Fisika Kuantum
Atom Hidrogen
Kata kuantum dalam KBBI (ku·an·tum n 1 banyaknya (jumlah) sesuatu; 2 bagian dr energi yg tidak dapat dibagi lagi) sama sekali tidak menggambarkan apa yang dimaksudkan dengan kuantum dalam fisika. Maknanya tercatum dalam entri zarah (za·rah n 1 butir (materi) yg halus sekali; partikel;).
Dalam fisika kuantum, radiasi adalah zarah. Hanya saja, zarahnya dibagi lagi. Zarah yang bisa menempati suatu titik secara bersama-sama, disebut boson. Zarah yang individualis, tidak mau bersama-sama, disebut fermion. Tapi, gabungan fermion berjumlah genap jadi boson, sedangkan gabungan boson tetap boson. Tambah aneh saja.
Pada tahun 1913 Niels Bohr mengungkapkan konsep atom sebagai inti atom yang dikelilingi sejumlah elektron pada orbitnya, seperti matahari dikelilingi oleh satelit-satelitnya. Orbit yang berbeda memiliki tingkat energi yang berbeda. Elektron dapat melompat dari satu orbit ke orbit yang lain berdasarkan energi yang dilepas atau di terima. Bila elektron menerima energi, ia dapat melompat dari orbit berenergi rendah ke orbit berenergi lebih tinggi. Sebaliknya, bila karena sesuatu sebab elektron melompat dari orbit berenergi lebih tinggi ke orbit berenergi lebih rendah, dilepaskanlah energi. Serapan atau lepasan energi ini disebut photon. Photon adalah boson. Photon adalah zarah cahaya, kuantum cahaya, paket cahaya. Anda tahu LED (light Emitting Diode), kan? Elektron dalam LED berlompatan ke level energi yang lebih rendah (karena kita memberinya tegangan listrik) sehingga kelihatan menyala (melepaskan photon). Lompatan antara beda energi yang rendah menghasilkan cahaya yang tak tampak (infra merah, kita gunakan pada remote control TV dan AC). Lompatan dengan beda energi yang lebih besar menghasilkan warna merah. Beda energi yang lebih besar lagi menghasilkan cahaya kuning, lalu hijau, lalu biru. Jadi warna yang dihasilkan LED adalah warna aslinya, tidak perlu diberi bungkus warna tertentu. Layar TV anda yang baru mungkin juga terdiri dari jutaan LED berwarna merah, hijau, dan biru. Kombinasi intensitas tiga warna ini memberikan jutaan warna lain. Kalau intensitas ke tiga warna ini nol, warna yang dihasilkan adalah hitam.
Peristiwa fisika kuantum tak terasa telah menyerbu kehidupan kita. Fisika kuantum telah memungkinkan berkembangnya teknologi elektronika dan komunikasi. Sensasi warna adalah peristiwa fisika kuantum. Bersyukurlah kalau anda tidak buta warna.
Gambaran yang diberikan oleh Bohr mengenai atom tidak sepenuhnya benar. Erwin Schrodinger menyusun teori mengenai mekanisme atom, sehingga teorinya disebut mekanika kuantum, dan menjelaskan bahwa elektron tidak mengorbit secara teratur di sekeliling inti atom. Elektron memenuhi ruang disekitar inti atom dengan probabilitas keberadaannya. Probabilitas ini berbentuk awan atau kabut yang menyelimuti inti atom. Bila kita tidak mengukurnya dengan sengaja, kita tidak tahu di mana elektron berada.
Tunneling, adalah fenomena dimana sesuatu menyebrangi penghalang, padahal energi yang dimilikinya tidak cukup untuk memanjat penghalang untuk menyebranginya. Benda yang mengalami tunneling tidak memanjat, tetapi menembus dinding penghalang itu untuk sampai ke seberang, seperti hantu. Tunneling diijinkan terjadi oleh fisika kuantum, dimana posisi sesuatu adalah probabilitas, dan probabilitas keberadaan sesuatu di seberang tembok tidaklah nol.
Saya tidak pernah mengalami mobil yang sudah dimasukkan garasi tiba-tiba ditemukan di luar. Sekalipun teori kuantum menyatakan kemungkinannya (probabilitasnya) tidak nol. Lagian, mobil bukan zarah.
Probabilitas memang konsep yang bisa ditafsirkan bermacam-macam. Dalam konteks ini, probabilitas adalah pola yang muncul bila data atau peristiwa yang terjadi berjumlah banyak. Misalnya undian dengan melempar koin. Karena koin cuma punya dua sisi, bila probabilitas kemunculan kedua sisinya sama, maka kita menyebutnya memiliki probabilitas 50% untuk mendapatkan depan, dan 50% untuk mendapatkan belakang. Ini tidak berarti bahwa kalau kita melempar koin dua kali akan selalu diperoleh satu depan dan satu belakang. Bisa jadi empat lemparan semuanya memberikan depan. Dalam sepuluh lemparan mungkin diperoleh 8 depan dan 2 belakang. Kalau kita perbanyak jumlah lemparan, maka perbandingan munculnya depan dan belakang akan mendekati 50:50. Setelah 1000 lemparan, bisa jadi diperoleh 513 depan dan 487 belakang (51,3% depan). Setelah sejuta lemparan mungkin diperoleh 500034 depan dan 499766 belakang (50,003% depan dan 49,976% belakang). Yang terakhir ini kalau kita bulatkan sampai satu desimal saja akan memberikan angka 50:50.
Jadi kalau mobil saya cuma satu dan sudah masuk garasi, maka bisa jadi akan ditemukan di luar tanpa siapapun memindahkannya (karena tunneling) setelah sejuta tahun. Padahal besok mobil itu saya keluarkan dengan sengaja.
Peristiwa yang memiliki probabilitas kecil akan muncul bila prosesnya berlangsung tak henti. Tunnel diode (dioda tunnel), misalnya. Dampak dari electron tunneling pada dioda ini menyebabkan adanya resistansi negatif (arus turun dengan naiknya tegangan). Resistansi negatif adalah resep untuk menghasilkan osilasi. Tunnel diode digunakan sebagai osilator pada peralatan elektronik dan telekomunikasi. Tunneling terjadi karena jumlah elektron yang terlibat banyak sekali, dan sumber daya diberikan terus menerus.
Salah satu prinsip penting dalam fisika kuantum adalah: Aliran energi itu tidak kontinyu, namun berbentuk kuantum atau paket. Implikasinya, perubahan energi juga begitu, dalam bentuk paket. Perubahan merupakan kelipatan dari paket yang terkecil. Kelipatan terkecil itu dulu disebut quantum of action, nilainya 6.62606957×10−34 Joule detik. Sekarang bilangan ini disebut konstanta Planck. Planck menemukan bilangan ini pada tahun 1899, ketika ia kebingungan dengan persamaan yang ia susun untuk menjelaskan radiasi benda panas. Persamaannya mempunyai banyak jawaban, kecuali bila radiasi yang terpancar itu dianggap tidak kontinyu, tetapi dalam paket-paket. Paket atau kuantum itu merupakan kelipatan bilangan yang amat kecil, 6.62606957×10−34 Joule detik. Planck berharap penjelasannya yang aneh ini akan segera diperbaiki oleh para peneliti lain. Tetapi Einstein malah memberikan konfirmasi dalam teori fotoelektrik, bahwa radiasi memang berbentuk paket atau kuantum. Teori fotoelektrik memberi Einstein hadiah Nobel.
Konstanta Planck sekarang sudah menjadi bahan praktikum fisika. Praktikan diminta menghitung konstanta Planck dengan peralatan yang sekarang sudah dianggap sederhana: sejumlah LED berbagai warna, catu daya, resistor, voltmeter, spektrometer.
Rumusnya: E=eVo=hc/λ.
e adalah muatan elektron.
Vo adalah tegangan nyala LED.
c adalah kecepatan cahaya
λ adalah panjang gelombang cahaya yang dihasilkan LED.
Konstanta Planck bila ditulis dalam desimal akan menjadi 0,00…06626, dengan 33 buah nol di belakang koma sebelum angka 6. Kecil banget, sehingga untuk kemudahan sehari-hari sama dengan nol, dan kita boleh saja menganggap energi yang mengalir di rumah kita yang menyalakan lampu, TV, kulkas, mesin cuci, pompa air, dsb. adalah kontinyu. Selama ini kita tak punya keraguan bahwa udara, air dan semua benda yang bisa kita raba adalah kontinyu. Padahal mereka terdiri atas molekul dan atom yang diskrit atau berbentuk paket atau kuantum. Atom sendiri terdiri atas inti atom (proton dan neturon) yang diselimuti kabut elektron. Volume kabut elektron ini jauh lebih besar dari inti atom, sehingga sebenarnya benda-benda ini merupakan ruang kosong, dan dibentuk oleh ruang yang merupakan kabut elektron. Sedangkan kita tahu yang disebut kabut elektron itu bukan kabut yang disebabkan oleh banyaknya elektron yang seliweran, namun hanya beberapa elektron yang memiliki probabilitas keberadaan yang membentuk ruang yang berbentuk awan atau kabut.
Secara singkat, fisika kuantum menyatakan bahwa semua partikel (molekul, atau atom, dan semua yang lebih kecil) selalu bergerak, dan gerakannya acak, memancarkan atau menyerap energi secara paket (kuantum). Makin tinggi suhunya, makin cepat gerakannya. Pada gas, gerak yang lebih cepat ini menyebabkan kenaikan tekanan. Pada zat cair, pemanasan menyebabkan sebagian atom memperoleh energi yang cukup untuk melepaskan diri dari ikatan cairan dan menjadi gas (menguap). Pada zat padat, pemanasan menyebabkan ikatan padat melemah sehingga mencair.
Yang cukup menganggu adalah pernyataan bahwa gerakan partikel itu acak, atau bersifat probabilistik. Terbiasa dengan prediksi yang selalu terbukti tepat, Einstein pun tidak menyukai fisika kuantum.
Saya sih ok saja apapun kata fisika kuantum, karena saya hanya mengerti sedikit saja. Namun saya percaya kepada para ahli. Mereka telah memungkinkan para industrialis meraup untung, dan membuat hidup kita lebih nyaman. Saya juga hidup dalam skala makro, bukan pada tingkat zarah.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar