Teori Kuantum, dalam fisika, deskripsi partikel yang membentuk materi dan bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain dan dengan energi. Teori kuantum menjelaskan pada prinsipnya bagaimana menghitung apa yang akan terjadi dalam setiap percobaan yang melibatkan sistem fisik atau biologis, dan bagaimana memahami bagaimana dunia kita bekerja. Nama "teori kuantum" berasal dari fakta bahwa teori menjelaskan materi dan energi di alam semesta dalam hal unit terpisahkan tunggal yang disebut kuanta (kuantum tunggal). Teori kuantum berbeda dari fisika klasik. Fisika klasik adalah perkiraan seperangkat aturan dan persamaan dalam teori kuantum. Fisika klasik akurat menggambarkan perilaku materi dan energi di alam semesta sehari-hari. Misalnya, fisika klasik menjelaskan gerakan mobil mempercepat atau bola melayang di udara. Teori kuantum, di sisi lain, secara akurat dapat menggambarkan perilaku alam semesta pada skala yang lebih kecil, yang dari atom dan partikel yang lebih kecil. Aturan fisika klasik tidak menjelaskan perilaku materi dan energi pada skala kecil ini. Teori kuantum yang lebih umum daripada fisika klasik, dan pada prinsipnya, dapat digunakan untuk memprediksi perilaku apapun, kimia, atau biologi sistem fisik. Namun, menjelaskan perilaku dunia sehari-hari dengan teori kuantum terlalu rumit untuk menjadi praktis.
Teori kuantum tidak hanya menetapkan aturan baru untuk menggambarkan alam semesta, tetapi juga memperkenalkan cara-cara baru berpikir tentang materi dan energi. Partikel-partikel kecil yang menggambarkan teori kuantum tidak telah menetapkan lokasi, kecepatan, dan jalan seperti benda dijelaskan oleh fisika klasik. Sebaliknya, teori kuantum menjelaskan posisi dan properti lainnya dari partikel dalam hal kemungkinan bahwa properti akan memiliki nilai tertentu. Misalnya, memungkinkan para ilmuwan untuk menghitung seberapa besar kemungkinan itu adalah bahwa partikel akan berada dalam posisi tertentu pada waktu tertentu.
Deskripsi Quantum partikel memungkinkan para ilmuwan untuk memahami bagaimana partikel bergabung membentuk atom. Deskripsi Quantum atom membantu para ilmuwan memahami sifat-sifat kimia dan fisik molekul, atom, dan partikel subatomik. Teori Quantum memungkinkan para ilmuwan untuk memahami kondisi alam semesta awal, bagaimana Matahari bersinar, dan bagaimana atom dan molekul menentukan karakteristik dari materi yang mereka make up. Tanpa teori kuantum, para ilmuwan tidak bisa mengembangkan energi nuklir atau sirkuit listrik yang memberikan dasar untuk komputer.
Teori Quantum menjelaskan semua kekuatan-kecuali gravitasi-bahwa fisikawan telah ditemukan di alam fundamental. Pasukan bahwa teori kuantum menjelaskan adalah listrik, magnetik, yang lemah, dan kuat. Fisikawan sering menyebut kekuatan ini sebagai interaksi, karena kekuatan mengontrol cara partikel berinteraksi satu sama lain. Interaksi juga mempengaruhi perubahan spontan dalam partikel yang terisolasi.
II. GELOMBANG DAN PARTIKEL
Salah satu perbedaan mencolok antara teori kuantum dan fisika klasik adalah bahwa teori kuantum menggambarkan energi dan materi baik sebagai gelombang dan sebagai partikel. Jenis fisikawan energi belajar paling sering dengan teori kuantum cahaya. Fisika klasik menganggap cahaya menjadi hanya gelombang, dan memperlakukan masalah ketat sebagai partikel. Teori Quantum mengakui bahwa kedua cahaya dan materi dapat berperilaku seperti gelombang dan seperti partikel.
Hal ini penting untuk memahami bagaimana ilmuwan menjelaskan sifat-sifat gelombang untuk memahami bagaimana gelombang masuk ke dalam teori kuantum. Jenis akrab gelombang terjadi ketika tali terikat pada sebuah benda padat dan seseorang bergerak ujung bebas atas dan ke bawah. Gelombang perjalanan sepanjang tali. Poin tertinggi pada tali disebut puncak-puncak gelombang. Poin terendah disebut lembah. Satu gelombang penuh terdiri dari puncak dan palung. Jarak dari puncak ke crest atau dari palung ke palung-atau dari setiap titik pada satu gelombang ke titik yang sama pada gelombang-yang selanjutnya disebut panjang gelombang. Frekuensi gelombang adalah jumlah gelombang per detik yang lewat titik tertentu di sepanjang tali.
Jika gelombang merambat tali memukul akhir stasioner dan bangkit kembali, seperti gelombang air memantul dinding, dua gelombang pada tali mungkin saling bertemu, memukul tempat yang sama pada tali pada saat yang sama. Kedua gelombang akan mengganggu, atau menggabungkan (lihat Interference). Jika dua gelombang persis line up-yaitu, jika puncak-puncak dan lembah gelombang line up-gelombang mengganggu konstruktif. Ini berarti bahwa palung gelombang gabungan lebih dalam dan puncak yang lebih tinggi daripada gelombang sebelum mereka digabungkan. Jika dua gelombang diimbangi dengan persis setengah dari panjang gelombang, palung dari satu jalur gelombang dengan puncak yang lain. Keselarasan ini menciptakan merusak interferensi dua gelombang membatalkan satu sama lain dan tempat yang datar sesaat muncul pada tali. Lihat juga Gelombang Motion.
A. Cahaya sebagai Gelombang dan sebagai sebuah Partikel
Seperti fisika klasik, teori kuantum terkadang menggambarkan cahaya sebagai gelombang, karena cahaya berperilaku seperti gelombang dalam banyak situasi. Cahaya bukan getaran zat padat, seperti tali. Sebaliknya, gelombang cahaya terdiri dari getaran pada intensitas medan listrik dan medan magnet yang mengelilingi benda bermuatan listrik.
Seperti gelombang bergerak sepanjang tali, gelombang cahaya bepergian dan membawa energi. Jumlah energi tergantung pada frekuensi gelombang cahaya: semakin tinggi frekuensi, semakin tinggi energi. Frekuensi gelombang cahaya juga terkait dengan warna terang. Sebagai contoh, cahaya biru memiliki frekuensi lebih tinggi dari lampu merah. Oleh karena itu, seberkas cahaya biru memiliki lebih banyak energi daripada balok sama intens cahaya merah memiliki.
Tidak seperti fisika klasik, teori kuantum juga menjelaskan cahaya sebagai partikel. Para ilmuwan mengungkapkan aspek perilaku cahaya dalam beberapa uji coba yang dilakukan selama awal abad ke-20. Dalam satu percobaan, fisikawan menemukan sebuah interaksi antara cahaya dan partikel dalam logam. Mereka menyebut interaksi ini efek fotolistrik. Pada efek fotolistrik, seberkas cahaya bersinar pada sepotong logam membuat elektron logam memancarkan. Lampu menambah energi untuk elektron logam, memberi mereka energi yang cukup untuk membebaskan diri dari logam. Jika lampu dibuat ketat dari gelombang, masing-masing elektron dalam logam dapat menyerap banyak gelombang terus menerus cahaya dan mendapatkan lebih banyak dan lebih banyak energi. Peningkatan intensitas cahaya, atau menambahkan gelombang cahaya lebih banyak, akan menambah lebih banyak energi untuk elektron yang dipancarkan. Bersinar sinar lebih dan lebih intens cahaya pada logam akan membuat logam memancarkan elektron dengan energi lebih dan lebih.
Para ilmuwan menemukan, bagaimanapun, bahwa bersinar sinar lebih intens cahaya pada logam hanya membuat logam memancarkan lebih banyak elektron. Setiap elektron memiliki energi yang sama seperti yang dilakukan oleh elektron yang dipancarkan dengan cahaya intensitas rendah. Elektron tidak dapat berinteraksi dengan gelombang, karena gelombang menambahkan lebih tidak menambahkan lebih banyak energi untuk elektron. Sebaliknya, masing-masing elektron harus berinteraksi dengan hanya sepotong kecil dari sinar. Potongan-potongan ini adalah seperti paket-paket kecil energi cahaya, atau partikel cahaya. Ukuran, atau energi, setiap paket hanya bergantung pada frekuensi, atau warna, cahaya-tidak pada intensitas cahaya. Sebuah sinar lebih intens cahaya hanya memiliki paket lebih banyak energi cahaya, tetapi masing-masing paket berisi jumlah energi yang sama. Elektron individu bisa menyerap satu paket energi cahaya dan membebaskan diri dari logam. Peningkatan intensitas cahaya menambahkan paket lebih banyak energi untuk balok dan memungkinkan lebih banyak elektron untuk membebaskan diri-tetapi masing-masing elektron yang dipancarkan memiliki jumlah energi yang sama. Para ilmuwan hanya bisa mengubah energi dari elektron yang dipancarkan dengan mengubah frekuensi, atau warna, balok. Mengubah dari lampu merah ke biru muda, misalnya, meningkatkan energi setiap paket cahaya. Dalam hal ini, masing-masing elektron yang dipancarkan diserap paket lebih besar dari energi cahaya dan memiliki lebih banyak energi setelah pecah bebas dari logam. Dengan hasil ini, fisikawan mengembangkan model cahaya sebagai partikel, dan mereka disebut partikel cahaya foton.
Pada tahun 1922 fisikawan Amerika Arthur Compton menemukan interaksi lain, sekarang disebut efek Compton, yang mengungkapkan sifat partikel cahaya. Pada efek Compton, cahaya bertabrakan dengan elektron. Tabrakan itu mengetuk elektron dari jalur dan perubahan frekuensi, dan oleh karena itu energi, cahaya. Cahaya mempengaruhi elektron dengan cara yang sama sebuah partikel dengan momentum akan: Ini benjolan elektron dan perubahan jalur elektron. Cahaya juga dipengaruhi oleh tabrakan seolah-olah partikel, dalam energi dan momentum perubahannya.
Momentum adalah besaran yang dapat didefinisikan untuk semua partikel. Untuk partikel cahaya, atau foton, momentum tergantung pada frekuensi, atau warna, dari foton, yang pada gilirannya tergantung pada energi foton. Energi dari foton adalah sama dengan jumlah yang konstan, yang disebut konstanta Planck, kali frekuensi foton. Konstan Planck adalah nama untuk fisikawan Jerman Max Planck, yang pertama kali mengusulkan hubungan antara energi dan frekuensi. Nilai yang diterima dari konstanta Planck adalah 6,626 × 10-34 joule detik. Jumlah ini sangat kecil-ditulis, itu adalah titik desimal diikuti oleh 33 nol, diikuti oleh angka 6626. Oleh karena itu, energi dari sebuah foton tunggal sangat kecil.
Sifat ganda dari cahaya tampak membingungkan karena kita tidak memiliki pengalaman sehari-hari dengan dualitas gelombang-partikel. Gelombang fenomena sehari-hari; kita semua kenal dengan gelombang di badan air atau tali bergetar. Partikel, juga, sehari-hari benda-bola, mobil, bangunan, dan bahkan orang-orang dapat dianggap sebagai partikel. Tetapi untuk indera kita, tidak ada benda sehari-hari yang baik gelombang dan partikel. Para ilmuwan semakin menemukan bahwa aturan-aturan yang berlaku untuk dunia yang kita lihat adalah hanya perkiraan dari aturan-aturan yang mengatur dunia gaib partikel cahaya dan subatom.
B. Materi sebagai Gelombang dan Partikel
Pada tahun 1923 fisikawan Perancis Louis de Broglie mengemukakan bahwa semua partikel-bukan hanya foton-memiliki kedua gelombang dan sifat partikel. Dia menghitung bahwa setiap partikel memiliki panjang gelombang (diwakili oleh λ, huruf Yunani lambda) sama dengan konstanta Planck (h) dibagi dengan momentum (p) partikel: λ = h / p. Elektron, atom, dan semua partikel lainnya telah de Broglie panjang gelombang. Momentum suatu benda tergantung pada kecepatan dan massa, sehingga lebih cepat dan lebih berat suatu benda, semakin besar momentum (p) akan. Karena konstanta Planck (h) adalah jumlah yang sangat kecil, Broglie panjang gelombang de (h / p) dari setiap objek terlihat adalah sangat kecil. Bahkan, Broglie panjang gelombang de apa pun jauh lebih besar daripada atom lebih kecil dari ukuran satu atom nya. Sebagai contoh, Broglie panjang gelombang de dari bisbol bergerak di 150 km / h (90 mph) adalah 1,1 × 10-34 m (3,6 × 10-34 ft). Diameter atom hidrogen (atom paling sederhana dan paling kecil) adalah sekitar 5 × 10-11 m (sekitar 2 × 10-10 ft), lebih dari 100 miliar triliun kali lebih besar dari panjang gelombang de Broglie dari bisbol. The de Broglie panjang gelombang benda sehari-hari sangat kecil bahwa sifat gelombang benda-benda ini tidak mempengaruhi perilaku mereka terlihat, sehingga dualitas gelombang-partikel mereka tidak terdeteksi kepada kami.
De Broglie panjang gelombang menjadi penting ketika massa, dan karena itu momentum, partikel sangat kecil. Partikel ukuran atom dan elektron memiliki sifat seperti gelombang dibuktikan. Salah satu demonstrasi yang paling dramatis dan menarik dari perilaku gelombang elektron berasal dari percobaan celah-ganda. Penelitian ini terdiri dari penghalang diatur antara sumber elektron dan detektor elektron. Penghalang berisi dua celah, masing-masing sekitar lebar Broglie panjang gelombang de elektron. Pada skala kecil ini, sifat gelombang elektron menjadi jelas, seperti yang dijelaskan dalam paragraf berikut.
Para ilmuwan dapat menentukan apakah elektron berperilaku seperti gelombang atau partikel seperti dengan membandingkan hasil percobaan celah-ganda dengan orang-orang dari percobaan serupa dilakukan dengan gelombang terlihat dan partikel. Untuk menetapkan bagaimana gelombang terlihat berperilaku dalam alat celah-ganda, fisikawan dapat menggantikan sumber elektron dengan perangkat yang menciptakan gelombang dalam tangki air. Celah di penghalang sekitar selebar panjang gelombang dari gelombang air. Dalam percobaan ini, gelombang menyebar bola yang dari sumbernya sampai mereka memukul penghalang. Gelombang melewati celah dan menyebar keluar lagi, menghasilkan dua front gelombang baru dengan pusat terpisah sejauh celah yang. Kedua set baru gelombang mengganggu satu sama lain saat mereka melakukan perjalanan menuju detektor di ujung tangki.
Gelombang mengganggu konstruktif di beberapa tempat (menambahkan bersama-sama) dan destruktif pada orang lain (membatalkan satu sama lain). Yang paling intens gelombang-yaitu, yang dibentuk oleh paling konstruktif gangguan-hit detektor di tempat yang berlawanan titik tengah antara dua celah. Gelombang kuat membentuk puncak intensitas pada detektor. Di kedua sisi puncak ini, gelombang destruktif mengganggu dan membatalkan satu sama lain, menciptakan sebuah titik rendah dalam intensitas. Selanjutnya keluar dari titik-titik rendah, gelombang lebih lemah, tapi mereka secara konstruktif mengganggu lagi dan membuat dua puncak intensitas, lebih kecil dari puncak besar di tengah. Intensitas kemudian turun lagi sebagai gelombang destruktif mengganggu. Intensitas gelombang membentuk pola simetris pada detektor, dengan puncak besar di seberang titik tengah antara celah dan bolak poin rendah dan puncak yang lebih kecil dan lebih kecil di kedua sisi.
Untuk melihat bagaimana partikel berperilaku dalam percobaan celah-ganda, fisikawan mengganti air dengan kelereng. Celah penghalang sekitar lebar marmer, sebagai titik percobaan ini adalah untuk memungkinkan partikel (dalam hal ini, kelereng) untuk melewati penghalang. Kelereng yang dimasukkan ke dalam gerak dan melewati penghalang, mencolok detektor di ujung aparatur. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kelereng tidak mengganggu satu sama lain atau dengan diri mereka sendiri seperti gelombang lakukan. Sebaliknya, kelereng menyerang detektor yang paling sering di dua titik tepat di seberang setiap celah.
Ketika fisikawan melakukan percobaan celah-ganda dengan elektron, pola deteksi cocok dengan yang dihasilkan oleh ombak, bukan kelereng. Hasil ini menunjukkan bahwa elektron memiliki sifat gelombang. Namun, jika para ilmuwan menjalankan percobaan menggunakan penghalang yang celah yang lebih luas dibandingkan dengan panjang gelombang de Broglie dari elektron, pola menyerupai satu diproduksi oleh kelereng. Hal ini menunjukkan bahwa partikel kecil seperti elektron berperilaku seperti gelombang dalam beberapa keadaan dan sebagai partikel pada orang lain.
C. Prinsip Ketidakpastian
Sebelum pengembangan teori kuantum, fisikawan berasumsi bahwa, dengan peralatan yang sempurna dalam kondisi sempurna, mengukur kuantitas fisik seakurat mungkin diinginkan. Persamaan mekanika kuantum menunjukkan bahwa pengukuran yang akurat dari kedua posisi dan momentum sebuah partikel pada saat yang sama adalah mustahil. Aturan ini disebut prinsip ketidakpastian Heisenberg setelah fisikawan Jerman Werner Heisenberg, yang berasal dari aturan lain dari teori kuantum. Prinsip ketidakpastian berarti bahwa sebagai fisikawan mengukur posisi partikel dengan lebih dan lebih akurat, momentum partikel menjadi kurang dan kurang tepat, atau lebih dan lebih pasti, dan sebaliknya.
Heisenberg secara resmi menyatakan prinsipnya dengan menggambarkan hubungan antara ketidakpastian dalam pengukuran posisi partikel dan ketidakpastian dalam pengukuran momentum. Heisenberg mengatakan bahwa ketidakpastian dalam posisi (diwakili oleh Ax) kali ketidakpastian dalam momentum (diwakili oleh AP ;) harus lebih besar dari jumlah yang konstan sama dengan konstanta Planck (h) dibagi dengan 4p (p adalah konstan kurang lebih sama dengan 3.14) . Secara matematis, prinsip ketidakpastian dapat ditulis sebagai Ax AP> h / 4p. Hubungan ini berarti bahwa sebagai seorang ilmuwan mengukur posisi partikel lebih dan lebih akurat-sehingga ketidakpastian dalam posisinya menjadi sangat kecil-ketidakpastian dalam momentum harus menjadi besar untuk mengimbangi dan membuat ungkapan ini benar. Demikian juga, jika ketidakpastian dalam momentum, AP, menjadi kecil, Ax harus menjadi besar untuk membuat ekspresi yang benar.
Salah satu cara untuk memahami prinsip ketidakpastian adalah untuk mempertimbangkan sifat ganda gelombang-partikel cahaya dan materi. Fisikawan dapat mengukur posisi dan momentum dari sebuah atom dengan memantulkan cahaya dari atom. Jika mereka memperlakukan cahaya sebagai sebuah gelombang, mereka harus mempertimbangkan properti gelombang disebut difraksi ketika mengukur posisi atom. Difraksi terjadi ketika gelombang menghadapi obyek-gelombang tikungan di sekitar objek bukannya bepergian dalam garis lurus. Jika panjang gelombang jauh lebih pendek dari ukuran objek, pembengkokan gelombang hanya di tepi objek tidak menjadi masalah. Sebagian besar gelombang bangkit kembali dan memberikan pengukuran yang akurat dari posisi objek. Jika panjang gelombang dekat dengan ukuran objek, namun, sebagian besar gelombang lentur, membuat pengukuran posisi objek fuzzy. Fisikawan harus bangkit gelombang pendek dan lebih pendek dari sebuah atom untuk mengukur posisinya lebih akurat. Menggunakan panjang gelombang lebih pendek dari cahaya, bagaimanapun, meningkatkan ketidakpastian dalam pengukuran momentum atom.
Cahaya membawa energi dan momentum, karena sifat partikelnya (dijelaskan dalam efek Compton). Foton yang menyerang atom yang diukur akan mengubah energi atom dan momentum. Fakta bahwa mengukur obyek juga mempengaruhi objek merupakan prinsip penting dalam teori kuantum. Biasanya mempengaruhi begitu kecil tidak masalah, tapi pada skala kecil atom, menjadi penting. Benjolan untuk atom meningkatkan ketidakpastian dalam pengukuran momentum atom. Cahaya dengan lebih banyak energi dan momentum akan menjatuhkan atom lebih keras dan menciptakan ketidakpastian lebih. Momentum cahaya sama dengan konstanta Planck dibagi dengan panjang gelombang cahaya, atau p = h / λ. Fisikawan dapat meningkatkan panjang gelombang untuk mengurangi momentum cahaya dan mengukur momentum atom lebih akurat. Karena difraksi, bagaimanapun, meningkatkan panjang gelombang cahaya yang meningkatkan ketidakpastian dalam pengukuran posisi atom. Fisikawan paling sering menggunakan prinsip ketidakpastian yang menggambarkan hubungan antara posisi dan momentum, tetapi hubungan ketidakpastian yang sama dan penting juga ada antara pengukuran energi dan pengukuran waktu.
III. PROBABILITAS DAN GELOMBANG FUNGSI
Teori Quantum memberikan jawaban yang tepat atas banyak pertanyaan, tetapi hanya dapat memberikan probabilitas untuk beberapa nilai. Probabilitas A adalah kemungkinan jawaban menjadi nilai tertentu. Probabilitas sering diwakili oleh grafik, dengan titik tertinggi pada grafik yang mewakili nilai yang paling mungkin dan terendah mewakili nilai paling tidak mungkin. Sebagai contoh, grafik yang menunjukkan kemungkinan menemukan elektron dari atom hidrogen pada jarak tertentu dari inti terlihat seperti berikut:
Inti atom berada pada sebelah kiri grafik. Probabilitas untuk menemukan elektron sangat dekat inti sangat rendah. Probabilitas mencapai puncak yang pasti, menandai tempat di mana elektron paling mungkin.
Para ilmuwan menggunakan ekspresi matematika yang disebut fungsi gelombang untuk menggambarkan karakteristik partikel yang berhubungan dengan waktu dan ruang-seperti posisi dan kecepatan. Fungsi gelombang membantu menentukan kemungkinan aspek ini menjadi nilai-nilai tertentu. Fungsi gelombang partikel adalah tidak sama dengan gelombang disarankan oleh dualitas gelombang-partikel. Sebuah fungsi gelombang secara ketat dengan cara matematis mengungkapkan karakteristik partikel. Fisikawan biasanya merupakan jenis fungsi gelombang dengan huruf psi Yunani, Ψ. Fungsi gelombang elektron dalam atom hidrogen adalah:
Fungsi gelombang yang dijelaskan di atas tidak tergantung pada waktu. Sebuah atom hidrogen terisolasi tidak berubah dari waktu ke waktu, sehingga menyisakan waktu dari fungsi gelombang atom dapat diterima. Untuk partikel dalam sistem yang berubah dari waktu ke waktu, fisikawan menggunakan fungsi gelombang yang bergantung pada waktu. Hal ini memungkinkan mereka menghitung bagaimana sistem dan sifat partikel berubah seiring waktu. Fisikawan mewakili fungsi gelombang bergantung-waktu dengan Ψ (t), dimana t merupakan waktu.
Fungsi gelombang untuk atom tunggal hanya dapat mengungkapkan kemungkinan bahwa atom akan memiliki satu set tertentu karakteristik pada waktu tertentu. Fisikawan menyebut himpunan karakteristik yang menggambarkan sebuah atom keadaan atom. Fungsi gelombang tidak dapat menggambarkan keadaan sebenarnya dari atom, hanya probabilitas bahwa atom akan berada dalam keadaan tertentu.
Fungsi gelombang partikel individu dapat ditambahkan bersama-sama untuk menciptakan sebuah fungsi gelombang untuk sistem, sehingga teori kuantum memungkinkan fisikawan untuk memeriksa banyak partikel sekaligus. Aturan negara probabilitas bahwa probabilitas dan nilai-nilai yang sebenarnya sesuai dengan lebih baik dan lebih baik karena jumlah partikel (atau dadu dilemparkan, atau koin melemparkan, apa pun kemungkinan mengacu pada) meningkat. Oleh karena itu, jika fisikawan menganggap kelompok besar atom, fungsi gelombang untuk kelompok atom memberikan informasi yang lebih pasti dan berguna daripada yang disediakan oleh fungsi gelombang dari atom tunggal.
Contoh dari fungsi gelombang untuk atom tunggal adalah salah satu yang menggambarkan sebuah atom yang telah menyerap beberapa energi. Energi telah mendorong elektron atom ke tingkat energi yang lebih tinggi, dan atom dikatakan dalam keadaan tereksitasi. Hal ini dapat kembali ke keadaan yang normal tanah (atau keadaan energi terendah) dengan memancarkan energi dalam bentuk foton. Ilmuwan menyebut fungsi gelombang awal keluar negara Ψi (dengan "i" yang menunjukkan itu adalah keadaan awal) dan fungsi gelombang keadaan dasar akhir Ψf (dengan "f" mewakili keadaan akhir). Untuk menggambarkan negara atom dari waktu ke waktu, mereka berkembang biak Ψi oleh beberapa fungsi, (t), yang berkurang dengan waktu, karena kemungkinan atom berada dalam keadaan tereksitasi penurunan dengan waktu. Mereka kalikan Ψf oleh beberapa fungsi, b (t), yang meningkat dengan waktu, karena kemungkinan atom berada di negara ini meningkat dengan waktu. Fisikawan menyelesaikan perhitungan memilih (t) dan b (t) berdasarkan karakteristik dari sistem. Persamaan gelombang lengkap untuk transisi adalah sebagai berikut:
Ψ = a(t) Ψi + b(t) Ψf.
Setiap saat, aturan negara probabilitas bahwa kemungkinan menemukan atom tunggal baik negara ditemukan dengan mengalikan koefisien fungsi gelombang nya (a (t) atau b (t)) dengan sendirinya. Untuk satu atom, ini tidak memberikan jawaban yang sangat memuaskan. Meskipun fisikawan tahu probabilitas untuk menemukan atom dalam satu negara atau yang lain, apakah realitas akan cocok kemungkinan masih jauh dari pasti. Ide ini mirip dengan bergulir sepasang dadu. Ada 1 di 6 kesempatan bahwa gulungan akan menambahkan hingga tujuh, yang merupakan jumlah paling mungkin. Setiap roll acak, bagaimanapun, dan tidak terhubung ke gulungan sebelum. Tidak akan mengherankan jika sepuluh gulungan dadu gagal untuk menghasilkan jumlah tujuh. Namun, jumlah sebenarnya kali tujuh muncul sesuai probabilitas yang lebih baik karena jumlah gulungan meningkat. Untuk satu juta atau satu miliar gulungan dadu, satu dari setiap enam gulungan hampir pasti menambahkan hingga tujuh.
Demikian pula, untuk sejumlah besar atom, probabilitas menjadi persentase perkiraan atom di setiap negara, dan persentase ini menjadi lebih akurat sebagai jumlah atom mengamati peningkatan. Sebagai contoh, jika alun-alun dari (t) pada waktu tertentu adalah 0,2, maka dalam sampel yang sangat besar atom, 20 persen (0,2) dari atom akan berada dalam keadaan awal dan 80 persen (0,8) akan di keadaan akhir.
Salah satu hasil yang paling membingungkan mekanika kuantum adalah efek dari pengukuran pada sistem kuantum. Sebelum ilmuwan mengukur karakteristik partikel, karakteristiknya tidak memiliki nilai-nilai yang pasti. Sebaliknya, mereka digambarkan oleh fungsi gelombang, yang memberikan karakteristik hanya probabilitas sebagai fuzzy. Akibatnya, partikel tidak ada di lokasi yang tepat sampai seorang ilmuwan mengukur posisinya. Mengukur partikel perbaikan karakteristik pada nilai-nilai tertentu, secara efektif "runtuh" fungsi gelombang partikel. Posisi partikel tidak lagi kabur, sehingga fungsi gelombang yang menggambarkan ia memiliki satu tinggi, puncak tajam probabilitas. Jika posisi sebuah partikel baru saja diukur, grafik kepadatan probabilitas terlihat seperti berikut:
Pada 1930 fisikawan diusulkan percobaan imajiner untuk menunjukkan bagaimana pengukuran menyebabkan komplikasi dalam mekanika kuantum. Mereka membayangkan sebuah sistem yang berisi dua partikel dengan nilai-nilai yang berlawanan spin, properti partikel yang analog dengan momentum sudut. Para ahli fisika dapat mengetahui bahwa dua partikel memiliki spin berlawanan dengan menetapkan total spin sistem menjadi nol. Mereka bisa mengukur total berputar tanpa secara langsung mengukur spin dari partikel baik. Karena mereka belum mengukur spin baik partikel, spin tidak benar-benar telah mendefinisikan nilai-nilai. Mereka ada probabilitas hanya sebagai fuzzy. Spin hanya mengambil nilai-nilai yang pasti ketika para ilmuwan mengukur mereka.
Dalam percobaan hipotetis ini para ilmuwan tidak mengukur spin dari setiap partikel segera. Mereka mengirim dua partikel, yang disebut sepasang terjerat, ke arah yang berlawanan sampai mereka jauh terpisah dari satu sama lain. Para ilmuwan kemudian mengukur spin dari salah satu partikel, memperbaiki nilainya. Seketika, spin dari partikel lain menjadi dikenal dan tetap. Hal ini tidak lagi kemungkinan kabur tetapi harus kebalikan dari partikel lain, sehingga mereka berputar akan menambah nol. Seolah-olah partikel pertama berkomunikasi dengan kedua. Ini lewat sesaat jelas informasi dari satu partikel ke yang lain akan melanggar aturan yang ada, bahkan tidak informasi, dapat melakukan perjalanan lebih cepat dari kecepatan cahaya. Kedua partikel tidak, bagaimanapun, berkomunikasi satu sama lain. Fisikawan seketika dapat mengetahui spin dari partikel kedua karena mereka menetapkan total spin sistem menjadi nol pada awal percobaan. Pada tahun 1997 peneliti Austria melakukan percobaan yang mirip dengan percobaan hipotetis tahun 1930-an, membenarkan efek pengukuran pada sistem kuantum.
IV. ATOM KUANTUM
Pencapaian besar pertama dari teori kuantum adalah untuk menjelaskan bagaimana atom bekerja. Fisikawan ditemukan menjelaskan struktur atom dengan fisika klasik tidak mungkin. Atom terdiri dari elektron bermuatan negatif terikat dengan inti bermuatan positif. Inti atom mengandung partikel bermuatan positif disebut proton dan mungkin berisi partikel netral disebut neutron. Proton dan neutron adalah tentang ukuran yang sama tetapi jauh lebih besar dan lebih berat dari elektron. Fisika klasik menggambarkan atom hidrogen sebagai elektron yang mengorbit proton, sebanyak Bulan mengorbit Bumi. Dengan aturan fisika klasik, elektron memiliki sifat yang disebut inersia yang membuatnya ingin terus bepergian dalam garis lurus. Kekuatan listrik menarik dari proton bermuatan positif mengatasi inersia ini dan tikungan jalan elektron ke dalam lingkaran, sehingga tinggal di orbit tertutup. Teori klasik elektromagnetik mengatakan bahwa partikel bermuatan (seperti elektron) memancarkan energi ketika mereka menekuk jalan mereka. Jika fisika klasik diterapkan pada atom, elektron akan memancarkan segala energinya. Ini akan memperlambat dan orbitnya akan runtuh ke proton dalam sepersekian detik. Namun, fisikawan tahu bahwa atom bisa stabil selama berabad-abad atau lebih.
Teori Quantum memberikan model atom yang menjelaskan stabilitas. Ini masih memperlakukan atom sebagai elektron mengelilingi inti, tetapi elektron tidak mengorbit inti seperti bulan yang mengorbit planet. Mekanika kuantum memberikan lokasi elektron sebagai probabilitas bukan penentuan itu pada posisi tertentu. Meskipun posisi sebuah elektron tidak pasti, teori kuantum melarang elektron dari berada di beberapa tempat. Cara termudah untuk menggambarkan perbedaan antara diperbolehkan dan dilarang posisi elektron dalam atom adalah untuk memikirkan elektron sebagai gelombang. Dualitas gelombang-partikel teori kuantum memungkinkan elektron digambarkan sebagai gelombang, menggunakan panjang gelombang de Broglie elektron.
Jika elektron digambarkan sebagai gelombang terus menerus, gerakannya dapat digambarkan sebagai yang dari gelombang berdiri. Berdiri gelombang terjadi ketika gelombang terus menerus menempati salah satu set jarak tertentu. Jarak ini memungkinkan gelombang untuk mengganggu dirinya dalam sedemikian rupa sehingga gelombang muncul untuk tetap diam. Memetik string alat musik membuat sebuah gelombang berdiri dalam string yang membuat string beresonansi dan menghasilkan suara. Panjang string, atau jarak gelombang pada string menempati, adalah sama dengan seluruh atau setengah jumlah panjang gelombang. Pada jarak ini, gelombang memantul kembali di kedua ujung dan konstruktif mengganggu dengan dirinya sendiri, yang memperkuat gelombang. Demikian pula, gelombang elektron menempati jarak sekitar inti atom, atau keliling, yang memungkinkannya untuk melakukan perjalanan secara keseluruhan atau setengah jumlah panjang gelombang sebelum perulangan kembali pada dirinya sendiri. Oleh karena itu, gelombang elektron konstruktif mengganggu dengan dirinya sendiri dan tetap stabil:
Sebuah gelombang elektron tidak dapat menempati jarak yang tidak sama dengan seluruh nomor atau setengah dari panjang gelombang. Dalam jarak seperti ini, gelombang akan mengganggu dirinya dalam cara yang rumit, dan akan menjadi tidak stabil:
Sebuah elektron memiliki sejumlah energi ketika gelombang yang menempati salah satu lingkar diperbolehkan di sekitar inti atom. Energi ini tergantung pada jumlah panjang gelombang dalam lingkar, dan itu disebut tingkat energi elektron. Karena hanya keliling tertentu, dan karena itu tingkat energi, diperbolehkan, fisikawan mengatakan bahwa tingkat energi yang terkuantisasi. Kuantisasi ini berarti bahwa energi dari tingkat hanya dapat mengambil nilai-nilai tertentu.
Daerah ruang di mana elektron paling mungkin ditemukan disebut orbital. Orbital terlihat seperti fuzzy, bentuk tiga dimensi. Lebih dari satu orbital, yang berarti lebih dari satu bentuk, mungkin ada pada tingkat energi tertentu. Orbital elektron juga terkuantisasi, yang berarti bahwa hanya bentuk tertentu yang diperbolehkan dalam setiap tingkat energi. Kuantisasi orbital elektron dan tingkat energi dalam atom menjelaskan stabilitas atom. Sebuah elektron di tingkat energi yang memungkinkan hanya satu panjang gelombang berada pada tingkat energi terendah. Sebuah atom dengan semua elektron dalam tingkat energi serendah mungkin mereka dikatakan dalam keadaan dasar. Kecuali itu dipengaruhi oleh kekuatan eksternal, sebuah atom akan tinggal di keadaan dasar selamanya.
Kuantum teori penjelasan atom menyebabkan pemahaman yang lebih dalam tabel periodik unsur-unsur kimia. Tabel periodik unsur-unsur adalah bagan dari unsur yang dikenal. Para ilmuwan awalnya diatur unsur-unsur dalam tabel ini dalam rangka peningkatan nomor atom (yang sama dengan jumlah proton dalam inti atom setiap elemen) dan sesuai dengan sifat kimia dari unsur-unsur. Mereka dikelompokkan unsur-unsur yang berperilaku dengan cara yang sama bersama-sama dalam kolom. Para ilmuwan menemukan bahwa unsur-unsur yang berperilaku sama terjadi secara periodik sesuai dengan nomor atom mereka. Sebagai contoh, sebuah keluarga dari elemen yang disebut gas mulia semua berbagi sifat kimia yang mirip. Gas-gas mulia termasuk neon, xenon, dan argon. Mereka tidak mudah bereaksi dengan unsur-unsur lain dan hampir tidak pernah ditemukan dalam senyawa kimia. Nomor atom gas mulia meningkat dari satu elemen ke depan dengan cara periodik. Mereka termasuk ke dalam kolom yang sama di tepi paling kanan dari tabel periodik.
Teori kuantum menunjukkan bahwa sifat kimia suatu unsur yang tidak ada hubungannya dengan inti atom elemen, melainkan tergantung pada jumlah dan susunan elektron dalam setiap atom. Sebuah atom memiliki jumlah elektron yang sama seperti proton, membuat atom netral. Susunan elektron dalam sebuah atom bergantung pada dua bagian penting dari teori kuantum. Yang pertama adalah kuantisasi energi elektron, yang membatasi daerah ruang bahwa elektron dapat menempati. Bagian kedua adalah aturan yang disebut prinsip eksklusi Pauli, pertama kali diusulkan oleh fisikawan kelahiran Austria Swiss Wolfgang Pauli.
The prinsip eksklusi Pauli menyatakan bahwa tidak ada elektron dapat memiliki persis karakteristik sama dengan elektron lain. Karakteristik ini meliputi orbital, arah rotasi (disebut spin), dan arah orbit. Setiap tingkat energi dalam atom memiliki satu set cara karakteristik ini dapat menggabungkan. Jumlah kombinasi menentukan seberapa banyak elektron dapat menempati tingkat energi sebelum elektron harus mulai mengisi tingkat berikutnya.
Sebuah atom adalah yang paling stabil ketika memiliki sedikit energi, sehingga tingkat energi terendah isi dengan elektron pertama. Setiap tingkat energi harus diisi sebelum elektron mulai mengisi tingkat berikutnya. Aturan-aturan ini, dan aturan teori kuantum, menentukan berapa banyak elektron atom memiliki di setiap tingkat energi, dan khususnya, berapa banyak yang telah di tingkat terluar. Menggunakan model mekanik kuantum dari atom, fisikawan menemukan bahwa semua elemen dalam kolom yang sama dari tabel periodik juga memiliki jumlah yang sama elektron pada tingkat energi terluar atom mereka. Teori kuantum menunjukkan bahwa jumlah elektron pada tingkat terluar atom menentukan sifat kimia atom, atau bagaimana ia akan bereaksi dengan atom lain.
Jumlah elektron pada tingkat energi luar atom adalah penting karena atom-atom yang paling stabil saat tingkat energi terluarnya diisi, yang merupakan kasus untuk atom gas mulia. Atom meniru gas mulia dengan menyumbangkan elektron untuk, mengambil elektron dari, atau berbagi elektron dengan atom lain. Jika tingkat energi luar atom hanya terisi sebagian, maka akan dengan mudah ikatan dengan atom yang dapat membantu mengisi tingkat terluar. Atom yang hilang jumlah yang sama elektron dari tingkat energi terluarnya akan bereaksi sama untuk mengisi tingkat energi terluarnya.
Teori kuantum juga menjelaskan mengapa atom yang berbeda memancarkan dan menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeda. Sebuah atom menyimpan energi dalam elektron. Sebuah atom dengan semua elektron pada tingkat energi serendah mungkin mereka memiliki energi terendah mungkin dan dikatakan dalam keadaan dasar. Salah satu cara atom dapat memperoleh lebih banyak energi untuk menyerap cahaya dalam bentuk foton, atau partikel cahaya. Ketika foton hits atom, salah satu elektron atom menyerap foton. Energi foton membuat lompatan elektron dari tingkat energi semula sampai ke tingkat energi yang lebih tinggi. Melompat ini meninggalkan ruang kosong di tingkat energi asli batin, membuat atom kurang stabil. Atom ini sekarang dalam keadaan gembira, tetapi tidak dapat menyimpan energi baru tanpa batas waktu, karena atom selalu mencari negara yang paling stabil mereka. Ketika atom melepaskan energi, elektron turun kembali ke tingkat energi semula. Seperti halnya, elektron melepaskan foton.
Teori Quantum mendefinisikan tingkat energi yang mungkin dari sebuah atom, sehingga mendefinisikan tertentu melompat bahwa sebuah elektron dapat membuat antara tingkat energi. Perbedaan antara tingkat energi lama dan baru dari elektron adalah sama dengan jumlah energi toko atom. Karena tingkat energi yang terkuantisasi, atom hanya dapat menyerap dan menyimpan foton dengan jumlah tertentu energi. Energi foton berkaitan dengan frekuensi, atau warna. Sebagai frekuensi foton meningkat, peningkatan energi mereka. Atom hanya dapat menyerap sejumlah tertentu energi, sehingga hanya frekuensi tertentu dari cahaya dapat merangsang atom. Demikian juga, hanya atom memancarkan frekuensi tertentu dari cahaya ketika mereka turun ke keadaan dasar mereka. Frekuensi yang berbeda tersedia untuk atom yang berbeda membantu para astronom, misalnya, menentukan susunan kimiawi dari sebuah bintang dengan mengamati panjang gelombang yang terutama lemah atau kuat dalam cahaya bintang. Lihat juga Spektroskopi.
V. PERKEMBANGAN TEORI QUANTUM
Perkembangan teori kuantum dimulai dengan usulan fisikawan Jerman Max Planck pada tahun 1900 hal ini dapat memancarkan atau menyerap energi hanya dalam jumlah kecil, paket diskrit, disebut quanta. Ide ini memperkenalkan sifat partikel cahaya. Pada tahun 1905 kelahiran Jerman fisikawan Amerika Albert Einstein menggunakan karya Planck untuk menjelaskan efek fotolistrik, di mana cahaya memukul logam membuat logam memancarkan elektron. Fisikawan Inggris Ernest Rutherford membuktikan bahwa atom terdiri dari elektron terikat inti pada tahun 1911. Pada tahun 1913 fisikawan Denmark Niels Bohr mengusulkan bahwa mekanika klasik tidak bisa menjelaskan struktur atom dan mengembangkan model atom dengan elektron dalam orbit tetap. Model Bohr atom terbukti sulit untuk diterapkan ke semua tapi atom sederhana.
Pada tahun 1923 fisikawan Perancis Louis de Broglie mengemukakan bahwa materi bisa digambarkan sebagai sebuah gelombang, seperti terang bisa digambarkan sebagai sebuah partikel. Model gelombang elektron memungkinkan fisikawan Austria Erwin Schrödinger untuk mengembangkan metode matematika untuk menentukan kemungkinan bahwa sebuah elektron akan berada di tempat tertentu pada waktu tertentu. Schrödinger diterbitkan teorinya tentang gelombang mekanik pada tahun 1926. Sekitar waktu yang sama, fisikawan Jerman Werner Heisenberg mengembangkan cara menghitung karakteristik elektron yang cukup berbeda dari metode Schrödinger tetapi menghasilkan hasil yang sama. Metode Heisenberg disebut mekanika matriks.
Pada tahun 1925 kelahiran Austria fisikawan Wolfgang Pauli Swiss mengembangkan prinsip eksklusi Pauli, yang memungkinkan fisikawan untuk menghitung struktur atom kuantum untuk pertama kalinya. Pada tahun 1926 Heisenberg dan dua rekannya, fisikawan Jerman Max Born dan Ernst Pascual Jordan, menerbitkan sebuah teori yang menggabungkan prinsip-prinsip teori kuantum dengan teori klasik cahaya (disebut elektrodinamika). Heisenberg membuat kontribusi penting lain untuk teori kuantum pada tahun 1927 ketika ia memperkenalkan prinsip ketidakpastian Heisenberg.
Karena ini terobosan pertama dalam penelitian kuantum mekanik, fisikawan telah berfokus pada teori kuantum pengujian dan pemurnian, selanjutnya menghubungkan teori dengan teori lain, dan menemukan aplikasi baru. Pada tahun 1928 fisikawan Inggris Paul Dirac halus teori yang dikombinasikan dengan teori kuantum elektrodinamika. Ia mengembangkan model elektron yang konsisten dengan teori kuantum dan teori khusus relativitas Einstein, dan dengan berbuat demikian ia menciptakan sebuah teori yang kemudian dikenal sebagai elektrodinamika kuantum, atau QED. Pada awal 1950-an fisikawan Jepang Tomonaga Shin'Ichiro dan fisikawan Amerika Richard Feynman dan Julian Schwinger masing-masing secara independen meningkatkan pemahaman komunitas ilmiah tentang QED dan membuat teori eksperimental diuji yang berhasil memprediksi atau menjelaskan hasil dari banyak percobaan.
VI. PENELITIAN SAAT INI DAN APLIKASINYA
Pada pergantian abad ke-21, fisikawan masih menemukan masalah baru untuk belajar dengan teori kuantum dan aplikasi baru untuk teori kuantum. Penelitian ini mungkin akan terus selama beberapa dekade. Teori Quantum secara teknis teori-pertanyaan dirumuskan sepenuhnya tentang dunia fisik dapat dihitung dengan menggunakan mekanika kuantum, namun ada juga yang terlalu rumit untuk memecahkan dalam praktek. Upaya untuk menemukan penjelasan kuantum gravitasi dan untuk menemukan penjelasan terpadu dari semua kekuatan di alam adalah daerah yang menjanjikan dan aktif penelitian. Para peneliti mencoba untuk mencari tahu mengapa teori kuantum menjelaskan cara alam bekerja-mereka mungkin tidak pernah menemukan jawaban, tetapi upaya untuk melakukannya sedang berlangsung. Fisikawan juga mempelajari daerah rumit tumpang tindih antara fisika dan kuantum mekanik klasik dan bekerja pada aplikasi mekanika kuantum.
Mempelajari persimpangan teori kuantum dan fisika klasik memerlukan mengembangkan teori yang dapat memprediksi bagaimana sistem kuantum akan berperilaku seperti mereka mendapatkan lebih besar atau sebagai jumlah partikel yang terlibat mendekati ukuran masalah yang dijelaskan oleh fisika klasik. Ini melibatkan matematika sangat sulit, tetapi fisikawan terus maju dalam penelitian mereka. Terus-menerus meningkatkan kekuatan komputer harus terus membantu para ilmuwan dengan perhitungan ini.
Penelitian baru dalam teori kuantum juga menjanjikan aplikasi baru dan perbaikan aplikasi dikenal. Salah satu aplikasi yang paling berpotensi kuat adalah komputasi kuantum. Dalam komputasi kuantum, para ilmuwan memanfaatkan perilaku partikel subatomik untuk melakukan perhitungan. Membuat perhitungan pada tingkat atom, sebuah komputer kuantum secara teoritis bisa menyelidiki semua kemungkinan jawaban atas permintaan pada saat yang sama dan membuat banyak perhitungan secara paralel. Kemampuan ini akan membuat komputer kuantum ribuan atau bahkan jutaan kali lebih cepat daripada komputer saat ini. Kemajuan dalam teori kuantum juga menjanjikan untuk bidang optik, kimia, dan teori atom.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar
You are not allowed to comment on this blog without the author's permission.
This blog is a personal diary and not a public discussion forum.
All posts on this blog posted by non-commercial purposes.
Anda dilarang untuk mengomentari blog ini tanpa ijin penulis.
Blog ini adalah buku harian pribadi dan bukan forum diskusi publik.
Semua tulisan pada blog ini dipublikasikan dengan tujuan non-komersial.
Catatan: Hanya anggota dari blog ini yang dapat mengirim komentar.