rutherford

SEJARAH FISIKAWAN
“Ernest Rutherford (1871 – 1937)”
A. Sejarah Hidup
Ernest Rutherford lahir pada 30 Agustus 1871, fisikawan dan peraih Hadiah Nobel bidang Kimia 1908, di Brightwater, Nelson, Selandia Baru. Keluarga Rutherford adalah imigran dari Skotlandia yang pindah ke Selandia Baru sebelum ia lahir. Ia adalah anak kedua dari 12 bersaudara, keluarga petani. Ayahnya James Rutherford, Skotlandia tukang roda, beremigrasi ke Selandia Baru dengan Ernest kakek dan seluruh keluarga pada tahun 1842. Ibunya, née Martha Thompson, adalah seorang guru sekolah Inggris.
Rutherford menerima pendidikan dasarnya di sekolah pemerintah dan pada usia 16 tahun ia masuk Nelson Collegiate School. Pada 1889 ia memenangkan beasiswa masuk University of New Zealand di Wellington. Ia meraih dua gelar master sekaligus, ilmu matematika dan fisika pada 1893. Ia kembali mendapatkan beasiswa untuk belajar di Cambridge University di Inggris. Di sini, ia melakukan riset di laboratorium dibawah bimbingan J.J. Thomson, yang menjadi awal karier fisika atomnya. Rutherford dikenal atas sumbangannya dalam fisika atom. Ia yang mempopulerkan istilah sinar alfa, beta dan gamma, proton dan neutron. Ia menjadi tempat berguru para pendekar fisika seperti Neils Bohr, James Chadwick, dan Robert Oppenheimer.
Pada 1901 hingga 1902 ia bekerja dengan Frederick Soddy untuk membuktikan bahwa atom-atom dari sebuah unsur radioaktif akan secara spontan berubah, dengan pengeluaran sepotong atom pada kecepatan tinggi. Banyak saintis pada masa itu mencemooh gagasan itu sebagai alkimia. Mereka tetap percaya bahwa atom tidak dapat dibagi atau diubah. Pada 1909 Rutherford mulai percobaan yang mengubah wajah fisika. Ia menemukan inti atom dan membangun model atom yang mirip dengan sistem tata surya. Seperti planet, elektron-elektron mengorbit sebuah pusat, inti seperti matahari. Penerimaan model ini berkembang setelah dimodifikasi dengan teori kuantum dari Neils Bohr. Untuk menghargai penelitiannya mengenai radiasi dan inti atom, Rutherford mendapatkan Hadiah Nobel bidang Kimia pada 1908. Ia diberi gelar bangsawan pada 1914, Baron Rutherford of Nelson yang pertama. Rutherford, yang berkewarganegaraan Inggris, dikenal juga atas Bapak fisika nuklir, Model Rutherford, Pembelahan atom, dan Penemu Proton.
Ia menikah dengan Mary Newton dan dikarunia putri tunggal, Eileen. Rutherford wafat di Cambridge pada 19 Oktober 1937. Abunya dikuburkan di tengah gereja Westminster Abbey, di sebelah barat makam Sir Isaac Newton dan di samping Lord Kelvin.
B. Sejarah Penemuan Konsep
Rutherford yang pada 1907 kembali dari Kanada ke Inggris dan menjabat sebagai guru besar di Universitas Manchester menjadi tertarik pada kesederhanaan model atom Thomson. Inilah yang mendorongnya mempelajari struktur dalam atom lebih jauh. Selain itu, ia ingin menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Sangat wajar juga jika fisikawan kemudian membayangkan sebuah model sistem keplanetan yang diterapkan pada atom, model Rutherford tahun 1911, dengan elektron-elektron mengorbit inti seperti layaknya planet mengorbit matahari.
Pada 1090 ia melibatkan salah seorang muridnya yang menempuh studi doktor, Ernest Marsden, yang saat itu berusia 20 tahun, dalam upaya ini dibawah bimbingan rekan peneliti Rutherford, Hans Geiger. Tugas yang diberikan kepada Marsden adalah menyelidki lebih jauh hamburan partikel alfa yang ditembakkan pada selembar logam emas tipis. Susunan peralatan percobaan dibuat sedemikian rupa sehingga berkas partikel alfa menumbuk permukaan lembar emas secara tegak lurus. Semua susunan alat yang terdiri dari sumber partikel alfa (yaitu radium yang ditempatkan dalam sebuah blok timah hitam belubang) dan lembar emas ditempatkan dalam tabung gelas hampa udara. Bagian dalam tabung ini dilapisi dengan fosfor (seperti sulfida seng) agar bila partikel alfa membentur dinding gelas, pada titik benturannya akan terjadi kedipan cahaya yang mudah terlihat dalam ruang gelap dengan bantuan mikroskop. Rutherford memperkirakan simpangan arah gerak partikel alfa yang melewati lembar emas dari arah datangnya semula memiliki sudut pembelokkan yang sangat kecil.
Selang beberapa hari kemudian Geiger melapor kepada Rutherford. Mereka menemukan beberapa partikel alfa yang terpantulkan balik. Laporan ini sangat mengejutkan Rutherford, ia berkomentar, “Tak masuka akal! Ini sama halnya Anda menembakkan peluru berdiameter 15 inci6 pada selembar kertas tisu kemudian mendapati bahwa peluru tadi terpantul balik menembaki Anda.
Alasan fisika yang membuat Rutherford terkejut adalah partikel alfa bergerak dengan keceapatan yang sangat tinggi, sekitar 160 ribu km per detik. Sama sekali tidak masuk akal baginya, lembar emas dengan tebal kurang dari seperseribu inci itu membangkitkan gaya yang cukup besar untuk membalikkan arah gerak partikel alfa tadi.
Selain itu, Marsden dan Geiger mendapati bahwa terdapat pula pertikel alfa yang menumbuk dinding tabung gelas, dibalik lembar emas, tepat di titik pada arah garis lurus di depan sumber partikel alfa. Sungguh membingungkan karena selama ini atom dipandang sebagai sebuah bola pejal (sesuai dengan model atom Thomson) yang tak mungkin tertembus langsung.
Dari hasil percobaannya tadi, Rutherford akhirnya berkesimpulan bahwa sebagian partikel alfa dipantulkan kembali karena bertumbukan dengan bagian yang sangat keras dari atom, yang selanjutnya oleh Rutherford disebut inti atom. Dengan demikian, model atom Thomson yang menyatakan bahwa massa atom tersebar merata di seluruh isi atom tidak dapat diterima lagi. Dengan gugurnya teori atom Thomson ini, maka pada tahun 1911 Rutherford mengemukakan teori atom yang baru sebagai berikut:
• Massa atom tidak tersebar merata, tetapi terpusat di teras atau inti atom yang berdiameter lebih kecil, sekitar 1 per 10.000 kali lebih kecil daripada ukuran atom. Atom terdiri dari muatan positif dan negatif dimana semua muatan positif dan sebagian besar masa atom terkumpul pada suatu titik di tengah-tengah bola atom yang disebut inti atom.
• Inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron bermuatan negatif pada jarak yang relatif jauh, dimana elektron-elektron berputar pada lintasan-lintasan seperti planet yang bergerak mengelilingi matahari dalam sistem tata surya. Gaya tarik elektrostatik antara inti atom dan elektron (bermuatan negatif) di sini berperan sama seperti gaya berat (gravitasi) dalam sistem tata surya.
• Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan.


Gambar 1
(a) Eksperimen Rutherford (b) Hasil Eksperimen Rutherford

Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang menyatakan bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif, dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif . Rutherford menduga bahwa didalam inti atom terdapat partikel netral yang berfungsi mengikat partikel-partikel positif agar tidak saling tolak menolak.
C. Pengembangan Konsep
Untuk menjelaskan adanya sebagian besar partikel-α yang menembus lembaran emas tanpa dibelokkan, Rutherford kemudian mengembangkan model inti atom. Dalam model ini, Rutherford menempatkan sebuah proton yang besar (seperti eksperimen dan model sebelumnya) di pusat atom. Rutherford berteori bahwa di sekitar proton terdapat ruang besar yang kosong dari segala partikel kecuali elektron yang jarang-jarang. Ruang terbuka yang besar ini memberikan alasan adanya partikel alfa yang tidak terbelokkan. Partikel alfa yang dibelokkan sedikit diperkirakan telah lewat cukup dekat dari proton sehingga dibelokkan oleh gaya elektrostatik. Sedangkan beberapa partikel alfa yang dibelokkan kembali ke sumber diperkirakan telah mengalami tumbukan dengan inti sehingga dipantulkan kembali oleh gaya elektrostatik.
Setelah merunut pola-pola partikel alfa yang ditembakkan ke lempeng logam emas, maka Rutherford mengambil kesimpulan bahwa sebagian besar ruang dalam atom adalah “ruang kosong”, dan terdapat massa yang terkonsentrasi pada pusat atom yang bermuatan positif dimana ukurannya 10.000 kali lebih kecil dibanding ukuran keseluruhan bagian atom, dan elektron mengelilingi inti atom tersebut seperti planet-planet kita mengelilingi matahari.
Rutherford menyimpulkan struktur atom tersebut berlandaskan eksperimennya sebagai berikut:
1. Sebagian besar berkas partikel alfa yang dapat melewati lempengan logam emas menunjukan bahwa partikel alfa ini melewati ruang kosong yang ada di dalam atom sehingga dengan mudah partikel alfa ini melewati ruang kosong tersebut tanpa hambatan yang berarti.
2. Berkas partikel alfa yang didefleksi menunjukan bahwa partikel alfa tersebut berada pada posisi yang dekat dengan inti atom yang bermuatan positif. Muatan positif dengan muatan positif akan saling tolak menolak, hal inilah yang menyebabkan partikel alfa dibelokan dengan sudut yang besar.
3. Berkas partikel alfa yang direfleksi kembali (dipantulkan kembali) menunjukan bahwa partikel alfa tersebut bertumbukkan dengan inti atom yang bermuatan positif. Inti atom emas mempunyai massa dan muatan positif yang lebih besar dibanding dengan massa dan muatan partikel alfa, hal inilah yang membuat partikel alfa di pantulkan kembali.
Berdasarkan hal tersebut diatas maka Rutherford mengajukan model atom sebagai berikut:

Gambar 2. Model Atom Rutherford seperti tata surya
Kelemahan dari Rutherford tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom. Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengitari inti ini disertai pemancaran energi sehingga lama - kelamaan energi elektron akan berkurang dan lintasannya makin lama akan mendekati inti dan jatuh ke dalam inti. Ambilah seutas tali dan salah satu ujungnya Anda ikatkan sepotong kayu sedangkan ujung yang lain Anda pegang. Putarkan tali tersebut di atas kepala Anda. Apa yang terjadi? Lama kelamaan putarannya akan pelan dan akan mengenai kepala Anda karena putarannya lemah dan Anda pegal memegang tali tersebut. Sedangkan kelebihan model atom Rutherford yaitu membuat hipotesa bahwa atom tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilingi inti.
Meski model atom Rutherford tadi masih memiliki beberapa kelemahan, namun teori itu dapat memberikan gambaran kasar tentang atom. Model atom seperti inilah yang biasanya diperkenalkan kepada masyarakat awam maupun pelajar pemula. Dan gambaran tadi, paling tidak kita menyadari bahwa pada prinsipnya atom adalah penyusun alam semesta. Atom ada di sekeliling kita. Bahkan tubuh kita sendiri pada prinsipnya tersusun atas atom-atom.
Mekipun demikian, ada satu hal yang menarik dari model atom Rutherford: spektrum gelombang elektromagnet yang dipancarkan elektron berdasarkan perhitungan berada dalam rentang cahaya tampak. Untuk tiap jari-jari orbit tertentu, panjang gelombang cahaya bersangkutan juga tertentu. Namun, karena jari-jari orbit elektron terus berkurang secara kontinu, maka panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya semakin panjang (memerah) dengan peralihan warna secara kontinu. Jadi, spektrum cahaya yang dipancarkannya berupa susunan pita warna kontinu.
D. Aplikasi Konsep (Penerapannya)
Sukses model atom Rutherford dalam menerangkan gejala hamburan partikel alfa menunjukkan bahwa model “tata surya” mini tidaklah terlalu keliru. Paling tidak ia telah mendekati model struktur atom yang memadai. Selain itu, masalah kestabilan atom Rutherford teratasi dengan sumbangan fisikawan, Niels Henrik Bohr, sehingga mendorong fisikawan-fisikawan berikutnya untuk mengembang atau memodifikasi konsep yang lebih luas lagi.
Konsep model atom Rutherford yang dikenal dengan model atom “miniatur tata surya” juga menjadi salah satu sejarah dalam dalam perkembangan model atom mulai dari teori atom menurut Democritus sampai pada model atom modern.
E. Pengembangan Konsep ke Depan
Pengembangan konsep ke depan terkait dengan teori atom Rutherford adalalah tidak menutup kemingkinan dibuat suatu alat yang dapat digunakan untuk melihat secara langsung inti atom dan elektron-elektron yang mengelilingi inti atom tersebut dan dapat mengamati gaya elektrostatik antara inti atom dan elektron.
F. Soal-Soal
1. Jelaskan secara singkat sejarah hidup Ernest Rutherford?
Jawaban: Ernest Rutherford lahir pada 30 Agustus 1871 di Brightwater, Nelson, Selandia Baru. Keluarga Rutherford adalah imigran dari Skotlandia yang pindah ke Selandia Baru sebelum ia lahir. Ia adalah anak kedua dari 12 bersaudara, keluarga petani. Rutherford menerima pendidikan dasarnya di sekolah pemerintah dan pada usia 16 tahun ia masuk Nelson Collegiate School. Pada 1889 ia memenangkan beasiswa masuk University of New Zealand di Wellington. Ia meraih dua gelar master sekaligus, ilmu matematika dan fisika pada 1893. Ia kembali mendapatkan beasiswa untuk belajar di Cambridge University di Inggris. Di sini, ia melakukan riset di laboratorium dibawah bimbingan J.J. Thomson, yang menjadi awal karier fisika atomnya. Rutherford dikenal atas sumbangannya dalam fisika atom. Pada 1909 Rutherford mulai percobaan yang mengubah wajah fisika. Ia menemukan inti atom dan membangun model atom yang mirip dengan sistem tata surya. Ia diberi gelar bangsawan pada 1914, Baron Rutherford of Nelson yang pertama. Rutherford, yang berkewarganegaraan Inggris, dikenal juga atas Bapak fisika nuklir, Model Rutherford, Pembelahan atom, dan Penemu Proton.Ia menikah dengan Mary Newton dan dikarunia putri tunggal, Eileen. Rutherford wafat di Cambridge pada 19 Oktober 1937. Abunya dikuburkan di tengah gereja Westminster Abbey, di sebelah barat makam Sir Isaac Newton dan di samping Lord Kelvin.
2. Jelaskan bagaimana Rutherford menemukan model atom miniatur “tata surya”!
Jawaban: Rutherford menemukan model atom miniatur “tata surya” dengan melakukan eksperimen hamburan partikel alfa dimana hamburan partikel alfa yang ditembakkan pada selembar logam emas tipis. Susunan peralatan percobaan dibuat sedemikian rupa sehingga berkas partikel alfa menumbuk permukaan lembar emas secara tegak lurus. Semua susunan alat yang terdiri dari sumber partikel alfa (yaitu radium yang ditempatkan dalam sebuah blok timah hitam belubang) dan lembar emas ditempatkan dalam tabung gelas hampa udara. Bagian dalam tabung ini dilapisi dengan fosfor (seperti sulfida seng) agar bila partikel alfa membentur dinding gelas, pada titik benturannya akan terjadi kedipan cahaya yang mudah terlihat dalam ruang gelap dengan bantuan mikroskop. Rutherford memperkirakan simpangan arah gerak partikel alfa yang melewati lembar emas dari arah datangnya semula memiliki sudut pembelokkan yang sangat kecil.
3. Kesimpulan apa yang dapat disimpulkan dari model atom Rutherford?
Jawaban: Kesimpulan dari model atom Rutherford yaitu;
• Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan
• Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisanatom-atom emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif. Partikel tersebut merupakan partikelyang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan.
4. Tulikan kelemahan model atom Rutherford!
Jawaban: Kelemahan dari model atom Rutherford adalah tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom. Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengitari inti ini disertai pemancaran energi sehingga lama - kelamaan energi elektron akan berkurang dan lintasannya makin lama akan mendekati inti dan jatuh ke dalam inti.
5. Tuliskan kelebihan model atom Rutherford!
Jawaban: Kelebihan dari model atom Rutherford adalah spektrum gelombang elektromagnet yang dipancarkan elektron berdasarkan perhitungan berada dalam rentang cahaya tampak. Untuk tiap jari-jari orbit tertentu, panjang gelombang cahaya bersangkutan juga tertentu. Namun, karena jari-jari orbit elektron terus berkurang secara kontinu, maka panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya semakin panjang (memerah) dengan peralihan warna secara kontinu. Jadi, spektrum cahaya yang dipancarkannya berupa susunan pita warna kontinu.
6. Bagaimana Rutherford menyimpulkan struktur atom berdasarkan eksperimen hamburan partikel alfa?
Jawaban:
• Sebagian besar berkas partikel alfa yang dapat melewati lempengan logam emas menunjukan bahwa partikel alfa ini melewati ruang kosong yang ada di dalam atom sehingga dengan mudah partikel alfa ini melewati ruang kosong tersebut tanpa hambatan yang berarti.
• Berkas partikel alfa yang didefleksi menunjukan bahwa partikel alfa tersebut berada pada posisi yang dekat dengan inti atom yang bermuatan positif. Muatan positif dengan muatan positif akan saling tolak menolak, hal inilah yang menyebabkan partikel alfa dibelokan dengan sudut yang besar.
• Berkas partikel alfa yang di refleksi kembali (dipantulkan kembali) menunjukan bahwa partikel alfa tersebut bertumbukkan dengan inti atom yang bermuatan positif. Inti atom emas mempunyai massa dan muatan positif yang lebih besar disbanding dengan massa dan muatan partikel alfa, hal inilah yang membuat partikel alfa di pantulkan kembali.