Tokoh Fisika dan Temuannya

Max Planck dan Temuannya dalam Teori Kuantum

Max Planck (1858-1947), ilmuwan fisika teori Jerman, yang mencetuskan gagasan awal tentang teori kuantum. Ini lahir dari upayanya untuk menjelaskan teka-teki fisika yang berkaitan dengan pancaran tenaga (energi) gelombang elektromagnet oleh benda (hitam) panas. Pemecahannya ia temukan pada 1901 dengan anggapan bahwa “tenaga gelombang elektromagnet dipancarkan dan diserap bahan dalam bentuk catu-catu tenaga (diskrit) yang sebanding dengan frekuensi gelombang elektromagnet”. Catu tenaga ini disebutnya kuanta (latin: sekian banyak: kuantum, bentuk tunggalnya). Dengan demikian, tahun 1901 dicatat sebagai awal bergilirnya bola teori kuantum. Namun, para fisikawan seangkatannya memandang gagasan Planck ini tidak mempunyai makna fisika yang jauh melainkan sekadar sebagai suatu kiat matematika belaka.

Empat tahun kemudian, pemuda Albert Einstein (1879-1955) mencatat dirinya sebagai orang pertama yang menerapkan gagasan Planck lebih jauh dalam fisika. Salah satunya, berkaitan dengan “efek fotolistrik”, yaitu teka-teki terbebaskannya elektron-elektron dari permukaan logam bila disinari cahaya (gelombang elektromagnet). Penjelasannya, karena elektron-elektron itu ditumbuk dan ditendang keluar oleh kuanta-kuanta cahaya yang berperilaku sebagai partikel (zarah). Kuanta cahaya ini disebut Einstein, foton. Dengan demikian, cahaya (gelombang elektromagnet) yang mulanya dipandang sebagai gelombang, kini diperlakukan pula sebagai partikel oleh Einstein.

Bahwa foton menumbuk elektron, seperti halnya tumbukan dua bola bilyard, kemudian dibuktikan dengan percobaan oleh Arthur H. Compton (1892-1962) dari Amerika Serikat pada 1923, yang mengabadikan namanya dengan peristiwa itu. Gelombang partikel
Gagasan foton Einstein kemudian diterapkan Louis de Broglie pada 1922, sebelum Compton membuktikannya, untuk menurunkan Hukum Wien (1896). Ini menyatakan bahwa “bagian tenaga elektromagnet yang paling banyak dipancarkan benda (hitam) panas adalah yang frekuensinya sekitar 100 milyar kali suhu mutlak (273 + suhu Celsius) benda itu”. Pekerjaan ini ternyata memberi dampak yang berkesan bagi de Broglie.

Pada musim panas 1923, de Broglie menyatakan, “secara tiba-tiba muncul gagasan untuk memperluas perilaku rangkap (dual) cahaya mencangkup pula alam partikel”. Ia kemudian memberanikan diri dengan mengemukakan bahwa “partikel, seperti elektron juga berperilaku sebagai gelombang”. Gagasannya ini ia tuangkan dalam tiga makalah ringkas yang diterbitkan pada 1924; salah satunya dalam jurnal vak fisika Perancis, Comptes Rendus.

Penyajiannya secara terinci dan lebih luas kemudian menjadi bahan tesis doktoralnya yang ia pertahankan pada November 1924 di Sorbonne, Paris. Tesis ini berangkat dari dua persamaan yang telah dirumuskan Einstein untuk foton, E = hf dan p = h. Dalam kedua persamaan ini, perilaku yang “berkaitan” dengan partikel (energi E dan momentum p) muncul di ruas kiri, sedangkan ruas kanan dengan gelombang (frekuensi f dan panjang gelombang , baca: lambda). Besaran h adalah tetapan alam yang ditemukan Planck, tetapan Planck.
Secara tegas, de Broglie mengatakan bahwa hubungan di atas juga berlaku untuk partikel. Ini merupakan maklumat teori yang melahirkan gelombang partikel atau de Broglie.

Untuk partikel, seperti elektron, momentum p adalah hasilkali massa (sebanding dengan berat) dan lajunya. Karena itu, panjang gelombang de Broglie berbanding terbalik dengan massa dan laju partikel. Sebagai contoh, elektron dengan laju 100 cm per detik, panjang gelombangnya sekitar 0,7 mm. Tantangan Tesis ini kemudian diterbitkan pada awal 1925 dalam jurnal vak fisika Perancis, Annales de Physique. Namun, luput dari perhatian para fisikawan. Bahkan, para penguji de Broglie hanya terkesan dengan penalaran matematikanya tetapi tidak mempercayai segi fisikanya.

Promotornya, Paul Langevin (1872-1946), kemudian mengirimkan satu kopi kepada Einstein di Berlin, yang ternyata memberi rekasi mendukung. Ia memandangnya lebih daripada permainan matematika dengan menekankan bahwa gelombang partikel haruslah nyata. Berita ini kemudian ia teruskan kepada Max Born (1882-1970), fisikawan teori Jerman, di Gottingen.
Born kemudian menanyakan kemungkinan eksperimentalnya kepada James Franck (1882-1964), rekan sekerjanya, yang memberi tanggapan mendukung dengan menunjuk pada teka-teki hasil percobaan Clinton J. Davisson (1881-1958) dan asistennya Charles H. Kunsman dari Amerika Serikat pada 1922 dan 1923. Keduanya mengamati bahwa permukaan logam yang ditembaki dengan berkas elektron selain memancarkan kembali elektron-elektron dengan tenaga yang sangat rendah, ternyata ada pula yang memiliki tenaga sama dengan elektron semula.

Teka-teki ini kemudian terjelaskan oleh Walter Elsaser, mahasiswa Born, pada tahun 1925 dalam sebuah makalah ringkas dengan menggunakan gagasan gelombang de Broglie. Namun sayang, para fisikawan eksperimen tidak terkesan dengan tafsir ulang ini terhadap data percobaan mereka – apalagi oleh seorang mahasiswa berusia 21 tahun yang sama sekali belum dikenal.

Dukungan dan hadiah Nobel Pada tahun 1926 barulah nampak suatu terang! Erwin Schrodinger (1887-1961), fisikawan teori Austria, merumuskan suatu persamaan matematika yang mengendalikan kelakuan rambatan gelombang partikel dalam berbagai sistem fisika. Ini sama halnya dengan persamaan gerak Newton dalam mekanika Newton (klasik) yang mengendalikan kelakuan gerak partikel. Karya Schrodinger ini melahirkan mekanika baru yang dikenal sebagai mekanika gelombang atau lazimnya disebut mekanika kuantum. Penerapannya pada struktur atom berhasil menjelaskan berbagai data pengamatan dengan begitu mengesankan, tanpa dipaksa, sehingga menyentakkan para fisikawan untuk menerima gagasan de Broglie.

Dukungan berikutnya datang dari Amerika Serikat, oleh Clinton J. Davisson dan Lester H. Germer (1896 – ?.), yang menerbitkan hasil percobaan mereka pada 1927, bahwa elektron memang memperlihatkan perilaku gelombang. Bukti yang sama tetapi dengan metode percobaan yang berbeda juga dilaporkan oleh George P. Thomson (1892-1975) dari Inggris pada waktu itu.
Dukungan bukti-bukti percobaan ini kemudian mengukuhkan penerimaan gelombang partikel yang diikuti dengan dianugerahkannya hadiah Nobel Fisika (tunggal) 1929 bagi Louis de Broglie. Suatu penghargaan keilmuan bergengsi yang patut bagi karya ilmiahnya yang begitu revolusioner.