SEJARAH ATOM PRA MEKANIKA KUANTUM

Semenjak saya mengenal pelajaran sejarah di SMP, Saya selalu yakin karakter pembentuk pribadi bangsa secara fundamental dari latar belakang sejarahnya. Jadi setiap saya memulai belajar pasti hal yang saya buka adalah sejarah penemuannya. Hal ini selalu saya terapkan hingga duduk di bangku kuliah, senang rasanya punya 1 pemikiran dengan seorang guru besar (Bapak Febdian Rusydi) yang bisa membimbing saya, dalam teks booknya  beliau berkata " Salah satu cara memahami sains adalah lewat sejarahnya". Nah tujuan saya memahami kuantum secara fundamental melalui sejarah atom akan saya ulas berikut ini :

Teori atom merupakan teori paling krusial sekaligus, fondasi dasar terhadap pemahaman alam semesta.

Pada acara perkuliahan fisika dasar di California Institute Of Technology (Caltech), Richard Feyman menyampaikan ulasan menarik mengenai kedahsyatan teori atom.

" Seandainya terjadi malapetaka besar hingga semua pengetahuan ilmiah hancur. Sesaat sebelum kehancuran, kita masih punya kesempatan menulis kalimat pendek sebagai pesan untuk makhluk yang mungkin hidup pada generasi berikutnya. Kalimat apa yang akan kita tulis???"

hmmm Pernyataan serupa pidato Feyman ini, sering juga saya dengar secara langsung yaitu pada waktu kuliah fisika inti. Pidatonya sang master sains (Bapak Adri Supardi) ketika akan menerangkan hukum paritas inti.

Nah sebagai murid yang manis, saya selalu pura-pura tidak tahu dan sebagai pendengar yang baik kecuali saya merasa dibubuhi paku, baru angkat bicara. 

Kalimat pesan yang akan disampaikan tentu harus berisi informasi terpadat dan dapat memacu peradaban generasi selanjutnya. Feyman berpendapat kalimat itu adalah hipotesis atom.

Kenapa demikian? Karena segala sesuatu disusun oleh atom-atom yang bergerak secara melingkar (perpetual motion), tarik menarik ketika berdekatan tapi tolak menolak ketika dipaksa untuk saling lebih dekat. Feyman, lecture on physics Vol 1

Berbeda dengan Bapak Adri, beliau menjawab "hukum kekalan".

Menurut saya keduanya benar dan saling terkait, hanya untuk ulasan Pak Adri mungkin harusnya ditambah "Hukum Kekekalan Atom". Hal ini saya rujuk melalui pembagian pembahasan yang mengatur dinamika benda secara makro dan mikro, memiliki perbedaan sangat konseptual atau fundamental.

Atom sudah ada sejak  peradaban india yunani yang melahirkan definisi atom secara filosofi. Salah satu filsof terkenal kala itu ialah Leucippus dan muridnya Demokritus (460-370 SM). Menyatakan " Semua materi terbentuk dari materi yang lebih kecil lagi yang disebut atom". Hal demikian diamini oleh generasi selanjutnya yaitu, Plato dan Aristoteles.

20 abad kemudian barulah konsep atom ini dipahami secara ilmiah oleh Antoine Lavoissier (1789), berdasarkan pengamatannya massa zat yang bereaksi adalah sama. (Hukum kekalan massa, Hukum Lavoissier). Pada tahun 1799 Joseph Lois Proust mengamati bahwa perbandingan massa unsur penyusun sebuah senyawa adalah tetap. Misal, perbandingan massa Nitrogen dan Oksigen dalam senyawa NO selalu 14:16.

Dua hasil pengamatan Lavoissier dan Proust kemudian menjadi dasar 3 postulat John Dalton (1808):

1.      Semua materi disusun oleh atom. Atom tidak dapat dibagi lagi dengan sifat kimia yang sama.*

  ( * Jika atom dapat dibagi artinya penyusun atom tidak memiliki sifat yang sama).

2.      Unsur yang sama terbuat dari unsur yang identik. Unsur yang berbeda terbuat memiliki atom yang    berbeda. *

(* Sekedar mengingatkan dan sekaligus ingat2, atom-atom yang sama akan bergabung membentuk unsure, unsur2 membentuk molekul dan molekul2 membentuk senyawa).

3.      Reaksi kimia terjadi ketika susunan atom-atom dalam senyawa yang terlibat ditata ulang.

Teori atom Dalton ini memberi kontribusi besar dalam pembuatan tabel periodik oleh Dimitri Mendelev. 

Pada tahun 1897 ditemukanlah adanya elektron dalam atom oleh Joseph John Thomson (tahun 1906 berkat penemuan elektron Thomson, meraih hadiah nobel) melalui eksperimen sinar tabung katoda. Menurut Thomson:

1. Elektron merupakan komponen pokok penyusun materi

2.Semua atom mengandung elektron

3.Atom terdiri atas materi bermuatan positif dan elektron tersebar merata didalamnya. Secara keseluruhan atom bersifat netral. Model atom Thomson ini disebut juga model ”plum-pudding” (roti kismis).  

Pemodelan atom oleh Thomson ini, menggunakan banyak hukum-hukum elekrostatis (penguraian secara matematisnya akan diuraikan pada session selanjutnya).

Pada tahun 1910 Ernest Rutherford bersama kedua orang asistennya, Hans Geiger dan Ernest Marsden, melakukan serangkaian eksperimen untuk mengetahui lebih banyak tentang susunan atom. Mereka menembak lempeng logam tipis (emas) dengan partikel sinar alfa berenergi tinggi. Dari eksperimen mereka menemukan bahwa sebagian besar partikel alfa dapat menembus logam tanpa mengalami pembelokan yang berarti, sebagian kecil mengalami pembelokan yang cukup besar, dan beberapa diantaranya dipantulkan. Penemuan ini spontan menyebabkan gugurnya teori atom Thomson. Dari penemuannya Rutherford berasumsi:

1. Atom terdiri dari inti yang bermuatan positif yang berada pada pusat atom. Massa atom terpusat pada inti.

2. Elektron bergerak mengitari inti seperti halnya tata surya.(model atom planetarium, kalau saya berpendapat ya mirip obat nyamuk)

Akan tetapi teori atom Rutherford ini tidak sesuai dengan teori dinamika klasik yang menyatakan:
”Jika partikel bermuatan bergerak cepat maka partikel tersebut akan kehilangan energi dalam bentuk radiasi. Jadi, jika elektron bergerak mengelilingi inti, maka lama kelamaan elektron tersebut akan jatuh ke inti”. 

Karena belum bisa mejelaskan kestabilan elektron mengelilingi inti atom mengakibatkan teori atom Rutherford belum diterima pada saat itu. Selanjutnya teori atom Rutherford disempurnakan oleh muridnya, yaitu Neils Bohr.

Perkembangan model atom Rutherford Bohr inilah yang menandai masuknya konsep fisika modern, dalam teori atom. Melalui kombinasi teori atom planetarium dan konsep kuantum Max Planck ,  yang menyatakan kuantisasi cahaya adalah foton. Bohr mengasumsikan kuantisasi momentum sudut dan kuantisasi energi Rydberg. Akibatnya, jari-jari orbit electron adalah tertentu sehingga tidak memungkinkan electron jatuh ke inti. (Sampai tahap ini matematis masih dalam tahap sederhana, karena masih menggunakan hukum-hukum mekanika klasik). Model atom Rutherford Bohr ini  menerangkan spektrum atom Hidrogen. Menurut Bohr:

1.   Elektron mengelilingi inti pada lintasan tertentu (Elektron mempunyai orbit stasioner) yaitu lintasan yang memberikan momentum sudut sebesar, 

       dengan h = tetapan Planck = 6,63 x 10-34J/s.

2.   Energi elektron dalam lintasan berbanding lurus dengan jarak lintasan dari inti. Makin jauh lintasan dari inti, makin tinggi tingkat energi lintasan. Selama elektron berada pada lintasannya elektron tidak melepas dan menyerap energi.

3.    Jika elektron menyerap energi maka elektron pindah ke lintasan yang tingkat energinya lebih tinggi. Dan jika elektron pindah dari lintasan dengan tingkat energi tinggi ke lintasan dengan tingkat energi rendah, maka elektron akan memancarkan energi dalam bentuk radiasi.

Teori atom Bohr ini menjadi penting karena telah berhasil menerangkan adanya tingkat tingkat energi dalam atom Hidrogen. Akan tetapi, teori atom Bohr tidak dapat menjelaskan spektrum atom berelektron banyak, efek Zeeman dan sifat keperiodikan unsur. Untuk menerangkan kelemahan teori atom Bohr, maka lahirlah teori atom baru ”Teori Atom Mekanika Kuantum” yang ditopang oleh hipotesa De Broglie dan Azas ketidakpastian Heisenberg. Hipotesa De Broglie menyatakan bahwa: ”elektron dalam atom dapat dipandang sebagai partikel dan sebagai gelombang”, hipotesa ini tentu seperti kebalikan cara berfikir dari Max Plank. Selanjutnya, azas ketidakpastian Heisenberg menyatakan: ”tidak mungkin menentukan kecepatan sekaligus posisi yang pasti dari elektron dalam ruang, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti” Daerah kebolehjadian menemukan elektron disebut orbital.

Keberhasilan Bohr mengawinkan konsep elektrodinamika dan teori kuantum, membuka celah peradaban kuantum makin berkembang kala itu. Pada tahun 1926, Erwin Schrodinger berhasil merumuskan persamaan gelombang yang menggambarkan gerak elektron (orbital), dimana setiap orbital mempunyai bentuk dan energi tertentu (energi diskrit). Persamaan dewa ini lahir begitu saja dari kepala tuan Schrodinger dasar kerjanya hanya melalui argument-argument empiris (trial and eror) sisannya adalah hanya jadi cerita mistis, pada selang beberpa tahun barulah dicari asal muasal dari persamaan dewa itu oleh Richard Feyman. Satu orbital dapat ditempati oleh maksimal 2 elektron dengan atribut yang berbeda (eksklusi Pauli). Kedudukan elektron dalam atom dijelaskan oleh 4 bilangan kuantum:

a)      bilangan kuantum utama (n) yang menyatakan tingkat energi

b)      bilangan kuantum azimuth (l) yang menyatakan orbital

c)      bilangan kuantum magnetik (m) yang menyatakan orientasi orbital dalam ruang

d)     bilangan kuantum spin (s) yang menyatakan spin elektron.

Semoga manfaat ^_^”

Untuk sejarah peradaban kuantum maka dapat mengakses blog saya yang lain :

http://bandiyahsriaprillia-fst09.web.unair.ac.id/