Partikel Subatom

Bukti Baru dari Ruang Sangat Kecil

Model Dalton membuat reaksi kimia lebih mudah dihitung, tetapi model itu masih membayangkan atom seperti bola pejal. Pertanyaan pentingnya sederhana: kalau atom benar-benar pejal dan tidak punya bagian dalam, mengapa atom bisa berkaitan dengan listrik?

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. Dari sini, atom mulai terlihat bukan sebagai bola tanpa isi, melainkan sebagai struktur yang memiliki partikel lebih kecil.

OpenStax Chemistry Atoms First 2e bagian Evolution of Atomic Theory menjelaskan urutan bukti dari sinar katode Thomson, percobaan lempeng emas Rutherford, sampai penemuan neutron oleh Chadwick. Bagian sumber itu bisa dibuka di openstax.org.

Britannica juga mencatat bahwa J. J. Thomson menemukan elektron pada tahun $1897$ dan menunjukkan bahwa partikel itu jauh lebih ringan daripada atom. Biografi itu bisa dibuka di britannica.com.

Mini Lab Penemuan Partikel

Ganti mode di bawah ini. Jangan mulai dari hafalan nama partikel dulu. Amati dulu arah gerak, bagian yang dibelokkan, dan bagian yang tetap lurus.

Elektron Membuka Pintu

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.

Aturan listriknya mudah: muatan berbeda saling tarik, 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. Ini penting, karena berarti elektron bukan serpihan dari satu logam tertentu. Elektron adalah bagian umum dari atom.

Untuk membayangkan model Thomson, pikirkan roti berisi kismis. Adonan roti mewakili muatan positif yang tersebar, sedangkan kismis mewakili elektron negatif yang tertanam. Gambaran ini hanya membantu membaca modelnya, bukan bentuk atom sebenarnya. Model Thomson nanti diperbaiki oleh Rutherford.

Inti Atom yang Kecil tetapi Padat

Rutherford menguji model Thomson dengan menembakkan partikel alfa, yaitu partikel bermuatan positif, ke lempeng emas yang sangat tipis. Jika muatan positif tersebar merata seperti model Thomson, hampir semua partikel alfa seharusnya hanya lewat dengan belokan kecil.

Hasilnya lebih mengejutkan:

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

OpenStax menjelaskan bahwa pola ini membuat Rutherford menyimpulkan dua hal: atom sebagian besar berupa ruang kosong, dan muatan positif terkonsentrasi dalam pusat kecil yang relatif berat. Pusat kecil itu disebut inti atom atau nukleus.

Untuk membayangkan ukurannya, anggap inti atom sebesar satu buah beri kecil di tengah stadion. Ruang atom kira-kira sebesar stadionnya. OpenStax Chemistry Atoms First 2e bagian Atomic Structure and Symbolism menyatakan bahwa diameter atom sekitar $10^{-10}\ \text{m}$, sedangkan diameter inti sekitar $10^{-15}\ \text{m}$, kira-kira $10^5$ kali lebih kecil. Rujukan ini bisa dibuka di openstax.org.

Neutron Menutup Celah Massa

Model Rutherford sudah menjelaskan inti positif dan elektron negatif, tetapi masih ada celah: massa atom sering lebih besar daripada jumlah proton saja. Jika semua muatan positif dijelaskan oleh proton, apa yang menambah massa inti 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.

Nobel Prize facts untuk James Chadwick menyebutkan bahwa ia membuktikan radiasi dari berilium yang ditembak partikel alfa tersusun dari partikel netral bermassa kira-kira sama dengan proton. Ringkasan itu bisa dibuka di nobelprize.org.

Keberadaan neutron juga membantu menjelaskan isotop. Isotop adalah atom dari unsur yang sama, tetapi jumlah neutronnya berbeda. Unsurnya tetap sama karena jumlah protonnya sama, sedangkan massanya bisa berbeda karena neutronnya berbeda.

Membaca Tiga Partikel dengan Cepat

Tabel ini adalah panduan ringkas untuk membaca atom: siapa bermuatan apa, ada di mana, dan menyumbang massa sebesar apa.

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.

Pegang tiga hubungan ini: proton menentukan identitas unsur, neutron ikut menentukan massa, dan elektron menentukan banyak perilaku kimia. Dengan panduan ini, hubungan antara muatan, massa, dan identitas atom lebih mudah dibaca.