Eksperimen Davison-Germer

Sebelum eksperimen Davison-Germer, pada tahun 1924 Louis-Victor de Broglie merumuskan secara empiris bahwa semua partikel atau materi, tidak hanya cahaya, memilki sifat alami seperti gelombang, yaitu :

dimana p = mv adalah momentum yang merupakan sifat materi dan adalah panjang gelombang. Gelombang dalam mekanika klasik memiliki sifat-sifat seperti interferensi, difraksi, dan polarisasi. Pada tahun 1927, hipotesa de Broglie ini dikonfirmasi oleh dua eksperimen yang dilakukan secara terpisah oleh George Paget Thomson (anak dari J.J. Thomson, penemu elektron, peraih Nobel Fisika tahun 1906) yang melakukan eksperimen dengan melewatkan berkas elektron ke dalam film tipis logam dan mengamati pola difraksi (sifat gelombang) dari elektron yang terhambur dari permukaan logam. Atas jasanya G.P. Thomson dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1934. Sedangkan di tempat terpisah C.J. Davisson dan L.H. Germer (Bell Labs) menembakkan elektron-elektron dengan kecepatan rendah ke dalam kristal Nikel dan mengukur intensitas elektron-elektron yang terhambur dari permukaan kristal Nikel pada sudut hamburan yang berbeda, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.



Hasil pengukuran menunjukkan bahwa elektron-elektron yang terhambur memiliki pola difraksi seperti yang diperkirakan oleh Bragg dalam difraksi sinar-X dari kristal Nikel. Atas jasa merumuskan hipotesanya, de Broglie dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1929 dan Davison dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1934 atas penemuan difraksi elektron. Teori Kuantum Modern dikembangkan dalam perhitungan energi partikel atau elektron menggunakan persamaan gelombang yang dirumuskan oleh Erwin Schroedinger, karenanya dikenal dengan persamaan Schroedinger :

dimana adalah fungsi gelombang dari partikel/elektron, m adalah massa elektron,, E adalah energi dan V adalah potensial. Persamaan ini bersama dengan prinsip ekslusi Pauli yang menyatakan bahwa elektron dan partikel Fermion lain tidak dapat memiliki keadaan kuantum yang sama (energi, orbital, spin dll) merupakan dasar bagi penerapan teori kuantum modern dalam menjelaskan efek Zeeman, atom berelektron banyak, osilator harmonis dan atom hidrogen.

Diantara kedua teori kuantum lama/klasik dan modern ini beberapa model atom dikembangkan oleh Thomson, Rutherford, Bohr dan Sommerfeld-Bohr, dimana model atom ini berdasarkan teori kuantum lama (besaran diskrit) dan juga merupakan dasar bagi penerapakan teori kuantum modern khusunya dalam atom hidrogen dan atom berlektron banyak. Pada tahun 1906, J.J. Thomson menemukan besaran perbandingan antara muatan dan massa elektron (muatan spesifik elektron) yang berkesimpulan bahwa elektron merupakan partikel paling dasar dari setiap materi. Dengan demikian model atom Dalton yang menyatakan bahwa atom merupakan bagian terkecil dari materi gugur. Thomson menyatakan bahwa atom mengandung banyak sekali elektron-elektron yang bermuatan negatif. Karena atom bersifat netral, maka didalam atom terdapat muatan-muatan positif yang menyeimbangkan elektron yang bermuatan negatif. Thomson membuat model bahwa atom berbentuk bola padat dengan muatan-muatan listrik positif tersebar merata di seluruh bagian bola; muatan-muatan positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron mermuatan negatif yang melekat pada bola segaram pada bola bermuatan positif seperti kismis yang melekat pada kue. Sehingga model atom Thomson dikenal dengan model atom kue kismis. J. J. Thomson akhirnya diberi hadiah Nobel Fisika pada tahun 1906.

Ernest Rutherford, dibantu asistennya yaitu Geiger dan Marsden pada tahun 1911 melakukan eksperimen menembakkan partikel alfa (a) melalui celah pelat timbal yang akhirnya menumbuk lempeng tipis emas. Untuk mendeteksi partikel alfa yang terhambur dari lembeng emas, dipasang lempeng lapisan seng sulfida. Hasilnya menunjukkan bahwa sebagian besar partikel alfa dilewatkan tanpa mengalami pembelokkan oleh lapisan emas dan hanya sedit yang dibelokkan atau dipantulkan. Hasil eksperimen Rutherford menunjukkan bahwa model atom Thomson yang menyatakan bahwa muatan positif tersebar merata di dalam atom tidak dapat diterima. Model atom Rutherford menyatakan bahwa semua muatan positif berkumpul di tengah atom (inti atom) dan inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron pada jarak yang relatif jauh. Elektron-elektron ini berputar pada lintasan-lintasannya seperti planet mengelilingi matahari dalam sistem tata surya.

Model atom Rutherford ini ternyata mempunyai tidak mampu menjelaskan dua pertanyaan yaitu pertama, mengapa elektron yang dipercepat hingga memancarkan gelombang elektromagnetik tidak dapat jatuh ke dalam inti atom, karena dengan model tadi diperkirakan bahwa elektron akan jatuh ke dalam inti atom dalam waktu 10-8 detik, namun kenyataannya elektron bergerak stabil di lintasannya. Kedua, hasil pengamatan spektrum atom hidrogen melalui spektrometer menunjukkan bahwa spektrum berbentuk garis (deret Balmer) sedangkan menurut model atom Rutherford, spektrum atom hidrogen harus kontinu. Pada tahun 1911 Niels Bohr membuat model atom seperti diilustrasikan pada Gambar 4.

(a). Elektron bergerak dalam orbitnya yang melingkar di sekitar inti atom (proton) dibawah pengaruh gaya Coulomb.
(b). Elektron tidak dapat berputar di sekitar inti melalui setiap orbit, tetapi elektron hanya melalui orbit stabil (orbit stasioner) tanpa memancarkan energi.
(c). Radiasi dipancarkan oleh atom jika elektron melompat dari suatu orbit stasioner yang energinya lebih tinggi ke dalam orbit yang energinya lebih rendah.
(d). Ukuran orbit-orbit yang diperbolehkan ditentukan oleh keadaan kuantum tambahan yaitu momentum sudut orbital elektron.