Pengantar mekanika kuantum
Mekanika
kuantum adalah sains benda sangat kecil. Ilmu ini mempelajari sifat zat dan interaksinya
dengan energi pada
skala atom dan partikel subatomik.
Kebalikannya, fisika klasik hanya
menjelaskan zat dan energi pada skala yang familiar dengan manusia, termasuk
perilaku benda astronomi seperti Bulan. Fisika klasik masih banya digunakan
pada sains dan teknologi modern. Namun, di akhir abad ke-19, para ilmuwan menemukan
fenomena pada benda besar berskala makro dan benda kecil
(mikro) yang fisika klasik tidak dapat menjelaskannya. Akibat keterbatasan ini
muncullah 2 revolusi besar pada bidang fisika yang menyebabkan perubahan
paradigma sains pada awalnya: teori
relativitas dan pengembangan mekanika kuantum. Artikel ini
menjelaskan bagaimana fisikawan menemukan keterbatasan fisika klasik dan
menjelaskan konsep utama teori kuantum yang menggantikannya di awal abad ke-20.
Konsep ini dijelaskan dengan urutan kapan pertama kali ditemukan. Untuk sejarah
yang lebih jelas mengenai subjek-subjeknya, lihat Sejarah
mekanika kuantum.
Cahaya
berperilaku dalam beberapa hal seperti partikel dan dalam hal lain seperti
gelombang. Zat - partikel seperti elektron dan atom - juga berperilaku seperti gelombang juga.
Beberapa sumber cahaya, seperti lampu neon, hanya
melepaskan beberapa frekuensi cahaya tertentu. Mekanika kuantum menunjukkan
bahwa cahaya, seperti bentuk radiasi elektromagnetik lainnya,
berbentuk satuan diskret, disebut foton, dan memprediksi
energinya, warnanya, dan intensitas spektrumnya.
Karena belum pernah ada yang meneliti lebih kecil dari foton, sebuah foton
disebut kuantum, atau jumlah
paling kecil yang dapat diamati, medan elektromagnetiknya. Lebih luasnya,
mekanika kuantum menunjukkan bahwa banyak besaran, seperti momentum
sudut yang terlihat kontinu pada penglihatan skala besar (zoom-out)
di mekanika klasik, akan menjadi kuantisasi (pada skala kecil
mekanika kuantum). Momentum sudut membutuhkan sekelompok nilai diskret yang
diijinkan, dan karena jarak antara nilai ini sangat kecil, maka
diskontinuitasnya hanya terlihat pada skala atomik.
Banyak
aspek mekanika kuantum yang tidak sejalan dengan intuisi dan terlihat paradoks,
karena ilmu ini menjelaskan perilaku yang agak berbeda dari seseatu yang
terlihat pada skala yang lebih besar. Menurut fisikawan kuantum Richard
Feynman, mekanika kuantum mempelajari "alam sebagai Perempuan–
absurd".Contohnya, prinsip ketidak pastian mekanika kuantum
berarti semakin dekat seseorang berpikir pada satu pengukuran (seperti posisi
sebuah partikel), maka pengukuran yang lain (seperti momentumnya)
akan semakin tidak akurat.
Teori kuantum
pertama: Max Planck dan radiasi benda-hitam
Radiasi
termal adalah radiasi elektromagnetik yang dilepaskan dari
permukaan suatu benda akibat energi dalam benda tersebut. Jika suatu objek
dipanaskan cukup, maka ia akan melepaskan cahaya pada ujung merah spektrum.
Pemanasan
lebih lanjut akan menyebabkan perubahan warna dari merah menjadi kuning, putih,
dan biru, karena cahaya pada panjang gelombang lebih pendek (frekuensi tinggi)
mulai dilepaskan. Pelepas (emitter) yang sempurna juga penyerap (absorber) yang
sempurna: dalam keadaan dingin, benda tersebut akan berwarna hitam sempurna,
karena ia menyerap semua cahaya yang masuk dan sama sekali tidak melepas. maka
dari itu, pelepas termal ideal disebut dengan benda hitam,
dan radiasi yang dilepas disebut radiasi benda-hitam.
Pada
akhir abad ke-19, radiasi termal telah cukup diketahui sifatnya secara
eksperimen. Namun, fisika klasik yang diwakili Hukum Rayleigh-Jeans,
seperti pada gambar, hasilnya sesuai dengan hasil eksperimen pada frekuensi
rendah, namun kacau pada frekuensi tinggi. Fisikawan mencari sebuah teori yang
dapat memenuhi semua hasil eksperimen.
Model
pertama yang dapat menjelaskan keseluruhan spektrum radiasi termal diajukan
oleh Max Planck tahun
1900. Ia menjelaskan model matematis dimana radiasi termal berada dalam
kesetimbangan dengan sekelompok osilator harmonik. Untuk
mendapat hasil eksperimen, ia mengasumsikan bahwa tiap osilator menghasilkan
sejumlah angka satuan energi pada frekuensi karakteristik tunggal, bukan
melepas energi sembarangan. Dengan kata lain, energi yang dilepas oleh
osilator dikuantisasi. Kuantum energi untuk
tiap osilator, menurut Planck, berbanding lurus dengan frekuensi osilator;
konstanta ini sekarang dikenal dengan konstanta
Planck. Konstanta Planck, biasanya dituliskan dengan lambang h,
memiliki nilai 6,63×10−34 J s. Maka, energi E sebuah
osilator dengan frekuensi sebesar f dapat dituliskan sebagai
Untuk
mengubah warna benda beradiasi, penting untuk mengubah temperaturnya. Hukum Planck menjelaskan
mengapa: meningkatkan temperatur benda memungkinkannya untuk melepas lebih
banyak energi keseluruham, dan berarti semakin besar proporsi energi menuju
ujung ungu dari spektrum.
Hukum Planck adalah
teori kuantum pertama dalam fisika, dan Planck memenangkan Hadiah Nobel tahun
1918 berkat "pengabdiannya pada kemajuan ilmu Fisika dengan penemuan
kuanta energi".Pada waktu itu, Planck hanya berpandangan bahwa kuantisasi
hanya murni konstruksi heuristik matematika, yang saat ini dipercaya mengubah
pandangan kita terhadap dunia.
Pengembangan
mekanika kuantum modern
Pada
tahun 1925, Werner Heisenberg mencoba untuk
menyelesaikan salah satu masalah yang tidak terjawab oleh model Bohr,
menjelaskan intensitas beda garis pada spektrum emisi hidrogen. Melalui
serangkaian analogi matematika, ia menulis analogi mekanika kuantum untuk
komputasi intensitas klasik. Tidak lama kemudian, kawan Heisenberg
yaitu Max Born menyadari
bahwa metode Heisenberg dalam menghitung kemungkinan transisi antara beda
tingkat energi dapat dinyatakan dengan menggunakan konsep matematika matriks.
Pada
tahun yang sama, dengan dasar dari hipotesis de Broglie, Erwin Schrödinger mengembangkan persamaan
yang menjelaskan perilaku gelombang mekanika kuantum. Model matematika ini,
disebut dengan Persamaan Schrödinger, adalah inti dari
mekanika kuantum, menjelaskana keadaan diam yang diperbolehkan pada suatu
sistem kuantum, dan menjelaskan bagaimana keadaan kuantum suatu sistem fisik
berubah terhadap waktu. Gelombangnya sendiri dijelaskan dengan fungsi
matematika yang dikenal dengan "fungsi gelombang".
Schrödinger mengatakan bahwa fungsi gelombang memberikan "prediksi
kemungkinan hasil pengukuran".
Schrodinger
dapat menghitung tingkat energi hidrogen dengan memperlakukan elektron atom
hidrogen sebagai gelombang klasik, berpindah dalam sebuah sumur potensial
listrik yang dibuat proton. Perhitungan ini secara akurat menghitung tingkat
energi model Bohr.
Bulan
Mei 1926, Schrödinger membuktikan bahwa mekanika matriks Heisenberg
dan mekanika gelombang miliknya
menghasilkan prediksi yang sama tentang karakteristik dan perilaku elektron;
secara matematis, kedua teori memiliki bentuk umum. Namun kedua orang ini tidak
setuju pada interpretasi teori lawan masing-masing. Contohnya, Heisenberg
menerima prediksi teoretis tentang lompatan elektron antara orbital dalam atom,
namun Schrödinger berharap bahwa teori berbasis properti seperti-gelombang
kontinu dapat menghindari apa yang ia sebut (dikatakan ulang oleh Wilhelm Wien)
"lompatan kuantum yang tidak masuk akal."
TUGAS SOFTSKILL
Nama : Hirma Nurifia
NPM : 55414005
Kelas : 4IA17
UNIVERSITAS GUNADARMA
TUGAS SOFTSKILL
Nama : Hirma Nurifia
NPM : 55414005
Kelas : 4IA17
UNIVERSITAS GUNADARMA
