Siapakah Oppenheimer, Apa yang Dilakukannya Sebelum Membuat Bom Atom?

Indonesains.id - Melihat beberapa karya awal J. Robert Oppenheimer - pria yang paling dikenal sebagai bapak bom atom.

Film tentang "Oppenheimer", yang rilis pada Juli 2023 kemarin, telah memperbarui minat pada kehidupan ilmuwan misterius J. Robert Oppenheimer. Sementara Oppenheimer akan selalu diakui sebagai bapak bom atom, kontribusi awalnya pada mekanika kuantum membentuk landasan kimia kuantum modern. Karyanya masih menginformasikan bagaimana para ilmuwan berpikir tentang struktur molekul saat ini.

Di awal film, tokoh ilmiah terkemuka saat itu, termasuk peraih Nobel Werner Heisenberg dan Ernest Lawrence, memuji Oppenheimer muda atas karya terobosannya pada molekul.

“Sebagai ahli kimia fisika, karya Oppenheimer tentang mekanika kuantum molekul memainkan peran utama dalam pengajaran dan penelitian bagi saya,” kata Aaron W. Harrison, Asisten Profesor Kimia, Austin College.

Oppenheimer dan Einstein. (Kredit: US Govt. Defense Threat Reduction Agency)

Pada tahun 1927, Oppenheimer menerbitkan sebuah makalah berjudul "On the Quantum Theory of Molecules" dengan penasihat penelitiannya Max Born.

Makalah tersebut menguraikan apa yang biasa disebut sebagai pendekatan Born-Oppenheimer. Sementara nama itu memuji Oppenheimer dan penasihatnya, sebagian besar sejarawan mengakui bahwa teori tersebut sebagian besar adalah karya Oppenheimer.

Pendekatan Born-Oppenheimer menawarkan cara untuk menyederhanakan masalah rumit dalam mendeskripsikan molekul pada tingkat atom.

Bayangkan Anda ingin menghitung struktur molekul optimal, pola ikatan kimia, dan sifat fisik molekul menggunakan mekanika kuantum. Anda akan mulai dengan menentukan posisi dan gerakan semua inti atom dan elektron serta menghitung daya tarik dan tolakan muatan penting yang terjadi di antara partikel-partikel ini dalam molekul.

Baca Juga:

• Material Baru Ini Lima Kali Lebih Ringan dan Empat Kali Lebih Kuat dari Baja
• Letusan Matahari Masif Bisa Terasa di Bumi, Bulan, dan Mars Sekaligus

Menghitung sifat molekul menjadi lebih rumit pada tingkat kuantum, di mana partikel memiliki sifat seperti gelombang dan ilmuwan tidak dapat menentukan posisi persisnya. Sebaliknya, partikel seperti elektron harus dijelaskan oleh fungsi gelombang. Fungsi gelombang menggambarkan probabilitas elektron berada di wilayah ruang tertentu. Menentukan fungsi gelombang ini dan energi molekul yang sesuai adalah apa yang dikenal sebagai penyelesaian persamaan molekul Schrödinger.

Sayangnya, persamaan ini tidak dapat diselesaikan dengan tepat bahkan untuk molekul paling sederhana sekalipun, H₂⁺, yang terdiri dari tiga partikel: dua inti hidrogen (atau proton) dan satu elektron.

Pendekatan Oppenheimer menyediakan sarana untuk mendapatkan solusi perkiraan. Dia mengamati bahwa inti atom secara signifikan lebih berat daripada elektron, dengan satu proton hampir 2.000 kali lebih masif daripada elektron. Ini berarti inti bergerak jauh lebih lambat daripada elektron, sehingga para ilmuwan dapat menganggapnya sebagai benda diam sambil menyelesaikan persamaan Schrödinger hanya untuk elektron.

Metode ini mengurangi kerumitan perhitungan dan memungkinkan para ilmuwan menentukan fungsi gelombang molekul dengan relatif mudah.

Perkiraan ini mungkin tampak seperti penyesuaian kecil, tetapi perkiraan Born-Oppenheimer jauh melampaui penyederhanaan perhitungan mekanika kuantum pada molekul. Ini benar-benar membentuk bagaimana ahli kimia melihat molekul dan reaksi kimia.

Ketika para ilmuwan memvisualisasikan molekul, kita biasanya menganggapnya sebagai satu set inti tetap dengan elektron bersama yang bergerak di antara inti. Di kelas kimia, siswa biasanya membangun model "bola-dan-tongkat" yang terdiri dari inti kaku (bola) yang berbagi elektron melalui kerangka ikatan (tongkat). Model ini merupakan konsekuensi langsung dari pendekatan Born-Oppenheimer.

Pendekatan Born-Oppenheimer juga memengaruhi cara para ilmuwan berpikir tentang reaksi kimia. Selama reaksi kimia, inti atom tidak diam; mereka mengatur ulang dan bergerak. Interaksi elektron memandu pergerakan inti dengan membentuk permukaan energi, yang dapat digerakkan oleh inti selama reaksi berlangsung. Dengan cara ini, elektron mendorong perkembangan molekul melalui reaksi kimia. Oppenheimer mendemonstrasikan bahwa cara elektron berperilaku adalah inti dari ilmu kimia sebagai ilmu.

Pada abad sejak publikasi perkiraan Born-Oppenheimer, para ilmuwan telah meningkatkan kemampuan mereka untuk menghitung struktur kimia dan reaktivitas molekul.

Bidang ini, yang dikenal sebagai kimia kuantum komputasi, telah tumbuh secara eksponensial dengan ketersediaan sumber daya komputasi kelas atas yang lebih cepat dan lebih kuat. Saat ini, ahli kimia menggunakan kimia kuantum komputasi untuk berbagai aplikasi mulai dari menemukan obat-obatan baru hingga merancang fotovoltaik yang lebih baik sebelum mencoba memproduksinya di laboratorium. Inti dari sebagian besar bidang penelitian ini adalah pendekatan Born-Oppenheimer.

Meskipun banyak kegunaannya, pendekatan Born-Oppenheimer tidaklah sempurna. Misalnya, perkiraan sering terurai dalam reaksi kimia yang digerakkan oleh cahaya, seperti dalam reaksi kimia yang memungkinkan hewan melihat cahaya. Kimiawan sedang menyelidiki solusi untuk kasus ini. Namun demikian, penerapan kimia kuantum yang dimungkinkan oleh pendekatan Born-Oppenheimer akan terus berkembang dan meningkat.

Di masa depan, era baru komputer kuantum dapat membuat kimia kuantum komputasi menjadi lebih kuat dengan melakukan perhitungan yang lebih cepat pada sistem molekul yang semakin besar.

*****