Mekanika Kuantum: Pendahuluan

mildisrup.com,Jika gambar di atas adalah ide Anda tentang atom, dengan elektron yang melingkar di sekitar nukleus, Anda sudah ketinggalan 70 tahun. Saatnya membuka mata Anda ke dunia modern mekanika kuantum! Gambar di bawah ini menunjukkan beberapa plot di mana Anda kemungkinan besar akan menemukan elektron dalam atom hidrogen (nukleus berada di pusat setiap plot).


 

Apa itu mekanika kuantum?

Sederhananya, mekanika kuantum adalah studi tentang materi dan radiasi pada tingkat atom.

Mengapa mekanika kuantum dikembangkan?

Pada awal abad ke-20 beberapa eksperimen menghasilkan hasil yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik (ilmu yang dikembangkan oleh Galileo Galilei, Isaac Newton, dll). Sebagai contoh, diketahui bahwa elektron mengorbit inti atom. Namun, jika mereka melakukannya dengan cara yang menyerupai planet yang mengorbit matahari, fisika klasik meramalkan bahwa elektron akan berputar dan menabrak inti dalam sepersekian detik. Jelas itu tidak terjadi, atau kehidupan seperti yang kita tahu tidak akan ada. (Kimia tergantung pada interaksi elektron dalam atom, dan kehidupan tergantung pada kimia). Prediksi yang salah itu, bersama dengan beberapa eksperimen lain yang tidak bisa dijelaskan oleh fisika klasik, menunjukkan kepada para ilmuwan bahwa sesuatu yang baru diperlukan untuk menjelaskan sains di tingkat atom.

 Jika fisika klasik salah, mengapa kita masih menggunakannya?

Fisika klasik adalah teori cacat, tetapi hanya cacat dramatis ketika berhadapan dengan sangat kecil (ukuran atom, di mana mekanika kuantum digunakan) atau sangat cepat (mendekati kecepatan cahaya, di mana relativitas mengambil alih). Untuk hal-hal sehari-hari, yang jauh lebih besar dari atom dan lebih lambat dari kecepatan cahaya, fisika klasik melakukan pekerjaan yang sangat baik. Plus, ini jauh lebih mudah digunakan daripada mekanika kuantum atau relativitas (masing-masing membutuhkan matematika dalam jumlah besar).

 Apa pentingnya mekanika kuantum?

Berikut ini adalah beberapa hal terpenting yang dapat dijelaskan oleh mekanika kuantum sementara fisika klasik tidak dapat:


Diskresi energi

Dualitas gelombang-partikel cahaya dan materi

Penerowongan kuantum

Prinsip ketidakpastian Heisenberg

Spin sebuah partikel

Diskresi energi

Jika Anda melihat spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom-atom energik (seperti cahaya oranye-kuning dari lampu jalan natrium uap, atau cahaya biru-putih dari lampu uap merkuri), Anda akan melihat bahwa itu terdiri dari garis-garis individual dari berbagai warna . Garis-garis ini mewakili tingkat energi diskrit elektron dalam atom-atom tereksitasi. Ketika sebuah elektron dalam keadaan energi tinggi melompat turun ke yang lebih rendah, atom memancarkan foton cahaya yang sesuai dengan perbedaan energi yang tepat dari kedua tingkat (konservasi energi). Semakin besar perbedaan energi, semakin energik fotonnya, dan semakin dekat warnanya ke ujung ungu spektrum. Jika elektron tidak terbatas pada tingkat energi diskrit, spektrum dari atom tereksitasi akan menjadi penyebaran warna terus menerus dari merah ke ungu tanpa garis individu.

Konsep tingkat energi diskrit dapat ditunjukkan dengan bola lampu 3 arah. Bohlam 40/75/115 watt hanya dapat menyinari tiga watt tersebut, dan ketika Anda beralih dari satu pengaturan ke pengaturan berikutnya, daya akan segera melompat ke pengaturan baru alih-alih secara bertahap meningkat.

Adalah fakta bahwa elektron hanya dapat ada pada tingkat energi diskrit yang mencegahnya berputar ke dalam nukleus, seperti yang diprediksi oleh fisika klasik. Dan kuantisasi energi ini, bersama dengan beberapa sifat atom lainnya yang dikuantisasi, yang memberi nama mekanika kuantum.

 Dualitas gelombang-partikel cahaya dan materi

Pada 1690 Christiaan Huygens berteori bahwa cahaya terdiri dari gelombang, sedangkan pada 1704 Isaac Newton menjelaskan bahwa cahaya terbuat dari partikel kecil. Eksperimen mendukung masing-masing teorinya. Namun, baik teori partikel sepenuhnya maupun teori gelombang sepenuhnya tidak bisa menjelaskan semua fenomena yang terkait dengan cahaya! Jadi para ilmuwan mulai menganggap cahaya sebagai partikel dan gelombang. Pada tahun 1923 Louis de Broglie berhipotesis bahwa partikel material juga dapat menunjukkan sifat mirip gelombang, dan pada tahun 1927 ditunjukkan (oleh Davisson dan Germer) bahwa elektron memang dapat berperilaku seperti gelombang.

Bagaimana bisa sesuatu menjadi partikel dan sekaligus gelombang? Untuk satu hal, adalah salah untuk menganggap cahaya sebagai aliran partikel yang bergerak naik turun dengan cara yang mirip gelombang. Sebenarnya, cahaya dan materi ada sebagai partikel; apa yang berperilaku seperti gelombang adalah probabilitas di mana partikel itu akan berada. Alasan mengapa kadang-kadang cahaya tampak bertindak sebagai gelombang adalah karena kita memperhatikan akumulasi banyak partikel cahaya yang terdistribusi di atas probabilitas di mana masing-masing partikel dapat berada.

Sebagai contoh, misalkan kita memiliki mesin pelontar panah yang memiliki peluang 5% mengenai mata sapi jantan dan 95% peluang mengenai cincin luar dan tidak ada peluang mengenai tempat lain mana pun di papan panah. Sekarang, misalkan kita membiarkan mesin melempar 100 anak panah, menjaga semuanya tertahan di papan tulis. Kita dapat melihat setiap anak panah (sehingga kita tahu mereka berperilaku seperti sebuah partikel) tetapi kita juga dapat melihat pola di papan cincin anak panah besar yang mengelilingi sebuah kelompok kecil di tengahnya. Pola ini adalah akumulasi dari masing-masing anak panah atas probabilitas di mana setiap anak panah bisa mendarat, dan mewakili perilaku 'seperti gelombang' dari anak panah. Mendapatkan?

 Penerowongan kuantum

Ini adalah salah satu fenomena paling menarik untuk muncul dari mekanika kuantum; tanpanya chip komputer tidak akan ada, dan komputer 'pribadi' mungkin akan mengambil seluruh ruangan. Seperti yang dinyatakan di atas, gelombang menentukan probabilitas di mana partikel akan berada. Ketika gelombang probabilitas bertemu dengan penghalang energi, sebagian besar gelombang akan dipantulkan kembali, tetapi sebagian kecil dari itu akan 'bocor' ke penghalang. Jika penghalang cukup kecil, gelombang yang bocor akan berlanjut di sisi yang lain. Meskipun partikel tidak memiliki energi yang cukup untuk melewati penghalang, masih ada kemungkinan kecil bahwa ia dapat 'menembus' melalui itu!

Katakanlah Anda melempar bola karet ke dinding. Anda tahu Anda tidak memiliki energi yang cukup untuk melemparkannya ke dinding, jadi Anda selalu mengharapkannya untuk bangkit kembali. Mekanika kuantum, bagaimanapun, mengatakan bahwa ada kemungkinan kecil bahwa bola bisa menembus dinding (tanpa merusak dinding) dan melanjutkan pelariannya di sisi lain! Namun, dengan sesuatu yang sebesar bola karet, kemungkinan itu sangat kecil sehingga Anda bisa melempar bola selama milyaran tahun dan tidak pernah melihatnya menembus dinding. Tetapi dengan sesuatu yang sekecil elektron, penerowongan adalah kejadian sehari-hari.

Di sisi lain dari tunneling, ketika sebuah partikel menghadapi penurunan energi ada kemungkinan kecil bahwa itu akan tercermin. Dengan kata lain, jika Anda melempar marmer dari meja datar, ada kemungkinan kecil bahwa ketika marmer mencapai ujungnya, ia akan memantul ke belakang, bukannya jatuh ke lantai! Sekali lagi, untuk sesuatu yang sebesar marmer Anda mungkin tidak akan pernah melihat sesuatu seperti itu terjadi, tetapi untuk foton (partikel cahaya tanpa massa) itu adalah kejadian yang sangat nyata.

 Prinsip ketidakpastian Heisenberg

Orang-orang terbiasa mengukur benda-benda di dunia makroskopis di sekitar mereka. Seseorang menarik meteran dan menentukan panjang meja. Seorang polisi negara bagian mengarahkan pistol radarnya ke sebuah mobil dan tahu ke arah mana mobil itu melaju, juga seberapa cepat. Mereka mendapatkan informasi yang mereka inginkan dan tidak khawatir apakah pengukuran itu sendiri telah mengubah apa yang mereka ukur. Lagi pula, apa yang akan masuk akal dalam menentukan bahwa sebuah meja memiliki panjang 80 cm jika tindakan mengukurnya mengubah panjangnya!

Pada skala atom mekanika kuantum, pengukuran menjadi proses yang sangat rumit. Katakanlah Anda ingin mengetahui di mana elektron berada dan ke mana ia pergi (polisi itu memiliki perasaan bahwa elektron yang ia tangkap akan bergerak lebih cepat daripada batas kecepatan lokal). Bagaimana Anda melakukannya? Dapatkan kaca pembesar berdaya super tinggi dan mencarinya? Tindakan melihat sangat tergantung pada cahaya, yang terbuat dari foton, dan foton-foton ini dapat memiliki momentum yang cukup sehingga setelah mereka mengenai elektron mereka akan mengubah arahnya! Ini seperti menggulung bola biliar melintasi meja biliar dan mencoba menemukan ke mana bola itu bergerak dengan memantulkan bola 8-bola; dengan melakukan pengukuran dengan 8-bola Anda tentu saja mengubah arah bola isyarat. Anda mungkin telah menemukan di mana bola isyarat itu berada, tetapi sekarang tidak tahu ke mana bola isinya (karena Anda mengukur dengan 8-bola bukannya benar-benar melihat ke meja).

This Artikel can read in English Language in this link = https://www.mildisrup.com/2019/08/quantum-mechanic-intro.html