Mekanika kuantum adalah cabang dasar fisika
yang menggantikan mekanika klasik pada tataran atom dan subatom. Ilmu ini memberikan kerangka matematika
untuk berbagai cabang fisika dan kimia,
termasuk fisika atom, fisika molekular, kimia komputasi, kimia
kuantum, fisika partikel, dan fisika
nuklir. Mekanika kuantum adalah bagian dari teori
medan kuantum dan
fisika kuantum umumnya, yang, bersama relativitas umum, merupakan salah satu pilar fisika modern.
Dasar dari mekanika kuantum adalah bahwa energi itu
tidak kontinyu, tapi diskrit -- berupa 'paket' atau 'kuanta'. Konsep
ini cukup revolusioner, karena bertentangan dengan fisika klasik yang
berasumsi bahwa energi itu berkesinambungan.
Sejarah
Pada tahun 1900, Max
Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi menjadi
beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus digunakan untuk
menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda
hitam. Pada tahun 1905,
Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan
menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut
foton.
Pada tahun 1913,
Niels
Bohr menjelaskan garis
spektrum dari atom
hidrogen, lagi dengan menggunakan kuantisasi. Pada tahun 1924, Louis de Broglie
memberikan teorinya tentang gelombang benda.
Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal:
tidak ada penjelasan jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal sebagai
teori
kuantum lama.
Frase "Fisika kuantum" pertama kali digunakan oleh Johnston dalam
tulisannya
Planck's Universe in Light of Modern Physics (Alam
Planck dalam cahaya Fisika Modern).
Mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925, ketika Werner Karl Heisenberg
mengembangkan mekanika
matriks dan Erwin Schrödinger menemukan mekanika
gelombang dan persamaan Schrödinger. Schrödinger
beberapa kali menunjukkan bahwa kedua pendekatan tersebut sama.
Heisenberg merumuskan prinsip ketidakpastiannya
pada tahun 1927,
dan interpretasi Kopenhagen terbentuk dalam waktu yang hampir
bersamaan. Pada 1927,
Paul Dirac menggabungkan mekanika kuantum dengan
relativitas khusus. Dia juga membuka
penggunaan teori operator, termasuk notasi
bra-ket yang berpengaruh. Pada tahun 1932
, Neumann Janos merumuskan dasar matematika yang
kuat untuk mekanika kuantum sebagai teori operator.
Bidang kimia kuantum dibuka oleh
Walter
Heitler dan Fritz London,
yang mempublikasikan penelitian ikatan kovalen dari molekul
hidrogen pada tahun 1927. Kimia kuantum beberapa kali dikembangkan oleh
pekerja dalam jumlah besar, termasuk kimiawan Amerika Linus Pauling.
Berawal pada 1927,
percobaan dimulai untuk menggunakan mekanika kuantum ke dalam bidang di
luar partikel satuan, yang menghasilkan teori
medan kuantum. Pekerja awal dalam bidang ini termasuk Dirac, Wolfgang Pauli, Victor
Weisskopf dan Pascaul
Jordan. Bidang riset area ini dikembangkan dalam formulasi elektrodinamika
kuantum oleh Richard Feynman,
Freeman
Dyson, Julian Schwinger, dan Tomonaga Shin'ichirō
pada tahun 1940-an. Elektrodinamika kuantum adalah teori
kuantum elektron,
positron,
dan Medan elektromagnetik, dan berlaku
sebagai contoh untuk teori kuantum berikutnya.
Interpretasi banyak dunia diformulasikan oleh Hugh Everett
pada tahun 1999996.
Teori Kromodinamika kuantum diformulasikan
pada awal 1960an.
Teori yang kita kenal sekarang ini diformulasikan oleh Polizter, Gross
and Wilzcek pada tahun 1975. Pengembangan awal oleh Schwinger, Peter Higgs,
Goldstone dan lain-lain. Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg dan
Abdus
Salam menunjukan secara independen bagaimana gaya nuklir lemah dan
elektrodinamika kuantum dapat digabungkan menjadi satu gaya
lemah elektro
Eksperimen
penemuan
- Eksperimen
celah-ganda royan
membuktikan sifat gelombang dari cahaya. (sekitar 2012)
- Henri Becquerel menemukan radioaktivitas (1896)
- Joseph John Thomson - eksperimen tabung sinar kathoda (menemukan elektron
dan muatan negatifnya) (1897)
- Penelitian radiasi
benda hitam antara 1850 dan 1900, yang tidak dapat dijelaskan tanpa
konsep kuantum.
- Robert Millikan - eksperimen
tetesan oli, membuktikan bahwa muatan listrik terjadi dalam kuanta
(seluruh unit), (1909)
- Ernest Rutherford - eksperimen
lembaran emas menggagalkan model puding plum atom yang
menyarankan bahwa muatan positif dan masa atom tersebar dengan rata. (1911)
- Otto
Stern dan Walter
Gerlach melakukan eksperimen
Stern-Gerlach, yang menunjukkan sifat kuantisasi partikel spin (1920)
- Clyde L.
Cowan dan Frederick Reines meyakinkan keberadaan neutrino
dalam eksperimen
neutrino (1955)
Bukti
dari mekanika kuantum
Mekanika kuantum sangat berguna untuk menjelaskan perilaku atom dan partikel subatomik seperti proton, neutron
dan elektron
yang tidak mematuhi hukum-hukum fisika
klasik. Atom
biasanya digambarkan sebagai sebuah sistem di mana elektron (yang
bermuatan listrik negatif) beredar seputar nukleus atom (yang bermuatan listrik positif).
Menurut mekanika kuantum, ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat
energi yang lebih tinggi (misalnya dari n=2 atau kulit atom ke-2 ) ke
tingkat energi yang lebih rendah (misalnya n=1 atau kulit atom tingkat
ke-1), energi berupa sebuah partikel cahaya yang disebut foton,
dilepaskan. Energi yang dilepaskan dapat dirumuskan sbb:
keterangan:
-
adalah energi (J)
-
adalah tetapan Planck,
(Js), dan
-
adalah frekuensi dari cahaya (Hz)
Dalam spektrometer massa,
telah dibuktikan bahwa garis-garis spektrum
dari atom yang di-ionisasi tidak kontinyu, hanya pada
frekuensi/panjang gelombang tertentu garis-garis spektrum dapat dilihat.
Ini adalah salah satu bukti dari teori mekanika kuantum.