Sejarah lahirnya Fisika Kuantum
Ikwan Wahyudi Fisika kuantum: “ilmu yang mempelajari kelakukan materi dan energi pada skala molekul, atom, inti dan bahkan
pada level mikroskopik lainnya yang lebih kecil.”
Kuantum:
Bahasa latin seberapa banyak. Di dasari pada
satuan diskret dari materi dan energi.Sejarah lahirnya Fisika Kuantum
Awal abad 20, fsika kuantum berkembang sebagai cabang baru dalam teori fsika dan digunakan untuk memahami rahasia interaksi antara materi dan radiasi.
Ketidakmampuan mekanika klasik dan teori elektromagnetisme dalam menjelaskan efek tertentu dari radiasi mengembangkan kerangka teori baru.
Fisika kuantum dimulai ketika:
1859 – 1960 : Michael Faraday menemukan sinar katoda.
Gustav Kirchof : menyatakan tentang radiasi benda hitam
1887 : Ludwig Boltzman menyatakan bahwa bentuk energi pada sistem fsika berbentuk diskrit.
1900: Max Planck “energi itu terkuantisasi” ( ketika ilmuwan tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi spektrum cahaya yang dipancarkan oleh suatu benda mampat tertentu (benda
Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam tidak bisa diterangkan dengan teori-teori fsika klasik, sampai akhirnya Planck menurunkan persamaan yang dapat menerangkan radiasi spektrum ini sebagai fungsi temperatur.
Sejarah Perkembangan Fisika Kuantum
1905 (Albert Einstein) berhasil menjelaskan efek fotolistrik dengan dasar teori Planck.
1913 (Neils Bohr) menjelaskan garis-garis spektrum dari atom hidrogen dengan menggunakan teori
Namun teori ini tidak dapat menjelaskan bagaimana kuantisasi. interaksi atom-atom penyusun ini bisa menyusun kumpulan makroskopis.
1924 (Louise de Broglie) menyatakan bahwa partikel dapat menunjukkan sifat gelombang dan sebaliknya.
Hanya berlaku untuk partikel tunggal.
1925 (Werner Heisenberg dan Max Born) mengembangkan mekanika matriks, dimana pada 1927
1927 – 1929:
Mulai 1927 dilakukan penerapan mekanika kuantum untuk sebuah bidang teori medan kuantum. (P.A.M. Dirac, W.
Pauli, V. Weisskopf, dan P. Jordan)
1940 mencapai puncak penelitian perumusan elektrodinamika kuantum. (R.P. Feynmen, F. Dyson, J. Schwinger, dan S.I Tomonaga). ...teori kuantum tentang elektron, positron, dan medan elektromagnet.
Pada tahun 1975 lahir teori kuantum Chromoynamics oleh Politzer, Gross, dan Wilczek.
Kemudian oleh Schwinger, Higgs, dan Goldstone, fsikawan Glashow, Weinberg, dan Salam menunjukkan bagaimana gaya nuklir lemah dan kuantum elektrodinamika dapat disatukan ke dalam gaya listrik lemah.
Simpulan perkembangan fsika kuantum
Awal-awal penemuan :
Radiasi benda hitam
Efek fotolistrik
Dualisme gelombang partikel:
Eksperimen celah ganda Young
Hipotesis de Broglie
Efek Compton
Ide dan interpretasi penelitian:
Interpretasi copenhagen
Schrodinger’s cat
Ikwan Wahyudi Pendahuluan
Pernahkah kalian menggunakan pakaian hitam di siang hari yang panas? Jika pernah, bagaimana rasanya? Pasti sangat panas
Ini karena warna hitam menyerap semua cahaya bukan? atau sinar yang jatuh mengenainya sehingga benda tersebut akan menjadi panas.
Pernahkah memperhatikan bola lampu yang menyala? Menurut Anda, manakah yang benar dari pernyataan berikut: suatu lampu bola menyala/bercahaya karena flamennya dipanaskan
Pernahkah kalian melihat lampu pijar? Jika kalian perhatikan, pada bagian flamen lampu berwarna kuning keputih-putihan padahal lampu berwarna
Ini terjadi karena suhu biru. Mengapa hal ini terjadi? lampu pijar di atas 2.000 K. Semua benda yang berada pada suhu di atas 2.000 K akan memancarkan cahaya putih.
Pernahkah kalian melihat proses pembuatan pisau/pedang? Besi yang dipanaskan terlihat berwarna kuning kemerah-merahan bukan? Mengapa demikian?
“Setiap benda akan memancarkan cahaya pada saat
dipanaskan (radiasi panas), contoh: besi dipanaskan. “
Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya
melebihi 1.000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah
seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu
di atas 2.000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan,
seperti pijar putih dari flamen lampu pijar. Begitu suhu
benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum
cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini menyebabkan
pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat
digunakan untuk menentukan suhu suatu benda.Pertanyaannya sekarang adalah
Jika ada besi, perunggu, kuningan, dan baja dipanaskan pada
suhu yang sama, apakah warna yang terpancar sama atau
berbeda?“warna yang terpancar tidak bergantung pada jenis bahan
atau warna asalnya, melainkan pada temperaturnya semata”
Ternyata selain cahaya tampak yang diradiasikan suatu benda, suatu benda ketika dipanaskan juga memancarkan radiasi elektromagnetik lainnya.
radiasi juga tetap terjadi bila benda yang digunakan berwarna hitam (mis: karbon) radiasi baru melemah jika benda didinginkan sampai mendekati temperatur mutlak (0 kelvin)
radiasi cahaya tampak hanya merupakan bagian kecil saja dari radiasi keseluruhan
“Pada akhirnya yang dipancarkan adalah radiasi
gelombang elektromagnetik”
Dan semua pembahasan diatas akan dipelajari di BAB
Gelombang elektromagnetik = gelombang transversal dgn dua arah getar yaitu medan magnet dan medan listrik.
Ciri gelombang elektromagnetik:
Dapat merambat di ruang hampa
Tidak bermuatan listrik
Merupakan gelombang transversal
Memiliki sifat umum gelombang
Tidak dapat dibelokkan arah rambatannya baik medan
listrik/magnet. C = f
8
C = cepat rambat gelombang (3 × 10 m/s) Spektrum gelombang elektromagnetik
- fungsinya
Peta Konsep: Radiasi Benda Hitam
Radiasi Panas Intensitas Radiasi
Hukum Radiasi Pergeseran Benda Hitam
Wien Teori Klasik Rayleigh- Jeans
Hukum Radiasi Planck Radiasi Panas
Radiasi panas adalah radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya.
Setiap benda memancarkan radiasi panas secara kontinu dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tetapi pada umumnya, kalian dapat melihat sebuah benda, karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, bukan karena benda itu memancarkan radiasi panas. (slide 10)
Secara umum bentuk terperinci dari spektrum radiasi panas
yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu . Walaupun demikian, hasil eksperimen
menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektra panas dengan karakter universal . Benda ini adalah benda hitam atau black body. Benda Hitam
Benda hitam (black body) : benda yang menyerap semua panjang gelombang dari radiasi elektromagnetik. Jadi tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. (nilai absorptansi dan emisivitas = 1) emisivitas (daya pancar) merupakan karakteristik suatu materi,
yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan
luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda
hitam pada temperatur yang sama . Sementara itu, absorptansi (daya
serap) merupakan perbandingan fuks pancaran atau fuks cahaya
yang diserap oleh suatu benda terhadap fuks yang tiba pada benda
Benda hitam akan menyerap cahaya itu . sekitarnya jika suhunya lebih rendah daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi daripada Intensitas Radiasi
Radiasi benda hitam: radiasi elektromagnetik yang diemisikan oleh sebuah benda hitam
Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya
temperatur.
Tahun 1879: Josef Stefan Mengetahui karakter universal dari radiasi benda hitam Daya total per satuan luas (P/A) = intensitas total (I)
P/A yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh benda hitam
adalah sebanding pangkat empat dari suhu mutlaknya. 2 I : intensitas radiasi (W/m ) -8 -2 -4 tetapan Stefan-Boltzman (5,67 × 10 Wm K )T : suhu mutlak (K) untuk kasus benda panas tapi bukan benda hitam ideal, maka e : koefsien emisivitas
Persamaan-persamaan lain:
Beberapa tahun kemudian, Ludwig Boltzman secara teoritis
menurunkan hukum Josef Stefan dari gabungan termodinamika
dan persamaan-persamaan Maxwell. Hukum Stefan-Boltzman:
“Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah
benda hitam dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan
pangkat empat temperatur termodinamikanya”. Hukum Pergeseran Wien
Untuk sebuah benda hitam, berlaku suatu hubungan antara panjang gelombang dengan suhu mutlak yang dinyatakan:
- -3 C : tetapan pergeseran Wien (2,898 × 10 mK)
panjang gelombang radiasi benda hitam ideal pada tiga temperatur yang berbeda.
Grafk ini dikenal sebagai grafk distribusi spektrum. Intensitas merupakan daya yang dipancarkan per satuan panjang gelombang. Ini merupakan fungsi panjang gelombang I maupun temperatur T, dan disebut distribusi spektrum.
Dari grafk terlihat bahwa puncak kurva
Pada gelombang panjang, analisis Wien tidak sesuai dengan hasil eksperimen.
Pada gelombang pendek, analisis Wien sesuai dengan hasil eksperimen.
lihat: hubungan empiris intensitas dengan panjang gelombang
Teori Klasik Rayleigh-Jeans
Secara teoritis, Rayleigh-Jeans menggunakan teori ekipartisi energi fsika klasik (termodinamika klasik) menurunkan fungsi distribusi spektrum. Dia menganggap bahwa gelombang elektromagnetik yang dipancarkan pada radiasi kalor bersifat kontinu.
Hasil perhitungan klasik Hukum Rayleigh-Jeans, yang dinyatakan:
- -4
P ( λ,T ) = 8 π kTλ dengan k merupakan konstanta Boltzmann.
Bencana Ultraviolet
Untuk panjang gelombang panjang, diperoleh analisis yang sesuai dengan hasil eksperimen Untuk panjang gelombang pendek, tidak sesuai. Begitu λ mendekati nol, fungsi P ( λ , T ) yang ditentukan secara percobaan juga mendekati nol, Hukum Radiasi Planck
Hukum radiasi Planck menunjukkan distribusi (penyebaran) energi yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. energi merupakan
suatu besaran yang dipancarkan oleh sebuah benda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putus , bukan dalam bentuk pancaran
molar. Paket-paket kecil ini disebut kuanta.
Max Planck menyatakan dua asumsi mengenai energi radiasi benda hitam.
Radiasi yang dipancarkan oleh getaran molekul-molekul tidak kontinu, tetapi
dalam paket-paket energi diskret yang disebut dengan kuantum (foton).
Besar energi radiasi E = hf, jika terdapat n buah foton, maka E = nhf E = energi radiasi foton (J)- -34 h = tetapan Planck (6,63 × 10 Js) n = bilangan kuantum utama (1, 2, 3 ....)
energi ini terkuantisasi f = frekuensi getaran molekul (Hz) Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi dalam satuan diskret dari energi cahaya yang disebut dengan kuantum (foton). Melakukan hal tersebut dengan melompat dari satu tingkat energi ke tingkat energi DUALISME GELOMBANG
PARTIKEL
Ikwan Wahyudi
Pendahuluan Partikel dan gelombang sejak lama dikenal sebagai dua kuantitas yang berbeda dan sama sekali tidak berhubungan
elektron dikenal sebagai partikel bermuatan negatif dan menjadi penghantar listrik dalam logam
cahaya dikenal sebagai radiasi gelombang EM dari benda yang dipanaskan
Hipotesis de Broglie
Cahaya memiliki 2 sifat, yaitu sebagai partikel dan gelombang.
Sebagai gelombang dinyatakan oleh panjang gelombang
Sebagai partikel dinyatakan dengan besaran momentum
Hubungan antara momentum dengan panjang gelombang sebuah foton:
Berdasarkan sifat dualisme cahaya ini Louis de Broglie mengemukakan teori:
“partikel (seperti elektron) yang bergerak ada kemungkinan
memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang tertentu”.
Mengingat bahwa: p = mv, maka persamaan diatas akan memiliki persamaan panjang gelombang de Broglie sebagai berikut:
Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik “peristiwa keluarnya/terlepasnya elektron dari permukaan logam karena radiasi elektromagnetik”
1887: Hertz menemukan efek fotolistrik
1900: Lenard mengkaji efek fotolistrik yang ditemukan Hertz
1905: Albert Einstein menggunakan gagasan Max Planck tentang kuantisasi energi untuk menjelaskan efek fotolistrik
Salah satu jenis peradiasi elektromagnetik yaitu CAHAYA, dimana cahaya merupakan sebagai bentuk energi.
Alat tersebut merupakan alat untuk menyelidiki efek
fotolistrik yang berupa rangkaian yang memiliki tabung
kaca hampa udara, pelat logam (elektrode) A (anoda)
dan C (katoda), dan terdapat amperemeter + voltmeter.
Pada saat tabung di ruang gelap (tidak ada cahaya masuk) amperemeter tidak menyimpang (di angka nol) tidak ada arus yang mengalir di rangkaian. (tidak
ada elektron yang keluar dari pelat C)
Cahaya datang (dengan frekuensi tertentu) menumbuk pelat C elektron terpancar dari pelat C ketika elektron menumbuk anoda A terjadi aliran elektron di ruang antara C dan A terjadi aliran arus pada rangkaian luar amperemeter mencatat arusnya.
Jika tegangan diperkecil hingga polaritas baterai terbalik, pada nilai tegangan kritis –V tidak ada arus tidak ada elektron yang keluar. Potensial ini disebut dengan potensial henti V . 2
Hanya elektron dengan energi kinetik ½mv yang lebih besar daripada eV yang dapat mencapai anoda A.
Sehingga hubungan antara energi maksimum yang dapat
Intensitas tinggi
Hubungan antara I dengan V untuk 2 nilai
Intensitas rendah
intensitas yang berbeda
f – f
- V
V
Ketika intensitas meningkat, arus yang mengalir juga meningkat, nilai potensial henti sama.
EFEK FOTOLISTRIK DIDASARI DENGAN DUA TEORI, yakni
TEORI GELOMBANG dan TEORI FOTON
Teori gelombang berorientasi pada dua sifat penting gelombang cahaya, yaitu intensitas dan frekuensi GAGAL menerangkan sifat penting efek fotolistrik.
Teori Foton menyatakan bahwa semua foton memiliki energi, sehingga Intensitas cahaya naik jumlah foton naik tetapi tidak menambah energi foton selama frekuensinya tetap. TEORI GELOMBANG DALAM EFEK FOTOLISTRIK
Teori gelombang energi kinetik fotoelektron bertambah jika intensitas cahaya diperbesar. Nyatanya besarnya Ek
maksimum fotoelektron tidak bergantung pada sifat cahaya.
Teori gelombang efek fotolistrik dapat terjadi pada tiap frekuensi asalkan intensitasnya memenuhi. Nyatanya hanya
dibutuhkan frekuensi ambang f untuk menghasilkan fotoelektron.
Teori gelombang dibutuhkan rentang waktu yang cukup lama agar elektron berhasil mengumpulkan energi untuk keluar dari permukaan logam. Nyatanya elektron lepas dari permukaan logam tanpa selang waktu.
Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa Ek maks TEORI FOTON DALAM EFEK FOTOLISTRIK Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, diperlukan kerja minimum yang disebut dengan fungsi kerja atau energi ambang (W ).
Intensitas naik jumlah elektron lepas naik tidak terjadi perubahan energi elektron energi kinetik maksimum elektron tidak berubah.
Frekuensi naik energi kinetik naik, dengan persamaan: Ek maks = hf – W
Jika f cahaya < f ambang tidak ada elektron keluar dari logam
Elektron lepas dari logam sesaat setelah penyinaran terjadi.
Hal tersebut karena cahaya bersifat paket energi, sehingga terjadi transfer energi spontan dari foton ke elektron dengan interaksi satu-satu. Efek Compton
Ilmuwan Amerika, Arthur Holy Compton
mempelajari gejala tumbukan antara foton elektron. Berdasarkan kesetaraan 2 massa dan energi (E = mc ) dan besarnya energi tiap foton (E = ), dapat diperoleh persamaan momentum : p = mc =
Ketika terjadi tumbukan antara foton dan elektron, setelah itu foton aka kehilangan energi sebesar ∆E = hf – hf’, sehingga panjang gelombang setelah bertumbukan akan bertambah besar ( > ). Berdasar hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum, hubungan antara dengan , memenuhi persamaan :
FIS
IKA KU AN TU M