Kegagalan Atom Rutherford

Syekh Tha

Katanya tidak sepakat ini sebuah kegagalan, tetapi kok pakai judul “kegagalan” juga? Jawab: Supaya pembaca mudah menemukan artikel ini lewat mesin pencari internet. Saya pikir frase ini lebih akrab di telinga kita.

Bagi saya model atom Rutherford tidak memiliki kegagalan. Ernest Rutherford telah menjelaskan semuanya pada tahun 1909, sebagian penjelasan disampaikan oleh muridnya, Niels Bohr, pada tahun 1913.

Penjelasan Bohr paling krusial terhadap teori atom gurunya adalah bagaimana atom-atom tetap stabil meskipun elektron mengorbit nukleus.

Atom Rutherford dan tata surya

Struktur atom menurut Rutherford seperti struktur tata surya. Ada sekumpulan objek yang mengorbit satu objek yang sangat massif. Planet mengorbit matahari pada sistem tata surya; elektron mengorbit nukleus pada sistem atom Rutherford.

Kenapa mereka mengorbit?

Karena gaya tarik-menarik antara planet (elektron) dan matahari (nukleus) sama besar dengan gaya sentrifugal yang mereka alami. Kedua gaya ini berlawanan arah, yang satu radial menuju pusat dan yang lain radial menjauhi pusat.

Sumber gaya tarik-menarik

Gaya tarik-menarik berupa gaya gravitasi pada dua benda bermassa dan gaya Coulomb pada dua objek bermuatan listrik, yang satu muatan positif dan yang lain muatan negatif. Formulasi kedua gaya ini mirip, yaitu

\(\displaystyle \vec{F} \propto \frac{\bigcirc \times \! \bigtriangleup}{r^2}\: \hat{r} \)

dengan \((\bigcirc \times \! \bigtriangleup)\) adalah massa objek pertama kali massa objek kedua untuk gaya gravitasi dan muatan listrik objek pertama kali muatan listrik objek kedua untuk gaya Coulomb.

Matahari, nukleus, planet dan elektron semua memiliki massa. Implikasinya, mereka semua mengalami gaya gravitasi.

Tetapi, massa matahari dan planet sangat, teramat besar. Masa matahari berorde 1030 kg, massa planet berorde 1024 kg. Gaya gravitasi yang mereka hasilkan tetap signifikan meskipun jarak antarmereka berorde 50 – 1000 juta km.

Sebaliknya, massa nukleus dan elektron sangat, teramat kecil. Massa nukleus berorde 10-27 kg. Massa elektron? Lebih kecil lagi, orde 10-31 kg. Gaya gravitasi ang mereka hasilkan tidak signifikan meskipun jarak antarmereka hanya berorde 10-13 km.

Tetapi, nukleus dan elektron memiliki muatan listrik. Masing-masing sebesar 1.6 x 10-19 C. Dengan jarak antarmereka yang cuma 10-13 km, gaya Coulomb yang mereka hasilkan terasa signifikan.

Kesimpulan: Sumber gaya tarik-menarik pada tata surya adalah massa dan pada atom adalah muatan listrik.

Sumber gaya sentrifugal

Tidak seperti gaya gravitasi dan Coulomb, gaya sentrifugal tidak membutuhkan dua objek.

Padahal, definisi gaya dalam fisika adalah interaksi antara dua objek atau lebih. Interaksi dapat terjadi karena massa, muatan listrik, dan muatan warna. Dua yang pertama menghasilkan gaya gravitasi dan gaya elektromagnetik. Sedangkan muatan warna menghasilkan gaya lemah dan gaya kuat. Empat gaya ini disebut dengan gaya fundamental alam semesta.

Dengan kata lain, cuma ada empat gaya ini yang bekerja di dunia kita ini. (Baca: Menyambut Nobel Fisika 2004: Bagaimana Fisika Partikel Menguraikan Fenomena Dasar Alam Semesta)

Dengan demikian, gaya sentrifugal bukanlah benar-benar gaya dalam fisika. Kita sering sebut dia sebagai pseudo-gaya.

Gaya sentrifugal khas dimiliki objek yang bergerak pada lintasan kurva.

Kesimpulan: sumber gaya sentrifugal adalah objek yang bergerak dengan lintasan kurva.

Gaya tarik-menarik vs. sentrifugal

Lintasan kurva berarti bukan lintasan lurus. Mengorbit termasuk lintasan kurva; bentuk orbit dapat lingkaran sempurna, elips, atau zig-zag yang melewati titik awal.

Sedangkan bergerak berarti memiliki kecepatan (besaran vektor). Dari mana objek mendapat kecepatannya? Nah, ini yang menarik.

Pada sistem tata surya, gerak mengorbit para planet pada matahari menjadi satu indikasi kuat bahwa para planet tersebut awalnya berasal dari matahari. Matahari berpusing, lalu melontarkan materi-materi yang dia kandung ke luar dirinya. Materi-materi tersebut dari awal sudah memiliki kecepatan dengan lintasan kurva karena efek dari gerak berpusing matahari. Materi-materi tsb. kemudian menjadi para planet dan meteoroid.

Kecepatan ini memaksa objek tetap bergerak, meski terjadi pertarungan antara gaya tarik-menarik dan sentrifugal. Pertarungan antara dua gaya hanya terjadi pada arah radial. Akibatnya, pasti selalu ada komponen vektor kecepatan yang tidak nol. Komponen yang tidak nol tidak selalu sama, berganti-ganti, yang mengakibatkan lintasan objek berbentuk kurva.

Tetapi, pertarungan antara dua gaya tidak selalu menghasilkan \(\sum \vec{F} = 0\) di setiap titik. Kadang gaya tarik-menarik yang menang, kadang gaya sentrifugal yang menang — meskipun pada akhirnya total rerata gaya adalah nol. Akibatnya, lintasan objek tidak benar-benar lingkaran sempurna. Pada kasus tata surya, efek neto pertarungan ini membuat lintasan planet berbentuk elips.

Sumber Kegagalan

Cerita berbeda ketika sumber gaya tarik-menarik berasal dari gaya Coulomb.

Karena arah kecepatan berganti-ganti, momentum objek juga berganti-ganti. Objek bermuatan listrik yang mengalami perubahan momentum akan memancarkan cahaya.

Kata siapa? Kata James Maxwell pada tahun 1864 dalam teori elektrodinamika dan kemudian dibuktikan secara eksperimen oleh Heinrich Hertz pada tahun 1886.

Apa dampak objek bermuatan yang melepaskan cahaya? Energi kinetiknya, T, berkurang, karena

\(\displaystyle T = \frac{p^2}{2m}\)

Dampak dari pelepasan cahaya oleh perubahan momentum objek bermuatan ini adalah berkurang.

Jika momentum terus berubah, cahaya terus dipancarkan, energi kinetik terus berkurang, kelajuan objek terus berkurang. Gaya tarik-menarik pelan-tapi-pasti mengalahkan gaya sentrifugal.

Efek neto proses ini adalah lintasan objek menjadi seperti obat nyamuk.

Pada kasus atom, implikasinya adalah elektron bergerak mendekati nukleus dengan lintasan seperti obat nyamuk. Ujung dari lintasan adalah nukleus: elektron melebur ke dalam nukleus.

(Jika elektron melebur ke dalam nukleus, apa yang terjadi? Apakah ledakan? Atau sesuatu menarik lainnya terjadi? Insyaallah akan saya tulis lain waktu…)

Implikasinya: tidak ada atom yang stabil. Artinya, kita tidak mungkin melihat materi yang ada di sekitar kita — jangankan materi, bahkan kita tidak mungkin punya tubuh.

Inilah yang sering disebut sebagai “kegagalan model atom Rutherford.”

Padahal tidak gagal, Rutherford hanya belum menjelaskannya kepada kita.

Kenapa tidak gagal?

Niels Bohr yang menjelaskan kepada kita. Penjelasan dimulai dari satu fakta fisika:

Objek yang mengalami gaya sentrifugal pasti memiliki momentum angular,

\(\displaystyle \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p}\;.\)

Penjelasan selanjutnya, insyaallah, lain waktu.

By febdian RUSYDI

a muslim, a teacher, a physicists, a blogger.

3 comments

  1. Kenapa gaya sentrifugal disebut sebagai pseudo-gaya (pseudo-force), bukan quasi-force?
    Terima kasih

    1. Hmmm pertanyaan menarik.

      Pseudo dan quasi punya makna yang berbeda.

      Pseudo punya makna palsu. Asal dari gaya sentrifugal/sentripetal adalah momentum angular. Efek momentum angular ini adalah benda seakan-akan terdorong/tertarik pada arah radial. Terdorong/tertarik ini adalah juga efek gaya. Tetapi gaya butuh dua objek, sedangkan momentum angular tidak.

      Contoh pseudo-force yang lain adalah exchange force yang terjadi antara boson/fermion. Di sini sudah ada dua objek. Tetapi tarikan dan dorongan antara keduanya terjadi bukan karena interaksinya, tetapi karena simetri dari wave function mereka.

      Quasi punya makna mirip. Contoh quasi-particle adalah innert electrons (bukan valence electrons). Kumpulan partikel memiliki sebuah perilaku yg mirip dengan perilaku partikel lain. Kumpulan partikel itu disebut quasi-particle.

      Contoh quasi-particle lain pergerakan electron-hole pada valence band semikonduktor. Gerakan tersebut mirip dengan pergerakan proton.

Pikiran Anda?

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Don`t copy text!
%d bloggers like this: