Apa Itu Atom? Struktur, Contoh, dan Model Atom

Atom tersusun dari apa?

Dari tiga jenis partikel. Dua berada di inti, satu bergerak mengelilinginya.

Angka paling mencolok pada tabel itu adalah massa elektron: satu proton kira-kira 1.836 kali lebih berat. Karena itu, dalam praktiknya massa atom dihitung dari inti saja — sumbangan elektron kurang dari satu per seribu.

Keseimbangan muatannya sama sederhananya. Pada atom netral, jumlah proton sama dengan jumlah elektron, muatan positif dan negatif saling meniadakan, dan dari luar atom tampak tidak bermuatan. Begitu ia melepas atau menerima elektron, keseimbangan itu pecah dan atom menjadi ion.

Inti atom

Inti ditemukan pada 1911 oleh fisikawan Selandia Baru Ernest Rutherford. Hampir seluruh massa atom terkumpul di sana, tetapi volumenya sangat kecil: garis tengah inti berkisar dari sekitar 1,7 femtometer (hidrogen) sampai 15 femtometer (uranium) — sepuluh ribu hingga seratus ribu kali lebih kecil daripada atomnya sendiri.

Perbandingan klasik memudahkan membayangkannya: perbesar sebuah atom sampai seukuran stadion sepak bola, maka intinya hanya sebutir kacang di titik tengah lapangan. Sisanya ruang kosong yang hanya dilintasi elektron. Jadi setiap benda padat yang Anda sentuh, secara volume, hampir seluruhnya kosong; tangan tidak menembus meja karena awan elektron saling menolak, bukan karena materinya «penuh».

Lalu mengapa inti tidak berhamburan padahal proton saling tolak? Karena gaya inti kuat, yang pada jarak sangat dekat jauh mengungguli tolakan listrik, tetapi jangkauannya berhenti kira-kira sebesar ukuran inti. Makin besar inti, makin unggul tolakan listriknya — itulah sebabnya unsur-unsur berat cenderung tidak stabil dan bersifat radioaktif.

Proton

Proton adalah partikel bermuatan positif di inti dan membawa identitas atom. Jumlahnya disebut nomor atom (Z) dan tidak pernah berubah: setiap atom dengan 6 proton adalah karbon, setiap atom dengan 79 proton adalah emas. Tambahkan satu proton, unsurnya sudah berbeda.

Tabel periodik dibangun tepat di atas prinsip itu: unsur diurutkan menurut jumlah proton yang bertambah. Fisikawan Inggris Henry Moseley membuktikannya pada 1913 lewat pengukuran sinar-X, sehingga urutan berpindah dari massa atom ke nomor atom.

Neutron

Neutron adalah partikel tak bermuatan di dalam inti. Rutherford meramalkannya pada 1920, dan muridnya James Chadwick membuktikannya secara eksperimen pada 1932 dengan menembaki berilium memakai partikel alfa.

Neutron tidak mengubah jenis unsurnya, tetapi mengubah massa dan kestabilannya. Versi unsur yang sama dengan jumlah neutron berbeda disebut isotop. Jika perbandingan neutron terhadap proton keluar dari pita sempit kestabilan, inti mulai meluruh. Ada satu pengecualian terkenal atas aturan bahwa inti mengandung neutron: hidrogen biasa, yang intinya hanya satu proton.

Elektron

Elektron bermuatan negatif dan sangat ringan. J. J. Thomson menemukannya pada 1897 dengan tabung sinar katode — bukti pertama bahwa atom sebenarnya bisa dipecah.

Susunannya sama sekali bukan «tata surya kecil» seperti gambar di buku lama. Menurut mekanika kuantum, posisi dan momentum elektron tidak dapat diketahui secara tepat pada saat bersamaan; yang kita ketahui adalah peluang menemukannya di suatu daerah. Peta peluang itu disebut orbital, dan keseluruhannya membentuk awan elektron. Susunan elektron terluar di dalam awan inilah yang menentukan seluruh sifat kimia atom: berikatan dengan apa, dan apakah bahannya menghantar atau mengisolasi.

Nomor atom, nomor massa, dan jumlah neutron

Tiga angka menggambarkan sebuah atom secara lengkap:

• Nomor atom (Z) = jumlah proton. Menentukan unsurnya.
• Nomor massa (A) = proton + neutron, yaitu seluruh nukleon.
• Jumlah neutron (N) = A − Z.

Penulisannya ^AX_Z, atau dalam pemakaian sehari-hari «karbon-14». Angka 14 adalah nomor massa; karena nomor atom karbon 6, jumlah neutronnya 14 − 6 = 8.

Contoh soal. Natrium-23 memiliki Z = 11 dan A = 23, jadi N = 23 − 11 = 12. Jika atomnya netral, elektronnya juga 11. Bila melepas satu elektron menjadi Na⁺, protonnya tetap 11, elektronnya turun jadi 10, dan nomor massanya tidak berubah sama sekali — massa elektron terlalu kecil untuk berpengaruh.

Bagaimana elektron tersusun?

Elektron tidak menempati ruang secara acak; mereka mengisi tingkat energi (kulit) secara berurutan. Daya tampung maksimum tiap kulit mengikuti aturan 2n²:

• Kulit 1: 2 elektron
• Kulit 2: 8 elektron
• Kulit 3: 18 elektron
• Kulit 4: 32 elektron

Elektron di kulit terluar disebut elektron valensi, dan hampir seluruh ilmu kimia berkisar pada mereka. Atom berperilaku sedemikian rupa untuk melengkapi kulit terluarnya menjadi delapan elektron (dua untuk kulit pertama) — inilah kaidah oktet.

Natrium punya satu elektron di kulit terluar dan lebih menguntungkan baginya melepasnya. Klorin punya tujuh dan lebih menguntungkan menerima satu. Ketika keduanya bertemu, natrium menyerahkan elektronnya kepada klorin dan jadilah garam dapur. Gas mulia seperti neon sudah punya kulit terluar penuh, karena itu tidak bereaksi dengan apa pun.

Contoh atom

Contoh yang paling sering dicari, lengkap dengan isotop yang paling umum:

Atom paling sederhana sekaligus paling melimpah di alam semesta adalah hidrogen: satu proton, satu elektron, tanpa neutron. Menurut massanya, alam semesta terdiri atas sekitar 74 % hidrogen dan 24 % helium; seluruh unsur lain berbagi sisa 2 %. Helium menempati urutan kedua di kosmos tetapi langka di Bumi, karena cukup ringan untuk lolos dari atmosfer.

Gambaran skalanya

Segelas air mengandung sekitar 10²⁵ atom. Tubuh manusia dewasa tersusun dari kira-kira 7 × 10²⁷ atom. Titik yang ditinggalkan ujung pensil berisi miliaran atom karbon. Untuk menangani angka sebesar itu, ahli kimia memakai satuan mol: 1 mol = 6,022 × 10²³ partikel, yaitu bilangan Avogadro.

Atom, molekul, unsur, dan senyawa

Memisahkan empat istilah ini menjawab separuh dari yang dicari orang lewat kata kunci «contoh atom»:

• Atom: satu partikel tunggal. Contoh: satu atom oksigen (O).
• Molekul: dua atom atau lebih yang berikatan. Contoh: oksigen yang kita hirup sebenarnya O₂.
• Unsur: zat murni yang tersusun dari satu jenis atom. Contoh: emas, tembaga, besi.
• Senyawa: unsur berbeda yang bergabung dengan perbandingan tetap. Contoh: air (H₂O), garam (NaCl).

Jadi air bukan atom; air adalah molekul yang terbentuk dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Udara juga bukan atom, melainkan campuran molekul nitrogen dan oksigen.

Jenis atom: isotop, isoton, isobar, dan ion

Yang dimaksud «jenis atom» biasanya empat penggolongan berikut, semuanya ditentukan oleh tiga angka yang sama (Z, N, A):

• Isotop
  Proton sama, neutron berbeda. Unsurnya sama, sifat kimianya hampir identik, hanya massanya berbeda. Contoh: karbon-12, karbon-13, karbon-14.
• Isoton
  Neutron sama, proton berbeda. Unsurnya berbeda. Contoh: karbon-13 dan nitrogen-14, keduanya punya 7 neutron.
• Isobar
  Nomor massa sama, proton berbeda. Juga unsur yang berbeda. Contoh: argon-40 dan kalsium-40.
• Ion
  Jumlah elektron tidak lagi sama dengan jumlah proton. Atom yang melepas elektron menjadi positif (kation, Na⁺); yang menerima menjadi negatif (anion, Cl⁻).

Isotop bekerja jauh lebih banyak dalam kehidupan sehari-hari daripada yang dikira. Karbon-14 punya waktu paruh 5.730 tahun dan menjadi dasar penanggalan radiokarbon. Pencitraan medis mengandalkan perunut radioaktif. Sementara pembangkit listrik tenaga nuklir membutuhkan uranium-235, yang di dalam uranium alam hanya 0,7 % — menaikkan proporsi itulah yang disebut pengayaan.

Atom tak stabil dan keradioaktifan

Tidak semua inti bertahan selamanya. Ketika perbandingan neutron terhadap proton berada di luar pita stabil, inti akhirnya memancarkan partikel atau energi dan berubah menjadi inti lain. Itulah peluruhan radioaktif, dengan tiga bentuk utama: alfa (melepaskan inti helium), beta (neutron berubah menjadi proton sambil memancarkan elektron), dan gama (pancaran energi murni).

Lajunya diukur dengan waktu paruh, yaitu waktu yang dibutuhkan separuh atom dalam suatu cuplikan untuk meluruh. Rentangnya luar biasa lebar: 5.730 tahun untuk karbon-14, 4,47 miliar tahun untuk uranium-238, dan sepersejuta detik untuk beberapa unsur buatan.

Memecah inti berat disebut fisi, menggabungkan inti ringan disebut fusi. Pembangkit nuklir bekerja dengan fisi; Matahari memanaskan tata surya dengan menggabungkan ratusan juta ton hidrogen menjadi helium setiap detik. Pada keduanya sumber energinya sama: massa hasil sedikit lebih kecil daripada massa awal, dan selisihnya muncul sebagai energi sesuai E = mc².

Bagaimana atom saling berikatan?

Tidak ada benda di sekitar kita yang tersusun dari atom-atom sendirian. Ada tiga cara dasar mereka bergabung.

• Ikatan ion: elektron berpindah dari satu atom ke atom lain, lalu ion yang berlawanan muatan saling menarik. Contoh khasnya garam dapur — karena itu titik lelehnya tinggi dan larutannya menghantarkan listrik.
• Ikatan kovalen: atom-atom berbagi elektron. Air, karbon dioksida, dan seluruh molekul organik dibangun dengan cara ini.
• Ikatan logam: atom logam melepaskan elektron valensinya ke dalam «lautan» bersama. Dari lautan itulah datang sifat menghantar, mudah ditempa, dan berkilau pada logam.

Model atom: bagaimana gagasannya sampai ke hari ini

Atom bukan temuan satu orang. Ia rantai koreksi yang membentang dua ribu tahun.

• ± 440 SM · Demokritos
  Berpendapat bahwa membelah terus-menerus pasti berakhir pada sesuatu yang tak terbagi, dan menamainya atomos. Murni penalaran, tanpa percobaan. Pandangan empat unsur Aristoteles lebih dominan, sehingga gagasan ini terbengkalai sekitar 2.000 tahun.
• 1803 · John Dalton
  Teori atom ilmiah pertama yang berpijak pada pengukuran kimia: tiap unsur punya atom dengan massa khas, dan senyawa terbentuk dengan perbandingan tetap. Kelemahannya: ia membayangkan atom sebagai bola pejal yang tak terbagi.
• 1897 · J. J. Thomson
  Menemukan elektron dalam tabung sinar katode; jelaslah bahwa atom punya bagian. Pada 1904 ia mengajukan model «roti kismis»: elektron tertanam dalam adonan bermuatan positif. Kelemahannya: tidak ada inti.
• 1909-1911 · Ernest Rutherford
  Pada percobaan lempeng emas, sebagian sangat kecil partikel alfa memantul balik — bukti adanya inti yang padat dan bermuatan positif, sekaligus bahwa atom nyaris kosong. Kelemahannya: menurut fisika klasik, elektron yang mengorbit seharusnya kehilangan energi dan jatuh ke inti.
• 1913 · Niels Bohr
  Mengusulkan bahwa elektron hanya boleh menempati tingkat energi tertentu dan menyerap atau memancarkan energi saat berpindah. Untuk pertama kalinya spektrum garis hidrogen bisa dijelaskan. Kelemahannya: gagal untuk atom yang lebih rumit.
• 1926 · Erwin Schrödinger
  Persamaan gelombangnya melahirkan model kuantum (awan elektron): elektron tidak punya orbit pasti, melainkan sebaran peluang. Bersama asas ketidakpastian Heisenberg (1927), inilah model yang dipakai sampai sekarang.
• 1932 · James Chadwick
  Menemukan neutron secara eksperimen, sehingga massa inti yang selama itu tak terjelaskan dan keberadaan isotop menjadi masuk akal.
• 1964-1969 · Model kuark
  Murray Gell-Mann dan George Zweig meramalkan kuark; percobaan hamburan di SLAC memastikan adanya struktur titik di dalam proton. Proton terdiri atas dua kuark atas dan satu bawah, neutron satu atas dan dua bawah.

Bisakah atom dilihat?

Panjang gelombang cahaya tampak 400-700 nanometer, ribuan kali lebih besar daripada sebuah atom, sehingga melihatnya lewat mikroskop optik mustahil secara fisika. Namun ada jalan lain:

• 1955 — mikroskop ion medan buatan Erwin Müller menghasilkan citra pertama atom-atom tunggal.
• 1981 — Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer mengembangkan mikroskop penerowongan payar (STM) yang memetakan atom permukaan satu per satu; keduanya meraih Nobel Fisika 1986.
• 1989 — peneliti IBM menggeser 35 atom xenon untuk menuliskan logo perusahaan, membuktikan atom bukan cuma bisa dilihat, tetapi juga dipindahkan.

Tak satu pun citra itu «foto» dalam pengertian biasa; semuanya peta arus atau gaya antara permukaan dan ujung jarum yang sangat halus.

Dari mana atom berasal?

Atom pertama terbentuk sekitar 380.000 tahun setelah Dentuman Besar. Sebelum itu alam semesta terlalu panas sehingga inti tak sanggup menahan elektron; begitu cukup dingin, inti menangkap elektron dan lahirlah atom netral pertama — hampir seluruhnya hidrogen dan helium.

Unsur yang lebih berat dibuat di dalam bintang, yang menggabungkan hidrogen menjadi helium lalu selangkah demi selangkah sampai karbon, oksigen, dan besi. Sebagian besar unsur yang lebih berat daripada besi ditempa dalam ledakan supernova dan tumbukan bintang neutron, lalu dihamburkan ke angkasa. Kalsium di tulang Anda, besi di darah Anda, dan emas di jari Anda semuanya berasal dari bintang yang mati miliaran tahun lalu.

Empat hal yang sering disalahpahami

1. «Atom tidak bisa dibagi.» Namanya memang begitu, tetapi itu keliru — sejak 1897 kita tahu atom bisa dipecah. Pernyataan yang tepat: atom tidak bisa dibagi dengan cara kimia.
2. «Elektron mengelilingi inti seperti planet.» Itu model Bohr 1913 yang sudah lama dilampaui. Elektron tidak punya orbit, hanya peluang keberadaan.
3. «Atom adalah benda terkecil di alam semesta.» Proton dan neutron tersusun dari kuark; sejauh yang diketahui, kuark dan elektronlah partikel yang benar-benar dasar.
4. «Benda padat itu pejal.» Secara volume hampir seluruhnya kosong. Kepadatan yang kita rasakan berasal dari tolakan antar-awan elektron.

Pertanyaan yang sering diajukan

Apa itu atom secara sederhana? Satuan terkecil yang masih membawa sifat kimia suatu unsur: inti berisi proton dan neutron, dikelilingi elektron.

Atom terdiri dari apa saja? Dari tiga partikel — proton bermuatan positif, neutron tak bermuatan, dan elektron bermuatan negatif. Proton dan neutron berada di inti; elektron menempati awan di sekelilingnya.

Siapa penemu atom? Gagasannya dilontarkan Demokritos sekitar 440 SM dan diubah menjadi teori ilmiah oleh John Dalton pada 1803. Struktur dalamnya baru terungkap lewat Thomson (1897), Rutherford (1911), dan Chadwick (1932).

Apa saja jenis atom? Proton sama dengan neutron berbeda disebut isotop; neutron sama disebut isoton; nomor massa sama disebut isobar. Atom yang jumlah elektronnya tidak sama dengan jumlah protonnya disebut ion.

Nomor atom menunjukkan apa? Jumlah proton dalam inti, yang merupakan identitas unsur. Pada atom netral, angka itu sekaligus jumlah elektronnya.

Bagaimana menghitung nomor massa? Jumlahkan proton dan neutron. Sebaliknya, jumlah neutron diperoleh dengan mengurangkan nomor atom dari nomor massa.

Atom apa yang paling kecil? Hidrogen. Intinya hanya satu proton, dan isotop paling umumnya tidak punya neutron sama sekali.

Apakah bagian dalam atom kosong? Secara volume, ya. Lebih dari 99,9 % massanya terkumpul di inti yang menempati bagian yang sangat kecil dari volume atom.

Apakah air itu atom? Bukan. Air adalah molekul yang terbentuk dari dua atom hidrogen yang berikatan kovalen dengan satu atom oksigen.

Bisakah atom dilihat dengan mikroskop? Tidak dengan mikroskop optik, karena panjang gelombang cahaya ribuan kali terlalu besar. Mikroskop penerowongan payar dapat memetakan letak atom.

Ada berapa unsur? Tabel periodik memuat 118 unsur; 94 di antaranya ada di alam, sisanya hanya dibuat di laboratorium.

Mengapa hampir seluruh massa ada di inti? Karena proton dan neutron sekitar 1.836 kali lebih berat daripada elektron; seluruh elektron bersama-sama pun tidak mencapai satu per seribu massa atom.

Sumber

1. Britannica — Atom: struktur, sejarah, dan sifatnya
2. Jefferson Lab — Perbandingan massa partikel subatom
3. Los Alamos National Laboratory — Tabel periodik dan konfigurasi elektron
4. Chemistry LibreTexts — Teori atom dan struktur atom
5. CERN — Model Standar dan partikel elementer
6. Nobel Prize — Nobel Fisika 1986: mikroskop penerowongan payar