Percobaan Stern–Gerlach

Dalam mekanika kuantum, percobaan Stern-Gerlach^[1], yang namanya berasal dari Otto Stern dan Walther Gerlach, adalah percobaan yang meneliti defleksi partikel elementer. Percobaan ini sering digunakan untuk menunjukkan prinsip dasar mekanika kuantum. Percobaan Stern-Gerlach dapat digunakan untuk mendemonstrasikan bahwa elektron dan atom memiliki sifat-sifat kuantum intrinsik, dan bagaimana pengukuran dalam mekanika kuantum memengaruhi sistem yang sedang diukur.

Teori dasar dan pemerian

Elemen dasar percobaan Stern–Gerlach.

Dalam percobaan Stern-Gerlach, seberkas partikel dikirimkan melalui medan magnet tidak homogen, dan kemudian defleksinya diamati. Hasilnya menunjukkan bahwa partikel tersebut memiliki momentum sudut intrinsik yang analog dengan momentum sudut sebuah objek klasik yang berputar seperti gasing (spinning). Namun nilai momentum sudut ini hanya mengambil nilai-nilai tertentu yang terkuantisasi.

Percobaan ini biasanya dilakukan dengan partikel yang netral atau atom. Ini menghindarkan defleksi besar terhadap orbit sebuah partikel bermuatan yang bergerak melalui medan magnet dan memungkinkan efek yang terjadi akibat spin mendominasi. Bila partikel tersebut diperlakukan sebagai dipol klasik yang berotasi, akan terjadi presesi dalam medan magnet karena torsi yang dikerahkan oleh medan magnet terhadap dipol tersebut. Bila partikel tersebut bergerak melalui medan magnet homogen, torsi akibat medan magnet yang dikenakan terhadap ujung-ujung dipol akan saling melenyapkan, dan lintasan partikel tersebut tidak terpengaruh. Namun bila medan magnet tersebut tidak homogen, gaya pada salah satu ujung dipol akan lebih besar daripada gaya terhadap ujung lain, sehingga ada gaya netto yang membelokkan lintasan partikel.

Bila partikel tersebut merupakan objek berputar klasik, kita akan memperkirakan distribusi spin vektor momentum sudutnya acak dan kontinu. Tiap partikel akan dibelokkan dengan gaya yang berbeda-beda, dan menghasilkan distribusi mulus di layar detektor. Namun pengamatan menunjukkan bahwa partikel yang melewati peralatan percobaan Stern-Gerlach dibelokkan ke atas atau ke bawah dalam jarak tertentu. Hasil ini menunjukkan momentum sudut spin terkuantisasi (hanya dapat mengambil nilai-nilai diskret), sehingga tidak ada distribusi kontinu dari momentum sudut yang mungkin.

Bila percobaan ini dilakukan menggunakan partikel bermuatan seperti elektron, akan ada gaya Lorentz yang cenderung membengkokkan lintasan dalam bentuk lingkaran. Gaya ini dapat dilenyapkan menggunakan medan listrik dengan kekuatan yang sesuai, dengan orientasi tegak lurus terhadap arah partikel bermuatan tersebut.

Nilai spin untuk fermion.

Elektron adalah partikel dengan spin-½. Partikel seperti ini hanya memiliki dua nilai momentum sudut yang diukur sepanjang sembarang sumbu, +ħ/2 atau −ħ/2. Bila nilai ini naik karena partikel berotasi layaknya planet, masing-masing partikel haruslah berotasi sangat cepat yang tidak mungkin. Bahkan bila jari-jari elektron sebesar 14 nm (jari-jari elektron klasik), permukaannya haruslah berotasi dengan kecepatan 2,3×10¹¹ m/s. Kecepatan rotasi permukaan ini akan melebihi laju cahaya 2,998×10⁸ m/s, dan karena itu tidak mungkin.^[2]

Momentum sudut spin ini merupakan fenomena mekanika kuantum murni. Karena nilainya selalu sama, nilai ini dianggap sebagai sifat intrinsik elektron, dan karena itu disebut sebagai "momentum sudut intrinsik" (untuk membedakannya dengan momentum sudut orbital, yang dapat bervariasi dan tergantung kepada kehadiran partikel lain).

Untuk elektron ada dua nilai yang mungkin buat momentum sudut spin yang diukur sepanjang sebuah sumbu. Hal ini juga berlaku untuk proton dan neutron, yang merupakan partikel komposit yang terdiri atas tiga kuark (yang masing-masingnya merupakan partikel spin-½). Partikel lain memiliki nilai-nilai spin yang mungkin.

Untuk memerikan percobaan menggunakan partikel spin +½ secara matematis, lebih mudah menggunakan notasi bra-ket dari Dirac. Bila partikel melewati peranti Stern-Gerlach, mereka "diamati". Aksi pengamatan ini dalam mekanika kuantum setara dengan pengukuran. Peranti pengukuran ini adalah detektor, dan dalam hal ini kita dapat mengamati salah satu dari dua nilai yang mungkin, yaitu spin atas dan spin bawah. Ini dideskripsikan oleh bilangan kuantum momentum sudut j, yang dapat bernilai salah satu, +ħ/2 ata −ħ/2. Pengamatan (pengukuran) ini berkorespondensi dengan operator J_z. Dalam persamaan matematika,

|\psi \rangle =c_{1}\left|\psi _{j=+{\frac {\hbar }{2}}}\right\rangle +c_{2}\left|\psi _{j=-{\frac {\hbar }{2}}}\right\rangle .

Konstanta c₁ dan c₂ adalah bilangan kompleks. Kuadrat dari nilai mutlaknya, (|c₁|² dan |c₂|²) menentukan probabilitas menemukan salah satu dari dua nilai j yang mungkin dalamm keadaan $|\scriptstyle \psi \rangle$ . Konstanta ini juga harus dinormalisasi agar probabilitas menemukan salah satu nilai ini adalah 1. Namun, informasi ini tidak cukup untuk menentukan nilai c₁ dan c₂, karena keduanya mungkin saja bilangan kompleks. Karena itu pengukuran hanya menghasilkan nilai mutlak nilai konstanta.

Percobaan berurutan

Bila kita merangkaikan beberapa aparatus Stern-Gerlach, kita dapat melihat bahwa mereka tidak hanya bertindak sebagai penyeleksi sederhana, tapi juga mengubah keadaan yang diamati (seperti dalam polarisasi cahaya), menurut hukum mekanika kuantum ^[3]:

Dampak

Percobaan Stern-Gerlach berdampak besar kepada fisika modern:

Dalam dasawarsa-dasawarsa selanjutnya, para ilmuwan menunjukkan, menggunakan teknik serupa, bahwa inti beberapa atom juga memiliki momentum sudut terkuantisasi. Interaksi momentum sudut nuklir ini dengan spin elektron bertanggung jawab terhadap struktur hiperhalus garis spektroskopis.

Pada dasawarsa tigapuluhan, menggunakan aparatus Stern-Gerlach yang diperluas, Isidor Rabi dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa dengan mengubah-ubah medan magnet, mereka dapat memaksa momentum magnet dari satu keadaan ke keadaan lain. Rangkaian percobaan ini berpuncak pada tahun 1937 ketika mereka menemukan bahwa transisi keadaan dapat diinduksi menggunakan medan yang berubah-ubah terhadap waktu, atau medan RF. Osilasi Rabi ini adalah mekanisme kerja perlengkapan Magnetic Resonance Imaging yang ditemukan di rumah sakit.

Norman F. Ramsey kemudian memodifikasi aparatus Rabi meningkatkan waktu interaksi dengan medan magnet. Kepekaan ekstrem akibat frekuensi radiasi membuat peralatan ini sangat berguna sebagai pengukur waktu akurat, dan masih digunakan saat ini di jam atom.

Pada awal dasawarsa 1960-an, Ramsey dan Daniel Kleppner menggunakan sebuah sistem Stern-Gerlach untuk menciptakan berkas hidrogen terpolarisasi sebagai sumber energi untuk Maser hidrogen, yang masih menjadi jam atom paling populer.

Pengamatan langsung spin tersebut merupakan petunjuk paling langsung dari kuantisasi dalam mekanika kuantum
Percobaan Stern-Gerlach telah menjadi paradigma pengukuran mekanika kuantum. Khususnya, percobaan ini dianggap telah memenuhi proyeksi von Neumann. Menurut wawasan terkini, berdasarkan pada deskripsi mekanika kuantum pengaruh medan magnet tidak homogen^[4], ini hanya bisa benar dalam makna hampiran. Proyeksi von Neumann hanya dapat dipenuhi secara ketat hanya jika medan magnet tersebut homogen. Karena itu proyeksi von Neumann bahkan lebih tidak cocok lagi dengan fungsi sebenarnya peranti Stern-Gerlach sebagai alat untuk mengukur spin.

Lihat pula

Polarisasi foton

Referensi

^ Gerlach, W.; Stern, O. (1922). "Das magnetische Moment des Silberatoms". Zeitschrift für Physik. 9: 353–355. doi:10.1007/BF01326984.
^ Tomonaga, S.-I. (1997). The Story of Spin. University of Chicago Press. hlm. 35. ISBN 0-226-80794-0.
^ Sakurai, J.-J. (1985). Modern quantum mechanics. Addison-Wesley.
^ Scully, M.O.; Lamb, W.E.; Barut, A. (1987). "On the theory of the Stern–Gerlach apparatus". Foundations of Physics. 17: 575–583. doi:10.1007/BF01882788.

Bacaan lebih lanjut

Friedrich, B.; Herschbach, D. (2003). "Stern and Gerlach: How a Bad Cigar Helped Reorient Atomic Physics". Physics Today. 56: 53. doi:10.1063/1.1650229.
Reinisch, G. (1999). "Stern–Gerlach experiment as the pioneer—and probably the simplest—quantum entanglement test?". Physics Letters A. 259 (6): 427–430. doi:10.1016/S0375-9601(99)00472-7.
Venugopalan, A. (1997). "Decoherence and Schrödinger-cat states in a Stern−Gerlach-type experiment". Physical Review A. 56: 4307–4310. doi:10.1103/PhysRevA.56.4307.
Use of ions

Pranala luar

[1] Gerlach, W.; Stern, O. (1922). "Das magnetische Moment des Silberatoms". Zeitschrift für Physik. 9: 353–355. doi:10.1007/BF01326984.

[2] Tomonaga, S.-I. (1997). The Story of Spin. University of Chicago Press. hlm. 35. ISBN 0-226-80794-0.

[3] Sakurai, J.-J. (1985). Modern quantum mechanics. Addison-Wesley.

[4] Scully, M.O.; Lamb, W.E.; Barut, A. (1987). "On the theory of the Stern–Gerlach apparatus". Foundations of Physics. 17: 575–583. doi:10.1007/BF01882788.

[1]

[2]

[3]

[4]