Partikel Subatom

Bukti Adanya Partikel Subatom

Model Dalton menjelaskan perbandingan tetap dalam reaksi kimia, tetapi masih menggambarkan atom sebagai bola pejal. Eksperimen listrik kemudian menunjukkan bahwa atom mengandung partikel bermuatan yang lebih kecil.

Pada akhir 1800-an, ilmuwan mulai memakai tabung kaca bertekanan rendah dan tegangan tinggi. Dari tabung itu muncul sinar katode, yaitu berkas yang bergerak dari katode. Berkas ini bisa dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet. Temuan ini menunjukkan bahwa atom memiliki partikel yang lebih kecil di dalamnya.

Urutan bukti eksperimen dimulai dari percobaan sinar katode Thomson, dilanjutkan dengan percobaan lempeng emas Rutherford, lalu penemuan neutron oleh Chadwick.

J. J. Thomson menemukan elektron pada tahun $1897$ dan menunjukkan bahwa partikel itu jauh lebih ringan daripada atom.

Bukti dari Tiga Eksperimen

Ganti mode di bawah ini, lalu bandingkan arah gerak, lintasan yang dibelokkan, dan lintasan yang tetap lurus. Gunakan hasil pengamatan itu untuk mengenali partikelnya.

Sinar Katode Menunjukkan Elektron

Thomson memakai tabung sinar katode. Di dalam tabung, udara dibuat sangat sedikit, lalu diberi tegangan tinggi. Sinar yang muncul selalu tertarik ke arah muatan positif dan menjauhi muatan negatif.

Muatan yang berbeda saling tarik, sedangkan muatan sejenis saling tolak. Karena sinar katode tertarik ke muatan positif $+$, partikel penyusunnya bermuatan negatif $-$. Partikel itu sekarang disebut elektron.

Thomson juga menemukan bahwa partikel sinar katode jauh lebih ringan daripada atom dan sifatnya sama walaupun logam elektrodanya diganti. Kesamaan sifat itu menunjukkan bahwa elektron tidak berasal dari satu jenis logam tertentu. Elektron adalah bagian umum dari atom.

Dalam model Thomson, muatan positif tersebar di seluruh atom dan elektron tertanam di dalam sebaran tersebut. Model ini menjelaskan keberadaan elektron, tetapi belum memuat inti atom yang padat. Percobaan Rutherford kemudian menunjukkan kekurangan itu.

Inti Atom yang Kecil tetapi Padat

Tim Rutherford di Manchester menguji model Thomson. Atas arahan Rutherford, Hans Geiger dan Ernest Marsden menembakkan partikel alfa bermuatan positif ke lempeng logam yang sangat tipis, termasuk emas. Jika muatan positif tersebar merata seperti model Thomson, hampir semua partikel alfa seharusnya hanya lewat dengan sedikit pembelokan.

Sebagian kecil hasil pengamatan tidak sesuai dengan prediksi model Thomson:

• sebagian besar partikel alfa menembus lempeng emas tanpa banyak berubah arah
• sebagian kecil membelok
• sangat sedikit partikel alfa memantul balik

Sekarang hubungkan hasil pengamatan tadi dengan letak muatan positif di dalam atom. Karena hampir semua partikel alfa lewat lurus, sebagian besar volume atom memang berupa ruang kosong. Partikel yang membelok tajam atau memantul menunjukkan bahwa muatan positif dan sebagian besar massa atom berkumpul di daerah yang sangat kecil. Daerah itu disebut inti atom atau nukleus.

Untuk membayangkan ukurannya, coba perbesar sebuah atom hingga selebar stadion $100\ \text{m}$. Intinya hanya berdiameter sekitar $1\ \text{mm}$, kira-kira sebesar butir pasir di tengah stadion. Diameter atom sebenarnya sekitar $10^{-10}\ \text{m}$, sedangkan diameter intinya sekitar $10^{-15}\ \text{m}$. Jadi, diameter inti kira-kira $10^5$ kali lebih kecil daripada diameter atom.

Inti Hidrogen Menunjukkan Adanya Proton

Bukti lempeng emas menunjukkan letak muatan positif atom, tetapi belum mengidentifikasi partikel di dalam inti. Pada $1919$, Rutherford menembaki nitrogen dengan partikel alfa dan mendeteksi inti hidrogen cepat yang keluar. Inti hidrogen membawa satu muatan elementer positif dan sekarang disebut proton.

Pada $1911$, Rutherford menjelaskan bahwa atom memiliki inti. Pada $1919$, Rutherford menunjukkan keberadaan proton bebas. Kedua penemuan tersebut saling berkaitan, tetapi terjadi pada waktu yang berbeda.

Massa dan Muatan Neutron

Proton menjelaskan muatan positif inti, tetapi massa proton saja belum menjelaskan seluruh massa atom. Ilmuwan masih perlu mencari partikel lain yang menambah massa tanpa menambah muatan.

Pada tahun $1932$, James Chadwick menunjukkan adanya partikel netral dengan massa hampir sama seperti proton. Partikel itu disebut neutron. Netral berarti muatannya $0$, sehingga neutron dapat menambah massa inti tanpa mengubah muatan listrik atom.

Chadwick menunjukkan bahwa radiasi dari berilium yang ditembak partikel alfa tersusun dari partikel netral bermassa kira-kira sama dengan proton.

Isotop adalah atom dari unsur yang sama dengan jumlah neutron yang berbeda. Unsurnya tetap sama karena jumlah protonnya tetap, sedangkan massanya berubah sesuai jumlah neutron.

Perbandingan Tiga Partikel Subatom

Tabel ini membandingkan muatan, letak utama, dan sumbangan massa setiap partikel.

Satu atom netral memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. Misalnya, jika sebuah atom memiliki $6$ proton dan masih netral, atom itu juga memiliki $6$ elektron.

Ingat tiga hubungan ini: proton menentukan identitas unsur, neutron ikut menentukan massa, dan elektron menentukan banyak perilaku kimia. Gunakan ketiganya saat membandingkan muatan, massa, dan identitas atom.