Mengetahui bahwa mekanika kuantum memiliki sesuatu untuk menjelaskan interaksi antara cahaya dan materi, sebagai contoh, dalam konteks efek fotolistrik, radiasi benda hitam, atau spektrum garis terang dari atom dan molekul. Seseorang mungkin diarahkan pada pertanyaan, kapan mekanika kuantum benar-benar relevan?
Domain mekanika kuantum adalah kapan mekanika kuantum berlaku dengan baik. Di satu sisi Anda memiliki fisika klasik dan di sisi lain Anda memiliki fisika kuantum. Batas antara fisika klasik dan mekanika kuantum tidak benar-benar tidak begitu jelas. Di sisi fisika klasik, Anda memiliki hal-hal yang pasti. Sedangkan di sisi mekanika kuantum, Anda miliki hal-hal yang tidak pasti.
Apa artinya dalam konteks fisika adalah bahwa di sisi klasik, hal-hal itu dapat diprediksi. Mungkin saja rumit dan sulit untuk memprediksi hal-hal itu, tetapi pada prinsipnya mereka bisa diprediksi dengan baik. Di sisi mekanika kuantum, hal-hal juga "dapat diprediksi" tapi dengan tanda petik. Di sisi klasik Anda menentukan (determinasi) semuanya. Pada dasarnya, setiap properti dari sistem dapat dikenal dengan presisi. Sedangkan di sisi mekanika kuantum, apa yang Anda prediksi adalah probabilitas. Belajar untuk bekerja dengan probabilitas akan menjadi langkah pertama untuk mendapatkan kenyamanan dengan mekanika kuantum. Batas antara dua alam ini, ketika efek ketidakpastian dan probabilistik pada mekanika kuantum mulai menjadi relevan adalah garis pemisah antara hal-hal yang berukuran besar dan hal-hal yang kecil, dan itu tidak terlalu tepat.
Cara menyatakan sesuatu dengan lebih matematis, mekanika kuantum berlaku misalnya saat momentum sudut (L) berada pada skala konstanta Planck tereduksi, atau konstanta ħ (dibaca h-bar). Sekarang, ħ adalah skala fundamental dari mekanika kuantum, dan tampaknya tidak hanya dalam konteks momentum sudut. Konstanta Planck memiliki satuan momentum sudut. Jadi jika nilai momentum sudut berada dalam ordo konstanta Planck atau lebih kecil, momentum sudut itu berada di domain mekanika kuantum.
Kita akan belajar lebih banyak tentang prinsip ketidakpastian nanti, akan tetapi ketidakpastian dalam konteks ini harus dilakukan pada hasil kali antara ketidakpastian momentum partikel (Δp) dikalikan dengan ketidakpastian posisi partikel (Δx). Jika dibandingkan dengan konstanta Planck juga akan memberi Anda realita mekanika kuantum. Tenaga (ΔE) dan waktu (Δt) juga memiliki relasi ketidakpastian terhadap konstanta Planck.
Paling mendasar, aksi klasik ketika Anda masuk ke studi yang lebih maju dari mekanika klasik. Anda akan belajar tentang besaran yang disebut "Aksi (S)" yang ada hubungannya dengan lintasan yang diambil oleh sistem yang berkembang dalam ruang dan waktu. Jika aksi sistem berada dalam ordo konstanta Planck, maka Anda berada di domain mekanika kuantum.
Sekarang nilai konstanta Planck tereduksi sangat kecil, ħ sekitar 1.054 571 48 x 10-34 Kg.m²/s. 10-34 adalah bilangan yang sanagt kecil. Jadi jika kita memiliki jumlah yang sangat kecil maka kita berada dalam domain mekanika kuantum. Dalam praktiknya, ΔpΔx ≈ ħ dan ΔEΔt ≈ ħ adalah yang paling banyak berguna. Sementara itu S ≈ ħ adahal yang paling mendasar.
Misalnya elektron dalam atom hidrogen. Anda tahu dari melihat spektrum garis terang bahwa ini harus di domain mekanika kuantum. Tapi bagaimana kita bisa tahu? menggunakan salah satu prinsip ketidakpastian sebagai perhitungan, pertimbangkan energi. Energi dari elektron dalam atom hidrogen adalah sekitar 10 eV. Jika kita katakan E itu sama dengan p²/2m, ini merupakan energi kinetik klasik yang menghubungkan antara momentum dan energi kinetik.
Persamaan itu memberitahu kita nilai momentum adalah p ≈ 1,7 x10-24 Kg.m/s. Sekarang ini menunjukkan bahwa nilai momentum elektron adalah bukan nol. Akan tetapi jika atom hidrogen itu sendiri tidak bergerak, maka nilai rata-rata momentum dari elektron adalah nol. Jadi jika momentum elektron akan menjadi nol dengan masih diberikan beberapa momentum kepada elektron, maka nilai 1,7 x10-24 adalah ketidakpastian dari momentum elektron Δp daripada nilai momentum elektron itu sendiri.
Besaran berikutnya, jika kita melihat hubungan ketidakpastian antara momentum dan posisinya maka kita perlu mengetahui nilai ketidakpastian dalam posisi elektron yang berkaitan dengan ukuran atom. Sekarang ukuran atom itu sekitar 0,1 nanometer. Jika Anda tidak ingat konversi dari nanometer ke metera, nilai ini adalah 10-10. Jadi mari kita anggap ini sebagai Δx sebagai ketidakpastian posisi. Karena kita tidak benar-benar tahu di mana elektron dalam atom. Jadi ini adalah tebakan yang masuk akal pada ketidakpastian.
Sekarang jika kita mengalikan dua hal ini bersama, ΔpΔx. Anda mendapatkan sesuatu perkiraan sebesar 1,7x10-34 . Jika Anda pasang melalui unit dari besaran ini,m itu adalah Kg.m²/s. Nilai ini kira-kira sama dengan h bar. Ini memberitahu kita bahwa mekanika kuantum pasti penting di sini. Kita harus melakukan beberapa mekanika kuantum untuk memahami sistem ini.
Sebagai contoh lain, objek kecil yang mungkin saja memiliki relevansi terhadap mekanika kuantum. Sebenarnya kami menginginkan suatu perhitungan secara intuituf. Anggap saja sebagai objek adalah setitik debu yang terbawa angin sepoi-sepoi. Apakah objek tersebut berada di ranah mekanika kuantum yang menyenangkan atau fisika klasik.
Sekarang saya mencari suatu nilai untuk setitik debu, katakanlah massa adalah sekitar 10-6 Kg, atau 1 mikrogram. Debu ini memiliki kecepatan dalam angin sepoi-sepoi, katakanlah 1 m/s. Ukuran dari setitik debu ini sekitar 10-5 meter. Jadi ini adalah parameter dasar dari setitik debu yang tertiup angin sepoi-sepoi.
Sekarang kita dapat melakukan beberapa perhitungan dengan hal itu. Misalnya momentum, momentum adalah massa dikali dengan kecepatan. Momentum p sekitar 10-6 Kg.m/s. Nilai ketidakpastian dalam momentum itu, Δp , kita bisa mengatakan itu 10-6 Kg.m/s, tapi mari kita mengatakan itu sedikit lebih kecil dari 10-6 Kg.m/s, katakanlah 10-8 Kg.m/s. Sekarang ketidakpastian posisinya akan menjadi fungsi dari ukuran objek. Kita mengetahui ukuran benda tersebut. Ketidakpastian posisi mungkin tidak jauh lebih besar dari ukuran objek sebenarnya. Itu mungkin lebih kecil. Kita dapat mengukur diameter bintik debu hanya dengan memasukkannya ke dalam mikroskop. Misalnya, Katakanlah ketidakpastian posisi sekitar 10-6 meter.
Sekarang kita menjalankan perhitungan ini, ΔpΔx adalah 10-8 dikali dengan 10-6, sekitar 10-14 Kg.m²/s. Faktor ini 1020 lebih besar dari h-bar. Dengan demikian, objek ini benar-benar masuk domain dari fisika klasik. Bahkan sesuatu yang sangat kecil seperti setitik debu dalam angin sepoi-sepoi masih menjadi objek fisika klasik.
Hanya beberapa contoh dasar untuk meletakkan sesuatu dalam konteks sedikit lebih jauh. Mekanika kuantum kemungkinan besar menjadi penting jika Anda berurusan dengan beberapa partikel sebagai berikut:
- Partikel tunggal seperti: atom, molekul, elektron, foton
- Itu juga akan menjadi sangat sangat relevan jika Anda berbicara tentang semikonduktor. Sifat mekanika kuantum dari semikonduktor adalah apa yang membuat mereka menjadi perangkat elektronik yang sangat berguna
- Laser adalah situasi lain di mana mekanika kuantum sangat penting. Tanpa mekanika kuantum tidak akan ada laser
- Jika Anda berbicara tentang fisika suhu sangat rendah. Suhu kurang dari sekitar 100 Kelvin.
Pemateri: Dr. Brant Cartson
Judul Asli: The Domain Of Quantum Mechanics
Sumber: https://www.youtube.com/@sphericalchicken
Komentar
Posting Komentar