TEORI KUANTUM CAHAYA.ppt

 TEORI K



Pada akhir abad ke-19 : fisika mulai berkembang dengan munculnyaPada akhir abad ke-19 : fisika mulai berkembang dengan munculnya hukum-hukum gerak Newton dan teori gravitasi umum, dan lain- lain.

hukum-hukum gerak Newton dan teori gravitasi umum, dan lain- lain.

SEJARAH PERKEMBANGAN KUANTUM CAHAYA

SEJARAH PERKEMBANGAN KUANTUM CAHAYA

Gambar 1.

Gambar 1.Gelombang elektromagnetik yang membentuk radiasi Gelombang elektromagnetik yang membentuk radiasi elektromagnetik elektromagnetik  Pada abad ke-! ter"adi revolusi besar yang menge"utkan dunia fisika : Pada abad ke-! ter"adi revolusi besar yang menge"utkan dunia fisika :



#a$ Planck %199!& : energi yang teradiasi dan tersera' da'at terbagi#a$ Planck %199!& : energi yang teradiasi dan tersera' da'at terbagi men"adi "umlahan diskrit yang

men"adi "umlahan diskrit yang disebut (lemen (nergi.disebut (lemen (nergi.



 (instein %19!)&  (instein %19!)& : melakukan 'ercobaan efek fotolistrik dimana cahaya yang: melakukan 'ercobaan efek fotolistrik dimana cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk mele"it keluar



 besi yang di'anaskan memancarkan energi atau

gelombang elektromagnetik yang da'at beru'a cahaya

tam'ak. Pancaran energi suatu benda karena 'engaruh

suhunya disebut radiasi termal.

SEKILAS

 TENTANG CAHAYA

#enga'a saat besi disambung%dilas&, terlihat besi men"adi

kemerahan kemudian "ika di'anaskan terus menerus akan

tam'ak warna cahaya yang di'ancarkan oleh besi men"adi

kebiruan *

CAHAYA

 Cahaya adalah energi berbentuk gelombang

elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm.



 +etia' benda yang memancarkan cahaya disebut

sumber cahaya

 dan setia' benda yang tidak da'at memancarkan

cahaya disebut

benda gelap

.



 ahaya yang merambat digambarkan sebagai garis lurus

 berarah disebut

sinar cahaya

 Berkas cahaya

terdiri dari bebera'a garis berarah se'erti

 'ada Gambar berikut. erkas cahaya bisa 'aralel, divergen

%menyebar& atau konvergen %mengum'ul&.

Gambar 2. ahaya lilin hanya akan terlihat a'abila nyala lilin,

ahaya memiliki sifat-sifat sebagai berikut:

1. a'at dilihat oleh mata

. #erambat dengan lintasan lurus

/. a'at merambat diruang ham'a %tan'a 0at

 'erantara&

. a'at mengalami 'emantulan, 'embiasan,

da'at di'adukan %interferensi&

 TEORI

PLANCK 

Max Planck , ahli fisika dari 2erman, 'ada tahun 19!! mengemukakan teori kuantum.

 2umlah atau 'aket energi terkecil yang da'at di'ancarkan atau disera' oleh atom atau molekul dalam bentuk radiasi elektromagnetik disebut

kuantum.

Contoh soal :

1. 3entukan kuanta energi yang terkandung dalam sinar dengan 'an"ang gelombang

44!! 5 "ika kece'atan cahaya adalah / $ 1!6 m7s dan teta'an Planck adalah 4,4 $ 1!8/

2s  Pembahasan (  h%c7 ;& (  %4,4 $ 1!8/ &% / $ 1!67 44!! $ 1!81! &  / $ 1!819 "oule

2. Pan"ang gelombang cahaya yang di'ancarkan oleh lam'u monokromatis 1!! watt adalah

),).1!8< m. era'a nilai acah foton %'artikel cahaya& 'er sekon yang di'ancarkan Pembahasan

ata :

P  1!! watt = (nergi yang di'ancarkan tia' sekon adalah 1!! "oule. (nergi 1 foton

(  h%c7 ;&

(  %4,4 $ 1!8/ _&% / $ 1!6₇

),) $ 1!8< & "oule 2umlah foton %n&

n  1!! "oule : > %4,4 $ 1!8/ _&% / $ 1!6₇

enda hitam %bahasa @nggris

black body

& : benda yang memancarkan

intensitas radiasi 'aling besar dan menyera' semua cahaya yang

sam'ai ke 'ermukaannya.

Gambar 3. Skema radiasi benda hitam

Gambar 4. Aetika tem'eratur

 berkurang, 'uncak dari kurva radiasi benda hitam bergerak ke intensitas yang lebih rendah dan  'an"ang gelombang yang lebih  'an"ang. Grafik radiasi benda

hitam ini dibandingkan dengan model klasik dari Bayleigh dan 2eans.

@ntensitas radiasi total yang di'ancarkan

oleh suatu enda hitam da'at dinyatakan

dengan hukum stefan-olt0mann, yaitu :

Cntuk benda yang bukan benda hitam

intensitas radiasinya dinyatakan dengan

R=ƬT4

Bintensitas radiasi total%D7m&

 teta'an stefan bolt0man%),4<$1!-6

Ƭ D7mK&

3suhu mutlak benda %A&

R=eƬT4

Eukum +tefan-olt0mann yang menyatakan bahwa:

 Energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda hitam sebanding dengan luas permukaannya serta  pangkat empat suhu mutlaknya.

Keterangan :

P  daya radiasi !"att  joule#s$ e  emisi%itas benda

e  & ' benda hitam sempurna  (  luas permukaan benda !m)_$

*  suhu !Kel%in$

+  Konstanta ,te-an/oltman  5127  &048

#mK6

Contoh soal :

,ebuah benda dengan luas permukaan &00 m) _bersuhu

7)7o_{C. ika koe-isien ,te-an/oltman 5127  &0}48 _#mK6

dan emisi%itas benda adalah 012 tentukan laju ratarata energi radiasi benda tersebut9

Pembahasan

ata :

+  5127  &048_#mK6

*  7)7o_{C  &000 K}

e  012

 (  &00 m) _{ &00  &0}46 _{ &0}4)

;aju energi ratarata : P  e+ * 6 ₍

P  !012$!5127  &048 _$!&000$6_!&04)_$

 TENAGA KUANTUM



 Ford Bayleigh menyelidiki emisi s'ektral benda hitam secara teoritis

dan kuantitatif. luks teaga radiasi dari lubang 'ada rongga adalah

sebanding dengan ra'at tenaga radiasi ke dalam rongga.

di mana

h

 adalah teta'an Plank yang nilainya 4,4/ $ 1!

-/

2s, sedangkan

Plank da'at men"elaskan tentang kuantisasi tenaga yang berdsar konse' isika Auantum. indding rongga tersusun dari osilator harmonis, yaitu sederatan atom bermuatan listrik. 2ika osilator harmonis itu berfrekuensi v, maka energi yang mungkin adalah:

 E   nhv, n  !,1,,/, ...%&

di mana n disebut bilangan kuantum dari osilator.

3erda'at nilai

%dalam meter& yang disebabkan oleh radiasi benda hitam dengan

 berdasar hukum Dien, yaitu: (3)………

IntegrasidarirumusanPlank(1)padanilai dari0sampaitakhinggadapat

memberikan fluks keseluruhan yang sesuai dengan hukum +tefan-olt0man, sebagai, yaitu:

...(4)

Contoh soal :

Diketahui, sebuah bintang meradiasi bahang ke bumi pada fluks tenaga1,2x10-8_W/m2_{. Diketahui pula bahwa jarak bumi ke}

bintangadalah4,3x107 _{meter, dan suhu di permukaan bintang} ituadalah5200K.Berapakahjejaribintangitu?

Penyelesaian :

Dayakeseluruhanyangdiradiasikanolehbintangadalah

, di mana R adalahjejaribintang,danT merupakan suhu bintang (=5200 K). Jika fluks tenaga diterima bumi dari bintangyangberjarakl adalah1,2x10-8_W/m2_,berartidaya keseluruhandiradiasiolehbintangadalah

FOTON DAN EFEK

FOTOLISTRIK 

Gambar 5. Prinsi' 'engukuran efek fotolistrik.

Gambar 6. (fek fotolistrik 

o Efek fotolistrik  adalah 'engeluaran elektron dari suatu 'ermukaan %biasanya

logam& ketika dikenai, dan menyera', radiasi elektromagnetik %se'erti cahaya tam'ak dan radiasi ultraungu& yang berada di atas frekuensi ambang tergantung  'ada "enis 'ermukaan.

o Istilahlamauntuk efek fotolistrik

adalahefek Hertz (yangsaatinitidak digunakanlagi).

 oton adalah 'artikel elementer dalam fenomena elektromagnetik 

 oton diangga' sebagai 'embawa radiasi elektromagnetik, se'erti cahaya, gelombang radio, dan +inar-H

 oton berbeda dengan 'artikel elementer lain se'erti elektron dan Iuark, karena ia tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton selalu bergerak dengan kece'atan cahaya, c.

Persamaan efek fotolistrik : hf  hf !-(k  (vo  hf-hf ! v!  hf J hf !

e e

f  frekuensi cahaya atau foton %E0& f !  frekunsi ambang %E0&

(k  energi kinetik elektron %"oule& v!  'otensial henti % Kolt &

e  muatan elektron % 1,4$1!-19 & (  hf  energi foton % "oule&

Contoh soal :

rekuensi ambang suatu logam sebesar 6,!$1!-1 E0 dan logam tersebut disinari dengan cahaya yang memiliki frekuensi 1!1) E0.2ika teta'an Planck 4,4$1!-/ 2s,tentukan energi kinetik elektron yang terle'as dari  'ermukaan logam tersebut *

iketahui : f!  6,!$1!1 E0 f  1!1) E0 h 4,4 $1!-/ "s Pen!elesaian : (k hf-hf! (k  4,4$1!-/ %1!1 -6,!$1!1& (k  1,/ $1! -19 2

Hukum emisifotolistrik:

1.Untuklogam danradiasitertentu,jumlahfotoelektroyang dikeluarkanberbandinglurusdenganintensitascahayaYang digunakan.

2.Untuklogam tertentu,terdapatfrekuensiminimum radiasi.di bawahfrekuensiinifotoelektrontidakbisadipancarkan.

3.Diatasfrekuensitersebut,energikinetikyangdipancarkan fotoelektrontidakbergantungpadaintensitascahaya,namun bergantung pada frekuensi cahaya.

4.Perbedaanwaktudariradiasidanpemancaranfotoelektron sangatkecil,kurangdari10-9 _detik.

"eskri#si Matematika

#aksimum energi kinetik A maks dari sebuah elektron yang dikeluarkan dituliskan sebagai berikut

di mana h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi foton. Fambang L adalah fungsi ker"a %kadang dilambangkan D&, yang memberikan energi minimum yang

di'erlukan untuk memindahkan elektron terdelokalisasi dari 'ermukaan logam. ungsi ker"a memenuhi

dimana f ! adalah frekuensi ambang batas untuk logam. #aksimum energi kinetik dari sebuah elektron dikeluarkan kemudian

(nergi kinetik adalah 'ositif, "adi kita harus memiliki fM f ! untuk efek fotolistrik ter"adi.

COMPTON

Contoh soal :

 'ada efek com'ton,foton yang menumbuk elektron mengalami 'erubahan  'an"ang gelombang sebesar h7mc,dengan h  teta'an 'lanck, m  massa diam

elektron , dan c  kece'atan foton . Eitung besar sudut hamburan yang di alami foton tersebut. ;  h7m c %1 - cos₀ O& h7m c  h7m c %1 - cos₀ ₀ O& %1 - cos O&  h7m c 7 h7m c₀ ₀ %1 - cos O&  h7m c $ m c7h₀ ₀ %1 - cos O&  17 cos O  17 O  4!

 oton yang menumbuk electron akan kehilangan sebagian energinya.

Pada tahun 19/, Q.E.om'ton mencoba membuktikan kebenaran teori

foton yang menyatakan sifat 'artikel dari gelombang.

 +etelah menumbuk electron, foton datang dengan energi E =hf akan

terhambur dengan energi hf’  dengan f’  R f .

oton yang menumbuk electron akan kehilangan sebagian energinya. +etelah menumbuk electron, foton datang dengan

energi E =hf akan terhambur dengan energi hf’ 

E@PS3(+@+ ( BSGF@(

$o%is &e 'ro(lie : cahaya da'at berada dalam suasana tertentu yang terdiri dari

'artikel- 'artikel, kemungkinan berbentuk 'artikel 'ada suatu waktu, yang mem'erlihatkan sifat-sifat se'erti gelombang.

Peristiwa gelombang 'artikel ditun"ukkan 'ada 'ercobaan avisson dan Germer 'ada tahun 19< yang menemukan adanya 'eristiwa difraksi dan interferensi elektron yang 'an"ang gelombangnya da'at ditentukan sebagai berikut :

engan

;  'an"ang gelombang 'artikel %m&

m  massa 'ertikel

v  la"u 'artikel

P  momentum 'artikel, engan

;  'an"ang gelombang 'artikel %m&

m  massa 'ertikel v  la"u 'artikel P  momentum 'artikel ;  h  h   mv P ;  h T mev

 "ika di'anaskan terus, benda hitam akan memancarkan radiasi kalor  'uncak yang s'ektrumnya memberikan warna-warna tertentu.

)%k%m Per(eseran *ien

 Dien merumuskan bahwa 'an"ang gelombang 'ada 'uncak s'ectrum %l_m& berbanding terbalik dengn suhu mutlak benda, semuai 'ersamaan: l _m T = C _{dengan C adalah tetapan pergeseran ien sebesar )1<0 }

&03 _m.K.

Perhitungan energi radiasi Dien  berlaku untuk gelombang 'endek.

KETIDAKPASTIAN

HEISENBERG

 *erner )eisenber( : mengembangkan #ekanika Auantum

dan menemukan teoriU'rinsi' ketidak'astianU yang ber'engaruh  besar terhada' 'erkembangan isika dan ilsafat abad !.

SEKIAN DAN TERIMA KASIH .

. . .