Apa Itu Cahaya?

"Apa itu cahaya? Model atom Bohr

Meskipun atom sangat kecil, orang Yunani Leucippus dan muridnya Democritus sudah menduganya pada abad ke-5 SM. keberadaan blok bangunan "tak terpisahkan" (atomos) dari semua materi dan mendirikan ajaran yang disebut atomisme. Selama berabad-abad, ide ini terus-menerus dipikirkan kembali, ditentukan, dan disempurnakan. Namun, teori atom pertama berdasarkan pengamatan reaksi kimia baru ditetapkan pada awal abad ke-19 oleh ahli kimia dan fisikawan Inggris John Dalton (1766-1844), yang  dikenal sebagai teori atom kimia. Segera setelah itu, para ilmuwan menggali lebih dalam dan lebih dalam ke dalam mikrokosmos: pada tahun 1874, berdasarkan temuan Michael Faraday (1791-1867), George Johnstone Stoney mendalilkan pembawa muatan listrik, yang ia baptiskan pada tahun 1891 dengan nama "elektron" (Yunani untuk kuning). 

Atom, elektron, dan partikel kuantum lainnya berperilaku secara fundamental berbeda dari yang kita ketahui dari kehidupan kita sehari-hari. Mereka memiliki sifat partikel dan gelombang, masa depan mereka benar-benar tidak pasti dan bahkan ketika diukur sekarang, hasilnya tidak selalu tepat.

Tidak hanya cahaya, tetapi  elektron individu dapat membuat pola interferensi ketika melewati celah ganda. Akira Tonomura dari Hitachi Advanced Research Laboratory di Jepang melakukan eksperimen semacam itu. Di sini Anda dapat melihat pelat foto yang digunakan setelah delapan, 270, 2000, dan 60.000 elektron. Pola intensitas garis-garis terang dan gelap dapat terlihat dengan jelas.

Pola interferensi elektron.Materi yang kita ketahui terdiri dari atom, elektron, dan partikel kuantum lainnya. Namun hukum yang berlaku di dunia mikroskopis partikel dan dunia makroskopik tubuh tidak bisa lebih berbeda. Keunikan partikel kuantum sangat mengesankan dalam eksperimen celah ganda: berkas elektron mengenai celah dengan dua celah sempit paralel, menembusnya dan mendarat di pelat fotografi yang dipasang di belakangnya. Setiap partikel yang mengenainya menghitamkan pelat di mana ia mengenainya, meninggalkan titik hitam yang mudah dilokalisasi.

Elektron  berperilaku tidak berbeda dari partikel makroskopik seperti butiran pasir dan dengan demikian menunjukkan sifat partikelnya. Namun, setelah jumlah tumbukan yang cukup, perbedaan penting menjadi jelas: sementara butiran pasir membentuk dua tumpukan terpisah di belakang celah ganda karena mereka terbang melalui celah kiri atau kanan, elektron pada pelat foto menghasilkan pola penghitam terstruktur. terdiri dari garis-garis intensitas yang berbeda ada (lihat gambar di sebelah kanan).

Apa yang disebut pola interferensi ini  diketahui dari gelombang cahaya atau air jika melewati celah ganda yang serupa. Dan memang, munculnya pola tumbukan elektron  dapat digambarkan dengan menggunakan teori gelombang. Berbeda dengan butiran pasir, elektron  memiliki sifat gelombang. Kebetulan, ini berlaku sama untuk partikel kuantum lain seperti proton, neutron, atom dan bahkan fullerene - molekul kompleks yang terdiri dari 60 atom karbon. Mereka semua menghasilkan pola interferensi karakteristik dalam eksperimen celah ganda. Pendekatan fisik klasik gagal menjelaskan "dualitas gelombang partikel" ini.

Hanya mekanika kuantum Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger dan lainnya yang memberikan konsep untuk dipahami: Partikel kuantum harus dijelaskan oleh fungsi gelombang! Pada tahun 1929, fisikawan Jerman Max Born mengusulkan interpretasi probabilistik dari fungsi gelombang mekanika kuantum. Lebih tepatnya, kuadrat dari fungsi gelombang ini sesuai dengan probabilitas dimana sebuah partikel saat ini berada di lokasi ini atau itu, yaitu akan diukur di sana.

Untuk percobaan celah ganda, ini berarti  sebelum elektron mengenai pelat foto dan posisinya dapat dianggap diukur dengan penghitaman lokal, hanya probabilitas tertentu yang dapat diberikan untuk keberadaan partikel ini - dan ini dapat dihitung menggunakan fungsi gelombang elektron Kebetulan, ini umumnya sangat luas secara spasial; Pada prinsipnya, elektron dari eksperimen celah ganda   tetapi kemungkinan ini dapat diabaikan. Sebaliknya, kemungkinan besar elektron akan bergerak melalui salah satu dari dua celah jika fungsi gelombangnya merambat ke arah ini. Jika ini dilakukan secara tegak lurus terhadap bukaan dan secara simetris terhadap dua celah di dalamnya, peluang berada di setiap celah adalah 50 persen. Di belakang lubang, gelombang parsial dari dua celah ditumpangkan - seperti dalam gelombang air atau cahaya - dan membentuk pola interferensi di sana melalui penguatan timbal balik dari puncak gelombang dan pembatalan di palung gelombang.

Untuk probabilitas kehadiran, yang dihasilkan dari kuadrat fungsi gelombang, ini berarti  elektron lebih mungkin untuk menyerang pada titik-titik di mana gelombang parsial diperkuat daripada pada titik-titik di mana gelombang parsial hampir dihilangkan. Tepatnya di mana pada pelat foto sebuah elektron kemudian benar-benar "mewujud" - yaitu bintik hitam nyata dibuat di pelat foto - hanya ditentukan pada saat tumbukan dan tidak dapat diprediksi.

Di sinilah letak perbedaan mendasar antara benda-benda makroskopis dan mikroskopis. Dalam dunia makroskopik kita sehari-hari, semuanya dapat dihitung terlebih dahulu - bahkan nomor lotre Sabtu depan. Yang perlu Anda ketahui sebelumnya adalah semua variabel kunci seperti posisi bola, kecepatan drum, dan sebagainya. Kemungkinan kebetulan di sini hanya didasarkan pada kurangnya informasi tentang nilai awal, tetapi  pada ketidakmampuan kita untuk mengevaluasi dinamika kompleks dari begitu banyak variabel.

Dalam kasus elektron dalam percobaan celah ganda (dan semua partikel kuantum secara umum), bahkan pengetahuan yang tepat tentang fungsi gelombang tidak akan berguna: partikel yang disiapkan secara identik secara lengkap mencapai titik yang berbeda pada pelat foto -- hanya fungsi gelombang memberikan probabilitas untuk ini. Kesempatan (nyata) sendirilah yang menentukan di mana partikel-partikel itu benar-benar berakhir. Namun, jika sejumlah besar kuanta seperti itu mengalir melalui celah ganda, distribusi tumbukan pada pelat menjadi dapat direproduksi: Dengan setiap putaran, pola penghitaman yang khas dari garis-garis gelap dan terang muncul, yang dapat dijelaskan dengan menggunakan teori gelombang.

Model atom Bohr, dirumuskan pada awal abad terakhir, menyatakan  atom terdiri dari inti atom dan elektron yang mengorbit inti pada orbit melingkar atau elips tertentu. Ide ini masih melekat di benak banyak orang hingga saat ini. Tapi tidak peduli seberapa jelas itu, sayangnya itu salah. Ini didasarkan pada asumsi  elektron bergerak pada jalur yang ditentukan dan oleh karena itu selalu memiliki lokasi dan momentum yang ditentukan secara tepat.

Kerapatan probabilitas (psi kuadrat di atas bidang phi) dari fungsi gelombang atom hidrogen. Enam bagian. Yang pertama lingkaran kuning, yang menjadi lebih lemah secara difus ke arah luar. Yang kedua, di dalam lingkaran kuning kecil, di sekelilingnya secara konsentris sebuah cincin yang menjadi lebih lemah ke arah luar. Pada yang ketiga, dua lobus lebar memudar dari tengah ke atas dan ke bawah. Di lingkaran keempat dan dua cincin konsentris, yang terluar memudar ke luar, dengan ruang hitam di antaranya. Di lobus kecil keempat ke atas dan ke bawah, lobus yang lebih besar di sekitar luar lagi, sekali lagi memudar. Pada gambar keenam, empat lobus, semuanya memudar dari tengah ke luar, masing-masing simetris dengan garis membagi dua.

Fungsi gelombang dalam atom hidrogen.Namun, ini bertentangan dengan model Bohr tentang prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang menurutnya dua kuantitas ini di dunia kuantum tidak pernah dapat ditentukan secara tepat pada waktu yang sama. Alih-alih orbit, hanya probabilitas tertentu untuk elektron di sekitar inti atom yang dapat diberikan. Ini mengikuti dari fungsi gelombang, yang menggambarkan keadaan mekanika kuantum elektron dalam atom.

Jika seseorang memeriksa tempat-tempat dalam sebuah atom dengan kemungkinan kehadiran elektron yang sama, struktur artistik klub dan bola, yang disebut orbital, akan dihasilkan. Biasanya, area ruang di mana elektron berada dengan probabilitas 90 persen diberikan. Tergantung pada keadaan energi partikel, ia mengisi orbital yang berbeda.

Konsepsi atom "modern" ini, yang terdiri dari nukleus dan "awan probabilitas" untuk elektron di sekitarnya, memungkinkan para ilmuwan untuk menjelaskan, misalnya, bagaimana atom yang berbeda bereaksi secara kimia satu sama lain dan mengapa molekul tersusun dengan cara tertentu. - mengapa graphene, misalnya, disusun , yang baru-baru ini dianugerahkan Hadiah Nobel, dan mengapa molekul protein yang membentuk dasar kehidupan kita bersatu dan banyak lagi.

Kulit elektron (dualitas gelombang-partikel) - Partikel mikroskopis seperti foton, elektron atau atom berperilaku seperti partikel. - Partikel mikroskopis berperilaku seperti gelombang. Kedua pernyataan itu benar. Itu hanya tergantung pada eksperimen apa yang Anda lakukan. Istilah untuk ini adalah dualitas gelombang-partikel. Seseorang dapat menetapkan panjang gelombang untuk partikel mikroskopis kecil:

Bohr mencoba menggambarkan elektron di daerah inti menggunakan model sel (model partikel): elektron bergerak dalam orbit melingkar di sekitar inti. Soal:   GG gaya sentrifugal dan gaya tarik elektrostatik akan memungkinkan orbit yang tak terhingga banyaknya. Tidak diamati.   Muatan listrik yang bergerak dalam medan elektrostatik memancarkan energi. Elektron melambat dan akhirnya menabrak inti. Tidak diamati. Jika elektron hidrogen tereksitasi, dapat disimpulkan dari spektrum garis yang dihasilkan  hanya keadaan energi (orbit) tertentu yang diperbolehkan. Dari spektrum emisi hidrogen dan temuan lainnya, Bohr mengembangkan pendekatan berikut tentang momentum sudut orbital elektron: m e. ve. r = n.h/2p m e = massa elektron v e = kecepatan orbital elektron r = jari-jari orbit n = bilangan bulat positif, yang membawanya ke masalah: Dari mana n berasal?

Elektron menjadi objek utama dari banyak eksperimen dan penelitian di tahun-tahun berikutnya. Pada awal abad ke-20, proton  terdeteksi oleh eksperimen Joseph John Thomson (1856-1940) dan Wilhelm Karl Werner Wien (1864-1928). Segera setelah itu, Ernest Rutherford (1871-1937) merangkum penemuan-penemuan itu ke dalam model atom Rutherford, yang dinamai menurut namanya. Namun, satu misteri tetap belum terpecahkan: massa atom masih menyimpang secara signifikan dari jumlah proton dan elektron, meskipun muatannya seimbang. Rutherford  yang memperkenalkan teori neutron pada tahun 1920, yang kemudian diverifikasi pada tahun 1932 oleh eksperimen James Chadwick (1891-1974).

Selama abad ke-20, semakin banyak partikel subatomik yang dapat diidentifikasi dan dideteksi. Pada tahun 1968, fisikawan eksperimental di Stanford Linear Acceleration Center menetapkan  proton dan neutron  tidak elementer, tetapi terdiri dari quark kecil, beberapa perwakilan terkecil dari "kebun binatang partikel" fisika yang sekarang cukup besar.

Model  atom Bohr. Pada tahun 1900, Max Planck (1858-1947) merumuskan hipotesis kuantum, yang akan diambil dan dikembangkan lebih lanjut di tahun-tahun berikutnya.

Niels Henrik David Bohr (7 Oktober 1885 - 18 November 1962) adalah bapak pendiri mekanika kuantum dan tokoh terpenting dalam upaya awal untuk menafsirkan teori tersebut. Dia adalah orang pertama yang memperkenalkan konsep struktur diskrit ke tingkat energi elektron dalam atom, dan mampu, atas dasar ini, berhasil memprediksi emisi spektral dan frekuensi penyerapan atom hidrogen. Ini, bersama dengan teori kalor jenis, karena Einstein, teori radiasi benda hitam Planck, dan generalisasi Sommerfeld tentang aturan kuantisasi ke sistem Hamiltonian sederhana apa pun, membentuk teori kuantum 'lama'. Model atom Bohr dirancang pada tahun 1911; perluasannya ke sistem multi-periodik sewenang-wenang, dan pemulihan persamaan klasik Hamilton untuk emisi elektromagnetik dalam batas bilangan kuantum besar, yang dibuat pada tahun 1922. Kolaborasi Bohr dengan muridnya Kramers saat ini memainkan peran penting dalam penemuan Heisenberg mekanika matriks pada tahun 1925.

Bohr sangat terkesan dengan hubungan ketidakpastian Heisenberg, dan berdasarkan teorinya tentang saling melengkapi. Menurut teori ini, setiap kali penggunaan konsep ilmiah dikecualikan, pada prinsipnya, penerapan yang lain, ada kemungkinan perpanjangan baru dari ide-ide klasik dan fenomena baru yang sebaliknya tidak mungkin. Dalam mekanika kuantum, hubungan eksklusivitas timbal balik seperti itu dikodekan oleh hubungan ketidakpastian. 

Bohr optimis bahwa contoh lain dari eksklusivitas mutual ('saling melengkapi') dari konsep klasik dapat ditemukan di disiplin lain, terutama ilmu kehidupan. Dalam hal ini dia kecewa. Perdebatannya dengan Einstein mengenai interpretasi mekanika kuantum menyangkut konsistensi internal interpretasi fenomena kuantum menggunakan konsep klasik dibatasi oleh konsep 'gangguan minimal' (karena keberadaan 'kuantum aksi', konstanta Planck) dan ketidakpastian hubungan Dalam hal ini dia lebih berhasil.

Dengan pencapaian tersebut sebagai dasar, Dane Niels Henrik David Bohr (1885-1962) menggabungkan model atom Rutherford dengan kondisi kuantum dan menciptakan model atom Bohr,  dikenal sebagai model kulit karena menentukan elektron dalam atom, terbatas pada permukaan bola, tingkat energi atau kulit, dilambangkan dengan huruf kapital K-Q. 

Dalam setiap orbit yang mungkin elektron memiliki energi tertentu dan karena inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif saling tarik menarik karena gaya elektrostatik, elektron pada kulit terluar harus memiliki energi yang lebih tinggi daripada elektron dalam. Akibatnya, elektron dalam harus disuplai dengan energi sehingga mereka dapat mengatasi gaya-gaya ini dan melompat ke orbit luar. Persamaan yang dikembangkan oleh Johann Jakob Balmer (1825-1898), yang menjadi dasar model atom Bohr,  menunjukkan  orbit yang "diizinkan" dibatasi secara energi dan  energi elektron hanya dapat mengasumsikan nilai yang akan membawa salah satu kereta ini.

Model tersebut masih relevan hingga saat ini: di bawah topik "Model cangkang dan skema pekerjaan"[4], model ini termasuk dalam silabus pelajaran kimia di sekolah menengah, karena membuat koneksi dalam pelajaran sekolah lebih mudah dipahami oleh banyak siswa. orang dari model orbital mampu lakukan.

Penyelidikan spektrum atom segera menunjukkan, bagaimanapun,  model Bohr hanya mampu menghitung secara akurat spektrum atom hidrogen, lebih tepatnya isotop protium. Namun, tidak ada keberhasilan yang dicapai dengan atom yang membawa beberapa elektron. Apa masalahnya? Penemuan apa yang belum dibuat yang akan mengarah pada pengembangan model orbital modern?

Solusi teka-teki ini terletak pada sifat cahaya yang menghasilkan spektrum atom, yang belum sepenuhnya diklarifikasi. Pada titik ini, pengaruh dualitas gelombang-partikel cahaya pada gambaran modern struktur elektronik atom harus ditunjukkan, tetapi  pengembangan model dan eksperimen, hipotesis, dan teori yang diperlukan dari beberapa ilmuwan besar.

"Apa itu cahaya? Sejak zaman   Fresnel, kita telah mengetahui  itu adalah gerakan gelombang. Kita tahu kecepatan gelombang, kita tahu panjang gelombangnya, kita tahu itu gelombang transversal; singkatnya, kita tahu dengan sempurna hubungan geometris gerak. Tidak ada lagi keraguan tentang hal-hal ini, sanggahan terhadap pandangan ini tidak terpikirkan oleh fisikawan. Teori gelombang, secara manusiawi, adalah kepastian;

Dengan kata-kata ini, Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), penemu gelombang elektromagnetik, mengklasifikasikan cahaya sebagai fenomena. Dalam teori gelombang, cahaya dalam ruang hampa dijelaskan dengan rumus c = *, di mana c menyatakan kecepatan cahaya, panjang gelombang dan frekuensi. Cahaya tampak memiliki panjang gelombang 380nm sampai 780nm, baik sebagai cahaya monokromatik, yang mewakili satu warna, atau sebagai cahaya polikromatik, di mana lebih dari satu panjang gelombang diwakili. Ketika semua panjang gelombang cahaya tampak hadir, warna cahaya yang dihasilkan adalah putih.***

Citasi:

1. Beller, M., 1999, Quantum Dialogue: The Making of a Revolution, Chicago: University of Chicago Press.
2. Bohm, D., 1951, Quantum Theory, New York: Prentice Hall. Reprinted by Dover Publications, Inc.
3. Seth, S., 2008, "Mystik and Technik: Arnold Sommerfeld and Early-Weimar Quantum Theory," Berichte zur Wissenschaftsgeschichte, 31(4): 331--352.