Ernest Rutherford tidak hanya mengubah pemahaman yang ada tentang materi. Dia menghancurkannya.
Pada tahun 1911, fisikawan kelahiran Selandia Baru ini mengusulkan model Rutherford baru yang radikal mengenai struktur atom. Hal ini sangat berbeda dengan teori-teori lunak yang mendominasi komunitas ilmiah pada saat itu.
Idenya sederhana namun sangat efektif.
Dia menggambarkan atom bukan sebagai gumpalan seragam, namun sebagai suatu sistem yang dibatasi oleh ruang kosong yang luas. Di tengahnya terdapat inti yang kecil dan padat. Dia menyebutnya nukleus. Hampir seluruh massa atom berada di sini. Itu membawa muatan positif.
Yang mengorbit inti berat ini adalah partikel-partikel ringan dan negatif. elektron. Mereka berputar-putar di kejauhan. Analoginya tidak salah lagi. Ini mencerminkan planet-planet yang berputar mengelilingi Matahari.
Ini adalah kelahiran atom nuklir.
Analogi Planet
Pikirkan skalanya. Jika inti atom adalah sebuah kelereng di tengah lapangan stadion bisbol, elektron-elektronnya akan menjadi agas yang berdengung di kursi tertinggi tribun penonton. Sisanya? Kekosongan kosong.
Model Rutherford ini menjelaskan mengapa sebagian besar partikel alfa yang ditembakkan pada kertas emas langsung menembusnya. Mereka melewatkan intinya. Elektron terlalu kecil untuk membelokkannya.
Namun ada pula yang bangkit kembali.
Hamburan ini membuktikan adanya muatan positif yang terkonsentrasi. Hal ini memaksa kita memikirkan kembali bagaimana materi bisa bersatu. Atom tidak lagi berbentuk bola padat. Itu adalah sistem kekuatan yang dinamis.
Mengapa Itu Penting
Sebelum Rutherford, atom dipandang sebagai sesuatu yang tidak dapat dibagi atau terstruktur secara samar-samar. Usulannya memperkenalkan arsitektur yang jelas.
Ini menetapkan inti sebagai jangkar. Elektron menjadi pemain periferal yang aktif. Pergeseran ini meletakkan dasar bagi segala sesuatu yang terjadi selanjutnya. Mekanika kuantum. Fisika nuklir. Pemahaman tentang isotop.
Modelnya tidak sempurna. Hal ini tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak menabrak inti akibat radiasi elektromagnetik. Masalah tersebut memerlukan waktu puluhan tahun untuk diselesaikan.
Namun wawasan inti tetap ada. Atom mempunyai pusat. Massanya terkonsentrasi di satu tempat. Dan itu memiliki ruang.
“Atom sebagian besar berupa ruang kosong dengan pusat positif yang padat.”
Ini bukan hanya diagram. Itu adalah cara baru untuk melihat kenyataan. Kami masih menggunakan kerangka dasar ini sampai sekarang. Inti tetap menjadi jantung atom. Elektron menentukan perilakunya.
Kami berdiri di atas bahu wawasan tahun 1911 itu. Selebihnya hanyalah mengisi rincian alam semesta yang luas dan tak kasat mata.
Mengapa Atom Sebagian Besar Ruangnya Kosong
Penemuan inti atom tidak terjadi dalam ruang hampa. Ini dimulai dengan pertanyaan sederhana dan keras kepala tentang apa yang terjadi jika Anda menembakkan partikel berkecepatan tinggi ke logam. Pada tahun 1909, Ernest Marsden, seorang sarjana yang bekerja di bawah bimbingan Ernest Rutherford dan Hans Geiger, membuat eksperimen yang akan menulis ulang fisika. Mereka tidak hanya mencari jawaban. Mereka mencari apa yang tidak mereka harapkan.
Penyiapannya masih sederhana menurut standar modern, tetapi cukup tepat untuk mengubah segalanya. Sumber radioaktif memancarkan partikel alfa. Ini adalah partikel bermuatan positif, pada dasarnya adalah inti helium, dan massanya kira-kira 7.000 kali lebih besar daripada elektron. Tim melindungi sumbernya dengan timah dan memaksa radiasi melalui celah sempit. Hasilnya adalah sinar yang diarahkan langsung ke selembar kertas emas yang lebih tipis dari rambut manusia.
Di belakang kertas timah terdapat layar yang dilapisi seng sulfida. Saat partikel alfa menghantam layar ini, ia menciptakan kilatan cahaya kecil, sebuah kilau. Rutherford dan timnya menghabiskan malam di ruangan yang gelap, melihat melalui mikroskop, menghitung kilatan cahaya ini. Layarnya bisa bergerak. Hal ini memungkinkan mereka untuk memeriksa apakah partikel memantul pada sudut yang aneh.
Kebanyakan partikel melakukan persis seperti yang dipikirkan semua orang. Mereka langsung melewatinya. Hal ini menyiratkan bahwa atom sebagian besar merupakan ruang kosong. Namun sebagian kecil dari sinar itu berperilaku aneh. Beberapa dibelokkan sedikit. Beberapa tersebar pada sudut lebar. Dan sejumlah kecil memantul kembali ke sumbernya.
Rutherford kemudian membandingkannya dengan menembakkan peluru angkatan laut berukuran 15 inci ke kertas tisu dan memantulkannya ke arah Anda. Itu tidak masuk akal. Ini seharusnya tidak terjadi. Satu-satunya cara untuk menjelaskan tolakan hebat tersebut adalah jika muatan positif atom tidak tersebar secara merata. Itu harus dipusatkan di pusat yang kecil dan padat.
Pusat ini dikenal sebagai inti atom.
Model Planet Mulai Terbentuk
Dengan teridentifikasinya inti atom, sisa struktur atom akan terbentuk sesuai kebutuhan. Muatan positif inti harus diseimbangkan dengan elektron negatif. Rutherford mengusulkan bahwa elektron-elektron ini mengorbit inti seperti halnya planet mengorbit matahari. Gaya tarik elektrostatis menahan mereka di tempatnya, meniru gaya gravitasi di tata surya.
Ini adalah model atom Rutherford. Itu menggantikan J.J. teori “puding plum” Thomson sebelumnya. Thomson berpendapat bahwa elektron tertanam dalam bola positif yang menyebar, seperti buah plum dalam makanan penutup. Data Rutherford mematikan gagasan itu. Atom bukanlah gumpalan padat. Itu adalah arena yang luas, sebagian besar kosong dengan inti yang berat di tengahnya.
Namun modelnya tidak sempurna. Itu sepenuhnya bergantung pada fisika klasik. Menurut hukum tersebut, elektron yang mengorbit harus terus-menerus memancarkan energi. Ia akan berputar ke dalam dan menabrak inti dalam sepersekian detik. Atom harus runtuh. Ternyata tidak.
Cacat itu tidak luput dari perhatian. Dalam beberapa tahun, Niels Bohr turun tangan. Dia memperkenalkan teori kuantum awal untuk memperbaiki ketidakstabilan. Elektron, menurut Bohr, hanya dapat menempati orbit tertentu. Mereka tidak terpuruk. Mereka melompat antar level. Model atom Bohr ini menggantikan visi planet Rutherford, namun penemuan intinya tetap sama.
Eksperimen kertas emas membuktikan bahwa materi tidak padat seperti yang kita alami. Itu jarang. Hal ini disatukan oleh kekuatan yang tidak dapat kita lihat. Inti atom sangat kecil, namun mengandung hampir seluruh massa. Sisanya hanyalah ruang.
Kami masih menggunakan kerangka ini sampai sekarang. Kita hanya tahu bahwa elektron tidak mengorbit seperti planet yang rapi. Mereka ada di awan probabilitas. Matematikanya lebih sulit. Kenyataannya lebih aneh. Namun wawasan utama tetap ada.
Atom pada dasarnya bukanlah apa-apa. Dan itulah mengapa ini berhasil.
