Pengenalan Mekanik Kuantum

Teori yang menjelaskan tentang kualiti zarah subatom dan interaksi jirim dengan sinaran. Mekanik klasik (fizik klasik) dianggap sebagai suatu kira hampir kepada mekanik kuantum. Perbezaan asas antara keduanya bergantung pada apa yang diterangkan oleh bidang tersebut.

Dalam mekanik klasik, sejarah masa depan suatu zarah ditentukan dengan lengkap oleh kedudukan dan momentum awalnya berserta daya-daya yang bertindak ke atasnya. Dalam kehidupan seharian, kuantiti ini dapat ditentukan dengan baik bagi menunjukkan kebenaran mekanik klasik. Mekanik kuantum juga menyetujui hubungan antara kuantiti yang dapat diperhatikan, tetapi prinsip ketidakpastian (kedudukan dan momentum tidak mungkin dapat ditentukan dengan jitu) mencadangkan bahawa sifat suatu suatu kuantiti yang dapat diperhatikan adalah berbeza dalam julat atom. Dalam mekanik kuantum, kepastian ciri masa depan yang digambarkan oleh mekanik klasik adalah mustahil untuk dinyatakan kerana keadaan awal sesuatu zarah tidak dapat ditentukan dengan kejituan yang mencukupi.

Sekali imbas, mekanik kuantum kelihatan seolah-olah suatu pertukaran yang kurang tepat kepada mekanik klasik. Walaubagaimanapun, penelitian yang lebih dekat menunjukkan bahawa mekanik klasik hanyalah satu kira hampir kepada mekanik kuantum. Kepastian yang dinyatakan dalam mekanik klasik adalah suatu ilusi dan kebenarannya dengan hasil eksperimen berlaku hanya kerana objek biasa (peringkat makroskopik) terdiri daripada atom yang banyak sehingga penyimpangan daripada kelakuan puratanya tidak jelas kelihatan. Mekanik kuantum dapat merumuskan alam makroskopik dan mikroskopik kepada satu set tunggal.
 
Sejarah awal
 
Dalam kurun ke 18 dan ke 19, mekanik kuantum seolah-olah berjaya menjelaskan gerakan objek dengan tepat. Walaubagaimanapun, pada akhir kurun ke19 dan awal kurun ke 20 penemuan-penemuan eksperimen telah menimbulkan kemusykilan tentang kesempurnaan teori Newton itu. Ahli sains telah memerhatikan beberapa masalah yang menimbulkan kontroversi. Misalnya elektron mengalihkan cahaya meliputi satu julat frekuensi yang sempit berbeza daripada jangkaan yang dibuat bahawa ia sepatutnya berada dalam julat frekuensi yang lebar. Terdapat juga pendapat bahawa cahaya mempunyai sifat dualisme. Mengikut Teori Kopuskel, cahaya adalah satu aliran zarah, manakala teori gelombang menyatakan cahaya adalah gelombang ektromagnet. Konflik ketiga adalah tidak mungkin satu molekul dapat bertindak sekaligus dalam bidang termodinamik,,sinaran dan keelektrikan dalam satu masa.
 
Penyelesaian kepada kontroversi itu ditemui dalam tahun 1925. Werner Heisenberg membentuk satu pendekatan matematik yang baru, dinamakan mekanik matriks dan Erwin Schrodinger pula secara berasingan membentuk satu fungsi gelombang. Pendekatan Heisenberg mengandaikan zarah dan pendekatan Schrodinger mengandaikan gelombang. Kedua-dua pendekatan ini berjaya menjelaskan data eksperimen yang melibatkan sinaran elektromagnet.
 
Kerja-kerja yang dilakukan oleh Heisenberg, Schrodinger dan lain-lain dikenali sebagai mekanik kuantum. Walaubagaimanapun, mekanik kuantum sebenarnya bermula pada tahun 1900 apabila ahli fizik Jerman, Max Planck mencadangkan bahawa sinaran elektromagnet hanya dapat dipancarkan dalam unit diskret tenaga yang dinamakan kuantum. Kemudian ahli fizik Jerman-Amerika, Albert Einstein menggunakan konsep kuantum Planck untuk mengkaji kesan fotoelektrik, satu fenomenon akibat daripada pancaran sinaran ke atas suatu permukaan logam lalu membebaskan elektron daripada permukaan itu. Dia mendapati tenaga elektron hanya bergantung pada frekuensi sinaran dan bukannya keamatan sinaran seperti yang dijangkakan. Lebih tinggi frekuensi, bermakna lebih besar tenaga elektron yang dipancarkan. Einstein menjelaskan bahawa satu kuantum tunggal tenaga sinaran membebaskan satu elektron tunggal dari logam itu. Dalam tahun 1913, ahli fizik Denmark, Neils Bohr mengandaikan bahawa elektronm dalam satu atom bergerak dalam orbit dan apabila elektron dalam satu atom bergerak ke orbit lain ia membebaskan atau menyerap satu kuantum sinaran.
 
Mekanik Gelombang

Ahli fizik Perancis, Louis Victor de Broglie telah mencadangkan dalam tahun 1924 bahawa oleh sebab gelombang elektromagnet menunjukkan sifat-sifat zarah, zarah juga menunjukkan kualti-kualiti gelombang. Ahli fizik kemudiannya telah mengesahkan jangkaan itu secara eksperimen. Konsep gelombang itu telah mendorong seorang ahli fizik Austria, Erwin Schrodinger untuk membentuk suatu persamaan yang menerangkan kelakuan gelombang zarah, dan khususnya sifat gelombang bagi elektron dalam atom hidrogen. Schrodinger telah menunjukkan bahawa dua elektron dalam satu orbit tidak boleh berada dalam aras tenaga yang sama. Peraturan ini dinamakan Prinsip Pengecualian Pauli, yang diperkenalkan oleh seorang ahli fizik Austro-Amerika, Wolfgang Pauli dalam tahun 1925.

Mekanik Matriks

Ahli fizik Jerman, Werner Heisenberg telah membina satu analisis matematik yang berbeza dikenali sebagai mekanik matriks. Mengikut teori Heisenberg, analisis tersebut bukanlah satu persamaan tetapi satu matriks; suatu urutan yang terdiri daripada bilangan barisan infinit. Setiap barisan terdiri daripada bilangan kuantiti-kuantiti infinit. Mekanik matriks menunjukkan bahawa terdapat bilangan infinit matriks yang mewakili kedudukan dan momentum suatu elektron dalam satu atom.

Prinsip Ketidakpastian

Dikemukakan oleh Heisenberg pada tahun 1927, dan menjadi asas penting kepada pembentukan teori kuantum. Setelah Werner Heisenberg menyedari bahawa semua jirim dalam alam ini bersifat gelombang, maka sifat-sifat zarah tidak mungkin lagi dinyatakan dalam sebutan pengukuran mutlak. Sifat gelombang bagi jirim bermakna tidak mungkin untuk mengetahui semua sifat-sifat satu zarah dengan jitu pada masa yang sama. Sebaliknya ia hanya mungkin dinyatakan dalam sebutan kebarangkalian yang lebih daripada yang lain tetapi tiada satu pun yang tepat. Prinsip ketidakpastian ini menyatakan bahawa kedudukan dan momentum satu zarah subatom kedua-duanya tidak dapat ditentukan pada masa yang sama.
 
Hasil Teori Kuantum
 
Mekanik kuantum telah menyelesaikan semua masalah yang telah menyukarkan ahli-ahli fizik dalam awal kurun ke-20. Beransur-ansur teori ini memperbaiki kefahaman tentang binaan jirim dan struktur atom. Bidang-bidang baru dalam fizik telah muncul termausk fizik keadaan pepejal, fizik jirim terkondensasi, kesuperkonduksian, fizik nuklear dan fizik zarah.
 
Mekanik Kuantum dan Pereputan Radioaktif
 
Satu kejayaan mekanik kuantum ialah dalam menjelaskan mekanisme di sebalik keradioaktifan. Contohnya, proses pereputan alfa melibatkan satu zarah alfa (dua proton dan dua neutron) secara spontan terlepas daripada nukleus satu atom radioaktif. Mengikut fizik klasik, ini adalah sesuatu yang mustahil untuk berlaku kerana proton dan neutron itu terikat kuat, menghasilkan satu jurang keupayaan yang zarah alfa tidak mungkin mempunyai tenaga untuk mengatasinya.
 
Walaubagaimanapun, mekanik kuantum (khususnya prinsip ketidakpastian) mengenali bahawa tenaga zarah alfa adalah satu persoalan kebarangkalian. Tenaga ini bukan nilai malar yang telah ditetapkan, tetapi adalah pembolehubah dan mengambil nilai-nilai tertentu hanya apabila ia diperhatikan dan diukur. Jadi, sentiasa ada kebarangkalian bahawa zarah alfa boleh mengatasinya. Dalam satu keadaan ketika menghampiri sempadan itu, zarah alfa mempunyai tenaga yang cukup dan ia berjaya untuk bebas. Kemungkinan ini sangat kecil, tetapi ia tetap wujud. Contohnya, pembebasan zarah alfa daripada nukleus Uranium-238 dalam pereputan radioaktif mempunyai satu kebarangkalian untuk berjaya sebanyak satu dalam 1038 percubaan. Walaubagaimanapun, dengan bilangan atom yang banyak menjeadikan kekerapan percubaan mereput setiap saat lebih ketara.

Perkembangan Lanjutan

Dalam tahun 1930 penggunaan mekanik kuantum kerelatifan khusus kepada teori elektron telah membolehkan ahli fizik British Paul Dirac (1902-1984)untuk merumuskan suatu persamaan yang dirujuk kepada kewujudan putaran elektron. Selanjutnya, mekanik kuantum telah mendorongkepada ramalan kewujudan positron, dan ini telah disahkan secara eksperimen oleh ahli fizik Amerika Carl David Anderson (1905-1991).

Rujukan – Ensiklopedia Sains & Teknologi : Fizik (Terbitan DBP & UTM), 2002