Selamat datang di mekanika kuantum, nama saya Brent Carlson. Karena ini adalah kuliah pertama pada mekanika kuantum, kami harus memiliki semacam pengenalan. Apa yang ingin saya lakukan untuk memperkenalkan mekanika kuantum adalah untuk menjelaskan pertama-tama, mengapa itu perlu? dan kedua untuk memasukkan konteks sejarah.
Saya akan menunjukkan salah satu foto paling terkenal di dunia fisika. Itu benar-benar memberi Anda perasaan jenius sebelum memasuki konstruksi teori ini. Dan mudah-mudahan kita akan memasukkannya ke dalam beberapa konteks sejarah juga. Namun tujuan utama dari kuliah ini adalah tentang perlunya mekanika kuantum. Saya benar-benar menekankan, mengapa kita membutuhkan mekanika kuantum?
Subjek ini memiliki reputasi yang sedikit mengganggu bagi yang ingin mempelajarinya. Jadi mengapa kita repot dengan itu. Pertama untuk beberapa konteks sejarah, bayangkan diri Anda kembali pada pergantian abad sekitar tahun 1900. Ilmu pengetahuan telah benar-benar memiliki banyak kemajuan. Kita memiliki listrik, kami memiliki semua hal yang luar biasa ini. Fisikawan mengira bahwa mereka telah memiliki sesuatu
100 tahun sebelumnya, Ada kutipan terkenal dari Pierre Simon, marquis de Laplace "Pada suatu saat, diberikan kecerdasan yang akan bisa memahami semua kekuatan, yang dengannya alam diolah dengan baik, dan masing-masing posisi dari objek di alam, tidak ada yang tidak pasti di masa depan. Karena masa lalu akan hadir di matanya."
Sekarang mungkin Anda berpikir, kecerdasan yang dapat memahami semua kekuatan alam adalah sedikit sekali. Mungkin makhluk seperti itu, yang bisa tahu semua posisi masing-masing segala sesuatu di alam semesta adalah sedikit sekali. Jika Anda bisa melakukan itu Anda akan tahu segalanya. Jika Anda memiliki pengetahuan sempurna tentang saat ini, Anda bisa memprediksi masa depan. Tentu saja Anda bisa menyimpulkan apa yang terjadi di masa lalu, dan semuanya terhubung satu sama lain oleh rantai kausalitas yang tidak terputus.
Sekarang pada tahun 1903, Albert Michelson, orang terkenal lainnya pada periode waktu itu mengatakan "Jika hukum dasar yang sangat penting dan fakta-fakta ilmu fisika semuanya telah ditemukan,,, penemuan masa depan dapat dilihat dengan ketelitian 6 desimal dibelakang koma". Pernyataan ini terdengar agak berani di 1903. Dia berpikir bahwa satu-satunya sesatu yang kita belum kami tinggalkan adalah ketelitian 1 bagian dalam satu juta.
Untuk bersikap adil padanya, Dia tidak berbicara tentang tidak pernah menemukan fundamental baru hukum fisika. Yang dia bicarakan adalah penemuan yang sangat mencengangkan, seperti penemuan Uranus berdasarkan peturbasi orbit Neptunus. Dia belum pernah melihat planet Uranus sebelum mereka tahu bahwa planet Uranus harus ada, hanya dengan melihat data-data. Mereka telah melihat itu cukup mengesankan. Michelson benar-benar menyukai sesuatu pengukuran presisi. Pengukuran presisi berguna terutama hari ini, tetapi pada tahun 1903 tidak begitu sederhana. Michelson mungkin menyesali komentar itu selama sisa hidupnya.
Sikap yang saya ingin kalian ambil ketika Anda mempelajari mekanika kuantum bukankah sikap semacam tahun 1900-an. Gagasan bahwa segala sesuatu diprediksi itu berasal dari Shakespeare. Horatio mengatakan "oh siang dan malam, tapi ini luar biasa aneh!", yang mana Hamlet menjawab pada salah satu baris terkenal di semua shakespeare, "dan oleh karena itu sebagai orang asing, sambutlah, ada lebih banyak hal di surga dan bumi, Horatio, daripada yang diimpikan filosofi Anda". Itulah sikap yang saya inginkan dari kalian ketika Anda mempelajari mekanik kuantum. Itu luar biasa aneh dan kita harus menyambutnya.
Ada beberapa hal dalam mekanika kuantum yang sangat non-intuitif. Tetapi jika Anda mempelajari mereka dengan pikiran terbuka, mekanika kuantum adalah subjek yang menarik. Ada banyak hal yang benar-benar menyenangkan yang akan berlangsung. Sekarang Kita beralih ke kebutuhan untuk mekanika kuantum. Ada beberapa awan gelap di cakrawala bahkan pada awal abad ke-20. Michelson tidak memiliki gambaran cukup besar di benaknya ketika dia berkata bahwa semua hasil pengukuran darus memiliki ketelitian hingga desimal keenam.
Menurut Kelvin di sana setidaknya beberapa percobaan yang tidak bisa dijelaskan. Salah satu diantaranya adalah spektrum benda hitam. benda hitam dapat dianggap sebagai objek panas seperti gulungan pada kompor listrik. Ketika kompor listrik menjadi panas, gulungan itu akan menyala. Pertanyaannya adalah apa warna mereka ketika berpendar. Apakah gulungan itu bersinar merah, bersinar biru, atau warna apa. Bagaimana distribusi spektrum radiasi yang dipancarkan oleh objek panas itu?
Percobaan lain yang sulit dijelaskan adalah efek fotolistrik. Jika Anda memiliki beberapa cahaya dan itu diarahkan ke permukaan material, elektron akan dikeluarkan dari permukaan itu. Seperti yang akan kita bahas sebentar lagi, sifat percobaan ini tidak sesuai dengan apa yang kita pikir. Kita tahu beberapa, atau setidaknya apa yang menurut fisikawan ketahui tentang fisika cahaya di fisika elektron pada pergantian abad ke-20.
Percobaan sulit terakhir untuk jelaskan adalah spektrum garis terang (bright line spectra). Sebagai contoh. Jika saya memiliki api berasal dari pembakar bunsen, dan saya menaruh sepotong sesuatu, mungkin natrium, dalam api itu. Natrium itu akan memancarkan humpunan frekuensi berbentuk garis terang yang sangat khusus yang tidak terlihat seperti spektrum benda hitam. Kita akan berbicara tentang semua percobaan ini secara umum umum atau sedikit lebih detail dalam satu atau dua menit.
Perhatikan percobaan radiasi benda hitam sekarang. Ini adalah eksperimen yang sangat sulit dijelaskan. Mengetahui apa yang kita tahu pada pergantian abad ke-20 tentang fisika klasik. Itu juga percobaan yang melibatkan cahaya dan materi. Kita benar-benar turun ke detail, material itu terbuat dari apa, dan bagaiama interaksi material tersebut dengan benda-benda di sekitarnya. Ini adalah beberapa gagasan yang cukup mendasar. Dan di situlah mekanika kuantum dimulai.
Mari kita pisahkan eksperimen ini sedikit lebih detail. Spektrum benda hitam seperti yang saya sebutkan, Anda bisa memikirkan sebagai cahaya yang dipancarkan hanya oleh benda panas. Sementara benda panas memiliki beberapa suhu yang terkait dengan permukaannya. Sebut suhu itu sebagai T. Gambar di bawah ditampilkan secara kualitatif. Saya hanya akan menyebutnya intensitas cahaya yang dipancarkan sebagai fungsi dari panjang gelombang dari cahaya itu.
Panjang gelombang pendek memiliki energi tinggi. Sedangkan panjang gelombang panjang memiliki energi rendah. Sekarang jika Anda melihat T = 3500 Kelvin. Kurva di sini memiliki ekor yang panjang hingga panjang gelombang yang sangat panjang. Itu terputus cukup cepat saat Anda pergi ke panjang gelombang pendek. Sehingga pada kurva tidak memancarkan sangat banyak cahaya energi tinggi.
Sedangkan jika Anda memiliki objek yang jauh lebih panas seperti 5500 Kelvin. Panjang gelombang pendek yang dipancarkannya jauh lebih tinggi. Energi dari cahaya dari kurva biru di sini lebih tinggi dari kurva merah. Sekarang jika Anda mencoba untuk menjelaskan hal ini, mengetahui apa yang fisikawan tahu pada awal abad ke-20 tentang radiasi, tentang elektron, tentang atom, serta bagaimana mereka bisa memancarkan cahaya, Anda mendapatkan prediksi.
Prediksi itu bekerja dengan sangat baik sampai kira-kira di sini, pada titik mana itu meroket hingga tak terhingga. Ketidakterbatasan itu buruk dalam fisika. Ini adalah hukum Rayleigh-Jeans. Prediksi itu bekerja dengan sangat baik untuk panjang gelombang panjang, akan tetapi tidak bekerja sama sekali untuk panjang gelombang pendek. Itulah mengapa disebut sebagai bencana ultraviolet (the ultraviolet catastrophe), Jika Anda pernah mendengar istilah itu.
Di ujung yang lain pada panjang gelombang pendek. Jika Anda melihat apa yang terjadi di bawah sini, baik itu tidak begitu banyak prediksi tapi sebuah pengamatan. Ada formula bagus yang cocok di sini. Jadi di satu sisi kita punya prediksi yang bekerja dengan baik di satu sisi tetapi tidak bekerja di sisi lain. Di sisi lain kami memiliki semacam rumus empiris yang disebut hukum Wien yang bekerja sangat baik di panjang gelombang pendek. Akan tetapi, prediksi hukum Wien juga meroket hingga tak terhingga pada panjang gelombang panjang. Kedua hukum ini, hukum Rayleigh-Jeans dan hukum Wien adalah masalah. Pertanyaannya adalah bagaimana Anda mendapatkan sesuatu yang menjelaskan keduanya? Ini adalah inti dari spektrum radiasi benda hitam. Betapa sulitnya itu untuk ditafsirkan dalam konteks fisika klasik.
Pada percobaan fisika berikutnya adalah efek fotoelektrik. Ini semacam sebaliknya. Masalahnya bukan bagaimana material memancarkan cahaya, akan tetapi bagaimana cahaya berinteraksi dengan material. Jadi ada cahaya yang masuk. Dan, percobaan biasanya dilakukan seperti ini, Anda memiliki potongan material, biasanya adalah logam. Ketika cahaya mengenainya, elektron dikeluarkan dari permukaan. Pergerakan eelktron ini merupakan bagian listrik dari efek fotolistrik.
Anda dapat melakukan semua ini dalam ruang hampa. Elektron kemudian dibiarkan pergi melintasi celah ke beberapa material lain, bongkahan logam lainnya. Di mana elektron ini menumbuk logam ini. Percobaan biasanya dilakukan seperti ini. Anda menghubungkan kedua bongkahan logam ke baterai. Sehingga Anda memiliki material Anda di satu sisi, dan material lain di sisi lain. Anda memiliki cahaya yang mengenai salah satu material. Material itu melepaskan elektron. Kemudian Anda menyetel voltase pada baterai ini. Medan listrik yang dihasilkan oleh tegangan baterai berlawanan arah dengan gerakan elektron. Ketika itu, tegangan baterai cukup tinggi untuk menghentikan gerakan elektron menuju bongkahan logam lain di depannya. Kami akan menyebutnya tegangan henti (Stopping Voltage).
Sekarang ternyata bahwa prediksi dari fisika klasik, seperti yang saya sebutkan, tidak cocok dengan apa sebenarnya terjadi dalam kenyataan. Mari kita berpikir tentang apa prediksi fisika klasik, teori elektromagnet bahwa gelombang elektromagnetik memiliki medan listrik dan medan magnet ketika merambat. Jika saya meningkatkan intensitas gelombang elektromagnetik berarti besar medan listrik |E| yang terkait dengan gelombang elektromagnet akan meningkat.
Jika elektron duduk di medan listrik itu, energi yang elektron peroleh akan meningkat. Itu berarti tegangan henti akan meningkat. Karena saya membutuhkan lebih banyak tegangan untuk menghentikan elektron dengan energi yang lebih tinggi yang dihasilkan oleh berkas cahaya dengan intensitas yang lebih tinggi.
Parameter lain dari cahaya adalah frekuensi. Kita bisa berpikir tentang memvariasikan frekuensi. Jika saya meningkatkan frekuensi yang saya memiliki lebih banyak cahaya dengan intensitas lebih tinggi. Sekarang jika saya meningkatkan frekuensi, saya tidak perlu memiliki lebih banyak intensitas cahaya karena besarnya medan listrik akan sama. Yang berarti energi dari elektron dan tegangan henti juga akan sama. Ternyata apa yang sebenarnya terjadi, pada kenyataannya tidak cocok dengan ini sama sekali.
Dalam kenyataannya, ketika intensitas cahaya meningkat, jumlah energi yang saya tulis sebagai Vstop (tegangan henti) yang diperlukan tidak berubah. Dan ketika saya meningkatkan frekuensi, tegangan henti yang diperlukan untuk menghentikan elektron meningkat. Jadi ini justru sebaliknya. Apa yang terjadi di sini. itulah teka-teki dalam menjelaskan efek fotoelektrik. Hanya untuk memeriksa pemahaman Anda secara singkat, pertimbangkan plot tegangan henti ini sebagai fungsi dari parameter cahaya datang. Periksa yang menurut Anda menunjukkan prediksi klasik untuk efek fotoelektrik.
Percobaan ketiga yang saya sebutkan adalah spektrum garis terang. Seperti yang saya sebutkan, inilah yang terjadi jika Anda mengambil api untuk memaskan material seperti batang natrium yang saya sebutkan lebih awal. Natrium ini akan memancarkan cahaya, dalam hal ini spektrum cahaya dari merah ke biru. Untuk Natrium terlihat seperti ini. Sebenarnya saya minta maaf, itu bukan Natrium, itu Merkuri. Empat elemen yang berbeda ini adalah spektrum Hidrogen. Selanjutnya Merkuri, Neon, dan Xenon.
Bukanya memiliki spektrum yang kontinus berkelanjutan seperti yang terlihat pada spektrum radiasi benda hitam. Pada gambar di atas, dimana Anda sedang berbicara tentang gas, Anda mendapatkan daerah yang sangat terang ini. Spektrumnya alih-alih terlihat seperti kurva yang mulus seperti spektrum radiasi benda hitam, itu seperti lonjakan (spikes) garis terang. Itu luar biasa, sulit dijelaskan dengan fisika klasik. Hal ini akan memulai mekanika kuantum. Bagaimana Anda menjelaskan hal ini?
Pemateri: Dr. Brant Cartson
Judul Asli: Introduction to quantum mechanics
Sumber: https://www.youtube.com/@sphericalchicken
Komentar
Posting Komentar