Benarkah Atom itu Partikel Paling Kecil?

Masih ingetkah sobat sama materi SMP-SMA ketika membahas tentang atom? Disana pasti dijelaskan kalau atom adalah partikel terkecil yang tidak bisa dibagi lagi. Tapi, benarkah begitu? Apakah atom tetap memiliki bagian lagi? Nah, sebelum kita membahas apa itu partikel terkecil, kita bahas dulu yuk bagaimana sih sejarah riset dari atom itu sendiri?

Pertama-tama, kita harus tahu nih, bagaimana sih nama “atom” itu muncul? Nah atom itu pertama dicetuskan sama orang kuno yang namanya Demokritus sob pada tahun 450 sebelum masehi. Nama atom sendiri berasal dari berasal dari bahasa daerahnya, bahasa Yunani “atomos” yang artinya tidak dapat dibagi lagi. Nah, jadi yang namanya atom adalah sesuatu yang tidak dapat dibagi itu adalah terjemahan dari namanya, bukan definisinya!. Nah kemudian kita lanjut ke 2 milenium setelahnya, yaitu sekitar abad ke 19. Nah disini ada seseorang yang nyoba eksperimen, namanya pak Thompson menggunakan yang namanya tabung sinar katoda. Apa sih itu? Cek gambar dibawah ini ya! Jadi, disini terdapat sebuah tabung yang isinya hampa, dibuat hampa biar ngga ada udara yang menghambat sinar nantinya, nah diujung-ujungnya (kiri) terdapat elektroda negatif(katoda) dan positif(anoda) yang dilubangi, kemudian kedua elektroda itu diberi tegangan tinggi, nah ketika diberi tegangan maka akan muncul sinar yang melewati lubang di katoda dan akan tertangkap di layar(ujung kanan). Nah masalahnya muncul nih jika di tengah tengah tabung diberi magnet dan pelat medan listrik, ternyata hasil percobaannya mengejutkan, sinarnya menjadi berubah arah. Berarti, sinar itu pasti bukan cahaya, karena cahaya ngga mungkin bermuatan kan, karena terpengaruh medan listrik sama magnetnya, artinya sinar itu adalah partikel yang bermuatan. Pertanyaannya partikel apa itu? Nah dari konsep dasar hukum magnet, dengan kaidah tangan kanan, Thompson mendapat kesimpulan kalau sinar katoda itu adalah partikel bermuatan negatif, disebutlah namanya elektron[1]. Dari sini, Thompson merevisi teori atom yang sudah ada, dan membuat model baru yaitu kalau di atom ternyata ada elektron yang menempel seperti onde-onde. Dan karena atom harus netral, maka atom memiliki partikel yang bermuatan positif juga buat menetralkan partikel baru dari sinar katoda yang dia temukan tadi, namun dia nggak tau partikel apa sih itu.

GambaeGambar 1. Tabung sinar katoda, alat eksperimen JJ Thompson.

                Nah, pak Thompson yang tadi memiliki sebuah mahasiswa yang namanya Rutherford. Pak Rutherford ini dia ikut meneliti tentang atom bersama pak Thompson. Nah, pak Rutherford ini bikin eksperimen baru, dia menyinari sebuah pelat emas dengan sinar alfa yang dihasilkan oleh sebuah unsur radioaktif. Eh, ternyata hasil eksperimennya sangat mengejutkan, kalau dari model model sebelumnya bahwa atom itu seperti onde-onde yang mana penuh dan tidak bolong, tapi dalam percobaan ternyata sinarnya lebih banyak yang terus daripada yang dibelokkan atau dipentalkan. Dari sini, pak Rutherford menyimpulkan kalau sebenarnya atom tidak benar-benar penuh, tapi ada ruang kosong yang cukup besar. Hasil eksperimen juga menunjukkan kalau banyak partikel yang terpental, artinya di atom itu pusatnya adalah sesuatu yang sangat berat dan sekelilingnya adalah ruang kosong, kemudian pak Rutherford “meminjam” model dari tata surya yang menyamakan atom dengan tata surya dimana dipusatnya adalah inti atom dan dikelilingi oleh elektron[1]. Karena intinya harus positif, maka dinamakan dengan proton.

Gambar 2. Skema percobaan Rutherford, menembakkan sinar alfa ke plat emas.

                Bertahun-tahun setelah penemuan inti atom Rutherford mencoba untuk mengukur massa proton untuk setiap unsur dan membandingkannya dengan massa proton yang dia ukur dari atom hidrogen, yaitu atom paling ringan. Namun, dia selalu gagal untuk atom yang bernomor massa tinggi, hasilnya hanya separonya dari teori yang dia dapatkan. Dari sini, pastinya ada partikel lain yang menemani proton di inti atom, dan massanya harus mirip dengan massa proton, tapi harus netral tidak bermuatan. Pada tahun 1932, mahasiswanya Rutherford, Chadwick menemukan yang namanya neutron yaitu partikel bermassa mirip dengan proton tapi tidak bermuatan[2].

Nah dari cerita sejarah diatas, pasti sobat sadar kalau atom bukanlah partikel terkecil. Lalu apakah partikel terkecil itu? Apakah proton, neutron, dan elektron? Atau ada yang lain? Jawabannya kita lihat gambar dibawah.

Gambar 3. Model Standar merupakan diagram partikel elementer.

                Dari gambar diatas, itu semua adalah partikel terkecil yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Tapi, kok banyak banget? Dan tidak ada yang namanya proton atau neutron di dalam tabel itu. Nah, jadi partikel terkecil (kadang disebut partikel elementer) dibagi menjadi dua, yaitu Fermion dan Boson. Totalnya ada 17. Untuk Fermion adalah partikel yang memiliki spin tengahan (-3/2,-1/2,1/2,3/2,dll) di bagian kiri (orange dan hijau) sedangkan Boson adalah partikel yang memiliki spin bulat (-1,0,1,2,dll) di bagian kanan (biru dan ungu). Kemudian Fermion ini dibagi menjadi dua nih, yaitu quark(orange)  dan lepton(hijau). Perbedaannya, kuark memiliki muatan pertigaan dari muatan elektron, yaitu e = 1,6 x 10^-19 C, (-2/3,-1/3,1/3,2/3, dll) sedangkan lepton memiliki muatan bulat (0 atau 1)[2].

Baca juga:

Nah, di dalam lepton terdapat elektron. Sehingga, elektron termasuk dalam partikel yang tidak dapat dibagi lagi. Lalu, bagaimana dengan proton dan neutron? Proton dan neutron ini disebut dengan Barion yang artinya partikel komposit atau partikel hasil gabungan dari tiga kuark. Untuk proton adalah gabungan dari 2 kuark up dan 1 kuark down. Sedangkan untuk neutron adalah gabungan 2 kuark down dan 1 kuark up. Bisa dibuktikan sendiri kalau muatannya 1 untuk proton dan 0 untuk neutron. Adapula kpartikel komposit dari dua kuark, disebut meson. Contoh dari partikel meson cukup banyak, seperti: pi meson, lambda, sigma, dll[2].

Kemudian kita pindah ke boson. Boson dibagi menjadi dua, yaitu gauge boson dan higgs boson. Nah, dari kedua itu apa perbedaannya?

Gauge boson adalah partikel yang merupakan jembatan interaksi dari partikel-partikel fermion. Jadi istilahnya jika ada dua fermion berinteraksi, maka membutuhkan gauge boson untuk menjembataninya. Gauge boson terkadang disebut dengan pembawa gaya, karena memang gauge boson mediator gaya gaya fundamental. Ada 4 gaya fundamental di alam semesta, yaitu gaya elektromagnetik yang dimediasi oleh boson foton, gaya nuklir kuat yang dimediasi oleh gluon, gaya nuklir kuat inilah yang mengunci kuark-kuark sehingga dapat menyatu menjadi komposit. Gaya nuklir kuat ini juga mengikat inti sehingga tidak terlepas. Kemudian yang ketiga adalah gaya nuklir lemah yang dimediasi oleh boson W dan Z. Boson W dapat bermuatan +1 atau -1, sedangkan Z netral. Gaya nuklir lemah ini yang dapat menjelaskan proses peluruhan. Yang terakhir adalah gaya gravitasi. Namun sampai sekarang masih belum ditemukan partikel mediator dari gaya gravitasi. Ada hipotesis bahwa gaya gravitasi dimediasi oleh boson Graviton, namun belum terdapat bukti hasil eksperimen[2].

Yang terakhir adalah Higgs Boson, yang menjelaskan bagaimana interaksi terjadi. Perlu diingat, bahwa gauge boson sifatnya adalah mediasi, sehingga seharusnya partikel-partikel di gauge boson tidak memiliki massa. Ini benar untuk foton dan gluon, karena mereka berdua tidak memiliki massa. Namun, salah untuk boson W dan Z. Untuk menjelaskan mengapa W dan Z memiliki massa, Higgs boson lah yang bertanggung jawab terhadap massanya.

Gambar 4. Proses munculnya antipartikel akibat eksitasi partikel di lautan energi negatif.

                Pada tahun 1930an, Klein-Gordon dan Paul Dirac mencoba untuk menggabungkan fisika kuantum dengan teori relativitas khusus. Namun keduanya berujung pada sebuah masalah yang sama, yaitu terdapat solusi dari persamaan Klein-Gordon maupun persamaan Dirac yang mengharuskan partikel berenergi negatif. Maka dari itu, Dirac menginterpretasikan lautan energi negatif sebagai lautan untuk partikel berenergi negatif yang sudah dipenuhi keadaannya. Dari sini, apabila terdapat energi yang cukup dari luar menuju lautan energi negatif, maka akan mengeksitasi partikel ke tingkat energi positif, sehingga partikel yang keluar di energi positif adalah partikel nyata, sedangkan hole atau lubang yang kosong di lautan energi negatif yang ditinggal adalah antipartikel. Sehingga antipartikel dan partikel akan berlawanan muatan[3]. Setelah penjelasan dari Dirac ini, maka ditemukan pasangan partikel-antipartikel, sehingga total partikel fundamental adalah 17+17antipartikel.

Sehingga, dapat disimpulkan bahwa atom sebenarnya bukanlah partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi. Atom hanyalah partikel terkecil yang menjadi pembeda suatu unsur dengan unsur yang lain. Partikel terkecil yang tidak dapat dibagi disebut dengan partikel elementer yang terdapat 17 dan 17 antipartikelnya.

Literatur:

[1] Kanginan, M. 2013. “Fisika untuk SMA/MA Kelas XII Kelompok Peminatan Matematika dan Ilmu Alam Berdasarkan Kurikulum 2013”. Jakarta: Erlangga.

[2] Beiser, A. 2003. “Concept of Modern Physics, Sixth Edition”. New York: Mc Graw Hill, Inc.

[3] Greiner,W. 1989. “Relativistic Quantum Mechanics Wave Equation, Third Edition”.Verlag: Springer.

Gutivan Alief Syahputra

Mahasiswa Fisika Teoritik at Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Gutivan Alief Syahputra

Latest posts by Gutivan Alief Syahputra (see all)

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *