Evolusi Teori Atom

0
1344
views

Pada anggaran anda sekarang, berapa besar kah atom itu sebenarnya? Cabut sehelai rambut anda dan lihat betapa nipisnya rambut itu. Purata rambut manusia adalah selebar 1 juta atom karbon. Maka jika rambut anda dibelah memanjang sebanyak 1000 kali, anda akan dapat sehelai rambut yang selebar atom karbon.

Konsep di mana setiap jirim di dunia terdiri daripada zarah yang kecil telah bertapak sejak zaman Yunani dan India purba lagi. Saya tak cukup ilmu untuk mengulas mengenai fahaman atomisme India purba tetapi apa yang saya tahu, fahaman tersebut bermula pada abad ke-4 sebelum masihi1. Atomisme Yunani pula, bermula seawal abad ke-5 sebelum masihi apabila Leucippus dan anak muridnya, Democritus mengusulkan bahawa semua jisim terdiri daripada zarah kecil yang tidak boleh dibahagikan2.

Atomon (Yunani: ἄτομον) bermaksud sesuatu yang tidak boleh dibahagikan; zarah tersebut merupakan zarah terkecil3. Tidak ada apa apa benda fizikal lagi yang lebih kecil daripadanya. Namun kemudian dengan penemuan kewujudan zarah subatom, atom bukan lagi zarah terkecil.

Walaupun kedengaran seperti idea Democritus ini satu idea yang sangat bernas, Democritus juga berpendapat jika anda memotong sebuah batu, berulang kali, anda akan tiba pada satu ketika hanya ada sebuah zarah yang tidak boleh dipotong lagi. Dan zarah tersebut mempunyai sifat seperti bahan asalnya, maka zarah besi berkilat, zarah batu keras dan kasar, zarah isi durian bersifat lembut serta mempunyai bau.  Kebanyakan ahli falsafah era tersebut menolak usul Democritus, seperti Aristotle yang berpendapat jirim diperbuat dari 4 unsur; api, air, angin dan tanah4.

Konsep atomisme juga wujud dalam tamadun islam, namun, semua konsep atomisme klasik tidak relevan dan tidak tuntas untuk membincangkan konsep atom secara saintifik. Hal ini kerana konsep atomisme klasik berasaskan falsafah dan agama yang tidak membincangkan atom dalam konteks sebenar sesuatu jirim. Atomisme klasik merupakan pendekatan falsafah kepada persoalan seperti berikut; 1) bagaimanakah semua benda tercipta? 2) semua benda (jirim) diperbuat daripada apa? Apa yang saya mahu tekankan di sini; atomisme klasik ialah ilmu falsafah, bukan ilmu saintifik yang dibuktikan melalui eksperimentasi dan bukti fizikal.

Gambar 1: Rekod kajian mengenai atom dalam buku John Dalton, A New System of Chemical Philosophy (1808)

Untuk hampir 2300 tahun, tiada pembaharuan dibuat pada konsep atom sehingga kemunculan pendekatan secara saintifik. John Dalton memperkenalkan hukum perbandingan berganda pada tahun 1808, yang menjadi asas analisis sebatian melalui sistem empirik5. Jika anda mempelajari ilmu kimia di sekolah menengah, anda mungkin biasa atau ingat eksperimen di mana anda membakar logam magnesium di dalam mangkuk pijar lalu menimbang perubahan jisim nya. Melalui perubahan jisim dan perkiraan melalui jisim molar atom anda akan mendapat bahawa pembakaran logam magnesium akan menghasilkan magnesium oksida dengan formula MgO.

John Dalton melalukan eksperimen dan mendapati bahawa jika 2 bahan melalui tindak balas dan menghasilkan 2 sebatian, gandaan bahan kedua dalam tindak balas tersebut dalam 2 produk reaksi tersebut sentiasa dalam gandaan nombor bulat. John Dalton membakar logam tin dan mendapat 2 sebatian, tin(II) oksida, SnO dan tin dioksida, SnO2. Nisbah oksigen diantara dua sebatian tersebut ialah 1:2, nisbah nombor bulat6.

Kesimpulannya, atom wujud dalam keadaan diskrit (tidak terbahagi, ketara wujud dalam keadaan satu persatu), dan jumlah atom dalam sebatian boleh diketahui melalui perkiraan empirik7. Berbeza dengan usul Democritus, John Dalton berpendapat bahawa atom berbentuk sfera, manakala Democritus tidak menyatakan bentuk atom, malah pendapat atomisme klasik menyatakan atom mempunyai pelbagai bentuk (kubik, pyramid, bercangkuk dan sebagainya).

Gambar 2: Model atom kubik

Model atom kubik diperkenalkan oleh Gilbert N. Lewis pada tahun 1902. Model ini hanya berasaskan konsep valens dimana ia menerangkan bagaimana sebatian kimia terbentuk8. Oleh sebab konsep valens membincangkan tahap kebolehan sesuatu atom membentuk sebatian, model atom kubik berfungsi sebagai hujah logik kepada proses pembentukan molekul yang diterangkan oleh Dalton. Model ini tidak bertahan lama apabila model yang lebih baik dibentuk, namun konsep valens kekal digunakan dalam penulisan struktur lewis9.

Gambar 3: Tiub sinar katod. Hak cipta tutorcircle.com
Gambar 4: Sinar katod terpesong ke arah sumber medan positif. Hak cipta tutorcircle.com

Untuk hampir 100 tahun, atom adalah zarah paling kecil, sehingga penemuan zarah subatom oleh J.J Thompson pada tahun 189710. Thompson menemukan zarah elektron dengan menggunakan alat tiub sinar katod, yang memancarkan sinar dari setiap hujung elektrod. Beliau mendapati sinar tersebut terpesong kearah sumber medan cas positif apabila sumber ini mendekati sinar tersebut. Dan sinar tersebut pula akan terpesong menjauhi sumber medan cas negatif. Ini menunjukkan bahawa sinar tersebut bercas negatif (cas yang sama akan saling menolak antara satu sama lain). Beliau kemudiannya mengira nisbah jisim kepada cas sinar tersebut dan mendapati bahawa jisim cas tersebut 1800 kali ganda lebih ringan daripada atom hidrogen, atom terkecil yang diketahui. Kesimpulan nya, 1) sinar tersebut terdiri dari zarah subatom, yang lebih kecil dari atom terkecil yang diketahui (hidrogen) 2) zarah atom boleh dibahagi kepada zarah subatom.

Gambar 5: Puding plum. Hak cipta milik Odlum Baking Club

Untuk menerangkan mengapa atom mempunyai cas keseluruhan yang neutral, Thompson mengusulkan model atom puding plum11. Model ini menunjukkan bahawa elektron yang bercas negatif berlegar di dalam medan bercas positif berbentuk sfera untuk membentuk sebuah atom.

Walaupun model Thompson kelihatan seperti idea yang tepat pada era itu, terdapat beberapa tentangan ditujukan terhadap model tersebut. Model ini tidak diterima secara universal. Sebagai contohnya, Hantaro Nagaoka, seorang ahli fizik Jepun, telah membangkang model Thompson, atas alasan bahawa cas bertentangan (positif dan negatif) tidak boleh menembusi antara satu sama lain. Atas hujah ini, elektron tidak boleh berada di dalam zarah positif. Malah Hantaro mengusulkan model atomnya sendiri yang digelar model Saturnian di mana elektron mengelilingi zarah bercas positif seperti gegelang planet Zuhal12.

Model atom oleh Thompson tidak bertahan lama di dunia saintifik yang giat berkembang, kerana, pada tahun 1909, anak muridnya Ernest Rutherford bekerjasama dengan Hans Geiger dan Ernest Marsden untuk membuat kajian melalui eksperimen kerajang emas Rutherford. Dalam eksperimen ini, Rutherford mengambil tugas menganalisis data manakala Geiger dan Marsden menjalankan eksperimen13. Eksperimen ini dijalankan dengan menembak zarah alfa ke arah kerajang emas dan menggunakan skrin pendarfluor untuk mengesan kemana arah zarah alfa itu terpesong. Sumber zarah alpha yang digunakan oleh Rutherford dan rakan seperjuangannya ialah radium, manakala bahan pendarfluor untuk mengesan pesongan zarah alfa ialah zink sulfida. Kerajang emas digunakan kerana emas mudah dibentuk kepada kerajang yang sangat nipis14.

Gambar 7: Susunan perkakasan eksperimen kerajang emas Rutherford. Gambar hak milik tutorvista.com

Eksperimen ini dilakukan untuk menguji ketepatan model puding plum Thompson yang diusulkan beberapa tahun sebelum itu. Jikalau benar struktur atom seperti model puding plum, zarah alfa semestinya menembusi kerajang emas tanpa apa pemesongan dalam arah pergerakannya. Dengan erti kata lain, zarah alfa sepatutnya bergerak lurus menembusi kerajang emas tersebut. Namun, hasil eksperimen menunjukkan bahawa walaupun lazimnya zarah alfa bergerak lurus, kadang kala zarah alfa terpesong malah ada yang terpantul kembali ke arah sumber zarah alfa. Rutherford membuat perkiraan dan mencapai kesimpulan bahawa cas positif atom kerajang emas mesti terkumpul di tengah atom tersebut15. Rutherford menamakan teras bercas positif ini sebagai nukleus. Pada waktu ini, nukleus masih dianggap sebagai satu objek, bukan terdiri dari proton dan neutron.

Gambar 8: Perbandingan hipotesis dan hasil eksperimentasi kajian struktur atom melalui eksperimen kerajang emas. Dalam model Thompson, zarah alfa sepatutnya sentiasa menembusi atom emas.

Pengetahuan kewujudan nukleus di teras sesebuah atom menghasilkan sebuah model atom yang baru. Model yang dipanggil model atom Rutherford ini menggambarkan struktur atom seperti berikut; elektron sesebuah atom mengelilingi nukleus yang bercas positif dan nukleus ini merangkumi sebahagian besar jisim atom tersebut16. Model ini mirip model saturnian yang diusulkan oleh Hantaro. Gambar thumbnail artikel ini menunjukkan model atom Rutherford. Model atom Rutherford ini kekal sebagai representasi yang ikonik untuk menggambarkan struktur atom.

Walau bagaimanapun, Rutherford tahu bahawa modelnya mempunyai beberapa masalah; 1) Model ini tidak menepati teori elektromagnetik klasik yang berkaitan dengan formula elektrodinamik Larmor17. Maka, model atom Rutherford tidak stabil. 2) Model tersebut tidak dapat menjelaskan mengapa sesebuah atom mempunyai garis spektra yang diskrit apabila dianalisis melalui spektroskop. Mengikut model Rutherford, atom mempunyai garis spektra yang berterusan, bukan diskrit.

Gambar 9: Pergerakan elektron (merah) akan bergerak menghampiri nukleus (biru) jika menepati formula elektrodinamik Larmor. Perlanggaran antara semua elektron dan nukleus akan membuatkan struktur atom musnah.

Niels Bohr telah memperbaharui model tersebut dengan menambah tafsiran kuantum kepada model Rutherford pada tahun 1913. Beliau menerangkan bahawa elektron dalam sesebuah atom mengorbit nukleus pada petala yang ditentukan oleh jumlah tenaga elektron tersebut. Petala ini sinonim dengan aras tenaga, maka sesebuah elektron yang mengorbit pada sesebuah petala tidak kehilangan tenaga (berada pada aras tenaga yang sama), berbeza dengan model Rutherford. Konsep ini membuatkan model atom Bohr stabil, jika dibandingkan dengan model Rutherford. Dalam konsep model atom Bohr, elektron hanya mampu berpindah kepada petala yang lain, dengan cara menyerap atau melepaskan tenaga gelombang elektromagnetik. Namun, tenaga ini perlu diserap atau dilepaskan dalam kuantiti yang tertentu; quanta18.

Gambar 10: Visual menunjukkan bagaimana konsep model atom Bohr berfungsi. Keserapan dan pelepasan tenaga elektromagnetik mengubah kedudukan elektron (kepada petala yang lain). Tanpa perubahan tenaga, elektron kekal di sesebuah petala.

Pada tahun 1917, Rutherford melakukan eksperimen dimana beliau membedil gas nitrogen menggunakan zarah alfa, dan mendapati hasil pembedilan melepaskan nuklei hidrogen19. Rutherford tahu bahawa cas positif semua atom jika dibahagikan dengan nombor bulat tertentu akan bersamaan dengan berat nuklei hidrogen. Dengan kata lain, nuklei hidrogen menjadi bahan binaan cas positif dalam semua atom. Pada 1920, nama nuklei hidrogen ditukarkan kepada proton20. Proton merupakan zarah bercas postitif yang diskrit dan boleh didapati di nukleus sesebuah atom. Proton bersamaan dengan nuklei hidrogen kerana nukleus atom hidrogen hanya mempunyai 1 proton tanpa neutron.

Pemerhatian kewujudan neutron pula telah dibuat pada tahun 1928 oleh Walter Bothe apabila beliau membedil atom beryllium menggunakan zarah alfa. Beliau mendapati bahawa apabila beryllium dibedil, radiasi bercas neutral (beliau beranggapan ianya adalah sinar gamma) dilepaskan21. 4 tahun kemudian, James Chadwick membuktikan radiasi yang diperhatikan Bothe sebenarnya adalah sejenis zarah, iaitu neutron22. Dmitri Ivanenko23 dan Werner Heisenberg24 membina model nukleus atom yang baru, di mana nukleus sesebuah atom merangkumi proton dan neutron.

Gambar 11: Nukleus sesebuah atom merangkumi proton dan neutron seperti yang dinyatakan oleh Heisenberg.

Penemuan konsep kedualan gelombang-zarah oleh De Broglie yang menyatakan zarah boleh mempunyai sifat gelombang, membuatkan Erwin Schrödinger menghasilkan persamaan Schrödinger25. Persamaan ini menggambarkan elektron sebagai fungsi gelombang (fungsi di sini tidak merujuk kepada kegunaan, tetapi fungsi matematik), berbeza dengan fahaman konvensional yang menganggap elektron sebagai zarah. Hal ini membuatkan ramalan dan penerangan data spektra atom dapat dibuat dengan tepat. Model atom Bohr sebelum ini masih gagal menerangkan fenomena spektra atom. Dengan erti kata lain, elektron mempunyai sifat kedualan gelombang-zarah, dan boleh bertindak seperti zarah dan gelombang pada masa yang sama.

Namun, apabila elektron digambarkan melalui fungsi gelombang, kedudukan dan momentum elektron pada sesuatu ketika tidak dapat ditentukan sekaligus26. Ini adalah ciri kedualan gelombang-zarah, sesuatu itu boleh bersifat zarah dan gelombang pada sesuatu masa, tetapi tidak pernah sepenuhnya menjadi gelombang atau zarah.

Gambar 12: Orbital tergabung sesebuah atom. Gambar ini hanya menunjukkan orbital s dan p. Hak milik howstuffwork.com

Hasilnya, model atom kuantum dibentuk oleh Heisenberg dan beberapa ahli fizik dan kimia (Schrödinger, Pauling, Mulliken, Bohr, Max Born27 dan lain lain). Model kuantum paling moden dan tepat buat masa ini menggambarkan elektron dalam konteks kebarangkalian. Oleh kerana kedudukan elektron yang sebenar tidak dapat ditentukan secara tepat, kedudukan elektron dalam sesebuah atom digambarkan dengan rantau kebarangkalian.

Rantau kebarangkalian atau lebih dikenali sebagai orbital adalah kawasan di mana elektron selalunya ditemui. Kebarangkalian untuk menemui elektron di sesebuah orbital tidak pernah mencapai 100%. Dengan erti kata lain, walaupun selalunya sesebuah elektron boleh ditemui di dalam orbitalnya, ada kemungkinan pada suatu ketika, elektron sesebuah atom tersebut ada di hujung cakerawala! Pelik tetapi inilah kebenarannya.

Orbital juga jika diterjemahkan di dalam model atom seperti model Bohr dan Rutherford, sinonim dengan petala, walaupun ciri petala tidak setepat seperti orbital. Orbital elektron sesebuah atom boleh dikatakan seperti awan di sekeliling nukleus.

Gambar 13: Bentuk orbital. Dari atas: Orbital s, p, d, f dan g.

Bentuk atom sebenar mengikut model atom kuantum adalah gabungan semua orbital yang wujud untuk sesebuah atom, seperti di dalam gambar 12. Oleh kerana model kuantum ini sukar digambarkan secara visual, model Bohr lazim diajar sebagai pengenalan kepada struktur atom. Kimia peringkat sekolah menengah di Malaysia mengambil pendekatan yang sama. Kimia pada peringkat pasca sekolah menengah sahaja yang mula mengajar model atom kuantum. Untuk membincangkan model kuantum atom secara mendalam pada pendapat saya memerlukan satu artikelnya yang tersendiri. Jika ada rezeki akan saya bincangkan pada masa hadapan.

Setelah lebih kurang 2500 tahun akhirnya kita telah mengetahui banyak benda berkaitan struktur sebuah atom, walaupun kebanyakkan kemajuan dalam membina teori atom dibuat dalam lingkungan 100 tahun yang lepas.

Ada diantara kawan kawan saya yang skeptikal dengan kewujudan atom dan molekul sebatian. Jadi di bawah saya sertakan gambar gambar atom yang diperhatikan melalui pelbagai kaedah:

Gambar 14: Gambar molekul naftalentetrakarboksilik diimida diperhatikan melalui mikroskopi daya dinamik.
Gambar 15: Molekul hexabenzokoronen diperhatikan melalui mikroskopi daya atomik.
Gambar 16: Lapisan grafena diperhatikan melalui scanning tunnelling microscope

Rujukan

1. McEvilley, T. (2002). The Shape of Ancient Thought: Comparative Studies in Greek and Indian Philosophies (1st ed., pp. 317-321). New York: Allwarth Press.

2. Berryman, Sylvia, & Edward, N. (2008). Democritus. In Stanford encyclopedia of philosophy (1st ed.). Stanford, Conn.: Stanford University, Metaphysics Research Lab.

3. Liddell, H., Scott, R., Jones, H., & McKenzie, R. (1843). ἄτομον. In a Greek-English Lexicon. United Kingdom: Oxford University Press.

4. Lloyd, Geoffrey (1970). Early Greek Science: Thales to Aristotle. New York. W. W. Norton & Company. pp. 108–109.

5. Dalton, J. (1965). A New System of Chemical Philosophy, etc. [The text of the first edition of pt. 1.]. Peter Owen: London; printed in U.S.A.

6. Petrucci R.H., Harwood R.S. and Herring F.G. General Chemistry (8th ed., Prentice Hall 2002). p.37

7. Melsen, A. (1952). From atomos to atom (1st ed.). New York: Dover Publications.

8. Langmuir, I. (1919). “The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules.”. Journal of the American Chemical Society. 41 (6): 868–934.

9. Lewis, G. N. (1916). “The Atom and the Molecule”. Journal of American Chemistry Society. 38 (4): 762–85.

10. Thompson, J.J. (1897). Cathode Ray. Philosophical Magazine and Journal of Science. 44(269).

11. Thompson, J.J. (1904). On the Structure of the Atom: An Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure (pp. 237-265). Cambridge Philosophical Magazine, 7(39).

12. Nagaoka, H. (1904). “Kinetics of a System of Particles illustrating the Line and the Band Spectrum and the Phenomena of Radioactivity”. Philosophical Magazine. 6(7): pp. 445–455.

13. Reeves, R. (2008). A Force of Nature: The Frontier Genius of Ernest Rutherford. New York. W. W. Norton & Co.

14. Geiger, H. (1908). “On the Scattering of α-Particles by Matter”. Proceedings of the Royal Society of London A. 81 (546): 174–177.

15. Manners, Joy. (2000). Quantum Physics: An Introduction. CRC Press.

16. Akhlesh L., (Ed.); Salpeter, Edwin E. (1996). “Models and Modelers of Hydrogen”. American Journal of Physics. World Scientific. 65 (9): 933.

17. Larmor, J. (1897). LXIII. On the theory of the magnetic influence on spectra; and on the radiation from moving ions. Philosophical Magazine. 44(271): pp. 505-512

18. Bohr, N. (1913). “On the constitution of atoms and molecules”. Philosophical Magazine. 26 (153): 476–502

19. Rutherford, E. (1919). “Collisions of alpha Particles with Light Atoms. IV. An Anomalous Effect in Nitrogen”. Philosophical Magazine. 37 (222): 581.

20. Masson, O. (1921). “XXIV.The constitution of atoms”. Philosophical Magazine Series 6. 41 (242): 281–285.

21. Bothe, W.; Becker, H. (1930). “Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen” [Artificial excitation of nuclear γ-radiation]. Zeitschrift für Physik. 66 (5–6): 289–306.

22. Chadwick, J. (1932). “Possible Existence of a Neutron”. Nature. 129 (3252): 312

23. Ivanenko, D. (1932). “The neutron hypothesis”. Nature. 129 (3265): 798.

24. Heisenberg, W. (1932). “Über den Bau der Atomkerne. I”. Zeitschrift für Physik. 77: pp.1–11.

25. Schrödinger, E. (1926). “Quantisation as an Eigenvalue Problem”. Annalen der Physik. 81 (18): 109–139.

26. Heisenberg, W. (1927). “Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik”. Zeitschrift für Physik (in German). 43 (3–4): 172–198.

27. Born, M. (1926). “Zur Quantenmechanik der Stoßvorgänge”. Zeitschrift für Physik. 37 (12): 863–867.

 

Comments

comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here