MODEL ATOM THOMSON: KARAKTERISTIK, POSTULAT, PARTIKEL SUBATOM - FISIK - 2025

Model atom Thomson diciptakan oleh fisikawan Inggris terkenal JJ Thomson, yang menemukan elektron. Untuk penemuan ini dan karyanya tentang konduksi listrik dalam gas, dia dianugerahi Hadiah Nobel Fisika 1906.

Dari karyanya dengan sinar katoda, menjadi jelas bahwa atom bukanlah entitas yang tidak dapat dibagi, seperti yang telah dalilkan Dalton dalam model sebelumnya, tetapi berisi struktur internal yang terdefinisi dengan baik.

Thomson membuat model atom berdasarkan hasil eksperimennya dengan sinar katoda. Di dalamnya ia menyatakan bahwa atom netral secara elektrik terdiri dari muatan positif dan negatif yang besarnya sama.

Apa nama model atom Thomson dan mengapa?

Menurut Thomson, muatan positif didistribusikan ke seluruh atom dan muatan negatif tertanam di dalamnya seolah-olah itu adalah kismis dalam puding. Dari perbandingan ini muncullah istilah "puding kismis", sebagai model yang dikenal secara informal.

Joseph John Thomson

Meskipun gagasan Thomson terlihat cukup primitif hari ini, pada saat itu gagasan itu mewakili sumbangan baru. Selama masa hidup model yang pendek (dari 1904 hingga 1910), model ini mendapat dukungan dari banyak ilmuwan, meskipun banyak yang menganggapnya sesat.

Akhirnya pada tahun 1910 bukti baru muncul tentang struktur atom, dan model Thomson dengan cepat jatuh ke samping. Ini terjadi segera setelah Rutherford mempublikasikan hasil eksperimen hamburannya, yang mengungkap keberadaan inti atom.

Namun, model Thomson adalah yang pertama mendalilkan keberadaan partikel subatom dan hasilnya adalah buah dari eksperimen yang halus dan ketat. Dengan cara ini dia menjadi preseden untuk semua penemuan berikutnya.

Karakteristik dan postulat model Thomson

Thomson sampai pada model atomnya berdasarkan beberapa pengamatan. Yang pertama adalah bahwa sinar-X yang baru ditemukan oleh Roentgen mampu mengionisasi molekul udara. Sampai saat itu, satu-satunya cara untuk mengionisasi adalah dengan memisahkan ion secara kimiawi dalam larutan.

Tetapi fisikawan Inggris berhasil mengionisasi bahkan gas monatomik seperti helium, menggunakan sinar-X. Hal ini membuatnya percaya bahwa muatan di dalam atom dapat dipisahkan, dan oleh karena itu tidak dapat dipisahkan. Ia juga mengamati bahwa sinar katoda mereka dapat dibelokkan oleh medan listrik dan magnet.

JJ Thomson, penemu elektron. Sumber: Lifeder.

Jadi Thomson merancang model yang dengan tepat menjelaskan fakta bahwa atom secara elektrik netral dan sinar katoda terdiri dari partikel bermuatan negatif.

Menggunakan bukti eksperimental, Thomson mengkarakterisasi atom sebagai berikut:

-Atom adalah bola padat netral secara elektrik, dengan radius perkiraan 10 ^-10 m.

-Muatan positif didistribusikan kurang lebih seragam ke seluruh bola.

-Atom berisi "sel-sel" bermuatan negatif, yang memastikan netralitasnya.

Sel-sel ini sama untuk semua materi.

-Ketika atom berada dalam kesetimbangan, ada n sel darah yang tersusun teratur dalam cincin di dalam bola muatan positif.

-Massa atom didistribusikan secara merata.

Sinar katoda

Berkas elektron diarahkan dari katoda ke anoda.

Thomson melakukan eksperimennya menggunakan sinar katoda, ditemukan pada tahun 1859. Sinar katoda adalah kumpulan partikel bermuatan negatif. Untuk memproduksinya, tabung kaca vakum digunakan, di mana dua elektroda ditempatkan, yang disebut katoda dan anoda.

Arus listrik kemudian dilewatkan yang memanaskan katoda, yang dengan cara ini memancarkan radiasi tak terlihat yang diarahkan langsung ke elektroda yang berlawanan.

Untuk mendeteksi radiasi, yang tidak lain adalah sinar katoda, dinding tabung di belakang anoda ditutup dengan bahan fluoresen. Saat radiasi mencapai sana, dinding tabung mengeluarkan cahaya yang sangat terang.

Jika benda padat menghalangi sinar katoda, benda padat tersebut akan menghasilkan bayangan di dinding tabung. Ini menunjukkan bahwa sinar bergerak dalam garis lurus, dan juga dapat dengan mudah diblokir.

Sifat sinar katoda banyak dibahas, karena sifatnya tidak diketahui. Beberapa orang mengira itu adalah gelombang jenis elektromagnetik, sementara yang lain berpendapat bahwa itu adalah partikel.

Partikel subatom dari model atom Thomson

Model atom Thomson, seperti yang kami katakan, adalah yang pertama mendalilkan keberadaan partikel subatom. Sel-sel Thomson tidak lain adalah elektron, partikel atom bermuatan negatif yang fundamental.

Sekarang kita tahu bahwa dua partikel fundamental lainnya adalah proton yang bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan.

Tetapi ini tidak ditemukan pada saat Thomson mengembangkan modelnya. Muatan positif dalam atom didistribusikan di dalamnya, ia tidak menganggap ada partikel yang membawa muatan ini dan saat ini tidak ada bukti keberadaannya.

Untuk alasan ini modelnya memiliki eksistensi yang cepat, karena dalam beberapa tahun, percobaan hamburan Rutherford membuka jalan bagi penemuan proton. Dan mengenai neutron, Rutherford sendiri mengusulkan keberadaannya beberapa tahun sebelum akhirnya ditemukan.

Tabung Crookes

Sir William Crookes (1832-1919) merancang tabung yang menyandang namanya sekitar tahun 1870, dengan tujuan mempelajari sifat sinar katoda dengan cermat. Dia menambahkan medan listrik dan medan magnet, dan mengamati bahwa sinar dibelokkan olehnya.

Skema tabung sinar katoda. Sumber: Knight, R.

Dengan cara ini, Crookes dan peneliti lain, termasuk Thomson, menemukan bahwa:

1. Arus listrik dihasilkan di dalam tabung sinar katoda
2. Sinar dibelokkan oleh adanya medan magnet, dengan cara yang sama seperti partikel bermuatan negatif.
3. Setiap logam yang digunakan untuk membuat katoda berfungsi sama baiknya untuk menghasilkan sinar katoda, dan perilakunya tidak bergantung pada material.

Pengamatan ini memicu diskusi tentang asal usul sinar katoda. Mereka yang menyatakan bahwa mereka adalah gelombang, didasarkan pada fakta bahwa sinar katoda dapat bergerak dalam garis lurus. Lebih lanjut, hipotesis ini menjelaskan dengan sangat baik bayangan yang ditimbulkan oleh benda padat sela di dinding tabung dan dalam keadaan tertentu, diketahui bahwa gelombang dapat menyebabkan fluoresensi.

Tetapi sebaliknya tidak dipahami bagaimana mungkin medan magnet membelokkan sinar katoda. Ini hanya dapat dijelaskan jika sinar-sinar ini dianggap sebagai partikel, hipotesis yang dimiliki Thomson.

Partikel bermuatan dalam medan listrik dan magnet yang seragam

Partikel bermuatan q, mengalami gaya Fe di tengah medan listrik seragam E, besarnya:

Fe = qE

Ketika sebuah partikel bermuatan secara tegak lurus melewati medan listrik yang seragam, seperti yang dihasilkan antara dua pelat dengan muatan berlawanan, ia mengalami defleksi, dan akibatnya terjadi percepatan:

qE = ma

a = qE / m

Sebaliknya, jika partikel bermuatan bergerak dengan kecepatan sebesar v, di tengah medan magnet yang seragam sebesar B, gaya magnet Fm yang dialaminya memiliki intensitas sebagai berikut:

Fm = qvB

Selama vektor kecepatan dan medan magnet tegak lurus. Ketika sebuah partikel bermuatan tegak lurus dengan medan magnet homogen, ia juga mengalami defleksi dan gerakannya melingkar seragam.

Percepatan sentripetal a _c dalam hal ini adalah:

qvB = ma _c

Selanjutnya, percepatan sentripetal terkait dengan kecepatan partikel v dan jari-jari R dari jalur melingkar:

a _c = v ² / R

Jadi:

qvB = mv ² / R

Jari-jari jalur melingkar dapat dihitung sebagai berikut:

R = mv / qB

Selanjutnya, persamaan ini akan digunakan untuk menciptakan kembali cara Thomson menurunkan hubungan massa-muatan elektron.

Eksperimen Thomson

Thomson melewati seberkas sinar katoda, seberkas elektron, meskipun dia belum mengetahuinya, melalui medan listrik yang seragam. Bidang-bidang ini dibuat di antara dua pelat konduktif bermuatan yang dipisahkan oleh jarak kecil.

Dia juga melewatkan sinar katoda melalui medan magnet seragam, mengamati efeknya pada balok. Dalam satu bidang dan bidang lainnya, terjadi defleksi pada sinar, yang membuat Thomson berpikir, dengan benar, bahwa berkas itu terdiri dari partikel bermuatan.

Untuk memverifikasi ini, Thomson melakukan beberapa strategi dengan sinar katoda:

1. Dia memvariasikan medan listrik dan magnet sampai gaya dibatalkan. Dengan cara ini sinar katoda melewati tanpa mengalami defleksi. Dengan menyamakan gaya listrik dan magnet, Thomson mampu menentukan kecepatan partikel dalam pancaran.
2. Ini membatalkan intensitas medan listrik, dengan cara ini partikel mengikuti jalur melingkar di tengah medan magnet.
3. Dia menggabungkan hasil langkah 1 dan 2 untuk menentukan hubungan massa-muatan dari "sel-sel".

Rasio muatan-massa elektron

Thomson menentukan bahwa rasio massa muatan partikel yang menyusun berkas sinar katoda memiliki nilai sebagai berikut:

q / m = 1,758820 x 10 11 C.kg-1.

Dimana q melambangkan muatan "sel", yang sebenarnya adalah elektron, dan m adalah massanya. Thomson mengikuti prosedur yang dijelaskan di bagian sebelumnya, yang kita buat ulang di sini selangkah demi selangkah, dengan persamaan yang dia gunakan.

Ketika sinar katoda melewati medan listrik dan magnet yang dilintasi, mereka lewat tanpa defleksi. Ketika medan listrik dibatalkan, mereka menabrak bagian atas tabung (medan magnet ditunjukkan dengan titik biru di antara elektroda). Sumber: Knight, R.

Langkah 1

Setarakan gaya listrik dan gaya magnet, lewati balok melalui medan listrik dan magnet yang tegak lurus:

qvB = qE

Langkah 2

Tentukan kecepatan yang diperoleh partikel dalam balok ketika mereka lewat secara langsung tanpa defleksi:

v = E / B

LANGKAH 3

Batalkan medan listrik, yang menyisakan hanya medan magnet (sekarang terjadi defleksi):

R = mv / qB

Dengan v = E / B hasilnya:

R = mE / qB ²

Radius orbit dapat diukur, oleh karena itu:

q / m = v / RB

O baik:

q / m = E / RB ²

Langkah selanjutnya

Hal berikutnya yang dilakukan Thomson adalah mengukur rasio q / m menggunakan katoda yang terbuat dari bahan yang berbeda. Seperti disebutkan sebelumnya, semua logam memancarkan sinar katoda dengan karakteristik yang identik.

Kemudian Thomson membandingkan nilainya dengan rasio q / m ion hidrogen, yang diperoleh dengan elektrolisis dan nilainya kira-kira 1 x 10 ⁸ C / kg. Rasio muatan-massa elektron kira-kira 1750 kali ion hidrogen.

Oleh karena itu sinar katoda memiliki muatan yang jauh lebih besar, atau mungkin massa yang jauh lebih kecil dari pada ion hidrogen. Ion hidrogen hanyalah sebuah proton, yang keberadaannya diketahui lama setelah percobaan hamburan Rutherford.

Saat ini diketahui bahwa proton hampir 1800 kali lebih masif daripada elektron dan dengan muatan yang sama besarnya dan bertanda berlawanan dengan elektron.

Detail penting lainnya adalah bahwa dengan eksperimen Thomson, muatan listrik elektron tidak ditentukan secara langsung, atau nilai massanya secara terpisah. Nilai-nilai ini ditentukan oleh eksperimen Millikan, yang dimulai pada tahun 1906.

Perbedaan model Thomson dan Dalton

Perbedaan mendasar dari kedua model ini adalah Dalton beranggapan bahwa atom adalah bola. Bertentangan dengan Thomson, dia tidak mengusulkan adanya tuduhan positif atau negatif. Bagi Dalton, atom terlihat seperti ini:

Atom Dalton

Seperti yang telah kita lihat sebelumnya, Thomson mengira bahwa atom itu habis dibagi, dan yang strukturnya dibentuk oleh bola positif dan elektron di sekitarnya.

Cacat dan batasan model

Pada saat itu, model atom Thomson berhasil menjelaskan dengan baik perilaku kimiawi zat. Ia pun secara akurat menjelaskan fenomena yang terjadi pada tabung sinar katoda.

Namun nyatanya Thomson bahkan tidak menyebut partikelnya sebagai "elektron", meskipun istilah itu telah diciptakan sebelumnya oleh George Johnstone Stoney. Thomson menyebutnya "sel darah".

Meskipun Thomson memanfaatkan semua pengetahuan yang tersedia baginya pada saat itu, ada beberapa batasan penting dalam modelnya, yang menjadi jelas sejak awal:

- Muatan positif tidak didistribusikan ke seluruh atom . Eksperimen hamburan Rutherford menunjukkan bahwa muatan positif atom terbatas pada wilayah kecil atom, yang kemudian dikenal sebagai inti atom.

- Elektron memiliki distribusi tertentu dalam setiap atom . Elektron tidak terdistribusi secara merata, seperti kismis dalam puding yang terkenal, tetapi memiliki susunan orbital yang kemudian diungkapkan model.

Justru pengaturan elektron di dalam atom yang memungkinkan unsur-unsur diatur oleh karakteristik dan sifatnya dalam tabel periodik. Ini adalah batasan penting dari model Thomson, yang tidak dapat menjelaskan bagaimana mungkin menyusun elemen dengan cara ini.

- Inti atom adalah inti yang mengandung sebagian besar massa. Model Thomson mendalilkan bahwa massa atom terdistribusi secara seragam di dalamnya. Tapi sekarang kita tahu bahwa massa atom secara praktis terkonsentrasi di proton dan neutron inti.

Penting juga untuk dicatat bahwa model atom ini tidak memungkinkan untuk menyimpulkan jenis pergerakan elektron di dalam atom.

Artikel yang menarik

Model atom Schrödinger.

Model atom De Broglie.

Model atom Chadwick.

Model atom Heisenberg.

Model atom Perrin.

Model atom Dalton.

Model atom Dirac Jordan.

Model atom dari Democritus.

Model atom Bohr.

Model atom Sommerfeld.

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. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson.
5. Wikipedia. Model atom Thomson. Diperoleh dari: es.wikipedia.org.