Teori atom telah berjalan jauh sejak beberapa ribu tahun yang lalu. Bermula pada abad ke-5 BCE dengan teori Democritus mengenai "corpuscles" yang tidak dapat dipisahkan yang saling berinteraksi secara mekanikal, kemudian beralih ke model atom Dalton pada abad ke-18, dan kemudian matang pada abad ke-20 dengan penemuan partikel subatomik dan teori kuantum, perjalanan penemuan telah lama dan berliku.
Boleh dikatakan, salah satu tonggak terpenting di sepanjang jalan adalah model atom Bohr, yang kadang-kadang disebut sebagai model atom Rutherford-Bohr. Dicadangkan oleh ahli fizik Denmark Niels Bohr pada tahun 1913, model ini menggambarkan atom sebagai nukleus kecil yang bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron yang bergerak dalam orbit bulat (ditentukan oleh tahap tenaga mereka) di sekitar pusat.
Teori Atom hingga Abad ke-19:
Contoh teori atom yang paling awal diketahui berasal dari Yunani kuno dan India, di mana ahli falsafah seperti Democritus berpendapat bahawa semua bahan terdiri daripada unit kecil, tidak dapat dipisahkan dan tidak dapat dihancurkan. Istilah "atom" diciptakan di Yunani kuno dan menimbulkan aliran pemikiran yang dikenal sebagai "atomisme". Walau bagaimanapun, teori ini lebih merupakan konsep falsafah daripada konsep saintifik.
Tidak sampai abad ke-19 teori atom menjadi diartikulasikan sebagai bahan ilmiah, dengan eksperimen berdasarkan bukti pertama dilakukan. Sebagai contoh, pada awal tahun 1800-an, saintis Inggeris John Dalton menggunakan konsep atom untuk menjelaskan mengapa unsur-unsur kimia bertindak balas dengan cara yang dapat diperhatikan dan dapat diramalkan. Melalui satu siri eksperimen yang melibatkan gas, Dalton terus mengembangkan apa yang dikenali sebagai Teori Atom Dalton.
Teori ini dikembangkan berdasarkan undang-undang perbualan massa dan perkadaran tertentu dan turun ke lima premis: unsur-unsur, dalam keadaan paling murni, terdiri daripada zarah-zarah yang disebut atom; atom unsur tertentu sama, hingga atom terakhir; atom unsur yang berlainan dapat dibezakan oleh berat atomnya; atom unsur bersatu membentuk sebatian kimia; atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan dalam tindak balas kimia, hanya kumpulan yang pernah berubah.
Penemuan Elektron:
Menjelang akhir abad ke-19, para saintis juga mulai berteori bahawa atom itu terdiri dari lebih dari satu unit asas. Walau bagaimanapun, kebanyakan saintis yakin bahawa unit ini adalah ukuran atom hidrogen terkecil yang diketahui. Menjelang akhir abad ke-19, ini akan berubah secara drastik, berkat kajian yang dilakukan oleh para saintis seperti Sir Joseph John Thomson.
Melalui satu siri eksperimen menggunakan tiub sinar katod (dikenali sebagai Crookes ’Tube), Thomson memerhatikan bahawa sinar katod dapat dipesongkan oleh medan elektrik dan magnet. Dia menyimpulkan bahawa daripada terdiri dari cahaya, mereka terdiri daripada zarah bermuatan negatif yang 1ooo kali lebih kecil dan 1800 kali lebih ringan daripada hidrogen.
Ini secara efektif menyangkal anggapan bahawa atom hidrogen adalah unit jirim terkecil, dan Thompson melangkah lebih jauh untuk menunjukkan bahawa atom dapat dibahagikan. Untuk menjelaskan cas keseluruhan atom, yang terdiri daripada muatan positif dan negatif, Thompson mengusulkan model di mana "mayat" bermuatan negatif didistribusikan dalam lautan muatan positif yang seragam - dikenal sebagai Model Puding Plum.
Corpuscles ini kemudian akan dinamakan "elektron", berdasarkan zarah teori yang diramalkan oleh ahli fizik Anglo-Ireland George Johnstone Stoney pada tahun 1874. Dan dari ini, Model Plum Pudding dilahirkan, dinamakan demikian kerana sangat menyerupai gurun Inggeris yang terdiri dari kek plum dan kismis. Konsep ini diperkenalkan kepada dunia pada edisi Mac 1904 di UK Majalah Falsafah, untuk pujian yang luas.
Model Rutherford:
Eksperimen berikutnya mendedahkan sejumlah masalah saintifik dengan model Plum Pudding. Sebagai permulaan, ada masalah untuk menunjukkan bahawa atom tersebut memiliki cas latar belakang positif yang seragam, yang kemudian dikenal sebagai "Masalah Thomson". Lima tahun kemudian, model ini akan disangkal oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden, yang melakukan satu siri eksperimen menggunakan partikel alfa dan foil emas - aka. "percubaan kerajang emas."
Dalam eksperimen ini, Geiger dan Marsden mengukur corak penyebaran zarah alfa dengan skrin pendarfluor. Sekiranya model Thomson betul, zarah alfa akan melalui struktur atom foil tanpa halangan. Namun, mereka menyatakan bahawa sementara sebagian besar tembakan melintang, beberapa di antaranya tersebar ke pelbagai arah, dengan sebahagiannya kembali ke arah sumber.
Geiger dan Marsden menyimpulkan bahawa zarah-zarah tersebut telah menemui daya elektrostatik yang jauh lebih besar daripada yang dibenarkan oleh model Thomson. Oleh kerana zarah alfa hanyalah inti helium (yang bermuatan positif) ini menyiratkan bahawa muatan positif dalam atom tidak tersebar secara meluas, tetapi tertumpu dalam jumlah kecil. Di samping itu, fakta bahawa zarah-zarah yang tidak terpesong melewati halangan bermaksud ruang positif ini dipisahkan oleh jurang ruang kosong yang luas.
Menjelang tahun 1911, ahli fizik Ernest Rutherford menafsirkan eksperimen Geiger-Marsden dan menolak model atom Thomson. Sebagai gantinya, dia mencadangkan model di mana atom terdiri dari kebanyakan ruang kosong, dengan semua muatan positifnya tertumpu di tengahnya dalam isipadu yang sangat kecil, yang dikelilingi oleh awan elektron. Ini dikenali sebagai Model Rutherford atom.
Model Bohr:
Eksperimen berikutnya oleh Antonius Van den Broek dan Niels Bohr menyempurnakan model itu lebih jauh. Walaupun Van den Broek mencadangkan bahawa bilangan atom unsur sangat serupa dengan muatan nuklearnya, yang terakhir mencadangkan model atom seperti Sistem Suria, di mana nukleus mengandungi bilangan atom muatan positif dan dikelilingi oleh sama bilangan elektron dalam cengkerang orbit (aka Model Bohr).
Selain itu, model Bohr menyempurnakan elemen tertentu dari model Rutherford yang bermasalah. Ini termasuk masalah yang timbul dari mekanik klasik, yang meramalkan bahawa elektron akan melepaskan radiasi elektromagnetik sambil mengorbit nukleus. Kerana kehilangan tenaga, elektron seharusnya berpusing ke dalam dan runtuh ke dalam nukleus. Ringkasnya, model atom ini menyiratkan bahawa semua atom tidak stabil.
Model ini juga meramalkan bahawa ketika elektron berputar ke dalam, pancaran mereka akan meningkat dengan cepat dalam frekuensi ketika orbit semakin kecil dan lebih cepat. Walau bagaimanapun, eksperimen dengan pelepasan elektrik pada akhir abad ke-19 menunjukkan bahawa atom hanya mengeluarkan tenaga elektromagnetik pada frekuensi diskrit tertentu.
Bohr menyelesaikannya dengan mencadangkan elektron mengorbit nukleus dengan cara yang selaras dengan teori radiasi kuantum Planck. Dalam model ini, elektron hanya dapat menempati orbit tertentu yang dibenarkan dengan tenaga tertentu. Selanjutnya, mereka hanya dapat memperoleh dan kehilangan tenaga dengan melompat dari satu orbit yang dibenarkan ke yang lain, menyerap atau memancarkan sinaran elektromagnetik dalam prosesnya.
Orbit ini dikaitkan dengan tenaga yang pasti, yang disebutnya cengkerang tenaga atau tahap tenaga. Dengan kata lain, tenaga elektron di dalam atom tidak berterusan, tetapi "dihitung". Tahap ini dilabel dengan nombor kuantum n (n = 1, 2, 3, dll.) yang didakwanya dapat ditentukan dengan menggunakan formula Ryberg - peraturan yang dirumuskan pada tahun 1888 oleh ahli fizik Sweden Johannes Ryberg untuk menggambarkan panjang gelombang garis spektrum banyak unsur kimia.
Pengaruh Model Bohr:
Walaupun model Bohr terbukti sangat inovatif dalam beberapa aspek - menggabungkan pemalar Ryberg dan pemalar Planck (alias teori kuantum) dengan Model Rutherford - ia mengalami beberapa kelemahan yang akan digambarkan oleh eksperimen kemudian. Sebagai permulaan, diasumsikan bahawa elektron mempunyai radius dan orbit yang diketahui, sesuatu yang akan disangkal Werner Heisenberg satu dekad kemudian dengan Prinsip Ketidakpastiannya.
Selain itu, walaupun berguna untuk meramalkan tingkah laku elektron dalam atom hidrogen, model Bohr tidak begitu berguna dalam meramalkan spektrum atom yang lebih besar. Dalam kes-kes ini, di mana atom mempunyai banyak elektron, tahap tenaga tidak sesuai dengan yang diramalkan oleh Bohr. Model ini juga tidak berfungsi dengan atom helium neutral.
Model Bohr juga tidak dapat menjelaskan Kesan Zeeman, fenomena yang diperhatikan oleh ahli fizik Belanda Pieter Zeeman pada tahun 1902, di mana garis spektrum dipecah menjadi dua atau lebih dengan adanya medan magnet statik luaran. Oleh kerana itu, beberapa penyempurnaan dicuba dengan model atom Bohr, tetapi ini juga terbukti bermasalah.
Pada akhirnya, ini akan menyebabkan model Bohr digantikan oleh teori kuantum - sesuai dengan karya Heisenberg dan Erwin Schrodinger. Walaupun begitu, model Bohr tetap berguna sebagai alat pengajaran untuk memperkenalkan pelajar kepada teori yang lebih moden - seperti mekanik kuantum dan model atom shell valensi.
Ini juga akan terbukti menjadi tonggak utama dalam pengembangan Model Standar fizik partikel, sebuah model yang dicirikan oleh "awan elektron", zarah unsur, dan ketidakpastian.
Kami telah menulis banyak artikel menarik mengenai teori atom di sini di Space Magazine. Inilah Model Atom John Dalton, Apa Itu Model Puding Plum, Apa itu Model Awan Elektron ?, Siapa Demokrat ?, dan Apa Bahagian Atom?
Astronomi Cast juga mempunyai beberapa episod mengenai perkara ini: Episod 138: Mekanik Kuantum, Episod 139: Tahap Tenaga dan Spectra, Episod 378: Rutherford and Atoms dan Episode 392: Model Piawai - Pengenalan.
Sumber:
- Niels Bohr (1913) "Mengenai Perlembagaan Atom dan Molekul, Bahagian I"
- Niels Bohr (1913) "Mengenai Perlembagaan Atom dan Molekul, Bahagian II Sistem Yang Mengandungi Nukleus Tunggal"
- Ensiklopedia Britannica: Model Atom Borh
- Hyperphysics - Model Bohr
- Universiti Tennessee, Knoxville - Model Borh
- University of Toronto - Model Atom Bohr
- NASA - Bayangkan Alam Semesta - Latar Belakang: Atom dan Tenaga Cahaya
- Mengenai Pendidikan - Model Bohr Atom
