Simulasi Hamburan Rutherford (Model Atom Rutherford)

1. Latar Belakang Eksperimen

Sebelum Rutherford, model atom yang diterima luas adalah Model Atom Thomson (1897), sering disebut "plum pudding", yang menggambarkan atom sebagai bola bermuatan positif merata dengan elektron-elektron tersebar di dalamnya seperti kismis dalam puding. Model ini meramalkan bahwa partikel bermuatan yang ditembakkan ke lempeng logam tipis hanya akan mengalami defleksi kecil.

Pada tahun 1909, Hans Geiger dan Ernest Marsden, di bawah arahan Rutherford di Universitas Manchester, melakukan eksperimen menembakkan partikel alfa (α) berenergi tinggi ke lempeng emas sangat tipis (Au foil, ~400 nm) dalam ruang hampa. Partikel α adalah inti helium (⁴₂He) bermuatan +2, yang dipancarkan dari sumber radioaktif Ra-226.

2. Hasil Eksperimen (Geiger-Marsden, 1909)

~99,99%

Partikel α menembus lempeng emas tanpa defleksi berarti atau dengan defleksi sangat kecil (<1°). Menunjukkan bahwa sebagian besar atom adalah ruang kosong.

~0,01%

Partikel α mengalami defleksi besar (>10°). Sejumlah kecil menunjukkan sudut hamburan yang signifikan, menandakan adanya konsentrasi muatan positif.

~1/8000

Partikel α dipantulkan hampir balik (defleksi >90°). Rutherford: "Seperti menembakkan peluru artileri ke kertas tisu, lalu peluru memantul balik dan mengenai Anda."

3. Postulat Model Atom Rutherford (1911)

I

Atom memiliki inti (nukleus) yang sangat kecil dan padat. Hampir seluruh massa atom terpusat di inti yang berdiameter sangat kecil (~10^-15 m atau 1 fm). Inti Au memiliki jari-jari ~8 fm, sementara jari-jari atomnya ~166 pm — rasio 1 : ~20.000.

II

Inti atom bermuatan positif. Semua muatan positif atom terkonsentrasi di inti. Untuk emas, muatan inti adalah +79e (79 proton). Muatan positif inilah yang mendefleksikan partikel α bermuatan +2.

III

Elektron mengorbit inti di ruang yang jauh lebih besar. Elektron-elektron (bermuatan negatif) bergerak mengelilingi inti seperti planet mengorbit matahari, dalam lintasan yang bisa berbentuk elips. Volume atom didominasi oleh ruang kosong tempat elektron bergerak.

IV

Gaya tarik Coulomb menjaga elektron tetap di orbitnya. Tarikan elektrostatik antara inti (+) dan elektron (−) berperan sebagai gaya sentripetal yang mempertahankan gerak orbital elektron, analog dengan gaya gravitasi pada sistem tata surya.

4. Keberhasilan Model

• Menjelaskan hamburan besar-sudut partikel α yang tidak dapat dijelaskan model Thomson.
• Memperkenalkan konsep nukleus atom yang menjadi dasar fisika modern.
• Formula hamburan Rutherford terbukti akurat secara kuantitatif dan menjadi alat diagnostik dalam fisika nuklir.
• Membuka jalan bagi penemuan proton (Rutherford, 1919) dan neutron (Chadwick, 1932).
• Menjadi landasan model atom Bohr (1913) yang menyempurnakan orbit elektron secara kuantum.

5. Kelemahan Fatal Model Rutherford

• Ketidakstabilan klasik: Menurut elektrodinamika klasik, partikel bermuatan yang mengalami akselerasi (termasuk gerak melingkar) harus memancarkan radiasi elektromagnetik (radiasi sinkrotron). Elektron yang mengorbit inti terus-menerus mengalami percepatan sentripetal, sehingga seharusnya terus kehilangan energi dalam bentuk radiasi. Kalkulasi menunjukkan elektron akan berputar spiral ke dalam inti dalam waktu sangat singkat — sekitar 10⁻¹¹ detik.

• Tidak menjelaskan spektrum diskret: Model Rutherford tidak dapat menjelaskan mengapa atom memancarkan cahaya hanya pada panjang gelombang tertentu (spektrum garis), seperti spektrum emisi hidrogen yang hanya mengandung panjang gelombang diskret (656 nm, 486 nm, 434 nm, 410 nm dalam deret Balmer).

• Penyelesaian: Kelemahan ini diselesaikan oleh Niels Bohr pada tahun 1913 dengan mengintroduksikan postulat kuantum: elektron hanya dapat mengorbit pada tingkat energi tertentu (kuantisasi momentum sudut: L = nℏ) dan tidak memancarkan energi selama berada di orbit tersebut.

6. Perkembangan Model Atom

Tahun	Ilmuwan	Model / Kontribusi
1803	Dalton	Atom sebagai bola pejal tak terbagi, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan
1897	Thomson	Menemukan elektron; model plum pudding, muatan positif merata dengan elektron tersebar di dalamnya
1911	Rutherford	Nukleus kecil & padat bermuatan positif; elektron mengorbit di luar; sebagian besar atom adalah ruang kosong
1913	Bohr	Orbit elektron terkuantisasi pada tingkat energi diskret; elektron tidak memancar selama di orbitnya
1924	de Broglie	Elektron bersifat gelombang; panjang gelombang elektron λ = h/mv
1926	Schrodinger	Model mekanika kuantum; posisi elektron dinyatakan sebagai fungsi gelombang ψ, orbital bukan lintasan pasti

Simulasi Sederhana Hamburan Rutherford
Dirancang oleh Urip.Info

Parameter dampak b 0.0 fm

Energi partikel α 5.0 MeV

Ditembak: 0

Tembus (<5°): 0

Belok (5–90°): 0

Pantul (>90°): 0

Inti Au (nukleus +79e)

Elektron orbit

Partikel α (+2e)

Tembus / defleksi kecil

Defleksi besar / pantul balik