Sejarah Teori Kuantum. Garis Waktu

(1)

Pendidikan Fisika http://pf.uad.ac.id

Kuliah Sejarah Fisika

Rachmad Resmiyanto

http://rachmadresmi.staff.uad.ac.id

Sejarah Teori Kuantum

Garis Waktu

1900:

Max Planck mengajukan teori

tentang radiasi benda hitam

1918:

Max Planck dapat nobel

Fisika

1913:

Niels Bohr mengajukan teori

struktur atom

1921:

•Nobel fisika untuk efek

fotolistrik

1905:

Albert Einstein menulis makalah, "On a Heuristic Viewpoint

Concerning the Production and Transformation of Light“; mengajukan ide kuanta energi untuk efek

fotolistrik

1922:

Niels Bohr dapat nobel fisika Eksperimen Stern-

Gerlach (pembuktian teori kuantisasi ruang)

1924:

•Louis De Broglie mempublikasika

n disertasinya

“Recherches sur la théorie des quanta”, yang memperkenalkan

teori gelombang elektron

1929:

Louis De Broglie dapat

nobel fisika untuk hipotesisnya

1933:

•Otto Stern mengukur momen magnetik untuk

proton

•Schrodinger dapat nobel

1926:

Persamaan Schrodinger

1925:

•Asas ketidakpastian

Heisenberg

•Wolfgang Pauli membangun

bilangan kuantum keempat, spin

1932:

•Werner Heisenberg dapat Nobel

fisika

1943:

•Otto Stern dapat nobel fisika

1944:

•Wolfgang Pauli dapat nobel fisika

1940:

Pauli membuktikan

teorema statistik spin

(2)

Apa itu Teori Kuantum?

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 3

Apa itu Teori Kuantum?

Teori kuantum tidak terjangkau

intuisi dan menentang pikiran lazim

(3)

Apa itu Teori Kuantum?

Konsepnya disejajarkan dengan filsafat

timur, malah dipakai untuk meneliti rahasia

kesadaran, kehendak bebas, dan paranormal Teori kuantum tidak terjangkau

intuisi dan menentang pikiran lazim

Apa itu Teori Kuantum?

kesadaran, kehendak bebas, dan paranormal

Teori kuantum tak pernah gagal Teori kuantum

tidak terjangkau intuisi dan menentang pikiran lazim

(4)

Apa itu Teori Kuantum?

kesadaran, kehendak bebas, dan paranormal

Teori kuantum tak pernah gagal

Teori ini sangat matematis Teori kuantum

Apa itu Teori Kuantum?

kesadaran, kehendak bebas, dan

Teori kuantum tak pernah gagal

Teori ini sangat matematis

Gagasannya sama sekali

mengubah cara kita memandang Teori kuantum

(5)

Apa itu Teori Kuantum?

Fisika Klasik vs Modern

Gagasan materi dan radiasi dakam fisika klasik diyakini sahih.

Maka gagasan baru yang menentangnya selalu akan diremehkan.

Formalisme matematika Newton (1642-1727) &

Maxwell (1831-1879) sangat cuanggih, tak bercacat. Ramalannya juga terbukti oleh banyak percobaan

(6)

Fisika klasik

• Fisika klasik: mekanika Newton dan elektromagnetisme Maxwell abad ke-19

Fisika klasik

• Selama abad ke-18 dan ke-19 hukum gerak Newton telah diuji dengan seksama

• Hukum gravitasi Newtonmampu memprakirakan gerakan planet dengan ketepatan tinggi

• Teori gelombang elektromagnetika Maxwellmampu memperkirakan keberadaan gelombang cahaya tak tampak 1865. ini terbukti 1888 ketika Heinrich Hertz menemukan gelombang radio di Berlin.

Gelombang radio memantul dan membias seperti cahaya, Wow, Maxwell benar...

(7)

Anggapan Dasar Fisika Klasik

1. Reduksionisme. Alam semesta mirip mesin raksasa dalam ruang-waktu mutlaK. Gerakan rumit dipandang sebagai gerakan sederhana dari bagian2 penyusunnya, sekalipun bagian-bagaian tersebut tidak bisa dilukiskan.

2. Kausalitas. Hukum Newton menyimpulkan tiap gerak selalu punya sebab.

Jika suatu benda bergerak, kita selalu bisa mencari penyebabnya. Ini sebab akibat yang tidak lagi dipertanyakan lagi.

3. Determinisme. Jika sekarang diketahui keadaan gerak suatu partikel, maka gerakannya dapat diketahui juga pada sebarang titik di masa depan dan masa lalu.

4. Cahaya sbg gelombang. Sifat-sifat cahaya bisa dilukiskan secara lengkap dengan teori gelombang elektromagnetika Maxwell (dibuktikan Thomas Young 1802, interferensi celah ganda)

5. Partikel vs gelombang. Energi yang bergerak dapat dilukiskan dalam 2 model: partikel, gelombang. Keduanya terpisah.

6. Pengukuran.Sifat sistem dapat diukurdengan ketelitian tak terbatas, termasuk sistem atomik.

Prasasti Runtuhnya Fisika Klasik

Anggapan itu diyakini secara MUTLAK.

Tapi, akhirnya anggapan itu diragukan.

Awal mulanya adalah Hotel Metropole Brussel, 24 Okt 1927

(8)

Konferensi Solvay 1927

Ernest Solvay (1838-1922), industriawan Belgia,

mensponsori pertemuan perdana fisika internasional untuk membahas gagasan kuantum di Brussel beberapa tahun sebelum PD I.

Pesertanya dibatasi 30 orang, diminta berkonsentrasi pada topik yang telah ditentukan.

5 pertemuan pertama (1911-1927) merupakan pertemuan paling penting bagi perkembangan fisika abad ke-20.

Puncaknya, 1927, dihadiri 9 pentolan teori kuantum.

Semuanya dapat nobel.

Konferensi Solvay 1927

(9)

Konferensi Solvay 1927

Sepanjang sejarah sains, jarang sekali begitu banyak persoalan diselesaikan segelintir orang dalam tempo yang singkat.

Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler,

Léon Brillouin,

Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr,

Irving Langmuir, Max Planck, Marie Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson

Konferensi Solvay 1927

Hey.... Semuanya berawal dari saya lho ya...

Ingat postulat saya 1900:

materi menyerap dan memancarkan radiasi elektromagnetik (cahaya)

dalam paket-paket nergi (kuanta). Nilainya sebanding dengan frekuensi radiasi.

(10)

Konferensi Solvay 1927

Saya menunjukan bahwa cahaya selalu muncul

sebagai kuanta.

Ini menjelaskan mengapa materi menyerap dan memancarkan energi

seperti itu.

Sayang sekali, planck tak pernah percaya saya.

Ya ampun Planck..Planck..

Gusti paringana pangapura…

Konferensi Solvay 1927

Semua orang itu sepakat dengan tafsiran teori kuantum saya kecuali satu orang

saja, ya siapa lagi kalau bukan Einstein...

[..Insaflah Einstein...]

(11)

Konferensi Solvay 1927

Sssttt....

Jangan berdebat terus... Ini sesi foto..

Lihat, saya yang paling flamboyan kan...

Jaket sporty, dasi kupu-kupu...

Konferensi Solvay 1927

Brussel

(12)

Konferensi Solvay 1927

De Broglie (Paris) Dirac (Cambridge)

Heisenberg, Bohr (Copenhagen)

Einstein, Planck Schrodinger (Berlin)

Max Born (Goettingen)

Pauli (Zurich)

Mereka pulang dengan memendam perdebatan bersejarah antara Einstein dan Bohr, mengemban gagasan paling menakjubkan yang pernah dibuat

para ilmuwan.

Teori kuantum adalah sebuah kegilaan.

Konferensi Solvay 1927

Mari lihat Usia para pejuang fisika kita

A P, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger (1887-1961: 44 th), J-ÉVerschaffelt, Wolfgang Pauli (1900-1958: 27 th),Werner Heisenberg

(1902-1976: 25 th), Ralph HF, Léon Brillouin,

Peter Debye, M Knudsen, William Lawrence Bragg, HA Kramers, Paul Dirac (1902-1984: 25 th), Arthur Compton, Louis de Broglie (1892-1987: 35 th), Max Born (1882-1970: 45 th), Niels Bohr

(1885-1962: 42 th),

(13)

Mulanya...

Landasan teori kuantum

Landasan teori kuantum:

(14)

Termodinamika

Termodinamika = dinamika termo, dinamika panas, aliran panas,

mengalir dari benda bersuhu tinggi ke bersuhu rendah.

Aliran baru akan berhenti ketika suhu keduanya sama, setimbang termal.

Model mekanika untuk menjelaskan aliran panas dikembangkan pada abad ke-19 di Inggris, dibnagun atas jasa James Watt (1736-1819), Skotlandia

Termodinamika

• James Prescott Joule (1818- 1889) menunjukkan bahwa ternyata “panas dapat disetarakan dengan suatu kerja mekanik tertentu”

(15)

Termodinamika

Muncul dugaan: “sebab panas dapat diubah menjadi kerja maka panas merupakan suatu bentuk energi”

Kata “energy” (bhs Yunani) bermakna “mengandung kerja”

Termodinamika

Dugaan belum terbukti.

1847 Herman von

Helmholtz (1821-1894) mengeluarkanhukum kelestarian energi

Setiap kehilangan energi di satu tempat pasti dihantikan dengan energi

yang sama di tempat yang lain dalam sistem yang sama

(16)

Termodinamika

Pada 1850, Rudolf Clausius (1822-1888) menyebut Hukum Helmholtz sbg Hk I Termodinamika.

Clausius merumuskan Hk kedua Termodinamika: energi total suatu sistem selalu menurun karena ada panas yang hilang dalam proses termodinamika.

Di sini ia memperkenalkan konsep baru “entropi” (konsep yg berkaitan dg aliran panas)

Entropi suatu sistem tertutup selalu naik & mencapai nilai maks pd kesetimbangan termal

Eksistensi Atom

• Democritus (460-370 SM): penggagas pertama konsep atom

• Aristoteles menyanggah Democritus, kemudian hanya menjadi perdebatan.

• Pada masa Islam: atom asy’ariyah

• John Dalton (1766-1844), kimiawan Inggris,

menggunakan konsep ini untuk memperkirakan sifat- sifat unsur & senyawa 1806, konsep atom masih belum diterima. (ini abad ke-19)

• 100 tahun kemudian, “perhitungan Einstein” &

“percobaan Jean Perin (1870-1942)” menarik banyak

(17)

Eksistensi Atom

• JC Maxwell, fisikawan Scotlandia, bikin teori kinetik gas 1859. (Maxwell adalah penganut atom)

Ia menganggap gas sbg kumpulan molekul yg banyak sekali yang bergerak secara acak, saling bertumbukan, juga dg dinding bejana.

Berdasarkan rerata statistik, teorinya

Maxwell ingin menunjukan bahwa

sifat makroskopik bisa ditebak dari model mikroskopik

molekul –molekul gas

Eksistensi Atom

Asumsi Maxwell:

1. Molekul itu seperti bola pejal, diameternya << jarak antar molekul

2. Kelestarian energi berlaku pd tumbukan antar molekul 3. Molekul bergerak lurus, laju

tetap, tidak berinteraksi satu sama lain

4. Posisi dan kecepatan molekul

mula-mula bersifat acak Asumsi ke-4 sangat revolusioner

(18)

Eksistensi Atom

• Dalam 1 mol gas ada 6 x 10²³ partikel

• Bayangkan ada

600 000 000 000 000 000 000 000 Maka mustahil jika menghitung satu demi satu partikel dengan hk Newton.

Hebatnya, teori Maxwell bisa mengaitkan kecepatan rata-rata kuadrat molekul-molekul dengan suhu

PANAS ada karena gerak acak atom yang terus menerus

Eksistensi Atom

Sumbangan penting Maxwell:

Tebakan distribusi kecepatan yg mungkin dimiliki molekul-molekul.

Distribusi ini memberikan rentang kecepatan yang mungkin.

Ini kurva distribusi Maxwell. Jadi

PELUANG digunakan jika PERHITUNGAN

YANG PASTI mustahil dilakukan

(19)

Mekanika Statistik

• Teori Kinetik Maxwell mengilhami Ludwig Boltzman (1855-1906), 1870-an.

Hukum Distribusi Kanonik, bisa diterapkan pd sebarang kumpulan yg memiliki gerak bebas acak

Teorema ekopartisi tenaga, energi disebar merata ke segenap tingkatan ketika sistem mencapai kesetimbangan termal.

Tafsiran baru entropi, “peluang suatu susunan sistem yang dipilih atom-atom pembentuknya”

Kalau Clausius 1850: entropi menunjukkan ketidakberaturan atom- atom dalam sistem

Mekanika Statistik

• Tafsiran baru entropi,

“peluang suatu susunan sistem

yang dipilih atom-atom pembentuknya”

• Rumusan entropi,

S = k log W

K = tetapan Boltzman

W = peluang suatu susunan atom yang bisa terjadi

(20)

Mekanika Statistik

Sebuah disiplin/metode baru yang dapat memprakirakan sifat-sifat makroskopik suatu benda dari perilaku statistik bagian-bagian

mikroskopik penyusunnya

Mekanika Statistik

• Boltzmann beranggapan “perubahan sistem dari keadaan kurang mungkinmenuju keadaan lebih mungkin terjadi jika dirangsang oleh panas atau getaran mekanis sampai tercapainya keseteimbangan termal. Inilah keadaan yang paling mungkin& entropinya

maksimum”

• Meskipun mustahil menghitung gerakan milyaran partikel, metode peluang dapat menyajikan jawaban keadaan mana yg paling mungkin terjadi.

• Boltzmann juga memperkenalkan konsep fluktuasi. Ini kontroversial kala itu.

Tafsiran peluang entropi Boltzmann memeluangi terjadinya penggerombolan semua molekul dalam sistem gas tertutup di salah satu pojok bejana. Inilah

(21)