ISSN:2089 0133 Indonesian Journal of Applied Physics (2012) Vol.2 No.2 halaman 112 Oktober 2012 Penentuan Spektrum Energi dan Fungsi Gelombang Potensial Morse dengan Koreksi Sentrifugal Menggunakan Metode SWKB dan Operator SUSY Cari, Suparmi, Heti Marini Pascasarjana Ilmu Fisika, Universitas Sebelas Maret Email : segara_ungu@yahoo.com Received 13-08-2012, Revised 28-09-2012, Accepted 05-10-2012, Published 29-10-2012 ABSTRACT The purposes of the research are to determine the energy spectrum and wave function of Morse with centrifugal term using SUSY quantum mechanics. The Morse with centrifugal term potential is type of shape invariant potential. The energy spectrum of Morse potential with centrifugal term is obtained using Supersymmetry - WKB (SWKB) quantization formula and Supersymmetry Operator. The wave function is obtained using Supersymmetry Operator. The energy spectrum obtained using SWKB quantization formula is equal to the result obtained using Supersymmetry Operator. The ground statewave function is obtained from the property of lowering operator that annihilates the ground state wave function.the first excited state wave function is obtained by applying raising operator on the ground state wave function and so the higher level excited state wave functions obtained by operating raising operator to the nearest lower wave function. The energy spectrum obtained using SWKB quantization formula is equal to the result obtained using Supersymmetry Operator. Both energy spectrum and the wave function obtained are only approximation since the centrifugal term is approximated by exponential function. Keywords: Schrödinger equation, Morse potential, centrifugal term, supersymmetry of quantum mechanics ABSTRAK Tujuan dari penelitian ini adalah menentukan spektrum energi dan fungsi gelombang potensial Mors edengan faktor sentrifugal menggunakan metode supersimetri mekanika kuantum. Potensial Morse dengan faktor sentrifugal merupakan potensial yang mempunyai sifat shape invariance. Spektrum energi potensial Morse dengan faktor sentrifugal ditentukan dengan menggunakan dua metode, yaitu metode kuantisasi supersimetri-wkb (SWKB) dan metode operator supersimetri. Sedangkan fungsi gelombang ditentukan dengan menggunakan operator supersimetri (SUSY). Spektrum energi untuk potensial Manning Rosen dengan faktor sentrifugal yang diperoleh menggunakan formula kuantisasi SWKB untuk kondisi simetri yang baik memberikan hasil yang sama dengan operator supersimetri. Fungsi gelombang tingkat dasar diperoleh dari sifat-sifat operator penurun yang melenyapkan (anihilasi) fungsi gelombang tingkat dasar. Sedangkan fungsi gelombang tereksitasi tingkat satu dan seterusnya diperoleh dengan mengoperasikan operator penaik yang dioperasikan pada fungsi gelombang satu tingkat dibawahnya. Baik spektrum energi maupun fungsi gelombang yang diperoleh hanya bersifat pendekatan karena faktor potensial atau gaya sentrifugal didekati dengan fungsi berbentuk eksponensial. Kata kunci: persamaan Schrödinger, potensial Morse, faktor Sentrifugal, supersimetri mekanika kuantum
Penentuan Spektrum Energi halaman 113 PENDAHULUAN Persamaan Schrödinger merupakan pilar penting dalam sistem mekanika kuantum. Melalui persamaan Schrödinger dapat diketahui spektrum energi dan fungsi gelombang suatu sistem partikel yang kemudian dapat digunakan untuk mendiskripsikan perilaku partikel tersebut di alam semesta. Namun demikian, pada beberapa jenis potensial, terutama jenis penyelesaian eksak dari pesamaan Schrödinger ini hanya mungkin untuk momentum angular = 0. Tetapi ketika 0, persamaan Schrödinger hanya dapat diselesaikan melalui sebuah pendekatan yang sesuai [1], seperti metode iterasi asimptotik (AIM) [2-4], faktorisasi [5,6], metode ekspansi 1/N [7], metode Nikiforov-Uvarov [8], metode supersimetri mekanika kuantum [9,11]. Potensial Morse dengan faktor sentrifugal adalah salah satu jenis potensial shape invariance yang berbentuk eksponensial. Potensial ini digunakan sebagai model matematika untuk mendeskripsikan vibrasi dari molekul beratom dua. Sebelumnya Persamaan Schrodinger dari potensial ini telah berhasil diselesaikan dengan metode iterasi asimptotik (AIM) oleh O. M. Aldossary [2]. Sedangkan dalam paper ini, persamaan Schrodinger untuk potensial Morse dengan faktor sentrifugal akan diselesaikan dengan menggunakan metode Supersimetri Mekanika Kuantum (SUSYQM). Secara umum penyelesaian persamaan Schrodinger dengan menggunakan SUSYQM relatif lebih mudah dibandingkan dengan menggunakan metode lain, karena dengan metode ini persamaan Schrödinger yang merupakan persamaan differensial orde dua dapat difaktorkan menjadi persamaan differesial orde satu sehingga penyelesaiannya akan lebih mudah. Dalam SUSYQM, terdapat beberapa metode dalam menentukan spektrum energi, diantaranya adalah metode operator supersimetri dan metode supersimetri WKB (SWKB) [9]. Kedua metode ini memiliki kekhasan masing-masing dalam proses penyelesaiannya. Dalam paper ini digunakan kedua metode tersebut, dimana metode operator supersimetri digunakan untuk menentukan spektrum energi dan fungsi gelombang, sedangkan metode SWKB hanya digunakan untuk menentukan spektrum energi. METODE Supersimetri Mekanika Kuantum (SUSYQM) Pemeran utama supersimetri mekanika kuantum adalah operator supermuatan. Witten mendefinisikan sistem supersimetri mekanika kuantum sebagai sistem yang terdiri dari operator supermuatan (Q i ) yang komut dengan Hamiltonian supersimetri (H ss ) [10], dan Dengan (1) N adalah jumlah generator dan memenuhi hubungan anti komut. Untuk sistem SUSY yang paling sederhana, N=2, dengan operator super muatan didefinisikan sebagai [12], dan dan (2)
Penentuan Spektrum Energi halaman 114 Dimana σ 1 dan σ 2 adalah matriks dari Pauli, dan, adalah momentum linear. Sedangkan W(x) adalah superpotensial supersimetri yang merupakan fungsi x. Dengan menggunakan Persamaan (1) dan (2) diperoleh, dimana, (3) dan,, dengan (4a), dengan (4b) Dengan dan didefinisikan sebagai pasangan Hamiltonian penurun dan Hamiltonian penaik, sedangkan V - (x) dan V + (x) merupakan pasangan potensial supersimetri. Berdasarkan Persamaan (4a) dan (4b) persamaan Hamiltonian dapat difaktorkan menjadi,, dan (5) di mana, (6) Dengan, disebut operator penaik (raising operator), dan sebagai operator penurun (lowering operator) [11-13]. Potensial Shape Invariance Sepasang potensial supersimetri (SUSY), yaitu dan dapat dikatakan shape invariance jika kedua potensial tersebut memiliki bentuk yang sama, hanya dibedakan oleh sebuah parameter [9]. (7) dengan, (8a) dimana j = 0,1,2,.., sedangkan parameter a ditentukan secara rekursif (berturutan), dan adalah konstanta yang tidak bergantung dengan x. (8b)
Penentuan Spektrum Energi halaman 115 Hubungan antara Hamiltonian standard dan Hamiltonian SUSY dinyatakan sebagai, Maka berdasarkan persamaan eigen nilai diperoleh, (9) (10) Dengan merupakan energi tingkat dasar pada pasangan hamiltonian penurun. Berdasarkan Persamaan (9) diperoleh hubungan antara V (x)dan V - (x) sebagai berikut, (11) dimana sering dinyatakan sebagai Potensial Efektif ( ). Sedangkan ditentukan dengan dugaan/ perkiraan secara intelektual berdasarkan bentuk potensial efektif sistem terkait. Dengan mengulang prosedur sifat shape invariance, diperoleh generalisasi persamaan Hamiltonian sebagai berikut,, dengan k = 0, 1, 2, (12) Dengan membandingkan Persamaan (8) dan (9), diketahui bahwa. Sehingga spektrum energi eigen nilai dari H - dapat digeneralisasi menjadi, Sifat operator penaik dan penurun secara umum diketahui bahwa operator penaik bila dioperasikan pada suatu fungsi gelombang menghasilkan fungsi gelombang satu tingkat di atasnya. Sedangkan untuk operator penurun jika dioperasikan pada suatu fungsi gelombang menghasilkan fungsi gelombang satu tingkat di bawahnya [9, 12]. Berdasarkan sifat operator penurun, yaitu jika operator penurun dioperasikan pada fungsi gelombang tingkat dasar maka hasilnya harus nol, karena tidak ada lagi fungsi gelombang (13) dibawahnya tingkat dasar. Sedangkan sifat operator penaik (14) atau, Sehingga diperoleh persamaan fungsi gelombang tingkat dasar sebagai berikut,
Penentuan Spektrum Energi halaman 116 (15) dengan N adalah faktor normalisasi. Dan, (16) dengan N adalah faktor normalisasi. Berdasarkan sifat operator penaik diatas maka, fungsi gelombang tingkat atasnya satu dan seterusnya ( menggunakan operasi berantai operator penaik dasar. dapat ditentukankan dengan terhadap fungsi gelombang keadaan Sehingga secara umum persamaan gelombang tereksitasi tingkat ke-n dapat dituliskan sebagai berikut (17) (18) Formula Kuantisasi Supersimetri WKB (SWKB) SWKB merupakan supersimetri yang terinspirasi dari metode semiklasik WKB. Berikut adalah ulasan singkat mengenai konversi matematis metode semiklasik WKB menjadi SWKB. Formula kuantisasi pendekatan semiklasik WKB pada orde terendah untuk potensial sistem satu dimensi adalah [9], Dalam SUSY, Hamiltonian tingkat terendah dapat dinyatakan dengan Hamiltonian Penurun (H - ). Sehingga Persamaan (19) dapat ditulis (19) Dimana n = 0, 1, 2,...dan a, b adalah titik balik. Dengan penjabaran sederhana diperoleh, (20) Persamaan (18) merupakan persamaan umum tingkat energi SWKB untuk kondisi simetri yang baik (unbroken symetry). Potensial Morse dengan Faktor Sentrifugal Potensial Morse merupakan potensial hiperbolik, yang dinyatakan [2,14], (21)
Penentuan Spektrum Energi halaman 117 ; (22) dimana, D merupakan energi disosiasi (peruraian), r adalah jarak orbital elektron terhadap inti dari molekul beratom dua, dan r o adalah jarak keseimbangan antar inti atom. Sedangkan dan α adalah konstanta penyesuaian. Persamaan Schrodinger satu dimensi untuk potensial Morse dengan faktor sentrifugal diperoleh dari persamaan Schrodinger sistem tiga dimensi pada bagian radial [15], (23) Jika fungsi gelombang dinyatakan sebagai, dan, maka diperoleh (24) Jika masing-masing ruas pada Persamaan (24) dikalikan dengan, dengan maka persamaan menjadi, Atau dapat ditulis, (25) Berdasarkan Persamaan (26), potensial effektif dari potensial Morse dapat dituliskan sebagai berikut, (26) dengan merupakan faktor gaya sentrifugal. Dimana adalah bilangan kuantum orbital dengan. Karena, maka, sehingga Persamaan (27) dapat ditulis, (27) (28) Dengan mengekspansikan faktor diperoleh, Persamaan (29) ini dirubah dalam bentuk eksponensial. Dengan asumsi bahwa suku ke-4 dan seterusnya sangat kecil, maka penyelesaian ini diambil sampai suku ke-3 saja. Dimisalkan suatu persamaan eksponensial sebagai berikut, (29)
Penentuan Spektrum Energi halaman 118 (30) dimana,, dan (31) Jika Persamaan (31) disubtitusikan ke dalam Persamaan (30) diperoleh, Dengan membandingkan komponen ruas kiri dan ruas kanan dari Persamaan (32) dapat diperoleh, (32) ; (33a) Dan, (33b) Dengan metode subtitusi diperoleh, (33c) ; ; dan (33d) Dengan mensubtitusikan Persamaan (33d) ke dalam Persamaan (30), maka Persamaan (29) dapat dituliskan sebagai berikut, Sehingga secara lengkap persamaan potensial efektif untuk potensial Morse dapat dituliskan kembali sebagai, (34) atau, (35) (36)
Penentuan Spektrum Energi halaman 119 dengan, (37a) (37b) Berdasarkan bentuk persamaan potensial efektif tersebut, maka Persamaan superpotensial untuk potensial Morse dengan faktor sentrifugal dapat dimisalkan sebagai berikut, (37c) Jika Persamaan (38) dioperasikan ke Persamaan (11), diperoleh (38) Sehingga persamaan superpotensialnya dapat dituliskan kembali, (39) HASIL DAN PEMBAHASAN Penentuan Spektrum Energi dengan Metode Kuantisasi SWKB Dengan mengoperasikan Persamaan (40) ke dalam Persamaan (21) diperoleh, atau dapat ditulis, (41) (42) Jika dimisalkan, maka,, sehingga Persamaan (42) dapat ditulis kembali, atau dapat ditulis, (43)
Penentuan Spektrum Energi halaman 120 Persamaan ini dapat dituliskan dalam bentuk umum sebagai berikut: (44) dimana solusinya adalah, (45) (46) Jika, maka dan dapat di cari dengan menggunakan rumus, sehingga diperoleh, (47) dan, (48) Jika Persamaan (48) dan (49) disubtitusikan ke Persamaan (41), maka diperoleh, (49) Dengan penjabaran sederhana diperoleh, (50) (51)
Penentuan Spektrum Energi halaman 121 Dengan subtitusi Persamaan (51) dan (39) ke dalam Persamaan (10), diperoleh persamaan umum spektrum energi untuk potensial Morse dengan faktor sentrifugal dengan menggunakan metode kuantisasi SWKB sebagai berikut, Penentuan Spektrum Energi dengan Metode Operator Supersimetri Penentuan spektrum energi potensial Morse dengan faktor sentrifugal dengan metode operator SUSY diperoleh berdasarkan pada sifat shape invariance. Dengan menggunakan Persamaan (8a) dan (8b), dapat ditentukan pasangan potensial supersimetri dan (52) (53) Dari Persamaan (53) dan Persamaan (54), diketahui bahwa (54) dan (55) Berdasarkan sifat shape invariance Persamaan (7) diperoleh Untuk pasangan potensial tingkat atasnya satu dan seterusnya dapat ditentukan dengan mengoperasikan Persamaan (55) pada Persamaan (7).Kemudian dengan meggunakan Persamaan (13) diperoleh, (56) Dengan subtitusi Persamaan (39) dan (57) ke dalam Persamaan (10), diperoleh persamaan umum spektrum energi untuk potensial Morse dengan faktor sentrifugal dengan menggunakan metode operator SUSY sebagai berikut, (57) Penentuan Fungsi GelombangPotensial Morse dengan faktor sentrifugal Penyelesaian persamaan gelombang ini dimulai dari persamaan gelombang tingkat dasar. Dengan mensubtitusi Persamaan (40) ke dalam Persamaan (14) diperoleh persamaan gelombang tingkat dasar sebagai berikut, (58)
Penentuan Spektrum Energi halaman 122 (59) dengan mengoperasikan operator penaik pada Persamaan (6), dan subtitusi Persamaan (40), dan (59) ke Persamaan (15), fungsi gelombang terkesitasi tingkat satu diperoleh sebagai berikut, KESIMPULAN Spektrum energi untuk potensial Morse dengan faktor sentrifugal yang diperoleh menggunakan formula kuantisasi SWKB untuk kondisi simetri yang baik memberikan hasil yang sama dengan operator supersimetri. Dengan mengaplikasikan operator tangga turun pada fungsi gelombang tingkat dasar diperoleh fungsi gelombang tingkat dasar, sedangkan fungsi gelombang tingkat atas satu diperoleh dengan menggunakan operator tangga naik yang dioperasikan pada fungsi gelombang tingkat dasar dan seterusnya. Baik spektrum energi maupun fungsi gelombang yang diperoleh hanya bersifat pendekatan karena faktor potensial atau gaya sentrifugal didekati dengan fungsi berbentuk eksponensial. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini didukung oleh Hibah Penelitian Tim Pascasarjana (HPTP) Universitas Sebelas Maret Surakarta dengan nomor kontrak No. 2345/UN27.16/PN/2012 DAFTAR PUSTAKA 1 Sameer M. Ikhdair. 2009. Rotation and Vibration of Diatomic Molecule in the Spatially-Dependent Mass Schr odinger Equation with Generalized q-deformed Morse potential, arxiv:0904.4366v1. 2 O. M. Al Dossary. 2007. Morse Potenstial Eigen-Energies Through The Asymtotic Iteration Method. Int. J. Qua. Chem, Vol. 107, pp. 2040-2046. 3 O. Bayrak, et. al. 2007. Exact Analytical Solutions to the Kratzer Potential by the Asymptotic Iteration Method. Int. J. Qua. Chem, Vol. 107, 5pp. 40 544. 4 M. Aygun, et. al. 2007. Solution of the Radial Schrödinger Equation for the Potential Family using the Asymptotic Iteration Method. arxiv:mathph/0703040v1, 13 Mar 2007. 5 J. Sadeghi. 2007. Factorization Method and Solution of the Non-Central Modied Kratzer Potential. Acta Physica Polonica A, No.1, Vol. 112. 6 Shi-Hai Dong. 2007. Factorization method in Quantum Mechanics. Springer, Mexico. 7 R. H. Hammed. 2012. Approximate Solution of Schrödinger Equation With Manning Rosen Potential in Two Dimensions by Using the Shifted 1/N Expansion Method. Journal of Basrah Researches (Sciences), Vol 38. No. 1. 8 Akaninyene D. Antia, et. al. 2010. Exact Solutions of the Schrödinger Equation with Manning-Rosen Potential Plus a Ring-Shaped Like Potential by Nikiforov-Uvarov Method. European Journal of Scientific Research, Vol.46 No.1, pp.107-118. (60)
Penentuan Spektrum Energi halaman 123 9 F. Cooper, et. al. 2001. Supersymetry in Quantum Mechanics. World Scientific, Singapore. 10 E. Witten. 1981. Dynamical Breaking of Supersymmetry. Nucl. Phys., B185, pp. 513-55. 11 C. M. Fabre and D. Gu ery-odelin. 2010. A Class of Exactly Solvable Models to Illustrate Supersymetry and Test Approximation Schemes in Quantum Mechanics. 12 Suparmi. 2011. Mekanika Kuantum II. Jurusan Fisika Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret Surakarta. 13 R. de Lima Rodrigues. 2002. The Quantum Mechanics SUSY Algebra: An Introductory Review. 14 Siegfried Flügge. 1971. Practical Quantum Mechanics I. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, New York. 15 David J. Griffiths. 1995. Introduction to Quantum Mechanics. Prentice Hall, USA.