I. PENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangMekanikamerupakan cabang ilmu fisika mengenai gaya yang bekerja pada benda, baik benda yang diam (statika) maupun benda yang bergerak (kinematika dan dinamika). Mekanika dibagi menjadi dua yaitu mekanika klasik dan mekanika kuantum. Mekanika klasik menitikberatkan pada benda-benda yang bergerak dengan kecepatan jauh dibawah kecepatan cahaya, sedangkan mekanika kuantum menitikberatkan pada benda-benda yang bergerak mendekati kecepatan cahaya.Munculnya mekanika kuantum yaitu ketika mekanika klasik tidak dapat menjelaskan fenomena mikroskopis atom-atom yang menunjukkan sifat-sifat seperti cahaya dan kegagalan dalam menjelaskan gejala-gejala subatomik. Dasar dari mekanika kuantum yaitu bahwa energi itu tidak kontinyu, tetapi diskrit atau berupa kuanta. Konsep ini bertentangan dengan mekanika klasik yang berasumsi bahwa energi itu berkesinambungan. Oleh sebab itu, dibutuhkan adanya cara pandang yang berbeda untuk menjelaskan fenomena tersebut.

1.2 Tujuan Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut :1. Mengetahui sejarah dan perkembangan teori mekanika kuantum2. Mengetahui eksperimen yang mendasari perkembangan mekanika kuantum3. Mengetahui bukti dari mekanika kuantum

II. PEMBAHASAN

2.1 Sejarah Awal dan Perkembangan Teori Mekanika KuantumMekanika klasik berawal ketika Aristoteles mengemukakan mengenai cabang mekanika yang berhubungan dengan timbal balik antara gerak dan gaya yaitu bidang dinamika. Aristoteles mengemukakan suatu pendapat tentang sifat dari berbagai benda dan memberikan alasan untuk berbagai sifat tersebut dalam daya intrinsik khusus dari benda itu sendiri. Kemudian banyak para ilmuwan lain yang mengikuti langkahnya, seperti Galileo yang menganggap beberapa penemuan Aristoteles keliru yaitu benda yang lebih berat jatuh lebih cepat daripada benda yang lebih ringan. Menurut Galileo, baik benda berat maupun ringan jatuh pada kecepatan yang sama kecuali sampai batas mereka berkurang kecepatannya akibat pergeseran udara. Penemuan Galileo yang lainnya yaitu mengenai hukum kelembaman (inersia). Selain itu, Isaac Newton juga meneliti tentang mekanika. Bergeraknya suatu benda yang berada disekitar didasarkan pada tiga hukum fundamental, yaitu hukum inersia Galileo, hukum kedua Newton dan hukum gravitasi. Di akhir abad ke-19 merupakan masa puncak dari fisika klasik, saat itu fisika klasik mempunyai dua cabang utama yaitu :1. Mekanika klasik Newtonian yang dicirikan oleh adanya partikel sebagai sesuatu yang berada di dalam ruang, dan secara sederhana dapat dikatakan sebagai adanya batas yang jelas antara materi dan sesuatu di luar atau lingkungannya.2. Teori medan elektomagnetik Maxwellian yang dicirikan oleh kuantitas medan dari gelombang yang menyebar di dalam ruang bagai kabut dengan ketebalan yang berbeda dan menipis sampai akhirnya benar-benar lenyap.

Di abad ke-19 muncul teori fisika kuantum, yang bermula ketika mekanika klasik tidak dapat menjelaskan mengenai dinamika benda mikroskopik seperti atom. Selain itu mekanika klasik juga tidak dapat menjelaskan spektrum radiasi benda hitam, efek fotolistrik, efek compton, dan difraksi elektron. Lahirnya mekanika kuantum tidak terlepas dari perkembangan-perkembangan teori atom. Mekanika kuantum bukan untuk menghapus teori atau hukum sebelumnya, melainkan untuk menyempurnakan teori atau hukum tersebut. Tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi menjadi beberapa kuanta. Ide ini secara khusus digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam. Teori klasik pada saat itu tidak dapat menjelaskan mengapa cahaya selain cahaya tampak juga dipancarkan. Hal tersebut menunjukan bahwa untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik benda tidak perlu terlalu panas, bahkan pada suhu kamar pun benda tetap dapat memancarkan gelombang elektromagnetik. Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam ini tidak dapat diterangkan oleh teori-teori mekanika yang berkembang pada saat itu. Akhirnya Planck menurunkan persamaan yang dapat menerangkan radiasi spektrum sebagai fungsi temperatur dari benda yang meradiasikannya dan menganggap bahwa radiasi ini dipancarkan tidak dalam bentuk kontinu tetapi dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta. Planck juga tidak menjelaskan mengenai keterkaitannya dengan teori klasik yaitu bahwa cahaya diradiasikan dalam bentuk gelombang bukan dalam bentuk partikel yang membuat teori tersebut tidak dapat menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini. Tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan tentang efek fotolistrik dengan didasari oleh pendapat Planck dan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton, sebuah istilah yang dikemukakan oleh Gilbert & Lewis pada tahun 1926. Menurut Einstein, foton tunggal dapat memberikan energi yang bervariasi, dengan kata lain dapat mentransfer energi lebih atau energi sisa, tetapi hanya untuk frekuensi foton tersebut. Foton Einstein dapat dikatakan memiliki frekuensi yang bervariasi dengan adanya energi, sehingga partikel tersebut menimbulkan cahaya. Einstein berhasil menjelaskan bahwa untuk membuat elektron terpancar dari permukaan logam diperlukan cahaya yang menumbuk. Cahaya tersebut harus memiliki frekuensi melebihi batas frekuensi dari logam tersebut. Efek fotolistrik tidak bergantung pada intensitas cahaya yang ditembakan seperti pada mekanika klasik, tetapi hanya bergantung pada frekuensi. Teori kuantum yang menyatakan bahwa cahaya yang teradiasi dalam bentuk paket-paket energi secara terpisah dan diserap oleh elektron secara individual berhasil menjelaskan efek fotolistrik dengan baik yaitu pada intensitas cahaya yang lemah pun bisa memancarkan elektron dari logam asalkan frekuensi cahaya yang diberikan melebihi frekuensi ambang dari logam yang di sinari. Tahun 1913, Neils Bohr mencoba menjelaskan garis-garis spektrum dari atom hidrogen dengan menggunakan teori kuantisasi. Teori ini dikemukakan untuk mendapat gambaran yang lebis jelas tentang struktur atomik yang terdapat dalam benda. Niels Bohr pada saat itu memecahkan permasalahan substansial dengan mengaplikasikan kuanta diskrit untuk orbit elektron dan solusi inilah yang kemudian menjadi model atom Bohr. Teori dasar Bohr yaitu bahwa elektron hanya dapat berputar mengelilingi atom dengan orbit tertentu yang berupa spectral line. Bohr menjelaskan bahwa orbit dari elektron dapat dijelaskan dengan menggunakan momentum angular.

Kegagalan Mekanika Klasik dan Lahirnya mekanika KuantumPage 7

dimana adalah panjang gelombang, R adalah konstanta Rydberg dan n adalah jumlah orbital antara elektron yang dapat berpindah. Model atom Bohr menjelaskan elektron sebagai partikel di dalam orbit melingkar. Niels Bohr menjelaskan bahwa antara gelombang dan partikel adalah hal yang berbeda, tetapi merupakan unsur terpenting dari cahaya. Seluruhnya merupakan bagian dari formulasi radiasi elektromagnetik yang dapat menjelaskan hal-hal yang bersifat mikroskopik yang terdapat di alam ini. Niels Bohr juga menjelaskan bahwa konsep gelombang dan partikel sama dengan konsep posisi dan momentum. Namun, ternyata teori Bohr tidak dapat menjelaskan mengapa garis spektral tertentu dapat berintensitas lebih tinggi dari yang lainnya. Selain itu, Niels Bohr juga tidak dapat menjelaskan mengenai hasil pengamatan bahwa banyak garis spektral yang sesungguhnya terdiri dari garis-garis terpisah yang panjang gelombangnya sedikit berbeda, serta tidak dapat menjelaskan bagaimana interaksi antara atom-atom penyusun ini dapat menyusun kumpulan makroskopis yang memiliki sifat fisika dan kimia seperti saat ini. Walaupun teori Bohr tidak terbukti secara eksperimen, namun hal ini dapat merubah paradigma para ilmuwan saat itu tentang gejala atomik dengan memakai pendekatan yang lebih umum. Tahun 1924, Louis de Broglie menyatakan teorinya tentang gelombang materi dengan menyatakan bahwa partikel dapat menunjukan sifat gelombang dan sebalikanya. Beliau juga menjelaskan perhitungan matematis dari penemuan Bohr dan teorema dualisme gelombang partikel dengan partikel subatomik yang memiliki gelombang dan partikel simultan. De Broglie menjelaskan model atom Bohr dengan menjelaskan elektron dalam orbital dan inti yang memiliki gelombang. Kemudian berdasarkan pemikiran de Broglie, mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925 yaitu ketika Werner Heisenberg dan Max Born mengembangkan mekanika matriks. Heisenberg menjelaskan mekanika kuantum dalam orbit elektron, karena Bohr tidak dapat menjelaskan hubungan dengan orbit tersebut. Heisenberg merumuskan prinsip ketidaktentuannya pada tahun 1927. Heisenberg mendeskripsikan mekanika kuantum secara matematis yaitu dengan menggunakan osilator anharmonik yang merupakan salah satu rumusan dari Heisenberg yaitu prinsip ketidaktentuan dua variabel yang nilainya tidak nol.Selain itu, Erwin Schrodinger pada tahun 1925 menganalisis bagaimana elektron memiliki gelombang yang mengelilingi inti, dengan menganalogikan orbit yang mengelilingi planet. Schrodinger menganggap bahwa elektron sebagai gelombang dan memiliki fungsi yang unik. Unsur dalam persamaan Schrodinger tentang fungsi gelombang dalam elektron disebut juga Bilangan Kuantum. Tahun 1926 Schrodinger menganalisis persamaan matriks Heisenberg dengan fungsi gelombang yang dibuatnya untuk memprediksi perilaku elektron.

2.2 Eksperimen yang Mendasari Perkembangan Mekanika KuantumBerikut ini adalah eksperimeneksperimen yang mendasari perkembangan mekanika kuantum, yaitu:1) Thomas Young (1805), dengan eksperimen celah ganda yang mendemonstrasikan sifat gelombang cahaya2) Henri Becquerel (1896), menemukan radioaktivitas3) Joseph John Thomson (1897), dengan eksperimen sinar katoda (menemukan elektron dan muatan negatifnya)4) Penelitian radiasi benda hitam antara 1850 sampai 1900 yang tidak dapat dijelaskan tanpa menggunakan konsep kuantum5) Albert Einstein (1905), menjelaskan tentang efek foto listrik dengan menggunakan konsep foton dan partikel cahaya dengan energi terkuantisasi6) Robert Millikan (1909), membuktikan bahwa muatan listrik terjadi dalam kuanta (seluruh inti) dengan menggunakan eksperimen tetes oli7) Ernest Rutherford (1911), menggagalkan model puding plum atom yang menyarankan bahwa muatan positif dan massa atom tersebar merata dengan menggunakan percobaan lempengan emas8) Otto Stern dan Walther Gerlach (1920), mendemonstrasikan sifat kuantisasi partikel spin yang dikenal dengan eksperimen Stern-Gerlach9) Clinton Davisson dan Lester Germer (1927), mendemonstrasikan sifat gelombang dari elektron melalui percobaan difraksi electron10) Clyde L. Cowan dan Frederick Reines (1955), menjelaskan keberadaan neutrino dalam eksperimen neutrino 11) Clauss Jonsson (1961), dengan eksperimen celah ganda menggunakan elektron 12) Efek Hall kuantum yang ditemukan oleh Klaus von Klitzing pada tahun 1980

2.3 Bukti dari Mekanika KuantumMekanika kuantum sangat berguna untuk menjelaskan mengenai atom dan partikel subatomik seperti proton, neutron, dan elektron yang tidak mematuhi hukum-hukum fisika klasik. Atom biasanya digambarkan seperti sebuah sistem, dimana elektron yang bermuatan negatif beredar di sekitar inti atom yang bermuatan positif. Menurut mekanika kuantum, ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, misalnya dari kulit atom ke-2 ke kulit atom ke-1, maka akan memancarkan atau melepaskan energi yang berupa sebuah partikel cahaya yang disebut dengan foton. Energi yang dilepaskan tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:E=hfdimana: E adalah energi (J) h adalah tetapan Planck, h=6.63 x 10-34 (Js) f adalah frekuensi cahaya (Hz)

Telah dibuktikan bahwa garis-garis spektrum dari atom yang diionisasi tidak kontinyu dalam spektrometer massa, hanya pada frekuensi atau panjang gelombang tertentu saja garis-garis spektrum dapat dilihat. Hal inilah yang merupakan salah satu bukti dari teori mekanika kuantum.

III. KESIMPULAN

Berdasarkan pembahasan yang telah dijelaskan pada makalah ini, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:1. Dasar lahirnya mekanika kuantum yaitu ketika mekanika klasik tidak dapat menjelaskan fenomena mikroskopis atom-atom yang menunjukkan sifat-sifat seperti cahaya dan kegagalan dalam menjelaskan gejala-gejala subatomik.2. Tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi menjadi beberapa paket atau kuanta yang secara khusus digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam.3. Tahun 1905, Albert Enistein menjelaskan tentang efek fotolistrik dengan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton.4. Tahun 1913, Neils Bohr menjelaskan garis-garis spektrum dari atom hidrogen dengan menggunakan teori kuantisasi.5. Tahun 1924, Louis de Broglie menyatakan teorinya tentang gelombang benda.6. Tahun 1925, Erwin Schrodinger menganalisis bagaimana elektron memiliki gelombang yang mengelilingi inti.7. Tahun 1926 Schrodinger menganalisis persamaan matriks Heisenberg dengan fungsi gelombang yang dibuatnya untuk memprediksi perilaku elektron.8. Salah satu bukti dari teori mekanika kuantum yaitu telah dibuktikan bahwa garis-garis spektrum dari atom yang diionisasi tidak kontinyu dalam spektrometer massa, hanya pada frekuensi atau panjang gelombang tertentu saja garis-garis spektrum dapat dilihat.