Teori Atom: Dalton, Thomson, Rutherford, Niels Bohr, Mekanika Kuantum

Atom didefinisikan secara sederhana sebagai partikel terkecil dari suatu unsur. Atom dari unsur-unsur yang sama memiliki ukuran dan sifat yang sama, namun atom tersebut berbeda untuk unsur lainnya. Karena atom merupakan partikel yang sangat kecil, teori atom pun terus berkembang sesuai riset yang dilakukan.

Teori Atom Dalton

Penamaan atom sebenarnya tidak begitu asing meski baru mendapat perhatian yang sangat serius sekitar abad ke-18. Ilmuwan dan filsuf Yunani Kuno sendiri sudah mengemukakan bahwa materi dibuat dari partikel kecil yang sudah tidak bisa terbagi lagi yang dinamakan sebagai atom.

Selanjutnya ilmuwan John Dalton pun mengajukan postulat mengenai atom dalam teori atom Dalton yang didasarkan kepada berbagai penelitian terkait reaksi kimia zat yang banyak dilakukan ilmuwan pada masa itu:

1. Setiap unsur terdiri dari partikel yang tidak dapat terbagi lagi dan dinamakan atom
2. Setiap atom dari suatu unsur adalah identik. Sementara atom dari unsur berbeda memiliki karakteristik berbeda pula. Termasuk karakteristik yang berbeda adalah massanya
3. Atom dari sebuah unsur tidak bisa diubah menjadi atom unsur lainnya. Atom juga tidak bisa dimusnahkan atau diciptakan. Sementara reaksi kimia hanya berguna untuk menata ulang atom.
4. Senyawa terbentuk saat atom dari dua jenis unsur atau lebih saling bergabung berdasarkan perbandingan tertentu.

Teori Atom Thomson

Teori atom Dalton memiliki beberapa kelemahan seperti tidak bisa menjelaskan sifat listrik materi serta tidak bisa menjelaskan adanya gaya gabung unsur. Teori atom terus berkembang dengan ditemukannya elektron oleh J.J Thomson di tahun 1900.

Thomson menemukan elektron setelah melakukan percobaan mengenai hantaran listrik di dalam tabung hampa. Teori atom Thomson dikenal sebagai teori Roti Kismis. Berikut adalah postulat teori atom Thomson:

1. Atom adalah bola bermuatan positif yang pada lokasi tertentu memiliki elektron bermuatan negatif
2. Jumlah muatan positif pada atom sama dengan muatan negatifnya.

Teori Atom Rutherford

Teori atom pun semakin berkembang semenjak Ernest Rutherford di tahun 1911 mengemukakan model inti untuk suatu atom. Rutherford menggambarkan atom sebagai ruang kosong dengan inti padat mengandung muatan positif berada di pusatnya sementara elektron beredar mengelilingi inti pada orbitnya.

Ukuran atom sekitar 10ˉ⁸ cm sementara ukuran inti atom adalah 10ˉ¹³ cm.

Teori Atom Niels Bohr

Niels Bohr di tahun 1913 memanfaatkan teori kuantum untuk menjelaskan spektrum unsur. Niels Bohr menggunakan atom hidrogen sebagai pemodelan untuk teori model atomnya. Pemilihan atom hidrogen dikarenakan hidrogen memiliki atom paling sederhana yakni 1 proton dan 1 elektron.

Berdasarkan pengamatan Niels Bohr mengemukakan bahwa unsur-unsur menghasilkan spektrum garis yang mana di setiap unsurnya memiliki spektrum unik. Spektrum garis tersebut menunjukkan bahwa elektron pada atom hanya bisa beredar pada lintasan yang mempunyai tingkat energi tertentu.

Saat berada di lintasan tersebut, elektron akan beredar tanpa menyerap atau memancarkan energi. Lintasan elektron dalam bentuk lingkaran yang memiliki jari-jari tertentu atau dikenal sebagai kulit atom.

Saat kondisi normal, elektron akan mengisi kulit atom dari tingkat energi paling rendah yakni kulit K, L, M dan seterusnya. Kondisi elektron yang mengisi kulit dengan tingkat energi paling rendah disebut ground state atau tingkat dasar.

Saat atom memperoleh energi dari luar baik itu dengan diberi beda potensial, elektron akan menyerap energi sehingga berpindah ke kulit dengan tingkat energi lebih tinggi. Kondisi elektron yang menempati tingkat energi lebih tinggi dikenal sebagai kondisi tereksitasi (excited state).

Elektron yang berpindah dari tingkat energi lebih tinggi ke lebih rendah akan disertai oleh pelepasan energi yakni radiasi electromagnet. Sehingga elektron yang berpindah dari satu kulit ke kulit lain akan disertai oleh penyerapan atau pemancaran sejumlah energi yang nilai energi sama dengan selisih kedua tingkat energi:

ΔE = Ef – Ei

Keterangan:

ΔE = Energi yang menyertai perpindahan elektron (Joule)
Ef = Tingkat energi akhir (Joule)
Ei = Tingkat energi awal (Joule)

Rumusan Teori Atom Bohr

Niels Bohr selanjutnya merumuskan beberapa poin terkait percobaan teori atomnya:

1. Elektron bergerak mengelilingi inti atom melalui orbit atau lintasan tertentu dengan momen sudut merupakan kelipatan dari

2. Ketika elektron bergerak pada linstasannya, energi elektron bernilai tetap sehingga elektron tidak memancarkan energi
3. Ketika elektron bergerak mengelilingi inti, elektron bisa berpindah naik atau turun dari satu lintasan menuju lintasan lainnya.

Mengingat bahwa perpindahan elektron dari satu lintasan menuju lintasan lainnya memiliki energi yang sudah tertentu, sehingga radiasi yang dipancarkan oleh atom juga pada tingkat energi tertentu pula. Niels Bohr kemudian merumuskan persamaan jari-jari lintasan ke-n dalam atom hidrogen sebagai berikut:

r_n = n².a₀

Keterangan:

n = kulit atom ke-1, 2, 3 dan selanjutnya
a₀ = 0,53 Å (53 pm)
1 pm = 10ˉ¹² m

Untuk menghitung energi elektron pada lintasan tertentu ke-n menggunakan rumus berikut:

Rh = tetapan (2,179 x 10ˉ¹⁸ J)

Sayangnya, teori atom Niels Bohr yang diajukan tidak bisa digunakan untuk memperkirakan spektrum atom lainnya dengan elektron lebih dari satu. Meski begitu, teori atom Bohr cocok diterapkan untuk atom hidrogen.

Teori Atom Mekanika Kuantum

Berdasarkan teori fisika klasik dipahami bahwa partikel mempunyai momentum dan posisi yang jelas serta selalu mengikuti lintasan yang pasti. Namun, ketika diteliti lebih lanjut diketahui bahwa pada skala atomic, momentum dan posisi atom tidak bisa ditentukan dengan pasti.

Terkait teori mekanika kuantum ini sudah dijelaskan oleh ilmuwan Werner Heisenberg di tahun 1927 dan diberi nama Prinsip Ketidakpastian.

Heisenberg mengajukan teori bahwa metode eksperimen apapun yang digunakan untuk menentukan momentum dan posisi suatu partikel kecil akan menyebabkan perubahan pada kondisi atom baik itu momentum, posisi maupun keduanya.

Erwin Schrodinger di tahun 1927 kemudian mengajukan teori fungsi gelombang untuk mengetahui momentum dan juga posisi suatu elektron yang mempunyai sifat gelombang.

Model atom mekanika kuantum menjabarkan bahwa elektron di dalam atom akan menempati suatu ruang atau “awan” yang dinamakan sebagai orbital. Orbital merupakan ruang tempat elektron paling mungkin ditemukan. Beberapa orbital akan bergabung membentuk kelompok yang disebut sebagai subkulit.

Apabila orbital diibaratkan sebagai kamar elektron, maka subkulit dipandang sebagai rumah elektronnya. Saat subkulit bergabung akan membentuk kulit atau desa elektron.  Satu orbital hanya dapat menampung maksimal 2 elektron saja.

Hubungan Jumlah Elektron Maksimum, Orbital dan Subkulit

Teori atom terus mengalami penyempurnaan seiring dengan semakin berkembangnya peralatan penelitian dan juga pengetahuan. Pemahaman mengenai teori atom sangat penting mengingat aplikasi atom sangat luas di kehidupan modern hari ini.