Sorotan Perkembangan Teori Atom

Sorotan Perkembangan Teori Atom

Ahmad Hazazi Ahmad Sumadi

Siswazah Sarjana Sains

Universiti Putra Malaysia

 

Beberapa model atom

 

Istilah‘atom’, ialah istilah Inggeris yang terbit daripada tamadun Yunani lebih kurang 400 S.M  yang lalu.Ahli falsafaah Yunani ketika itu Demokritus telah berhujah bahawa jirim terbina daripada  zarah-zarah tak terbelah, yang di kenali sebagai ‘atomos’.Tetapi pada ketika itu Demokritus tidaklah menjalankan ujikaji tentang konsep-konsep yang melibatkan atom itu.Kerana dia berfikir bahawa dengan logiksahaja sudah cukup untuk menyelesaikan misteri-misteri pada alam semesta.Pada abad yang ke-20  selepas itu muncul seorang Kimiawan Inggeris bernama John Daltonmengemukakan teori atomnya yang dikenali sebagai Teori Atom Dalton.Beliau menjelaskan teori atom ini dari sudut struktur matematik berbanding konsep falsafahnya.Beliau berhujah bahawa semua atom dalam unsur kimia mestilah bersifat identikal dan berhujah bahawa sebatian kimia yang  terbentuk adalah daripada kombinasi antara dua atau lebih jenis-jenis atom.

 

Pada akhir kurun ke-19 seorang  Fizikawan Inggeris Joseph. J. Thompson telah menjalankan ujikaji makmal dengan menggunakan tiub sinar katod (memberi  sumbangan dalam pembinaan televisyen)  dan daripada hasil ujikaji tersebut  beliau dapati wujudnya cas-cas negatif yang di panggil ‘copuscles’¹.Selepas  beberapa tahun kemudian pada 1904 beliau telah berhujah dengan mengatakan bahawa atom terdiri dari bilangan copuscles yang terbenam dalam taburan yang berbentuk seperti puding yang bercas positif dan model atom Thompson ini dikenali sebagaimodel puding plam².Beberapa tahun kemudian Hans Geiger dan Marsden (pembantu kepada Rutherford) telah menjalankan ujikaji makmal dengan menggunakan zarah alfa yang ditembak pada kepingan logam emas, telah mendapati bahawa sebahagian zarah alfa menembusi kepingan logam sebahagian lagi terpesong,hal ini menunjukkan kegagalan model  atom Thompson, ekoran dari itu pada tahun 1908, muncul model atom baru dari seorang Fizikawan kelahiran New Zealand,Ernest Rutherford, yang menjalankan ujikaji di Makmal Cavendish di University of Cambridge (antara makmal terkemuka di dunia).Rutherford berhujah bahawa wujudnya zarah-zarah bercas positif yang sama seperti elektron.Dan beliau mengemukakan model atom yang baru iaitu model atom bernukleus dimanaelektron-elektron mengelilingi nukleus . Model atom ini tidaklah  stabil.Pada tahun yang sama 1908 seorang Fizikawan bewarganegara Denmark,Neils Bohr(terkenal dengan mazhab Copenhagen dalam Teori Kuantum itu),  telah menjalankan kajian di makmal yang sama dan telah memperbaiki model atom Rutherford dengan menambah dua postulat iaitu postulat keadaan pegun (stationary).Postulat ini menyatakan bahawa orbitan elektron-nukleus yang mengelilingi  pusat jisim memenuhi persamaan berikut:

 

L= n ħ, (n=0, 1,2,3…..r); ħ= pemalar Planck

Manakala,postulat yang kedua ialah postulat peralihan dalam keadaan pegun, sinaran yang terserap/terpancar(foton³)apabila elektron membuat peralihan keadaan pegun dengan memenuhi persamaan sinaran berfrekuensi seperti berikut:

 

hv_nm = E_n– E_m, (E_n,E_m = tenaga di paras orbit n,m)

 

 

1‘copuscles’ ialah zarah yang kini di kenali sebagai elektron.Elektron ialah zarah bercas negatif yang mempunyai nilai -1.6 x 10-19C.Untuk  perbincangan hingga akhir penulis menggunakan istilah elektron sahaja.                                                                                                                                                                                                       2 puding plam ialah sejenis kuih pencuci mulut yang di gemari  di kalangan Inggeris 3 orang yang pertama  memperkenalkan perkataan “photon”, ialah seorang kimiawan Inggeris  Gilbert N.Lewis, dan  ianya muncul dalam majalah Nature yang terkenal itu.

 

 

 

 

Model atom Bohr dikatakan stabil apabila pengiraannya sesuai untuk atom Hidrogen yang mempunyai satu elektron sahaja, tetapi gagal pada atom yang mempunyai lebih dari satu elektron

seperti Helium,Litium,Oksigen dan sebagainya.Sekitar  tahun 1932, seorang  fizikawan Inggeris yang bernama James Chadwick telah menjalankan ujikaji dan menemui satu zarah baru pada model atom Rutherford dengan mengatakan bahawa nukleus bukan hanya mengandungi proton dan elektron sahaja tetapi mengandungi neutron.Neutron ialah zarah yang tidak bercas yang mempunyai berat lebih kurang sama dengan zarah proton.Nukleus terbentuk dari zarah proton dan neutron

 

 

Dalam Zaman Tamadun Islam, ilmuan Islam telah menjelaskan bahawa unsur yang paling asas dalam benda ialah jawhar dan ‘arad, di katakan bahawa ianya masihlah lagi belum difahami sepenuhnya oleh sains moden.Di sini penulis kekurangan bahan bacaan untuk menulis tentang model atom tamadun Islam dan pernah terbaca di laman FB, Dr. Alinor menyebut tentang teori atom yang di bahaskan oleh ilmuan Islam seperti  Ibn Sina, Al-Haytam,Ar-Razi, Al-Biruni dan lain-lain.Di harapkan satu hari nanti ada yang sudi berkongsi tentang ini.Penulis juga tidaklah mahir dalam membahaskan model atom dalam tamadun Islam kerana kurang bahan bacaanya, InshaALLAHakan digali lagi Ilmu-ilmu sains Islam dengan lebih dalam.

 

 

Permulaan Revolusi Fizik Moden

 

Selepas Fizikawan Jerman yang bernama Max Planck mengutarakan penemuan barunya melalui ujikaji sinaran jasad hitam, pada tahun 1900,beliau berhujah dengan mengatakan bahawa tenaga tidaklah selanjar seperti mana yang  didakwa dalam mekanik klasik (Mekanik Newton).Planck berhujah dengan mengatakan bahawa tenaga adalah ‘quanta’⁵, ataupun diskret di mana ianya memenuhi persamaan berikut;

E=hv, (h = pemalar Planck, v=frekuensi)

 

Rumus Planck ini hanya mampu menerangkan taburan tenaga sinaran jasad hitam itu sahaja tetapi gagal bagi menerangkan  pelbagai peringkat tenaga atom atau spektrum tenaga yang pelbagai pada awal abad ke-20, seperti spektrum tenaga atom hidrogen.Persoalan yang timbul ialah bagaimana ingin memformulasikan hukum dinamik zarah atom itu supaya dapat menjelaskan spektrum hidrogen?.Bermula dari persoalan inilah beberapa tahun kemudian sekitar 1925lahirnya pelbagai formulasi dalam teori atom ini yang di kenali sebagai Mekanik Kuantum atau Teori Kuantum.Di antara sarjana yang popular dalam memformulasikan mekanik kuantum ialah Max Planck,Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger,Paul Dirac,Max Born,Wolfgang Pauli, de Broglie, R.P Feynman,J.Schwinger,John von Neuman,David Bohm, J. S Bell, Einstein, Chris Isham dan seangkatan dengannya,hal ini telah menimbulkan pelbagai mazhab yang memeningkan para pengkajinya.Perlu diketahui juga ahli mekanik kuantum tempatan pula ialah Shaharir Mohamad Zain,Hishamuddin Zainuddin,Zainal Abd Aziz,Torla Hassan,Lim Swee Cheng, Shahidan Radiman, dan yang lainnya. Hal ini tidaklah dibincangkan dengan lebih lanjut lagi memandangkan makalah ini hanyalah bertujuan untuk membincangkan perkembangan teori atom sahaja.

 

 

 

 

 

 

 

4“quanta” ialah istilah Jerman yang bermaksud berpaket-paket atau mengikut istilah Prof Shaharir bertongkol-tongkol di jamakkan menjadi “Quantum”.Pada 1901 makalah beliau telah terbit dalam Annalen der Physik dan menamai tenaga diskret ini sebagai “energy elements”

 

 

 

 

 

 

 

Kemunculan zarah keunsuran

 

Selepas kejayaan Feynman, Schwinger dan Tomonaga memenangi anugerah Nobel dalam Fizik dengan kejayaan mereka membina teori Elektrodinamik Kuantum (QED). Dua orang fizikawan Amerika yang bernama Murray Gell-Man dan rakannya George Zweig telah mengemukakan teori tentang zarah subatom.Zarah subatom ini telah di jumpai apabila ujikaji yang di jalankan di Pusat Pecutan Linear Stanford ( Stanford Linear Accelerator Centre -SLAC)diAmerika Syarikat.Zarah ini di kenali sebagai‘kuark’⁵.Dalam Model Piawaian Fizik Zarah(Standard Model)⁶, proton dan neutron tediri dari zarah keunsuran yang di sebut kuark.Kuark termasuk dalam golongan zarah unsur yang di panggil fermion (berspin ½) dan merupakan salah satu dari dua bahan penyusun  jirim asas yang di panggil Lepton dimana elektron adalah salah satu contohnya.Terdapat enam jenis kuark dan setiap kuark tersebut memiliki pecahan cas elektrik tersendiri.Proton terdiri dari dua kuark naik dan satu kuark turun manakala neutron terdiri dari satu kuark naik dan dua kuark turun.Perbezaan komposisi kuark ini mempengaruhi perbezaan jisim dan cas antara dua zarah unsur tersebut.Kuark terikat bersama oleh daya nukleus kuat yang diikat oleh gluon.Gluon adalah anggota dari boson tolok (Gauge Bosons) yang merupakan zarah unsur yang menjadi pengikat daya-daya fizik.

 

Penyelidikan terkehadapan

 

Selepas dua dekad fizik atom telah sampai ke tahap yang tidak lagi memberi hasil penyeldikan yang memuaskan para pengkajinya.Ramai fizikawan teori yang mempercayai bahawa zarah-zarah pada jirim dan semua daya yang mengikat zarah-zarah tersebut terhasil daripada satu getaran  tenaga yang di panggil ‘tetali’ (string).Satu getaran boleh menyebabkan tetali beraksi seperti elektron atau proton dan sebagainya.Teori ini dikenali sebagai teori tetali (string theory).Teori ini di katakan akan menggantikan teori atom, dan ianya popular di kalangan fizikawan teori di Amerika Syarikat berbanding Eropah seperti di United Kingdom.Dalam kalangan Fizikawan Teori di Eropah mereka lebih tertumpu untuk menjalankan ujikaji  mengenai Graviti Kuantum iaitu lawan kepada teori tetali.Graviti Kuantum ialah satu teori dimana cubaan ingin menggabungkan Teori Relativiti Am dengan Teori Kuantum.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5‘Kuark’ dalam istilah inggerisnya ialah “quarks”, istilah ini di cipta oleh Murrey Gell-Man apabila beliau membaca buku seorang penyair dan penulis novel James Joyce yang bertajuk Finnegans  Wake, dalam buku tersebut ada di sebut frasa “Three quakrs for Muster Mark!”.Selanjutnya boleh baca di http://en.wikipedia.org/wiki/Quark 6 Model Piawaian Fizik Zarah ialahmodel piawaian yang menerangkan tentang 4 daya asas bagi zarah subatom iaitu elektromagnetik,lemah, dan kuat.Selanjutnyaboleh baca di sini http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model”

 

 

 

 

 

 

 

 

Penyelidikan Teori  Kuantum di Malaysia

 

Terdapat beberapa kumpulan penyelidikan Teori Kuantum di Malaysia, yang setakat penulis tahu hasil perbincangan bersama penyelia disertasi penulis sendiri.Di UPM sendiri kumpulan Fizik Teori yang di koordinat oleh penyelia penulis sendiri iaitu Prof. Madya Dr. Hishamuddin Zainuddin, manakala di UTM kajian mengenai Kamiran Lintasan Feynman yang di koordinat oleh Prof Madya Dr Zainal Aziz,di UIAM oleh Dr.Jesni Shamsul yang menjalankan kajian mengenai  Maklumat Kuantum dan Kuantum Pengkomputeran, Prof.Dr. Ridza Wahidin tentang Optik Kuantum, Prof. Dr. Raymond Ooi Heng membuat penyelidikan tentang Optik Kuantum di UM..Sekitar tahun 80-andahulu (mungkin?) di UKM oleh Prof. Dr.Shaharir Mohamad Zain ( kini beliau telah mengkritik teori besar ini) dan Prof. Dr. Lim Swee Cheng.Tidak lupa  juga penulis telah mendengar khabar berita dari rakan yang lain tentang wujudnya pelajar yang mengkaji teori tetali di Malaysia, beliau ialah Abang Anuar Alias calon pelajar Ijazah Doktor Falsafah juga seorang jurutera di Syarikat ProtonMalaysia,  beliau telah di selia oleh Prof. Dr.Wan Ahmad Tajuddin dalam Kumpulan Penyelidikan Fizik Teori diUM.Juga rakan penulis yang menjawat jawatan sebagai pensyarah UPSI berminat dalam bidang ini iaitu saudara Faudzi Umar.Penulis bersama-sama rakan penulis Saudara Umair yang menjalankan penyelidikan tentang teori kuantum berharap agar bidang Fizik Teori di Malaysia tidak pupus di telan zaman.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rujukan

 

1)      ATOM, Piers Bizony Foreword by Jim Al-Khalili

2)      “Tabii Zarah Atom: Penjana Sains Matematik Baru dan Terserlahnya Alam Metafizik”,Shaharir Mohamad Zain

3)      Nota Kuliah Mekanik Kuantum yang di ajar di UPM, sekitar 2006/2007 (http://www.qfizik.upm.edu.my/phy3601/transparensi_lama.htm)

4)      Nota Kuliah semasa penulis menghadiri bengkel di Jabatan Fizik,tahun lepas. “Workshop on Introduction to Mathematical  Foundations of Quantum Mechanics 2011”