Transcript fisika kuantum2 - hidayatullahahmad

OLEH
Hadma Yuliani,S.Pd, M.Pd,M.Si




Pada akhir abad ke 19 dan awal abad ke 20
terjadi krisis dalam fisika.
Teori radiasi yang diusulkan Wien hanya mampu
menjelaskan radiasi benda hitam pada energi
tinggi
Rayleigh-Jeans hanya mampu menjelaskan
radiasi benda hitam pada energi yang rendah.
Konsep energi yang bersifat kontinyu pada
mekanika klasik tidak mampu menjelaskan gejala
efek foto listrik dan efek Compton (hamburan
Compton) yang teramati pada saat radiasi
elektromagnetik berinteraksi dengan materi.



Mengapa kuantum diawali
“radiasi benda hitam?
dengan
teori
Mengapa fisika klasik gagal?
Mengapa
fisika
kuantum
berhasil
menjelaskan teori radiasi benda hitam?
 Karena
fisika klasik tidak bisa
menjelaskan radiasi benda
hitam tetapi fisika kuantum
yang bisa menjelaskannya
 Karena
menganggap
berharga kontinu.
energi
 Karena
fisika
kuantum
menganggap besar energi GEM
berharga diskrit


Fisika klasik gagal menjelaskan teori radiasi
benda
hitam
(Rayleigh
Jeans)
karena
mengganggap energi GEM adalah kontinu.
Berhasil menjelaskan teori radiasi benda
hitam Max Plank mengasumsikan bahwa GEM
bersifat diskrit (tertentu) yaitu kelipatan dari
hv.



Mekanika Newton bekerja dengan baik
apabila
Medan gravitasi tidak terlalu kuat
Kelajuan partikel tak terlalu besar
Jarak yang diamati tidak terlalu besar dan
juga tak terlalu kecil, misalnya lebih besar
dari pada 10-6m.
Mekanika
klasik
yang
berkembang
berdasarkan
hukum-hukum
Newton
,
mendiskripsikan dinamika partikel yang
mencakup salah satunya gerak keplanetan,
gerak benda tegar.



Dalam mekanika klasik, keadaan partikel
dicirikan dengan posisi dan momentum secara
spesifik, berhubungan dengan kehidupan seharihari, posisi dan momentum dapat diukur secara
serentak dengan akurasi tertentu.
Kejadian dalam Fisika klasik bersifat pasti
(deterministik), pengukuran dapat dilakukan
berulang kali sehingga hasil pengukuran
dinyatakan dalam bentuk rerata dan simpangan
baku.
Perumusan konsep, prinsip, hukum, atau teori
pada Mekanika klasik didasarkan pada data hasil
pengukuran
secara
langsung
dengan
seperangkat alat eksperimen yang sangat
terkontrol, dan dinyatakan dalam bentuk
persamaan matematik.

Sebaliknya untuk benda-benda mikroskopik,
tidak berhubungan dengan pengalaman
sehari-hari, tidak dapat diamati secara
langsung, pendiskripsiannya hanya bisa
dilakukan dengan menggunakan persamaan
matematik sebagai hasil dari pemodelan dan
asumsi-asumsi. Karena tidak dapat diamati
secara langsung maka hasil pengukuranyya
hanya bersifat kebolehjadian sehingga posisi
dan momentum tidak bisa dispesifikasi
(diukur) secara serentak dengan derajat
akurasi tertentu.

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa
konsep
mekanika
Klasik
tidak
dapat
diaplikasikan pada benda-benda mikroskopik
karena tak dapat diamati secara langsung.
Namun dengan keterbatasannya, masih ada
bagian Mekanika Klasik yang mendasari teori
baru yang disebut Mekanika Kuantum yang
digunakan untuk menjelaskan perilaku
benda-benda mikroskopik



Radiasi termal adalah Radiasi elektromagnetik
yang barasal dari benda memancar panas.
Radiasi termal yang dipancarkan oleh benda
yang dipengaruhi oleh suhu benda, sifat
permukaan benda, bentuk benda, dan jenis
material.
Tahun 1879, Josef Stefan melakukan
pengamatan serta menyimpulkan besar
intensitas (I) sebanding dengan pangkat
empat suhu (T)

Daya yang dipancarkan oleh benda dapat
menggunakan persamaan:
Persamaan di atas merupakan persamaan
Stefan-Boltzman.

Radiasi benda hitam
Benda hitam didefinisikan benda yang akan
menyerap seluruh radiasi yang jatuh kepada
benda
tersebut
(tidak
ada
yang
dipantulkan).
Solusi praktis untuk keperluan ini dipilih
benda
berongga
yang
pada
bagian
dindingnya dilubangi dengan ukuran yang
sangat kecil dan seluruh permukaan
dindingnya dicat hitam.
Apabila ada seberkas cahaya yang masuk
lubang sebuah benda berongga. Cahaya ini
akan dipantulkan berkali-kali oleh dinding
rongga. Setiap kali dipantulkan intensitasnya
semakin berkurang(karena cahaya diserap
oleh dinding) hingga intensitas cahaya ini nol.
Sehingga tidak mungkin keluar dari rongga
lagi.
Itulah sebabnya lubang benda berongga
dinamakan benda hitam. Semakin kecil
lubang pada benda berongga, semakin mirip
dengan benda hitam sempurna.



Cara benda hitam memancarkan radiasi
yaitu:
Radiasi akan keluar dari lubang kecil
tersebut bila benda berongga tersebut
dipanaskan pada suhu T.
Ketika benda berongga dipanaskan dengan
suhu T, elektron-elektron atau molekulmolekul pada dinding rongga mendapatkan
tambahan
energi
sehingga
bergerak
dipercepat. Menurut teori elektromagnetik
muatan yang dipercepat akan memancarkan
radiasi.
Selain memancarkan radiasi, dinding akan
menyerap dan memantulkan sebagian
radiasi yang menimpanya.
Penyerapan,
pemantulan,
dan
pemancaran oleh dinding benda
berongga akan terus berlangsung
sehingga mencapai keseimbangan
termal. Pada saat keseimbangan
termal suhu tiap bagian dindig sama.
 Dalam
keadaan
rongga-rongga
dipenuhi gelombang elektromagnetik
yang dipancarkan/dipantulkan, maka
keluarlah radiasi melalui lubang yang
sangat kecil yang disebut radiasi
benda hitam.



Teori Spektrum Radiasi benda Hitam
Teori Rayleigh-Jeans
Teori spektrum radiasi benda hitam pada
permualaan abad ke-20. Mereka membuat teori
untuk menerangkan radiasi ini.
Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan model
sederhana untuk bentuk spektrum ini. Mereka
menganggap
molekul/muatan
di
dinding
(permukaan) benda berongga dihubungkan oleh
semacam pegas.
Ketika suhu benda dinaikkan, muatan-muatan ini
mendapatkan energi kinetik tambahan untuk
bergetar.
Dengan bergetar, berarti kecepatan muatan
berubah-ubah (positif-nol-negatif-nol-positif dst)
Dengan kata lain muatan mendapatkan percepatan
setiap saat. Muatan yang dipercepat inilaih yang
menimbulkan radiasi benda hitam.
Teori Rayleigh-Jeans
berhasil menerangkan spektrum energi untuk
panjang gelombang yang besar (energi yang
rendah),
tetapi
gagal
untuk
panjang
gelombang
yang
kecil.
Rayleigh-Jeans
menurunkan distribusi intensitas yaitu:
Teori Wilhelm Wien
Pada tahun 1900 berhasil menerangkan
spektrum energi untuk panjang gelombang
yang pendek (energi yang tinggi), tetapi gagal
untuk panjang gelombang yang besar. Wein
mengitung distribusi intensitas sebagai
fungsi panjang gelombang untuk suhu
tertentu yaitu:
A dan C adalah konstanta
Teori Max Planck
Dua asumsi yang dipakai Planck yaitu:
1. Energi yang dimiliki molekul yang berosilasi
bersifat diskrit (tidak kontinu)/terkuantisasi.
Besar energinya adalah

2. Setiap molekul memancarkan atau menyerap
energi yang diskrit disebut kuanta/foton.
Tiap foton memiliki energi


Terlemparnya elektron dari permukaan logam
yang disinari dengan cahaya disebut efek
fotolistrik.
Eksperimen yang dilakukan oleh Philipp Lenard
menunjukkan bahwa energi elektron yang
terlempar dari permukaan logam ditentukan oleh
frekuensi radiasi yang jatuh ke logam
Bila
cahaya
monokromatik
diradiasikan
kepermukaan
logam,
maka permukaan logam melepaskan
elektron-elektron
bebas
dengan
energi kinetik tertentu.
 Dengan
naiknya intensitas radiasi
yang jatuh pada permukaan logam
menyebabkan naiknya emisi elektron
yang dibebaskan dan tak mengubah
energi elektron.

Hasil mengejutkan dari percobaan efek fotolistrik
yaitu:
1. Fotolistrik tidak tergantung pada intensitas
cahaya yang datang.
2. Fotolistrik tergantung pada frekuensi cahaya
yang datang
Fotolistrik menurut einstein adalah cahaya
terdiri dari foton-foton yang mempunyai energi
hf. Ketika cahaya mengenai permukaan logam,
elektron logam akan menyerap foton sehingga
energinya akan naik. Jika frekuensi cahaya
cukup tinggi dari energi ambang maka energi
yang diserap akan mampu mengeluarkan
elektron dari permukaan




Dari percobaan didapatkan kesimpulan
frekuensi batas (ambang) tergantung pada
jenis logam yang disinari. Cahaya yang
diradiasikan ke permukaan logam dengan
frekuensi lebih rendah
dari frekuensi
ambang
tidak
menyebabkan
elektron
terbebas dari permukaan logam.
Dengan demikian diperlukan foton dengan
energi
tertentu
terkecil
yang
dapat
membebaskan elektron. Energi terkecil dari
foton disebut energi ambang.
Kuantum cahaya yang dipostulatkan untuk
memahami
fenomena
efek
fotolistrik
bergerak
dengan
kecepatan
cahaya
menggunakan teori relativitas enstein.

Frekuensi ambang adalah frekuensi terkecil
cahaya dapat melepaskan elektron dari
permukaan logam.
= fungsi kerja (energi ikat elektron pada
logam.
= energi ambang (energi terkecil yang
diberikan agar elektron terlepas dari
permukaan logam





Efek Compton
Efek Compton diamati oleh Athur Holy
Compton dan temannya Peter Debye pada
tahun 1923.
Hamburan foton dari sinar- X oleh elektron
hanya mampu dijelaskan dengan menganggap
foton sebagai partikel dengan energi hf dan
momentum momentum hf/c.
Percobaan Compton sangat sederhana yaitu
elektron disinari dengan sinar – X. Sinar – X
akan dihamburkan oleh elektron.
panjang gelombang sinar – X yang terhambur
ternyata hanya bergantung pada sudut
hamburan dan tidak bergantung pada lamanya
penyinaran.
Rumus
panjang
terhambur:
gelombang
yang


Pada tahun 1923, Louis de Broglie membuat
suatu postulat yaitu bahwa semua materi
termasuk
elektron
mempunyai
sifat
gelombang.
Pada mulanya postulat ini ditentang habishabisan karena waktu itu belum ada
eksperimen yang mendukungnya.tapi, 3
tahun
kemudian
C.J.
Davisson
dan
L.H.Gremer berhasil menghitung panjang
gelombang elektron.

Penurunan yang dilakukan de Broglie sbb:
jika
E = hf = hc/lamda
persamaan momentum foton yaitu:
p = E/c = h/lamda
De Broglie mengusulkan bahwa ini tidak
hanya berlaku untuk foton, tetapi berlaku
untuk semua partikel.jadi
lamda = h/p
Persamaan di atas adalah rumus panjang
gelombang de Broglie untuk semua partikel
bermassa m yang bergerak dengan kecepan
v.

De Broglie juga menyatakan bahwa frekuensi
materi mempunyai energi E adalah:
f = E/h
Untuk menguji partikel de Broglie, C.J.
Davisson dan L.H. Germer melakukan
eksperimen dengan mengarahkan elektron
berenergi rendah (54 eV) pada suatu target
nikel dalam suatu ruang hampa.
Elektron-elektron yang terhambur ketika
diamati ternyata dapat menunjukkan gejala
interferensi dan difraksi. Dengan mengamati
pola difraksi dann interferensi ini, Davisson
dan Germer mampu menghitung panjang
gelombang
elektron.
Hasil
eksperimen
diperoleh untuk mendukung postulat de
Broglie.
d = 0,9 A; sudut difraksi 650 dan n = 1
sehingga diperoleleh nilai panjang
gelombang 1,65 A

Selain itu, pada tahun yang sama G.P
Thomson menunjukkan bahwa elektronelektron yang ditembakkan pada lempengan
emas yan tipis juga menunjukkan pola-pola
difraksi. Pola-pola difraksi ini juga terjadi
pada target atom Helium, atom Hidrogen dan
Neutron.


Pada tahun 1908 Geiger dan Marsden
melakukan percobaan hamburan partikel x
oleh foil tipis menunjukkan sudut hamburan
yang besar, yang mana eksperimen ini
berlawanan dengan model atom Thompson,
dan elektron tertanam secara homogen dalam
distribusi muatan positif yang kontinyu.
Rutherford mengusulkan model atom bahwa
muatan positif terkonsentrasi pada pusat
atom
dan
ukurannya
sangat
kecil
dibandingkan dengan dimensi atom disebut
inti.


Elektron ditarik oleh inti dengan gaya
sebanding dengan 1/r2 dan bergerak dalam
lintasan seperti lintasan planet-planet yang
mengitari matahari dan bergerak atau getar
secara periodik.
Moodel atom Rutherford ini tidak dapat
menjelaskan
adanya
spektrum
yang
dipancarkan oleh atom yang panas yaitu: