Materi dan Pemodelan Fisika

Admin Februari 21, 2021 0

 

Layar Kunci - Seorang Fisikawan terkadang tidak dapat berinteraksi dengan suatu fenomena secara langsung. Guna mempelajari lebih detil fenomena yang demikian, mereka sering membayangkan sebuah model untuk sistem fisik yang terkait dengan fenomena tersebut. Pemodelan tersebut dinamakan pemodelan Fisika. Model merupakan sistem dari komponen fisik, seperti halnya elektron dan proton dalam sebuah atom. Setelah dapat mengidentifikasi komponen fisik, mereka membuat prediksi tentang perilaku sistem berdasarkan interaksi antara komponen sistem dan/atau interaksi antara sistem dan lingkungan di luar sistem.

Sebagai contoh, sebuah kubus 1 kg dari emas padat, seperti yang terlihat pada Gambar di atas. Kubus memiliki panjang 3,73 cm pada salah satu sisinya. Apakah kubus ini hanya terdiri atas emas dari dinding ke dinding tanpa ruang kosong? Jika kubus dipotong menjadi dua, maka kedua bagian tersebut masih mempertahankan identitas kimianya sebagai emas murni. Tetapi bagaimana jika potongan-potongan itu dipotong lagi dan lagi tanpa batas waktu? Akankah potongan yang lebih kecil dan lebih kecil selalu menjadi emas.

Pertanyaan seperti di atas dapat ditelusuri kembali pada teori filsuf Yunani kuno. Dua di antaranya adalah Leucippus dan muridnya Democritus yang tidak dapat menerima gagasan bahwa pemotongan semacam itu dapat berlangsung selamanya. Mereka berspekulasi bahwa proses itu pada akhirnya harus berakhir ketika menghasilkan partikel yang tidak dapat lagi dipotong. Dalam bahasa Yunani, atomos berarti "tidak dapat diiris".

Mari kita tinjau secara singkat sejumlah model historis dari struktur materi. Model Yunani dari struktur materi bahwa semua materi biasa terdiri dari atom, seperti yang ditunjukkan di kanan bawah kubus pada Gambar di atas. Tidak ada struktur tambahan yang ditentukan dalam model dalam hal ini atom bertindak sebagai partikel kecil yang berinteraksi satu sama lain. Tetapi struktur internal atom bukanlah bagian dari model.

Pada tahun 1897, J. J. Thomson mengemukakan bahwa elektron merupakan partikel bermuatan dan berfungsi sebagai penyusun atom. Teori ini mengarah pada model atom pertama yang mengandung struktur internal.

Menyusul penemuan inti pada tahun 1911, sebuah model dikembangkan di mana setiap atom terdiri dari elektron yang mengelilingi inti pusat. Sebuah inti ditunjukkan seperti pada Gambar di atas. Namun model ini membawa ke pertanyaan baru yaitu apakah inti memiliki struktur? Apakah inti merupakan partikel tunggal atau kumpulan partikel? Komposisi yang tepat dari inti tidak diketahui sepenuhnya bahkan hingga hari ini, tetapi pada awal tahun 1930-an sebuah model berevolusi yang membantu kita memahami bagaimana inti berperilaku.

Secara khusus, para ilmuwan menetapkan bahwa yang menempati inti adalah dua entitas dasar, yaitu proton dan neutron. Proton membawa muatan listrik positif dan unsur kimia tertentu diidentifikasi dari jumlah proton dalam nukleusnya. Nomor ini disebut nomor atom unsur. Misalnya, inti atom hidrogen mengandung satu proton (sehingga nomor atom hidrogen adalah 1), inti atom helium mengandung dua proton (nomor atom 2), dan inti atom uranium mengandung 92 proton (nomor atom 92). Selain nomor atom, ada nomor kedua yang mencirikan atom yang disebut nomor massa. Nomor massa didefinisikan sebagai jumlah proton ditambah neutron dalam sebuah inti. Nomor atom suatu unsur tidak pernah bervariasi, tetapi nomor massa dapat bervariasi (jumlah neutron bervariasi).

Keberadaan neutron telah diverifikasi secara meyakinkan pada tahun 1932. Sebuah neutron tidak memiliki muatan dan massa yang hampir sama dengan proton. Salah satu fungsi utamanya adalah untuk bertindak sebagai "perekat" yang menyatukan inti. Jika neutron tidak ada di inti, maka gaya tolak antara partikel bermuatan positif akan menyebabkan inti terlepas.

Proton, neutron, dan sejumlah partikel eksotis lainnya sekarang diketahui terdiri dari enam jenis partikel berbeda yang disebut quark, yang diberi nama up, down, strange, charmed, bottom, dan top. Quark up, charmed, dan top memiliki muatan listrik sebesar +2/3 proton, sedangkan kuark down, strange, dan down memiliki muatan sebesar -1/3 proton. Proton terdiri dari dua kuark up. dan satu quark down, seperti yang ditunjukkan di atas pada Gambar di atas. Hal ini menunjukkan bahwa struktur ini memprediksi muatan yang benar untuk proton. Demikian pula maka neutron terdiri dari dua quark down dan satu quark up, memberikan muatan bersih sebesar nol.

Proses membangun model merupakan salah satu yang harus dikembangkan saat mempelajari fisika. Kita akan ditantang dengan banyak masalah matematika yang tentunya diperlukan untuk dipecahkan dalam penelitian ini. Salah satu teknik terpenting dengan cara membangun pemodelan fisika untuk masalah diantaranya mengidentifikasi sistem dari komponen fisik untuk masalah tersebut. Selain itu membuat prediksi perilaku sistem berdasarkan interaksi antara komponen sistem dan/atau interaksi antara sistem dan lingkungan sekitarnya. (*)