Louis de Broglie : Perintis Kuantum Terakhir

Louis de Broglie : Perintis Kuantum Terakhir
Hans J. Wospakrik (Fisika ITB)
Pengantar
Berpulangnya Duc Prinz Louis de Broglie, fisikawan teori Perancis, bulan Maret lalu pada usia 94
tahun, mengakhiri kehadiran perintis teori kuantum yang hidup di tengah kita. Mereka adalah
pendobrak ilmu dengan gagasan-gagasan revolusioner pada awal abad ini yang memberi wajah
baru bagi fisika, guna memahami alam atom yang mini. Ini, pada gilirannya, membuka jalan ke
berbagai temuan teknologi menakjubkan, seperti transistor dan laser, yang tidak diduga
sebelumnya. Untuk mengenang perintis kuantum terakhir ini, tulisan berikut mencoba memberi
gambaran sekilas tentang karya dan biografinya.
Adalah Max Planck (1858-1947), ilmuwan fisika teori Jerman, yang mencetuskan gagasan awal
tentang teori kuantum. Ini lahir dari upayanya untuk menjelaskan teka-teki fisika yang berkaitan
dengan pancaran tenaga (energi) gelombang elektromagnet oleh benda (hitam) panas.
Pemecahannya ia temukan pada 1901 dengan anggapan bahwa "tenaga gelombang
elektromagnet dipancarkan dan diserap bahan dalam bentuk catu-catu tenaga (diskrit) yang
sebanding dengan frekuensi gelombang elektromagnet".
Catu tenaga ini disebutnya kuanta (latin: sekian banyak: kuantum, bentuk tunggalnya). Dengan
demikian, tahun 1901 dicatat sebagai awal bergilirnya bola teori kuantum. Namun, para fisikawan
seangkatannya memandang gagasan Planck ini tidak mempunyai makna fisika yang jauh
melainkan sekadar sebagai suatu kiat matematika belaka.
Empat tahun kemudian, pemuda Albert Einstein (1879-1955) mencatat dirinya sebagai orang
pertama yang menerapkan gagasan Planck lebih jauh dalam fisika. Salah satunya, berkaitan
dengan "efek fotolistrik", yaitu teka-teki terbebaskannya elektron-elektron dari permukaan logam
bila disinari cahaya (gelombang elektromagnet).
Penjelasannya, karena elektron-elektron itu ditumbuk dan ditendang keluar oleh kuanta-kuanta
cahaya yang berperilaku sebagai partikel (zarah). Kuanta cahaya ini disebut Einstein, foton.
Dengan demikian, cahaya (gelombang elektromagnet) yang mulanya dipandang sebagai
gelombang, kini diperlakukan pula sebagai partikel oleh Einstein.
Bahwa foton menumbuk elektron, seperti halnya tumbukan dua bola bilyard, kemudian dibuktikan
dengan percobaan oleh Arthur H. Compton (1892-1962) dari Amerika Serikat pada 1923, yang
mengabadikan namanya dengan peristiwa itu.
Gelombang partikel
Gagasan foton Einstein kemudian diterapkan Louis de Broglie pada 1922, sebelum Compton
membuktikannya, untuk menurunkan Hukum Wien (1896). Ini menyatakan bahwa "bagian tenaga
elektromagnet yang paling banyak dipancarkan benda (hitam) panas adalah yang frekuensinya
sekitar 100 milyar kali suhu mutlak (273 + suhu Celsius) benda itu". Pekerjaan ini ternyata
memberi dampak yang berkesan bagi de Broglie.
Pada musim panas 1923, de Broglie menyatakan, "secara tiba-tiba muncul gagasan untuk
memperluas perilaku rangkap (dual) cahaya mencangkup pula alam partikel". Ia kemudian
memberanikan diri dengan mengemukakan bahwa "partikel, seperti elektron juga berperilaku
sebagai gelombang". Gagasannya ini ia tuangkan dalam tiga makalah ringkas yang diterbitkan
pada 1924; salah satunya dalam jurnal vak fisika Perancis, Comptes Rendus.
Penyajiannya secara terinci dan lebih luas kemudian menjadi bahan tesis doktoralnya yang ia
pertahankan pada November 1924 di Sorbonne, Paris. Tesis ini berangkat dari dua persamaan
yang telah dirumuskan Einstein untuk foton, E=hf dan p=h/. Dalam kedua persamaan ini, perilaku
yang "berkaitan" dengan partikel (energi E dan momentum p) muncul di ruas kiri, sedangkan ruas
kanan dengan gelombang (frekuensi f dan panjang gelombang , baca: lambda). Besaran h
adalah tetapan alam yang ditemukan Planck, tetapan Planck.
Secara tegas, de Broglie mengatakan bahwa hubungan di atas juga berlaku untuk partikel. Ini
merupakan maklumat teori yang melahirkan gelombang partikel atau de Broglie. Untuk partikel,
seperti elektron, momentum p adalah hasilkali massa (sebanding dengan berat) dan lajunya.
Karena itu, panjang gelombang de Broglie berbanding terbalik dengan massa dan laju partikel.
Sebagai contoh, elektron dengan laju 100 cm per detik, panjang gelombangnya sekitar 0,7 mm.
Tantangan
Tesis ini kemudian diterbitkan pada awal 1925 dalam jurnal vak fisika Perancis, Annales de
Physique. Namun, luput dari perhatian para fisikawan. Bahkan, para penguji de Broglie hanya
terkesan dengan penalaran matematikanya tetapi tidak mempercayai segi fisikanya.
Promotornya, Paul Langevin (1872-1946), kemudian mengirimkan satu kopi kepada Einstein di
Berlin, yang ternyata memberi rekasi mendukung. Ia memandangnya lebih daripada permainan
matematika dengan menekankan bahwa gelombang partikel haruslah nyata. Berita ini kemudian
ia teruskan kepada Max Born (1882-1970), fisikawan teori Jerman, di Gottingen.
Born kemudian menanyakan kemungkinan eksperimentalnya kepada James Franck (1882-1964),
rekan sekerjanya, yang memberi tanggapan mendukung dengan menunjuk pada teka-teki hasil
percobaan Clinton J. Davisson (1881-1958) dan asistennya Charles H. Kunsman dari Amerika
Serikat pada 1922 dan 1923. Keduanya mengamati bahwa permukaan logam yang ditembaki
dengan berkas elektron selain memancarkan kembali elektron-elektron dengan tenaga yang
sangat rendah, ternyata ada pula yang memiliki tenaga sama dengan elektron semula.
Teka-teki ini kemudian terjelaskan oleh Walter Elsaser, mahasiswa Born, pada tahun 1925 dalam
sebuah makalah ringkas dengan menggunakan gagasan gelombang de Broglie. Namun sayang,
para fisikawan eksperimen tidak terkesan dengan tafsir ulang ini terhadap data percobaan
mereka - apalagi oleh seorang mahasiswa berusia 21 tahun yang sama sekali belum dikenal.
Dukungan dan hadiah Nobel
Pada tahun 1926 barulah nampak suatu terang! Erwin Schrodinger (1887-1961), fisikawan teori
Austria, merumuskan suatu persamaan matematika yang mengendalikan kelakuan rambatan
gelombang partikel dalam berbagai sistem fisika. Ini sama halnya dengan persamaan gerak
Newton dalam mekanika Newton (klasik) yang mengendalikan kelakuan gerak partikel.
Karya Schrodinger ini melahirkan mekanika baru yang dikenal sebagai mekanika gelombang
atau lazimnya disebut mekanika kuantum. Penerapannya pada struktur atom berhasil
menjelaskan berbagai data pengamatan dengan begitu mengesankan, tanpa dipaksa, sehingga
menyentakkan para fisikawan untuk menerima gagasan de Broglie.
Dukungan berikutnya datang dari Amerika Serikat, oleh Clinton J. Davisson dan Lester H.
Germer (1896 - ?.), yang menerbitkan hasil percobaan mereka pada 1927, bahwa elektron
memang memperlihatkan perilaku gelombang. Bukti yang sama tetapi dengan metode percobaan
yang berbeda juga dilaporkan oleh George P. Thomson (1892-1975) dari Inggris pada waktu itu.
Dukungan bukti-bukti percobaan ini kemudian mengukuhkan penerimaan gelombang partikel
yang diikuti dengan dianugerahkannya hadiah Nobel Fisika (tunggal) 1929 bagi Louis de Broglie.
Suatu penghargaan keilmuan bergengsi yang patut bagi karya ilmiahnya yang begitu
revolusioner.
Duc Prinz Louis de Broglie
Louis Victor Pierre Raymon de Broglie lahir pada 15 Agustus 1892 di Dieppe, Perancis.
Keturunan de Broglie, yang berasal dari Piedmont, Italia barat laut cukup dikenal dalam sejarah
Perancis karena mereka telah melayani raja-raja Perancis baik dalam perang dan jabatan
diplomatik selama beratus tahun.
Pada 1740, Raja Louis XI mengangkat salah satu anggota keluarga de Broglie, Francois Marie
(1671-1745) sebagai Duc (seperti Duke di Inggris), suatu gelar keturunan yang hanya disandang
oleh anggota keluarga tertua. Putra Duc pertama ini ternyata membantu Austria dalam Perang
Tujuh Tahun (1756-1763). Karena itu, Kaisar Perancis I dari Austria menganugerahkan gelar
Prinz yang berhak disandang seluruh anggota keluarga de Broglie.
Dengan meninggalnya saudara tertua Louis, Maurice, juga fisikawan (eksperimen), pada 1960,
maka Louis serempak menjadi Duc Perancis (ke-7) dan Prinz Austria.
Louis mulanya belajar pada Lycee Janson de Sailly di Paris dan memperoleh gelar dalam sejarah
pada 1909. Ia menjadi tertarik pada ilmu pengetahuan alam karena katanya, "terpengaruh oleh
filsafat dan buku-buku Henry Poincare (1854-1912)", matematikawan besar Perancis.
Pada 1910, Louis memasuki Universitas Paris untuk menyalurkan minatnya dalam ilmu
pengetahuan. Tahun 1913 ia peroleh licence dalam ilmu pengetahuan dari Faculte des Sciences.
Studinya kemudian terputus karena berkecamuknya Perang Dunia I. Barulah pada usia 32, Louis
meraih gelar doktornya dalam fisika teori dengan tesis tentang gelombang partikel di atas. Ia
kemudian memulai karier mengajarnya di Universitas Paris dan Institut Henry Poincare pada
1928.
Atom untuk perdamaian
Pada 1945, Louis dan kakaknya Maurice diangkat sebagai anggota dewan Komisi Tinggi Tenaga
Atom Perancis. Mereka menaruh perhatian besar pada pengembangan tenaga atom untuk tujuan
damai dan mempererat pertalian antara ilmu dan industri.
Hingga akhir hidupnya, Louis de Broglie menjabat sebagai sekretaris tetap pada Akademi Ilmu
Pengetahuan Perancis. Dalam jabatannya ini ia tetap mendesak badan tersebut
mempertimbangkan secara mendalam berbagai akibat berbahaya dari ledakan bom hidrogen
(termonuklir).
Perhatiannya yang begitu besar terhadap ilmu pengetahuan dan perdamaian membuat ia patut
dikenang oleh setiap pecinta ilmu dan perdamaian!
Sumber : Kompas (8 Juli 1987)
Copyright: http://www.fisikanet.lipi.go.id/
» kirim ke teman
» versi cetak
revisi terakhir : 15 Maret 2005