Pada kesempatan kali ini, kita akan mempelajari tentang partikel-partikel subatom yang menyusun atom. Meskipun atom dahulu dianggap sebagai bagian terkecil yang tidak dapat dibelah, ternyata para ilmuwan menemukan berbagai komponen di dalam atom yang saling berinteraksi. Kamu akan melihat bahwa penemuan ini tidak terjadi secara singkat, melainkan melalui serangkaian percobaan yang dilakukan oleh ilmuwan seperti J.J. Thomson, Ernest Rutherford, dan James Chadwick. Kita akan membahasnya mulai dari penemuan elektron, penemuan inti atom, hingga penemuan neutron, serta mempelajari sifat setiap partikel tersebut. Bayangkan ini seperti menjelajahi area yang dulu dikira sederhana, namun ternyata menyimpan banyak rahasia.
Penemuan elektron menjadi titik penting dalam memahami bahwa di dalam atom terdapat partikel lebih kecil daripada atom itu sendiri. Pada mulanya, sekitar abad ke-19, orang menganggap bahwa atom sekadar satuan terkecil tanpa struktur internal. Namun, J.J. Thomson pada tahun 1904 mengubah pandangan tersebut. Ia melakukan percobaan menggunakan sinar katode, yaitu sinar yang dihasilkan dalam sebuah tabung kaca dengan muatan listrik. Thomson meletakkan medan listrik di dekat tabung tersebut. Menariknya, sinar yang semula bergerak lurus tiba-tiba berbelok menuju kutub positif. Dari situ, Thomson menyimpulkan bahwa sinar katode ini bermuatan negatif dan menyebutnya sebagai partikel yang lebih ringan daripada atom, yang kemudian dikenal dengan istilah “electron” (meski ia sendiri sempat menyebutnya “corpuscle”). Ketika Thomson mengkaji lebih lanjut, ia menyusun model atom yang dikenal sebagai “model atom roti kismis,” di mana elektron bertaburan seperti kismis di dalam bola yang bermuatan positif. Thomson menduga, jika atom netral, maka muatan positif pada dasarnya mengimbangi muatan negatif elektron yang tersebar di sana.
Setelah model atom roti kismis dari J.J. Thomson, seorang ilmuwan lain bernama Ernest Rutherford melakukan percobaan bersejarah sekitar tahun 1911. Ia menembakkan partikel alfa—partikel bermuatan positif yang sangat kecil dan padat, berasal dari radium—ke sebuah lempeng emas super tipis, ketebalannya hanya sekitar 100 nanometer. Rutherford memasang detektor berbentuk lingkaran dari seng sulfida (ZnS) di sekeliling target emas itu. Bayangkan saja kamu menembakkan peluru kecil ke sehelai kertas yang sangat tipis. Eksperimen ini menunjukkan kebanyakan partikel alfa langsung menembus lempeng emas tanpa dibelokkan, hanya sebagian kecil saja yang terpantul atau dibelokkan dengan sudut besar. Dari hasil ini, Rutherford menyadari bahwa sebagian besar bagian atom adalah ruang kosong. Adanya partikel alfa yang terpental balik menunjukkan terdapat daerah sangat padat dengan muatan positif di tengah-tengah atom, dan daerah itu ia sebut sebagai “inti atom.” Akibat penemuannya, Rutherford menyatakan bahwa elektron yang bermuatan negatif beredar mengelilingi inti yang padat dan bermuatan positif dengan sangat cepat. Ruang kosong di antara inti dan elektron begitu besar sehingga mayoritas “tembakan” partikel alfa mampu menembus begitu saja.
Model atom Rutherford sudah menjelaskan banyak hal, tetapi masih ada teka-teki mengenai massa atom. Saat membandingkan massa helium dan hidrogen, jika helium hanya memiliki dua proton sementara hidrogen satu, mestinya massa helium hanya dua kali massa hidrogen. Kenyataannya, helium empat kali lebih berat daripada hidrogen. Dugaan kuat muncul: ada partikel lain di dalam inti atom yang tidak bermuatan listrik namun menambah massa. James Chadwick, seorang fisikawan Inggris, menjawab misteri ini pada tahun 1932. Ia melakukan percobaan dengan menembakkan partikel alfa ke lembar logam berilium. Hasilnya menunjukkan adanya radiasi yang tidak bermuatan seperti sinar gama, tetapi sebenarnya berisi partikel dengan massa yang hampir sama dengan proton, meski tidak bermuatan. Partikel tersebut dinamai “neutron.” Penemuan ini menuntaskan kekurangan dalam model atom Rutherford dengan menyatakan bahwa inti terdiri atas proton dan neutron, sementara elektron berada di luar inti.
Ketika membahas atom, kita kini telah mengenal tiga partikel utama: proton, neutron, dan elektron. Proton adalah partikel bermuatan positif yang massanya mendekati 1 sma (sekitar 1,00727 sma), neutron netral dengan massa juga sekitar 1 sma (1,00866 sma), sementara elektron bermuatan negatif tetapi jauh lebih ringan, sekitar 0,00054858 sma. Proton dan neutron bersarang di nukleus (inti atom) yang padat, sedangkan elektron beredar di sekitar inti. Saat ada medan listrik, elektron tertarik ke kutub positif, proton tertarik ke kutub negatif, dan neutron tidak terpengaruh karena tidak memiliki muatan. Bayangkan ketiganya seperti personil tim yang memiliki peran berbeda-beda di dalam atom: proton mengatur muatan positif, neutron menambah massa tanpa mengganggu keseimbangan muatan, dan elektron yang membentuk “awan” di sekeliling inti, berperan dalam reaksi kimia serta pembentukan ikatan.
Keseluruhan pembahasan ini menunjukkan bahwa atom bukan sekadar sebuah bola pejal yang tak dapat dibagi, melainkan terdiri atas tiga partikel subatom: proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron terletak di pusat atom, membentuk inti atom yang sangat padat. Sementara itu, elektron mengorbit inti, terpisahkan oleh ruang kosong yang begitu besar bila dibandingkan dengan dimensi inti. Inilah fondasi dasar dari segala materi di alam semesta—setiap unsur dan senyawa berasal dari kombinasi beragam atom dengan konfigurasi proton, neutron, dan elektron tertentu. Dengan demikian, kita melihat bahwa perkembangan pemahaman tentang atom tidak terjadi dalam satu malam; upaya eksplorasi dan eksperimen berkelanjutan telah membantu kita memahami lebih jauh struktur bahan-bahan di sekitar kita.