Teori Mekanika Kuantum - Ketidakpastian Ilmiah

Berikut yang coba saya paparkan adalah materi yang benar-benar menjelaskan makna ketidakpastian yang sebenarnya dalam kehidupan.

Diawali oleh teori atom Bohr yang memiliki beberapa kekurangan yakni tidak dapat menjelaskan beberapa teori sebagai berikut: efek zeeman yaitu terpecahnya garis spektum bila atom terdapat pada medan magnet, dan spektrum garis pada atom berelektron banyak. Perbaikan dan pengembangan teori ini dilakukan oleh Louis de Broglie, Wolfgang Pauli, Erwin Schrodinger, dan Warner Heisenberg yang selanjutnya disebut Teori Atom Mekanika Kuantum.

Model Atom Dalton

Pada awal abad ke-19,John Dalton mengembangkan suatu teori tentang atom yang secara garis besar dapat dirangkum sebagai berikut:

1.       Zat terdiri dari atom-atom yang merupakan seseuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi.

2.       Atom-atom penyusun suatu zat tertentu memiliki sifat yang sama.

3.       Perbedaan antara satu zat dengan zat lain disebabkan oleh perbedaan atom-atom penyusunnya.

4.       Reaksi kimia pada dasarnya merupakan penyusunan kembali atom-atom penyusun zat.

5.       Dalam reaksi kimia, jumlah atom yang terlibat memilki perbandingan tertentu yang sederhana.

6.       Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi unsur lain.

Kemudian pada tahun 1911 Ernest Rutherford berhasil membuktikan bahwa ternyata muatan positif atom tidak tersebar merata di seluruh bagian atom, tetapi terkonsentrasi di bagian tengah atom yang kemudian disebut inti atom dan secara langsung mematahkan model atom Thomson.

Model Atom Rutherford

Rutherford  melakukan percobaan hamburan partikel . Yang secara garis besar memiliki kesimpulan sebagai berikut:

1.       Pada atom terdapat inti atom yang merupakan konsentrasi muatan positif atom berukuran kecil tapi memilki massa yang besar.

2.       Sebagian besar ruangan dalam atom merupakan ruang kosong. Hal ini ditunjukkan oleh banyaknya partikel  yang diteruskan dalam percobaan Ruthertford.

3.       Muatan negatif elektron bergerak mengitari inti atom pada jarak tertentu, seperti halnya pada sistem tata surya, dimana planet-planet bergerak mengelilingi matahari.

Pemaparan percobaan yang dilakukannya adalah sebagai berikut:

Rutherford menghamburkan partikel  Berkas partikel tersebut, partikel yang bermuatan positifnya ditembakkan ke arah suatu logam tipis, misalnya terbuat dari emas. Menurut model atom Thomson, partikel alfa yang ditembakan ini akan menembus lurus logam emas dan tidak dihamburkan karena massa partikel  jauh lebih besar daripada massa elektron. Sedangkan menurut Rutherford sebagian besar partikel  diteruskan karena sebagian besar atom merupakan ruang kosong. Dan, ada sedikit partikel  yang justru terpantul dengan sudut yang besar, bahkan berbalik arah. Ini hanya terjadi apabila partikel  ditolak oleh suatu konsentrasi muatan positif.

Struktur Atom Hidrogen

Ketika zat padat dipanaskan terus menerus, dan gas pada tekanan rendah pun diperlakukan hal serupa maka zat ini akan memancarkan cahaya dalam bentuk spektrum kontinu. Pancaran atom radiasi cahaya ini disebabkan oleh getaran atom-atom penyusun zat padat. Gas hanya memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Jika diamati melalui spektrometer maka akan diperoleh garis-garis terang, atau spektrum emisi. Spektrum emisi menunjukkan bahwa hanya panjang gelombang tertentu yang dipancarkan. Secara umum, suatu spektrum emisi/spektrum garis merupakan karakteristik dari atom atau molekul zat tertentu. Ketika cahaya putih dilewatkan pada suatu gas yang relatif dingin, dapat diamati bahwa ada beberapa panjang gelombang atau frekuensi yang diserap. Dengan demikian, diperoleh spektrum berupa garis-garis gelap pada spektrum kontinu, yang disebut spektrum absorpsi. Jika dibandingkan ternyata garis terang dan garis gelap ini terjadi pada frekuensi yang sama.

Pada tahun 1885, J.J. Balmer menemukan empat buah garis pada spektrum hidrogen yang memilki panjang gelombang  sebesar 656 nm, 486 nm, 434 nm, 410 nm. Garis-garis pada spektrum hidrogen ini ternyata cocok dengan rumus

 = R ( 1/2² – 1/n² ), n = 3, 4, 5, .....

Dengan n adalah 3, 4, 5, dan 6 untuk keempat garis yang diamati, dan R adalah tetapan Rydberg sebesar 1,097 x 10⁷ m^-1. Keempat garis yang ditemukan Balmer ini desebut deret Balmer. Deret Balmer juga berkembang sampai ke daerah ultraviolet dengan . Adapaun beberapa percobaan lain berhasil menemukan garis-garis yang tetap cocok dengan rumus yang berlaku yaitu sebagai berikut:

a.       Deret Lyman (deret ultraungu)

= R ( 1/1² – 1/n² ), n = 2, 3, 4, ....

b.      Deret Balmer (cahaya tampak)

= R ( 1/2² – 1/n² ), n = 3, 4, 5, ....

c.       Deret Paschen

= R ( 1/3² – 1/n² ), n = 4, 5, 6, ....

d.      Deret Brackett (deret inframerah II)

= R ( 1/4² – 1/n² ), n =  5, 6, 7, ....

e.      Deret Pfund

= R ( 1/5² – 1/n² ), n = 6, 7, 8, ....

Adapun kelemahan dari teori Rutherford ini yaitu sebagai berikut :

1.       Tidak dapat menjelaskan mengapa atom mempunyai spektrum garis.

2.       Elektron bergerak mengelilingi inti karena lintasannya melingkar, maka elektron dipercepat. Ketika dipercepat, elektron harus memancarkan cahaya dan sesuai dengan hukum kekekalan energi, energi harus berkurang. Akibatnya elektron akan bergerak melingkar mengecil menuju inti atom.

3.       Meramalkan spektrum kontinu, padahal dari percobaan diperoleh spektrum garis.

4.       Meramalkan bahwa atom-atom tidak stabil pada orbitnya untuk memperoleh spektrum garis, padahal atom secara umum bersifat stabil.

Model Atom Bohr

Niels Bohr seorang fisikawan Denmark pada 1913 memberikan 3 postulat untuk menjelaskan teori atomnya. Pertama bohr menyatakan bahwa hidrogen elektronnya bergerak mengitari inti atom dalam bentuk orbit lingkaran. Postulat ini dikenal sebagai Postulat 1 Bohr. Pada keadaaan ini terjadi keseimbangan Gaya Coulomb dan Gaya Sentripetal.

F_coulomb = F_sentripetal

k = m

dengan q adalah besarnya muatan elektron dan proton, v adalah kecepatan orbit, dan r adalah jari-jari orbit. Energi total elektron sama dengan jumlah energi kinetik dijumlah energi potensial, yaitu:

E= EK + EP= 1/2mv² – kq²/r

Kemudian dihasilkan

E=  kq²/2r - kq²/r  =  - ( kq²/2r)

Nilai E yang negatif menunjukkan bahwa elektron dan inti saling terikat. Jika r mendekati tak hingga, maka E sama dengan nol. Jika demikian, elektron tidak lagi terikat oleh inti atom dan mengalami ionisasi. Kemudian Bohr mengansumsikan bahwa elektron momentum sudut yang  bergerak mengitari inti atom bernilai diskret (terkuantisasi). Besarnya momentum sudut ini sama dengan

mvr = n () dengan n= 1, 2, 3, ...

Bilangan n disebut bilangan kuantum utama, sedangkan h adalah konstanta Planck yang besarnya 6,62 x 10^-34 J s. Berdasarkan persamaan ini, besarnya kecepatan elektron yang mengorbit adalah

v =

Dan jari-jari orbit r_n sama dengan

r_n = (h²/4²kq²m)n²

dengan n = 1, 2, 3, ...

berdasarkan nilai r_n ini, besarnya energi elektron dapat dihitung dari

E_n = - (2²k²q⁴m/h2)

Dengan memasukkan nilai besaran yang ada dalam tanda kurung, maka diperoleh:

r_n=0,0529n²

E_n = -

Dengan r_n dinyatakan dalam nanometer dan E_n dinyatakan dalam elektrovolt (eV).

Bohr juga mengasumsikan bahwa elektron dapat berpindah dari orbit satu ke orbit lainnya dengan memancarkan dan menyerap energi. Ketika berpindah dari orbit yang lebih luar ke orbit yang lebih dalam, elektron akan memancarkan energi sebesar E=hf, dengan f adalah frekuensi gelombang yang dipancarkan. Jika elektron berpindah dari orbit yang lebih dalam ke orbit yang lebih luar, elektron akan menyerap energi sebesar hf. Pernyataan ini disebut sebagai Postulat 2 Bohr. Adapun teori pendukung Bohr sebelumnya yaitu teori Planck yang berhasil menurunkan beberapa persamaan sehingga menghasilkan persamaan sebagai berikut

E=hv

h=konstanta planck

v=frekuensi foton

Sedangkan kuanta sendiri merupakan satuan perubahan energi baik yang berupa penyerapan atau pun pemanasan tertentu. Asumsi tersebut bertentangan dengan Teori Fisika Klasik meskipun dalam Teori Fisika Klasik diakui bahwa materi bersifat diskontinu, tetapi energi bersifat kontinu. Teori ini digunakan Bohr untuk menjelaskan spektrum atom hidrogen yang telah disebutkan di atas. Kelemahan teori Bohr adalah teori ini hanya menjelaskan spektra atom berelektron satu, tetapi tidak dapat menerangkan spektra atom berelektron banyak. Pendapat Bohr tentang elektron yang beredar di sekeliling inti atom dengan jari-jari tertentu dan kecepatan tertentu adalah TIDAK BENAR.

Menurut mekanika kuantum, orbital sebuah elektron TIDAK DAPAT diketahui dengan PASTI. Tetapi, peluang untuk memperoleh sebuah elektron pada posisi tertentu dapat ditentukan.

Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

Pada tahun 1905, Albert Enstein dapat menjelaskan Efek Fotolistrik berdasarkan Teori Kuantum Planck. Efek Fotolistrik adalah efek terlepasnya elektron dari atom-atom logam sehingga menimbulkan aliran listrik karena disinari oleh cahaya (foto). Menurutnya, gelombang cahaya juga memperlihatkan sifat-sifat partikel dimana cahaya terdiri atas partikel-pertikel kecil yang dinamakan foton yang memiliki energi sebesar hv.

Hukum pertama termodinamika menjadi dasar dari percobaan sebuah elektron pada permukaan logam menerima energi dari sebuah foton, elektron akan terlepas dari permukaan logam dengan energi kinetik yang besarnya sama dengan selisih antara energi foton dan energi ikatan elektron pada logam. Kesimpulan dari percobaan ini adalah cahaya bersifat dualisme yang artinya memiliki sifat sebagai gelombang dan sifat sebagai partikel.

Selanjutnya pada 1923, Louis de Broglie mengajukan hipotesis bahwa elektron dan partikel lainnya berperilaku seperti gelombang dan dapat terjadi dengan frekuensi tertentu saja. Hipotesis ini dikemukakan berdasarkan sifat dualisme. Dengan persamaan sebagai berikut:

 =

=panjang gelombang

h=konstanta planck

p=momentum partikel

m=massa partikel

v=kecepatan partikel

Salah satu prinsip Fisika Klasik menyatakan bahwa posisi dan momentum sebuah partikel dapat ditentukan dengan pasti. Namun Werner Heisenberg membantah dan mengatakan hal tersebut TIDAK PASTI. Dia mengemukakan TIDAK MUNGKIN mengukur posisi dan momentum sebuah partikel secara bersamaan dengan pasti. Jika posisinya diketahui secara pasti, momentumnya tidak akan diketahui secara pasti. Demikian pula sebaliknya. Dengan persamaan sebagai berikut:

h=konstanta planck = 6,626 x 10^-27 erg detik ; 6,626 x 10^-34 J detik

Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa ketidakpastian kecepatan elektron cukup besar dan mendekati kecepatan cahaya di ruang hampa. Jadi, TIDAK MUNGKIN menentukan posisi elektron di sekitar atom secara pasti. Perhitungan ini juga menunjukkan teori Bohr yang menyatakan elektron bergerak pada orbital tertentu dengan kecepatan yang telah diketahui adalah TIDAK BENAR.

Mekanika Gelombang

Hipotesis Broglie merupakan awal ditemukannya persamaan gelombang Schrodinger pada 1927. Schrodinger berhasil menemukan gelombang yang dapat menerangkan pergerakan-pergerakan partikel mikrokopis, misalnya pergerakan elektron. Schrodinger juga mengasumsikan bahwa gelombang elektron adalah gelombang diam, yang memiliki sifat yang sama dengan gelombang yang timbul pada sebuah kawat yang kedua ujungnya dikaitkan pada satu tempat tertentu. Persamaan gelombang Scrodinger dalam suatu dimensi sebagai berikut

- 

h=konstanta planck

m=massa partikel

v=energi potensial partikel

e=energi total partikel

Dengan kesimpulan sebagai berikut

1.       Elektron hanya dapat memiliki energi kinetik dengan nilai tertenti. Energi kinetik elektron mempunyai tingkat energi tertentu dan tingkat energi tersebut ditunjukkan oleh bilangan kuantum utama.

2.       Pergerakan elektron di sekeliling inti atom sifatnya terbatas dan dapat diperkirakan bahwa energi elektron bersifat diskontinu. Selain itu, untuk menggambarkan gerakan elektron dibutuhkan empat bilangan kuantum dan salah satu dari keempat bilangan tersebut menggambarkan pergerakan elektron pada sumbunya.

Posisi elektron tidak dapat ditentukan secara pasti oleh beberapa pandangan ilmiah, namun kemungkinan keberadaannya dapat ditentukan melalui beberapa persamaan yang telah disebut di atas. Sehingga materi ini saya simpulkan sebagai materi ketidakpastian.

Diani Iska Miranti

Daftar Pustaka:

Suharsini, Maria dan Dyah Saptarini. 2007. Kimia dan Kecakapan Hidup. Jakarta: Ganeca

Supiyanto. 2006. Fisika.  Jakarta: PT. Phibeta Aneka Gama.