EKSPERIMEN RUTHERFORD: SEJARAH, DESKRIPSI DAN KESIMPULAN - ILMU - 2026

The percobaan Rutherford , dilakukan antara tahun 1908 dan 1913 terdiri membom sebuah film emas tipis 0,0004 mm tebal, dengan partikel alfa dan menganalisis pola penyebaran partikel kata kiri pada layar fluorescent.

Faktanya, Rutherford melakukan banyak eksperimen, semakin menyempurnakan detailnya. Setelah menganalisis hasilnya dengan cermat, dua kesimpulan yang sangat penting muncul:

-Muatan positif atom terkonsentrasi di wilayah yang disebut inti.

- Inti atom ini sangat kecil dibandingkan dengan ukuran atomnya.

Gambar 1. Percobaan Rutherford. Sumber: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) adalah fisikawan kelahiran Selandia Baru yang bidang minatnya adalah radioaktivitas dan sifat materi. Radioaktivitas adalah fenomena baru ketika Rutherford memulai eksperimennya, ditemukan oleh Henri Becquerel pada tahun 1896.

Pada tahun 1907 Rutherford pergi ke Universitas Manchester di Inggris untuk mempelajari struktur atom, menggunakan partikel alfa ini sebagai probe untuk mengintip ke dalam struktur sekecil itu. Fisikawan Hans Geiger dan Ernest Marsden menemaninya dalam tugas tersebut.

Mereka berharap untuk melihat bagaimana partikel alfa, yang merupakan atom helium terionisasi ganda, akan berinteraksi dengan satu atom emas, untuk memastikan bahwa setiap penyimpangan yang dialaminya hanya disebabkan oleh gaya listrik.

Namun, sebagian besar partikel alfa melewati lapisan emas hanya dengan sedikit penyimpangan.

Fakta ini sepenuhnya sesuai dengan model atom Thomson, namun, yang mengejutkan para peneliti, sebagian kecil partikel alfa mengalami penyimpangan yang luar biasa.

Dan persentase yang lebih kecil dari partikel akan kembali, memantul kembali sepenuhnya. Apa akibat dari hasil yang tidak terduga ini?

Deskripsi dan kesimpulan percobaan

Faktanya, partikel alfa yang digunakan Rutherford sebagai probe adalah inti helium, dan pada saat itu baru diketahui bahwa partikel tersebut bermuatan positif. Saat ini diketahui bahwa partikel alfa terdiri dari dua proton dan dua neutron.

Partikel alfa dan partikel beta telah diidentifikasi oleh Rutherford sebagai dua jenis radiasi yang berbeda dari uranium. Partikel alfa, jauh lebih masif daripada elektron, memiliki muatan listrik positif, sedangkan partikel beta dapat berupa elektron atau positron.

Gambar 2. Skema rinci percobaan Rutherford, Geiger dan Marsden. Sumber: R. Knight. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.

Skema percobaan yang disederhanakan ditunjukkan pada Gambar 2. Pancaran partikel alfa berasal dari sumber radioaktif. Geiger dan Marsden menggunakan gas radon sebagai pemancar.

Blok timbal digunakan untuk mengarahkan radiasi ke lapisan emas dan mencegahnya langsung ke layar fluoresen. Timbal adalah bahan yang menyerap radiasi.

Selanjutnya, sinar yang diarahkan demikian, dibuat untuk menimpa lembaran emas tipis dan sebagian besar partikel melanjutkan perjalanan mereka ke layar seng sulfat fluoresen, di mana mereka meninggalkan jejak cahaya kecil. Geiger bertugas menghitungnya satu per satu, meskipun mereka kemudian merancang perangkat yang bisa melakukannya.

Fakta bahwa beberapa partikel mengalami defleksi kecil tidak mengejutkan Rutherford, Geiger, dan Marsden. Bagaimanapun, ada muatan positif dan negatif pada atom yang memberikan gaya pada partikel alfa, tetapi karena atom netral, yang sudah mereka ketahui, penyimpangannya harus kecil.

Kejutan dari percobaan ini adalah bahwa beberapa partikel positif langsung dipantulkan kembali.

Kesimpulan

Sekitar 1 dari 8000 partikel alfa mengalami defleksi pada sudut yang lebih besar dari 90º. Sedikit, tapi cukup untuk mempertanyakan beberapa hal.

Model atom yang populer adalah puding kismis oleh Thomson, mantan profesor Rutherford di Laboratorium Cavendish, tetapi Rutherford bertanya-tanya apakah gagasan tentang atom tanpa inti dan dengan elektron yang tertanam sebagai kismis, benar.

Karena ternyata defleksi besar partikel alfa ini, dan fakta bahwa beberapa partikel dapat kembali, hanya dapat dijelaskan jika sebuah atom memiliki inti kecil, berat, positif. Rutherford berasumsi bahwa hanya gaya tarik dan tolak listrik, seperti yang ditunjukkan oleh hukum Coulomb, yang bertanggung jawab atas penyimpangan apa pun.

Ketika beberapa partikel alfa mendekati langsung ke inti ini dan karena gaya listrik bervariasi dengan kuadrat terbalik dari jarak, mereka merasakan tolakan yang menyebabkan hamburan sudut lebar atau defleksi ke belakang.

Yang pasti, Geiger dan Marsden bereksperimen dengan membombardir lembaran logam yang berbeda, tidak hanya emas, meskipun logam ini adalah yang paling sesuai untuk kelenturannya, untuk membuat lembaran yang sangat tipis.

Dengan memperoleh hasil yang serupa, Rutherford yakin bahwa muatan positif pada atom harus ditempatkan di dalam inti atom, dan tidak tersebar di seluruh volumenya, seperti yang dipostulatkan oleh Thomson dalam modelnya.

Di sisi lain, karena sebagian besar partikel alfa melintas tanpa deviasi, inti atom harus sangat, sangat kecil dibandingkan dengan ukuran atom. Namun, inti ini harus memusatkan sebagian besar massa atom.

Pengaruh pada model atom

Hasilnya sangat mengejutkan Rutherford, yang menyatakan pada sebuah konferensi di Cambridge: “… ini seperti ketika Anda menembakkan bola meriam 15 inci ke selembar kertas tisu dan proyektil memantul langsung ke arah Anda dan mengenai Anda”.

Karena hasil ini tidak dapat dijelaskan oleh model atom Thomson, Rutherford mengusulkan bahwa atom terdiri dari inti, sangat kecil, sangat masif dan bermuatan positif. Elektron tetap dalam orbit di sekitarnya, seperti tata surya miniatur.

Gambar 3. Model atom Rutherford di sebelah kiri dan model puding kismis Thomson di sebelah kanan. Sumber: Wikimedia Commons. Gambar kiri: Jcymc90

Inilah model inti atom yang ditunjukkan pada Gambar 3 di sebelah kiri. Karena elektron juga sangat, sangat kecil, ternyata atom adalah hampir segalanya…. kosong! Oleh karena itu, sebagian besar partikel alfa melewati lembaran hampir tidak dibelokkan.

Dan analogi tata surya dengan miniatur sangat akurat. Inti atom berperan sebagai Matahari, mengandung hampir semua massa ditambah muatan positif. Elektron mengorbit di sekitarnya seperti planet dan membawa muatan negatif. Perakitan ini netral secara elektrik.

Tentang distribusi elektron dalam atom, eksperimen Rutherford tidak menunjukkan apa-apa. Anda mungkin berpikir bahwa partikel alfa akan berinteraksi dengannya, tetapi massa elektronnya terlalu kecil dan mereka tidak mampu membelokkan partikel secara signifikan.

Kekurangan dari model Rutherford

Satu masalah dengan model atom ini tepatnya adalah perilaku elektronnya.

Jika ini tidak statis, tetapi mengorbit inti atom dalam orbit melingkar atau elips, didorong oleh tarikan listrik, mereka akan menuju ke inti.

Ini karena elektron yang dipercepat kehilangan energi, dan jika itu terjadi, itu akan menjadi keruntuhan atom dan materi.

Untungnya bukan ini yang terjadi. Ada semacam stabilitas dinamis yang mencegah keruntuhan. Model atom berikutnya, setelah Rutherford, adalah Bohr, yang memberikan beberapa jawaban mengapa keruntuhan atom tidak terjadi.

Proton dan neutron

Rutherford terus melakukan eksperimen hamburan. Antara 1917 dan 1918, dia dan asistennya William Kay memilih untuk membombardir atom nitrogen gas dengan partikel alfa yang sangat energik dari bismuth-214.

Dia terkejut lagi, ketika dia mendeteksi inti hidrogen. Ini adalah persamaan reaksinya, transmutasi nuklir buatan pertama yang pernah dicapai:

Jawabannya adalah: dari nitrogen yang sama. Rutherford telah menetapkan hidrogen nomor atom 1, karena ia adalah unsur yang paling sederhana: inti positif dan elektron negatif.

Rutherford telah menemukan sebuah partikel fundamental yang dia namakan proton, sebuah nama yang diambil dari kata Yunani untuk mula-mula. Dengan cara ini, proton adalah penyusun esensial dari setiap inti atom.

Belakangan, sekitar 1920, Rutherford mengusulkan bahwa pasti ada partikel netral dengan massa yang sangat mirip dengan proton. Dia menyebut partikel ini sebagai neutron dan merupakan bagian dari hampir semua atom yang diketahui. Fisikawan James Chadwick akhirnya mengidentifikasinya pada tahun 1932.

Seperti apa model skala atom hidrogen?

Atom hidrogen, seperti yang telah kita katakan, adalah yang paling sederhana dari semuanya. Namun, tidak mudah mengembangkan model atom ini.

Penemuan berturut-turut memunculkan Fisika Kuantum dan seluruh teori yang menggambarkan fenomena pada skala atom. Selama proses ini, model atom juga berkembang. Tapi mari kita lihat pertanyaan tentang ukuran:

Atom hidrogen memiliki inti yang terdiri dari satu proton (positif) dan memiliki satu elektron (negatif).

Jari-jari atom hidrogen diperkirakan 2,1 x 10 ^-10 m, sedangkan proton adalah 0,85 x 10 ^-15 m atau 0,85 femtometer. Nama unit kecil ini karena Enrico Fermi dan banyak digunakan saat bekerja pada skala ini.

Nah, hasil bagi antara jari-jari atom dan jari-jari inti adalah 10 ⁵ m, artinya, atom 100.000 kali lebih besar dari inti!

Namun, harus diingat bahwa dalam model kontemporer, berdasarkan Mekanika Kuantum, elektron menyelimuti inti dalam semacam awan yang disebut orbital (orbital bukan orbit) dan elektron, pada skala atom, tidak. tepat waktu.

Jika atom hidrogen diperbesar - secara imajinatif - menjadi seukuran lapangan sepak bola, maka inti yang tersusun dari proton positif akan seukuran semut di tengah lapangan, sedangkan elektron negatif akan menjadi semacam hantu, tersebar di seluruh bidang dan mengelilingi inti positif.

Model atom hari ini

Model atom "tipe planet" ini sangat tertanam dan merupakan gambaran yang dimiliki kebanyakan orang tentang atom, karena sangat mudah untuk divisualisasikan. Namun, itu bukan model yang diterima saat ini di bidang ilmiah.

Model atom kontemporer didasarkan pada Mekanika Kuantum. Dia menunjukkan bahwa elektron dalam atom bukanlah titik bermuatan negatif yang mengikuti orbit yang tepat, seperti yang dibayangkan Rutherford.

Sebaliknya, elektron tersebar di daerah sekitar inti positif, yang disebut orbital atom. Dari dia kita bisa mengetahui kemungkinan berada dalam satu keadaan atau lainnya.

Meskipun demikian, model Rutherford merepresentasikan kemajuan luar biasa dalam pengetahuan tentang struktur interior atom. Dan itu membuka jalan bagi lebih banyak peneliti untuk terus menyempurnakannya.

Referensi

1. Andriessen, M. 2001. Kursus HSC. Fisika 2. Ilmu Jacaranda HSC.
2. Arfken, G. 1984. Fisika Universitas. Pers Akademik.
3. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. Fisika OpenLab. Eksperimen Rutherford-Geiger-Marsden. Diperoleh dari: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Eksperimen Hamburan Rutherford. Diperoleh dari: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Eksperimen Rutherford. Diperoleh dari: xaktly.com.
8. Wikipedia. Eksperimen Rutherford. Diperoleh dari: es.wikipedia.org.