MODEL POTENSIAL 1 DIMENSI

(1)

Wayan Suana, M.Si. Pendidikan Fisika Universitas Lampung a

0 x

( )

m MODEL POTENSIAL 1 DIMENSI

1. Sumur Potensial Tak Berhingga

Kita tinjau partikel bermassa m dengan energi positif , berada dalam sumur potensial satu dimensi dengan dinding potensial tak berhingga dan potensial didalamnya nol, seperti pada Gambar 1. Model potensial ini dan beberapa model potensial yang akan kita bahas selanjutnya hanyalah suatu model potensial khayalan, dan tidak dijumpai bentuk potensial seperti ini di alam.

( ) = 0, 0 < < _{∞, yang lain}

Gambar 1. Partikel dalam sumur potensial tak berhingga

Tugas kita adalah mencari fungsi gelombang dari partikel tersebut. Oleh karena potensial di luar sumur tak berhingga maka partikel hanya berada di dalam sumur, dan tidak dapat keluar. Probabilitas menemukan partikel di dalam sumur sama dengan satu sedangkan probabilitas menemukannya di luar sumur sama dengan nol. Dengan metode separasi variabel, fungsi gelombang dari partikel tersebut berbentuk

Ψ( , ) = ( ) /ℏ₍₁₎ Solusi bergantung waktu ( ), diperoleh dengan memecahkan persamaan Schrödinger tak bergantung waktu. Persamaan Schrödinger tak bergantung waktu bentuk satu dimensi adalah

−_2#ℏ! $!_$ ( )_! + ( ) ( ) = ( )

Pada daerah 0 < < , ( ) = 0 maka persamaan Schrödinger tak bergantung waktu menjadi

(2)

Wayan Suana, M.Si. Pendidikan Fisika Universitas Lampung

−_2#ℏ! $!_$ ( )_! = ( ) (2)

$! _{( )}

$ ! = −2#_ℏ! ( ) (3) Dengan mendefinisikan '! ≡!)

ℏ* , dengan ' adalah bilangan real positif maka persamaan (3) menjadi

$! _{( )}

$ ! = −'! ( ) (4) Persamaan (4) adalah persamaan diferensial orde dua dengan akar-akar bilangan kompleks yang berlainan, solusinya adalah

( ) = , -._{+ /} -.₍₅₎ Syarat batas (boundary condition) untuk fungsi gelombang pada dinding-dinding sumur adalah bernilai nol karena dinding sumur tebal dengan potensial tak hingga. Hal ini mirip dengan gelombang pada tali, bahwa pada ujung terikat akan terjadi simpul (simpangannya nol). Dengan menerapkan syarat batas pada = 0 →

(0) = 0 maka

, 2_{+ /} 2 _{= 0}

/ = −,

Sehingga persamaan (5) berubah menjadi

( ) = , -._{− ,} -.

( ) = −,3 -.₋ -.₄

( ) = −25, sin '

dengan menuliskan −25, sebagai konstanta baru, misalnya 7 maka diperoleh

( ) = 7 sin ' (6)

Kemudian menerapkan syarat batas pada dinding sumur yang lainnya, = →

(3)

( ) = 0 7 sin ' = 0

Konstanta 7 tidak boleh nol, jika tidak maka ( ) = 0 untuk semua , maka

sin ' = 0

' = 0, ±:, ±2:, ±3:, …

Namun jika ' = 0 maka ( ) = 0 untuk semua . Selain itu, solusi negatif tidak memberikan sesuatu yang berbeda. Mengingat sin(− ) = − sin , dan tanda minus dari solusi k dapat diserap ke 7. Jadi solusi yang berbeda untuk k adalah

'< ==: dengan = = 1, 2, 3, … (7) Persamaan (6) kemudian menjadi

( ) ≡ <( ) = 7 sin A=: B (8) Dengan mensubstitusikan '! ≡!) ℏ* ke persamaan (7), diperoleh 2# ℏ! = A=:B ! ≡ < == !_:!_ℏ! 2# ! (9) Ternyata energi dari partikel dalam sumur berbentuk diskrit dan bertingkat-tingkat, bukan kontinue seperti energi pada partikel klasik. Selain itu, energi terendah yang dapat dimiliki partikel juga tidak nol. Energi untuk = = 1 disebut energi pada keadaan dasar (ground state) sedangkan energi untuk = = 2, 3, 4, dan seterusnya disebut energi pada keadaan tereksitasi (excited states).

Untuk memperoleh konstanta 7, kita lakukan normalisasi terhadap fungsi _<( ) pada persamaan (8).

E | ( )|G !_$

G = 1

7!_{E sin}H !_A=: _B

(4)

Wayan Suana, M.Si. Pendidikan Fisika Universitas Lampung 7!_{E I}1 2 −12 cos2=: L H 2 $ = 1 7!_M1 2 − 4=: sin2=: M2 H = 1 7! 2 = 1 → 7 = N2/

Dengan demikian, fungsi _<( ) ternormalisasi adalah

<( ) = N2/ sin A=: B (10)

Tampak bahwa persamaan Schrödinger tak bergantung waktu menghasilkan sekumpulan solusi, _<( ) untuk n = 1, 2, 3, ... beberapa diantaranya O( ) = N2/ sin A: B (11)

!( ) = N2/ sin I2: L (12)

P( ) = N2/ sin I3: L (13)

Q( ) = N2/ sin I4: L (14) sedangkan grafik dari beberapa fungsi _<( ) diberikan pada Gambar 2.

Gambar 2. Grafik beberapa fungsi _<( ) x O( ) a 0 x !( ) a 0 x P( ) a 0 x Q( ) a 0

(5)

Wayan Suana, M.Si. Pendidikan Fisika Universitas Lampung Hal-hal penting yang diperoleh dari _<( ) adalah

1. Ortonormalitas fungsi _<( )

Ortonormalitas adalah gabungan dari istilah ortogonalitas dan normalisasi. fungsi _<( ) merupakan fungsi yang ortogonal karena

R )( )∗ <( )$ = 0 , untuk # ≠ = (15) sedangkan fungsi _<( ) merupakan fungsi yang ternormalisasi karena

E| <( )|!$ = 1

Kedua sifat ini dapat digabung menjadi satu, yaitu ortonormalitas. Fungsi <( ) dikatakan bersifat ortonormal karena

E )( )∗ <( )$ H

2 = X)< (16) dengan X_)< disebut delta Kronecker, dimana

X_)< = 0, jika # ≠ =_{1, jika # = =}

Jika # = = maka hasil integral persamaan (16) jelas sama dengan satu karena fungsi ternormalisasi sedangkan hasil integral untuk # ≠ = yaitu

E )( )∗ <( )$ = E Z2 sin A#: B Z2 sin A=: B $ H 2 E )( )∗ <( )$ = 2E sin A#: B sin A=: B $ H 2 Dengan menggunakan hubungan

2 sin cos [ = cos( − [) − cos( + [)

maka persamaan di atas menjadi

E )( )∗ <( )$ =1E \cos A# − =: B − cos I# + =: L] $ H 2 = 1E cos AH # − =: B $ 2 − 1 E cos IH # + =: L $ 2 = 1_{: # − = ^sin A}# − =: B^ 2 H − 1_{: # + = Msin I}# + =: LM 2 H

(6)

= _{:(# − =) sin(# − =): −}1 _{:(# + =) sin(# + =):}1 = sin(# − =):_{:(# − =) −}sin(# + =):_{:(# + =)}

= 0

Jika # ≠ = maka hasil integral sama dengan nol karena sinus dari kelipatan bilangan bulat positif atau pun negatif dari : selalu sama dengan nol.

2. Kombinasi linear dari _<( ) untuk semua n

_( ) = ` a< <( ) G <bO = N2/ ` a<sin A=: B G <bO (17)

Solusi bergantung waktu atau yang disebut dengan keadaan stasioner (persamaan 1) kemudian menjadi

Ψc( , ) = <( ) d /ℏ

Ψc( , )= N2/ sin A=: B

<*e*ℏ

!)H* ₍₁₈₎ Solusi paling umum dari persamaan Schrödinger bergantung waktu, Ψ( , ) adalah kombinasi linear dari semua solusi, yaitu

Ψ( , ) = ` a_<

G <bO

N2/ sin A=: B <!)H*e**ℏ ₍₁₉₎

Jika fungsi gelombang awal Ψ( , 0) diketahui maka koefisien ekspansi a_< dapat diperoleh dengan menggunakan trik Fourier. Dari persamaan (19), bentuk Ψ( , 0) adalah Ψ( , 0) = ` a< G <bO N2/ sin A=: B Ψ( , 0)= ` a< G <bO <( ) (20) Mengalikan persamaan (20) dengan ₎∗ ( ) lalu mengintegralkannya, diperoleh

(7)

Wayan Suana, M.Si. Pendidikan Fisika Universitas Lampung E )∗( ) Ψ( , 0) $ H 2 = E ) ∗_{( )} H 2 ` a< G <bO <( )$ N2/ E sin AH #: B Ψ( , 0) $ 2 = ` a< G <bO E )∗( ) H 2 <( )$ Oleh karena sifat ortogonalitas fungsi _<( ) maka R₂H ₎∗( ) _<( )$ hanya punya nilai pada saat = = #, dan R₂H ₎∗( ) ₎( )$ = 1 (ternormalisasi), maka N2/ E sin AH #: B Ψ( , 0) $ 2 = a) atau a_< = N2/ E sin AH =: B Ψ( , 0) $ 2 (21) Contoh

Bagaimana bentuk fungsi gelombang tak bergantung waktu dari partikel dalam sumur potensial tak hingga jika energinya (a) nol, dan (b) negatif ?

Solusi

Jika energi partikel sama dengan nol maka persamaan Schrodinger di dalam sumur dengan ( ) = 0 adalah

−_2#ℏ! $!_$ ( )_! = 0 $! _{( )} $ ! = 0 $ ( ) $ = , → suatu konstanta ( ) = , + /

Dengan menerapkan syarat batas pada = 0 → ( ) = 0 maka

(8)

Wayan Suana, M.Si. Pendidikan Fisika Universitas Lampung sehingga fungsi gelombang menjadi

( ) = ,

Dengan menerapkan syarat batas pada = → ( ) = 0 maka

( ) = 0 → , = 0

sehingga fungsi gelombang menjadi

( ) = 0

Solusi ini tidak dapat dinormalisasi sehingga tidak merepresentasikan fungsi gelombang dari suatu partikel

Kemudian jika partikel berenergi negatif maka persamaan Schrodingernya adalah

−_2#ℏ! $!_$ ( )_! = − ( )

$! _{( )}

$ ! =2#_ℏ! ( ) Dengan mendefinisikan '! ≡!)

ℏ* , dengan ' adalah bilangan real positif maka persamaan (3) menjadi

$! _{( )}

$ ! = '! ( )

Persamaan ini adalah persamaan diferensial orde dua dengan akar-akar real yang berlainan, solusinya adalah

( ) = , -._{+ /} -.

Syarat batas pada = 0 → ( ) = 0 maka

(0) = 0 → / = −,

sehingga fungsi gelombang menjadi

( ) = ,( -.₋ -.₎

Syarat batas pada = → ( ) = 0 maka

(9)

Wayan Suana, M.Si. Pendidikan Fisika Universitas Lampung sehingga fungsi gelombang menjadi

( ) = 0