Kita semua tahu Matahari ditenagai oleh fusi nuklir. Gravitasi menekan inti menyebabkannya mencapai suhu yang konyol. Kita berbicara puluhan juta derajat, 27 juta derajat Fahrenheit, atau 15 juta derajat Celcius. Akan tetapi itu masih tidak cukup panas untuk berlangsungnya reaksi fusi nuklir. Matahari harus melakukan reaksi fusi entah bagaimana itu untuk menjadi bintang. Jika tidak, Matahari tidak bisa menjadi bintang. Ternyata mekanika kuantum akan sangat membantu, hal ini akan dibahas lebih lanjut setelah ini.
Semua bintang mengalami fusi yang terjadi di inti mereka. Itulah mengapa bintang menjadi bintang. Bintang dapat diplot pada sesuatu yang Kita sebut diagram Hertzsprung-Russell, atau diagram HR. Diagram ini dapat mengelompokkan riwayat bintang, yang dapat memberitahukan pada Kita kondisi bintang itu dalam siklus hidupnya. Matahari Kita merupakan salah satu bintang utama, yang mana masih berada di pertengahan siklus bintang. Dengan kata lain, sumber energi utama adalah reaksi fusi Hidrogen.
Pada reaksi itu, 4 inti Hidrogen, Kita lebih mengenal inti Helium sebagai proton, berkumpul untuk membentuk sebuah inti Helium. Setiap reaksi fusi melepaskan foton dari sinar gamma senilai 27 MeV. Dengan ukuran E sama dengan mc², energi sebesar itu setara dengan 50 unit elektron. Itu hanya jumlah yang sangat kecil yang diperhatikan manusia. Tubuh Anda membutuhkan 4x10ᵗ² MeV untuk melakukan satu langkah manaiki anak tangga.
Matahari memancarkan begitu banyak energi, karena Matahari memiliki banyak sekali reaksi ini yang berlangsung pada saat yang sama. Banyak reaksi itu sekitar 10³⁸ reaksi setiap detik. Nilai itu adalah 1 diiukuti oleh angka 0 sebanyak 38 kali setiap detik. Itu banyak fusi ya. Bagaimana mekanika kuantum cocok dengan semua ini?
Fusion pada dasarnya adalah proses mekanika kuantum. Kita perlu mendapatkan empat proton untuk tetap bersatu. Itu bukan masalah yang mudah. Masalahnya adalah mereka tidak ingin tetap bersatu. Semua proton memiliki muatan positif, sehingga mereka akan saling tolak-menolak jika mereka terlalu dekat. Pada jarak nuklir, gaya tolak-menolak itu lebih dari 90 pound gaya yang mendorongnya untuk terpisah. Gaya itu setara dengan menggunakan seluruh gaya gravitasi anak kecil 7 tahun untuk menarik proton dari ikatannya. Ini adalah jumlah gaya yang konyol untuk partikel subatomik
Untungnya, jika Kita bisa mendekatkan mereka, gaya nuklir yang kuat akan mengatasi tolakan itu dan menahan proton bersama-sama. Di situlah jutaan derajat itu hadir. Semakin panas inti, semakin cepat partikel-partikel bergerak, dan semakin banyak mereka akan bertumbukan satu sama lain. Terutama pada kepadatan yang Kita perkirakan dimiliki inti bintang. Kecuali, ingat, memiliki proton yang saling bertumbukan tidaklah cukup, Kita perlu mereka cukup dekat agar gaya kuat dapat mengambil alih dan menyatukan mereka.
Inti Matahari adalah 27 000 000 °F. Itu 15 000 000 °C. Apakah itu cukup panas? itu tidak cukup panas. beneran itu tidak cukup panas. Puluhan juta derajat itu tidak cukup panas untuk reaksi fusi nuklir. Ketika Kita mencoba fusi hidrogen di bumi. Kita membutuhkan ratusan juta derajat. Lalu bagaimana Matahari melakukannya? Terowongan kuantum (Quantum tunneling)!
Melihat animasi ini benar-benar menyesatkan. Itu menunjukkan proton seolah-olah mereka adalah bola kecil, tetapi mereka sebenarnya adalah gelombang kecil. Gelombang probabilitas kuantum! Perilaku mereka dijelaskan oleh probabilitas. Di mana mereka adalah, apa yang mereka lakukan, semua itu probabilistik.
Mari Kita pertimbangkan model yang sangat sederhana. Ini adalah partikel dalam model kotak. Katakanlah, Kita punya proton di suatu titik melakukan sesuai hal. Kita ingin tahu persis di mana letaknya di dalam kotak tersebut. Tentu Kita tidak tahu, karena mekanika kuantum. Yang Kita ketahui adalah probabilitas menemukannya di berbagai tempat, mungkin di sini, atau di sini, atau mungkin di sini. Mekanika kuantum memberi tahu Kita bahwa ia lebih mungkin berada di sini daripada mengatakannya di sini. Hanya itu yang dapat Kita ketahui.
Tentu saja contoh itu sangat sederhana. Itu yang Kita sebut kotak partikel tak terbatas. Di sana terdapat banyak keadaan yang tak terbatas. Tidak ada yang namanya "di luar kotak". Itu bukan kenyataan. Jadi mari Kita lihat apa yang terjadi ketika Kita sedikit melonggarkan persyaratan itu. Kita akan mengatakan,kotak diletakkan di atas meja dan bagian atas terbuka. Di sana hanya terdapat sebegitu banyak keadaan energi yang tersedia sebelum proton berada tepat di luar kotak.
Itu seperti mencoba menggelindingkan bola ke atas bukit. Untuk sejumlah energi, bola akan terjebak di dasar bukit ini. Tetapi jika Anda memberikannya energi yang cukup, bola itu dapat mencapai bukit. Dan sekali lagi, Saya sebutkan sebelumnya bahwa proton tidak seperti bola kecil.
Jadi mari Kita lihat lebih dekat di salah satu keadaan proton. Kita dapat melihat dari gelombang kuantum, di sana ada kemungkinan besar untuk menemukan proton di dalam kotak, tetapi gelombang juga sedikit menempel di luar kotak. Di sana ada kemungkinan bukan nol untuk menemukan proton di luar kotak. Saya ulangi. Jika proton ada di dalam kotak kuantum, ada kemungkinan kecil Anda mungkin menemukannya di luar kotak.
Saya tahu, ini gila, tetapi ini adalah kenyataan bahwa partikel kuantum hidup di dalamnya. Inilah yang di sebut sebagai terowongan kuantum (Quantum Tunneling). Karena seolah-olah proton dikubur di permukaan luar kotak, atau melalui terowongan pada sisi kotak. Itu liar!
Efek terowongan kuantum sebenarnya dapat menjelaskan bagaimana fusi dapat terjadi di inti matahari, meskipun temperaturnya tidak cukup panas. Daripada bola kecil, pikirkan setiap proton di Matahari sebagai gelombang kecil dalam kotak kecil. Sebagian besar gelombang itu ada di dalam kotak tetapi sebagian kecil yang lain menempel di luar kotak seperti ekor kecil. Suhu inti Matahari mungkin tidak cukup panas untuk membuat gelombang kemungkinan di dalam kotak tumpang tindih, tetapi cukup panas untuk mendapatkan ekor dari satu kotak masuk ke dalam kotak lain.
Jadi mengapa itu tidak berfungsi di reaktor Kita di bumi? Di bumi tidak terdapat cukup partikel. Ingat, ini adalah permainan probabilitas peluang. Untuk menemukan proton di luar kotak sangat kecil. Untuk itu, untuk berkontribusi mempertahankan fusi nuklir, Kita membutuhkan banyak proton. Reaktor bumi hanya tidak memiliki cukup proton, tetapi matahari punya.
Mari Kita menjalankan analisa terkait banyak partikel. Berdasarkan massa, massa Matahari adalah 71% hidrogen 27% helium dan 2% partikel lainnya. Dalam hitungan banyak partikel, 91,2% adalah Hidrogen, 8,7% helium dan 1% partikel lainnya. Ingat inti hidrogen hanyalah proton. Proton memiliki massa jauh lebih ringan daripada partikel yang lainnya. Jadi jumlah proton adalah sangat melimpah.
Ngomong-ngomong, di sana terdapat 10⁵⁷ unit proton di dalam Matahari, tetapi hanya proton di inti Matahari yang benar-benar melakukan reaksi fusi. Inti Matahari dikelilingi oleh zona non-konveksi, sehingga inti matahari tidak bisa mendapatkan materi baru untuk melakukan reaksi fusi. Apa pun yang didapatnya adalah apa yang didapatnya. Dan yang didapatnya adalah sekitar 12% dari proton matahari, itu sekitar 10⁵⁶ unit proton di inti Matahari. Itu masih jumlah proton yang sangat banyak.
Sekarang, kemungkinan dua proton itu akan membuat terowongan kuantum bersama-sama adalah sekitar satu banding 10²⁸, peluang yang sangat buruk. Anda memiliki peluang yang lebih baik untuk memenangkan hadiah utama dalamlotre tiga kali berturut-turut. Akan tetapi jumlah proton di dalam inti Matahari adalah sangat besar. Banyak proton itu adalah 10²⁸ dikuadratkan (10²⁸)². Dengan banyaknya proton yang saling bertumbukan satu sama lain, peluang beberapa di antaranya mengalami proses terowongan kuantum tidak terlalu langka.
Ingat, Kita hanya perlu 10³⁸ reaksi fusi terjadi setiap detik. Ada cukup banyak proton di inti Matahari untuk itu terjadi, bahkan melalui proses terowongan kuantum yang langka. Ada cukup reaksi fusi itu terjadi selama ribuan juta tahun.
Jadi bagaimana fusi terjadi di Matahari? terlebih dahulu Anda memerlukan banyak tekanan. Di Matahari bahwa tekanan berasal dari gravitasi menuju inti Matahari. Ketika tekanan naik, begitu juga suhu, yang memberi proton di Matahari banyak energi. Proton bergerak dengan sangat cepat, cepat, dan cepat. Mereka menggunakan energi itu untuk bertumbukan satu sama lain, tetapi itu masih belum cukup untuk fusi. Matahari juga membutuhkan proton-proton itu melakukan proses terowongan kuantun ke dalam satu sama lain. Tanpa terowongan kuantum Matahari tidak akan dapat memadukan partikel apa pun. Tanpa terowongan kuantum matahari bukan matahari.
Pemateri: Nick Lucid
Judul Asli: The Sun can’t work without Quantum Tunneling
Sumber: https://www.youtube.com/@ScienceAsylum
Komentar
Posting Komentar