fisika moderen

1.1.       PENGERTIAN FISIKA MODEREN

Menurut sejarah perkembangan dan penemuannya ada dua bagian dalam ilmu fisika yaitu fisika klasik dan fisika modern. Dalam fisika klasik, fenonema alam dilukiskan secara konkrit melalui logika "naif" dan "rasio akal sehat". Bidang ini mencakup mekanika Newton, teori elektronmagnetik Maxwell, optika geometri, optika gelombang dan sebagian termodinamika. Dalam fisika klasik, kecepatan pertikel yang diteliti dianggap sangat kecil dibanting kecepatan cahaya, dan selain itu besaran aksi dan energinya sangat besar dibanding bilangan kuantum Planck.

            Awal sejarah fisika modern secara umum ditandai pada tahun 1900 saat Max Planck mempublikasikan teori kuantumnya. Teori kuantum ini tidak dilukiskan secara konkrit. Interpretasi naif dari ruang dan waktu tidak lagi berlaku. Wilayah kajian fisika modern meliputi mekanika kuantum, teori relatifitas, fisika atom, fisika inti dan fisika partikel elementer serta optika elektron.

Batas pemisah kedua bagian fisika ini tidak cukup tajam, misalnya karena dalam wilayah fisika klasik terdapat masalah yang hanya dapat diselesaikan dengan metode fisika modern. Di lain pihak beberapa gejala dalam fisika modern dapat dimengerti secara klasik. Sehingga berlaku bahwa fisika klasik adalah kasus khusus dari fisika modern. Contohnya adalah prinsip relatifitas Einstein yang modern melingkupi mekanika klasik. Prinsip relatifitas klasik adalah kasus khusus untuk kecepatan yang nilainya sangat kecil dibandingkan kecepatan cahaya.

Fisika modern merupakan salah satu bagian dari ilmu Fisika yang mempelajari perilaku materi dan energi pada skala atomik dan partikel-partikel subatomik atau gelombang. Pada prinsipnya sama seperti dalam fisika klasik, namun materi yang dibahas dalam fisika modern adalah skala atomik atau subatomik dan partikel bergerak dalam kecepatan tinggi. Untuk partikel yang bergerak dengan kecepatan mendekati atau sama dengan kecepatan cahaya, perilakunya dibahas secara terpisah dalam teori relativitas khusus.

Ilmu Fisika Modern dikembangkan pada awal abad 20, di mana perumusanperumusan dalam Fisika Klasik tidak lagi mampu menjelaskan fenomenafenomena yang terjadi pada materi yang sangat kecil. Fisika Modern diawali oleh hipotesa Planck yang menyatakan bahwa besaran energi suatu benda yang beosilasi (osilator) tidak lagi bersifat kontinu, namun bersifat diskrit (kuanta), sehingga muncullah istilah Fisika Kuantum dan ditemukannya konsep dualisme partikel-gelombang. Konsep dualisme dan besaran kuanta ini merupakan dasar dari Fisika Modern.

2.1.1.      DIMENSI DAN SATUAN DALAM FISIKA MODEREN

2.1.1.1.Energi

Dalam fisika klasik energi selalu dinyatakan dengan Joule atau (Newton.detik). Satuan ini memiliki ekivalensi yang sesuai dalam fisika modern, yaitu dari Joule dapat dirobah menjadi elektron Volt (eV). Di mana;

1 eV=〖10〗^6  ×  e/C  ×1 J=1,602 ×〖10〗^(-19)  J

Definisi energi dalam satuan MeV adalah energi kinetik yang diperoleh oleh elektron yang dipercepat dengan tegangan sebesar 1 MV. Atau elektronvolt (simbol eV) adalah sebuah satuan energi merupakan jumlah yang energi kinetik yang didapatkan oleh sebuah elektron tunggal yang tak terikat ketika elektron tersebut melalui sebuah potensi perbedaan elektrostatik satu volt, dalam vakum. Satuan elektronvolt diterima (tetapi tidak dianjurkan) untuk digunakan dalam SI. Satuan ini banyak digunakan dalam fisika benda-padat, atomik, nuklir, dan partikel, seringkali dengan awalan SI, K, M, atau G.

2.1.1.2.Massa

Satuan dan dimensi massa dalam fisika modern dapat diturunkan dari satuan dan dimensi energi dengan menggunakan persamaan ekivalensi masa dan energi Einstein  Di mana untuk menentukan satuan masa persamaan tersebut dapat ditulis dalam bentuk;

Satuan masa juga bisa digunakan satuan khusus yang digunakan dalam fisika modern, yaitu Satuan Masa Atom (SMA atau u). Definisi SMA adalah masa atom Karbon (C)-12, sehingga dapat dikatakan: 1 masa atom c-12 = 12 u dan 1u = 1.661X10^-27 kg = 0.93 GeV/c².

2.1.1.3.Momentum

Berdasarkan definisi klasik, momentum dinyatakan dengan pekalian masa (kg) dan kecepatan (m/detik). Dalam fisika modern satuan momentum diturunkan dari satuan masa (MeV/c²) dan energi (MeV), yaitu: Momentum = masa x kecepatan = 1 MeV/c2 x c =

2.1.1.4.Panjang

Satuan panjang secara klasik (satuan SI) didefisinikan sebagai panjang satu meter batang platina yang terdiri dari 100 garisan berjarak 1 cm.

Length: fermi 1 fm = 10^-15 m

Cross sections: barn = as big as a barn door (to a

particle physicists)

◦ 1 barn = 10^-28m² = 100 fm²

^klik2

2.1.2.      KONSEP FISIKA MODEREN

Fisika Modern secara umum dibagi menjadi dua bagian pembahasan yaitu Teori kuantum lama dan Teori Kuantum Modern. Bahasan Fisika modern digambarkan dalam diagram seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Teori Kuantum lama memperkenalkan besaran-besaran fisika, seperti energi merupakan besaran diskrit bukan besaran kontinum seperti halnya dibahas dalam mekanika klasik. Teori kuantum lama diawali oleh hipotesa Planck yang menyatakan bahwa energi yang dipancarkan oleh sumber (berupa osilator) bersifat kuanta/diskrit karena hanya bergantung pada frekuensinya bukan pada amplitudo seperti dalam mekanika klasik dimana besaran amplitudo tidak terbatas (kontinu).

Pada tahun 1900 Max-Planck merumuskan besaran energi yang bersifat diskrit dalam merumuskan energi yang dipancarkan oleh benda hitam yaitu E = nhf dimana n = 1, 2, 3, ... dan h = 6,626 x 10^-34 Joule/detik (konstanta Planck). Albert Einstein pada tahun 1905 menggunakan konstanta Planck dalam merumuskan energy yang dipancarkan oleh berkas cahaya/foton (penemuan efek fotolistrik).

Pembahasan konsep dalam fisika modern meliputi ruanglingkup seperti yang ditunjukkan dalam gambar 1.4, berikut. Konsep yang paling mendasar dalam fisika modern adalah konsep dualisme partikel dan gelombang, dimana partikel berperilaku sebagai gelombang dan gelombang berperilaku sebagai partikel. Konsep ini sangat penting karena perilaku partikel dan gelombang semuanya sudah dipelajari dan diamati di fisika klasik. Konsep dualisme partikel-gelombang ini diamati oleh 2(dua) eksperimen yaitu efek fotolistrik oleh Albert Einstein dan eksperimen difraksi partikel/elektron oleh G.P. Thomson dan Davison Germer.

klik3

2.2.          TEORI RELATIVITAS

2.2.1.      KONSEP RELATIVITAS

Relativitas klasik (yang diperkenalkan pertama kali oleh Galileo Galilei dan didefinisikan ulang oleh Sir Isaac Newton) mencakup transformasi sederhana diantara benda yang bergerak dan seorang pengamat pada kerangka acuan lain yang diam (inersia). Jika seorang berjalan di dalam sebuah kereta yang bergerak, dan seseorang yang diam diatas tanah (di luar kereta) memperhatikanya, kecepatannya relatif terhadap pengamat adalah total dari kecepatanya bergerak relatif terhadap kereta dengan kecepatan kereta relatif terhadap pengamat. Jika seseorang berada dalam kerangka acuan diam, dan kereta (dan seseorang yang duduk dalam kereta) berada dalam kerangka acuan lain, maka pengamat adalah orang yang duduk dalam kereta tersebut.

Permasalahan dengan relativitas ini terjadi ketika diaplikasikan pada cahaya, pada akhir 1800-an, untuk merambatkan gelombang melalui alam semesta terdapat substansi yang dikenal dengan eter, yang mempunyai kerangka acuan(sama seperti pada kereta pada contoh di atas). Eksperimen  Michelson-Morley, bagaimanapun juga telah gagal untuk mendeteksi gerak bumi relatif terhadap eter, dan tak ada seorangpun yang bisa menjelaskan fenomena ini. Ada sesuatu yang salah dalam interpretasi klasik dari relatifitas jika diaplikasikan pada cahaya, dan kemudian muncullah pemahaman baru yang lebih matang setelah Einstein datang untuk menjelaskan fenomena ini.

2.2.1.1.Relatifitas Khusus

Pada tahun 1905, Albert Einstein mempublikasikan makalah yang berjudul, “ The Electrodynamics of Moving Bodies” atau dalam bahasa indonesianya kurang lebih demikian,”Elektrodinamika benda bergerak”Annalen Der Physics. Makalah yang menyajikan teori relativitas khusus berdasarkan dua postulat utama, yaitu:

            Postulat I : hukum fisika dapat dinyatakan dalam persamaan yang berbentuk sama dalam semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap satu sama lain.

            Postulat II : cepat rambat cahaya didalam ruang hampa kesegala arah adalah sama untuk semua pengamat, tidak bergantung pada gerak sumber cahaya maupun pengamat.

Relativitas khusus menghasilkan berbagai konsekuensi dari penggunaan transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya:

2.2.1.1.1.      Dilatasi Waktu

Dalam mengemukakan teori relativivtas khusus Einstein menyatakan bahwa waktu pengamat antara pengamat yang diam dengan pengamat yang bergerak relatif terhadap kejadian dengan jam yang terhadap kejadian, peristiwa ini disebut dilatasi waktu/ pemuaian waktu (time dilatation) dalam persamaan:

 

Dimana :

∆t₀ = selang waktu yang diukur oleh pengamat yang diam terhadap kejadian

∆t = selang waktu yang diukur oleh pengamat yang bergerak terhadap kejadian

v= kecepatan relative pengamat terhadap kejadian yang diamati

c = kecepatan cahaya (3x108 m/s)

2.2.1.1.2.      Kontraksi Panjang

Pengukuran panjang seperti juga selang waktu dipengaruhi oleh gerak relative. Panjang l benda bergerak terhadap pengamat kelihatannya lebih pendek l₀ bila diukur dalam keadaan diam terhadap pengamat kelihatannya lebih pendek. peristiwa ini disebut kontraksi Lorentz ( pengerutan Lorentz) kontraksi Lorents dinyatakan dalam persamaan:

           

                        

dimana:

l=panjang benda yang diukur oleh pengamat yang bergerak

l₀=panjang benda diukur oleh pengamat yang diam

v=kecepatan benda relatif terhadap pengamat yang diam

c=kecepatan cahaya

2.2.1.1.3.      Massa Relativitas

Menurut teori fisika klasik mekanika Newton bahwa massa benda konstan, massa benda tidak tergantung pada kecepatan benda, akan tetapi menurut relativitas Einstein massa benda adalah relatif yang besarnya dipengaruhi kecepatan massa benda yang bergerak dengan kecepatan (v) relative terhadap pengamat menjadi besar daripada ketika benda itu dalam keadaan diam massa benda yang bergerak dengan kecepatan (v) secara teori relativivtas dinyatakan:

dimana:

m₀=massa benda dalam keadaan diam

m=massa relativitas

v=kecapatan benda relatif terhadap pengamat 

c=kecepatan cahaya

2.2.1.2.Relatifitas Umum

Relativitas umum diterbitkan oleh Einstein pada 1916 (disampaikan sebagai satu seri pengajaran di hadapan "Prussian Academy of Science" 25 November 1915).Akan tetapi, seorang matematikawan Jerman David Hilbert menulis dan menyebarluaskan persamaan sejenis sebelum Einstein. Ini tidak menyebabkan tuduhan pemalsuan oleh Einstein, tetapi kemungkinan mereka merupakan para pencipta relativitas umum.Teori relativitas umum menggantikan hukum gravitasi Newton. Teori ini menggunakan matematika geometri diferensial dan tensor untuk menjelaskan gravitasi. Teori ini memiliki bentuk yang sama bagi seluruh pengamat, baik bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan lembam ataupun bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan yang dipercepat. Dalam relativitas umum, gravitasi bukan lagi sebuah gaya (seperti dalam Hukum gravitasi Newton) tetapi merupakan konsekuensi dari kelengkungan (curvature) ruang-waktu. Relativitas umum menunjukkan bahwa kelengkungan ruang-waktu ini terjadi akibat kehadiran massa.

Bergerak dalam diam adalah relatif , hal ini bergantung dari acuan yang digunakan . jadi segala sesuatu yang diukur tidak bersifat mutlak (absolut) tetapi relatif.

klik4

2.2.2.      KERANGKA ACUAN UNIVERSAL

Teori relativitas muncul sebagai hasil analisis konsekuensi fisis yang tersirat oleh ketiadaan kerangka acuan universal bergerak dengan kecepatan tetap terhadap kerangka lainnya.

Teori relativivtas umum diusulkan oleh Einstein sepuluh tahun kemudian. Pada teori ini dipersoalkan tentang kerangka yang dipercepat satu terhadap yang lainnya. Seorang pengamat dalam laboratorium yang terisolasi dapat mendeteksi percepatan.

Kerangka acuan atau system koordinat adalah dimana seorang pengamat melakukan pengamatan terhadap suatu kejadian. Kerangka acuan inersia adalah suatu kerangka acuan yang berada dalam keadaan diam atau bergerak terhadap kerangka acuan lainnya dengan kecepatan terhadap kerangka acuan lainnya dengan keceatan konstan pada suatu garis lurus.

Bergerak dan diam adalah  relativ hal itu bergantung dari acuan yang digunakan jadi segala sesuatu yang diukur tidak bersifat mutlak (absolut) tetap relatif.

2.2.3.      TRANSFORMASI GALILEO

Untuk memahami konsep relativitas secara matematik, perlu dipelajari prinsip relativitas Galileo. Dalam relativitas (transformasi) Galileo, dikenal dua kerangka acuan. Salah satu terhadap yang lain tergantung secara relatif. Misal masing-masing kerangka acuan dinyatakan dengan S dan S’, di mana S’ adalah bergerak dengan kecepatan v terhadap S dalam arah tertentu.

·         Transformasi Galileo untuk koordinat dan waktu

 

 

 ·         Transformasi Galileo untuk kecepatan

                                                                   

 

 

 

 

   

2.2.4.      PERCOBAAN MICHELSON-MORLEY

Alat yang bernama Interferometer michelson berpendapat bahwa jika eter itu ada di alam semesta, maka kecepatan eter relatif terhadap bumi, harus sama dengan 3×10⁴ m/s (sama dengan kecepatan mengelilingi matahari).

 Interferometer Michelson

Gambar 2 Alat Percobaan Michelson-Morley

Menurut kaidah alih bentuk Galileo, kecepatan (termasuk keceepatan cahaya) yang teramati oleh dua kerangka acuan yang saling bergerak relative tersebut berbeda satu sama lain dan sebenarnya bergantung pada kecepatan relative.

Hasil dari percobaan mereka menunjukkan bahwa sama sekali tidak adanya persamaan besar antara T2 dan T1 percobaan  terus diulang dengan posisi dan waktu yang berbeda-beda namun hasilnya tidak menunjukkan perbedaan. Sehingga hipotesis adanya eter yang terdapat disetiap posisi adalah salah atau dengan tegasnya eter tidak ditemukan.

2.2.5.      TRANSFORMASI LORENZ

Lorentz memandang bahwa transformasi Galileo tidak cukup mampu menjelaskan apa yang terjadi pada dunia elektromagnetis dan Lorentz mengusulkan revisinya. Ia berpegang pada asumsi bahwa tiap pengamat memiliki "waktu tersendiri".

Oleh karena itu Lorentsz menulis kembali persamaan transformasi Galileo dengan memasukkan faktor k, yaitu menjadi :

x’ = k (x - vt)

dengan k sebuah konstanta yang tidak dipengaruhi oleh waktu. Persamaan tersebut dikenal dengan "transformasi Lorentz". Pemilihan persamaan secara tekaan tersebut didasarkan pada beberapa pertimbangan ilmiah:

a.       Persamaan ini berbentuk linear antara x dan x’, sehingga suatu kejadian dalam kerangkan S bersesuaian dengan kejadian dalam kerangka S’.

b.      Persamaan ini dapat direduksi menjadi persamaan klasik (transformasi Galileo) dengan memilih harga k bersesuaian dengan 1 ( k = 1).

Berpijak pada postulat pertama relativitas khusus maka persamaan fisika harus berbentuk sama dalam kerangka S dan S’, sehingga kaitan x sebagai fungsi x’ dan t’ dapat dinyatakan dalam persamaan:

x = k (x’+ vt’)

sedangkan pada koordinat y’ dan z’ memenuhi persamaan:

y’ = y

z’ = z

koordinat t dan t’ tidak sama, hal ini dapa dilihat dengan mensubtitusi x’ yang diperoleh dari persamaan pertama ke persamaan ke empat.

 

 

 

 

klik5

2.3.          FENOMENA KUANTUM

2.3.1.      RADIASI BENDA HITAM

Benda hitam adalah semua benda yang dapat menyerap radiasi dari gelombang elektromagnetik. Radiasi benda hitam adalah Energi pantulan yang telah diserap oleh benda hitam. Benda hitam ideal adalah Benda yang mampu menyerap semua  energy dan tidak dipantulkan lagi.

Benda dengan suhu mutlak lebih tinggi dari 0⁰K (suhu terendah yang mungkin terealisassi dari dalam fisika) memancarkan radiasi elektromagnetik  yang membawa energy. Spectrum frekuensi radiasi demikian bersifa kontinu.

2.3.1.1.Hukum Sefan-Bloltzman (1879)

Menyatakan bahwa Daya total dari radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya.

 

 

 

 

 

 )

Persamaan ini bisa menjelaskan hubungan panjang gelombang dengan intensitas cahaya, namun bisa menjelaskan hubungan antara panjang gelombang dengan suhu.

2.3.1.2.Hukum Pergeseran Wien

Panjang gelombang untuk intesitas cahya yang maksimum akan berkurang seiring bertambahnya suhu.

hanya berlaku untuk untuk panjang gelombang yang pendek

Hukum ini tidak mampu menjelaskan panjang gelombang untuk gelombang panjang.

2.3.1.3.Hukum Rayleigh-Jeans

Pada gelombang yang pendek (λ≈0), energy radiasi menjadi tak berhingga, adanya kesesuaian antara teori dan data eksperimen yang disebut dengan bencana ultraviolet.

 

 

 

2.3.1.4.Teori Planack

Energy radiasi bersifat diskrit

 

 

Dan energi bergantung pada tingkat-tingkat energi untuk setiap keadaan kuantum

 klik6

2.3.2.      DUALISME SIFAT CAHAYA

2.3.2.1.Definisi Cahaya

Kajian tentang cahaya telah dimulai pada awal tahun 1675 oleh Isaac Newton. Hasil kajian Newton, yang dikenal dengan teori Corpuscular, menunjukkan bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel kecil (tiny particles) yang dipancarkan oleh suatu sumber. Walaupun Huygens pada tahun 1678 telah mengemukakan teori gelombang untuk cahaya, namun tetap tidak diterima oleh pakar fisika ketika itu. Sehingga pada tahun 1801 Young menolak teori Newton dengan menunjukkan bahwa hasil percobaan difraksi hanya dapat dijelaskan jika cahaya dipandang sebagai gelombang, bukan sebagai partikel. Pada tahun 1887, Hertz berhasil membuktikan bahwa cahaya bagian dari gelombang elektromagnet dan Maxwell juga berhasil mengembangkan persamaan gelombang elektromagnet.

Pada awal abab ke-20 banyak pakar fisika yang mengembangkan percobaan, antaranya; radiasi benda hitam, efek fotoelektrik, sinar-x, efek Compton, dan spektral garis optik. Fenomena yang ditunjukkan melalui percobaan tersebut hanya dapat dijelaskan jika cahaya dipandang sebagai partikel, bukan sebagai gelombang. Sehingga pada tahun 1901, Max Planck berhasil mengembangkan persamaan energi diskrit untuk partikel-partikel gelombang elektrogmanet (cahaya), iaitu; E = nhf.

Fenomena difraksi dan energi diskrit adalah bukti bahwa cahaya dapat berkelakuan seperti gelombang atau seperti partikel. Oleh karena itu, cahaya dapat kita katakan bukan gelombang dan juga bukan partikel, tetapi dapat berkelakuan seperti gelombang atau seperti partikel.

2.3.2.2.Sifat Cahaya

Eksperimen celah ganda yang telah dilakukan Thomas Young adalah untuk mengamati sifat difraksi dan sifat interferensii pada cahaya. Kenyataan ini menjadi pendukung untuk kita katakan cahaya dapat berkelakuan seperti gelombang, yaitu sebagai gelombang elektromagnetik. Sedangkan kita katakan cahaya berkelakuan seperti gelombang, berarti sifat-sifat yang dapat kita amati adalah panjang gelombang, fenomena difraksi, fenomena interferensii, sifat pemantulan, sifat pembiasan, tenaganya kontinu, dan kedudukannya menyebar dalam ruangan.

Eksperimen efek fotolistrik dan efek Compton adalah dua bukti percobaan yang membolehkan kita untuk mengatakan bahwa cahaya berkelakuan seperti partikel. Jika kita katakan cahaya adalah berkelakuan seperti partikel, maka sifat-sifat yang dapat kita amati adalah adanya percepatan, momentum, energi berbentuk diskrit, dan kedudukannya dapat diukur secara pasti. Ketika cahaya pada posisi dan waktu tertentu berkelakuan seperti gelombang, maka yang dapat diamati sifat-sifat yang menyatu dengan gelombang. Manakala pada posisi dan waktu yang berlainan cahaya dapat berkelakuan seperti partikel, maka dapat diamati sifat-sifat yang menyatu dengan partikel. Tidak pernah kedua sifat tersebut diamati pada posisi dan waktu bersamaan.

klik7 

2.4.          STRUKTUR ATOM

2.4.1.      PENGERTIAN BENTUK DAN MODEL ATOM

                Bentuk atom merupakan wujud atom yang riil sebagaimana bentuk yang sebenarnya. Betuk atom yang riil atau tepat sama dengan betuk sebenarnya sampai saat ini belum diketahui oleh pakar. Terdapat beberapa sebab kenapa pakar fisika modern sukar menentukan bentuk atom yang sebenarnya, diantaranya karena atom dan penyusunnya (elektron, proton, dan neutron) memiliki dua sifat (dualisme), yaitu sebagai gelombang dan juga sebagai partikel. Kedua sifat tersebut tidak dapat muncul pada tempat dan waktu bersamaan, melainkan pada kondisi yang terpisah. Karena ketakpastian bentuk dari partikel-partikel tersebut, sehingga muncul ketakpastian posisi dan momentum partikel-partikel penyusun atom. Akibatnya tidak mungkin digambarkan bentuk atom yang sebenarnya.

                Model atom merupakan manifestasi atau terjemahan hasil pengsangatan pakar melalui eksperimen atomik. Semua gambar atom yang sering ditemui dalam buku teks fisika modern merupakan model model atom yang dikemukakan oleh pakar dan perlu ditekankan bahwa itu bukan bentuk atom yang sebenarnya. Ada pakar fisika yang menggambarkan model atom berdasarkan asumsi atau nberkasi, ada pakar yang menggambarkan model atom berdasarkan hasil percobaan, dan ada juga pakar menggambarkan model atom berdasarkan perhitungan matematis. Setiap model atom yang ditunjukkan oleh pakar semuanya berdasarkan penyempurnaan terhadap kelemaham-kelemahan yang telah diketahui dari model atom sebelumnya.

2.4.2.      MODEL ATOM TEORI KUANTUM

Model atom teori kuantum merupakan suatu model atom hidrogen yang bertujuan untuk mengatasi model atom Sommerfeld untuk kes elektron dalam ruang tiga dimensi. Kedudukan elektron dalam ruang tiga dimensi Untuk menjelaskan gerakan elektron dalam ruang tiga dimensi digunakan persamaan Schrodinger dengan fungsi gelombang tergantung pada jari-jari orbit (r), sudut zenit (θ), dan sudut azimut (ϕ). Penggambaran distribusi rapat probabilitas elektron |ᴪ|² yang didasarkan pada fungsi gelombang elektron atom hidrogen untuk nilai nomor kuantum yang berbeda-beda. Oleh karena itu, energi elektron dalam ruang tiga dimensi tergantung pada nomor kuantum utama (n), nomor kuantum orbital (l), dan nomor kuantum magnet (m_l).

Gambar 3 kedudukan elektron dalam ruang 3 dimensi

                Dalam gambar menunjukkan suatu model atom kuantum yang digambarkan dengan menggunakan persamaan distribusi rapat probabilitas elektron, |ᴪ|² untuk beberapa keadaan energi dalam ruang tiga dimensi. Ini bukan bentuk atom yang sebenarnya, tetapi hanyalah model rapat elektron atau model awan elektron disekitar inti atom.

Gambar 4Model Atom teori Kuantum

                Kesimpulan yang dapat dikatakan bahwa sampai saat ini model atom yang banyak diterima oleh pakar kuantum adalah model atom teori kuantum. Sedangkan bentuk atom dan kedudukan elektron disekitar inti dengan tepat tidak ada yang tahu. Tetapi model yang berdekatan adalah model awan elektron, yaitu kedudukan elekton disekitar inti digambarkan dengan rapat probabilitas yang dapat ditentukan keberadaan elektron dengan menggunakan kuadrat fungsi gelombang elektron. Mengenai kedudukan elektron disekitar inti berdasarkan pada atau sesuai dengan besar energi yang dimiliki oleh elektron. Perlu dipertegas sekali lagi bahwa sampai saat ini hanya ada model atom atau bukan bentuk yang sebenarnya.

2.4.3.      ATOM HIDROGEN

                Atom hidrogen terdiri dari inti dan suatu elektron yang mengelilingi inti. Berbagai bentuk percobaan telah dilakukan oleh pakar kimia dan fisika untuk mendapatkan informasi tentang atom hidrogen. Penggambaran bentuk struktur atom hidrogen didasarkan pada hasil uji coba model atom, berawal dari model atom Thomson sampai dengan model atom mekanik kuantum.

Gambar 5Bentuk Atom sebenarnya hasil scan STM

                Berdasarkan pandangan Bohr, elektron dalam atom hidrogen bergerak dalam orbit berbentuk lingkaran, seperti yang terjadi pada gerak satelit atau planet dalam tata surya. Hasil uji coba model atom Bohr menunjukkan bahwa jari-jari orbit elektron terkecil (n = 1) pada atom hidrogen ialah 0.529 A^o dan ini disebut dengan jari-jari Bohr. Sedangkan menurut pandangan Sommerfeld elektron dalam atom hidrogen, bukan hanya bergerak dalam orbit berbentuk lingkaran, tetapi juga berorbit dalam bentuk elips. Berdasarkan pandangan Sommerfeld bentuk wujud atom hidrogen tidak cocok dianalogikan dengan model gerak dan susunan tata surya, seperti yang disarankan oleh Bohr. Perkembangan teori kuantum telah menyempurnakan model atom hidrogen, yaitu dengan menyelesaikan persamaan Schrodinger dalam tiga dimensi yang melibatkan nomor kuantum utama, nomor kuantum orbital, dan nomor kuantum magnet. Hasil dari penyelesaian persamaan Schrodinger berbentuk fungsi radial [R(r)], fungsi orbital[Q(q)], dan fungsi magnet [F(f)]. Penggambaran model atom hidrogen yang berbentuk awan elektron dalam banyak buku teks didasarkan pada ketiga fungsi tersebut. Inilah model atom hidrogen yang banyak diterima oleh pakar fisika sampai saat ini, tetapi ini bukanlah bentuk yang sebenarnya dari atom hidrogen tetapi lebih mendekati kepada betuk yang riil

                Spektrum garis atom hidrogen, pertama sekali diselidiki oleh Balmer pada tahun 1885, terdiri dari deret spektrum garis pada daerah cahaya nampak. Atom hidrogen juga mempunyai deret spektrum garis pada daerah ultra ungu (deret Lymann) dan pada daerah infra merah (deret Paschen, deret Brackett, dan deret Pfund). Deret spektrum garis ini merupakan ciri-ciri khas atom hidrogen, karena untuk atom yang berbeda akan menghasilkan deret spektrum garis yang berbeda pula. Inilah suatu metode yang sudah tekenal digunakan pakar kimia dan fisika untuk menentukan jenis atom dalam suatu sistem fisis. Deret spektrum tersebut ditunjukkan dalam gambar.

1 2 3 4 5 6 7