Awal abad ke-20 adalah masa yang sangat menguntungkan bagi ilmu pengetahuan. Selain Ernest Rutherford dan Niels Bohr yang melahirkan Model Standar fisika partikel, itu juga merupakan periode terobosan di bidang mekanika kuantum. Berkat studi yang sedang berlangsung tentang perilaku elektron, para ilmuwan mulai mengusulkan teori di mana partikel-partikel elementer ini berperilaku dengan cara yang menentang fisika klasik Newtonian.
Salah satu contohnya adalah Model Cloud Elektron yang diusulkan oleh Erwin Schrodinger. Berkat model ini, elektron tidak lagi digambarkan sebagai partikel yang bergerak di sekitar inti pusat dalam orbit tetap. Alih-alih, Schrodinger mengusulkan sebuah model di mana para ilmuwan hanya bisa membuat tebakan yang terdidik mengenai posisi elektron. Oleh karena itu, lokasi mereka hanya dapat digambarkan sebagai bagian dari 'awan' di sekitar nukleus tempat elektron cenderung ditemukan.
Fisika Atom Sampai Abad ke-20:
Contoh-contoh teori atom yang paling awal diketahui berasal dari Yunani kuno dan India, di mana para filsuf seperti Democritus mendalilkan bahwa semua materi terdiri dari unit-unit kecil, tak terpisahkan, dan tidak bisa dihancurkan. Istilah "atom" diciptakan di Yunani kuno dan memunculkan aliran pemikiran yang dikenal sebagai "atomisme". Namun, teori ini lebih merupakan konsep filosofis daripada konsep ilmiah.
Baru pada abad ke-19 teori atom diartikulasikan sebagai masalah ilmiah, dengan eksperimen berbasis bukti pertama dilakukan. Misalnya, pada awal 1800-an, ilmuwan Inggris John Dalton menggunakan konsep atom untuk menjelaskan mengapa unsur-unsur kimia bereaksi dengan cara-cara tertentu yang dapat diamati dan diprediksi. Melalui serangkaian percobaan yang melibatkan gas, Dalton melanjutkan untuk mengembangkan apa yang dikenal sebagai Teori Atom Dalton.
Teori ini berkembang pada hukum-hukum percakapan massa dan proporsi tertentu dan turun ke lima premis: elemen, dalam keadaan paling murni, terdiri dari partikel yang disebut atom; atom-atom dari unsur tertentu semuanya sama, sampai ke atom terakhir; atom-atom dari unsur-unsur yang berbeda dapat dipisahkan oleh bobot atomnya; atom unsur bergabung untuk membentuk senyawa kimia; atom tidak dapat dibuat atau dihancurkan dalam reaksi kimia, hanya pengelompokan yang pernah berubah.
Penemuan Elektron:
Pada akhir abad ke-19, para ilmuwan juga mulai berteori bahwa atom terdiri dari lebih dari satu unit mendasar. Namun, sebagian besar ilmuwan memberanikan diri bahwa unit ini akan menjadi ukuran atom-hidrogen terkecil yang diketahui. Pada akhir abad ke-19, ia akan berubah secara drastis, berkat penelitian yang dilakukan oleh para ilmuwan seperti Sir Joseph John Thomson.
Melalui serangkaian percobaan menggunakan tabung sinar katoda (dikenal sebagai Crookes 'Tube), Thomson mengamati bahwa sinar katoda dapat dibelokkan oleh medan listrik dan magnet. Dia menyimpulkan bahwa alih-alih tersusun dari cahaya, mereka terdiri dari partikel bermuatan negatif yang 1ooo kali lebih kecil dan 1800 kali lebih ringan dari hidrogen.
Ini secara efektif membantah anggapan bahwa atom hidrogen adalah satuan terkecil dari materi, dan Thompson melangkah lebih jauh dengan menyatakan bahwa atom dapat dibagi. Untuk menjelaskan muatan atom secara keseluruhan, yang terdiri dari muatan positif dan negatif, Thompson mengusulkan sebuah model di mana "sel darah" bermuatan negatif didistribusikan dalam lautan seragam muatan positif - yang dikenal sebagai Model Puding Plum.
Sel-sel ini kemudian dinamai “elektron”, berdasarkan pada partikel teoretis yang diprediksi oleh fisikawan Anglo-Irlandia George Johnstone Stoney pada tahun 1874. Dan dari sini, Plum Pudding Model lahir, dinamakan demikian karena sangat mirip dengan gurun Inggris yang terdiri dari kue prem dan kismis. Konsep ini diperkenalkan kepada dunia di Inggris edisi Maret 1904 Majalah Filsafat, untuk pengakuan luas.
Pengembangan Model Standar:
Eksperimen selanjutnya mengungkapkan sejumlah masalah ilmiah dengan model Plum Pudding. Sebagai permulaan, ada masalah menunjukkan bahwa atom memiliki muatan latar belakang positif seragam, yang kemudian dikenal sebagai "Masalah Thomson". Lima tahun kemudian, model itu akan dibantah oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden, yang melakukan serangkaian percobaan menggunakan partikel alfa dan kertas emas - alias. "percobaan foil emas."
Dalam percobaan ini, Geiger dan Marsden mengukur pola hamburan partikel alfa dengan layar neon. Jika model Thomson benar, partikel alfa akan melewati struktur atom foil tanpa hambatan. Namun, mereka mencatat bahwa sementara sebagian besar menembak langsung, beberapa dari mereka tersebar di berbagai arah, dengan beberapa kembali ke arah sumber.
Geiger dan Marsden menyimpulkan bahwa partikel-partikel itu mengalami gaya elektrostatik yang jauh lebih besar daripada yang diizinkan oleh model Thomson. Karena partikel alfa hanyalah inti helium (yang bermuatan positif) ini menyiratkan bahwa muatan positif dalam atom tidak tersebar luas, tetapi terkonsentrasi dalam volume kecil. Selain itu, fakta bahwa partikel-partikel yang tidak dibelokkan melewati tanpa hambatan berarti bahwa ruang-ruang positif ini dipisahkan oleh jurang ruang kosong yang luas.
Pada 1911, fisikawan Ernest Rutherford menafsirkan eksperimen Geiger-Marsden dan menolak model atom Thomson. Sebaliknya, ia mengusulkan sebuah model di mana atom sebagian besar terdiri dari ruang kosong, dengan semua muatan positifnya terkonsentrasi di pusatnya dalam volume yang sangat kecil, yang dikelilingi oleh awan elektron. Ini kemudian dikenal sebagai Model atom Rutherford.
Eksperimen selanjutnya oleh Antonius Van den Broek dan Niels Bohr menyempurnakan model lebih lanjut. Sementara Van den Broek menyarankan bahwa nomor atom suatu unsur sangat mirip dengan muatan nuklirnya, yang terakhir mengusulkan model atom mirip Sistem Surya, di mana nukleus mengandung jumlah atom muatan positif dan dikelilingi oleh persamaan jumlah elektron dalam kulit orbit (alias. the Bohr Model).
Model Awan Elektron:
Selama 1920-an, fisikawan Austria Erwin Schrodinger menjadi terpesona oleh teori Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld, dan fisikawan lainnya. Selama waktu ini, ia juga terlibat dalam bidang teori atom dan spektrum, meneliti di Universitas Zurich dan kemudian Universitas Friedrich Wilhelm di Berlin (di mana ia menggantikan Planck pada 1927).
Pada tahun 1926, Schrödinger menangani masalah fungsi gelombang dan elektron dalam serangkaian makalah. Selain menggambarkan apa yang kemudian dikenal sebagai persamaan Schrodinger - persamaan diferensial parsial yang menggambarkan bagaimana keadaan kuantum dari suatu sistem kuantum berubah seiring waktu - ia juga menggunakan persamaan matematika untuk menggambarkan kemungkinan menemukan elektron pada posisi tertentu. .
Ini menjadi dasar dari apa yang kemudian dikenal sebagai Model Cloud Elektron (atau mekanika kuantum), serta persamaan Schrodinger. Berdasarkan teori kuantum, yang menyatakan bahwa semua materi memiliki sifat yang terkait dengan fungsi gelombang, Model Cloud Elektron berbeda dari Model Bohr karena tidak menentukan jalur pasti dari sebuah elektron.
Alih-alih, ia memprediksi posisi kemungkinan lokasi elektron berdasarkan fungsi probabilitas. Fungsi probabilitas pada dasarnya menggambarkan wilayah seperti awan di mana elektron cenderung ditemukan, oleh karena itu namanya. Di mana awan paling padat, probabilitas untuk menemukan elektron adalah yang terbesar; dan di mana elektron lebih kecil kemungkinannya, awannya kurang padat.
Daerah padat ini dikenal sebagai "orbital elektron", karena mereka adalah lokasi yang paling mungkin di mana elektron yang mengorbit akan ditemukan. Memperluas model "cloud" ini ke ruang 3 dimensi, kita melihat barbell atau atom berbentuk bunga (seperti pada gambar di atas). Di sini, daerah percabangan adalah daerah di mana kita paling mungkin menemukan elektron.
Berkat karya Schrodinger, para ilmuwan mulai memahami bahwa dalam ranah mekanika kuantum, mustahil untuk mengetahui posisi dan momentum tepat suatu elektron pada saat yang bersamaan. Terlepas dari apa yang pengamat ketahui pada awalnya tentang sebuah partikel, mereka hanya dapat memprediksi lokasi atau momentum yang berhasil dalam hal probabilitas.
Tanpa waktu tertentu mereka dapat memastikan keduanya. Bahkan, semakin mereka tahu tentang momentum suatu partikel, semakin sedikit mereka akan tahu tentang lokasinya, dan sebaliknya. Inilah yang sekarang dikenal sebagai "Prinsip Ketidakpastian".
Perhatikan bahwa orbital yang disebutkan dalam paragraf sebelumnya dibentuk oleh atom hidrogen (yaitu hanya dengan satu elektron). Ketika berhadapan dengan atom yang memiliki lebih banyak elektron, daerah orbital elektron menyebar secara merata menjadi bola fuzzy bola. Di sinilah istilah 'awan elektron' paling tepat.
Kontribusi ini secara universal diakui sebagai salah satu kontribusi penting biaya abad ke-20, dan kontribusi yang memicu revolusi di bidang fisika, mekanika kuantum, dan tentu saja semua ilmu pengetahuan. Sejak saat itu, para ilmuwan tidak lagi bekerja di alam semesta yang ditandai oleh absolut waktu dan ruang, tetapi dalam ketidakpastian kuantum dan relativitas ruang-waktu!
Kami telah menulis banyak artikel menarik tentang atom dan model atom di Space Magazine. Inilah Apa itu Model Atom John Dalton? Apa Model Plum Puding? Apa Model Atom Bohr? Siapa Democritus? Dan Apa Bagian Atom?
Untuk informasi lebih lanjut, pastikan untuk memeriksa What is Quantum Mechanics? dari Live Science.
Pemain Astronomi juga memiliki episode tentang topik tersebut, seperti Episode 130: Astronomi Radio, Episode 138: Mekanika Kuantum, dan Episode 252: Prinsip Ketidakpastian Heisenberg
