Ikhtisar
Fisika kuantum merupakan cabang dari ilmu fisika yang mempelajari dinamika partikel-partikel atom dan sub-atom. Fisika kuantum berbeda secara prinsip dengan fisika klasik. Fisika klasik mengkaji dunia makro yang besaran-besarannya dapat diukur secara akurat. Sedangkan fisika kuantum, objek kajian adalah partikel-partikel yang ukurannya sangat kecil, yang tidak pernah bisa kita saksikan bahkan dengan peralatan pembesar penglihatan yang paling canggih sekalipun. Bagaimana mengukur energi dan momentum dari elektron pada atom, merupakan tantangan yang sangat sulit dan tidak bisa dilakukan dengan pendekatan fisika klasik. Orang dapat memahami dunia atom dan sub-atom hanya melalui sebuah model, yang dari model itu dikembangkan rumusan matematikanya. Jika model yang dikembangkan benar, maka prediksi yang dihasilkan rumusan tersebut akan sesuai dengan fakta eksperimen.
Pendahuluan / Prolog
Kata Pengantar
Fisika kuantum merupakan cabang dari ilmu fisika yang mempelajari dinamika partikel-partikel atom dan sub-atom. Fisika kuantum berbeda secara prinsip dengan fisika klasik. Fisika klasik mengkaji dunia makro yang besaran-besarannya dapat diukur secara akurat. Sedangkan fisika kuantum, objek kajian adalah partikel-partikel yang ukurannya sangat kecil, yang tidak pernah bisa kita saksikan bahkan dengan peralatan pembesar penglihatan yang paling canggih sekalipun. Bagaimana mengukur energi dan momentum dari elektron pada atom, merupakan tantangan yang sangat sulit dan tidak bisa dilakukan dengan pendekatan fisika klasik. Orang dapat memahami dunia atom dan sub-atom hanya melalui sebuah model, yang dari model itu dikembangkan rumusan matematikanya. Jika model yang dikembangkan benar, maka prediksi yang dihasilkan rumusan tersebut akan sesuai dengan fakta eksperimen.
Meskipun fisika kuantum pada awal kelahirannya hanya memfokuskan diri pada dunia atom, namun dalam perkembangannya yang sangat pesat, fisika kuantum akhirnya memasuki cabang-cabang yang sangat spesifik. Kita mengenal, suatu misal quantum electrodynamics, quantum solid state, quantum chromodynamics, quantum field theory dan lain-lain, merupakan pengembangan fisika kuantum yang fokus pada isu tertentu. Karena luas dan bervariasinya bidang kajian fisika kuantum, maka mempelajari fisika kuantum itu seperti berenang di lautan lepas tanpa batas. Banyak hal-hal baru yang bisa dimunculkan, atau diprediksikan, yang tak terbayangkan sebelumnya. Sering kali fisika kuantum mampu menghadirkan prediksi teoritis atas suatu fenomena yang baru terbukti beberapa dekade setelahnya.
Kontribusi fisika kuantum bagi perkembangan sains dan teknologi, utamanya teknologi tinggi, tidak diragukan lagi. Pengembangan teknologi semi-konduktor yang sangat pesat tidak lepas dari peran penting fisika kuantum. Demikian pula dengan kelahiran teknologi radiasi elektromagnetik terstimulasi, seperti yang terjadi pada MASER dan LASER yang salah satu penggunaannya, diantaranya adalah komunikasi menggunakan serat optik. Pengembangan material-material baru seperti carbon nano tube, superkonductor suhu tinggi, komposit yang ringan tetapi sangat kuat membutuhkan kalkulasi yang rumit berbasis fisika kuantum.
Meski kontribusi fisika kuantum demikian besar bagi perkembangan sains dan teknologi tinggi, sayangnya tak banyak mahasiswa yang tertarik fisika kuantum. Penyebab utama barangkali kesulitan membayangkan (abstraksi) dari objek yang menjadi topik kajian, serta perangkat matematika yang dirasa sulit. Meskipun penguasaan matematika yang memadai merupakan bekal yang harus dimiliki ketika seseorang memutuskan belajar fisika kuantum, tetapi bukan segalagalanya. Yang paling penting adalah bagaimana ide serta logika-logika fisika kuantum itu bisa dipahami oleh mahasiswa.
Buku ini mencoba memberikan sumbangan, utamanya kepada mahasiswa, agar bisa memahami dasar-dasar fisika kuantum secara lebih mudah. Narasi ‘kenapa harus fisika kuantum’ diberikan secara panjang lebar pada bab-bab awal dari buku ini, agar logika kuantum tersebut lebih mudah dicerna. Seperti kata pepatah, tak ada gading yang tak retak, penulis berharap kritik-kritik membangun, agar sajian dalam buku ini lebih mudah dipahami oleh pembaca.
Terima kasih kami sampaikan kepada Dekan FMIPA, Universitas Brawijaya, yang telah memfasilitasi penerbitan buku ini. Demikian juga kepada teman-teman sejawat di lingkungan Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Brawijaya, atas bantuan dan dukungannya selama ini.
Penulis
Muhammad Nurhuda - Dr.rer.nat. Muhammad Nurhuda adalah dosen di Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Brawijaya (UB). Beliau menyelesaikan S3 dari Universit¨at Bielefeld, Jerman. Dosen kelahiran Mojokerto, Jawa Timur ini aktif mengajar sejak tahun 1990.
Mata kuliah yang pernah diampu adalah fisika matematika, mekanika, listrik magnet, elektrodinamika, fisika komputasi, dan fisika kuantum. Selain mengajar, beliau aktif di penelitian energi, terutama energi dari sumber non-konvensional.
Unggul P. Juswono - Dr. Unggul Punjung Juswono, arek asli Arema ini adalah dosen di Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, UB. Beliau mulai aktif mengajar sejak tahun 1990. Mata kuliah yang pernah diampu, diantaranya adalah fisika matematika, elektrodinamika, fisika inti, fisika kuantum, fisika medis dll. Selain mengajar, Dr. Unggul juga terlibat secara aktif dalam pelatihan tenaga radiologi rumah sakit.
Abdurrouf - Dr.rer.nat. Abdurrouf aktif mengajar di Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Brawijaya sejak tahun 1994. Beliau menyelesaikan S3 dari Universit¨at Bielefeld, Jerman dengan topik high harmonic generation pada molekul. Mata kuliah yang diampu, diantaranya fisika matematika, mekanika, gelombang, fisika statistik, fisika inti, serta fisika kuantum. Selain mengajar, Dr. Abdurrouf terlibat aktif pada pembimbingan guru SMA untuk membina calon mahasiswa unggul, serta berbagai pelatihan mahasiswa yang mengikuti kompetisi ilmiah baik nasional maupun internasional.
Daftar Isi
Cover Depan
Judul Dalam
Halaman Hak Cipta
Kata Pengantar
Daftar Isi
Bab 1 Pendahuluan
1.1 Perkembangan fisika awal abad 20
1.2 Radiasi benda hitam
1.3 Efek fotolistrik
1.4 Dualisme materi dan gelombang
1.5 Pancaran radiasi oleh transisi elektron pada atom
Bab 2 Pengembangan konsep fisika kuantum
2.1 Latar belakang eksperimen
2.2 Pengembangan konsep fungsi gelombang
2.3 Pengembangan konsep operator
2.4 Nilai harap dan prinsip ketidakpastian heisenberg
2.5 Notasi dirac
2.6 Persamaan schrodinger
Bab 3 Partikel dalam potensial satu dimensi
3.1 Partikel bebas dalam ruang 1-D
3.2 Potensial sumur tak hingga
3.3 Tembok potensial berhingga
3.4 Tembok potensial berhingga
3.5 Fenomena tuneling
Bab 4 Osilator harmonik
4.1 Persamaan schrodinger untuk osilator harmonik
4.2 Polinom hermite
4.3 Normalisasi fungsi gelombang
4.4 Operator annihilasi dan kreasi
4.5 Aplikasi osilator harmonik
Bab 5 Momentum sudut
5.1 Definisi momentum sudut
5.2 Momentum sudut dalam koordinat bola
5.3 Solusi operator momentum sudut
5.4 Relasi orthonormal fungsi harmonik bola
5.5 Penjumlahan fungsi harmonik bola
5.6 Paritas dari fungsi harmonik bola
5.7 Penjabaran fungsi gelombang dalam koordinat bola
5.8 Elemen matriks kosinus
Bab 6 Atom hidrogen
6.1 Hamilton dari atom hidrogen
6.2 Penyelesaian untuk kondisi terikat
6.3 Spektrum kontinyu
6.4 Konfigurasi elektron dalam atom
Bab 7 Teori gangguan
7.1 Teori gangguan tak bergantung waktu
7.2 Teori gangguan bergantung waktu
Bab 8 Penyelesaian numerik persamaan Schr¨odinger stasioner menggunakan metode
8.1 Kenapa solusi numerik penting
8.2 Satuan atom
8.3 Teori dasar metode filter
8.4 Penerapan untuk problem satu dimensi
Daftar Pustaka
Biodata Penulis
Cover Belakang
