02 Januari, 2011

Perkembangan Teori atom


Atom adalah partikel terkecil, begitu ilmu pengetahuan mengajarkan. Tapi sesudah tahun 1900-an para ahli menemukan bahwa masih ada yang lebih kecil lagi dari Atom yakni Inti Atom. Belakangan, ketika ilmu pengetahuan terus melaju, para ilmuwan kemudian menemukan bahwa Inti Atom itu masih bisa dipecah lagi. Begitu seterusnya.
Dan kini para ahli sudah sampai pada sebuah partikel terkecil yang disebut Higgs Boson. Dan Higgs Boson inilah yang disebut sebagai ibu dari segala partikel yang diyakini pertama kali membentuk jagad raya. Para ahli bumi menyebut Higgs Boson sebagai "partikel Tuhan".


Sejumlah ahli kini terus berusaha menemukan partikel ini. Bahkan, menempati urutan pertama dalam daftar resolusi sains 2011.
"Jika alam baik pada kita, 'partikel Tuhan' akan ditemukan tahun 2011," kata fisikawan, Christoph Rembser kepada LiveScience.
Rembser bekerja di European Laboratory for Particle Physics (CERN) di Jenewa, di mana laboratorium penubruk atom, Large Hadron Collider (LHC) berada.
Di LHC terdapat akselelator berbentuk terowongan sepanjang 27 kilometer di bawah tanah. Di sana, para ilmuan menguji tumbukan-tumbukan partikel berenergi sangat tinggi, sehingga bisa ‘melihat’ gambaran materi pada skala terkecil, sebagaimana yang terbentuk sesaat ketika seper-semiliar detik setelah Big-Bang -- pembentukan jagad raya.
Magnet berkekuatan tinggi yang ditempatkan di sekeliling terowongan berfungsi untuk menambah kecepatan.
Ketika dua partikel bertabrakan, para ilmuwan mengubah energi kinetik yang sangat besar menjadi hal baru melalui persamaan Einstein, E = mc2 -- bahwa energi dapat dikonversi menjadi massa (dan sebaliknya). Sehingga makin besar energi tabrakan, semakin besar partikel baru yang dapat dihasilkan .
Hingga saat ini, para ilmuwan belum bisa memastikan seberapa besar partikel Higgs, jika 'partikel Tuhan' itu benar-benar ada. Namun, "setidaknya, kita sudah memiliki apa saja yang diperlukan," kata Rembser.
"Kami memiliki akselerator dan detektor untuk menemukannya. Semuanya telah diatur untuk mengukur dan mengobservasi itu."
"Untuk saat ini, semuanya tergantung alam yang memutuskan, apakah Higgs akan bisa sering diproduksi atau sangat langka ditemukan. Jadi, dalam hal ini, kita harus menunggu."


Berikut Perkembangan Teori Atom :

Teori Atom Democritus (460 SM–370 SM)
Democritus mengembangkan teori tentang penyusun suatu materi. Menurut Democritus jika suatu materi dibelah terus-menerus suatu ketika akan diperoleh suatu partikel fundamental yang disebut sebagai atom (Yunani: atomos = tidak terbagi). Pendapat ini ditolak oleh Aristoteles (384–322 SM), yang berpendapat bahwa materi bersifat kontinu (materi dapat dibelah terus-menerus sampai tidak berhingga). Aristoteles lebih menyetujui teori Empedokles, yaitu materi tersusun atas api, air tanah dan udara. Sekitar tahun 1592 - 1655 Gasendi mengemukakan bahwa atom merupakan bagian terkecil suatu zat.


2. Model Atom Dalton (1743 - 1844)
  •       Dalton merupakan pencetus teori atom modern pada massanya.
  •       Hipotesa (pendapat) Dalton ditunjang  oleh 2 hukum yaitu Hukum Kekekalan massa dan Hukum Perbandingan tetap.
Hukum Kekekalan Massa
"Massa bahan keseluruhan setelah reaksi kimia sama dengan sebelum reaksi". Hal ini didasari oleh percobaan dari Lavoisier sebagai berikut:

Mula-mula tinggi cairan merkuri dalam wadah yang berisi udara adalah A, tetapi setelah beberapa hari merkuri naik ke B dan ketinggian ini tetap. Beda tinggi A dan B menyatakan volume udara yang digunakan oleh merkuri dalam pembentukan bubuk merah (merkuri oksida). Untuk menguji fakta ini, Lavoisier mengumpulkan merkuri oksida, kemudian dipanaskan lagi. Bubuk merah ini akan terurai menjadi cairan merkuri dan sejumlah volume gas (oksigen) yang jumlahnya sama dengan udara yang dibutuhkan dalam percobaan pertama.

Hukum Perbandingan Tetap
Pada tahun 1799 Proust menemukan bahwa senyawa tembaga karbonat baik yang dihasilkan melalui sintesis di laboratorium maupun yang diperoleh di alam memiliki susunan yang tetap.
  • Dari kedua hukum tersebut Dalton mengemukakan pendapatnya (Hipotesa) tentang atom sebagai berikut:
1.      Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi lagi
2.      Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda
3.      Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat dan sederhana. Misalnya air terdiri atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen 
4.      Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.  
  • Hipotesa Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti pada tolak peluru. Seperti gambar berikut ini: 

  • Kelebihan Model Atom Dalton:
1. Dapat menerangkan hukum kekekalan massa
2. Dapat menerangkan hukum perbandingan tetap
  • Kelemahan Model Atom Dalton:
1. Tidak dapat menerangkan sifat listrik atom
2. Ada partikel yang lebih kecil lagi dari atom
 
Model Atom J. J. Thomson
  • Pandangan Dalton mengenai atom sebagai bagian terkecil dari suatu unsur tumbang dengan adanya penemuan elektron oleh J.J Thomson.
  • Penemuan Thomson diilhami oleh Michael Faraday yang mengemukakan bahwa benda memiliki sifat listrik. Pada tahun 1897, Thomson melakukan eksperimen dengan menggunakan tabung sinar katoda
  • Thomson mengamati dua pelat elektroda dalam tabung vakum. Ketika dua pelat elektroda tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan yang tinggi, dari elektroda negative (katoda) muncul sinar yang menuju elektroda positif (anoda). 

  • Sinar yang keluar dari katodaselanjutnya  disebut dengan sinar katoda dan tabung vakum disebut dengan tabung sinar katoda. Sinar katoda tidak terlihat oleh mata, tetapi keberadaannya dapat diketahui karena mampu memendarkan ZnS yang terdapat pada kaca dinding tabung sinar katoda  
  • Sinar katoda dibelokkan oleh muatan medanmagnet kearah kutub positif  dan tarik menarik kearah kutub negative. Fakta ini dijadikan landasan bagi Thomson untuk menyimpulkan bahwa sinar katoda sebagai sebagai arus partikel yang bermuatan negative, yang disebut dengan elektron. Dengan harga e/m selalu sama yaitu 1,76 x 108 coulomb/gram.  
  • Atom merupakan partikel yang bersifat netral, oleh karena elektron bermuatan negatif, maka harus ada partikel lain yang bermuatan positif untuk menetralkan muatan negatif elektron tersebut. 
  • Dari penemuannya tersebut, Thomson memperbaiki kelemahan dari teori atom dalton dan mengemukakan teori atomnya yang dikenal sebagai Teori Atom Thomson, yaitu:  "Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dan didalamya tersebar muatan negatif elektron"
  • Model atom Thomson digambarkan sebagai jambu biji yang sudah dikelupas kulitnya. biji jambu menggambarkan elektron yang tersebar marata dalam bola daging jambu yang pejal, yang pada model atom Thomson dianalogikan sebagai bola positif yang pejal. 
  • Model atom Thomson dapat digambarkan seperti gambar berikut:
  • Setelah harga e/m untuk elektron diketahui dari eksperimen tabung sinar katoda, selanjutnya diperlukan eksperimen lain untuk menentukan besarnya nilai e dan m. Jika salah satu nilai tersebut diketahui maka nilai yang lain dapat ditentukan. Pada tahun 1909, Robert Andrews Millikan dapat memecahkan dilema tersebut melalui eksperimennya yaitu Dengan menggunakan alat penyemprot, minyak disemprotkan sehingga membentuk tetesan-tetesan kecil. Sebagian tetes minyak akan melewati lubang pada pelat  dan jatuh karena gayagravitasi.
1.      Dengan menggunakan teropong, diameter tetes minyak dapat ditentukan, sehinggamassa minyak dapat diketahui
2.      Radiasi sinar X akan mengionkan gas di dalam silinder. Ionisasi tersebut akan menghasilkan elektron, selanjutnya elektron  akan  melekat pada tetes minyak, sehingga tetes minyak menjadi bermuatan listrik negatif. Pada tetes minyak ada yang menyerap satu,dua, atau lebih elektron. Jika pelat logam tidak diberi beda potansial, tetes-tetes minyak tetap jatuh karena pengaruh  gaya gravitasi
3.            Jika pelat logam diberi beda potensial dengan pelat bawah sebagai kutub negatif, maka tetes minyak yang bermuatan negatif akan mengalami gaya tolak listrik. Sesuai dengan hukum coloumb, tetes minyak yang mengikat lebih banyak elektron akan tertolak lebih kuat. Pergerakan tetes minyak dapat diamati menggunakan teropong. Dengan mengatur beda potensial, tetes minyak dibuat mengambang. dalam keadaan seperti itu berarti gaya tarik gravitasi akan sama dengan gaya tolak listrik
4.            Melalui eksperimen tersebut, Milikan menemukan bahwa muatan dari tetes-tetes minyak selalu merupakan kelipatan bulat dari suatu muatan tertentu, yaitu 1,602 x 10-19 coloumb. Millikan menyimpulkan bahwa muatan tersebut adalah muatan dari satu elektron. Perbedaan muatan antar tetesan terjadi karena satu tetesan dapat mengikat 1,2,3 atau lebih elektron  
Dengan telah diketahuinya muatan elektron, maka dapat ditentukan massa elektron (m) yaitu dengan membagi nisbah muatan terhadap massa (nilai e/m dari eksperimen tabung sinar katoda) dengan muatan elektron.

Data Fisis Elektron :
e/m = 1.76 x 108 Coulomb/gram
e = 1.602 x 10-19 coulomb
maka massa elektron = 9.11 x 10-28 gram

4. Model Atom Rutherford
a. Penemuan Partikel Positif Oleh Goldstein
  • Sebelum elektron ditemukan secara pasti oleh J.J Thomson, E. Goldstein menerangkan adanya berkas sinar yang berflouresensi pada permukaan tabung sinar katode.  
  • Goldstein menemukan fakta berikut: apabila katoda tidak berlubang ternyata gas di belakang katoda tetap gelap. Namun, apabila pada katoda  berlubang ternyata gas di belakang katoda menjadi berpijar. Hal ini menunjukkan bahwa adanya radiasi yang berasal dari anoda, yang menerobos kelubang dan menuju ke  katoda. Radiasi itu disebut dengan sinar anoda atau sinar positif atau sinar terusan (yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini
  • Hasil eksperimen ini menunjukkan bahwa sinar terusan merupakan radiasi partikel (dapat memutar kincir) yang bermuatan positif (dalam medan listrik dibelokkan ke kutub negatif). Partikel sinar terusan ternyata bergantung pada jenis gas dalam tabung. Artinya, jika gas dalam tabung diganti dengan gas yang lain, ternyata dihasilkan partikel sinar terusan dengan ukuran yang berbeda. Partikel sinar terusan terkecil diperoleh dari gas hidrogen.  

b. Pembuktian Adanya Partikel Positif oleh Rutherford
  • Eksperimen Rutherford pada tahun 1910 dikenal dengan percobaan hamburan partikel alfa. Partikel alfa yang berasal dari ion He bermuatan positif dari sumber radioaktif ditembbakkan melalui lempeng/  lembaran emas (Au foil) yang sangat tipis. layar fluresen ditempatkan di belakang Au foil yang sangat tipis. Layar ini ditempatkan di belakang Au foil untuk mendeteksi hamburan (scattering) partikel alfa. 
  • Partikel alfa adalah partikel bermuatan positif . Oleh karena itu, pantulan partikel alfa dengan sudut pantul lebih besar dari 90 hanya mungkin disebabkan adanya tumbukan antara partikel alfa dengan suatu partikel yang memiliki kerapatan sangat tinggi dan bermuatan sejenis (positif). Akibatnya, partikel alfa yang menuju kepada partikel itu akan dibelokkan arahnya karena adanya penolakan muatan yang sama. Gejala ini menurut Rutherford, akibat adanya suatu partikel yang merupakan inti dari lempeng tipis logam yang dijadikan target
  • Gejala lain yang diamati adalah hanya sebagian kecil dari partikel alfa yang dipantulkan, umumnya partikel alfa diteruskan. Gejala ini menurutnya, menunjukkan bahwa bagian terbesar dari atom-atom logam dijadikan tabir merupakan ruang kosong.
  • Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesimpulan beberapa berikut: 
  1. Atom terdiri atas inti atom yang bermuatan positif dan elektron-elektron yang bermuatan negatif yang beredar mengelilingi inti 
  2. Atom bersifat netral sehingga jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah elektron dalam inti. Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut,Rutherford mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang menyatakan bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif, dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif. Rutherford menduga bahwa didalam inti atom terdapat partikel netral yang berfungsi mengikat partikel-partikel positif agar tidak saling tolak menolak 
  3. Model atom Rutherford dapat digambarkan seperti berikut:.
 
Kelebihan model atom Rutherford:
Menemukan keberadaan inti atom

Kelemahan model atom Rutherford:
Bertentangan dengan teori elektrodinamika klasik, dimana partikel yang bermuatan listrik apabila bergerak terus menerus akan memancarkan energi. Elektron yang bergerak terus menerus lama kelamaan akan kehilangan energi sehingga akan tertarik jatuh ke inti atom.

Penemuan Neutron
Eksperimen Rutherford merupakan awal ditemukan neutron. Dalam eksperimennya ia mencoba menghitung jumlah muatan positif dalam inti atom dan massa inti atom, dengan harapan massainti atom dan massa muatan positif sama tetapi setelah dilakukan perhitungan ternyata massanya berbeda.
Ø      Ini dibuktikan oleh eksperimen yang dilakukan oleh  Aston pada ahun 1919 ia menemukan alat spektrometer massa, yaitu alat yang dapat digunakan untuk menentukan massa atom dan massamolekul. Dengan alat tersebut, Aston menemukan bahwa atom-atom dari unsur yang sama dapat mempunyai massa yang berbeda. Fenomena ini selanjutnya disebut dengan  isotop, salah satu fenomena yang menggugurkan teori atom Dalton. Selain itu juga ditemukan bahwa massasuatu atom ternyata tidak sama dengan jumlah proton pada atom tersebut. Banyak atom yang massanya sekitar dua kali massa protonnya. Berdasarkan kedua fakta tersebut, Aston menduga keberadaan partikel netral dalam atom yang jumlahnya dapat berbeda meskipun unsurnya samaSelain itu lmuwan Amerika yaitu William Draper Harkins  pada tahun 1920 menduga adanya partikel lain dalam inti atom selain proton. Partikel tersebut mempunyai massa yang hampir sama dengan massa proton tetapi partikel tersebut tidak bermuatan. Selanjutnya Chadwick melakukan eksperimen untuk mengetahui keberadaan partikel yang tidak bermuatan atau bersifat netral.
Ø      Berikut ini gambar eksperimen yang dilakukan oleh Chadwick pada tahun 1932. 
Ø      Dari penembakan sinar α ke dalam pelat berilium akan menghasilkan suatu radiasi yang tidak bermuatan. Apabila terdapat suatu materi padat dalam hal ini menggunakan parafin ditempatkan sebagai penghalang, maka akan mengakibatkan proton dari atom hidrogen akan terlempar keluar.
Ø      Partikel yang tidak bermuatan tersebut selanjutnya disebut dengan neutron, dengan massa yaitu 1,675 x 10-27 kg. Berikut ini massa dan muatan dari partikel subatom elektron, proton dan neutron.
Tabel I.1 Massa dan Muatan dari subatomik
Partikel
Lambang
Massa (kg)
Muatan
Satuan
Coulomb
Elektron
e-
9,109 x 10 -31
-1
1,6 x 10-19
Proton
P
1,673 x 10 -27
+1
1,6 x 10-19
Neutron
N
1,675 x 10 -27
0
0
 

4. Teori Atom Bohr

ada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen. Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati daerah disekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen melibatkan gabungan antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Planck, diungkapkan dengan empat postulat, sebagai berikut:

Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu elektron dalam atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner (menetap) elektron dan merupakan lintasan melingkar disekeliling inti.
Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.
Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan stasioner lain. Pada peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat, besarnya sesuai dengan persamaan planck, ΔE = hv.
Lintasan stasioner yang dibolehkan memilki besaran dengan sifat-sifat tertentu, terutama sifat yang disebut momentum sudut. Besarnya momentum sudut merupakan kelipatan dari h/2∏ atau nh/2∏, dengan n adalah bilangan bulat dan h tetapan planck.

Menurut model atom bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasan-lintasan tertentu yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Tingkat energi paling rendah adalah kulit elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar nomor kulitnya dan semakin tinggi tingkat energinya.
Kelemahan:
Model atom ini tidak bisa menjelaskan spektrum warna dari atom berelektron banyak.



Model Atom Modern

Model atom mekanika kuantum dikembangkan oleh Erwin Schrodinger (1926).Sebelum Erwin Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara seksama pada saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti atom”.
Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan elektron disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin Schrodinger.Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron dalam tiga dimensi.
Persamaan Schrodinger
x,y dan z
Y
m
ђ 
E
V
= Posisi dalam tiga dimensi 
= Fungsi gelombang
= massa
= h/2p dimana h = konstanta plank dan p = 3,14
= Energi total
= Energi potensial
Model atom dengan orbital lintasan elektron ini disebut model atom modern atau model atom mekanika kuantum yang berlaku sampai saat ini, seperti terlihat pada gambar berikut ini.
Model atom mutakhir atau model atom mekanika gelombang
Awan elektron disekitar inti menunjukan tempat kebolehjadian elektron. Orbital menggambarkan tingkat energi elektron. Orbital-orbital dengan tingkat energi yang sama atau hampir sama akan membentuk sub kulit. Beberapa sub kulit bergabung membentuk kulit.Dengan demikian kulit terdiri dari beberapa sub kulit dan subkulit terdiri dari beberapa orbital. Walaupun posisi kulitnya sama tetapi posisi orbitalnya belum tentu sama.
CIRI KHAS MODEL ATOM MEKANIKA GELOMBANG
1. Gerakan elektron memiliki sifat gelombang, sehingga lintasannya (orbitnya) tidak stasioner seperti model Bohr, tetapi mengikuti penyelesaian kuadrat fungsi gelombang yang disebut orbital (bentuk tiga dimensi darikebolehjadian paling besar ditemukannya elektron dengan keadaan tertentu dalam suatu atom)
2. Bentuk dan ukuran orbital bergantung pada harga dari ketiga bilangan kuantumnya. (Elektron yang menempati orbital dinyatakan dalam bilangan kuantum tersebut)
3. Posisi elektron sejauh 0,529 Amstrong dari inti H menurut Bohr bukannya sesuatu yang pasti, tetapi bolehjadi merupakan peluang terbesar ditemukannya elektron 

Percobaan chadwick

Kelemahan Model Atom Modern

Persamaan gelombang Schrodinger hanya dapat diterapkan secara eksak untuk partikel dalam kotak dan atom dengan elektron tunggal

MODEL ATOM MEKANIKA KUANTUM-MODEL ATOM MODERN YANG DIPAKAI SAMPAI SAAT INI

Salah satu kelemahan model atom Bohr hanya bisa dipakai untuk menjelaskan model atom hydrogen dan atom atau ion yang memiliki konfigurasi elektron seperti atom hydrogen, dan tidak bisa menjelaskan untuk atom yang memiliki banyak elektron.
Werner heinsberg (1901-1976), Louis de Broglie (1892-1987), dan Erwin Schrödinger (1887-1961) merupakan para ilmuwan yang menyumbang berkembangnya model atom modern atau yang disebut sebagai model atom mekanika kuantum .
Pernyataan de Broglie yang menyatakan bahwa partikel dapat bersifat seperti gelombang telah menginspirasi Schrödinger untuk menyusun model atomnya dengan memperhatikan sifat elektron bukan hanya sebagai partikel tapi juga sebagai gelombang, artinya dia menggunakan dualisme sifat elektron.
Menurut Schrödinger elektron yang terikat pada inti atom dapat dianggap memiliki sifat sama seperti “standing wave”, anda bisa membayangkan gelombang standing wave ini seperti senar pada gitar (lihat gambar). Ciri standing wave ini ujung-ujungnya harus memiliki simpul sehingga ½ gelombang yang dihasilkan berjumlah bilangan bulat.
Hal yang sama dapat diterapkan apabila kita menganggap elektron dalam atom hydrogen sebagai “standing wave”. Hanya orbit dengan dengan jumlah ½ gelombang tertentu saja yang diijinkan, orbit dengan jumlah ½ gelombang yang bukan merupakan bilangan bulat tidak diijinkam. Hal inilah penjelasan yang rasional mengapa energi dalam atom hydrogen terkuantisasi. (lihat gambar)
Schrödinger kemudian mengajukan persamaan yang kemudian dikenal dengan nama “persamaan gelombang Schrödinger” yaitu :
H? = E?
? disebut sebagai fungsi gelombang, H adalah satu set intruksi persamaan matematika yang disebut sebagai operator, dan E menunjukan total energi dari atom. Penyelesaian persamaan ini menghasilkan berbagai bentuk penyelesaian dimana setiap penyelesain ini melibatkan fungsi gelombang ? yang dikarakteristikkan oleh sejumlah nilai E. Fungsi gelombang ? yang spesisfik dari penyelesaian persamaan gelombang Schrödinger disebut sebagai “orbital”
Apakah orbital itu? Orbital adalah daerah kebolehjadian kita menemukan elektron dalam suatu atom atau bisa dikatakan daerah dimana kemungkinan besar kita dapat menemukan elektron dalam suatu atom.
Bedakan dengan istilah orbit yang dipakai di model atom Bohr. Orbit berupa lintasan dimana kita bisa tahu lintasan dimana elektron mengelilingi inti, tapi pada orbital kita tidak tahu bagaimana bentuk lintasan elektron yang sedang mengelilingi inti. Yang dapat kita ketahui adalah dibagian mana kemungkinan besar kita dapat menemukan elektron dalam atom.
Werner Heisenberg menjelaskan secara gamblang tentang sifat alami dari orbital, analisis matematika yang dihasilkannya menyatakan bahwa kita tidak bisa secara pasti menentukan posisi serta momentum suatu partikel pada kisaran waktu tertentu. Secara matematis azas ketidakpastian Heisenberg ditulis sebagai berikut:
?x . ?(mv) ? h/4?
?x adalah ketidakpastian menentukan posisi dan ?(mv) adalah ketidakpastian momentum dan h adalah konstanta Plank. Arti persamaan diatas adalah semakin akurat kita menentukan posisi suatu partikel maka semakin tidak akurat nilai momentum yang kita dapatkan, dan sebaliknya.
Pembatasan ini sangat penting bila kita memmpelajari partikel yang sangat kecil seperti elektron, oleh sebab itulah kita tidak bisa menentukan secara pasti posisi elektron yang sedang mengelilingi inti atom seperti yang ditunjukan oleh model atom Bohr, dimana elektron bergerak dalam orbit yang berbentuk lingkaran. Disinilah mulai diterimanya model atom mekanika kuantum yang diajukan oleh Schrödinger.
Sesuai dengan azaz Heisenberg ini maka fungsi gelombang tidak dapat menjelaskan secara detail pergerakan elektron dalam atom, kecuali fungsi gelombang kuadrat (?2) yang dapat diartikan sebagai probabilitas distribusi elektron dalam orbital. Hal ini bisa dipakai unutk menggambarkan bentuk orbital dalam bentuk distribusi elektron, atau dikenal sebagai peta densitas.

Higgs boson

Higgs boson adalah hipotetis besar skalar partikel dasar diperkirakan ada oleh Model Standar darifisika partikel . Saat ini tidak ada dikenal SD scalar boson ( spin -0 partikel) di alam, meskipun banyak komposit partikel spin-0 diketahui. Keberadaan partikel dipostulasikan sebagai sarana menyelesaikan inkonsistensi dalam teori fisika saat ini, dan upaya yang dilakukan untuk mengkonfirmasi keberadaan partikel oleh eksperimen, menggunakan Large Hadron Collider (LHC) di CERN dan Tevatron di Fermilab . Teori lainnya ada yang tidak mengantisipasi Higgs boson, dijelaskan pada bagian lain sebagai model Higgsless .

Higgs boson adalah satu-satunya Standard Model partikel yang belum diamati dalam percobaan fisika partikel. Ini adalah konsekuensi dari apa yang disebut mekanisme Higgs yang merupakan bagian dari Model Standar yang menjelaskan bagaimana sebagian besar dikenal partikel elemente rmenjadi besar. Sebagai contoh, boson Higgs akan menjelaskan perbedaan antara bermassa foton , yang menengahi elektromagnetisme , dan besar boson W dan Z , yang menengahi gaya lemah . Jika Higgs boson ada, itu adalah dan meresap komponen integral dari dunia materi .
model-argumen yang relatif independen menunjukkan bahwa mekanisme yang menghasilkan massa partikel dasar harus terlihat di bawah 1,4 TEV . Oleh karena itu Large Hadron Collider diharapkan dapat memberikan bukti eksperimental tentang adanya atau tidak adanya Higgs boson.Percobaan di Fermilab juga terus usaha-usaha sebelumnya di deteksi, meskipun terhalang oleh energi yang lebih rendah dari akselerator Tevatron, meskipun secara teoritis memiliki energi yang diperlukan untuk menghasilkan Higgs boson.

Asal-usul teori


Ketika membahas asal usul konsep Higgs boson, penting untuk membedakan antara mekanisme Higgs dan Higgs boson.
The mekanisme Higgs (atau "Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-ember" ) adalah sebuah mekanisme yang boson vektor bisa mendapatkan massa. Diusulkan pada tahun 1964 secara independen dan hampir bersamaan oleh tiga kelompok fisikawan: François Englert dan Robert Brout ; oleh Peter Higgs ,  (yang terinspirasi oleh ide-ide Philip Anderson ), dan oleh Gerald Guralnik , CR Hagen , dan ember Tom ,.
Tiga makalah yang ditulis pada penemuan oleh Guralnik , Hagen , ember , Higgs , Brout , dan Englert masing-masing diakui sebagai tonggak kertas selama Physical Review Letters perayaan ulang tahun ke-50. Sementara masing-masing jenis kertas ini terkenal mengambil pendekatan yang sama, kontribusi dan perbedaan antara 1964 Breaking PRL kertas Simetri adalah penting.Keenam fisikawan juga dianugerahi 2010 JJ Sakurai Hadiah Nobel untuk Fisika Partikel Teoretisuntuk pekerjaan ini.
Steven Weinberg dan Abdus Salam adalah yang pertama untuk menerapkan mekanisme Higgs ke simetri elektrolemah . Para mekanisme Higgs tidak hanya menjelaskan bagaimana elektrolemah boson vektor mendapatkan massa, tetapi memprediksi rasio boson W dan Z bosonmassa serta kopling mereka antara mereka sendiri dan dengan model standar quark dan lepton. Banyak dari prediksi ini telah diverifikasi oleh pengukuran tepat dilakukan di LEP dan colliders SLC, sehingga membenarkan bahwa mekanisme Higgs terjadi di alam. 
Dari tiga makalah mani pada mekanisme Higgs , hanya kertas oleh Peter Higgs disebutkan, dalam sebuah kalimat penutup, kemungkinan adanya Higgs boson ("<...> fitur penting dari jenis teori yang telah dijelaskan dalam catatan ini prediksi multiplet lengkap dan vektor boson skalar). ". Peter Higgs menambahkan kalimat ini ketika dia merevisi kertas setelah itu ditolak oleh Fisika Sastra, dan sebelum mengirimkan kembali ke Physical Review Letters,. The deskripsi rinci pertama dari sifat Higgs boson diberikan pada tahun 1966, juga oleh Peter Higgs,.
Bahkan, keberadaan Higgs boson bukanlah konsekuensi perlu ketat dari mekanisme Higgs : Higgs boson ada di beberapa tapi tidak semua teori yang menggunakan mekanisme Higgs . Sebagai contoh, Higgs boson ada dalam Model Standar dan Model Standar Minimal Supersymmetric . Namun diperkirakan tidak ada dalam Technicolor model atau, lebih umum, model Higgsless . Semua model mewujudkan berbagai bentuk mekanisme Higgs . Tujuan utama dari LHC percobaan adalah untuk membedakan antara para model dan menentukan apakah Higgs boson ada atau tidak.

sunting ]Sekilas Teoritis


Sebuah satu-loop diagram Feynmandari-koreksi orde pertama dengan massa Higgs. The quark Higgs boson pasangan kuat ke atas sehingga mungkin pembusukan ke atas-atas quark anti pasangan jika cukup berat.
Partikel Higgs boson kuantum merupakan salah satu komponen dari teori medan Higgs . Di ruang kosong, bidang Higgs memiliki amplitudo yang berbeda dari nol, yaitu non-nol vakum nilai harapan .Keberadaan harapan ini nol non vacuum memainkan peran mendasar: memberikan massa setiap partikel dasar yang pasangan ke kolom Higgs, termasuk Higgs boson itu sendiri. Secara khusus, perolehan nilai nol harapan non vacuum spontan istirahat elektrolemah simetri gauge , yang sering merujuk para ilmuwan sebagai mekanisme Higgs . Ini adalah mekanisme paling sederhana mampu memberikan massa ke boson gauge , namun tetap kompatibel dengan teori gauge . Pada dasarnya, bidang ini adalah analog dengan kolam molase yang "menempel" ke fundamental partikel tak bermassa dinyatakan yang berjalan melalui lapangan, mengubahnya menjadi partikel dengan massa yang membentuk, misalnya, komponen atom. Prof David J. Miller dari University College London memberikan penjelasan sederhana tentang Higgs Boson, yang ia memenangkan penghargaan. 
Dalam Model Standar , bidang Higgs terdiri dari dua netral dan dua komponen dibebankan bidang . Kedua komponen diisi dan salah satu bidang netral adalah boson Goldstone , yang bertindak sebagai komponen ketiga polarisasi longitudinal besar W +, W -, dan Z boson .Kuantum komponen sisa netral sesuai dengan Higgs boson besar. Karena medan Higgs adalah medan skalar , Higgs boson tidak memiliki spin , sehingga tidak ada intrinsik momentum sudut . Higgs boson juga sendiri anti-partikel dan CP-bahkan .
Model Standar tidak memprediksi massa Higgs boson. Jika massa yang antara 115 dan 180 GeV / c 2, maka model standar dapat berlaku pada skala energi sepanjang jalan sampai ke skala Planck (10 16 TEV ). Banyak teori mengharapkan fisika baru di luar Model Standar untuk muncul pada skala-TEV, berdasarkan sifat yang tidak memuaskan dari Model Standar. Massa mungkin skala tertinggi yang diijinkan untuk Higgs boson (atau beberapa lainnya simetri elektrolemah melanggar mekanisme) adalah 1,4 TEV; melewati titik ini, model standar menjadi tidak konsisten tanpa mekanisme seperti, karena unitarity dilanggar dalam proses-proses hamburan tertentu. Banyak model supersimetri memprediksi bahwa Higgs boson ringan (beberapa) akan memiliki massa hanya sedikit di atas batas eksperimental saat ini, sekitar 120 GeV atau kurang.
Supersymmetric ekstensi dari Model Standar (disebut Susy) memprediksi adanya seluruh keluarga boson Higgs, sebagai lawan dari partikel Higgs tunggal Model Standar. Di antara model Susy, dalam ekstensi Supersymmetric Minimal (MSSM) mekanisme Higgs menghasilkan jumlah terkecil Higgs boson: ada dua Higgs doublet, yang mengarah ke keberadaan kwintet partikel skalar: dua CP-bahkan netral Higgs boson dan h H, a-aneh netral CP Higgs boson A, dan dua Higgs partikel bermuatan H ±.
Ada lebih dari seratus prediksi Higgs-massa teoritis.

sunting ]pencarian Eksperimental


Status Agustus 2010, untuk interval kepercayaan 95%

Sebuah diagram Feynman satu cara Higgs boson dapat dihasilkan pada LHC .Di sini, dua gluon pembusukan ke atas /-atas pasangan anti , yang kemudian bergabung untuk membuat Higgs netral.

Sebuah Feynman diagram cara lain boson Higgs dapat dihasilkan di LHC. Di sini, dua quark masing-masing memancarkan W atau boson Z , yang menggabungkan untuk membuat Higgs netral.
Pada Desember 2010 , Higgs boson belum dikonfirmasi eksperimen, [15] meskipun upaya besar diinvestasikan dalam akselerator eksperimen di CERN dan Fermilab .
Sebelum tahun 2000, data yang dikumpulkan di collider LEP di CERN membiarkan suatu eksperimen batas bawah akan ditetapkan untuk massa Model Standar Higgs boson dari 114,4 GeV / c 2 sebesar 95% tingkat kepercayaan . Percobaan yang sama telah menghasilkan sejumlah kecil peristiwa yang dapat diinterpretasikan sebagai akibat dari boson Higgs dengan massa tepat di atas kata cutoff-sekitar 115 GeV-tapi jumlah kejadian tidak cukup untuk menarik kesimpulan pasti. The LEP ditutup pada tahun 2000 karena pembangunan pendahulunya,Large Hadron Collider yang diharapkan mampu untuk mengkonfirmasi atau menolak keberadaan Higgs boson. Modus operasional Penuh ditunda sampai pertengahan November 2009, karena kesalahan serius yang ditemukan dengan sejumlah magnet selama tahap kalibrasi dan startup.
Di Fermilab Tevatron , ada percobaan berlangsung mencari Higgs boson. Pada Juli 2010 data gabungan dari CDF dan DO eksperimen di Tevatron sudah cukup untuk mengecualikan Higgs boson dalam kisaran antara 158 GeV / c 2 dan 175 GeV / c 2 pada tingkat kepercayaan 95%. pengumpulan data dan analisis dalam mencari Higgs sedang mengintensifkan sejak 30 Maret 2010 ketika para LHC mulai beroperasi pada 3,5 TEV dan cepat mendekati dalam berbagai desain 7 TEV, jauh di atas bahwa di mana deteksi harus dilakukan. 
Ini mungkin untuk memperkirakan massa Higgs boson tidak langsung. Dalam Model Standar, Higgs boson memiliki sejumlah efek tidak langsung, yang paling terkenal, Higgs loop mengakibatkan koreksi kecil untuk massa W dan Z boson . Presisi pengukuran parameter elektrolemah, sepertiFermi konstan dan massa W / boson Z, dapat digunakan untuk membatasi massa Higgs. Pada 2006, pengukuran diamati elektrolemah mengizinkan pengecualian dari Model Standar Higgs boson memiliki massa yang lebih besar dari 285 GeV / 2 pada 95% CL c, dan diperkirakan massa untuk menjadi 129 74 
 -49 GeV / c 2 (nilai pusat sesuai dengan sekitar 138 proton massa).] Pada Agustus 2009, Standard Model Higgs boson yang dikecualikan oleh pengukuran elektrolemah di atas 186 GeV CL 95%. Namun, perlu dicatat bahwa kendala ini tidak langsung membuat asumsi bahwa Model Standar adalah benar. Satu masih dapat menemukan Higgs boson di atas 186 GeV jika disertai dengan partikel lainnya antara Standard Model dan skala.
Beberapa berpendapat bahwa sudah ada bukti potensial,  tetapi sampai sekarang tidak ada bukti tersebut telah meyakinkan komunitas fisika.
Dalam preprint 2009,  disarankan (dan dilaporkan dalam headline seperti Higgs bisa mengungkapkan diri dalam-Barang tumbukan Dark ) bahwa Higgs Boson mungkin tidak hanya berinteraksi dengan partikel yang disebutkan di atas dari model standar dari fisika partikel, tetapi juga dengan misterius WIMPs ("lemah berinteraksi partikel masif") dari Materi gelap , memainkan peran yang sangat penting dalam astrofisika terakhir. Dalam hal ini, adalah wajar untuk menambah Feynman diagram di atas dengan istilah-istilah yang mewakili seperti interaksi.
Pada prinsipnya, hubungan antara partikel Higgs dan Materi gelap akan "tidak terduga", karena,, medan Higgs tidak langsung pasangan ke kuanta cahaya (yaitu foton), sementara pada saat yang sama,, itu menghasilkan massa. Namun, "materi gelap" adalah metonim untuk perbedaan antara massa diamati nyata dari alam semesta dan yang diberikan oleh model standar dan bukan merupakan komponen dari setiap teori fisika yang dikenal. Akibatnya, manfaat dari dugaan ini terbatas.
Pembatasan penemuan selama upaya intensif saat ini, maka akan sesaat setelah akhir fisika saat mengisi di LHC pada tahun 2011 dan beberapa bulan lagi atau tahun analisis data yang dikumpulkan sebelum para ilmuwan yakin bisa percaya bahwa Higgs Boson tidak ada.


Alternatif untuk simetri elektrolemah

Pada tahun-tahun sejak Higgs boson diusulkan, beberapa alternatif mekanisme Higgs telah diusulkan. Semua mekanisme alternatif menggunakan dinamika berinteraksi kuat untuk menghasilkan nilai harapan vakum yang melanggar simetri elektrolemah. Daftar sebagian dari mekanisme alternatif
  • Technicolor adalah sebuah kelas dari model yang mencoba untuk meniru dinamika gaya yang kuat sebagai cara simetri elektrolemah.
  • Extra model Higgsless dimensi mana peran bidang Higgs dimainkan oleh komponen kelima bidang gauge.
  • Abbott-Farhi model W komposit dan Z boson vektor.
  • Top quark kondensat .
  • Model Braid dari Standard Model partikel oleh Sundance Bilson-Thompson , kompatibel dengan gravitasi kuantum loop dan teori-teori serupa.

"Partikel Tuhan"

Higgs boson sering disebut sebagai "partikel Tuhan" oleh media,  setelah judul Leon Lederman buku ', partikel yang Allah: Jika Semesta Apakah Jawaban, Apakah Pertanyaan? . Sementara penggunaan istilah ini mungkin telah berkontribusi terhadap media meningkat minat dalam fisika partikel dan Large Hadron Collider  banyak ilmuwan benci. Dalam persaingan penggantian nama, juri dari fisikawan memilih nama "boson botol sampanye" sebagai nama populer terbaik

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar

Untuk kebaikan blog ini komentar anda aku tunggu