Pengertian Mekanika Kuantum dalam Ilmu Fisika

Pengertian Mekanika Kuantum - Mekanika kuantum adalah metode mempelajari dunia alami berdasarkan konsep bahwa gelombang energi juga memiliki sifat-sifat tertentu yang biasanya terkait dengan materi, dan materi itu terkadang memiliki sifat yang biasanya kita kaitkan dengan energi. Sebagai contoh, fisikawan biasanya berbicara tentang cahaya seolah-olah adalah bentuk gelombang yang melintasi ruang. Banyak sifat cahaya seperti pantulan dan pembiasan dapat dipahami jika kita menganggap cahaya sebagai gelombang yang memantul dari suatu benda atau melewati benda itu.


Tetapi beberapa fenomena optik (cahaya) tidak dapat dijelaskan dengan memikirkan cahaya seolah-olah bergerak dalam bentuk gelombang. Seseorang hanya dapat memahami fenomena ini dengan membayangkan partikel - partikel kecil cahaya yang agak mirip dengan atom. Partikel kecil cahaya ini dikenal sebagai foton. Foton sering digambarkan sebagai quanta ( jamak kuantum) cahaya. Istilah kuantum berasal dari kata Latin yang artinya "berapa banyak." Suatu kuantum, foton, atau cahaya memberitahukan berapa banyak energi cahaya yang ada dalam "paket" atau "atom" cahaya.


Fakta bahwa gelombang kadang bertindak seperti materi dan gelombang kadang bertindak seperti gelombang sekarang dikenal sebagai prinsip dualitas. Istilah dualitas berarti bahwa banyak fenomena memiliki dua bentuk berbeda, tergantung pada keadaan di mana mereka sedang dipelajari.




[caption id="attachment_3532" align="aligncenter" width="520"]Mekanika Kuantum Mekanika Kuantum[/caption]

Sifat makroskopis dan submikroskopis


Sampai tahun 1920-an, fisikawan berpikir mereka memahami sifat makroskopik alam dengan cukup baik. Istilah makroskopis mengacu pada sifat-sifat yang dapat diamati dengan lima indera manusia, dibantu atau tanpa bantuan. Sebagai contoh, jalur yang diikuti oleh peluru ketika bergerak di udara dapat digambarkan dengan sangat akurat hanya menggunakan hukum-hukum fisika klasik yaitu jenis fisika yang awalnya dikembangkan oleh ilmuwan Italia Galileo Galilei (1564–1642) dan ahli fisika Inggris Isaac Newton ( 1642–1727).


Tetapi metode fisika klasik tidak bekerja dengan baik dan kadang-kadang tidak berfungsi sama sekali ketika masalah pada tingkat submikroskopik dipelajari. Tingkat submikroskopis melibatkan objek dan peristiwa yang terlalu kecil untuk dilihat bahkan dengan mikroskop terbaik sekalipun. Pergerakan elektron dalam atom adalah contoh dari fenomena submikroskopis.




Istilah


Mekanika klasik: Kumpulan teori dan hukum yang dikembangkan pada awal sejarah fisika dan yang dapat digunakan untuk menggambarkan gerakan sebagian besar objek makroskopik.

Makroskopis: Suatu istilah yang menggambarkan objek dan peristiwa yang dapat diamati dengan panca indera manusia.

Foton: Satuan energi.

Kuantum: Sejumlah energi dalam bentuk apa pun.

Gelombang: Gangguan pada medium yang membawa energi dari satu tempat ke tempat lain.


Dalam dua dekade pertama abad ke-20, fisikawan menemukan bahwa alat fisika klasik yang sudah lama dikenalnya menghasilkan jawaban yang aneh atau tidak ada jawaban sama sekali dalam menghadapi fenomena submikroskopik. Akibatnya, mereka mengembangkan cara berpikir yang sama sekali baru dan menangani masalah pada tingkat atom.



Prinsip ketidakpastian


Beberapa konsep yang terlibat dalam mekanika kuantum sangat mengejutkan, dan sering bertentangan dengan akal sehat kita. Salah satunya adalah konsep revolusioner lain dalam fisika yang disebut prinsip ketidakpastian. Pada tahun 1927, fisikawan Jerman Werner Heisenberg (1901–1976) membuat penemuan luar biasa tentang jalur yang diambil oleh elektron dalam atom. Di dunia makroskopis, kita selalu melihat benda dengan cara menyinarinya. Mengapa tidak menyinari elektron sehingga gerakannya bisa terlihat?


Tetapi dunia submikroskopis menghadirkan masalah baru, kata Heisenberg. Elektron sangat kecil sehingga tindakan sederhana seperti menyinari dengan cahaya akan menjatuhkannya dari jalur normalnya. Jadi, apa yang akan dilihat oleh seorang ilmuwan bukanlah elektron sebagaimana elektron itu benar-benar ada dalam atom, melainkan elektron yang ada ketika digerakkan oleh cahaya yang menyinari atom itu. Secara umum, Heisenberg mengatakan tindakan mengukur benda yang sangat kecil akan mengubah objek. Apa yang kita lihat bukan seperti apa mereka, tetapi menjadi apa mereka sebagai hasil dari melihat mereka. Heisenberg menyebut teorinya sebagai prinsip ketidakpastian. Istilah ini berarti bahwa seseorang tidak pernah dapat memastikan keadaan untuk objek atau peristiwa apa pun di tingkat submikroskopis.



Fisika baru


Baik prinsip dualitas maupun prinsip ketidakpastian mengguncang fondasi fisika. Konsep seperti hukum gerak Newton masih berlaku untuk peristiwa di tingkat makroskopik, tetapi konsep itu pada dasarnya tidak berharga ketika berurusan dengan fenomena submikroskopis. Akibatnya, fisikawan pada dasarnya harus memulai lagi dengan memikirkan cara-cara mereka mempelajari alam. Banyak teknik dan metode baru dikembangkan untuk menangani masalah-masalah dunia submikroskopis. Teknik dan metode itu adalah apa yang kita pikirkan hari ini sebagai fisika kuantum atau mekanika kuantum.



Perkembangan awal



Hukum radiasi Planck


Pada akhir abad ke-19, fisikawan hampir secara universal menerima teori gelombang cahaya. Namun, meskipun ide-ide fisika klasik menjelaskan gangguan dan fenomena difraksi yang berkaitan dengan perambatan cahaya, mereka tidak memperhitungkan penyerapan dan emisi cahaya. Semua benda memancarkan energi elektromagnetik sebagai panas, pada kenyataannya benda memancarkan radiasi pada semua panjang gelombang. Energi yang dipancarkan pada panjang gelombang yang berbeda adalah maksimum pada panjang gelombang yang tergantung pada suhu benda semakin panas benda semakin pendek panjang gelombang untuk radiasi maksimum.


Upaya untuk menghitung distribusi energi untuk radiasi dari benda hitam yang menggunakan ide-ide klasik tidak berhasil. (Benda hitam adalah benda atau permukaan ideal hipotetis yang menyerap dan memancarkan kembali semua energi radiasi yang jatuh di atasnya.) Satu rumu yang diusulkan oleh Wilhelm Wien dari Jerman, tidak setuju dengan pengamatan pada panjang gelombang yang panjang, dan yang lainnya yang diajukan oleh Lord Rayleigh (John William Strutt) dari Inggris, tidak setuju dengan mereka yang memiliki panjang gelombang pendek.


Pada tahun 1900 fisikawan teori Jerman Max Planck membuat saran yang berani. Dia berasumsi bahwa energi radiasi dipancarkan, tidak terus menerus, melainkan dalam paket diskrit yang disebut quant. Energi E dari kuantum terkait dengan frekuensi ν oleh E = h ν. Kuantitas h, sekarang dikenal sebagai konstanta Planck, adalah konstanta universa ldengan nilai perkiraan 6.62607 × 10−34 J.s. Planck menunjukkan bahwa spektrum energi yang dihitung kemudian setuju dengan pengamatan pada seluruh rentang panjang gelombang.




Einstein dan efek fotoelektrik


Pada tahun 1905 Einstein memperluas hipotesis Planck untuk menjelaskan efek fotolistrik, yang merupakan emisi elektron oleh permukaan logam ketika diiradiasi oleh cahaya atau foton yang lebih berenergi. Energi kinetik dari elektron yang dipancarkan tergantung pada frekuensi ν dari radiasi, bukan pada intensitasnya. Untuk logam tertentu, ada frekuensi ambang ν0 yang tidak ada elektron yang dipancarkan. Selanjutnya, emisi terjadi segera setelah cahaya bersinar di permukaan.


Einstein menunjukkan bahwa hasil ini dapat dijelaskan oleh dua asumsi: (1) bahwa cahaya terdiri dari sel-sel atau foton, energi yang diberikan oleh hubungan Planck, dan (2) bahwa atom dalam logam dapat menyerap seluruh foton atau tidak sama sekali. Bagian dari energi foton yang diserap membebaskan elektron, yang membutuhkan energi tetap W, yang dikenal sebagai fungsi kerja logam, sisanya diubah menjadi energi kinetik me2/2 dari elektron yang dipancarkan (me adalah massa elektron dan u adalah kecepatannya). Dengan demikian, hubungan energi adalahkomposisi khusus untuk artikel "Mekanika Kuantum"Jika ν kurang dari ν0, di mana hν0 = W , tidak ada elektron yang dipancarkan. Tidak semua hasil eksperimen yang disebutkan di atas diketahui pada tahun 1905, tetapi semua prediksi Einstein telah diverifikasi sejak itu.




Teori atom Bohr


Kontribusi besar dibuat oleh Niels Bohr dari Denmark, yang menerapkan hipotesis kuantum pada tahun 1913. Spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom-atom gas telah dipelajari secara luas sejak pertengahan abad ke-19. Ditemukan bahwa radiasi dari atom gas pada tekanan rendah terdiri dari satu set diskrit panjang gelombang. Ini sangat berbeda dengan radiasi dari zat padat, yang didistribusikan pada rentang panjang gelombang terus menerus. Himpunan panjang gelombang diskrit dari atom gas dikenal sebagai aspektrum garis, karena radiasi (cahaya) yang dipancarkan terdiri dari serangkaian garis tajam. Panjang gelombang garis adalah karakteristik elemen dan dapat membentuk pola yang sangat kompleks. Spektrum paling sederhana adalah dari atom hidrogen dan atom alkali (misalnya, litium, natrium, dan kalium). Untuk hidrogen, panjang gelombang λ dinyatakan oleh rumus empiris komposisi khusus untuk artikel "Mekanika Kuantum" di mana m dan n adalah bilangan bulat positif dengan n > m dan Rdikenal sebagai Konstanta Rydberg memiliki nilai 1,097373157 × 107 per meter. Untuk nilai m yang diberikan, garis untuk memvariasikan n membentuk deret.


Bohr memulai dengan model yang disarankan oleh fisikawan Inggris kelahiran Selandia Baru Ernest Rutherford. Model ini didasarkan pada percobaan Hans Geiger dan Ernest Marsden, yang pada tahun 1909 membombardir atom-atom emas dengan partikel alfa besar yang bergerak cepat dan beberapa partikel ini dibelokkan ke belakang. Rutherford menyimpulkan bahwa atom memiliki nukleus bermuatan masif. Dalam model Rutherford, atom menyerupai tata surya mini dengan nukleus yang bertindak sebagai Matahari dan elektron sebagai planet yang mengelilingi. Bohr membuat tiga asumsi, pertama ia mendalilkan bahwa berbeda dengan mekanika klasik, di mana jumlah orbit yang tak terbatas dimungkinkan, elektron hanya dapat berada dalam satu set orbit yang berbeda, yang disebutnya keadaan stasioner. Kedua, ia mendalilkan bahwa satu-satunya orbit yang diizinkan adalah yang memiliki momentum sudut elektron yaitu bilangan bulat n kali ℏ (ℏ = h / 2π). Ketiga, Bohr mengasumsikan Hukum gerak Newton, yang begitu sukses dalam menghitung jalur planet-planet di sekitar Matahari, juga diterapkan pada elektron yang mengorbit inti. Gaya pada elektron (analogi dari gaya gravitasi antara Matahari dan sebuah planet) adalah gaya tarik elektrostatik antara inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif.


Dengan asumsi sederhana ini, ia menunjukkan bahwa energi orbit memiliki bentuk komposisi khusus untuk artikel "Mekanika Kuantum"di mana E0 adalah konstanta yang dapat dinyatakan oleh kombinasi konstanta yang diketahui eme, dan ℏ. Sementara dalam keadaan diam, atom tidak mengeluarkan energi seperti cahaya, namun ketika sebuah elektron menghasilkan transisi dari keadaan dengan energi n ke satu dengan energi yang lebih rendah Em, kuantum energi dipancarkan dengan frekuensi ν, oleh persamaan komposisi khusus untuk artikel "Mekanika Kuantum"  dan menggunakan hubungan λν = c, di mana c adalah  kecepatan cahaya.


Teori Bohr adalah langkah maju yang cemerlang. Dua fitur terpentingnya bertahan dalam mekanika kuantum masa kini yaitu (1) keberadaan stasioner, nonradiating state dan (2) hubungan frekuensi radiasi dengan perbedaan energi antara keadaan awal dan akhir dalam transisi. Sebelum temuan Bohr, fisikawan berpikir bahwa frekuensi radiasi akan sama dengan frekuensi rotasi elektron dalam orbit.




Hamburan dari sinar X


Segera para ilmuwan dihadapkan dengan fakta bahwa bentuk radiasi lain, sinar-X, juga menunjukkan sifat gelombang dan partikel. Max von Laue dari Jerman telah menunjukkan pada tahun 1912 bahwa kristal dapat digunakan sebagai grating difraksi tiga dimensi untuk sinar-X; tekniknya merupakan bukti mendasar untuk sifat mirip sinar-X. Atom-atom kristal, yang tersusun dalam kisi-kisi biasa, menyebarkan sinar-X. Untuk arah hamburan tertentu, semua lambang sinar-X bertepatan. (Sinar-X yang tersebar dikatakan dalam fase dan memberikan gangguan konstruktif.) Untuk arah ini, sinar-X yang tersebar sangat kuat. Jelas, fenomena ini menunjukkan perilaku gelombang. Bahkan, mengingat jarak interatomik dalam kristal dan arah interferensi konstruktif, panjang gelombang gelombang dapat dihitung.


Pada tahun 1922, fisikawan Amerika Arthur Holly Compton menunjukkan Sinar-X menyebar dari elektron seolah-olah adalah partikel. Compton melakukan serangkaian percobaan pada hamburan sinar-X monokromatik, berenergi tinggi dengan grafit. Dia menemukan bahwa bagian dari radiasi yang tersebar memiliki panjang gelombang yang sama λ0 seperti sinar-X tetapi ada komponen tambahan dengan panjang gelombang λ yang lebih panjang. Untuk menafsirkan hasilnya, Compton menganggap foton sinar-X sebagai partikel yang bertabrakan dan memantulkan elektron dalam target grafit seolah-olah foton dan elektron itu adalah sepasang bola biliar. Penerapan hukum konservasi energi dan momentum menuju tumbukan mengarah pada hubungan spesifik antara jumlah energi yang ditransfer ke elektron dan sudut hamburan. Untuk sinar-X yang tersebar melalui sudut θ, panjang gelombang λ dan λ0 terkait dengan persamaankomposisi khusus untuk artikel "Mekanika Kuantum". Ketelitian eksperimental rumus Compton adalah bukti langsung untuk perilaku sel radiasi.




Hipotesis gelombang De Broglie


Dihadapkan dengan bukti bahwa radiasi elektromagnetik memiliki karakteristik partikel dan gelombang, Louis-Victor de Broglie dari Perancis mengemukakan hipotesis pemersatu yang hebat pada tahun 1924. De Broglie mengusulkan bahwa materi memiliki sifat sebagai gelombang serta sifat-sifat partikel. Dia menyarankan bahwa partikel material dapat berperilaku sebagai gelombang dan bahwa panjang gelombangnya λ terkait dengan momentum linier p partikel oleh λ = h / p .


Tahun 1927 Clinton Davisson dan Lester Germer dari Amerika Serikat mengonfirmasi hipotesis de Broglie untuk elektron. Dengan menggunakan kristal nikel, mereka mendifraksi berkas elektron monoenergetik dan menunjukkan bahwa panjang gelombang terkait dengan momentum elektron oleh persamaan de Broglie. Sejak penyelidikan Davisson dan Germer, percobaan serupa telah dilakukan dengan atom, molekul, neutron, proton, dan banyak partikel lainnya. Semua berperilaku seperti gelombang dengan hubungan panjang gelombang-momentum yang sama.




Belum ada Komentar untuk "Pengertian Mekanika Kuantum dalam Ilmu Fisika"

Posting Komentar

Iklan Atas Artikel

Iklan Tengah Artikel 1

Iklan Tengah Artikel 2

Iklan Bawah Artikel