Sejarah Teori Kuantum - Pendidikan Fisika UAD
advertisement
23/08/2011 UNIVERSITAS AHMAD DAHLAN Pendidikan Fisika http://pf.uad.ac.id Sejarah Teori Kuantum Kuliah Sejarah Fisika Rachmad Resmiyanto http://rachmadresmi.staff.uad.ac.id 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 2 1 23/08/2011 Model Bohr ternyata bungkam ketika spektrum garis-garis lain ditemukan. Arnold Sommerfeld (1868-1951) teoretikus besar dari Munich, menyempurnakan orbit elips. Meski PD I, ia tetap mengirimkan tulisannya dari Munich ke Copenhagen. Model Bohr-Sommerfeld sukses menjelaskan Efek Zeeman (diamati 1894). Bil. Kuantum n, k, m. (ukuran orbit, bentuk orbit, arah orbit) 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 3 Ternyata ada lebih banyak garis karena medan magnet. Kalng kabut lagi. Anomali Efek Zeeman. 1924-1925 Wolfgang Pauli (1900-1958, murid Sommerfeld), teoretikus Swiss sukses menyelesaikannya: bil. Kuantum spin. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 4 2 23/08/2011 Teka-teki awal struktur atom mengapa tidak semua eektron jatuh ke tingkat dasar, dijawab oleh Pauli. “tiap keadaan atom (himp 3 bil kuantum n,k,m) mengandung 2 elektron yg masing-masing memiliki orbit sendiri.” Nama yg indah buat ini: kuantisasi ruang. Prinsip Larangan Pauli (1925) Tabel Periodik Unsur dapat dijelaskan 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 5 Konsep spin dua-nilai ala Pauli Prinsip Larangan Pauli (1925) Tiap keadaan kuantum dalam atom hanya dibatasi 1 elektron. Jadi ada 4 bil kuantum dengan 2 nilai spin untuk tiap tingkat energi. Jika suatu keadaan sudah tercapai, elektron berikutnya harus mencapai tingkat energi di attasnya yg kosong, dari energi terendah sampai tertinggi. Inilah sebabnya mengapa atom tidak selalu jatuh ke tingkat dasar dan bisa memberikan karakteristik struktur tiap-tiap unsur. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 6 3 23/08/2011 Dengan prinsip Pauli yg sangat sederhana ini, semua keadaan kuantum atom bisa direka dan bentuk tabel periodik unsur bisa dipahami. Tabel Periodik Mendeleyev Dimitri Mendeleyev tahun 1890-an, ilmuwan Rusia (1834-1907) 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 7 Dualitas Gelombang-Partikel Sampai titik ini para fisikawan meyakini bahwa elektron adalah partikel. Dan kita akan menuju pada sebuah pandangan baru tentang elektron dalam atom 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 8 4 23/08/2011 Dualitas Gelombang-Partikel Perdebatan gelombang-partikel: Isaac Newton (Inggris): “Cahaya itu terdiri dari partikel-partikel yg saya sebut sebagai corpuscles” Christian Huygens (Belanda,1629-1695): “Cahaya itu terdiri dari gelombang-gelombang. Teori gelombang cahaya saya memberikan hasil yg benar untuk pemantulan, pembiasan, difraksi, interferensi ” 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 9 Dualitas Gelombang-Partikel denyut Superposisi (sifat khas gelombang) Gelombang periodik 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 10 5 23/08/2011 Dualitas Gelombang-Partikel Interferensi destruktif: selisih lintasan tepat separo panjang gelombang Interferensi konstruktif: selisih lintasan tepat satu panjang gelombang Gambar interferensi Young yg asli, 1801 Thomas Young (1773-1829) 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 11 Dualitas Gelombang-Partikel Difraksi (melenturnya gelombang di pinggiran suatu benda) bisa juga menghasilkan pola interferensi. Kalau sebuah gelombang melalui lubang kecil seukuran panjang gelombang itu, difraksi oleh pinggir-pinggir lubang akan menyebarkan cahaya membentuk lingkaran-lingkaran yg melebar, terjadilah interferensi. Interferensi dikukuhkan oleh Teori Gelombang Elektromagnetik Maxwell 1865. Teori cahaya sebagai gelombang mantap sampai abad ke-19 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 12 6 23/08/2011 Dualitas Gelombang-Partikel Sejenak, mari kita renungkan efek fotolistrik Penjelasan Einstein menunjukkan bahwa cahaya merupakan partikel. Ini menandai teori korpuskel cahaya ala Newton bangkit kembali dari kematiannya. Jadi, ada dualitas gelombang-partikel ? 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 13 Dualitas Gelombang-Partikel Pada 1923, mahasiswa doktoral Univ. Sorbonne Paris, Pangeran Louis de Broglie (1892-1987) bikin ide yg heboh: partikel punya sifat gelombang. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 14 7 23/08/2011 Dualitas Gelombang-Partikel Apa arti fisis dari frekuensi dalam rumus Einstein? E=hf 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 15 Dualitas Gelombang-Partikel E=hf Foton hf elektron Tampaknya, penjalaran gelombang bisa dikaitkan dengan gerak partikel 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 16 8 23/08/2011 Dualitas Gelombang-Partikel Gagasan de Broglie: Frekuensi gelombang berkaitan dengan partikel dalam partikel dalam ruang-waktu Ini gelombang pilot, sebab mengarahkan gerak partikel 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 17 Dualitas Gelombang-Partikel Akibat gagasan de Broglie... Kec. fase Kec. gelombang Kecepatan fase Kecepatan grup (partikel) Sebuah paket gelombang merentang sepanjang x Wilayah penguatan dipandang sebagai wilayah yg menunjukkan segenap sifat partikel (energi, momentum) Ingat kembali superposisi... 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 18 9 23/08/2011 Dualitas Gelombang-Partikel Bagaimana dengan matematika untuk gagasan de Broglie? 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 19 Dualitas Gelombang-Partikel E = m c2 E = m c2 = (m c) (c) E = (p) (c) = (p) ( f) (h) (f) = (p) ( f) Artinya, jika panjang gelombang cahaya menurun, maka momentum foton cahaya akan naik 23/08/2011 h/p = Rachmad Resmiyanto 20 10 23/08/2011 Dualitas Gelombang-Partikel de Broglie memperumum gagasannya, bukan hanya untuk foton saja melainkan juga untuk elektron, bahkan untuk semua partikel. Banyak fisikawan menganggap konsep ini tidak masuk akal. Elektron (sejak 1897) dianggap sbg partikel. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 21 Dualitas Gelombang-Partikel Satu tahun kemudian, 1924.... Pangeran de Broglie memaparkan disertasinya, “Penyelidikan Teori Kuantum” di depan panitia penguji. Panitia heboh, kacau... Panitia merekrut Paul Langevin (1872-1946) yg kebetulan menyimpan salinan tulisan de Broglie yg ditujukan ke Einstein. Seusai membacanya, Einstein menelepon Henrik Lorentz, “saya yakin, hipotesis de Broglie menjadi langkah awal penyelesaian kemelut fisika yg paling parah ini” 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 22 11 23/08/2011 Dualitas Gelombang-Partikel Marie Curie 23/08/2011 Hendrik Lorentz Albert Einstein Paul Langevin Louis de Broglie, Rachmad Resmiyanto 23 Bukti “Gelombang dari Partikel” Pada sidang disertasinya, de Broglie memberi argumen perlawanan thd panitia penguji Gelombang partikel mungkin dapat teramati dalam percobaan difraksi kristal seperti terjadi pada sinar-x 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 24 12 23/08/2011 Bukti “Gelombang dari Partikel” Pola difraksi semacam itu ditunjukkan oleh G.P. Thompson bin J.J. Thompson (1892-1975) pada 1927. [selisih 30 tahun dg pengungkapan elektron, 1897] 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 25 Bukti “Gelombang dari Partikel” “Ketika elektron bergerak mengitari inti, gelombang akan stasioner dalam pola gelombang tegak. (seperti gelombang yg merambat dalam dawai) Dalam peristiwa ini, hanya frekuensi tertentu saja yg dihasilkan” 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 26 13 23/08/2011 Bukti “Gelombang dari Partikel” Ingat kembali postulat Bohr, 1913.... 23/08/2011 Ada faktor 2 yg tak terjelaskan Rachmad Resmiyanto 27 Bukti “Gelombang dari Partikel” Hubungan postulat Bohr 1913 & hipotesis de Broglie 1924 m v r = n (h / 2 ) postulat Bohr n=2r gelombang berdiri = (h / mv) hipotesis de Broglie n (h / mv) = 2 r bukankah ini postulat Bohr? Keadaan kuantum Bohr tidak lagi postulat, tetapi sebuah kenyataan 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 28 14 23/08/2011 Bukti “Gelombang dari Partikel” 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 29 Teori Kuantum lama Teori Kuantum sampai dengan model Bohr-Sommerfeld biasa disebut sbg teori kuantum lama. Teori ini sukses menjelaskan: spektrum hidrogen rumus Balmer bil kuantum aturan seleksi tabel periodik prinsip larangan pauli 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 30 15 23/08/2011 Teori Kuantum lama Jadi sampai di sini, atom dilukiskan sbg: xixixi.... Kerenan mana Bohr? :p Partikel cilik bermuatan mengelilingi inti, meloncat dari satu orbit ke orbit yg lainnya 23/08/2011 Gel. Elektron menyesuaikan diri s.r.s nya = salah satu orbit. Dan pola gelombang tegaknya membuat muatan listrik tersebar merata Rachmad Resmiyanto 31 3 Teori Kuantum Baru Akhirnya kemelut 25 tahun ini berakhir jua... Dalam 12 bulan (Juni 1925 – Juni 1926), lahir sekaligus 3 teori kuantum lengkap yg berbedda, dikerjakan terpisah Dan ketiganya setara 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 32 16 23/08/2011 Mekanika Matriks Heisenberg (1901-1976), Munich, jerman. Bapaknya seorang profesor bahasa Yunani. Gemar mendaki gunung, jago piano, sejak SMP sudah menekuni fisika Musim semi 1920 masuk kuliah di Univ. Munich. Juni 1922 di Gottingen, Heisenberg bertemu pertama kali dg Bohr. Heisenberg membantah penjelasan Bohr pada suatu kuliahnya dan Bohr gelagapan. Selesai kuliah, Bohr mengajak nya jalan2 di sekitar G. Hainberg selama 3 jam 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 33 Mekanika Matriks Heisenberg membenci gambaran orbit dalam atom Bohr. “atom itu tak pernah diamati, lalu apa gunany berbicara ttg jejak elektron gaib di dalam atom gaib? Itu konsep yg tak bermakna” Musim semi 1925, Heisenberg menuju pulau helgoland di laut utara. Saat itu ia punya masalah besar: debu di udara dan orbit atom. Waktunya terbagi untuk kuantum, panjat tebing dan menghapal sajak Goethe 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 34 17 23/08/2011 Mekanika Matriks Heisenberg mencari hubungan antara Bilangan kuantum & keadaan energi atom dengan f dan intensitas spektrum Heisenberg menganggap atom seperti osilator, membuang model Bohr. Untuk menentukan frekuensi dan intensitas dari spektrum garis, heisenberg terpaksa bikin postulat: Selisih pq-qp tidask nol tapi sama dengan h/2 i 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 35 Mekanika Matriks Pada sebuah malam yg larut, 3 dinihari, Heisenberg menemukan bahwa nilai tingkat energi itu terbatas dan tergantung waktu... ....artinya atom dalam keadaan stasioner seperti atom Bohr. “ini hadiah dari surga” 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 36 18 23/08/2011 Mekanika Matriks Bulan Juni, Heisenberg kembali ke Gottingen, menyerahkan temuannya pada Pauli. Heisenberg juga menyerahkan tulisannya pada Max Born kemudian ke Cambridge, liburan. 10 Juli, Max Born dapat ilham, simbol perkalian Heisenberg itu adalah kalkulus matriks. Bersama Pascual Jordan (1902-1980) Max Born membangun temuan Heisenberg mjd mekanika matrik yg sistematik. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 37 Mekanika Matriks 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 38 19 23/08/2011 Mekanika Matriks Postulat kuantum Heisenberg p q – q p = (h/2i) I Ada yg beda di sini. Teori baru ini tak bisa diperagakan secara visual. Model rumit Bohr-Sommerfeld lenyap. Atom sebagai susunan partikel atau gelombang sama sekali lenyap.... 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 39 Mekanika Matriks 1924 23/08/2011 1927 Rachmad Resmiyanto 40 20 23/08/2011 Mekanika Matriks Disertasi Heisenberg ttg hidrodinamika 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 41 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 42 21 23/08/2011 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 43 Perrsamaan Schrodinger • Liburan Natal 1925 di hotel romantis favoritnya, pegunungan Tyrol Aaustria 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 44 22 23/08/2011 Perrsamaan Schrodinger Persamaan ini persoalan filosofis besar dalam kuantum 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 45 Perrsamaan Schrodinger Schrodinger benci dengan lompatan kuantum Bohr. Garis spektrum bisa dijelaskan dg analogi gelombang bunyi. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 46 23 23/08/2011 Perrsamaan Schrodinger Pekan terakhir Feb 1926, Schrodinger menemukan hhasil yg aneh. Teorinya memberikan hasil yg sama dengan mekanika matriks heinseberg. Padahal keduanya berangkat dari keyakinan yg bertolakbelakang. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 47 Perrsamaan Schrodinger 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 48 24 23/08/2011 Persamaan Schrodinger 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 49 Perrsamaan Schrodinger 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 50 25 23/08/2011 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 51 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 52 26 23/08/2011 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 53 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 54 27 23/08/2011 Aljabar Kuantum Paul A.M. Dirac, matemattikawan Inggris, pertapa di St John Cambriidge Musim panas 1925, Heisenberg memberi kuliah di Kapitza Club Cambridge. Dia memebrikan salinan teori barunya kpd tuan rumah, Ralph Fowler. Fowler memberikan pada mhs-nya, Dirac “coba kamu pikirkan tulisan ini” Kurang dari 2 bulan, ia selesaiakan 30 halaman. Ia kirimkan ke Heinsenberg dan Bohr. Dua bulan kemudian, Nov 1925 Dirac bikin 4 tulisan yg bikin heboh fisikawan di mana-mana, Kopenhagen, Gottingen, Munich. Ini sbg disertasi doktornya di Cambridge. 23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 55 28