Struktur Atom & Asal-usul Listrik Statis

Benteng Inti Atom

Pernahkah kamu membayangkan apa yang sebenarnya terjadi di level mikroskopis saat dua benda digosokkan? Sebelum kita bahas soal wol dan ebonit, kita harus kenalan dulu dengan para "aktor" di dalam materi.

Setiap benda terdiri dari atom-atom. Kalau kita membedah atom pakai model atom Bohr, bentuknya mirip tata surya kita. Di bagian paling tengah terdapat inti atom (nukleus) yang berisi proton (bermuatan positif) dan neutron. Inti ini sangat padat dan diikat oleh sesuatu yang disebut gaya inti kuat.

Di sisi lain, elektron (bermuatan negatif) mengorbit jauh di bagian luar pada kulit-kulit atom. Elektron ini hanya diikat oleh gaya tarik elektromagnetik dari inti atom, yang ikatannya jauh lebih lemah dibandingkan gaya di dalam inti.

Dari riset fisika nuklir, kita tahu bahwa butuh energi jutaan electron-volt ($\approx 8 \text{ MeV}$) untuk mencongkel satu proton keluar dari inti atom. Sebaliknya, cuma butuh belasan electron-volt ($\approx 10 \text{ eV}$) untuk melepaskan elektron terluar!

Kesimpulannya: Dalam fenomena listrik statis sehari-hari, lupakan perpindahan proton. Satu-satunya aktor yang bisa berpindah (lepas dan menempel ke benda lain) hanyalah elektron.

Berdasarkan struktur atom, mengapa hanya elektron yang berpindah saat dua benda bergesekan?

  • A. Proton dan elektron berpindah secara bersamaan.
  • B. Proton berpindah karena posisinya di kulit terluar.
  • C. Hanya elektron yang berpindah karena posisinya di luar inti dan ikatannya lebih lemah.
  • D. Neutron berpindah memicu ketidakseimbangan muatan.

Jawaban: C. Hanya elektron yang berpindah karena posisinya di luar inti dan ikatannya lebih lemah.

Proton terkunci kuat di inti oleh gaya inti kuat (butuh energi jutaan eV untuk lepas), sementara elektron di kulit luar mudah lepas hanya dengan gesekan.

Hanya elektron yang dapat berpindah pada fenomena listrik statis karena proton terikat sangat kuat di dalam inti atom.

Paradoks Benda Negatif

Sekarang kita sudah sepakat bahwa "elektron adalah satu-satunya partikel yang bisa jalan-jalan". Pertanyaan selanjutnya: apa yang sebenarnya terjadi saat sebuah benda netral berubah menjadi bermuatan negatif?

Benda pada keadaan normal adalah netral. Artinya, jumlah proton ($+$) di dalam inti dan elektron ($-$) yang mengorbit persis sama banyak. Total muatannya seimbang alias nol.

Karena elektron adalah pembawa muatan negatif dasar, satu-satunya cara membuat sebuah benda netral menjadi bermuatan negatif adalah dengan menambahkan pasukan elektron ke dalamnya.

Ini sering jadi jebakan logika! Secara bahasa, kata "negatif" kadang diartikan sebagai sesuatu yang aktif memberi pengaruh buruk atau menyebarkan hal negatif.

Jadi, kalau kamu melihat ada benda yang bermuatan negatif setelah bergesekan, ketahuilah bahwa dia adalah pihak yang menang banyak, menelan elektron dari pasangannya.

Tentukan benar atau salah pernyataan berikut terkait konsep benda bermuatan negatif!

  • Benda yang berubah menjadi bermuatan negatif berarti ia mendonorkan muatan negatifnya ke benda lain. — Salah
  • Benda netral menjadi bermuatan negatif jika jumlah elektronnya melebihi jumlah protonnya. — Benar

Benda netral yang membagikan elektronnya akan kekurangan elektron, sehingga menjadi bermuatan POSITIF. Benda jadi negatif justru karena ia MENERIMA elektron.

Benda menjadi negatif dengan cara MENGAMBIL elektron tambahan, bukan dengan memberikannya.

Tarik Tambang Elektron

Kita sudah tahu bahwa elektron itu bisa berpindah, dan kalau ada yang menerima elektron, dia jadi negatif. Tapi pas dua benda digosokkan, elektron siapa yang bakal pindah ke siapa? Kenapa gak kebalikannya aja?

Jawabannya terletak pada Afinitas Elektron—yaitu kekuatan cengkeraman suatu jenis atom terhadap elektron terluarnya. Setiap material punya daya cengkeram yang beda-beda.

Saat benda A dan benda B digosokkan, permukaannya bersentuhan sangat dekat pada level mikroskopis. Terjadilah "tarik tambang" elektron! Energi dari gesekan yang kamu lakukan cukup untuk memutus ikatan elektron pada benda yang cengkeramannya lemah. Atom dengan ikatan inti yang kuat akan langsung merebut elektron dari atom yang ikatannya lemah.

ilustrasi

Nah, ilmuwan sudah menyusun peringkat pemenang tarik tambang ini dalam sebuah daftar yang disebut Deret Tribolistrik (dari bahasa Yunani tribos = menggosok).

Jadi, arah perpindahan elektron selalu pasti: dari bahan yang tarikan intinya lemah (mudah melepas) MENUJU bahan yang tarikan intinya kuat (mudah menerima).

Apa yang menentukan ke arah mana elektron akan berpindah saat dua bahan yang berbeda digosokkan?

  • A. Benda mana yang lebih keras secara fisik (mekanik).
  • B. Perbedaan kekuatan cengkeraman (afinitas) tiap benda terhadap elektron terluarnya.
  • C. Benda mana yang memiliki lebih banyak proton di dalam intinya.
  • D. Seberapa cepat kita menggosokkan kedua benda tersebut.

Jawaban: B. Perbedaan kekuatan cengkeraman (afinitas) tiap benda terhadap elektron terluarnya.

Afinitas elektron menentukan seberapa kuat atom menahan elektronnya; saat bergesekan, atom yang afinitasnya lebih tinggi akan merebut elektron dari atom berafinitas rendah.

Elektron berpindah dari benda yang cengkeraman elektronnya (afinitasnya) lebih lemah ke benda yang afinitasnya lebih kuat.