Sejarah Teori Kuantum. Garis terang pada spektrum cahaya

(1)

Pendidikan Fisika http://pf.uad.ac.id

Kuliah Sejarah Fisika

Rachmad Resmiyanto

http://rachmadresmi.staff.uad.ac.id

Sejarah Teori Kuantum

Garis terang pada spektrum cahaya

• Selama 150 tahun percobaan emisi cahaya dari gas banyak dilakukan di lab-lab fisika di Eropa.

• Beberapa fisikawan percaya, percobaan macam ini akan menyingkap rahasia atom.

• 1752, Thomas Melvill, fisikawan Skotlandia, meneliti emisi cahaya dari berbagai pijaran gas

“spektrum cahaya dari gas panas yang terlihat melalui prisma berbeda sekali dengan spektrum cahaya padatan berpijar”

Tantangannya: bagaimana melihat keteraturan dalam kekacauan dari limpahan informasi yang luas ini

(2)

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 3

• Ternyata pola spektrum tiap unsur memiliki karakater berbeda, ukurannya sangat pasti

• Tidak ada 2 unsur yang memiliki pola garis yang sama

• Jadi spektrum dapat

digunakan untuk mengenali gas yang tak diketahui.

(3)

Spektrum Pancaran - Serapan

Ternyata pola spektrum garis gelap tepat bersesuaian dengan pola garis terang

Kesimpulan: untuk gas yang sama, frekuensi serapan = frekuensi pancaran. Jadi ada karakteristik tigkat energi dalam gas yang bisa berubah-ubah. Artinya, gas

bisa menerimadan melepasenergi. INI SESUATU YANG MENARIK.

(4)

Spektrum Fraunhofer

1814, Joseph von Fraunhofer

(1787-1826) bikin spektroskop. Ia memperoleh spektrum matahari.

Garis-garis gelap spektrum matahari dikenal sebagai garis- garis Fraunhofer dan menjadi dasar spektroskopi astronomi.

Helium

• Gustav Kirchoff (1824-1887) menyelidiki garis-garis gelap spektrum matahari beberapa tahun kemudian.

• Ia mencocokkan spektrum terang gas natrium (dari cairan garam yg diuapkan) dengan spektrum matahari Fraunhofer. Kesimpulannya, garis-garis gelap

disebabkan kehadiran gas dingin natrium di atmosfer matahari.

• Dalam pengamatan itu, ditemukan pola spektrum asing.

(5)

Hidrogen

• Spektrum garis pasti mengandung info mendasar ttg struktur atom

• Dipilih hidrogen: unsur paling sederhana

• 4 garis hidrogen yg paling penting, semuanya dalam cahaya tampak, diukur secara teliti pada awal 1862 oleh astronom Swedia A.J. Angstrom (1814-1874)

JJ Balmer

• 1885, Johann Jacob Balmer (1825-1898) menerbitkan tulisannya seusai berbulan- bulan memanipulasi angka nilai frekuensi garis spektrum hidrogen pada cahaya tampak.

• Balmer hanya mengolah data mentah, tidak melibatkan teori fisika apapun, , murni manipulasi numerik.

• Ajaib. Balmer bisa menyusun rumus untuk menghitung nilai frekuensi 4 garis

hidrogen

• nf =2; ni=3,4,5,6

• R = 3,29163 x 10¹⁵put/detik

(6)

Percobaan vs Rumus Balmer

Panjang gelombang (nm = 10^-9m)

Frekuensi (10⁶ MHz)

PERCOBAAN

Frekuensi (10⁶ MHz)

RUMUS BALMER

Nilai ni (nf = 2)

656,210 (merah) 457,170 457,171 3

486,074 (hijau) 617,190 617,181 4

434,01 (biru) 691,228 691,242 5

410,12 (ungu) 731,493 731,473 6

• Persamaan Balmer terlalu sayang untuk diabaikan.

Mesti ada sesuatu yang fundamental yang melandasi persamaan Balmer

• Garis-garis lain perkiraan Balmer [dengan nilai nf

berbeda] – daerah ultraviolet & inframerah – belum bisa diamati waktu itu.

(7)

N akhir Nf = 1 Nf = 2 Nf = 3 Nf = 4 N awal Ni = 2,3,4,... Ni = 3,4,5,... Ni = 4,5,6,... Ni = 5,6,7,...

Garis terang Ultraviolet Cahaya tampak

Inframerah inframerah Tahun

dirumuskan

1906-14 1885 1908 1922

Perumus Lyman Balmer Paschen Bracket

Deret-deret ini menyiratkan bahwa berbagai diagarm pancaran/serapan cahaya Harus berkaitan dengn penurunan/kenaikan energi atom

(8)

INGAT !

Sampai 1890-an belum ada gagasan ttg susunan atom.

Jadi, teori atom [yang powerfull yang hendak disusun] harus memperhitungkan rumus ajaib JJ

Balmer

(9)

lalu...

Lalu, bagaimana kisahnya para fisikawan sampai pada teori atom?

Elektron

Lab. Cavendish Univ. Cambridge Atom mulai di bedah dari

tempat ini

(10)

Elektron

Lab. Cavendish Univ. Cambridge Atom mulai di bedah dari

tempat ini

(11)

Elektron

J.J. Thomson (1856-1940)

Fisikawan Besar klasik

Elektron

J.J. Thomson (1856-1940)

Hasil saya, elektron punya nisbah muatan

terhadap massa.

Ini artinya elektron itu partikel, bukan sinar

katoda.

(12)

Model Atom Roti Kismis

(13)

Model Atom Roti Kismis

MODEL BENAR MODEL SALAH

Model Atom Roti Kismis

(14)

Model Atom Roti Kismis

Radiasi Atom diterangkan dengan teori elektromagnetika Maxwell

Dinamika atom mengikuti Mekanika Newton

Asumsi klasik masih dipakai di sini

Model Atom Roti Kismis

Model ini tersiar luas, tetapi model ini tidak stabil dan juga tidak memberi petunjuk Apa-apa

(15)

datanglah seorang profesor dari Univ Victoria Manchester

dari Thomson ke muridnya, Rutherford

JJ Thomson Rutherford

Rutherford, seorang pejuang di bidang

fisika eksperimental

(16)

Patung Rutherford di Selandia Baru, kampung halamannya

Murid Rutherford

(17)

• Ernest Marsden, with his wife Joyce and a friend, at Manchester University in 1961., Lady Marsden Collection, Alexander Turnbull Library

Rutherford, fisikawan nyentrik

Pada 1907, Ernest Rutherford (1871-1937), murid Thomson di Cambridge, profesor fisika di Univ. Manchester, tampil ke permukaan. Pada 1908, Rutherford dapat ilham:

penembakan muatan positif.

Perkenalkan Saya Rutherford Saya Geiger

(18)

Rutherford, fisikawan nyentrik

Ernest Rutherford mengobarkan semangat “perjuangan fisika” kepada murid- muridnya dengan menyanyi lagu Onward Christian Soldiers

Kristus, Tuan yang mulia, Memimpin melawan musuh;

Maju berperang,

Lihat kemana panjinya pergi!

Majulah hai kawan,

Bergabung dalam barisan kami;

Bergabung bersama kami suaramu

Dalam sebuah nyanyian kemenangan;

“Kemuliaan, pujian, dan

hormatkepada Kristus sang Raja!”

Sekarang dan sampai selama-

(19)

Ini betul-betul tidak masuk akal. Itu

sperti menembakkan peluru 15 inchi ke

selembar kertas tisu, tapi peluru itu

malah terpantul.

(20)

Pantulan balik pasti karena tumbukan

tunggal...

Ini atom pastilah sangat kecil, masif

dan memiliki muatan positif yang

sangat besar..

Pada percobaan hamburan kedua, hasilnya ternyata lain: tentang prediksi ukuran inti .

Kalau partikel alfa bergerak lurus mendekati inti, energi kinetiknya diubah menjadi energi potensial listrik shg geraknya melambat dan akhirnya berhenti. Jarak terdekat antara partikel dan inti bisa dihitung dg hukum kelestarian

(21)

Bagaimana susunan elektron di

sekitar inti?

Inti atom terdiri dari apa?

Apa yang mempertahankannya dari

tolakan muatan-muatan positifnya?

Mengapa elektron (yg negatif ) tidak

jatuh ke inti (yg positif) oleh gaya

tarik listrik?

Bagaimana susunan elektron di

sekitar inti?

Inti atom terdiri dari apa?

Apa yang mempertahankannya dari

tolakan muatan-muatan positifnya?

Mengapa elektron (yg negatif ) tidak

jatuh ke inti (yg positif) oleh gaya

tarik listrik?

Rutherford mengajukan model atom planet. Elektron mengitari inti. Tarikan listrik menimbulkan gaya sentripetal yg bikin elektron tetap mengorbit

(22)

Model atom Rutherford bisa menjelaskan apa yg ia temui pada hamburannya Tapi, muncul persoalan baru... APA ITU?

Jika elektron bergerak melingkar di sekitar inti (berarti ada percepatan), mengapa atom tidak memancarkan radiasi kontinyu seperti diperkirakan oleh elektromagnetika klasik?

Hikmah: sesuatu yg bisa menyelesaikan persoalan tertentu, jangan harap ia juga

bisa menangani segala persoalan

(23)

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 45 Komisi energi atom USA Bendera IAEA

Simbol kepahlawanan

(24)

Niels Hendrik David Bohr (1885 - 1962)

Nasab:

Ayah:

Christian Harald Lauritz Peter Emil Bohr Ibu : Ellen Bohr (Ellen Adler)

Uang Denmark

(25)

Niels Bohr

&

Max Planck

Datangnya Niels Bohr...

Tiba di Inggris 1911. Awalnya ia bekerja di Lab Cavendish dibawah asuhan Thomson, tapi kemudian ia berhenti

setelah bertemu Rutherford. [Cambridge]

Bohr punya keterbatasan bahasa. Ia selalu menenteng kamus besar dan karya-karya Charles Dickens

Di Lab Rutherford, 1912, Niels Bohr mengawali penyelidikannya.. [Manchester]

Niels Bohr, Orang besar dari Denmark

“Ki Ageng Denmark”

(26)

Datangnya Niels Bohr...

Tiba di Inggris 1911. Awalnya ia bekerja di Lab Cavendish dibawah asuhan Thomson, tapi kemudian ia berhenti

setelah bertemu Rutherford. [Cambridge]

Bohr punya keterbatasan bahasa. Ia selalu menenteng kamus besar dan karya-karya Charles Dickens

Di Lab Rutherford, 1912, Niels Bohr mengawali penyelidikannya.. [Manchester]

Niels Bohr, Orang besar dari Denmark

“Ki Ageng Denmark”

Awal kemarau 1912 Bohr menyerahkan makalah “Susunan Atom & Molekul” kpd Rutherford.

Bohr bikin dugaan, “mungkin ada orbit yang stabil berkaitan dengan rumus Planck-Einstein, E = h f ”

Pada 1912, J.W. Nicholson (1881-1955) (kenalan Bohr di Cambridge) memberi batasan nilai momentum sudut elektron dalam atom hidrogen, L = mvR = n(h/2) .

(27)

Apa itu momentum?

Momentum

Momentum linier

p = m v

“selagi tak ada gangguan luar, sekali benda bergerak, benda akan tetap bergerak” (prinsip kelestarian momentum)

Momentum sudut L = m v r

“selagi tak ada gangguan luar, sekali berputar dalam orbit tertutup, benda akan begerak dengan momentum sudut tetap”

(prinsip kelestarian momentum sudut)

(28)

Momentum sudut L = m v r

“selagi tak ada gangguan luar, sekali berputar dalam orbit tertutup, benda akan begerak dengan momentum sudut tetap”

(prinsip kelestarian momentum sudut)

Perpindahan orbit elektron hanya diperbolehkan kalau momentum sudut berubah

dalam kelipatan h/2

Postulat Bohr

Untuk keluar dari kemelut orbit elektron yg tak stabil, Bohr bikin 2 postulat.

.:: Postulat 1

Elektron dapat berada di suatu orbit tanpa memancarkan radiasi. Ini orbit stasioner, nilai momentum sudutnya L = m v r = n (h/2 ) (prit...pritt... Bohr, ini pelanggaran terhadap fisika klasik lho)

.:: Postulat 2

Transisi elektron antar orbit akan menghasilkan pancaran/serapan Gitu aja kok

repot...

(29)

Akibat Postulat Bohr

.:: Postulat 1

Elektron dapat berada di suatu orbit tanpa memancarkan radiasi. Ini orbit stasioner, nilai momentum sudutnya L = m v r = n (h/2 ) (prit...pritt... Bohr, ini pelanggaran terhadap fisika klasik lho)

Nilai momentum sudut terkuantisasi Jejari dan energi atom dapat dihitung

Akibat Postulat Bohr

.:: Postulat 2

Transisi elektron antar orbit akan menghasilkan pancaran/serapan radiasi, dengan frekuensi dari rumus Planck-Einstein hf = Ei - Ef (prit...pritt... Bohr, ini sudah mengacak-acak fisika klasik lho)

Deret Balmer dapat diturunkan . Ini sungguh ajaib.

(30)

Rahasia spektrum atom terkuak sudah.

(31)

Model Bohr ternyata bungkam ketika spektrum garis-garis lain ditemukan.

Arnold Sommerfeld (1868-1951) teoretikus besar dari Munich, menyempurnakan orbit elips.

Meski PD I, ia tetap mengirimkan tulisannya dari Munich ke Copenhagen.

Model Bohr-Sommerfeld sukses menjelaskan Efek Zeeman (diamati 1894).

Bil. Kuantum n, k, m.

(ukuran orbit, bentuk orbit, arah orbit)

Ternyata ada lebih banyak garis karena medan magnet.

Kalng kabut lagi. Anomali Efek Zeeman.

1924-1925 Wolfgang Pauli (1900-1958, murid Sommerfeld), teoretikus Swiss sukses menyelesaikannya:

bil. Kuantum spin.

(32)

Teka-teki awal struktur atom mengapa tidak semua eektron jatuh ke tingkat dasar, dijawab oleh Pauli.

“tiap keadaan atom (himp 3 bil kuantum n,k,m)

mengandung 2 elektron yg masing-masing memiliki orbit sendiri.”

Nama yg indah buat ini: kuantisasi ruang.

Prinsip Larangan Pauli (1925)

Tabel Periodik Unsur dapat dijelaskan