Materi Teori Atom: Kelemahan Dapat Menjadi Dasar Teori Penemuan?

Pernahkan Anda melihat garam yang ditumbuk halus? Coba Anda pikirkan, bagaimana jika garam ditumbuk terus menerus hingga memiliki ukuran yang sangat kecil, apakah rasa dari garam tersebut akan tetap asin? Begitu pula jika butir-butir garam tersebut dilarutkan ke dalam air, apakah rasanya akan tetap asin? Pemikiran seperti inilah yang menjadi salah satu dasar mengapa teori atom terus menerus mengalami perkembangan. Butir-butir garam yang paling kecil ini semula disebut sebagai partikel. Dengan demikian, suatu materi garam yang kita kenal terdiri dari gabungan beberapa partikel yang tidak terhitung jumlahnya. Oleh karena partikel-partikel garam terdiri dari satu kesatuan maka setiap materi terdiri atas bagian-bagian yang tidak bersinambung (diskontinu).

Perkembangan ini dimulai sekitar 300 - 400 SM, dimana dua orang filsuf Yunani Kuno yang bernama Aristoteles (384 - 322 SM) dan Democritos (450 - 370 SM) mengemukakan teori tentang materi dengan pernyataan yang berlawanan. Aristoteles menyatakan bahwa materi merupakan segala sesuatu yang bersifat kontinu, yakni dapat dibelah atau dibagi terus menerus sampai tidak terhitung jumlahnya. Sedangkan Democritos menyatakan bahwa materi bersifat diskontinu, yaitu suatu materi dapat dibagi lagi atas bagian-bagian yang lebih kecil sampai pada keadaan yang paling kecil yang tidak dapat dibagi lagi. Suatu materi yang tidak dapat dibagi lagi ini disebut atom, yang berasal dari kata atomos dalam bahasa Yunani, artinya tidak dapat dibagi lagi. Sebelumnya Leokipos yang merupakan salah seorang murid Democritos mengungkapkan gagasan bahwa di dalam alam semesta ini hanya ada ruangan yang berisi atom-atom. Selama belasan abad kemudian, teori atom ini tidak mengalami perkembangan karena adanya kepercayaan orang terhadap Aristoteles yang tidak membenarkan konsep tersebut.

1. Teori John Dalton (1766 - 1844)

Sekitar abad ke 18, seorang ilmuwan yang bernama John Dalton melakukan percobaan-percobaan dengan menerangkan reaksi-reaksi kimia antara zat-zat sebagai penunjang perkembangan tentang teori atom. Teori ini didasarkan pada dua hukum, yaitu hukum kekekalan massa (hukum Lavoisier) dan hukum perbandingan tetap (hukum Proust). Lavoisier menyatakan bahwa "Massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah sama". Adapun Proust menyatakan bahwa "Perbandingan massa unsur-unsur yang menyusun suatu senyawa adalah tetap". Dengan demikian melalui kedua hukum tersebut, teori atom menurut John Dalton adalah sebagai berikut.

1. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu materi yang tidak dapat dibagi lagi.

2. Atom digambarkan sebagai bola pejal.

3. Unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda.

4. Suatu atom tidak dapat diubah menjadi atom lain.

5. Gabungan dari atom-atom yang berasal dari unsur-unsur yang berbeda dapat bersenyawa membentuk molekul.

6. Atom-atom yang bersenyawa dalam molekul memiliki perbandingan yang sederhana dan jumlah massa keseluruhannya tetap.

7. Reaksi kimia yang terjadi merupakan pemutusan dan pembentukan ikatan antar atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Seiring dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, teori atom terus mengalami perkembangan secara bertahap sehingga dalam beberapa hal teori atom Dalton bertentangan dengan teori lain yang melibatkan berbagai fakta dan eksperimen. Dengan demikian adapun pertentangan yang termasuk ke dalam kelemahan dari teori atom Dalton yaitu:

1. Atom masih bisa terbagi lagi menjadi partikel-partikel yang lebih kecil karena terdiri atas berbagai partikel sub atom.

2. Atom-atom dari unsur yang sejenis belum tentu identik karena dapat memiliki massa yang berbeda (isotop) berdasarkan pada perbedaan jumlah neutron di dalam inti atomnya.  

3. Atom dapat diubah menjadi atom lain melalui reaksi nuklir.

4. Tidak semua unsur terdiri atas atom-atom, melainkan ada pula yang terdiri atas molekul-molekul yang sejenis dengan jumlah tertentu.

Meskipun teori atom Dalton memiliki banyak kelemahan, namun melalui hal tersebut minat para ilmuwan untuk melakukan penelitian lebih lanjut mengenai model atom akan terus meningkat sehingga teori mengenai atom akan terus mengalami perkembangan secara bertahap.

2. Teori Atom J.J. Thompson (1856-1940) 

Pada tahun 1886 Eugene Goldstein melakukan penemuan terhadap materi bermuatan positif sebagai berkas sinar anode atau sinar kanal atau sinar terusan yang dapat dibelokkan oleh medan listrik menuju arah kutub negatif sehingga diidentifikasikan sebagai proton. Kemudian J.J. Thompson (1897) melakukan penelitian lebih lanjut mengenai sinar katode dapat dipastikan bahwa sinar katode merupakan partikel penyusun atom yang bermuatan negatif, sebab diantara katode dan anode terdapat baling-baling yang dapat memutar, dan kemudian pada tahun 1926 disusul oleh Chandwick dalam melakukan penemuan terhadap neutron. Dengan demikian ketiga penemuan tersebut menjadi dasar bagi para ilmuwan untuk menunjukkan bahwa sebagian dari teori aton Dalton mengalami kekeliuran. Melalui penemuan elektron, Thomson memperbaiki kelemahan dari teori atom Dalton dengan menyusun teori model atom roti kismis yang menyatakan bahwa, "Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dimana di dalamnya terdapat elektron yang bermuatan negatif." Teori model atom ini juga dapat digambarkan seperti jambu biji yang sudah dilepas kulitnya. Elektron yang tersebar digambarkan melalui biji jambu yang tersebar merata dalam daging jambu yang pejal, sehingga model atom Thompson ini juga dianalogikan sebagai bola positif yang pejal.

Melalui teori tersebut adapun kelebihan dan kekurangan dari teori model atom Thompson adalah sebagai berikut.

1. Kelebihan

Memperbaiki teori atom Thompson dengan pembuktian bahwa terdapat partikel lain dalam atom yang bermuatan negatif dalam atom.  

2. Kelemahan

Belum menjelaskan susunan muatan positif dan negatif yang terkandung di dalamnya.

3. Teori Atom Rutherford (1909)

Pada tahun 1909, posisi proton dalam suatu atom menjadi lebih jelas oleh karena dua orang mahasiswa di bawah bimbingan Ernest Rutherford melakukan suatu percobaan yang bernama Percobaan Hamburan Partikel α. Suatu partikel α yang bermuatan positif dari sumber radioaktif ditembakkan melalui keping logam emas (Au) yang sangat tipis, kemudian di belakang Au foil diletakkan layar fluresen untuk mendeteksi hamburan partikel α. Gejala yang diamati dari percobaan tersebut adalah sebagian besar berkas partikel α terdeteksi diteruskan menembus foil tipis Au yang disebabkan oleh tumbukan antara partikel α dengan partikel lain yang memiliki kerapatan tinggi dan bermuatan positif. Akibatnya, sebagian partikel  dibelokkan karena terdapat penolakan yang muatannya sama. Selain itu, sebagian terkecil dari partikel α dipantulkan kembali, sehingga menurut Rutherford gejala ini menunjukkan bahwa terdapat ruang kosong dari bagian atom yang terbesar.

Berdasarkan hasil percobaan tersebut, Rutherford pada tahun 1911 menyimpulkan bahwa:

1. Atom terdiri atas inti atom sebagai pusat atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif.

2. Atom bersifat netral karena jumlah elektron dalam atom yang sama dengan jumlah proton di dalam inti atom dan sesuai dengan nomor atomnya.

3. Massa elektron sangat kecil dibandingkan massa inti atom sehingga massa atom terpusat pada intinya.

Teori atom Rutherford mengandung kelebihan dan kelemahan yang paling mendasar yakni sebagai berikut.

1. Kelebihan

Dapat menyusun hipotesa bahwa atom terdiri atas inti atom sebagai pusat atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif.

2. Kelemahan

Pertama, belum dapat menjelaskan tentang energi yang bisa dilepaskan dalam bentuk cahaya, karena dalam percepatan tetap setiap kali perputaran elektron terjadi penarikan elektron oleh karena elektron kehilangan energi, sehingga timbul gerakan yang berbentuk spiral dan diakhiri dengan jatuhnya elektron ke inti. Padahal kenyataannya atom bersifat stabil. Kedua, belum dapat menjelaskan mengapa sprektrum atom bukan sprektum kontinyu melainkan sprektrum garis. Berdasarkan dengan teori mekanika klasik yang menyatakan bahwa elektron yang bergerak akan mengalami perlambatan sebab terjadi pemancaran energi dalam bentuk radiasi yang bersifat kontinyu. 

4. Teori Atom Bohr (1913)

Pada tahun 1913, seorang ahli fisika berkebangsaan Denmark memperbaiki teori atom Rutherford dengan berusaha menjelaskan sprektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom hidrogen dan kestabilan atom melalui 2 postulat Bohr yaitu:

1. Elektron hanya mengelilingi orbit tertentu tanpa membebaskan atau melepaskan energi. Pada kondisi tersebut, elektron dalam keadaan stasioner (diam) dan dikatakan berada pada tingkat energi dasar.

2. Penyerapan energi foton dapat terjadi apabila elektron berpindah ke orbit dengan tingkat energi yang lebih tinggi (tereksitasi) agar elektron berpindah ke lintasan yang lebih luar. Sedangkan pelepasan energi dapat terjadi apabila elektron berpindah ke orbit yang memiliki tingkat energi lebih rendah (terdeeksitasi). Energi yang diserap atau dilepaskan dapat memenuhi persamaan Planck:

Pada tingkat energi tertentu, elektron berada di dalam orbitnya yang merupakan kulit atom. Semakin jauh kulit atom terhadap inti semakin tinggi tingkat energinya. Kemudian nilai  berdasarkan dengan warna garis sprektrum atom dan sprektrum atom yang mempunyai satu atau lebih garis sprektrum (kecuali bersifat diskret) juga dikatakan sebagai salah satu karakteristik atom. Melalui hal tersebut adapun kelebihan dan kelemahan dari teori atom Bohr yaitu:

1. Kelebihan

Mampu meramalkan garis-garis sprektrum dalam atom hidrogen dan mampu menemukan sekumpulan garis halus khususnya dalam keadaan tereksitasi.

2. Kelemahan

Hanya mampu meramalkan garis sprektrum atom hidrogen dan belum bisa menjelaskan struktur halus pada sprektrum.

5. Teori Atom Mekanika Kuantum

Pada tahun 1926 teori atom kembali dikembangkan dengan nama model atom Mekanika Kuantum. Model atom mekanika kuantum memiliki 3 azas, yaitu:

1. Azas Ketidakpastian Heisenberg: "Kedudukan dan momentum elektron secara serentak selalu menghasilkan ketidakpastian yang lebih besar dari Konstanta Planck".

2. Azas De Broglie: "Orbit suatu partikel dapat ditentukan melalui suatu gelombang".

3. Azas Schrodinger: "Distribusi elektron di luar inti atom dalam ruang tiga dimensi dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi gelombang".

Melalui pernyataan ketiga azas tersebut, model atom mekanika kuantum memiliki beberapa ciri khas, yaitu:

1. Lintasan elekron tidak stasioner melainkan gerakan elektron memiliki sifat gelombang, sehingga mengikuti penyelesaian kuadrat fungsi gelombang yang disebut orbital (kebolehjadian tertinggi ditemukannya suatu elektron dalam suatu atom).

2. Bentuk dan ukuran orbital didasarkan atas harga dari ketiga bilangan kuantumnya.

3. Posisi elektron yang dinyatakan sejauh 0,529 Amstrong merupakan suatu ketidakpastian, tetapi merupakan kebolehjadian ditemukannya elektron.

Meskipun dinyatakan sebagai teori atom Modern, namun teori atom mekanika kuantum masih memiliki beberapa kelebihan dan kelemahan, yaitu:

1. Kelebihan

Dapat menyempurnakan teori atom Bohr dengan pernyataan gerakan elektron memiliki sifat gelombang yang dapat diselesaikan dengan persamaan kuadrat fungsi gelombang oleh Schrodinger.

2. Kelemahan

Persamaan fungsi gelombang Schrodinger hanya mampu diterapkan secara eksak untuk partikel dalam kotak dan atom dengan elektron tunggal.

Berdasarkan kelima teori atom tersebut dapat disimpulkan bahwa teori atom terus menerus mengalami perkembangan yang didasarkan atas kelemahan dari masing-masing teori atom. Pada dasarnya untuk membuktikan suatu kebenaran teori diperlukan ada suatu konsistensi yang didukung dengan fakta yang diperoleh melalui beberapa percobaan, sehingga seiring dengan berkembangnya jaman, ilmu pengetahuan dan teknologi akan terus berkembang dengan demikian segala bentuk pembuktian teori juga akan semakin berkembang dalam menemukan suatu teori yang lebih disempurnakan.