Menembus Batas-Batas Fisika Klasik

Alam ternyata tidaklah semudah dan sesederhana yang kita lihat! Demikianlah salah satu kesimpulan dari hasil penelitian terbaru tentang cahaya. Para peneliti dari Niels Bohr Institute telah membuat percobaan sederhana yang menunjukkan bahwa alam melanggar akal sehat (common sense) – hal yang berbeda dari kebanyakan orang percaya. Percobaan ini menggambarkan bahwa ternyata cahaya tidaklah berperilaku sesuai dengan prinsip-prinsip fisika klasik, tetapi cahaya memiliki sifat mekanika kuantum. Metode baru dapat digunakan untuk mempelajari apakah sistem lain juga berperilaku secara mekanika kuantum. Hasilnya telah dipublikasikan dalam jurnal ilmiah Physical Review Letters.

Di laboratorium optika kuantum (quantum optical laboratory) di Niels Bohr Institute, para peneliti telah melakukan percobaan yang menunjukkan bahwa sifat cahaya tidak mengikuti prinsip-prinsip fisika klasik. studi itu menunjukkan bahwa cahaya dapat memiliki kedua medan listrik dan medan magnet, tetapi tidak pada waktu yang sama. Artinya, cahaya memiliki sifat mekanika kuantum.

Ada dua kategori berbeda dalam fisika, yaitu fisika klasik dan fisika kuantum. Dalam fisika klasik, objek, misalnya mobil atau bola, memiliki posisi dan juga kecepatan yang terdefinisi dengan pasti. Ini adalah pandangan klasik terhadap dunia kita sehari-hari. Dalam dunia kuantum benda juga dapat memiliki posisi dan kecepatan, tapi tidak pada saat yang sama. Pada tingkat atom, mekanika kuantum mengatakan bahwa alam berperilaku cukup berbeda dari yang kita bayangkan. Ini bukan hanya bahwa kita tidak tahu posisi dan kecepatan, bukan, dua hal ini sama sekali tidak ada secara bersamaan. Tapi bagaimana kita tahu bahwa mereka tidak ada secara bersamaan? Dan di mana perbatasan dua dunia? Para peneliti telah menemukan cara baru untuk menjawab pertanyaan ini.

Cahaya dalam Pandangan Mekanika Kuantum

Eran Kot, mahasiswa Ph.D pada kelompok penelitian Optika kuantum di Niels Bohr Institute Universitas Kopenhagen, tentang penelitiannya ini, “Tujuan kami adalah untuk menggunakan mekanika kuantum dalam cara baru. Oleh karena itu penting bagi kita untuk mengetahui bahwa ‘sistem’ benar-benar berperilaku dengan cara yang tidak memiliki penjelasan klasik. Untuk tujuan ini, yang pertama kita uji adalah cahaya.”

Berdasarkan serangkaian percobaan di laboratorium optika kuantum, mereka mengamati keadaan cahaya. Dalam fisika klasik, cahaya memiliki kedua medan listrik dan medan magnet.

“Penelitian kami menunjukkan bahwa cahaya dapat memiliki kedua medan listrik dan medan magnet, tetapi tidak pada waktu yang sama. Dengan demikian, kami memberikan bukti sederhana bahwa percobaan ini melanggar prinsip-prinsip klasik. Artinya, kami menunjukkan bahwa cahaya memiliki sifat kuantum, dan kita dapat memperluas ini untuk sistem lain juga,” kata Eran Kot.

Mekanika Klasik dan Mekanika Non-klasik

Tujuan dari penelitian ini adalah selain secara mendasar memahami dunia, tetapi juga tantangan praktis untuk dapat memanfaatkan mekanika kuantum dalam konteks yang lebih besar. Untuk cahaya ini bukan kejutan besar bahwa cahaya berperilaku secara kuantum, tetapi metode yang telah dikembangkan juga dapat digunakan untuk mempelajari sistem lain.

“Kami berusaha untuk mengembangkan komputer kuantum masa depan dan karenanya kami perlu memahami batas kapan sesuatu berperilaku secara mekanika kuantum dan saat itu adalah mekanika klasik,” kata profesor fisika kuantum Anders S. Sørensen, menjelaskan bahwa komputasi kuantum tentu harus terdiri dari sistem dengan sifat-sifat non-klasik.

sumber: http://news.ku.dk

Model Atom Mekanika Kuantum

Penjelasan tentang struktur atom yang lebih lengkap diperlukan untuk mengetahui struktur yang lebih detil tentang elektron di dalam atom. Model atom yang lengkap harus dapat menerangkan misteri efek Zeeman dan sesuai untuk atom berelektron banyak. Dua gejala ini tidak dapat diterangkan oleh model atom Bohr.

Efek Zeeman

Spektrum garis atomik teramati saat arus listrik dialirkan melalui gas di dalam sebuah tabung lecutan gas. Garis-garis tambahan dalam spektrum emisi teramati jika atom-atom tereksitasi diletakkan di dalam medan magnet luar. Satu garis di dalam spektrum garis emisi terlihat sebagai tiga garis (dengan dua garis tambahan) di dalam spektrum apabila atom diletakkan di dalam medan magnet. Terpecahnya satu garis menjadi beberapa garis di dalam medan magnet dikenal sebagai efek Zeeman.

pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet
Pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet

Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan menggunakan model atom Bohr. Dengan demikian, diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum yang dapat menjelaskan efek Zeeman dan spektrum atom berelektron banyak.

Model Atom Mekanika Kuantum

Sebelumnya kita sudah membahas tentang dualisme gelombang-partikel yang menyatakan bahwa sebuah objek dapat berperilaku baik sebagai gelombang maupun partikel. dalam skala atomik, elektron dapat kita tinjau sebagai gejala gelombang yang tidak memiliki posisi tertentu di dalam ruang. Posisi sebuah elektron diwakili oleh kebolehjadian atau peluang terbesar ditemukannya elektron di dalam ruang.

Demi mendapatkan penjelasan yang lengkap dan umum dari struktur atom, prinsip dualisme gelombang-partikel digunakan. Di sini gerak elektron digambarkan sebagai sebuah gejala gelombang. Persamaan dinamika Newton yang sedianya digunakan untuk menjelaskan gerak elektron digantikan oleh persamaan Schrodinger yang menyatakan fungsi gelombang untuk elektron. Model atom yang didasarkan pada prinsip ini disebut model atom mekanika kuantum.

posisi dan keberadaan elektron di dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom
Posisi dan keberadaan elektron di dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom

Persamaan Schrodinger untuk elektron di dalam atom dapat memberikan solusi yang dapat diterima apabila ditetapkan bilangan bulat untuk tiga parameter yang berbeda yang menghasilkan tiga bilangan kuantum. Ketiga bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utama, orbital, dan magnetik. Jadi, gambaran elektron di dalam atom diwakili oleh seperangkat bilangan kuantum ini.

Bilangan Kuantum Utama

Dalam model atom Bohr, elektron dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu. Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n. untuk atom hidrogen, sebagaimana dalam model atom Bohr, elektron pada kulit ke-n memiliki energi sebesar

bilkuantum01

Adapun untuk atom berelektron banyak (terdiri atas lebih dari satu elektron), energi elektron pada kulit ke-n adalah

bilkuantum02

Dimana Z adalah nomor atom. Nilai-nilai bilangan kuantum utama n adalah bilangan bulat mulai dari 1.

n = 1, 2, 3, 4, ….

Bisa dikatakan bahwa bilangan kuantum utama berkaitan dengan kulit elektron di dalam atom. Bilangan kuantum utama membatasi jumlah elektron yang dapat menempati satu lintasan atau kulit berdasarkan persamaan berikut.

Jumlah maksimum elektron pada kulit ke-n adalah 2n2

Bilangan Kuantum Orbital

Elektron yang bergerak mengelilingi inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron berada di dalam medan magnet.

zeeman_8k_400_3001

Tiap orientasi momentum sudut elektron memiliki tingkat energi yang berbeda. Meskipun kecil perbedaan tingkat energi akan teramati apabila atom berada di dalam medan magnet. Momentum sudut elektron dapat dinyatakan sebagai

bilkuantum03

Di mana

bilkuantum04

Bilangan l disebut bilangan kuantum orbital. Jadi, bilangan kuantum orbital l menentukan besar momentum sudut elektron. Nilai bilangan kuantum orbital l adalah

l = 0, 1, 2, 3, … (n – 1)

Misalnya, untuk n = 2, nilai l yang diperbolehkan adalah l = 0 dan l = 1.

Bilangan Kuantum Magnetik

Momentum sudut elektron L merupakan sebuah vektor. Jika vektor momentum sudutL diproyeksikan ke arah sumbu yang tegak atau sumbu-z secara tiga dimensi akan didapatkan besar komponen momentum sudut arah sumbu-z dinyatakan sebagai Lz. bilangan bulat yang berkaitan dengan besar Lz adalah m. bilangan ini disebut bilangan kuantum magnetik. Karena besar Lz bergantung pada besar momentum sudut elektron L, maka nilai m juga berkaitan dengan nilai l.

m = −l, … , 0, … , +l

misalnya, untuk nilai l = 1, nilai m yang diperbolehkan adalah −1, 0, +1.

Gambar

Bilangan Kuantum Spin

Bilangan kuantum spin diperlukan untuk menjelaskan efek Zeeman anomali. Anomali ini berupa terpecahnya garis spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan. Jika efek Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron. Momentum sudut spin juga mempunyai dua orientasi yang berbeda, yaitu spin atas dan spin bawah. Tiap orientasi spin elektron memiliki energi yang berbeda tipis sehingga terlihat sebagai garis spektrum yang terpisah.

garis spektra atom yang terpisah di dalam medan magnet berasal dari spin elektron
garis spektra atom yang terpisah di dalam medan magnet berasal dari spin elektron

Spin elektron diwakili oleh bilangan kuantum tersendiri yang disebut bilangan kuantum magnetik spin (atau biasa disebut spin saja). Nilai bilangan kuantum spin hanya boleh satu dari dua nilai +½ atau −½. jika ms adalah bilangan kuantum spin, komponen momentum sudut arah sumbu-z dituliskan sebagai

Sz = msћ

Di mana

bilkuantum05

Spin ke atas dinyatakan dengan

bilkuantum06

Spin ke bawah dinyatakan dengan

bilkuantum07

Atom Berelektron Banyak

Model atom mekanika kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan struktur atom untuk atom berelektron banyak. Posisi atau keadaan elektron di dalam atom dapat dinyatakan menggunakan seperangkat (empat) bilangan kuantum. Misalnya, elektron dengan bilangan kuantum n = 2, l = 1, m = −1 dan ms =−½ menyatakan sebuah elektron pada kulit L, subkulit p, orbital −1 dengan arah spin ke bawah.