Sejak awal waktu, manusia telah berusaha untuk memahami apa jagat raya dan segala yang ada di dalamnya. Dan ketika para majus dan filsuf kuno memahami sebuah dunia yang terdiri dari empat atau lima elemen - bumi, udara, air, api (dan logam, atau kesadaran) - oleh zaman kuno klasik, para filsuf mulai berteori bahwa semua materi sebenarnya terdiri dari kecil, atom tak terlihat, dan tak terpisahkan.
Sejak saat itu, para ilmuwan telah terlibat dalam proses penemuan berkelanjutan dengan atom, berharap untuk menemukan sifat dan susunan sebenarnya. Pada abad ke-20, pemahaman kita menjadi lebih baik sehingga kita dapat membangun model yang akurat. Dan dalam dekade terakhir, pemahaman kita semakin maju, sampai-sampai kita telah mengkonfirmasi keberadaan hampir semua bagian teoretisnya.
Saat ini, penelitian atom difokuskan pada mempelajari struktur dan fungsi materi di tingkat subatomik. Ini tidak hanya terdiri dari mengidentifikasi semua partikel subatom yang dianggap membentuk atom, tetapi menyelidiki kekuatan yang mengaturnya. Ini termasuk gaya nuklir kuat, gaya nuklir lemah, elektromagnetisme, dan gravitasi. Ini adalah rincian dari semua yang telah kita pelajari tentang atom sejauh ini ...
Struktur atom:
Model atom kita saat ini dapat dipecah menjadi tiga bagian konstituen - proton, neutron, dan elektron. Masing-masing bagian ini memiliki muatan terkait, dengan proton membawa muatan positif, elektron memiliki muatan negatif, dan neutron tidak memiliki muatan bersih. Sesuai dengan Model Standar fisika partikel, proton dan neutron membentuk inti atom, sementara elektron mengorbitnya dalam "awan".
Elektron dalam atom tertarik ke proton dalam nukleus oleh gaya elektromagnetik. Elektron dapat lepas dari orbitnya, tetapi hanya sebagai respons terhadap sumber energi eksternal yang diterapkan. Semakin dekat orbit elektron ke inti, semakin besar gaya tariknya; karenanya, semakin kuat gaya eksternal yang diperlukan untuk menyebabkan elektron lepas.
Elektron mengorbit nukleus dalam beberapa orbit, yang masing-masing sesuai dengan tingkat energi tertentu dari elektron. Elektron dapat mengubah kondisinya ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap foton dengan energi yang cukup untuk mendorongnya ke keadaan kuantum baru. Demikian juga, elektron dalam keadaan energi yang lebih tinggi dapat turun ke tingkat energi yang lebih rendah sambil memancarkan energi berlebih sebagai foton.
Atom netral secara elektrik jika memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. Atom yang memiliki defisit atau surplus elektron disebut ion. Elektron yang terjauh dari nukleus dapat ditransfer ke atom terdekat lainnya atau dibagi di antara atom. Dengan mekanisme ini, atom dapat berikatan dengan molekul dan jenis senyawa kimia lainnya.
Ketiga partikel subatomik ini adalah Fermion, kelas partikel yang terkait dengan materi yang bersifat elementer (elektron) atau komposit (proton dan neutron) di alam. Ini berarti bahwa elektron tidak memiliki struktur internal yang diketahui, sedangkan proton dan neutron terdiri dari partikel subatomik lainnya. disebut quark. Ada dua jenis quark dalam atom, yang memiliki muatan listrik fraksional.
Proton terdiri dari dua quark "naik" (masing-masing dengan muatan +2/3) dan satu quark "turun" (-1/3), sedangkan neutron terdiri dari satu quark atas dan dua quark bawah. Perbedaan ini menjelaskan perbedaan muatan antara dua partikel, yang bekerja pada muatan +1 dan 0 masing-masing, sementara elektron memiliki muatan -1.
Partikel subatomik lainnya termasuk Lepton, yang bergabung dengan Fermion untuk membentuk blok bangunan materi. Ada enam lepton dalam model atom saat ini: elektron, muon, dan partikel tau, dan neutrino yang terkait. Variasi yang berbeda dari partikel Lepton, yang biasa disebut "flavours", dibedakan berdasarkan ukuran dan muatannya, yang memengaruhi tingkat interaksi elektromagnetiknya.
Kemudian, ada Gauge Boson, yang dikenal sebagai "pembawa kekuatan" karena mereka menengahi kekuatan fisik. Misalnya, gluon bertanggung jawab atas gaya nuklir kuat yang menyatukan quark, sementara bos W dan Z (masih hipotetis) diyakini bertanggung jawab atas gaya nuklir lemah di belakang elektromagnetisme. Foton adalah partikel elementer yang membentuk cahaya, sedangkan Higgs Boson bertanggung jawab untuk memberikan massa W dan Z kepada massa.
Massa atom:
Mayoritas massa atom berasal dari proton dan neutron yang membentuk nukleusnya. Elektron adalah yang paling masif dari partikel penyusun atom, dengan massa 9,11 x 10-31 kg dan ukuran terlalu kecil untuk diukur dengan teknik saat ini. Proton memiliki massa yang 1,836 kali dari elektron, pada 1,6726 × 10-27 kg, sedangkan neutron adalah yang paling masif dari ketiganya, pada 1,6929 × 10-27 kg (1,839 kali massa elektron).
Jumlah total proton dan neutron dalam inti atom (disebut "nukleon") disebut nomor massa. Sebagai contoh, unsur Karbon-12 dinamakan demikian karena memiliki jumlah massa 12 - berasal dari 12 nukleonnya (enam proton dan enam neutron). Namun, unsur-unsur juga diatur berdasarkan nomor atomnya, yang sama dengan jumlah proton yang ditemukan dalam nukleus. Dalam hal ini, Karbon memiliki nomor atom 6.
Massa sebenarnya dari sebuah atom saat diam sangat sulit untuk diukur, karena bahkan atom yang paling masif sekalipun terlalu ringan untuk diekspresikan dalam satuan konvensional. Dengan demikian, para ilmuwan sering menggunakan satuan massa atom terpadu (u) - juga disebut dalton (Da) - yang didefinisikan sebagai dua belas dari massa atom netral karbon-12 yang bebas, yaitu sekitar 1,66 × 10-27 kg
Kimiawan juga menggunakan mol, unit yang didefinisikan sebagai satu mol elemen apa pun yang selalu memiliki jumlah atom yang sama (sekitar 6,022 × 1023). Jumlah ini dipilih sehingga jika suatu unsur memiliki massa atom 1 u, satu mol atom unsur itu memiliki massa yang mendekati satu gram. Karena definisi unit massa atom terpadu, setiap atom karbon-12 memiliki massa atom tepat 12 u, dan satu mol atom karbon-12 beratnya tepat 0,012 kg.
Peluruhan Radioaktif:
Setiap dua atom yang memiliki jumlah proton yang sama memiliki unsur kimia yang sama. Tetapi atom dengan jumlah proton yang sama dapat memiliki jumlah neutron yang berbeda, yang didefinisikan sebagai isotop yang berbeda dari elemen yang sama. Isotop ini sering tidak stabil, dan semua yang memiliki nomor atom lebih besar dari 82 diketahui radioaktif.
Ketika suatu elemen mengalami peluruhan, nukleusnya kehilangan energi dengan memancarkan radiasi - yang dapat terdiri dari partikel alfa (atom helium), partikel beta (positron), sinar gamma (energi elektromagnetik frekuensi tinggi) dan elektron konversi. Tingkat di mana elemen tidak stabil meluruh dikenal sebagai "waktu paruh" nya, yang merupakan jumlah waktu yang diperlukan untuk elemen untuk jatuh ke setengah nilai awal.
Stabilitas isotop dipengaruhi oleh rasio proton terhadap neutron. Dari 339 jenis elemen berbeda yang muncul secara alami di Bumi, 254 (sekitar 75%) telah diberi label sebagai "isotop stabil" - yaitu tidak mengalami pembusukan. 34 elemen radioaktif tambahan memiliki waktu paruh lebih lama dari 80 juta tahun, dan juga telah ada sejak Tata Surya awal (karenanya mengapa mereka disebut "elemen primordial").
Akhirnya, 51 elemen berumur pendek tambahan diketahui terjadi secara alami, sebagai “elemen anak perempuan” (yaitu produk sampingan nuklir) dari peluruhan elemen lainnya (seperti radium dari uranium). Selain itu, elemen radioaktif berumur pendek dapat menjadi hasil dari proses energetik alami di Bumi, seperti pemboman sinar kosmik (misalnya, karbon-14, yang terjadi di atmosfer kita).
Sejarah Studi:
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.
Dalton memulai dengan pertanyaan mengapa unsur-unsur bereaksi dalam rasio bilangan bulat kecil, dan menyimpulkan bahwa reaksi-reaksi ini terjadi dalam bilangan bulat kelipatan satuan-satuan tersendiri — dengan kata lain, atom. Melalui serangkaian percobaan yang melibatkan gas, Dalton terus mengembangkan apa yang dikenal sebagai Teori Atom Dalton, yang tetap menjadi salah satu pilar fisika dan kimia modern.
Teori ini 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.
Pada akhir abad ke-19, para ilmuwan 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. Dan kemudian pada tahun 1897, melalui serangkaian percobaan menggunakan sinar katoda, fisikawan J.J. Thompson mengumumkan bahwa dia telah menemukan unit yang 1000 kali lebih kecil dan 1800 kali lebih ringan dari atom hidrogen.
Eksperimennya juga menunjukkan bahwa mereka identik dengan partikel yang dilepaskan oleh efek fotolistrik dan oleh bahan radioaktif. Eksperimen selanjutnya mengungkapkan bahwa partikel ini membawa arus listrik melalui kabel logam dan muatan listrik negatif dalam atom. Karenanya mengapa partikel - yang awalnya bernama "sel darah" - kemudian diubah menjadi "elektron", setelah partikel George Johnstone Stoney diprediksi pada tahun 1874.
Namun, Thomson juga mendalilkan bahwa elektron didistribusikan ke seluruh atom, yang merupakan lautan seragam muatan positif. Ini dikenal sebagai "model puding prem", yang nantinya terbukti salah. Ini terjadi pada tahun 1909, ketika fisikawan Hans Gieger dan Ernest Marsden (di bawah arahan Ernest Rutherfod) melakukan percobaan mereka menggunakan kertas logam dan partikel alfa.
Konsisten dengan model atom Dalton, mereka percaya bahwa partikel alfa akan melewati foil dengan sedikit defleksi. Namun, banyak partikel yang dibelokkan pada sudut yang lebih besar dari 90 °. Untuk menjelaskan hal ini, Rutherford mengusulkan bahwa muatan positif atom terkonsentrasi di inti kecil di pusatnya.
Pada tahun 1913, fisikawan Niels Bohr mengusulkan model di mana elektron mengorbit nukleus, tetapi hanya bisa melakukannya dalam satu set orbit yang terbatas. Dia juga mengusulkan bahwa elektron bisa melompat di antara orbit, tetapi hanya dalam perubahan energi yang terpisah sesuai dengan penyerapan atau radiasi foton. Ini tidak hanya menyempurnakan model Rutherford yang diusulkan, tetapi juga memunculkan konsep atom terkuantisasi, di mana materi berperilaku dalam paket-paket rahasia.
Perkembangan spektrometer massa - yang menggunakan magnet untuk menekuk lintasan berkas ion - memungkinkan massa atom diukur dengan peningkatan akurasi. Kimiawan Francis William Aston menggunakan instrumen ini untuk menunjukkan bahwa isotop memiliki massa yang berbeda. Ini pada gilirannya diikuti oleh fisikawan James Chadwick, yang pada tahun 1932 mengusulkan neutron sebagai cara untuk menjelaskan keberadaan isotop.
Sepanjang awal abad ke-20, sifat kuantum atom dikembangkan lebih lanjut. Pada tahun 1922, fisikawan Jerman Otto Stern dan Walther Gerlach melakukan percobaan di mana seberkas atom perak diarahkan melalui medan magnet, yang dimaksudkan untuk memisahkan berkas antara arah momentum sudut atom (atau putaran).
Dikenal sebagai Eksperimen Stern-Gerlach, hasilnya adalah bahwa balok terbelah menjadi dua bagian, tergantung pada apakah spin atom berorientasi ke atas atau ke bawah. Pada tahun 1926, fisikawan Erwin Schrodinger menggunakan ide partikel berperilaku seperti gelombang untuk mengembangkan model matematika yang menggambarkan elektron sebagai bentuk gelombang tiga dimensi daripada partikel belaka.
Konsekuensi menggunakan bentuk gelombang untuk menggambarkan partikel adalah bahwa secara matematis tidak mungkin untuk mendapatkan nilai yang tepat untuk posisi dan momentum suatu partikel pada waktu tertentu. Pada tahun yang sama, Werner Heisenberg merumuskan masalah ini dan menyebutnya "prinsip ketidakpastian". Menurut Heisenberg, untuk pengukuran posisi yang akurat, seseorang hanya dapat memperoleh kisaran nilai kemungkinan untuk momentum, dan sebaliknya.
Pada 1930-an, fisikawan menemukan fisi nuklir, berkat eksperimen Otto Hahn, Lise Meitner, dan Otto Frisch. Eksperimen Hahn melibatkan mengarahkan neutron ke atom uranium dengan harapan menciptakan elemen transuranium. Sebagai gantinya, proses mengubah sampelnya uranium-92 (Ur92) menjadi dua elemen baru - barium (B56) dan kripton (Kr27).
Meitner dan Frisch memverifikasi percobaan dan menghubungkannya dengan atom uranium yang membelah untuk membentuk dua elemen dengan berat atom total yang sama, sebuah proses yang juga melepaskan sejumlah besar energi dengan memutus ikatan atom. Pada tahun-tahun berikutnya, penelitian tentang kemungkinan persenjataan proses ini dimulai (mis. Senjata nuklir) dan mengarah pada pembangunan bom atom pertama di AS pada tahun 1945.
Pada 1950-an, pengembangan akselerator partikel yang ditingkatkan dan detektor partikel memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari dampak atom yang bergerak dengan energi tinggi. Dari sini, Model Standar fisika partikel dikembangkan, yang sejauh ini berhasil menjelaskan sifat-sifat nukleus, keberadaan partikel-partikel subatom berteori, dan kekuatan-kekuatan yang mengatur interaksi mereka.
Eksperimen Modern:
Sejak paruh kedua abad ke-20, banyak penemuan baru dan menarik berkaitan dengan teori atom dan mekanika kuantum. Misalnya, pada 2012, pencarian panjang untuk Higgs Boson menghasilkan terobosan di mana para peneliti yang bekerja di Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir (CERN) di Swiss mengumumkan penemuannya.
Dalam beberapa dekade terakhir, banyak waktu dan energi telah didedikasikan oleh fisikawan untuk pengembangan teori medan terpadu (alias. Grand Unifying Theory atau Theory of Everything). Pada intinya, sejak Model Standar pertama kali diusulkan, para ilmuwan telah berusaha memahami bagaimana empat kekuatan fundamental alam semesta (gravitasi, gaya nuklir kuat dan lemah, dan elektromagnetisme) bekerja bersama.
Sementara gravitasi dapat dipahami menggunakan teori relativitas Einstein, dan gaya nuklir serta elektromagnetisme dapat dipahami menggunakan teori kuantum, tidak satu pun teori yang dapat menjelaskan keempat gaya yang bekerja bersama. Upaya untuk menyelesaikan ini telah menyebabkan sejumlah teori yang diusulkan selama bertahun-tahun, mulai dari Teori String ke Loop Quantum Gravity. Hingga saat ini, tidak satu pun dari teori-teori ini yang menghasilkan terobosan.
Pemahaman kita tentang atom telah datang jauh, dari model klasik yang melihatnya sebagai padatan inert yang berinteraksi dengan atom lain secara mekanis, ke teori-teori modern di mana atom terdiri dari partikel-partikel energik yang berperilaku tak terduga. Meskipun telah memakan waktu beberapa ribu tahun, pengetahuan kita tentang struktur dasar dari semua materi telah meningkat pesat.
Namun, masih ada banyak misteri yang belum terselesaikan. Dengan waktu dan upaya yang berkelanjutan, kita akhirnya dapat membuka rahasia atom yang tersisa. Kemudian lagi, bisa jadi sangat baik bahwa setiap penemuan baru yang kita buat hanya akan menimbulkan lebih banyak pertanyaan - dan itu bisa lebih membingungkan daripada yang datang sebelumnya!
Kami telah menulis banyak artikel tentang atom untuk Majalah Luar Angkasa. Berikut adalah artikel tentang model atom John Dalton, model atom Neils Bohr, Who Is Democritus ?, dan Berapa Banyak Atom yang Ada Di Semesta?
Jika Anda ingin info lebih lanjut tentang atom, lihat Artikel NASA tentang Menganalisis Sampel Tiny, dan di sini ada tautan ke Artikel NASA tentang Atom, Elemen, dan Isotop.
Kami juga merekam seluruh episode Pelemparan Astronomi tentang Atom. Dengarkan di sini, Episode 164: Di Dalam Atom, Episode 263: Peluruhan Radioaktif, dan Episode 394: Model Standar, Boson.
