancarkan juga dinamai sinar radioaktif. Ada tiga macam sinar radioaktif, yaitu: 

1. sinar alfa (α), yang bermuatan positif
2. sinar beta (β), yang bermuatan negatif
3. sinar gama(γ), yang tidak bermuatan 

Percobaan Rutherford menembakkan sinar alfa pada lempengan emas tipis. Ilustrasi yang diperbesar dari partikel alfa yang menembus dan dibelokkan inti atom.

Sinar alfa dan beta merupakan radiasi partikel. Setiap partikel sinar alfa bermuatan +2 dengan massa 4 sma, sedangkan partikel sinar beta sama dengan elektron, bermuatan –1 dan massa 1/1.840 sma (dianggap sama dengan nol). Adapun sinar gama adalah radiasi elektromagnet, tidak bermassa, dan tidak bermuatan.

Pada tahun 1908, Hans Geiger dan Ernest Marsden yang bekerja di laboratorium Rutherford melakukan eksperimen dengan menembakkan sinar alfa (sinar bermuatan positif) pada pelat emas yang sangat tipis. Sebagian besar sinar alfa itu berjalan lurus tanpa gangguan, tetapi sebagian kecil dibelokkan dengan sudut yang cukup besar, bahkan ada juga yang dipantulkan kembali ke arah sumber sinar. Dari hasil percobaan kedua asistennya itu, Ernest Rutherford menafsirkan sebagai berikut. 

1. Sebagian besar partikel sinar alfa dapat menembus pelat karena melalui daerah hampa. 
2. Partikel alfa yang mendekati inti atom dibelokkan karena mengalami gaya tolak inti.
3. Partikel alfa yang menuju inti atom dipantulkan karena inti bermuatan positif dan sangat massif.

Beberapa tahun kemudian, yaitu tahun 1911, Ernest Rutherford mengungkapkan teori atom modern yang dikenal sebagai model atom Rutherford. 

1. Atom tersusun dari:
   Inti atom yang bermuatan positif.
   Elektron-elektron yang bermuatan negatif dan mengelilingi inti.
2. Semua proton terkumpul dalam inti atom, dan menyebabkan inti atom bermuatan positif. 
3. Sebagian besar volume atom merupakan ruang kosong. Hampir semua massa atom terpusat pada inti atom yang sangat kecil. Jari-jari atom sekitar 10^–10 m, sedangkan jari-jari inti atom sekitar 10^–15 m.
4. Jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah elektron yang mengelilingi inti, sedangkan atom bersifat netral.

Kelemahan teori atom Rutherford: 

1. Tidak dapat menjelaskan bahwa atom bersifat stabil. Teori atom Rutherford bertentangan dengan Hukum Fisika Maxwell. Jika partikel bermuatan negatif (elektron) bergerak mengelilingi partikel bermuatan berlawanan (inti atom bermuatan positif), maka akan mengalami percepatan dan memancarkan energi berupa gelombang elektromagnetik. Akibatnya energi elektron semakin berkurang. Jika demikian halnya maka lintasan elektron akan berupa spiral. Pada suatu saat elektron tidak mampu mengimbangi gaya tarik inti dan akhirnya elektron jatuh ke inti. Sehingga atom tidak stabil padahal kenyataannya atom stabil.
2. Tidak dapat menjelaskan bahwa spektrum atom hidrogen berupa spektrum garis (diskrit/diskontinu). Jika elektron berputar mengelilingi inti atom sambil memancarkan energi, maka lintasannya berbentuk spiral. Ini berarti spektrum gelombang elektromagnetik yang dipancarkan berupa spektrum pita (kontinu) padahal kenyataannya dengan spektrometer atom hidrogen menunjukkan spektrum garis.”

Model Atom Niels Bohr

Dilihat dari kandungan energi elektron, ternyata model atom Rutherford mempunyai kelemahan. Ketika elektron-elektron mengelilingi inti atom, mereka mengalami percepatan terus-menerus, sehingga elektron harus membebaskan energi. Lama kelamaan energi yang dimiliki oleh elektron makin berkurang dan elektron akan tertarik makin dekat ke arah inti, sehingga akhirnya jatuh ke dalam inti. Tetapi pada kenyataannya, seluruh elektron dalam atom tidak pernah jatuh ke inti. Jadi, model atom Rutherford harus disempurnakan. 

1. Dua tahun berikutnya, yaitu pada tahun 1913, seorang ilmuwan dari Denmark yang bernama Niels Henrik David Bohr (1885- 1962) menyempurnakan model atom Rutherford. Model atom yang diajukan Bohr dikenal sebagai model atom Rutherford-Bohr, yang dapat diterangkan sebagai berikut. Elektron-elektron dalam atom hanya dapat melintasi lintasan-lintasan tertentu yang disebut kulit-kulit atau tingkat-tingkat energi, yaitu lintasan di mana elektron berada pada keadaan stationer, artinya tidak memancarkan energi. 
2. Kedudukan elektron dalam kulit-kulit, tingkat-tingkat energi dapat disamakan dengan kedudukan seseorang yang berada pada anak-anak tangga. Seseorang hanya dapat berada pada anak tangga pertama, kedua, ketiga, dan seterusnya, tetapi ia tidak mungkin berada di antara anak tangga-anak tangga tersebut. 

Model atom Bohr tersebut dapat dianalogkan seperti sebuah tata surya mini. Pada tata surya, planet-planet beredar mengelilingi matahari. Pada atom, elektron-elektron beredar mengelilingi atom, hanya bedanya pada sistem tata surya, setiap lintasan (orbit) hanya ditempati 1 planet, sedangkan pada atom setiap lintasan (kulit) dapat ditempati lebih dari 1 elektron. 

Dalam model atom Bohr ini dikenal istilah konfigurasi elektron, yaitu susunan elektron pada masing-masing kulit. Data yang digunakan untuk menuliskan konfigurasi elektron adalah nomor atom suatu unsur, di mana nomor atom unsur menyatakan jumlah elektron dalam atom unsur tersebut. Sedangkan elektron pada kulit terluar dikenal dengan sebutan elektron valensi. Susunan elektron valensi sangat menentukan sifat-sifat kimia suatu atom dan berperan penting dalam membentuk ikatan dengan atom lain. 

Untuk menentukan konfigurasi elektron suatu unsur, ada beberapa patokan yang harus selalu diingat, yaitu: 

1. Dimulai dari lintasan yang terdekat dengan inti, masing-masing lintasan disebut kulit ke-1 (kulit K), kulit ke-2 (kulit L), kulit ke-3 (kulit M), kulit ke-4 (kulit N), dan seterusnya. 
2. Jumlah elektron maksimum (paling banyak) yang dapat menempati masing-masing kulit adalah:
   2n²
   dengan n = nomor kulit Kulit K dapat menampung maksimal 2 elektron. Kulit L dapat menampung maksimal 8 elektron. Kulit M dapat menampung maksimal 18 elektron, dan seterusnya.
3. Kulit yang paling luar hanya boleh mengandung maksimal 8 elektron. 

Kelemahan teori atom Bohr: 

1. Hanya mampu menjelaskan spektrum atom hidrogen tetapi tidak mampu menjelaskan spektrum atom yang lebih kompleks (dengan jumlah elektron yang lebih banyak). 
2. Orbit/kulit elektron mengelilingi inti atom bukan berbentuk lingkaran melainkan berbentuk elips.
3. Bohr menganggap elektron hanya sebagai partikel bukan sebagai partikel dan gelombang, sehingga kedudukan elektron dalam atom merupakan kebolehjadian.

Model Atom Schrodinger

Setelah penemuan model atom oleh Bohr dianggap memiliki beberapa kelemahan antara lain : Teori atom Bohr hanya dapat menerangkan spektrum atom yang sederhana, misal Hidrogen, dan tidak dapat menerangkan yang lebih rumit (nomor atom > 1), Teori Bohr tidak dapat menjelaskan pengaruh medan magnet dalam atom hidrogen.

Oleh karena itu, tidak mungkin membayangkan elektron beredar mengitari inti menurut suatu orbit berbentuk lingkaran dengan jari- jari tertentu. Pada titik ini, banyak ilmuwan sedang menyelidiki dan mencoba mengembangkan model kuantum atom. Salah satu ilmuawan yang terdepan untuk meneliti masalah ini adalah fisikawan asal Austria bernama Erwin Schrödinger. 

Pada tahun 1926 Erwin Schrodinger mengajukan teori yang disebut teori atom mekanika kuantum ”Kedudukan elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti yang dapat ditentukan adalah kemungkinan menemukan elektron sebagai fungsi jarak dari inti atom”.

Daerah dengan kemungkinan terbesar ditemukan elektron disebut orbital. Orbital digambarkan berupa awan, yang tebal tipisnya menyatakan besar kecilnya kemungkinan ditemukan elektron di daerah tersebut. Kemudian Werner Heisenberg mengemukakan bahwa metode eksperimen yang digunakan untuk menemukan posisi atau momentum suatu partikel seperti elektron dapat menyebabkan perubahan, baik pada posisi, momentum atau keduanya.

Teori Schrodinger dan prinsip ketidakpastian Heisenberg melahirkan model atom mekanika kuantum sebagai berikut: Posisi elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti, Atom mempunyai kulit elektron, Setiap kulit elektron memiliki subkulit elektron, Setiap subkulit elektron memiliki sub-sub kulit elektron.