FISIKA KUANTUM 1 THOMAS YOUNG ALBERT EINSTEIN EFEK FOTOELEKTRIK
Download
Report
Transcript FISIKA KUANTUM 1 THOMAS YOUNG ALBERT EINSTEIN EFEK FOTOELEKTRIK
FISIKA KUANTUM 1
THOMAS YOUNG
ALBERT EINSTEIN
EFEK FOTOELEKTRIK
EFEK COMPTON
MAX PLANCK
1
THOMAS YOUNG
Percobaan Young (1801)
Cahaya tampak
Pola-pola terang gelap
Peristiwa interferensi
Panjang gelombang dapat diukur
Cahaya tampak adalah suatu
bentuk gelombang
2
3
d sin r1 r2
y
tg
D
4
Maksimum :
d sin m,
m 0, 1, 2,
Minimum :
1
d sin (m ), m 0, 1, 2,
2
Panjang gelombang rata-rata cahaya tampak :
570 nm 555 nm
5
ALBERT EINSTEIN
Teori relativitas spesial (1905)
Waktu dan ruang (kecepatan)
Technical expert (Swiss Patent Office)
Fisika sebagai pekerjaan sambilan
Makalah kelas dunia (world-class)
Hipotesis mengenai light quanta
Hadiah Nobel
6
Speed parameter :
Faktor Lorentz :
1
v
c
Momentum :
Energi total :
p mv
1 2
E mc 2
Energi total = Energi diam + Energi kinetik
E mc 2 K
K mc 2 ( 1)
Hubungan antara energi dan momentum :
E 2 (pc) 2 (mc 2 ) 2
7
Hipotesis Einstein (1905)
Kadang-kadang cahaya bertindak seolah-olah
energinya terkonsentrasi pada suatu berkas
diskrit yang disebut light quanta
Cahaya tidak hanya sebagai gelombang
tetapi juga sebagai partikel
Sekarang light quanta disebut foton
Max Plank (1913)
Merekomendasi Einstein menjadi anggauta
Royal Prussian Academic of Science
Kadang-kadang Einstein salah dalam
berspekulasi
8
Energi foton :
E hf
Konstanta Plank :
h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s
Kecepatan foton V = c
E 2 (pc) 2 (mc 2 ) 2
m 0 Energi diam = 0
hf pc pf
Momentum foton :
h
p
9
Panjang gelombang, frekuensi dan energi dari foton
EM Waves Wavelength
Gamma ray
50 fm
X ray
50 pm
Ultraviolet
100 nm
Visible
550 nm
Infrared
10 m
Microwave
1 cm
Radio wave
1 km
Frequency
6 x 1021
6 x 1018
3 x 1015
5 x 1014
3 x 1013
3 x 1010
3 x 105
Energy
25 MeV
25 keV
12 eV
2 eV
120 meV
120 eV
1,2 neV
10
Contoh 5.1 :
Cahaya kuning dari lampu gas Na mempunyai panjang gelombang
sebesar 589 nm. Tentukan energi fotonnya dalam eV.
Jawab :
hc
E hf
(4,14x10 15 eV.s)(3x108 m / s)
E
2,11 eV
9
589x10 m
Energi yang akan diperoleh sebuah elektron atau proton bila
dipercepat dengan perbedaan tegangan sebesar 2,11 V
11
Contoh 5.2 :
Dalam peluruhan radioaktif, suatu inti atom mengemisikan sinar
gamma yang energinya sebesar 1,35 MeV. Tentukan :
a) Panjang gelombang dari foton
b) Momentum dari foton
Jawab :
a)
hc
hc
E hf
E
15
8
(4,14 x10 eV.s)(3x10 m / s)
920 fm
6
1,35x10 eV
12
b)
h hf
E
p
f
c
(1,35x106 eV)(1,6x10 19 J / eV)
22
p
7
,
20
x
10
kg m / s
8
3x10 m / s
E
p
c
(1,35 MeV )
p
1,35 MeV / c
c
Berlaku juga untuk partikel-partikel dimana E total >> Energi diam
13
EFEK FOTOELEKTRIK
Cahaya dengan frekuensi f
dijatuhkan pada pelat logam P
Terjadi tumbukan antara foton dan
elektron-elektron pada pelat logam P
Elektron-elektron terlepas dari
atomnya menjadi elektron bebas
Terdapat perbedaan potensial Vext
antara pelat P dan cawan kolektor C
Elektron akan mengalir (bergerak)
menghasilkan arus i yang melewati
pengukur arus A
Beda potensial Vext dapat diubahubah dari positip ke negatip
14
Pengamatan I : Stopping Potential Vo
Cahaya a dan b mempunyai
intensitas berbeda (b > a)
Vo adalah beda potensial yang
diperlukan agar tidak terjadi arus
Energi potensial eVo sama dengan
energi kinetik maksimum Km yang
diperoleh elektron akibat tumbukan
dengan foton
Ternyata Vo sama untuk cahaya a
dan cahaya b
Energi kinetik maksimum dari
elektron tidak tergantung pada
intensitas cahaya
15
Pengamatan II : Frekuensi cutoff fo
Pada frekuensi fo stopping potential Vo = 0
Untuk f < fo, tidak terjadi efek fotoelektrik
16
Analisis I : Stopping Potential Vo
Cahaya = Gelombang
Dalam teori gelombang, intensitas lebih tinggi akan
memperbesar amplituda medan listrik E
Gaya eE yang diterimanya akan memperbesar
percepatan Energi kinetik lebih besar
Ternyata energi kinetik maksimumnya sama
Telah dicoba dengan intensitas sampai 107 kali
Stopping potential yang selalu sama pada efek
fotoelektrik tidak dapat diterangkan dengan
menganggap cahaya adalah gelombang
17
Analisis I : Stopping Potential Vo
Cahaya = partikel (foton)
Cahaya dengan intensitas lebih tinggi akan
mempunyai jumlah foton yang lebih banyak
Tidak memperbesar energi kinetik setiap foton
Energi kinetik yang diperoleh elektron dari
tumbukan dengan foton tidak berubah E = h f
Stopping potential yang selalu sama pada efek
fotoelektrik dapat diterangkan dengan
menganggap cahaya adalah partikel
18
Analisis II : Frekuensi cutoff fo
Cahaya = Gelombang
Menurut teori gelombang, efek fotoelektrik
seharusnya tetap akan terjadi untuk setiap
frekuensi asalkan intensitasnya cukup tinggi
Ternyata untuk f < fo, efek fotoelektrik tidak
pernah terjadi berapapun intensitasnya
Adanya frekuensi cutoff pada efek fotoelektrik
tidak dapat diterangkan dengan menganggap
cahaya adalah gelombang
19
Analisis II : Frekuensi cutoff fo
Cahaya = partikel (foton)
Elektron-elektron terikat pada atom-atomnya
Diperlukan energi minimum agar elektron terlepas
dari atomnya yang disebut sebagai Work Function
Bila energi foton yang menumbuknya hf > , efek
fotoelektrik akan terjadi
Bila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi foton
hf < , efek fotoelektrik tidak mungkin terjadi
Adanya frekuensi cutoff dapat diterangkan dengan
menganggap cahaya adalah partikel
20
Analisis III : Time delay
Dalam teori gelombang, elektron memerlukan
waktu menampung/menerima energi dari
gelombang cahaya sampai cukup besar agar dapat
melepaskan diri dari atomnya
Kenyataannya selang waktu ini tidak pernah
teramati dalam percobaan-percobaan
Efek fotoelektrik terjadi seketika, karena
terjadinya peristiwa tumbukan antara elektron dan
foton
21
Analisis Kuantitatif
Prinsip Kekekalan Energi pada efek fotoelektrik
Einstein :
hf K m
eVo K m
K m hf
h
Vo f
e
e
Vo linier terhadap frekuensi
22
h ab
e bc
(2,35 0,72)V
14
(10 6) x10 Hz
4,1x10 15 V.s
h
(e) h
e
h (4,1x10 15 V.s)(1,6 x10 19 C)
h 6,6 x10 34 J.s 6,63x10 34 J.s
23
Contoh 5.3 :
Tentukan besarnya work function dari pengamatan frekuensi cutoff
Jawab :
Vo 0
f o 4,3x1014 Hz
h
Vo f
e
e
h
0 fo
e
e
hf o (6,63x1034 J.s)( 4,3x1014 Hz )
2,9x1019 J 1,8eV
24
EFEK COMPTON (1923)
Arthur Holly Compton, Washington University
Sinar-x dengan panjang gelombang diradiasikan ke
target berupa grafit T
Hamburan yang terjadi pada berbagai arah diukur
25
intensitasnya sebagai fungsi dari panjang gelombang
Terdapat dua puncak panjang
gelombang :
= sinar-x yang datang
‘= sinar-x yang dihamburkan
'
'
Compton shift
26
Cahaya = Gelombang
Elektron-elektron akan berosilasi pada frekuensi
yang sama dengan frekuensi dari cahaya yang
mengenainya
Terjadinya gelombang dengan frekuensi/panjang
gelombang yang berbeda tidak dapat diterangkan
bila cahaya dianggap sebagai gelombang
Cahaya = partikel
Foton dengan energi hf yang bertumbukan dengan
elektron akan kehilangan sebagian energinya (di
ambil oleh elektron)
Energi foton setelah tumbukan E’ = hf’ < hf
Panjang gelombangnya akan lebih besar (’ > )
27
Analisis Kuantitatif
Prinsip kekekalan energi :
E hf
E' hf '
E E' K
K mc 2 ( 1)
hf hf ' mc ( 1)
2
c
c
h h mc 2 ( 1)
'
h
h
mc ( 1)
'
Momentum foton dan momentum elektron :
h
p
h
p
'
p e mv
28
Prinsip kekekalan momentum :
h
p
h
p
'
h
h
cos
'
h
0 sin
'
p e mv
mv
v
1
c
mv
v
1
c
2
2
mv
v
1
c
cos
sin
h
'
(1 cos )
mc
Panjang gelombang Compton
2,43 pm
29
2
Contoh 1.4 :
Sinar-x dengan panjang gelombang 22 pm dihamburkan oleh target
karbon. Bila radiasi yang dihamburkan diamati pada sudut 85o,
tentukan :
a) Compton shift yang terjadi
b) Persentase energi (fraksi energi) yang hilang
Jawab :
a)
h
(1 cos ) (2,43 pm)(1 cos 85o ) 2,21 pm
mc
30
b)
E E' hf hf ' f f '
frac
E
hf
f
c c
'
'
frac
c
'
2,21
frac
0,091 9,1%
22 2,21
31
MAX PLANCK
Radiasi obyek yang dipanaskan
Radiator ideal yang radiasinya hanya tergantung
pada temperatur
Benda berongga yang dindingnya bertemperatur
konstan dan diberi lubang kecil
Radiasi yang keluar dari lubang berwarna lebih
terang/putih (semua panjang gelombang ada)
Teori klasik sesuai dengan hasil pengukuran
hanya pada panjang gelombang
Mengusulkan rumus radiasi yang sesuai dengan
hasil pengukuran untuk semua temperatur dan
32
panjang gelombang (1990)
Rumus radiasi klasik
2ckT
S()
4
k = konstanta Boltzmann
= 1,38x10-23 J/K
= 8,62x10-5 eV/K
Rumus radiasi Planck
2c 2 h
S()
5
1
e
hc
kT
1
Diturunkan/dibuktikan
pada tahun 1917
Einstein
33
Asumsi-asumsi pada rumus radiasi Planck
Energi radiasi dari rongga terkuantisasi
Radiasi dalam bentuk foton-foton dengan
energi sebesar E = hf
Energi atom-atom dari bahan yang
membentuk dinding rongga terkuantisasi
34
CORESPONDENCE PRINCIPLE
Persamaan Newton relativitas berlaku umum
Persamaan Newton klasik kecepatan rendah
2c 2 h
S()
5
1
e
2ckT
S()
4
hc
kT
Semua
1
besar
35
hc
x
kT
x0
2c 2 h
S()
5
1
e
hc
kT
1
2c 2 h 1
5 e x 1
hc
x
0
kT
2
3
x
x
ex 1 x
2
6
hc
e 1 x
kT
x
2c 2 h 1 2c 2 h kT 2ckT
S()
5
5
x
hc
4
36
Symmetry of Nature
Faraday :
Medan magnetik berubah menimbulkan medan listrik
Oursted :
Medan listrik berubah menimbulkan medan magnetik
Elektron mempunyai suatu antipartikel
Partikel bermassa sama tapi bermuatan positip
Proton mempunyai suatu antipartikel
Partikel bermassa sama tapi bermuatan negatip
37
LOUIS VICTOR DE BROGLIE
Einsten :
Cahaya tidak hanya merupakan suatu gelombang
tetapi juga merupakan suatu partikel
De Broglie :
Materi tidak hanya merupakan suatu partikel
tetapi juga merupakan suatu gelombang
Hipotesa de Broglie (1924) :
Mengusulkan bahwa formula : p = h berlaku
baik untuk cahaya maupun untuk materi
38
p h
Momentum suatu foton :
h
p
Panjang gelombang suatu partikel :
h
p
Panjang gelombang Broglie
39
Contoh Soal 5.4 :
Berapa panjang gelombang Broglie dari sebuah elektron yang
mempunyai energi kinetik 120 eV ?
Jawab :
1
K mv 2
2
p mv
p
2(9,1x10 31 kg)(120 eV)(1,6x10 19 J / eV)
2mK
p 5,91x10
24
p
2mK
kg m / s
34
h
6,63x10 J.s
10
1,12x10 m 112 pm
24
p 5,91x10 kg.m / s
40
Contoh Soal 5.5 :
Berapa panjang gelombang Broglie dari sebuah baseball
bermassa 150 g yang sedang bergerak dengan kecepatan sebesar
35 m/s ?
Jawab :
h
h
p mv
34
6,63x10 J.s
34
1,26 x10 m
(0,15 kg )(35 m / s)
41
PEMBUKTIAN HIPOTESA BROGLIE
Thomas Young (1801) :
Cahaya tampak
Max von Laue (1912) :
Sinar-x
Percobaan di laboratorium
Lubang (pinholes)
Celah sempit (slits)
Atom
42
PERCOBAAN DAVISSON - GERMER
Filamen F dipanaskan sehingga
terjadi elektron-elektron bebas
Beda tegangan V memberikan
elektron energi kinetik sebesar eV
Elektron bergerak menuju kristal C
berupa bahan nikel
Elektron yang dipantulkan diterima
oleh detektor D sebagai arus listrik I
Untuk harga V tertentu, arus diukur
pada berbagai sudut
Beda potensial V kemudian diubahubah dan arus diukur lagi pada
berbagai sudut
43
PENGAMATAN HASIL PERCOBAAN
Beda tegangan sebesar 54 V
Terjadi arus (pantulan elektron)
maksimum pada sudut 50o
Bila beda tegangan diperbesar atau
diperkecil sedikit, arus listriknya
berkurang dengan drastis
Bila Bila sudutnya diubah sedikit,
arus listriknya juga berkurang
dengan drastis
Sepertinya telah terjadi difraksi
maksimum dan minimum
Bersifat seperti gelombang
44
DIFRAKSI BRAGG
Difraksi Bragg terjadi bila d sin
= m, m = 0, 1, 2, 3, …
Kristal nikel : d = 215 pm
Untuk m = 1 :
d sin
m
(215 pm)(sin 50o )
165 pm
1
K 54 eV
167 pm
45
PERCOBAAN G. P. THOMSON (1927)
Target bukan kristal tetapi pelat logam tipis yang
ditaburi serbuk alumunium secara acak
Digunakan elektron yang dipercepat dan sinar-x
Pola difraksinya diamati baik untuk elektron
maupun untuk sinar-x
46
POLA DIFRAKSI
Sinar-x
Berkas elektron
Ternyata pola difraksinya sama
Berkas elektron adalah suatu gelombang
47
J.J. Thomson :
Hadiah Nobel 1906
Penemuan elektron (sebagai partikel)
G.P. Thomson :
Hadiah Nobel 1937 (bersama Davisson)
Elektron sebagai gelombang
G.P. Thomson adalah anak dari J.J. Thomson
48