Archive for the Debu Bintang Category

Lompatan Besar Ke Depan

Posted in Debu Bintang on November 25, 2013 by isepmalik

Sesuatu yang serupa dengan teka-teki mengganggu fisikawan selama beberapa tahun. Ia disebut masalah benda hitam. Benda hitam merupakan objek hipotetik yang menyerap semua radiasi elektromagnetik yang jatuh padanya. Radiasi elektromagnetik adalah energi murni, gelombang yang tidak memiliki massa. Jangkauan gelombang elektromagnetik mulai dari sinar gamma berenergi tinggi dan sinar kosmik sampai gelombang radio berenergi rendah. Bagian sinar yang tampak dari spektrum elektromagnetik—dapat dideteksi mata manusia—disebut gelombang cahaya.

 

Gambar 1.2 Warna-warna gelombang spektrum elektromagnetik yang tampak untuk mata manusia

 

Ketika dipanaskan, benda hitam meradiasikan gelombang elektromagnetik. Di bawah beberapa kondisi, benda hitam tidak semuanya hitam. Ketika radiasi yang diemisikan benda hitam memiliki panjang gelombang dalam daerah tampak dari spektrum elektromagnetik, kita melihatnya sebagai cahaya.

Banyak objek—tungku api, misalnya—menyerupai benda hitam. Jika Anda memanaskan tungku, warna awalnya akan sama, tetapi Anda dapat merasakan radiasi panas darinya dalam bentuk radiasi inframerah. Radiasi dari panjang gelombang ini tidak tampak oleh mata tetapi tangan Anda dapat mendeteksinya—karena tangan Anda merasakan panas jika menyentuh tungku. Panaskan tungku sampai suhunya lebih tinggi, dan ia mulai memijar. Ia sekarang mulai mengemisikan gelombang lebih berenergi. Gelombang tersebut tampak sebagai warna merah. Panaskan tunggu lebih tinggi lagi dan ia mulai berwarna putih, karena putih merupakan campuran dari semua warna dalam spektrum tampak, meliputi gelombang berenergi lebih tinggi. Dengan menaikkan suhu lebih tinggi lagi akan menghasilkan energi lebih tinggi, radiasi berintensitas lebih tinggi.

 

Gambar 1.3 Grafik ini memperlihatkan level energi dan intensitas radiasi benda hitam. Peningkatan suhu benda hitam diiringi peningkatan level energi dan intensitas gelombang.

 

Karakteristik spektrum benda hitam berlaku untuk objek selain tungku. Faktanya, spektrum radiasi elektromagnetik yang diemisikan zat hanya tergantung pada suhunya dan tidak tergantung zat itu sendiri.

Karakteristik spektrum benda hitam ditentukan secara eksperimen pada abad sembilanbelas. Tetapi ia tidak dapat dijelaskan berdasarkan fisika Newton dan Maxwell. (Saintis Inggris Isaac Newton merumuskan hukum gerakan dan gravitasi pada tahun 1687; James Clerk Maxwell, fisikawan Skotlandia, mempublikasikan hukumnya mengenai listrik dan magnet pada tahun 1871).

Fisika Newton dan Maxwell memprediksi bahwa benda yang dipanaskan akan mengemisikan jumlah energi radiasi sangat tinggi yang tidak terbatas. Prediksi ini berdasarkan pada gagasan bahwa benda hitam tersusun dari oscillator yang menghasilkan gelombang kontinum, seperti ketika Anda memetik senar violin. Tetapi fisikawan memprediksi spektrum radiasi benda hitam—jumlah radiasi berenergi tinggi tidak terbatas—dan data eksperimennya tidak sesuai. Mereka tidak pernah berhasil. Masalah ini diselesaikan Max Planck pada tahun 1900.

Planck merupakan fisikawan Jerman yang mempelajari sejarah sains dengan komprehensif. Hasilnya menuntun Planck sampai mekanika kuantum, tidak ada seorang pun yang merasa yakin sampai ia menciptakan persamaan yang merevolusi fisika. Setelah menguji berbagai ide, Planck akhirnya mencoba sesuatu yang tidak dapat terpikirkan: Bagaimana jika energi tidak kontinu? Bagaimana jika energi dalam bentuk paket diskrit? Ia kemudian menuliskan persamaannya.

 

E = nhf

 

Dalam persamaan ini, E adalah energi oscilator dalam benda hitam, n adalah jumlah oscilator, f adalah frekuensi oscilator, dan h adalah bilangan sangat kecil. Bilangan ini pada saat sekarang dikenal sebagai konstanta Planck. Ia biasanya direpresentasikan menggunakan notasi ilmiah 6.6 ´ 10-34 joule sekon. (Joule adalah Sistem Internasional (SI) dari satuan kerja. Disingkat J, satu joule sama dengan 0,2388 kalori). Dalam bentuk desimal, konstanta Planck terlihat seperti ini:

 

0.00000000000000000000000000000000066

 

Ketika Planck menggunakan persamaan ini untuk menghitung spektrum radiasi benda hitam, hasilnya sesuai secara sempurna dengan hasil eksperimen. Lebih penting lagi, ia menemukan mekanika kuantum, karena bentuk persamaan sederhana ini merupakan basis teori kuantum. Ketika diaplikasikan kepada fisika benda hitam, ia menyiratkan bahwa energi tidak kontinu tetapi berupa paket, atau kuanta (kata yang dikeluarkan oleh Planck sendiri), yang berbanding lurus dengan frekuensi oscilator.

Planck melaporkan solusinya untuk masalah benda hitam pada pertemuan Ilmuan Fisika di Berlin pada Desember 1900. Pada saat itu, tidak ada seorang pun, termasuk juga Planck sendiri, memahami implikasi persamaan sederhana yang ia gunakan untuk menyelesaikannya. Persamaannya menggunakan trik matematis yang baik tetapi tidak signifikan secara fisik. Ia sangat bermanfaat, tetapi tidak merepresentasikan cara kerja aktual benda hitam.

Iklan

Penemuan Einstein

Posted in Debu Bintang on November 9, 2013 by isepmalik

Lebih dari 2000 tahun yang lalu, filsuf Yunani memperdebatkan eksistensi atom. Apakah zat selalu terbagi atau merupakan struktur terkecil yang menghasilkan materi bersifat khas? Apakah yang membuat besi bersifat keras dan berat pada suhu kamar sementara oksigen adalah ringan dan lembut? Meskipun John Dalton telah mempublikasikan teori atom pada awal abad sembilanbelas dan Dmitri Mendeleyev telah membuat basis tabel periodik mengenai unsur pada tahun 1869, keraguan mengenai eksistensi atom masih bertahan lama. Ketidaktentuan tersebut tidak dapat diselesaikan sampai awal abad duapuluh ketika juru tulis muda pada hak paten Swiss bernama Albert Einstein menentukan masalah gerakan Brownian.

Robert Brown adalah botanis Skotlandia. Pada tahun 1827, ia mensuspensi biji serbuk sari di dalam air dan mengamatinya melalui mikroskop, menemukan bahwa “biji-biji sangat nampak gerakannya”. Gerakan yang ia observasi adalah goyangan acak biji. Ia cukup merasa puas bahwa pergerakan biji bukan disebabkan arus atau pusaran air, tetapi ia tidak dapat menentukan apa penyebab gerakan.

Tidak ada seorang pun yang dapat menjelaskan hal tersebut, sehingga masalah ini bertahan sampai tahun 1905 ketika Einstein mempublikasikan makalah yang menjelaskan misteri goyangan biji serbuk sari. Kalimat pertamanya langsung mengarah pada pusat masalah: “Dalam makalah ini”, tulis Einstein, “akan diperlihatkan bahwa, berdasarkan pada teori kinetika molekuler mengenai panas, bodi berukuran mikroskopik yang tersuspensi dalam cairan, sebagai hasil dari gerakan termal molekuler, akan menampilkan gerakan seperti benda berukuran besar sehingga dapat dengan mudah diobservasi mikroskop”. Dengan kata lain, pergerakan acak molekul air akan melawan benturan biji serbuk sari yang menyebabkan gerakan Brownian. Oleh karena itu, molekul—dan atom, berdasarkan inferensi—menjadi eksis. Selain itu, makalah ini telah membuat karirnya cemerlang. Tetapi bagi Einstein, ini hanya permulaan. Pada tahun yang sama, ia mempublikasikan dua makalah lainnya yang sangat penting. Salah satunya meruntuhkan teori gelombang cahaya yang telah bertahan selama berabad-abad. Makalah lainnya mengusulkan teori relativitas khusus, yang melahirkan persamaan paling terkenal di dunia, E = mc2.

Setelah publikasi makalah Einstein mengenai gerakan Brownian, ilmuan mengetahui eksistensi atom dan molekul. Tetapi, terlihat seperti apakah mereka? Apakah mereka berupa bola seragam yang keras seperti kelereng? Atau, apakah atom memiliki struktur internal sendiri?

Salah satu ilmuan pertama meneliti bangunan atom adalah fisikawan Selandia Baru bernama Ernest Rutherford. Rutherford memulai pekerjaannya di Kanada dan Manchester-Inggris, sebelum menjadi direktur di Laboratorium Cavendish di Cambridge-Inggris. Pada awal risetnya mengenai unsur radioaktif, ia menyimpulkan bahwa emisi unsur radioaktif muncul dalam dua bentuk. Rutherford menamakannya partikel alfa dan beta, dari dua huruf pertama alfabet Yunani. Ketika memulai mengeksplorasi sifat atom, Rutherford memutuskan untuk melihat apa yang terjadi kepada partikel alfa ketika ditembakkan pada lapisan tipis foil emas.

Berdasarkan eksperimen sebelumnya, Rutherford mengetahui bahwa partikel alfa lebih besar daripada elektron (yang teridentifikasi tidak lama sebelumnya sebagai partikel bermuatan negatif oleh fisikawan pemenang Hadiah Nobel J. J. Thomson, pembimbing Rutherford di sekolah pascasarjana dan seniornya di Cavendish). Ia juga mengetahui bahwa partikel alfa membawa muatan positif. Ia mulai mempelajari partikel alfa dengan menggunakan peralatan sederhana: suatu sumber partikel alfa, satu helai foil emas, dan layar pendeteksi yang memijar dengan singkat ketika partikel alfa menumbuknya. Setelah beberapa kali eksperimen yang membosankan, Rutherford menemukan bahwa sebagian partikel alfa dilewatkan melalui foil emas, dan sebagian dipantulkan. Sebagian kecil dipantulkan berbalik ke arah sumber radiasi. Ini hasil yang mengejutkan. Hal ini seperti menembakkan peluru pada kertas tipis dan sebagiannya berbalik kepada Anda. Dengan jelas, atom emas mengandung sesuatu yang lebih padat daripada elektron, sesuatu yang dapat membuat partikel alfa berbalik arah ketika bertumbukan.

Rutherford menggambarkan bahwa hanya atom emas yang dapat membuat partikel alfa bermuatan positif berbalik arah jika atom emas mengandung massa rapat yang membawa muatan positif. Di dalam tumbukan, massa bermuatan akan menolak kuat partikel alfa. Dan karena muatan positif atom terkonsentrasi dalam ruang kecil, hanya sedikit partikel pemborbardir yang akan ditolak, sementara sisanya dilewatkan. Akhirnya, Rutherford mengumumkan struktur atom baru. Atom, ia berkata, tersusun dari nukleus bermuatan positif dengan elektron bermuatan negatif mengelilinginya. Gambaran betapa kecil nukleus, jika atom berukuran stadion sepak bola, nukleus hanya berukuran kelereng. Sebagian besar atom berisi ruang kosong.

Rutherford mempublikasikan struktur atomnya pada tahun 1911. Struktur baru menyerupai sistem tata surya. Susunan ini sudah familier bagi ilmuan dan dengan cepat diadopsi oleh mereka. Namun demikian, terdapat suatu masalah. Elektron bermuatan negatif yang mengelilingi nukleus bermuatan positif akan mengemisikan radiasi elektromagnetik, melepaskan energi, dan akan jatuh ke dalam nukleus. Berdasarkan hukum fisika yang dikenal saat itu, model atom Rutherford yang terbuat dari partikel bermuatan negatif tidak mungkin berada dalam orbit stabil di sekitar pusat positif. Ia tidak mungkin eksis.

Manning, Phillip., (2009). Chemical Bonding. New York: Chelsea House Publisher.

Terbuat dari Bintang

Posted in Debu Bintang on November 9, 2013 by isepmalik

Kehidupan modern memerlukan pikiran yang kompleks mengenai materi, sebagian terjadi secara alami tetapi banyak pula yang dibuat manusia. Gelas minuman ringan, misalnya, mungkin terbuat dari stirofoam atau kertas atau gelas. Konsumen dapat menentukan wadah yang sesuai keinginannya pada momen tertentu—stirofoam untuk secangkir kopi panas, kertas untuk sedotan air di stadion, gelas untuk minuman ringan di serambi. Lemari dapat terbuat dari logam atau kayu atau plastik. Pesawat ruang angkasa merupakan kumpulan dari silikon dan baja—dan ratusan material lainnya. Semua benda tersebut sifat dasarnya adalah ikatan kimia di antara atom-atom yang membangun zat.

Mengapa atom natrium terhubung bersama membentuk logam keperakan yang bereaksi hebat dengan air? Apa yang membuat atom klor, suatu unsur berat, berikatan dengan atom klor lainnya membentuk gas beracun yang tidak bereaksi dengan air? Selanjutnya, mengapa penggabungan natrium dan klor menghasilkan zat kristal putih yang disebut garam dapur, yang tidak bereaksi dengan air dan tidak mengakibatkan kematian? Sifat zat-zat tersebut ditentukan oleh ikatan kimianya. Sifat zat-zat tersebut ditentukan oleh atom-atom. Dan, believe it or not, sifat atom-atom ditentukan oleh bintang-bintang.

Hampir semua di dalam kehidupan kita—mulai dari gelas kertas sampai pesawat ruang angkasa, mencakup Bumi itu sendiri dan setiap ciptaan di atasnya—terbuat dari debu bintang. “Terbuat dari debu bintang” bukan menggambarkan ucapan yang terlalu banyak. Secara literal adalah benar. Ilmuan mulai menggambarkan asal-usul atom pada tahun 1940-an selama perdebatan panjang mengenai sifat kosmos itu sendiri: Apakah teori big bang mengenai semesta berkembang itu benar atau apakah teori keadaan tetap semesta dengan tanpa permulaan atau akhir itu benar?

Fisikawan George Gamow mengepalai kelompok teori big bang; astronomer Inggris Fred Hoyle mendukung teori keadaan tetap. Teori big bang dengan tepat memprediksi bahwa semesta tersusun dari 90% atom hidrogen dan 9% atom helium dengan unsur lainnya hanya total 1%. Sayangnya, teori big bang tidak dapat menjelaskan asal-usul yang 1%, bagian semesta yang membangun unsur berat seperti oksigen, karbon, dan besi.

Meskipun Gamow tidak mampu menjelaskan asal-usul unsur berat, teori big bang pada akhirnya mengungguli konsep keadaan tetap. Penemuan radiasi gelombang-mikro kosmik pada tahun 1960-an sebagaimana diprediksi big bang, tetapi teori keadaan tetap tidak dapat menjelaskannya. Teori keadaan tetap mulai dilupakan, tetapi prinsip teori ini memunculkan ide besar baru yang menjawab masalah terbesar yang berhubungan dengan big bang: Jika unsur berat tidak terbentuk di dalam big bang, dari manakah ia berasal?

Pada tahun 1957, Fred Hoyle memperlihatkan bagaimana unsur-unsur berat dapat dibuat berdasarkan reaksi nuklir di dalam bintang. Berdasarkan pendapat Hoyle, unsur-unsur tersebut tercipta ketika suhu ekstrim bintang menyatukan nukleus unsur-unsur ringan. Tidak lama kemudian fisikawan mengusulkan deret reaksi nuklir yang menjelaskan pembentukan semua unsur. Semesta awal, sebagaimana sekarang diyakini kosmolog, dibentuk dengan suatu big bang yang menghasilkan hidrogen dan helium. Selanjutnya, membentuk gumpalan bintang, di mana melakukan reaksi-reaksi untuk membentuk unsur berat. Kelahiran dan kematian milyaran bintang menciptakan atom-atom berat yang dapat berikatan satu sama lain membentuk planet seperti Bumi dan semua material yang kita gunakan setiap hari.

Manning, Phillip., (2009). Chemical Bonding. New York: Chelsea House Publisher.