Atom

Sejarah

Kata "atom" berasal dari bahasa Yunani (ἀτόμος) "atomos", tak terpisahkan, dari (ἀ)-, bukan, dan τόμος, sebuah potongan. Penyebutan kata atom dalam sejarah pertama kali berasal dari karya filsuf Yunani, Democritus, sekitar tahun 400 SM. Teori atom tetap menjadi subjek yang sebagian besar filosofis, dengan tidak banyak penyelidikan atau studi ilmiah yang sebenarnya, sampai perkembangan kimia pada tahun 1650-an.

Pada tahun 1777, ahli kimia Prancis Antoine Lavoisier mendefinisikan istilah unsur untuk pertama kalinya. Dia mengatakan bahwa unsur adalah zat dasar apa pun yang tidak dapat dipecah menjadi zat lain dengan metode kimia. Zat apa pun yang dapat dipecah adalah senyawa.

Pada tahun 1803, filsuf Inggris John Dalton mengemukakan bahwa elemen adalah bola kecil dan padat yang terbuat dari atom. Dalton percaya bahwa semua atom dari unsur yang sama memiliki massa yang sama. Dia mengatakan bahwa senyawa terbentuk ketika atom-atom lebih dari satu unsur bergabung. Menurut Dalton, dalam senyawa tertentu, atom-atom unsur senyawa selalu bergabung dengan cara yang sama.

Pada tahun 1827, ilmuwan Inggris Robert Brown mengamati butiran serbuk sari dalam air di bawah mikroskopnya. Butir-butir serbuk sari tampak bergoyang-goyang. Brown menggunakan teori atom Dalton untuk menggambarkan pola dalam cara mereka bergerak. Ini disebut gerak brownian. Pada tahun 1905 Albert Einstein menggunakan matematika untuk membuktikan bahwa gerakan yang tampaknya acak disebabkan oleh reaksi atom, dan dengan melakukan ini ia secara meyakinkan membuktikan keberadaan atom. Pada tahun 1869, ilmuwan Rusia Dmitri Mendeleev menerbitkan versi pertama dari tabel periodik. Tabel periodik mengelompokkan unsur-unsur berdasarkan nomor atomnya (berapa banyak proton yang mereka miliki. Ini biasanya sama dengan jumlah elektron). Unsur-unsur dalam kolom yang sama, atau periode, biasanya memiliki sifat yang serupa. Misalnya, helium, neon, argon, kripton, dan xenon semuanya berada di kolom yang sama dan memiliki sifat yang sangat mirip. Semua elemen ini adalah gas yang tidak memiliki warna dan tidak berbau. Juga, mereka tidak dapat bergabung dengan atom lain untuk membentuk senyawa. Bersama-sama mereka dikenal sebagai gas mulia.

Fisikawan J.J. Thomson adalah orang pertama yang menemukan elektron. Hal ini terjadi saat ia bekerja dengan sinar katoda pada tahun 1897. Dia menyadari bahwa elektron memiliki muatan negatif, tidak seperti proton (positif) dan neutron (tanpa muatan). Thomson menciptakan model puding plum, yang menyatakan bahwa atom itu seperti puding plum: buah kering (elektron) terjebak dalam massa puding (proton). Pada tahun 1909, seorang ilmuwan bernama Ernest Rutherford menggunakan eksperimen Geiger-Marsden untuk membuktikan bahwa sebagian besar atom berada dalam ruang yang sangat kecil yang disebut inti atom. Rutherford mengambil pelat foto dan menutupinya dengan kertas emas, dan kemudian menembakkan partikel alfa (terbuat dari dua proton dan dua neutron yang saling menempel) ke arahnya. Banyak partikel melewati foil emas, yang membuktikan bahwa atom sebagian besar adalah ruang kosong. Elektron sangat kecil sehingga hanya membentuk 1% dari massa atom.

Pada tahun 1913, Niels Bohr memperkenalkan model Bohr. Model ini menunjukkan bahwa elektron bergerak di sekitar inti dalam orbit melingkar yang tetap. Ini lebih akurat daripada model Rutherford. Namun, itu masih belum sepenuhnya benar. Perbaikan pada model Bohr telah dilakukan sejak pertama kali diperkenalkan.

Pada tahun 1925, ahli kimia Frederick Soddy menemukan bahwa beberapa unsur dalam tabel periodik memiliki lebih dari satu jenis atom. Misalnya, atom apa pun dengan 2 proton harus menjadi atom helium. Biasanya, inti helium juga mengandung dua neutron. Namun, beberapa atom helium hanya memiliki satu neutron. Ini berarti mereka benar-benar helium, karena suatu unsur ditentukan oleh jumlah proton, tetapi mereka juga bukan helium normal. Soddy menyebut atom seperti ini, dengan jumlah neutron yang berbeda, sebuah isotop. Untuk mendapatkan nama isotop, kita melihat berapa banyak proton dan neutron yang dimilikinya dalam nukleusnya dan menambahkan ini ke nama elemen. Jadi atom helium dengan dua proton dan satu neutron disebut helium-3, dan atom karbon dengan enam proton dan enam neutron disebut karbon-12. Namun, ketika dia mengembangkan teorinya, Soddy tidak bisa memastikan neutron benar-benar ada. Untuk membuktikan bahwa mereka nyata, fisikawan James Chadwick dan tim lainnya menciptakan spektrometer massa. Spektrometer massa sebenarnya mengukur massa dan berat atom individu. Dengan melakukan ini Chadwick membuktikan bahwa untuk memperhitungkan semua berat atom, neutron harus ada.

Pada tahun 1937, ahli kimia Jerman Otto Hahn menjadi orang pertama yang menciptakan fisi nuklir di laboratorium. Dia menemukan ini secara kebetulan ketika dia menembakkan neutron pada atom uranium, berharap untuk menciptakan isotop baru. Namun, ia memperhatikan bahwa alih-alih isotop baru, uranium hanya berubah menjadi atom barium, atom yang lebih kecil dari uranium. Rupanya, Hahn telah "merusak" atom uranium. Ini adalah reaksi fisi nuklir pertama yang tercatat di dunia. Penemuan ini akhirnya mengarah pada penciptaan bom atom.

Lebih jauh ke abad ke-20, fisikawan masuk lebih dalam ke misteri atom. Dengan menggunakan akselerator partikel, mereka menemukan bahwa proton dan neutron sebenarnya terbuat dari partikel lain, yang disebut quark.

Model yang paling akurat sejauh ini berasal dari persamaan Schrödinger. Schrödinger menyadari bahwa elektron ada di awan di sekitar inti, yang disebut awan elektron. Dalam awan elektron, tidak mungkin untuk mengetahui dengan tepat di mana elektron berada. Persamaan Schrödinger digunakan untuk mengetahui di mana elektron kemungkinan berada. Daerah ini disebut orbital elektron.

Ernest Rutherford

Struktur dan bagian

Bagian

Atom kompleks terdiri dari tiga partikel utama; proton, neutron dan elektron. Isotop Hidrogen Hidrogen-1 tidak memiliki neutron, hanya satu proton dan satu elektron. Ion hidrogen positif tidak memiliki elektron, hanya satu proton dan satu neutron. Kedua contoh ini adalah satu-satunya pengecualian yang diketahui untuk aturan bahwa semua atom lain memiliki setidaknya satu proton, satu neutron, dan satu elektron masing-masing.

Elektron sejauh ini adalah yang terkecil dari tiga partikel atom, massa dan ukurannya terlalu kecil untuk diukur menggunakan teknologi saat ini. Mereka memiliki muatan negatif. Proton dan neutron memiliki ukuran dan berat yang sama satu sama lain, proton bermuatan positif dan neutron tidak memiliki muatan. Sebagian besar atom memiliki muatan netral; karena jumlah proton (positif) dan elektron (negatif) sama, muatannya menyeimbangkan menjadi nol. Namun, dalam ion (jumlah elektron yang berbeda) ini tidak selalu terjadi, dan mereka dapat memiliki muatan positif atau negatif. Proton dan neutron terbuat dari quark, dari dua jenis; quark atas dan quark bawah. Proton terbuat dari dua quark atas dan satu quark bawah, dan neutron terbuat dari dua quark bawah dan satu quark atas.

Nukleus

Inti atom berada di tengah-tengah atom. Itu terdiri dari proton dan neutron. Biasanya di alam, dua hal dengan muatan yang sama saling tolak-menolak atau saling menjauh. Jadi untuk waktu yang lama itu adalah misteri bagi para ilmuwan bagaimana proton bermuatan positif dalam nukleus tetap bersama. Mereka memecahkan hal ini dengan menemukan partikel yang disebut gluon. Namanya berasal dari kata lem, karena gluon bertindak seperti lem atom, menempelkan proton bersama-sama menggunakan gaya nuklir yang kuat. Gaya inilah yang juga menyatukan quark yang membentuk proton dan neutron.

Jumlah neutron dalam kaitannya dengan proton menentukan apakah nukleus stabil atau mengalami peluruhan radioaktif. Ketika ada terlalu banyak neutron atau proton, atom mencoba membuat jumlahnya sama dengan menyingkirkan partikel ekstra. Ini dilakukan dengan memancarkan radiasi dalam bentuk peluruhan alfa, beta atau gamma. Nukleus dapat berubah melalui cara lain juga. Fisi nuklir adalah ketika inti terpecah menjadi dua inti yang lebih kecil, melepaskan banyak energi yang tersimpan. Pelepasan energi inilah yang membuat fisi nuklir berguna untuk membuat bom dan listrik, dalam bentuk tenaga nuklir. Cara lain yang membuat nukleus dapat berubah adalah melalui fusi nuklir, ketika dua nukleus bergabung bersama, atau melebur, untuk membuat nukleus yang lebih berat. Proses ini membutuhkan jumlah energi yang ekstrim untuk mengatasi tolakan elektrostatik antara proton, karena mereka memiliki muatan yang sama. Energi tinggi seperti itu paling umum terjadi di bintang-bintang seperti Matahari kita, yang memadukan hidrogen untuk bahan bakar.

Elektron

Elektron mengorbit, atau bergerak di sekitar inti atom. Mereka disebut awan elektron atom. Mereka tertarik ke arah inti karena gaya elektromagnetik. Elektron memiliki muatan negatif dan nukleus selalu memiliki muatan positif, sehingga mereka saling menarik. Di sekitar nukleus, beberapa elektron berada lebih jauh dari yang lain, dalam lapisan yang berbeda. Ini disebut cangkang elektron. Di sebagian besar atom, kulit pertama memiliki dua elektron, dan semua setelah itu memiliki delapan. Pengecualian jarang terjadi, tetapi mereka memang terjadi dan sulit diprediksi. Semakin jauh elektron dari nukleus, semakin lemah tarikan nukleus padanya. Inilah sebabnya mengapa atom yang lebih besar, dengan lebih banyak elektron, bereaksi lebih mudah dengan atom lain. Elektromagnetisme nukleus tidak cukup kuat untuk menahan elektron mereka dan atom kehilangan elektron karena tarikan kuat atom yang lebih kecil.

Diagram yang menunjukkan kesulitan utama dalam fusi nuklir, fakta bahwa proton, yang memiliki muatan positif, saling tolak-menolak ketika dipaksa bersama.

Peluruhan radioaktif

Beberapa unsur, dan banyak isotop, memiliki apa yang disebut inti yang tidak stabil. Ini berarti nukleus terlalu besar untuk menahan dirinya sendiri atau memiliki terlalu banyak proton atau neutron. Ketika hal ini terjadi, inti harus menyingkirkan kelebihan massa atau partikel. Ini dilakukan melalui radiasi. Atom yang melakukan ini bisa disebut radioaktif. Atom yang tidak stabil terus menjadi radioaktif sampai mereka kehilangan cukup massa / partikel sehingga mereka menjadi stabil. Semua atom di atas nomor atom 82 (82 proton, timbal) bersifat radioaktif.

Ada tiga jenis utama peluruhan radioaktif; alfa, beta dan gamma.

• Peluruhan alfa adalah ketika atom menembakkan partikel yang memiliki dua proton dan dua neutron. Ini pada dasarnya adalah inti helium. Hasilnya adalah unsur dengan nomor atom dua kurang dari sebelumnya. Jadi misalnya jika atom berilium (nomor atom 4) mengalami peluruhan alfa maka akan menjadi helium (nomor atom 2). Peluruhan alfa terjadi ketika sebuah atom terlalu besar dan perlu menyingkirkan beberapa massa.
• Peluruhan beta adalah ketika neutron berubah menjadi proton atau proton berubah menjadi neutron. Dalam kasus pertama atom menembakkan elektron. Dalam kasus kedua itu adalah positron (seperti elektron tetapi dengan muatan positif). Hasil akhirnya adalah unsur dengan satu nomor atom lebih tinggi atau satu lebih rendah dari sebelumnya. Peluruhan beta terjadi ketika atom memiliki terlalu banyak proton, atau terlalu banyak neutron.
• Peluruhan gamma adalah ketika sebuah atom menembakkan sinar gamma, atau gelombang. Itu terjadi ketika ada perubahan energi inti. Ini biasanya setelah inti telah melalui peluruhan alfa atau beta. Tidak ada perubahan massa, atau nomor atom atau atom, hanya dalam energi yang tersimpan di dalam inti.

Setiap unsur radioaktif atau isotop memiliki apa yang dinamakan waktu paruh. Ini adalah berapa lama waktu yang dibutuhkan setengah dari sampel atom jenis itu untuk meluruh sampai mereka menjadi isotop atau elemen stabil yang berbeda. Atom besar, atau isotop dengan perbedaan besar antara jumlah proton dan neutron karenanya akan memiliki waktu paruh yang panjang, karena mereka harus kehilangan lebih banyak neutron untuk menjadi stabil.

Marie Curie menemukan bentuk radiasi pertama. Dia menemukan unsur tersebut dan menamakannya radium. Dia juga merupakan wanita pertama penerima Hadiah Nobel.

Frederick Soddy melakukan percobaan untuk mengamati apa yang terjadi saat radium meluruh. Dia menempatkan sampel di dalam bola lampu dan menunggu sampai meluruh. Tiba-tiba, helium (mengandung 2 proton dan 2 neutron) muncul di dalam bola lampu, dan dari percobaan ini dia menemukan jenis radiasi ini memiliki muatan positif.

James Chadwick menemukan neutron, dengan mengamati produk peluruhan dari berbagai jenis isotop radioaktif. Chadwick memperhatikan bahwa nomor atom unsur-unsur itu lebih rendah daripada massa atom total atom. Dia menyimpulkan bahwa elektron tidak bisa menjadi penyebab massa ekstra karena mereka hampir tidak memiliki massa.

Enrico Fermi, menggunakan neutron untuk menembakkan neutron ke uranium. Dia menemukan bahwa uranium meluruh jauh lebih cepat dari biasanya dan menghasilkan banyak partikel alfa dan beta. Dia juga percaya bahwa uranium berubah menjadi unsur baru yang dia beri nama hesperium.

Otto Hanh dan Fritz Strassmann mengulangi eksperimen Fermi untuk melihat apakah unsur baru hesperium benar-benar tercipta. Mereka menemukan dua hal baru yang tidak diamati Fermi. Dengan menggunakan banyak neutron, inti atom akan terpecah, menghasilkan banyak energi panas. Juga produk fisi uranium sudah ditemukan: thorium, paladium, radium, radon dan timbal.

Fermi kemudian memperhatikan bahwa fisi satu atom uranium menembakkan lebih banyak neutron, yang kemudian membelah atom lain, menciptakan reaksi berantai. Dia menyadari bahwa proses ini disebut fisi nuklir dan dapat menciptakan energi panas dalam jumlah besar.

Penemuan Fermi tersebut menyebabkan pengembangan bom nuklir pertama yang diberi nama kode 'Trinity'.