Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Hipotesis de Broglie

Teori kuantum dirumuskan untuk merevisi atau memperbaharui teori fisika klasik yang gagal menjelaskan beberapa fenomena dalam skala mikroskopik. Solusi untuk fenomena radiasi benda hitam diberikan oleh Max Planck, lalu efek fotolistrik oleh Einstein dan hamburan sinar X oleh Compton, serta teori model atom oleh Niels Bohr. Fenomena-fenomena tersebut melahirkan pemahaman baru bahwa cahaya tersusun atas paket kuanta energi yang disebut foton. Jadi, gelombang elektromagnetik memiliki sifat sebagai partikel.

Kemudian, sebuah terobosan teoritis datang dari fisikawan Prancis; Louis-Victor de Broglie dalam tesis PhD-nya pada tahun 1924. Louis de Broglie menghipotesiskan bahwa jika gelombang elektromagnetik (cahaya) bisa bersifat sebagai partikel, maka sebaliknya partikel juga harus bisa bersifat sebagai gelombang. De Broglie menghubungkan bahwa panjang gelombang sama dengan konstanta Planck dibagi dengan momentum partikel. Rumusan matematis dari de Broglie ini merupakan bentuk umum dari persamaan yang dirumuskan Einstein dalam menjelaskan efek fotolistrik. Rumus ini berlaku untuk semua jenis partikel. Jadi, dalam hipotesis-nya, de Broglie berupaya men-generalkan bahwa semua partikel maupun gelombang elektromagnetik memiliki dualisme sifat, yaitu sebagai partikel sekaligus sebagai gelombang.

Hipotesis dan rumus de Broglie berhasil dikonfirmasi 3 tahun kemudian lewat pengamatan difraksi elektron dari dua eksperimen yang independen. Pada tahun 1927, di Bell Labs, Clinton Joseph Davisson dan Lester Halbert Germer dari Amerika Serikat mengkonfirmasi hipotesis de Broglie untuk partikel elektron. Dengan menggunakan kristal nikel sebagai target, mereka menembakkan elektron dan mendapati bahwa elektron terdifraksi.

Pada saat yang sama di universitas Aberdeen, George Paget Thomson menembakkan berkas elektron pada lembaran logam tipis dan mendapatkan hasil yang sama. Hal ini jelas mengejutkan, karena fenomena difraksi hanya dapat terjadi pada fenomena gelombang, bukan partikel. Hasil perhitungan dari data eksperimen Davisson-Germer dan Thomson juga menunjukkan bahwa panjang gelombang berhubungan dengan momentum elektron, sesuai dengan prediksi dari persamaan de Broglie.

Sejak penyelidikan Davisson-Germer dan Thomson, eksperimen serupa juga dilakukan untuk neutron, proton, dan banyak partikel lainnya, bahkan untuk atom maupun molekul yang ukurannya lebih besar. Semua berperilaku seperti gelombang dengan hubungan panjang gelombang-momentum yang sama dengan rumusan de Broglie. Eksperimen-eksperimen tersebut sangat penting dalam perkembangan teori kuantum. Seperti halnya efek fotolistrik yang menunjukkan sifat partikel dari cahaya atau gelombang elektromagnetik, percobaan Davisson-Germer dan Thomson menunjukkan sifat gelombang dari materi. Baik efek fotolistrik maupun difraksi elektron sama-sama melengkapi teori dualisme gelombang-partikel sebagai bagian sentral dari teori mekanika kuantum.

Louis de Broglie kemudian dianugerahi hadiah Nobel untuk fisika pada tahun 1929 untuk hipotesisnya, sedangkan Davisson dan Thomson berbagi hadiah Nobel untuk fisika pada tahun 1937 untuk pekerjaan eksperimental mereka.

Jadi, melalui karya Planck, Einstein, Bohr, Compton dan de Broglie lahir teori fisika kuantum; teori fisika modern yang menyatakan bahwa semua partikel menunjukkan sifat gelombang dan sebaliknya. Fenomena dualisme gelombang-partikel ini bukan sekedar perhitungan teoretis semata, tapi telah diverifikasi secara eksperimental. Eksperimen yang dimaksud bukan saja hanya untuk partikel elementer, tetapi juga untuk partikel senyawa seperti atom dan bahkan molekul. Sedangkan untuk partikel makroskopik, karena panjang gelombangnya yang sangat pendek maka sifat gelombang-nya umumnya tidak dapat dideteksi.

Baca Tulisan Terkait Sebelumnya:

• Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Radiasi Benda Hitam
• Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Efek Fotolistrik
• Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Teori Atom Bohr Bagian 1
• Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Teori Atom Bohr Bagian 2
• Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Hamburan Compton