Sejarah lahirnya Fisika Kuantum

(1)

FISIKA KUANTUM

(2)

Fisika kuantum:

“ilmu yang mempelajari kelakukan materi dan

energi pada skala molekul, atom, inti dan bahkan

pada level mikroskopik lainnya yang lebih kecil.”

Kuantum:

(3)

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

(4)

Sejarah Perkembangan Fisika Kuantum

 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.



1905 (Albert Einstein)

_

berhasil menjelaskan efek

fotolistrik dengan dasar teori Planck.



1913 (Neils Bohr)



menjelaskan garis-garis spektrum

dari atom hidrogen dengan menggunakan teori

kuantisasi.

Namun teori ini tidak dapat menjelaskan bagaimana 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.

(5)



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.

(6)

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

(7)

RADIASI BENDA HITAM

(8)

Pendahuluan



Pernahkah kalian menggunakan pakaian

hitam di siang hari yang panas? Jika pernah,

bagaimana rasanya? Pasti sangat panas

bukan?

Ini karena warna hitam menyerap semua cahaya 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



suatu lampu bola menjadi panas karena

(9)



Pernahkah kalian melihat lampu pijar? Jika kalian

perhatikan, pada bagian flamen lampu berwarna

kuning keputih-putihan padahal lampu berwarna

biru. Mengapa hal ini terjadi?

Ini terjadi karena suhu 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. “

(10)

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?

(11)



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”

(12)

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK



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

 C = cepat rambat gelombang (3 × 108 m/s)

(13)

Spektrum gelombang

elektromagnetik

(14)

(15)

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.

(16)

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 itu. Benda hitam akan menyerap cahaya _{sekitarnya jika suhunya lebih rendah}

daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi daripada

(17)

Intensitas Radiasi



Radiasi benda hitam: radiasi elektromagnetik

yang diemisikan oleh sebuah benda hitam.



Tahun 1879: Josef Stefan

_

Mengetahui karakter

universal dari radiasi benda hitam

(18)

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.

I : intensitas radiasi (W/m2)

tetapan Stefan-Boltzman (5,67 × 10-8 Wm-2K-4) 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”.

(19)

Hukum Pergeseran Wien

 _{Untuk sebuah benda hitam, berlaku suatu hubungan antara}

panjang gelombang dengan suhu mutlak yang dinyatakan: C : tetapan pergeseran Wien (2,898 × 10-3 mK)

Gambar 8.3 memperlihatkan grafk hubungan antara intensitas radiasi dan 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.

(20)

 Pada gelombang panjang, analisis

Wien tidak sesuai dengan hasil eksperimen.

 Pada gelombang pendek, analisis Wien

sesuai dengan hasil eksperimen.

(21)

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:

P ( λ,T ) = 8 π kTλ-4

dengan k merupakan konstanta Boltzmann.

 _{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, tetapi fungsi yang dihitung mendekati tak

terhingga karena sebanding dengan λ−4 .

(22)

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)

h = tetapan Planck (6,63 × 10-34 Js)

n = bilangan kuantum utama (1, 2, 3 ....)

f = frekuensi getaran molekul (Hz) energi ini terkuantisasi

(23)

DUALISME GELOMBANG

PARTIKEL

(24)



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

(25)

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:

(26)

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,

(27)

 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 –V0 tidak ada arus 

tidak ada elektron yang keluar. Potensial ini disebut dengan potensial henti V0.

 _{Hanya elektron dengan energi kinetik ½mv}2 yang lebih

besar daripada eV0 yang dapat mencapai anoda A.

Sehingga hubungan antara energi maksimum yang dapat dicapai:

Ekmax = mv2 = eV0

(28)

 _{Hubungan antara I dengan V untuk 2 nilai}

intensitas yang berbeda

 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

(29)

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 f0 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}

(30)

TEORI FOTON DALAM EFEK FOTOLISTRIK

Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, diperlukan kerja minimum yang disebut dengan fungsi kerja atau energi ambang (W0).

 Intensitas naik _ jumlah elektron lepas naik _ tidak terjadi

perubahan energi elektron  energi kinetik maksimum elektron tidak berubah.

 Frekuensi naik _ energi kinetik naik, dengan persamaan:

Ekmaks = hf – W0

 Jika f_cahaya < f_ambang  tidak ada elektron keluar dari logam

 Elektron lepas dari logam sesaat setelah penyinaran terjadi.

(31)

Efek Compton

 _{Ilmuwan Amerika, Arthur Holy Compton}

mempelajari gejala tumbukan antara foton elektron. Berdasarkan kesetaraan massa dan energi (E = mc2) 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 :

(32)

Terima Kasih

 Ikwan Wahyudi - 2018

FIS IKA KU