1.3
BAB II KEGIATAN BELAJAR-1
PENEMUAN PARTIKEL DASAR PENYUSUN ATOM
A. Tujuan Antara
Bagian modul ini membahas penemuan partikel dasar penyusun atom sebagai bahan “penyegaran” atau barangkali “pengayaan” untuk topik yang sejenis yang
tentunya pernah Anda kenal bukan? Nah, tak terhindarkan topik ini juga memaparkan kembali materi sejenis untuk menambah wawasan lebih lanjut dengan harapan Anda
lebih jauh memahami perihal Atom. Oleh sebab itu setelah menyelesaikan Kegiatan Belajar-1 ini diharapkan Anda dapat:
1 menjelaskan pandangan Dalton perihal atom
2 menjelaskan pandangan Faraday perihal atom berdasarkan hasil elektrolisis
3 menyebutkan sifat-sifat sinar katode sebagaimana teramati dalam tabung Crookes
4 menyebutkan kesamaan perbedaan sinar katode dengan sinar terusan
5 menjelaskan adanya kemungkinan tetes minyak a yang jatuh pada plat negatif
bawah, b yang menempel pada plat positif atas, dan c yang melayang di antara kedua plat dalam percobaan Milikan
6 menghitung muatan tetes minyak jika diketahui data jari-jari dan rapatannya, dan
gaya listrik yang bekerja padanya untuk menahan tetes minyak ini tetap melayang di antara kedua plat pada percobaan Milikan
7 menghitung muatan elektron hasil percobaan Milikan jika diperoleh data muatan-
muatan satu butir minyak. 8
menjelaskan arti formula rasio muatanmassa elektron 9
menjelaskan maksud percobaan tetes minyak Millikan 10 mengidentifikasi partikel dasar penyusun atom
11 mengidentifikasi nama ahli kimia yang pertama kali menemukan hasil percobaaan hamburan sinar alfa
B. Uraian Materi-1
Pandangan orang tentang atom mulai agak terinci sejak J. Dalton 1808 mengemukakan teorinya untuk menerangkan hukum-hukum dasar ilmu kimia yang
berhubungan dengan konversi massa dalam proses kimia. Atom berasal dari kata
1.4 atomos Yunani yang artinya tidak dapat dibagi-bagi lagi. Untuk itu Dalton
mengemukakan dugaannya yang masih samar-samar dan cukup kompleks sebagai berikut.
1. Unit partikel suatu materi yang tidak dapat dibagi-bagi atau diubah menjadi partikel lain disebut atom.
2. Atom bersifat tidak dapat dipecah-pecah. 3. Sebuah unsur tertentu terdiri atas atom-atom yang sama dan atom-atom ini
mempunyai massa yang sama. 4. Atom-atom dari unsur-unsur berbeda mempunyai massa yang berbeda pula.
5. Reaksi kimia antara dua atau lebih unsur tidak lain adalah peristiwa penggabungan antara atom unsur yang satu dengan atom unsur yang lain; massa
relatif atom-atom unsur yang bergabung secara langsung berhubungan dengan massa atom relatif unsur-unsur penyusunnya.
Pandangan Dalton tersebut tentu saja belum memberikan gambaran yang jelas mengenai struktur atom itu sendiri. Perkembangan ke arah struktur atom modern
menjadi meningkat setelah ditemukannya partikel-partikel yang sangat kecil sebagai partikel dasar penyusun atom. Oleh karena itu identifikasi partikel-partikel dasar ini
yaitu, elektron, proton dan neutron secara ringkas perlu dibicarakan lebih dulu untuk mengawali pembicaraan struktur atom modern.
1.1 Penemuan Sinar Katode: Elektron
Kenyataan bahwa perubahan-perubahan kimia dapat dihasilkan oleh karena arus listrik, misalnya pada proses elektrolisis, menunjukkan adanya hubungan antara materi
dengan listrik. Peristiwa elektrolisis memberi petunjuk bahwa atom mungkin merupakan bagian dari suatu susunan yang mempunyai sifat listrik karena materi
diasumsikan terdiri atas bangunan atom-atom. Faraday telah berhasil mempelajari peristiwa elektrolisis dengan mengemukakan hukumnya bahwa hasil elektrolisis
sebanding dengan arus listrik dan massa atom; hal ini menyarankan bahwa suatu struktur listrik harus melibatkan partikel-partikel listrik tertentu karena partikel
mempunyai massa. Peristiwa lain yang berkaitan dengan arus listrik ditunjukkan pula dalam tabung
gelas tabung Crookes. Bila dalam tabung Crookes yang bertekanan biasa dipasang dua elektrode yang dihubungkan dengan sumber arus listrik ternyata tidak menunjukkan
1.5 adanya gejala aliran listrik dalam medium tabung. Namun, bila tekanan udara atau gas
dalam tabung dikurangi menjadi sangat rendah ternyata nampak adanya loncatan sinar yang menjalar dari katode menuju anode. Loncatan sinar ini kemudian disebut sebagai
sinar katode. Sayangnya penyelidikan-penyelidikan terhadap peristiwa terjadinya sinar
katode, yang sebenarnya telah dimulai sejak 1853 oleh Masson Perancis, terhambat karena belum tersedianya tabung gelas yang memadai untuk percobaan yang
bersangkutan. Bersamaan dengan keberhasilannya membuat tabung gelas yang lebih memadai,
S. W. Crookes 1870 – 1879 dapat melakukan pengamatan-pengamatan yang lebih efektif terhadap sifat-sifat sinar katode; tabung gelas yang dihasilkan kemudian dikenal
sebagai tabung crookes. Hasil penyelidikannya antara lain adalah sebagai berikut. 1
Jika di antara kedua elektrode dipasang suatu objek, ternyata diperoleh bayangan bangun objek ini pada layar pendar di belakangnya. Mengapa? Ini hanya akan
terjadi jika sinar katode berjalan menurut jejak lurus. 2
Jika di antara kedua elektrode dipasang baling-baling, ternyata baling-baling ini menjadi berputar. Mengapa? Ini hanya akan terjadi jika sinar katode mempunyai
energi kinetik. 3
Sinar katode dapat menimbulkan peristiwa pendar fluoresen pada senyawa- senyawa tertentu misalnya ZnS sebagaimana peristiwa munculnya gambar pada
layar televisi. 4
Sinar katode dibelokkan oleh medan magnetik Gambar 1.1a dan medan listrik Gambar 1.1b, dan menuju pelat kutub positif; ini berarti bahwa sinar katode
bermuatan negatif bukan? 5
Jika sinar katode mengenai lembaran tipis logam akan mengakibatkan panas hingga membara.
6 Sinar katode mampu mengionkan molekul-molekul gas yang dilaluinya.
7 Sinar katode mampu menghasilkan radiasi penetrasi tembus tinggi sebagai
sinar-X jika difokuskan pada suatu target. 8
Sinar katode merusak film maupun kertas foto. Jadi, sinar katode terdiri atas partikel-partikel bermuatan negatif. G. J. Stoney
pada 1881 mengemukakan bahwa sifat listrik dibawa oleh partikel negatif secara
individual. Parikel ini diusulkan dengan nama elektron berasal dari bahasa Yunani
1.6 yang atinya amber yaitu suatu bahan untuk mendapatkan muatan listrik ketika digosok
dengan sutera. Dengan mengganti berbagai macam gas pengisi tabung dapat diketahui bahwa terjadinya sinar katode tidak bergantung pada jenis gas yang ada. Kesimpulan
apa yang dapat ditarik dari pengamatan ini? Tentu secara sederhana dapat disimpulkan bahwa setiap atom materi mengandung partikel bermuatan negatif, elektron, bukan?
Penentuan Rasio Muatan-Massa Elektron
Nah, bagaimana langkah selanjutnya untuk mengetahui karakteristik elektron ini? J. J. Thomson menyadari bahwa sinar katode tidak lain merupakan aliran partikel
negatif dari katode menuju anode sebagaimana aliran listrik dalam proses elektrolisis. Kenyataan bahwa sinar katode dibelokkan oleh medan magnetik dan medan listrik
Gambar 1.1 Sifat sinar katode terhadap medan magnetik a dan medan
listrik b, dan bagan alat Thomson untuk menentukan em elektron c
+
-
+
-
r r
P B
A K
E P
V
N S
c
Sumber Voltase Sumber
Voltase
+
-
B C
A K
V
a
S N
Sumber Voltase
Sumber Voltase
b +
-
+
-
P B
C A
K P
Sumber Voltase
Sumber Voltase
1.7 memberikan ide pada Thomson untuk memodifikasi tabung Crookes dengan
kelengkapan kedua medan tersebut. Thomson selanjutnya melakukan perhitungan- perhitungan atas dasar kuat medan magnetik dan kuat medan listrik yang digunakan
terhadap besarnya simpangan sinar katode yang terjadi sebagaimana diuraikan berikut ini.
Seperti ditunjukkan Gambar 1.1, bila tanpa ada pengaruh medan magnetik atau medan listrik, sinar katode berjalan menurut jejak lurus KB. Jika hanya medan
magnetik E yang bekerja, elektron mengalami gaya sebesar H e v H = kuat medan, e = muatan elektron, dan v = kecepatan elektron yang mengakibatkan elektron bejalan
menurut jejak lengkung sehingga berkas elektron jatuh pada C. Kelengkungan jejak elektron ini dapat dipandang sebagai gerak melingkar dengan jari-jari r yang dapat
dihitung menurut dimensi alat yang bersangkutan. Dalam hal ini berlaku bahwa, gaya sentrifugal = gaya magnetik
yaitu r
v m
2
= H e v atau
m e
=
r H
v
……………….. 1.1 Selanjutnya jika pengaruh beda potensial sebesar
V
pada pelat
P
juga bekerja, maka berkas elektron tentulah akan mengalami gaya medan listrik sebesar
d e
V
d
= jarak antara kedua pelat
P
. Jika kuat medan listrik ini diarahkan melawan gaya magnetik, dengan kekuatan yang sama besar, maka tentulah berkas elektron kembali
jatuh menurut garis lurus KB Gambar 1.1c. Dalam hal ini berlaku bahwa: gaya medan listrik = gaya magnetik
yaitu
d e
V
=
H e v
atau
v
=
d H
V
……………….. 1.2 Kombinasi persamaan 1 dan 2 diperoleh:
m e
=
r d
H V
2
……………….. 1.3 Besaran
V, H, d
dan
r
, semua telah diketahui, sehingga nilai rasio
m e
dapat ditentukan. Suatu hal yang sangat menarik adalah bahwa nilai
m e
ternyata tidak bergantung pada kecepatan elektron yang dapat diubah-ubah menurut perbedaan potensial antara kedua
1.8 elektrode tabung, dan juga tidak bergantung pada sumber elektron. Hal ini
menunjukkan bahwa elektron merupakan partikel dasar penyusun setiap atom. Harga konstan
m e
ini adalah kira-kira 1,76·10
8
C g
-1
atau 5,274·10
17
s e s g
-1
.
Penentuan Muatan dan Massa Elektron
Elektron merupakan
partikel yang sangat kecil dan massanya tidak mungkin
diukur secara
langsung. Maka penemuan nilai rasio
m e
tersebut memberikan ide bagi R. A. Millikan untuk
menangkap elektron
ke dalam partikel tetes minyak
yang jauh lebih besar dan dapat
terukur massanya
sehingga muatan
minyak elektron dapat ditentukan.
Dengan menyemprotkan
minyak atau cairan lain ke dalam ruangan, yang telah dikurangi tekanan udaranya dengan pompa V, seperti pada Gambar 1.2, diperoleh butiran-butiran tetes minyak yang
sangat kecil. Beberapa butir minyak ini akan lolos lewat sebuah celah pada pelat positif + A atas dan jatuh pada pelat negatif - K bawah. Salah satu atau beberapa butir
minyak ini tentu dapat menangkap elektron hasil ionisasi udara dalam ruang alat oleh sinar-X, sehingga butir minyak ini menjadi bermuatan negatif. Melalui teleskop
pengamat M dapat diamati jatuh-tidaknya butir-butir minyak ini bila diberikan medan listrik melalui kedua pelat A-K. Butir minyak akan jatuh jika tidak bermuatan negatif
atau dengan kata lain tidak menangkap elektron. Tetapi sebaliknya, butir minyak yang menangkap elektron akan menjadi bermuatan negatif sehingga tertahan atau jatuh
diperlambat, dan inilah yang diselidiki lebih lanjut. Dengan mengatur besarnya beda potensial
V
antara kedua pelat A-K, butir minyak yang bermuatan dapat ditahan menempel pada bagian pelat positif atas.
Selanjutnya jika
V
ditiadakan maka butir minyak ini akan jatuh dengan kecepatan
v
Gambar 1. 2 Bagan alat percobaan Milikan
+
-
Penyemprot minyak
Mikroskop Gaya gravitasi
Gaya elektrik
A
K
Sinar - X
P V
Sumber Voltase
M
1.9 yang dapat diamati. Hubungan jari-jari dengan kecepatan jatuhnya butir minyak
dinyatakan dengan rumusan,
r
= ρ
η
g v
2 9
½
, dan massa butir minyak dapat dihitung menurut rumusan m = 43
π
r
3
ρ
, dengan
η
= kekentalan udara dalam alat,
ρ
= rapatan minyak, dan g = gaya gravitasi. Jika dengan beda potensial sebesar V butir minyak yang
bermuatan dapat ditahan melayang di antara kedua pelat A-K, maka berlaku hubungan: gaya listrik pada butir minyak = gaya gravitasi pada butir minyak
yaitu: d
q V
= m g atau
q = V
d g
m …………………. 1.4
dengan d = jarak antara kedua pelat A-K, dan q = muatan butir minyak. Besaran-besaran m, g, d, dan V, semua telah diketahui; dengan demikian muatan
butir minyak dapat ditentukan, dan dari berbagai macam cairan dan berulangkali percobaan ternyata selalu diperoleh hasil yang merupakan kelipatan bilangan bulat
tertentu. Hasil tersebut antara lain: 9,6·10
-10
, 24,0·10
-10
, 4,8·10
-10
, dan 14,4·10
-10
ses. Bilangan-bilangan ini secara berturut-turut jelas merupakan kelipatan dari 2q, 5q, 1q,
dan 3q. Oleh karena
belum pernah
ditemui nilai terkecil selain 4,8·10
-10
, maka harga ini kemudian
dianggap
sebagai muatan satu elektron, dan yang lain menunjukkan jumlah elektron yang dapat ditangkap oleh setiap butiran minyak yang diselidiki.
Harga muatan elektron yang disepakati dewasa ini adalah sebesar 4,803·10
-10
ses atau 1,602·10
-19
C. Dengan ditemukannya harga muatan elektron tersebut, maka massanya dapat dihitung menurut rumusan rasio muatan-massa yaitu,
m = m
e e
=
1 -
8 -19
g C
10 1,76
C 10
1,602 ⋅
⋅
= 9,11·10
-28
gram
1.2 Penemuan Sinar Terusan: Proton
Setelah penemuan partikel negatif elektron tentulah ada partikel lawannya positif bukan? Nah, untuk menyelidiki adanya partikel ini, E. Goldstein 1886
mempelajari terjadinya sinar pada tabung Crookes dengan menggunakan katode berbentuk piringan sepenuh lingkaran tabung dan berlubang-lubang pada bagian
tengahnya. Ternyata, selain terjadi sinar katode, juga terjadi seberkas sinar yang lolos lewat lubang katode Gambar 1.3; sinar ini kemudian disebut sebagai
sinar terusan
1.10 atau
sinar kanal
. W. Wien 1898 dapat menunjukkan bahwa sinar terusan ini juga dibelokkan oleh medan magnetik maupun medan listrik. Akan tetapi, simpangan
pembelokan ini berlawanan arah dan lebih kecil daripada pembelokan sinar katode. Oleh karena itu disimpulkan bahwa sinar terusan bermuatan positif dan terdiri atas
partikel-partikel yang lebih berat daripada elektron; sinar terusan yang kemudian sering juga disebut sinar positif mempunyai muatan kelipatan dari +1,60·10
-19
C.
Setelah penemuan sinar terusan, peristiwa munculnya cahaya dalam tabung gas Crookes dapat dijelaskan lebih rinci sebagai berikut. Sebagaimana ditunjukkan Gambar
1.4, elektron dari atom-atom katode mengalir ke anode dan sebagian besar menabrak atom-atom gas apapun yang ada dalam tabung. Hal ini dapat mengakibatkan keluarnya
satu elektron atau lebih dari atom gas tersebut sehingga menghasilkan partikel positif. Elektron-elektron ini tentu mengalir ke anode sedangkan partikel-partikel positif
mengalir ke katode dan sebagian besar menabraknya, namun beberapa lolos lewat lubang katode yang terdeteksi oleh layar pendar di belakang katode. Sejumlah
kelebihan energi yang diraih oleh atom-atom gas dibebaskan dalam bentuk cahaya yang memenuhi isi tabung.
Dengan cara yang sama sebagaimana penentuan rasio muatan-massa elektron, Thomson 1913 kemudian mampu menentukan rasio muatan-massa partikel positif
tersebut. Dari berbagai percobaan ternyata diperoleh hasil bahwa rasio muatan-massa Gambar 1.3
Bagan alat terjadinya sinar terusan
+
B V
A
-
K
Gambar 1.4 Bagan terjadinya sinar anode dalam tabung Crookes
+ -
+
Katode Anode
elektron Elektron menumbuk atom gas
dan membebaskan elektron Ion positif mengalir ke katode
sinar kanal Aliran elektron ke anode
sinar katode
1.11 m
q , jauh lebih besar daripada rasio muatan-massa elektron m
e . Tambahan pula harga m
q
bergantung
pada jenis gas yang digunakan dalam tabung. Berdasarkan hasil percobaannya, E. Rutherford pada 1914 dapat menunjukkan
bahwa
partikel teringan
yang dijumpai pada sinar positip ternyata mempunyai massa
sebesar
massa atom hidrogen. Dengan asumsi bahwa muatan positip ini tentulah sama dengan muatan sebuah elektron tetapi dengan tanda berlawanan, maka dapat
disimpulkan bahwa partikel teringan ini tidak lain adalah ion H
+
, yaitu atom hidrogen yang kehilangan satu elektronnya. Percobaan-percobaan lebih lanjut sampai pada
rasionalisasi bahwa atom hidrogen yang bermuatan positip merupakan satu satuan partikel positif terkecil dalam susunan atom yang kemudian disebut
proton
. Massa proton ini adalah kira-kira 1,67·10
-24
gram, atau 1837 kali massa elektron. Perlu dicatat bahwa dalam berulang kali percobaan ditemuai adanya harga-harga kelipatan m
q ; hal
ini dapat diinterpretasikan bahwa atom gas yang diselidiki dapat melepaskan
satu
,
dua
atau
tiga
elektron.
1.3 Penemuan Neutron
Serangkaian percobaan untuk berbagai unsur menunjukkan bahwa massa atom
selalu lebih besar
daripada jumlah massa proton dan elektron. Perlu dicatat bahwa jumlah proton yang merupakan karakteristik bagi setiap atom unsur yang bersangkutan
telah ditemukan menurut percobaan Moseley. Bahkan dengan alat spektrograf massa dapat ditemukan adanya lebih dari satu macam harga massa atom untuk atom-atom
unsur yang sama sekalipun, yang kemudian dikenal sebagai isotop.
Sumber partikel
- α
partikel- α
Berilium Radiasi berdaya
penetrasi tinggi
parafin Proton
berkecepatan tinggi
Gambar 1. 5 Percobaan penembakan berilium dengan partikel- α
menghasilkan radiasi neutron yang mampu membebaskan proton dari parafin
1.12 Untuk menjelaskan gejala-gejala tersebut perlu diperkenalkan adanya partikel lain
yang bersifat
netral
tanpa muatan yang kemudian disebut
neutron
. Partikel ini pertama kali diusulkan oleh Rutherford pada tahun 1920 dan diduga mempunyai massa hampir
sama dengan massa atom hidrogen, tetapi, baru pada tahun 1933 ditemukan oleh J. Chadwick dalam proses reaksi nuklir. Dalam percobaan ini Gambar 1.5 partikel-
α
yang ditembakkan pada unsur berilium Be menghasilkan radiasi berikutnya dengan daya penetrasi tembus sangat tinggi. Radiasi ini mampu menghantam proton keluar
dari parafin dengan gaya yang sangat kuat. Berdasarkan energi dan momentumnya, hanya partikel netral dengan massa setingkat dengan massa proton yang mampu
menghantam proton keluar dari parafin. Oleh karena itu, Chadwick berpendapat bahwa radiasi dengan daya penetrasi kuat ini tentulah terdiri atas partikel-partikel netral
dengan massa sesuai untuk neutron. Dengan demikian atom berilium mengandung partikel netral, neutron
n, selain proton p dan elektron e, dan ketiganya disebut sebagai
partikel dasar
penyusun atom. Tabel 1.1 Data massa dan muatan elektron, proton, dan neutron
Elektron Proton
Neutron Muatan s e s
4,803·10
-10
4,803·10
-10
0 nol Coulomb
-1,602·10
-19
+1,602·10
-19
0 nol unit
-1 +1
0 nol Massa gram
9,109534·10
-28
1,6726485·10
-24
1,6749543·10
-24
s m a 0,0005485802
1,0072764 1,0086650
Tabel 1.1 menunjukkan komparasi muatan dan massa ketiga partikel dasar tersebut dalam harga-harga nyata dan harga-harga satuan atom. Perlu dicatat bahwa
massa proton dan neutron keduanya relatif sama besarnya.
C. Latihan Kegiatan Belajar-1 Petunjuk
: Selesaikan soal-soal berikut dengan penjelasan singkat menurut bahasa Anda sendiri.
1. Percobaan dalam tabung Crookes menghasilkan berkas sinar yang kemudian
dikenal sebagai sinar katode. a Mengapa disebut sebagai sinar katode; b sebutkan minimal 4 sifat-sifat sinar katode
2. Dalam percobaan penemuan sinar katode mengapa simpulannya dapat diarahkan
bahwa elektron merupakan partikel dasar penyusun atom?
1.13 3.
Selain penemuan sinar katode, percobaan tabung Crookes juga menemukan hasil lain yaitu munculnya sinar terusan atau sinar kanal. Sebutkan beberapa
persamaan dan perbedaannya dengan sinar katode. 4.
Dalam percobaan tetes minyak menurut cara Millikan, teramati adanya butir- butir minyak yang jatuh, melayang-layang, dan bahkan ada yang tertarik
menempel pada pelat positif pelat atas dalam waktu yang bersamaan. Mengapa hal ini dapat terjadi?
5. Dalam percobaan Milikan dipakai minyak dengan densitas 0,851 g cm
-
3
dan menghasilkan butiran dengan jari-jari 1,64·10
-
4
cm. Untuk menahan sebutir minyak yang bermuatan ini tetap melayang di antara kedua pelat ternyata
diperlukan gaya listrik sebesar 1,92·10
5
NC. Hitung besarnya muatan butir minyak tersebut.
1.14
D. Rambu-Rambu Kunci Jawaban Latihan Kegiatan Belajar-1