It's Science Time, Halo Sobat100 sudah lama sepertinya tim100 tidak menulis artikel tentang sains. Well, sebelumnya tim100 ucapkan selamat terlebih dahulu bagi para pemenang hadiah Nobel yang sudah diumumkan tanggal 4 hingga 11 Oktober kemarin. Ok menjawab request dari salah satu sobat100, kali ini tim100 mencoba membahas salah satu topik di materi Fisika Kuantum. Mohon koreksinya apabila ada kesalahan karena ini sebenarnya materi kuliah untuk mahasiswa S1 atau mungkin S2. So, let's check this out ya

FISIKA KLASIK

Sebagai awalan, sobat100 mungkin sudah terbiasa mengukur atau mengamati objek yang berukuran makroskopik. Ukuran makroskopik di sini maksudnya adalah objek yang bisa dilihat dengan mata kita, bisa disentuh oleh indera kita. Sebagai contoh apabila ada sepeda motor atau sobat100 menaiki sepeda yang sudah diketahui massa nya , misal nilai nya m = 100 kg mula - mula diam lalu bergerak dengan kecepatan 36 km/jam ( v = 10 m/s ) dalam waktu 10 detik (Δt = 10 s). Dengan mudah kita bisa menghitung atau mengukur besaran fisis seperti

Percepatan

\(a=\frac{\Delta v}{\Delta t}\\ a=\frac{v-v_0}{\Delta t}\\ a=\frac{10-0}{10}\\ a=1\ \text{m/s}^2\) 

Gaya

\(F=m\ . \ a\\ F=100\times 1\\ F=100 \ \text{N}\)

Momentum akhir

\(p=m\ . \ v\\ p=100\times 10\\ p=1000 \ \text{kg m/s}\)

Energi Kinetik akhir

\(EK=\frac{1}{2}\ m\ . \ v^2\\ EK=\frac{1}{2}\times 100\times 10^2\\ EK=5000 \ \text{J}\)

OK kita dapat banyak besaran fisis dari sepenggal informasi di atas. Ya itu tadi untuk objek yang berukuran makro. Lantas bagaimana kita mengukur besaran fisis jika objek nya sangat kecil sekali, saking kecilnya bahkan tidak kelihatan meskipun kita amati menggunakan mikroskop sekalipun.

Fisika Kuantum

Saat objek (katakanlah partikel) yang kita amati ukurannya sangat kecil sekali, dalam Fisika kita masuk ke dunia kuantum. Sebagai gambaran dunia kuantum agar tidak terlalu abstrak mungkin ada baiknya sobat100 menonton film Antman terlebih dahulu. Jika kita artikan Ant = semut, kajian dari fisika kuantum bahkan jauh lebih kecil dari ukuran semut.

Sebagai contoh objek kuantum adalah elektron. Elektron pertama kali ditemukan oleh Sir J.J. Thomson melalui percobaan sinar katoda pada tahun 1897. Atas prestasinya ini J.J. Thomson dianugerahi hadiah Nobel pada bidang Fisika pada tahun 1906.[1] 


Gambar 1. Model Atom Roti Kismis oleh J.J. Thomson.

Atas penemuannya ini J.J. Thomson mengusulkan suatu teori sebuah pemodelan yang dikenal dengan Model Atom Roti Kismis. Menurut J.J. Thomson elektron tersebar secara merata dalam suatu atom dan bermuatan negatif. Lalu dalam atom juga ada bagian yang bermuatan positif agar atom bersifat netral. 

Atom

Jauh sebelum penemuan elektron oleh Thomson, saintis beranggapan bahwa atom adalah materi berukuran paling kecil dan tak bisa dibagi-bagi lagi meskipun melalui serangkaian percobaan kimia. Teori atom ini dikemukakan oleh John Dalton pada tahun 1808.[2]  

Poin utama dari teori atom Dalton, yang akhirnya berkembang, adalah:

  1. Unsur terbuat dari partikel yang sangat kecil yang disebut atom .
  2. Atom dari unsur tertentu identik dalam ukuran, massa, dan sifat lainnya; atom dari unsur yang berbeda berbeda dalam ukuran, massa dan sifat lainnya.
  3. Atom tidak dapat dibagi lagi, dibuat atau dihancurkan.
  4. Atom dari unsur yang berbeda bergabung dalam rasio bilangan bulat sederhana untuk membentuk senyawa kimia .
  5. Dalam reaksi kimia , atom digabungkan, dipisahkan atau disusun ulang.


Gambar 2. Berbagai atom dan molekul seperti yang digambarkan dalam A New System of Chemical Philosophy (1808) karya John Dalton.[2]

Objek Kuantum itu Tidak Pasti

Kembali ke objek kuantum, elektron yang disebutkan sebelumnya merupakan salah satu contoh partikel subatomik. Dalam dunia Fisika Partikel, elektron adalah salah satu contoh keluarga Lepton yang memiliki spin ½, bermassa sekitar 1 per 1850 kali massa proton. Elektron adalah partikel yang sangat kecil bahkan ukurannya berkisar pada orde 10-15 m (sekitar 2,8 fm).[3]

Karena ukurannya yang sangat kecil sekali, ketika kita mengamati objek kuantum, kita tidak bisa serta merta mengukur nya atau menghitung besaran fisis nya. Saat kita melakukan pengukuran secara langsung terhadap objek kuantum yang terjadi adalah kita akan mengganggu objek kuantum tersebut sehingga data yang kita perlu bukanlah nilai yang sebenarnya.

Silakan sobat100 pelajari prinsip Ketidakpastian Heisenberg. Werner Heisenberg mengemukakan suatu gagasan yang cukup mendasar dalam fisika Kuantum. Gagasannya tentang prinsip Ketidakpastian dalam Mekanika Kuantum ini dipublikasikan pada tahun 1927. Atas kontribusinya dalam Fisika Kuantum membuat Heisenberg menerima Hadial Nobel pada tahun 1932.[4]

Heisenberg menyatakan bahwa :
Saat kita bisa mendapatkan dengan pasti kecepatan v dari suatu objek kuantum pada saat itu kita tidak bisa menentukan dengan pasti di mana letak objek tersebut sebenarnya x. Atau sebaliknya, saat kita bisa menentukan lokasi objek kuantum, kita malah tidak bisa memastikan berapa kecepatannya. Dalam case ini Heisenberg memformulakan

\(\Delta p \ . \Delta x\leq \frac{\hbar}{2}\)

Case berikutnya, saat kita bisa mendapatkan dengan pasti Energi E dari suatu objek kuantum pada saat itu kita tidak bisa menentukan dengan pasti kapan nilai tersebut sebenarnya diperoleh t. Atau sebaliknya, saat kita bisa menentukan waktu pengukuran objek kuantum, kita malah tidak bisa memastikan berapa energinya. Di case ini Heisenberg memformulakan

\(\Delta E \ . \Delta t\leq \frac{\hbar}{2}\)

Mengatasi kepelikan ini fisikawan biasanya menggunakan apa yang kita kenal dengan istilah operator untuk mengukur besaran fisis objek kuantum. Secara umum operator dalam fisika disimbolkan dengan tanda topi di atas (hat), contoh : \(\hat{O}\).

Ada banyak macam operator antara lain :

  • operator posisi : \(\hat{x}\)
  • operator Energi Potensial : \(\hat{V}\)
  • operator momentum : \(\hat{p}=-i\ \hbar\ \nabla\)
  • operator Energi Kinetik : \(\hat{T}=\frac{\hat{p}^2}{2m}=-\ \frac{\hbar^2}{2m}\ \nabla^2\)
  • dan masih banyak lagi

Secara matematis operator juga bisa dinyatakan dalam bentuk matriks, berikut ini contohnya :

Fungsi Gelombang

Saat mengamati partikel dalam ranah kuantum, di sini berlaku dualisme partikel-gelombang. Hipotesa ini digagas oleh Louis de Broglie pada 1924 dalam Tesis PhD nya. Menurut de Broglie, saat objek yang kita amati sangat kecil sekali, objek kuantum ini akan memiliki sifat sebagai partikel dan sifat sebagai gelombang sekaligus.

Contoh yang pasti adalah percobaan interferensi Young. Saat sobat100 mengarahkan sumber cahaya ke suatu celah ganda, maka cahaya yang lewat akan mengalami peristiwa interferensi. Atas kontribusinya ini de Broglie dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1929. Secara eksperimen Hipotesa de Broglie dapat dibuktikan pertama kali pada tahun 1927.[5]

Saat pertama kali dilakukan, eksperimen ini menjadi pertanyaan besar bagi para fisikawan. Sebab sebelumnya di awal tahun 1900an Max Planck telah membuat teori bahwa satu satuan cahaya sebagai partikel yang merupakan kuantisasi paket - paket energi. Istilah kuantisasi yang dipakai Max Planck ini kemudian menjadi istilah kuantum saat ini (sebab dalam bahasa Jerman untuk singular digunakan istilah quanta apabila jamak menggunakan istilah quantum).

Teori Kuantum oleh Planck ini menjadi jawaban atas permasalahan yang dihadapi para fisikawan mengenai Radiasi Benda Hitam. Atas kontribusinya ini Planck dianugerahi hadiah Nobel pada tahun 1918.[6]

Dengan adanya hipotesa de Broglie mengenai dualisme partikel-gelombang kemudian merevolusi pemodelan tentang atom yang sebelumnya digagas oleh Niels Bohr. Bekerja sama dengan Rutherford , Bohr membuat suatu pemodelan atom pada tahun 1913.[7] Atas karya nya ini Bohr dianugerahi hadiah Nobel pada tahun 1922. 


Gambar 3. Model Atom Bohr, elektron mengelilingi inti dan mengisi kulit - kulit tertentu yang mana jumlah maksimal elektron pada setiap kulit adalah 2 n2. 

Model atom Bohr sebenarnya memperbaiki model atom yang sebelumnya digagas oleh Ernst Rutherford pada 1911. Rutherford membuat suatu pemodelan atom setelah percobaan hamburan sinar alfa yang dilakukan oleh mahasiswanya Hans Geiger and Ernest Marsden pada tahun 1909. Rutherford sendiri menerima hadiah Nobel di bidang kimia pada tahun 1908.[8]


Gambar 4. Model Atom Rutherford, elektron digambarkan mengelilingi inti seperti planet yang mengelilingi matahari dalam tata surya.

(catatan : Model Atom Rutherford memperbaiki model atom yang sebelumnya diusulkan oleh J.J. Thomson pada 1897).

Kini ketika kita membahas elektron dalam atom kita tidak bisa memastikan lokasi pastinya melainkan hanya kebolehjadian (probabilitas). Posisi elektron dalam atom selanjutnya dinyatakan dalam fungsi gelombang Ψ.

Secara singkat sudah disinggung sebelumnya tentang operator, dualisme partikel-gelombang dan fungsi gelombang. Fisika Kuantum saat awal abad 20 berkembang dari tahun ke tahun. Bahkan para fisikawan dari penjuru dunia sering berkumpul dalam suatu forum yang diadakan oleh Industrialis asal Belgia yang bernama Ernst Solvay. Konferensi Solvay pertama kali diselenggarakan pada tahun 1911.

Pada konferensi yang ke-5 di tahun 1927 banyak sekali para fisikawan yang hadir. Konferensi kali ini cukup krusial karena semakin berkembangnya dunia Fisika Kuantum. Terutama setelah Erwin Schrödinger hadir memformulakan penggambaran elektron dalam atom pada tahun 1925. Atas kontribusinya dalam Fisika Kuantum, Schrödinger menerima hadiah Nobel di bidang Fisika pada tahun 1933.[9]

Penjelasan visual mengenai objek Kuantum bisa Sobat100 lihat di video berikut ini 

Untuk persamaan Matematis Fungsi Gelombang silakan baca : Fungsi Gelombang Atom 

 

Daftar Pustaka

  1. ^ J.J. Thomson - Biographical. The Nobel Prize in Physics 1906. The Nobel Foundation.
  2. a, b Levere, Trevor (2001). Transforming Matter: A History of Chemistry from Alchemy to the Buckyball. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press. pp. 84–86.
  3. ^ Haken, H.; Wolf, H.C.; Brewer, W.D. (2005). The Physics of Atoms and Quanta: Introduction to Experiments and Theory. Springer. p. 70.
  4. ^ Werner Heisenberg on Nobelprize.org Edit this at Wikidata This source explains that Heisenberg actually received his Nobel Prize for 1932 one year later, in 1933.
  5. ^ The final pilot-wave model was presented in Solvay Conferences and later published, in "Ondes et mouvements" of 1926.
  6. ^ The Nobel Prize in Physics 1918 Archived 5 September 2015 at the Wayback Machine. Nobelprize.org.
  7. ^ Niels Bohr (1913). "On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I". Philosophical Magazine. 26 (151): 1–24. 
  8. ^ Ernest Rutherford – Biography. NobelPrize.org.
  9. ^ Heitler, W. (1961). Erwin Schrodinger. 1887 - 1961;. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. 7: 221 - 226.