Setelah Einstein menerbitkan makalah ilmiahnya tentang efek fotolistrik yang membuktikan bahwa kuanta yang dihipotesiskan Planck itu nyata, maka selanjutnya, Niels Bohr menjadi orang pertama yang menggunakan hipotesis kuantum dalam mengembangkan teori (model) atom. Bohr mengusulkan model atom-nya pada tahun 1913 sebagai pengembangan atau perbaikan terhadap model atom sebelumnya yang diusulkan pada tahun 1911 oleh Ernest Rutherford; seorang fisikawan Inggris kelahiran Selandia Baru.
Dari hasil eksperimennya, Rutherford menetapkan bahwa atom terdiri dari awan elektron bermuatan negatif yang mengelilingi inti yang kecil, padat dan bermuatan positif. Jadi, dalam model atom Rutherford struktur sebuah atom menyerupai tata surya dalam skala mikro dengan inti atom yang bermuatan positif bertindak sebagai Matahari, sedangkan elektron yang bermuatan negatif bergerak mengelilingi inti atom seperti planet. Meskipun model atom Rutherford didasarkan oleh hasil eksperimen, model ini memiliki kelemahan yaitu tidak bisa menjelaskan kestabilan atom.
Menurut hukum elektrodinamika klasik, elektron yang bergerak mengelilingi inti atom akan memancarkan gelombang elektromagnetik. Oleh karena itu, energi elektron akan terus menerus berkurang seiring waktu sehingga setelah kehilangan seluruh energinya elektron akan jatuh ke inti atom. Dapat dikatakan bahwa model atom ini memprediksikan ketidakstabilan atom. Hal ini berbanding terbalik dengan fakta eksperimen bahwa elektron tidak pernah jatuh ke inti atom; atau atom bersifat stabil.
Kelemahan berikutnya dari model atom Rutherford adalah dalam proses berputarnya elektron menuju inti atom, frekuensi emisi atau pancaran radiasi elektromagnetik akan terus meningkat dikarenakan jarak elektron ke inti atom semakin pendek. Sederhananya, atom akan terus memancarkan dan meningkatkan frekuensi radiasi elektromagnetiknya setiap saat selama elektron bergerak melingkar dari posisi awalnya menuju inti atom. Hal ini jelas bertentangan dengan hasil eksperimen yang menunjukkan bahwa atom hanya akan memancarkan radiasi elektromagnetik pada frekuensi diskrit tertentu.
Untuk memperbaiki model atom Rutherford, Bohr kemudian mendalilkan 3 postulat. Pertama, ia mendalilkan bahwa sebuah elektron hanya dapat berada dalam satu set orbit diskrit yang disebutnya sebagai keadaan stasioner. Ini berbeda dengan apa yang disarankan oleh teori klasik dimana elektron memiliki jumlah orbit yang tak terbatas. Bohr berasumsi bahwa hukum gerak Newton, yang begitu berhasil menghitung lintasan planet-planet mengelilingi Matahari, dapat diterapkan juga pada elektron yang mengorbit inti. Gaya pada elektron (analog gaya gravitasi antara Matahari dan planet) adalah gaya tarik elektrostatik antara inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif. Dengan asumsi sederhana ini, Bohr menunjukkan bahwa jika elektron berada pada orbit stasioner maka elektron tidak akan memancarkan atau menyerap energi seperti saran dari teori elektromagnetisme klasik.
Kedua, orbit yang diijinkan (orbit stasioner) adalah orbit yang momentum sudut elektronnya merupakan kelipatan bilangan bulat dari konstanta Planck. Lintasan orbit elektron ini dikenal sebagai kulit elektron atau tingkat energi elektron. Dengan menggunakan postulat ini dalam perhitungan, maka diperoleh jari-jari dari orbit terendah atau jarak paling dekat antara elektron dan inti atom adalah sebesar 0,0529 nm. Radius ini dikenal sebagai jari-jari (radius) Bohr, dan menjadi jarak terdekat antara elektron dan inti atom. Jadi, elektron tidak akan pernah jatuh ke inti atom.
Ketiga, elektron hanya akan memancarkan atau menyerap energi jika elektron melompat dari orbit stasioner-nya ke orbit diskrit (kulit elektron) yang lain. Ketika elektron berpindah dari jari-jari orbit yang lebih jauh ke jari-jari orbit yang lebih pendek, maka akan disertai dengan pemancaran energi elektron. Sebaliknya, perpindahan elektron dari orbit rendah ke orbit tinggi akan membuat elektron menyerap energi.
Berdasarkan perhitungan menggunakan gaya Coulomb yang juga bersesuaian dengan hukum Newton pada postulat pertama, ditambah faktor momentum sudut terkuantisasi pada postulat kedua, maka diperoleh bahwa jari-jari elektron tidak dapat bernilai sembarang. Hal ini berarti bahwa jari-jari orbit elektron memiliki nilai atau panjang jarak tertentu hasil dari kuadrat bilangan bulat dan radius Bohr. Artinya, jari-jari atom atau lintasan elektron terkuantisasi.
Dalam teori klasik, ketika elektron bergerak mengitari atom dan kehilangan energinya maka jarak elektron (jari-jari atom) ke inti atom akan berkurang secara berkala. Akibatnya, lintasan orbit akan membentuk lintasan spiral. Sebaliknya, jika kita menggunakan teori atom Bohr, maka ketika elektron bergerak menuju inti atom, elektron hanya akan melompat dari kulit elektron (orbit) yang lebih jauh ke kulit elektron (orbit) yang lebih dekat ke inti. Jadi, jari-jari orbit elektron akan lebih pendek namun masih dalam orbit melingkar, bukan spiral.
Terlepas dari keberhasilannya dalam menerapkan konsep kuantum dalam model atom, teori atom Bohr hanya berlaku baik secara teoritis maupun eksperimen pada jenis atom tunggal seperti Hidrogen yang hanya memiliki satu elektron. Model atom Bohr gagal ketika diperluas untuk mengkaji atom atau molekul yang memiliki banyak elektron (multi elektron).
Baca juga:
- Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Efek Fotolistrik
- Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Radiasi Benda Hitam
- Mengenal fisika kuantum
- Dimensi Ekstra dalam ilmu fisika
- Apa itu teori string ?
- Mengenal gravitasi
