Mekanika kuantum: Perbedaan antara revisi

Sunting pranala
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Jelajahi riwayat secara interaktif
← Revisi sebelumnyaRevisi selanjutnya →
Konten dihapus Konten ditambahkan
VisualTeks wiki
Baris 65: Baris 65:
* [[Otto Stern]] dan [[Walter Gerlach]] melakukan [[eksperimen Stern-Gerlach]], yang menunjukkan sifat kuantisasi partikel [[Spin (fisika)|spin]] ([[1920]])
* [[Otto Stern]] dan [[Walter Gerlach]] melakukan [[eksperimen Stern-Gerlach]], yang menunjukkan sifat kuantisasi partikel [[Spin (fisika)|spin]] ([[1920]])
* [[Clyde L. Cowan]] dan [[Frederick Reines]] meyakinkan keberadaan [[neutrino]] dalam [[eksperimen neutrino]] ([[1955]])
* [[Clyde L. Cowan]] dan [[Frederick Reines]] meyakinkan keberadaan [[neutrino]] dalam [[eksperimen neutrino]] ([[1955]])

==Perumusan matematika==
{{Main|Mathematical formulation of quantum mechanics}}
{{See also|Quantum logic}}

Perumusan matematis mekanika kuantum dikembangkan oleh [[Paul Dirac]],<ref>P.A.M. Dirac, ''The Principles of Quantum Mechanics'', Clarendon Press, Oxford, 1930.</ref> [[David Hilbert]],<ref>D. Hilbert ''Lectures on Quantum Theory'', 1915–1927</ref> [[John von Neumann]],<ref>J. von Neumann, ''Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik'', Springer, Berlin, 1932 (English translation: ''Mathematical Foundations of Quantum Mechanics'', Princeton University Press, 1955).</ref> dan [[Hermann Weyl]].<ref>H.Weyl "The Theory of Groups and Quantum Mechanics", 1931 (original title: "Gruppentheorie und Quantenmechanik").</ref> Keadaan yang mungkin dari suati sistem mekanika kuantum dilambangkan<ref>[[Paul Adrien Maurice Dirac|Dirac, P.A.M.]] (1958). ''The Principles of Quantum Mechanics'', 4th edition, Oxford University Press, Oxford UK, p.&nbsp;ix: "For this reason I have chosen the symbolic method, introducing the representatives later merely as an aid to practical calculation."</ref> sebagai [[vektor satuan]] (disebut ''vektor keadaan'').

Dalam mekanika kuantum, keadaan sebuah sistem pada waktu tertentu dijelaskan dengan [[fungsi gelombang]] [[bilangan kompleks|kompleks]], juga disebut dengan vektor keadaan pada [[vektor ruang]] kompleks.<ref>{{cite book|title=Quantum Mechanics Symmetries, Second edition|first1=Walter|last1=Greiner|first2=Berndt|last2=Müller|publisher=Springer-Verlag|year=1994|isbn=3-540-58080-8|page=52|url=https://books.google.com/books?id=gCfvWx6vuzUC&pg=PA52}}, [https://books.google.com/books?id=gCfvWx6vuzUC&pg=PA52 Chapter 1, p. 52]</ref> [[Prinsip ketidakpastian Heisenberg]] mengkuantifisasi ketidakmampuan dalam mencari lokasi partikel secara presisi.<ref>{{cite web|url=http://www.aip.org/history/heisenberg/p08a.htm |title=Heisenberg - Quantum Mechanics, 1925–1927: The Uncertainty Relations |publisher=Aip.org |date= |accessdate=2012-08-18}}</ref>

Selama [[pengukuran kuantum|pengukuran]], di sisi lain, perubahan fungsi gelombang awal ke fungsi gelombang berikutnya tak dapat ditentukan, tak dapat diprediksi ([[acak]]). Simulasi evolusi-waktu dapat dilihat disini.<ref>{{cite web|author=Michael Trott |url=http://demonstrations.wolfram.com/TimeEvolutionOfAWavepacketInASquareWell/ |title=Time-Evolution of a Wavepacket in a Square Well&nbsp;— Wolfram Demonstrations Project |publisher=Demonstrations.wolfram.com |date= |accessdate=2010-10-15}}</ref><ref>{{cite web|author=Michael Trott |url=http://demonstrations.wolfram.com/TimeEvolutionOfAWavepacketInASquareWell/ |title=Time Evolution of a Wavepacket In a Square Well |publisher=Demonstrations.wolfram.com |date= |accessdate=2010-10-15}}</ref>

Persamaan gelombang berubah seiring waktu. [[Persamaan Schrödinger]] menjelaskan bagaimana fungsi gelombang berubah terhadap waktu, mirip seperti [[hukum kedua Newton]] pada [[mekanika klasik]]. Persamaan Schrödinger memprediksi bahwa pusat paket gelombang akan berpindah melalui ruang pada kecepatan konstan (seperti partikel klasik tanpa gaya yang bekerja padanya). Namun, paket gelombang juga menyebar seiring waktu, berarti posisi menjadi tak tentu.<ref>{{cite book|title=A Textbook of Quantum Mechanics|first1=Piravonu Mathews|last1=Mathews|first2=K.|last2=Venkatesan|publisher=Tata McGraw-Hill|year=1976|isbn=0-07-096510-2|page=36|url=https://books.google.com/books?id=_qzs1DD3TcsC&pg=PA36}}, [https://books.google.com/books?id=_qzs1DD3TcsC&pg=PA36 Chapter 2, p. 36]</ref>


==Referensi==
==Referensi==

Revisi per 19 Desember 2016 17.40

Untuk artikel pendahuluan, lihat Pengantar mekanika kuantum.
Penyelesaian Persamaan Schrödinger untuk atom hidrogen pada tingkat energi yang berbeda. Semakin terang areanya, semakin tinggi probabilitas menemukan elektron.

Mekanika kuantum, termasuk teori medan kuantum, adalah cabang dasar fisika yang menggantikan mekanika klasik pada tataran sistem atom dan subatom. Sistem yang mengikuti mekanika kuantum ini dapat berada dalam superposisi kuantum pada keadaan yang berbeda, tidak seperti pada fisika klasik. Ilmu ini memberikan kerangka matematika untuk berbagai cabang fisika dan kimia, termasuk fisika atom, fisika molekular, kimia komputasi, kimia kuantum, fisika partikel, dan fisika nuklir. Mekanika kuantum adalah bagian dari teori medan kuantum dan fisika kuantum umumnya, yang, bersama relativitas umum, merupakan salah satu pilar fisika modern. Dasar dari mekanika kuantum adalah bahwa energi itu tidak kontinyu, tetapi diskrit—berupa 'paket' atau 'kuanta'. Konsep ini cukup revolusioner, karena bertentangan dengan fisika klasik yang berasumsi bahwa energi itu berkesinambungan.

Mekanika kuantum berkembang dari penyelesaian Max Planck tahun 1900 pada masalah radiasi benda-hitam (dilaporkan 1859) dan paper Albert Einstein tahun 1905 yang menawarkan teori berbasis-kuantum untuk menjelaskan efek fotolistrik (dilaporkan 1887). Teori kuantum lama dipahami secara mendalam pada pertengahan 1920an.

Teori ini dirumuskan dalam berbagai rumus matematika yang dikembangkan. Salah satunya, sebuah fungsi matematika yaitu fungsi gelombang, memberikan informasi mengenai amplitudo probabilitas dari posisi, momentum, dan properti fisik lainnya dari sebuah partikel.

Aplikasi penting dari teori kuantum[1] diantaranya adalah magnet superkonduktor, diode pancaran cahaya (LED), laser, transistor dan semikonduktor seperti prosesor mikro, pencitraan penelitian dan medis seperti magnetic resonance imaging dan mikroskop elektron.

Sejarah

Artikel utama: Sejarah mekanika kuantum

Penyelidikan sains tentang cahaya dimulai pada abad ke-17 dan 18, ketika para ilmuwan seperti Robert Hooke, Christiaan Huygens dan Leonhard Euler mengajukan teori gelombang cahaya berbasis pengamatan eksperimen.[2] Tahun 1803, Thomas Young, polymath berkebangsaan Inggris, melakukan percobaan celah-ganda yang nantinya ia jelaskan pada paper berjudul On the nature of light and colours. Percobaan ini memainkan peranan penting dalam dukungan pada teori gelombang cahaya.

Tahun 1838, Michael Faraday menemukan sinar katoda. Penelitian ini kemudian diikuti oleh pernyataan masalah radiasi benda-hitam tahun 1859 yand dikemukakan oleh Gustav Kirchhoff, petunjuk oleh Ludwig Boltzmann tahun 1877 bahwa keadaan energi sebuah sistem fisika dapat berupa diskret, dan hipotesis kuantum tahun 1900 oleh Max Planck.[3] Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi teradiasi dan terserap dalam "kuanta" diskret (atau paket-paket energi). Ide ini secara khusus digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam.

Tahun 1896, Wilhelm Wien secara empiris menentukan hukum distribusi radiasi benda-hitam,[4] kemudian dikenal dengan nama Hukum Wien. Ludwig Boltzmann secara independen juga mendapatkan hasil ini dengan beberapa pertimbangan dari persamaan Maxwell. Namun, hasilnya hanya valid pada frekuensi tinggi dan mengabaikan radiansi pada frekuensi rendah. Nantinya, Planck memperbaiki model ini menggunakan interpretasi statistik Boltzmann untuk termodinamika dan mengajukan apa yang saat ini disebut sebagai Hukum Planck, yang mengarah pada pengembangan mekanika kuantum.

Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotolistrik dengan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton. Sekitar tahun 1900-1910, teori atom dan teori korpuskular cahaya[5] pertama kali diterima sebagai fakta sains; teori ini secara berurutan dapat dilihat sebagai teori kuantum dari zat dan radiasi elektromagnetik.

Diantara mereka yang pertama kali mempelajari fenomena kuantum di alam adalah Arthur Compton, C. V. Raman, dan Pieter Zeeman, masing-measing mereka memiliki nama efek kuantum dari nama mereka. Robert Andrews Millikan mempelajari efek fotolistrik secara eksperimen, dan Albert Einstein mengembangkan teori untuk itu. Pada waktu yang sama, Ernest Rutherford secara eksperimen menemukan model atom nuklir, dan Niels Bohr mengembangkan teori struktur atom miliknya, yang nantinya dikonfirmasi oleh eksperimen Henry Moseley. Tahun 1913, Peter Debye memperluas teori struktur atom Niels Bohr, memperkenalkan orbit elips, konsep yang juga diperkenalkan oleh Arnold Sommerfeld.[6] Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal: tidak ada penjelasan jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal sebagai teori kuantum lama.

Menurut Planck, tiap elemen energi (E) berbanding lurus dengan frekuensinya (ν):

Max Planck dianggap sebagai Bapak Teori Kuantum.

dengan h adalah konstanta Planck.

Planck secara berhari-hati bersikukuh bahwa ini hanyalah aspek proses absopsi dan emisi radiasi sederhana dan tidak ada hubungannya dengan realitas fisika radiasi itu sendiri.[7] Nyatanya, ia menganggap hipotesis kuantumnya adalah trik matematika untuk mendapatkan jawaban yang benar.[8] Meski begitu, tahun 1905 Albert Einstein menerjemahkan hipotesis kuantum Planck dan menggunakannya untuk menjelaskan efek fotolistrik, dimana cahaya sinar pada beberapa benda dapat melepas elektron dari material. Ia memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 1921 untuk penelitiannya ini.

Einstein lebih jauh mengembangkan ide ini untuk menunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik seperti cahaya juga dapat dijelaskan sebagai partikel (nantinya disebut foton), dengan kuantum energi diskret yang tergantung dari frekuensinya.[9]

Konferensi Solvay di Brussels tahun 1927.

Dasar-dasar mekanika kuantum didirikan selama pertengahan awal abad ke-20 oleh Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Arthur Compton, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Enrico Fermi, Wolfgang Pauli, Max von Laue, Freeman Dyson, David Hilbert, Wilhelm Wien, Satyendra Nath Bose, Arnold Sommerfeld, dan lain-lain. Interpretasi Kopenhagen Niels Bohr diterima secara luas.

Pada tahun 1920-an, pengembangan dalam mekanika kuantum menjadikannya rumusan standar untuk fisika atom. Musim panas 1925, Bohr dan Heisenberg mempublikasikan hasil yang mendekati teori kuantum lama. Untuk menyebut perilaku seperti-partikel dalam beberapa proses dan pengukuran, kuanta cahaya akhirnya disebut foton (1926).

Pada tahun 1930, mekanika kuantum semakin disatukan dan diformalkan melalui hasil kerja David Hilbert, Paul Dirac dan John von Neumann[10] dengan penekanan lebih ke pengukuran, dan spekulasi filosofis mengenai 'pengamat'nya. Semenjak itu muncul pada disiplin ilmu baru seperti kimia kuantum, elektronika kuantum, optika kuantum, dan sains informasi kuantum. Pengembangan modern-nya yang spekulatif diantaranya teori senar dan teori gravitasi kuantum. Teori ini juga memberikan kerangka dasar bagi tabel periodik modern, dan menjelaskan perilaku atom selama berikatan kimia dan aliran elektron pada semikonduktor, dan oleh karena itu memainkan peranan penting dalam banyak teknologi modern.

Meski mekanika kuantum didirikan untuk menjelaskan dunia benda amat kecil, namun teori ini juga diperlukan untuk menjelaskan beberapa fenomena makroskopik seperti superkonduktor,[11] dan superfluida.[12]

Kata kuantum berasal dari bahasa Latin yang berarti "seberapa besar" atau "seberapa banyak".[13] Dalam mekanika kuantum ia merujuk pada suatu satuan diskret yang nemepel pada besaran fisika tertentu seperti energi sebuah atom pada waktu diam (lihat Gbr 1). Ditemukan bahwa partikel merupakan paket-paket energi diskret dengan properti seperti-gelombang mendorong bidang fisika yang mempelajari sistem atom dan subatom yang saat ini dikenal dengan mekanika kuantum. Bidang ini memberikan kerangka matematika bagi banyak bidang fisika dan kimia lainnya, termasuk diantaranya fisika benda terkondensasi, fisika fasa padat, fisika atom, fisika molekuler, fisika komputasi, kimia komputasi, kimia kuantum, fisika partikel, kimia nuklir, dan fisika nuklir.[14] Beberapa aspek dasar teori ini masih dipelajari sampai sekarang.[15]

Mekanika kuantum penting untuk menjelaskan perilaku sistem pada skala atom atau lebih kecil. Jika sifat fisika atom hanya dijelaskan oleh mekanika klasik, elektron tidak akan mengorbit nukleus, karena elektron yang mengorbit melepas radiasi (akibat gerak melingkar) dan akhirnya akan bertabrakan dengan nukleus karena kehilangan energi ini. Kerangka ini tidak dapat menjelaskan stabilitas atom. Pada nyatanya, elektron mengelilingi nukleus dengan orbital gelombang-partikel yang tak tentu, tak pasti dan probabilistik, melawan asumsi lama mekanika klasik dan elektromagnetisme.[16]

Mekanika kuantum pada awalnya dikembangkan untuk memberikan penjelasan dan deskripsi yang lebih baik tentang atom, terutama perbedaannya dalam spektrum cahaya yang dilepaskan oleg isotop dari elemen kimia yang berbeda, juga partikel subatomik. Singkatnyam, model atom mekanika kuantum dengan sukses yang tidak dapat dijelaskan mekanika klasik dan elektromagnetisme.

Secara luas, mekanika kuantum menggabungkan 4 kelas fenomena dimana fisika klasik tak dapat menjelaskannya:

Eksperimen penemuan

Perumusan matematika

Artikel utama: Mathematical formulation of quantum mechanics
Lihat pula: Quantum logic

Perumusan matematis mekanika kuantum dikembangkan oleh Paul Dirac,[17] David Hilbert,[18] John von Neumann,[19] dan Hermann Weyl.[20] Keadaan yang mungkin dari suati sistem mekanika kuantum dilambangkan[21] sebagai vektor satuan (disebut vektor keadaan).

Dalam mekanika kuantum, keadaan sebuah sistem pada waktu tertentu dijelaskan dengan fungsi gelombang kompleks, juga disebut dengan vektor keadaan pada vektor ruang kompleks.[22] Prinsip ketidakpastian Heisenberg mengkuantifisasi ketidakmampuan dalam mencari lokasi partikel secara presisi.[23]

Selama pengukuran, di sisi lain, perubahan fungsi gelombang awal ke fungsi gelombang berikutnya tak dapat ditentukan, tak dapat diprediksi (acak). Simulasi evolusi-waktu dapat dilihat disini.[24][25]

Persamaan gelombang berubah seiring waktu. Persamaan Schrödinger menjelaskan bagaimana fungsi gelombang berubah terhadap waktu, mirip seperti hukum kedua Newton pada mekanika klasik. Persamaan Schrödinger memprediksi bahwa pusat paket gelombang akan berpindah melalui ruang pada kecepatan konstan (seperti partikel klasik tanpa gaya yang bekerja padanya). Namun, paket gelombang juga menyebar seiring waktu, berarti posisi menjadi tak tentu.[26]

Referensi

  1. ^ Matson, John. "What Is Quantum Mechanics Good for?". Scientific American. Diakses tanggal 18 May 2016. 
  2. ^ Max Born & Emil Wolf, Principles of Optics, 1999, Cambridge University Press
  3. ^ Mehra, J.; Rechenberg, H. (1982). The historical development of quantum theory. New York: Springer-Verlag. ISBN 0387906428. 
  4. ^ Kragh, Helge (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press. hlm. 58. ISBN 0-691-09552-3.  Extract of page 58
  5. ^ Ben-Menahem, Ari (2009). Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences, Volume 1. Springer. hlm. 3678. ISBN 3540688315.  Extract of page 3678
  6. ^ E Arunan (2010). "Peter Debye" (PDF). Resonance (journal). Indian Academy of Sciences. 15 (12). 
  7. ^ Kuhn, T. S. (1978). Black-body theory and the quantum discontinuity 1894-1912. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0195023838. 
  8. ^ Kragh, Helge (1 December 2000), Max Planck: the reluctant revolutionary, PhysicsWorld.com 
  9. ^ Einstein, A. (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Annalen der Physik. 17 (6): 132–148. Bibcode:1905AnP...322..132E. doi:10.1002/andp.19053220607.  Reprinted in The collected papers of Albert Einstein, John Stachel, editor, Princeton University Press, 1989, Vol. 2, pp. 149-166, in German; see also Einstein's early work on the quantum hypothesis, ibid. pp. 134-148.
  10. ^ van Hove, Leon (1958). "Von Neumann's contributions to quantum mechanics" (PDF). Bulletin of the American Mathematical Society. 64 (3): Part2:95–99. doi:10.1090/s0002-9904-1958-10206-2. 
  11. ^ Feynman, Richard. "The Feynman Lectures on Physics III 21-4". California Institute of Technology. Diakses tanggal 2015-11-24. "...it was long believed that the wave function of the Schrödinger equation would never have a macroscopic representation analogous to the macroscopic representation of the amplitude for photons. On the other hand, it is now realized that the phenomena of superconductivity presents us with just this situation. 
  12. ^ Richard Packard (2006) "Berkeley Experiments on Superfluid Macroscopic Quantum Effects" Diarsipkan November 25, 2015, di Wayback Machine. accessdate=2015-11-24
  13. ^ "Quantum - Definition and More from the Free Merriam-Webster Dictionary". Merriam-webster.com. Diakses tanggal 2012-08-18. 
  14. ^ Thall, Edwin. "Thall's History of Quantum Mechanics". Florida Community College at Jacksonville. Diarsipkan dari versi asli tanggal October 7, 2009. Diakses tanggal May 23, 2009. 
  15. ^ "ysfine.com". ysfine.com. Diakses tanggal 11 September 2015. 
  16. ^ "QUANTUM MECHANICS". geocities.com. 2009-10-26. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2009-10-26. Diakses tanggal 2016-06-13. 
  17. ^ P.A.M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, Clarendon Press, Oxford, 1930.
  18. ^ D. Hilbert Lectures on Quantum Theory, 1915–1927
  19. ^ J. von Neumann, Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik, Springer, Berlin, 1932 (English translation: Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, Princeton University Press, 1955).
  20. ^ H.Weyl "The Theory of Groups and Quantum Mechanics", 1931 (original title: "Gruppentheorie und Quantenmechanik").
  21. ^ Dirac, P.A.M. (1958). The Principles of Quantum Mechanics, 4th edition, Oxford University Press, Oxford UK, p. ix: "For this reason I have chosen the symbolic method, introducing the representatives later merely as an aid to practical calculation."
  22. ^ Greiner, Walter; Müller, Berndt (1994). Quantum Mechanics Symmetries, Second edition. Springer-Verlag. hlm. 52. ISBN 3-540-58080-8. , Chapter 1, p. 52
  23. ^ "Heisenberg - Quantum Mechanics, 1925–1927: The Uncertainty Relations". Aip.org. Diakses tanggal 2012-08-18. 
  24. ^ Michael Trott. "Time-Evolution of a Wavepacket in a Square Well — Wolfram Demonstrations Project". Demonstrations.wolfram.com. Diakses tanggal 2010-10-15. 
  25. ^ Michael Trott. "Time Evolution of a Wavepacket In a Square Well". Demonstrations.wolfram.com. Diakses tanggal 2010-10-15. 
  26. ^ Mathews, Piravonu Mathews; Venkatesan, K. (1976). A Textbook of Quantum Mechanics. Tata McGraw-Hill. hlm. 36. ISBN 0-07-096510-2. , Chapter 2, p. 36

Bukti dari mekanika kuantum

Mekanika kuantum sangat berguna untuk menjelaskan perilaku atom dan partikel subatomik seperti proton, neutron dan elektron yang tidak mematuhi hukum-hukum fisika klasik. Atom biasanya digambarkan sebagai sebuah sistem di mana elektron (yang bermuatan listrik negatif) beredar seputar nukleus atom (yang bermuatan listrik positif). Menurut mekanika kuantum, ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi (misalnya dari n=2 atau kulit atom ke-2 ) ke tingkat energi yang lebih rendah (misalnya n=1 atau kulit atom tingkat ke-1), energi berupa sebuah partikel cahaya yang disebut foton, dilepaskan. Energi yang dilepaskan dapat dirumuskan sbb:

keterangan:

  • adalah energi (J)
  • adalah tetapan Planck, (Js), dan
  • adalah frekuensi dari cahaya (Hz)

Dalam spektrometer massa, telah dibuktikan bahwa garis-garis spektrum dari atom yang di-ionisasi tidak kontinyu, hanya pada frekuensi/panjang gelombang tertentu garis-garis spektrum dapat dilihat. Ini adalah salah satu bukti dari teori mekanika kuantum.

Diperoleh dari "https://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Mekanika_kuantum&oldid=12103685"