MAKALAH MEKANIKA KUANTUM
D i susun susun Oleh Oleh : NAMA : ILHAM ADI SUDRAJAT PRODI : TEKNIK TE KNIK ELEKTRO ELE KTRO NIM
: 1410501010
UNIVERSITAS TIDAR MAGELANG MAGELANG 2014/2015
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR…………………………………………………………... i DAFTAR ISI……………………………………………………………………. ii I.
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang………………………………………………………..….. 4
1.2
Tujuan Makalah ......................................................................................... 4
II. PEMBAHASAN 2.1 Perkembangan Mekanika Kuantum..................……….................................. 5 2.2 Penerapan Mekanika Kuantum Dalam Pengembangan Teknologi Modern.... 10 2.3 Mengetahui Bukti Dari Mekanika Kuantum ................................................... 11
BAB III KESIMPULAN........................................................................................12
DAFTAR PUSTAKA............................................................................................13
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur kita Panjatkan ke Hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat limpahan Rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun makalah ini tepat pada waktunya. Makalah ini membahas tentang Teori Atom Mekanika Kuantum dan Penerapannya sebagai tugas dari mata kuliah Dalam penyusunan makalah ini, penulis banyak mendapat tantangan dan hambatan akan tetapi dengan bantuan dari berbagai pihak tantangan itu bisa teratasi. Olehnya itu, penyusun mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan makalah ini, semoga bantuannya mendapat balasan yang setimpal dari Tuhan Yang Maha Esa. Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan baik dari bentuk penyusunan maupun materinya. Kritik konstruktif dari pembaca sangat diharapkan untuk penyempurnaan makalah selanjutnya. Akhir kata semoga makalah ini dapat memberikan manfaat kepada kita.
Ilham, Januari 2016
Penyusun
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Dasar dimulaianya periode mekanika kuantum adalah ketika mekanika klasik tidak bisa menjelaskan gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskofis dan bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena i tu, diperlukan cara pandang yang berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut. Teori atom mengalami perkembangan mulai dari teori atom John Dalton, Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, dan Niels Henrik David Bohr. Perkembangan teori atom menunjukkan adanya perubahan konsep susunan atom dan reaksi kimia antaratom. Kelemahan model atom yang dikemukakan Rutherford disempurnakan oleh Niels Henrik David Bohr . Bohr mengemukakan gagasannya tentang penggunaan tingkat energi elektron pada struktur atom. Model ini kemudian dikenal dengan model atom Rutherford-Bohr. Tingkat energy elektron digunakan untuk menerangkan terjadinya spektrum atom yang dihasilkan oleh atom yang mengeluarkan energi berupa radiasi cahaya.
1.2 Tujuan Makalah Adapun tujuan pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui perkembangan teori mekanika kuantum 2. Mengetahui penerapan mekanika kuantum dalam pengembangan teknologi modern 3. Mengetahui bukti dari mekanika kuantum
BAB II PEMBAHASAN A.
Perkembangan Mekanika Kuantum
Mekanika kuantum adalah dasar awal periode ketika mekanika klasik t idak bisa menjelaskan gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskofis (berukuran sangat kecil) ( dan bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Diperlukan cara pandang yang berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut. Sejarah mekanika kuantum dimulai ketika Michael Faraday menemukan sinar katoda, kemudian pada tahun 1859-1860 Gustav Kirchoff memberikan pernyataan tentang radiasi hitam. Pada tahun 1888, Heinrich Hertz membuat sebuah alat yang dapat memproduksi radiasi yang memiliki frekuensi rendah sehingga menghasilkan cahaya tampak yang dapat pula kita sebut sebagai ”microwave” atau gelombang micro. Penelitian awal yang dilakukan adalah menjelaskan teori dasar tentang alam yang mana pada dasarnya adalah berasal dari radiasi Elektromagnetik. Pada tahun 1900, fisikawan berkebangsaan Jerman Max Planck (1858-1947) menganggap bahwa benda hitam menyerap energi dalam berkas-berkas kecil dan memancarkan energi yang diserapnya dalam berkas-berkas kecil pula yang pada akhirnya berkas-berkas kecil itulah yang disebut kuantum dan menemukan konstanta Planck. Teori kuantum ini diibaratkan dengan naik atau turun menggunakan tangga, melalui hipotesa ini Planck berhasil menemukan persamaan matematika untuk radiasi benda hitam yang benar benar sesuai dengan data percobaan yang diperoleh dan selanjutnya disebut Hukum Radiasi Benda Hitam Planck yang menyatakan bahwa intensitas cahaya yang dipancarkan dari suatu benda hitam berbeda-beda sesuai dengan panjang gelombang cahaya. Planck mendapatkan suatu persamaan : E = hf yang menyatakan bahwa energi suatu kuantum (E) adalah setara dengan nilai tetapan tertentu yang dikenal sebagai Tetapan Planck (h= 6,626 x 10 -34 (J s)), dikalikan dengan frekuensi ( f ) kuantum radiasi. Tahun 1905, Albert Einstein menemukan ener gi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton dari penjelasan efek fotolistrik. Selanjunya, dengan menggunakan kuantisasi, Niels Bohr berhasil menjelaskan garis spektrum hidrogen pada tahun 1913. Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan t eorinya tentang gelombang benda. Persamaan gelombang dari Erwin Schrodinger menghasilkan ti ga bilangan gelombang (bilangan kuantum) untuk menyatakan kedudukan (tingkat energi, bentuk, serta orientasi) suatu orbital, yaitu: bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimut (l) dan bilangan kuantum magnetik (m). Louis de Broglie mengembangkan efek dualisme Albert Einstein tidak hanya berlaku untuk cahaya, tetapi untuk semua partikel kuantum lainnya seperti elektron, proton, neutron, dll. Tahun 1932, Neumann Janos merumuskan dasar matematika yang kuat untuk mekanika kuantum sebagai teori operator. Hingga akhirnya muncul
ilmuwan-ilmuwan lain seperti Dirac, Wolfgag Pauli, Victor Weiss kopf dan Pascaul Jordan yang mengembangkan teori medan magnet dan dikembangkan dalam formulasi elektrodinamika kuantum oleh para ilmuwan seperti Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, dan Tomonaga Shin’ichirō pada tahun 1940 -an. Mekanika kuantum bertujuan mengkoreksi teori mekanika klasik yang gagal dalam menjelaskan fenomena mekanik pada skala atomik dan subatomik. Pada tahun 1913, berdasarkan analisis spektrum atom dan teori kuantum yang dikemukakan oleh Max Plank, Niels Bohr mengajukan model atom hidrogen, yaitu atom yang hanya mengandung satu elektron. Menurut Bohr elektron beredar mengitari intinya pada tingkat-tingkat energi tertentu, bagaikan planet-planet mengitari matahari dan elektron dapat berpindah dari tingkat energi satu ke tingkat energi yang lain. Model Atom Bohr mempunyai beberapa kelemahan: 1. Teori atom Bohr hanya dapat menerangkan spektrum atom yang saderhana, misal Hidrogen, dan tidak dapat menerangkan yang lebih rumit (nomor atom > 1) 2. Teori Bohr tidak dapat menjelaskan pengaruh medan magnet dalam atom hidrogen. Oleh karena itu, tidak mungkin membayangkan elektron beredar mengitari inti menurut suatu orbit berbentuk lingkaran dengan jari- jari tertentu. Kekurangan model atom Bohr disempurnakan dengan model atom mekanika kuantum yang dikemukakan oleh Erwin Schrodinger pada tahun 1927, seorang ilmuan dari Austria. Teori Atom Mekanika Kuantum didasarkan pada dualisme sifat elektron yaitu seba gai gelombang dan sebagai partikel. Menurut de Broglie, cahaya dapat berperilaku sebagai materi dan berperilaku sebagai gelombang (dikenal dengan istilah dualisme gelombang partikel). Menurut Heisenberg, tidak mungkin menentukan kecepatan dan posisi elektron secara bersamaan, tetapi yang dapat ditentukan hanyalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti. Erwin Schrodinger mengajukan teori yang disebut teori atom mekanika kuantum ”Kedudukan elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti yang dapat ditentukan adalah kemungkinan menemukna elektron sebagai fungsi jarak dari inti atom”. Daerah dangan kemungkinan terbesar ditemukan elektron disebut orbital. Orbital digambarkan berupa awan, yang tebal tipisnya menyatakan besar kecilnya kemungkinan ditemukan elektron di daerah tersebut. Kemudian Werner Heisenberg mengemukakan bahwa metode eksperimen yang digunakan untuk menemukan posisi atau momentum suatu partikel seperti elektron dapat menyebabkan perubahan, baik pada posisi, momentum atau keduanya.
Teori Schrodinger dan prinsip ketidakpastian Heisenberg melahirkan model atom mekanika kuantum sebagai berikut: 1. 2. 3. 4.
Posisi elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti. Atom mempunyai kulit elektron. Setiap kulit elektron memiliki subkulit elektron. Setiap subkulit elektron memiliki sub-sub kulit elektron.
a) Bilangan Kuantum Untuk menyatakan kedudukan, bentuk, serta orientasi s uatu orbital digunakan empat bilangan kuantum, sebagai berikut Bilangan kuantum utama (n) Menyatakan tingkat energi utama/ kulit atom Bilangan kuantum utama paling banyak ditempati oleh 2n2 elektron (n = jumlah kulit). Ex : Jumlah elektron maksimum yang ditempati kulit N adalah 2n2 = 2.(42) = 32 elektron. Bilangan Kuantum Azimut ( l)
Menyatakan subkulit tempat elektron berada. Nilai bilangan Azimut yaitu dari 0 sampai (n 1). Nilai l = 0, 1, 2, …(n–1′) Ex : Tentukan notasi elektron, apabila diketahui elektron menempati: Kulit n = 1 dan subkulit =0 Jawab : Kulit n = 1
Subkulit = 0, menunjukkan subkulit s Sehingga, notasi elektronnya adalah 1s Bilangan Kuantum magnetik ( m)
Menyatakan orbital mana yang ditempati elektron pada suatu subkulit. Bilangan Kuantum Spins ( s)
Menyatakan ke arah mana elektron beredar. Selain mengutari inti elektron berputar pada sumbunya. Ada 2 kemungkinan arah rotasi elektron, yaitu v s = + ½ , digambarkan dengan tanda panah ke atas ↑ (sea rah jarum jam) v s = -½, digambarkan dengan tanda panah ke bawah ↓ (berlawanan arah jarum jam)
b)
Bentuk Orbital
Bentuk orbital bergantung pada bilangan kuantum azimut (l). Orbital dengan bilangan kuantum azimut yang sama akan mempunyai bentuk yang sama. Orbital s
Bentuk orbital subkulit s seperti bola, di manapun elektron beredar akan mempunyai jarak yang sama terhadap inti Orbital p
Rapatan elektron terdistribusi pada bagian yang saling berlawanan dengan inti atom.inti terletak pada simpul dengan kerapatan elektron adalah nol. Orbital p mempunyai bentuk seperti balon terpilin. Dengan memiliki 3 harga m (-1, 0, +1), maka orbital p ada 3 macam yaitu px, py, pz Orbital d
Subkulit d mempunyai 5 orbital , yaitu dxy, dzx, dyz, dx 2, dx2 – y2. Orbital f
Orbital f mempunyai bentuk orbital yang lebih rumit dan lebih kompleks daripada orbital d. Setiap subkulit f mempunyai 7 orbital dengan energi yang setara. Orbital i ni hanya digunakan untuk unsur-unsur transisi yang letaknya lebih dalam.
c) Konfigurasi elektron Konfigurasi elektron menggambarkan distribusi elektron dalam orbital atom. Elektron tersusun dalam atom menurut tiga aturan: Asas Aufbau
Mempunyai prinsip bahwa pengisian elektron pada orbital di mulai dari tingkat energi terendah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Urutan energi dari tingkat yang terendah ke tingkat yang tertinggi, yaitu : 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d ……………… Ex : Tentukan konfigurasi elektron berdasarkan asas Aufbau pada
36Kr
Jawab : 36Kr = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 Aturan Hund
Menurut aturan Hund, pada pengisian orbital-orbital dengan tingkat energi yang sama, yaitu orbital-orbital dalam satu subkulit, mula-mula elektron akan menempati orbital secara sendiri-sendiri dengan spin yang paralel, baru kemudian berpasangan.
Ex : Tentukan diagram orbital untuk unsur 7 N Jawab : 7 N = 1s2 2s2 2p3 , diagram orbitalnya adalah Asas Larangan Pauli
Asas larangan Pauli menyatakan bahwa tidak ada dua elektron dalam sebuah atom apa pun dapat mempunyai keempat bilangan kuantum yang sama. Ex :Tentukan bilangan kuamtum dan diagram orbital yang dimiliki oleh atom
19K
Jawab : 19K = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 atau (Ar) 4s1 `
n = 4, l = 0, m = 0, dan s = + ½
d) H ubungan konfigur asi elektron dan letak unsur dalam Sistem Periodik Sistim periodik unsur terdiri dari dua golongan besar, yaitu golongan utama (A) dan golongan transisi (B). Konfigurasi elektron atom-atom unsur dapat dikelompokkan ke dalam blok sebagai berikut: Unsur Blok s
Unsur yang konfigurasi elektron yang diakhiri dengan subkulit s. Unsur-unsur yang termasuk blok s adalah unsur-unsur golongan IA dan IIA. Unsur Blok p
Konfigurasi elektron yang diakhiri dengan subkulit p. Unsur yang termasuk golongan p adalah unsur-unsur golongan IIIA sampai VIIIA. Uusur Blok d
Konfigurasi elektron yang diakhiri dengan subkulit d. Unsur yang termasuk blok d adalah unsur golongan IB sampai golongan VIIIB. Unsur blok f
Konfigurasi elektron yang diakhiri subkulit f. Unsur yang termasuk blok f adalah unsur-unsur golongan Lantanida dan golongan Aktinida. Ex : Tentukan golongan dan perioda pada usur 14Si Jawab : konfigurasi elektron 14Si = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 atau (Ne) 3s2 3p2
Jumlah elektron valensi = 4, subkulit s dan p, termas uk golongan IV A Subkulit ke-3 sehingga termasuk perioda 3
B. Penerapan Mekanika Kuantum Dalam Pengembangan Teknologi Modern
Mekanika kantum diaplikasikan dalam material terbesar (semiklasik) yaitu pada laser dan transistor. Mekanika kuantum juga diterapkan untuk merevolusi teknologi informasi dan komunikasi (TIK). Menurut Heisenberg, metode eksperimen apa saja yang digunakan untuk menentukan posisi atau momentum suatu partikel kecil dapat menyebabkan perubahan, baik pada posisi, momentum, atau keduanya Aplikasi konkret mekanika kuantum : 1. Quantum cryptography. Quantum cryptography diterapkan pada pengiriman pesan yang aman dengan menggunakan kode- kode yang tidak memudahkan para penyadap untuk membuka pesan dengan mudah. Pada eksperimen kuantum cryptography, setiap partikel akan dibelokkan ke atas atau ke bawah oleh medan magnet dengan sudut tertentu secara acak dengan probabilitas tertentu yang bergantung pada psi. 2. Quantum bomb taster. Eksperimen quantum bomb tester dilakukan oleh Mach Zender. Quantum bom tester digunakan untuk menguji apakah bom tersebut baik ata u tidak tanpa meledakkannya. Alur kerja quantum bomb tester dengan dinamika foton. Foton ditembakkan satu per satu ke arah beem splitter atau B-S dan diletakkan dua detektor cahaya. Detektor berfungsi untuk mencatat apabila ada foton yang datang atau menyerapnya. Foton hanya dapat melewati satu jalur dalam satu waktu. Bisa melewati jalur atas (foton yang dipantulkan) atau melewati jalur bawah (foton yang diteruskan). Setiap foton yang datang akan dipantulkan atau diteruskan secara acak. 3. Quantum computer. Quantum komputer merupakan alat hitung yang menggunakan fenomena mekanika kuantum. Contoh dari quantum komputer ini adalah superposisi dan keterkaitan, ini digunakan untuk operasi data. Jumlah data pada quantum komputer dihitung menggunakan satuan qubit. Prinsip dasar dari quantum komputer adalah sifat dari kuantum sendiri dapay digunakan untuk mewakili data dan struktur data, oleh karena itu mekanika kuantum dapat melakukan operasi dengan data ini. Keadaan mikroskopik suatu benda tidak mungkin diukur tanpa mengubahnya. Quantum state menggambarkan semua hal yang mungkin diketahui dalam keadaan tersebut. Fakta sederhana yang menjadi salah satu fondasi dari lahirnya sebuah revolusi di fisika yang dibawa oleh mekanika kuantum adalah fakta ketidakpastian Heisenbeg. Sama halnya dengan prinsip ketidakpastian Heisenberg, bahwa mengukur posisi (momentum) akan mengganggu momentum (posisi) partikel yang bersangkutan. Sifat partikel sebuah photon yaitu setiap photon hanya bisa melewati satu jalur dalam satu waktu. Eksperimen sederhana yang dilakukan oleh Heisenberg yaitu dengan meletakkan sebuah layar dengan sebuah celah berupa lingkaran yang memiliki diameter. Elektron ditembakkan satu demi satu ke arah celah itu sedemikian rupa sehingga di setiap waktu tidak ada elektron yang masuk celah secara bersamaan. Sebagian elektron ada yang diteruskan dan
ada yang dipantulkan. Elektron yang berhasil melewati celah akan terdistribusi di layar berpendar dengan area yang berbanding lurus dengan ukuran celah. Semakin kecil ukuran celah, elektron akan berhamburan dan terdistribusi di layar berpendar di area yang berbanding terbalik dengan ukuran celah. Semakin kecil ukuran celah, interval sudut cerai elektron yang berhasil melewati celah tersebut semakin besar. Elektron tidak diceraikan dengan sudut tertentu (terhadap horizontal) setelah melewati celah menunjukkan bahwa elektron mendapatkan kecepatan ke arah vertikal. Kesimpulannya adalah semakin kecil ketidakpastian posisi elektron di salam celah, semakin besar ketidakpastian kecepatan arah vertikal dari elektron ketika keluar dari celah, dan sebaliknya. Hal inilah yang dimaksud dengan ketidakpastian Heisenberg.
C. Mengetahui 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.
BAB III PENUTUP
A. KESIMPULAN Berdasarkan pembahasan yang telah disampaikan pada makalah ini maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Dasar dimulaianya periode mekanika kuantum adalah ketika mekanika klasik tidak bisa menjelaskan gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskofis dan bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena itu, diperlukan cara pandang yang berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut. 2. 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. 3. Pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom hidrogen, lagi dengan menggunakan kuantisasi. 4. Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang gelombang benda. 5. 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. B. SARAN Makalah ini masih memiliki berbagai jenis kekurangan olehnya itu kritik yang sifatnya membangun sangat kami harapkan.
DAFTAR PUSTAKA
http://widyakimiaunej.web.unej.ac.id/2015/08/24/kegagalan-mekanika-klasik-dan penerapan-mekanika-kuantum/ http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1110895619 http://id.wikipedia.org/wiki/Mekanika_kuantum