Cahaya Alami”
2.3 Lampu Pelepasan
( mÿ
Saya
)2ÿ1
Itu kecil! Solusi yang mungkin adalah membuat spektrometer yang lebih besar, tetapi kemudian Anda harus khawatir tentang pergeseran termal, seberapa baik Anda dapat memberi jarak yang seragam pada celah kisi, dan seberapa baik Anda dapat mengukur d. Singkatnya, hal itu menjadi sangat sulit jika Anda menginginkan resolusi yang sangat tinggi.
Untuk spektroskopi presisi tinggi, sebagian besar kelompok spektroskopi menggunakan laser untuk mempelajari satu transisi alih-alih mengumpulkan cahaya dari banyak transisi sekaligus. Seperti yang akan kita temukan di Bab 4, atom yang bergerak (misalnya, gas panas) adalah hal yang buruk jika kita ingin mengukur sesuatu seperti perbedaan energi antara dua keadaan energi dengan presisi yang sangat tinggi. Fisikawan yang cerdas mengembangkan teknik yang rapi untuk tetap menggunakan atom panas untuk mengukur sifat dengan presisi tinggi, yang merupakan topik di Bab 5, tetapi kita memerlukan beberapa laser untuk melakukannya.
2.1 Bacalah bab ini dan tuliskan semua konstanta fundamental yang baru.
2.3 Berapakah perbedaan frekuensi antara cahaya yang memiliki panjang gelombang 450,334 nm dan cahaya yang memiliki panjang gelombang 450,335 nm? Nyatakan jawaban Anda dalam MHz. Jawaban akhir Anda harus memiliki 6 angka penting.
Panjang gelombang z(450,335nm) ÿ z(450,334nm) = 140nm.
– Data tersebut sulit ditafsirkan. Memperoleh semua data sekaligus berarti Anda memperoleh semua transisi dari atom atau molekul Anda sekaligus. Seorang ahli spektroskopi harus mencari tahu garis mana yang berasal dari transisi mana (pasangan tingkat energi), yang bukan tugas mudah!
z(ÿ) = ± /
2.2 Bacalah bab ini dan tuliskan setiap persamaan. Untuk setiap persamaan, tuliskan deskripsi singkat tentang makna persamaan tersebut.
2.4 Turunkan Persamaan 2.2. Mulailah dengan menggambar sebuah segitiga.
Jangan lupakan satuannya.
2.5 Ketika memperkenalkan kisi-kisi, kami menyatakan, “Satu-satunya kriteria fisik untuk kisi-kisi adalah d > ÿ.”
Melihat Persamaan 2.2, apa yang akan terjadi jika d < ÿ?
2.6 Gambar 2.6 menunjukkan spektrum lampu pelepasan helium yang dikumpulkan menggunakan spektrometer.
Berikut adalah tabel tingkat energi helium. Pilih tiga garis spektrum dari Gambar (kecuali fitur pada 389 nm) dan tentukan transisi mana yang menghasilkan setiap garis. Tingkat terendah untuk setiap transisi tercantum di kolom ketiga.
D
Masalah
Dan
4ÿ d2 S
1
2.8 (Tenaga Surya)
luas permukaan bola dengan jari-jari sama dengan jarak bumi-matahari: Rasio tersebut menunjukkan fraksi cahaya yang dipancarkan matahari yang mengenai bumi. (c) Untuk
energi surya, kita peduli dengan seberapa banyak daya per area yang mengenai panel surya. Daya per area disebut intensitas. Carilah seberapa banyak daya dari matahari yang mengenai area seluas 1 meter persegi. Ini adalah intensitas sinar matahari di bumi.
Matahari memiliki suhu permukaan 5772 K dengan radius rs = 696.340 km.
Dengan asumsi bumi adalah cakram padat dengan jari-jari re = 6371 km, berapa fraksi daya total yang meninggalkan matahari yang mengenai bumi?
ÿ ÿ =
25708,6 cmÿ1
2.7 Anda ingin merancang spektrometer Anda sendiri untuk mengukur cahaya yang dikumpulkan dari sebuah lampu. Anda perlu mengumpulkan data untuk cahaya dengan panjang gelombang antara 1000 dan 3000 nm. Anda memiliki sejumlah kisi yang berbeda yang dapat Anda pilih, masing-masing dengan d yang berbeda. Apa saja beberapa contoh pilihan yang buruk untuk d? Apa contoh pilihan yang baik untuk d?
Petunjuk: Pertama-tama kita ingin mencari rasio luas piringan bumi (ÿ r2 ) terhadap ÿ r2 .
(a) Carilah daya total yang dihasilkan matahari. (b)
Cahaya matahari menyebar secara radial ke segala arah. Sebagian kecil cahaya tersebut mengenai bumi. Bumi berjarak d = 1,496 × 108 km dari matahari.
= 0,0000388975 cm = 388,975 nm
Misalnya, fitur pada 389 nm disebabkan oleh elektron yang bertransisi dari level 8 ke level 2:
Emisivitas matahari sekitar 0,99.
Luas permukaan matahari adalah A = 4ÿ r2
185.564,6 cmÿ1 ÿ 159.856,0 cmÿ1 = 25.708,6 cmÿ1
(d) Anda memiliki panel surya berukuran 10 cm x 10 cm. Tentukan daya sinar matahari yang mengenai panel surya tersebut.
angka 0
1
9 2
10 11 7
492 dan 728nm Level # Energi (cmÿ1 ) Garis dengan level lebih rendah ini
8 5
502nm
447, 471, dan 707nm
6 3
159.856,0 166.277,4 169.086,8 171.134,9 183.236,8 184.864,8 185.564,6 186.209,4 190.298,1 191.446,5 4
389nm
Dan
Iradiasi spektral adalah fluks radiasi yang diterima oleh suatu permukaan per satuan luas per satuan panjang gelombang. Anda dapat menganggap iradiasi spektral sebagai apa yang meninggalkan matahari dan iradiasi spektral sebagai apa yang mengenai bumi.
Gambar 2.7 Spektrum dari matahari sebelum cahaya memasuki atmosfer (kuning) dan di permukaan bumi (merah). Spektrum benda hitam sempurna ditunjukkan oleh kurva hitam. Kredit Gambar: Robert A. Rohde, CC BY-SA 3.0 melalui Wikimedia Commons
Radiasi spektral merupakan fluks radiasi yang dipancarkan oleh suatu permukaan per satuan luas per satuan panjang gelombang.
5
2.9 (Soal Numerik)
(a) Gambar 2.7 adalah gambar menakjubkan yang dibuat oleh Robert A. Rohde. Gambar ini menunjukkan spektrum dari matahari yang dikumpulkan menggunakan spektrometer yang dikoreksi amplitudo. Sumbu vertikal adalah iradiasi spektral.5 Grafik ini mencakup perkiraan yang baik tentang apa yang akan dipancarkan matahari jika merupakan benda hitam sempurna.
Dengan menggunakan program grafik favorit Anda, perkirakan suhu permukaan matahari dengan memplotkan eksitasi radian spektral. Jangan khawatir tentang skala vertikal. Yang paling Anda khawatirkan adalah mendapatkan eksitasi radian spektral menjadi maksimum sekitar 500 nm.
(f) Sebuah lemari es membutuhkan daya 200 watt untuk beroperasi. Berapa luas panel surya yang Anda perlukan untuk mengoperasikan lemari es tersebut? Jika panel surya berbentuk persegi, berapa dimensi persegi tersebut?
(e) Panel surya Anda memiliki efisiensi 20% dalam mengubah sinar matahari menjadi tenaga listrik yang dapat digunakan. Berapa daya keluaran panel surya Anda? Apakah cukup untuk menyalakan lampu LED 10 watt?
2.11 (Soal Matematika Tingkat Lanjut) Memerlukan kalkulus.
(a) Temukan persamaan transendental yang perlu Anda selesaikan secara numerik untuk sedikitnya 5 digit.
ÿMf (f, T )df , yang menjamin bahwa jumlah energi total yang sama berada dalam interval spektral dÿ seperti dalam interval yang sesuai df .
(a) Dengan menggunakan program numerik favorit Anda, temukan dan plot panjang gelombang spektral maksimum (ÿpeak) secara numerik untuk suhu antara 3000 dan 6000 K dalam langkah 100 K.6
(b) Sesuaikan data Anda dengan b/T untuk menemukan b. Pastikan untuk menggunakan kecepatan cahaya yang akurat hingga, 2.10 (Soal Tingkat Lanjut)
(b) Gunakan hukum perpindahan Wien untuk menilai jawaban Anda. (Dengan kata lain, apakah hukum perpindahan Wien mengonfirmasi puncak grafik Anda di bagian (a)?)
Tanda minusnya karena berkurangnya panjang gelombang akan meningkatkan frekuensi.
temukan hukum perpindahan Wien.
(c) Tentukan eksitansi spektral radian sebagai fungsi bilangan gelombang (gelombang terbalik) panjang).
(b) Ubahlah daya pancar spektral dari fungsi panjang gelombang menjadi fungsi frekuensi. Untuk melakukannya, Anda perlu menggunakan rumus: Mÿ(ÿ, T )dÿ =
Akses Terbuka Bab ini dilisensikan berdasarkan ketentuan Lisensi Internasional Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), yang memperbolehkan penggunaan, pembagian, adaptasi, distribusi, dan reproduksi dalam media atau format apa pun, asalkan Anda memberikan penghargaan yang sesuai kepada penulis asli dan sumbernya, menyediakan tautan ke lisensi Creative Commons, dan menunjukkan jika ada perubahan yang dibuat.
Gambar atau materi pihak ketiga lainnya dalam bab ini disertakan dalam lisensi Creative Commons bab tersebut, kecuali dinyatakan lain dalam baris kredit untuk materi tersebut. Jika materi tidak disertakan dalam lisensi Creative Commons bab tersebut dan penggunaan yang Anda maksudkan tidak diizinkan oleh peraturan perundang- undangan atau melampaui penggunaan yang diizinkan, Anda perlu memperoleh izin langsung dari pemegang hak cipta.
Dalam bahasa python, Anda dapat menggunakan kode scipy.optimize.fmin dari pustaka scipy. Kode tersebut hanya menemukan nilai minimum, jadi Anda harus mengalikan rumus eksitansi spektral dengan -1 terlebih dahulu.
Dalam Mathematica, fungsinya adalah FindMaximum.
6
Abstrak
3
Atom dalam Keadaan Diam
Tujuan Pembelajaran
• plot penyerapan dan plot transmisi.
• tingkat hamburan dan pengaruhnya terhadap plot penyerapan dan transmisi.
• intensitas saturasi suatu transisi.
• parameter saturasi.
• hubungan antara lebar garis alami transisi dan masa pakai
suatu negara.
Pada akhir bab ini, Anda seharusnya dapat memahami:
Dalam bab ini, kita akan membahas faktor-faktor yang menyebabkan kompleksitas pada garis atom. Kita akan mempelajari bahwa semua garis spektrum memiliki lebar fundamental (alami) dan ada sebagai sebaran frekuensi, bukan frekuensi tunggal. Lebar garis atom juga dapat dipengaruhi oleh faktor eksternal seperti tekanan dan daya laser.
Hal ini akan terkait dengan apa yang kita amati saat menyelidiki atom dengan laser.
Selain itu, kita akan mempelajari tentang bagaimana lebar fundamental ini terkait dengan masa hidup suatu keadaan, berapa banyak foton per detik yang dapat diserap atom dari
laser, dan dua jenis utama plot eksperimen yang dikenal sebagai plot penyerapan dan plot transmisi.
perluasan daya.
•
© Penulis 2025 W. 41
Raven, Fisika Atom untuk Semua, https://
doi.org/10.1007/978-3-031-69507-0_3
• Frekuensi resonansi: Ketika frekuensi laser tepat untuk mengeksitasi atom dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi, kita menyebutnya frekuensi resonansi. Kita menggunakan variabel fr untuk frekuensi resonansi. Karena frekuensi resonansi adalah frekuensi, maka ia menggunakan satuan Hz, MHz, GHz, atau THz.
Bayangkan kita memiliki sekumpulan atom dalam sel uap, yaitu tabung kaca tertutup yang hanya berisi atom-atom yang kita minati. Kita akan membuat beberapa asumsi:
• Atom-atom berada dalam bentuk gas.
• Semua atom membeku di tempatnya. Dengan kata lain, kecepatan setiap atom adalah 0
• Resonansi: Ketika sebuah atom tereksitasi oleh foton dari satu keadaan ke keadaan lain, kita katakan atom tersebut "mengalami resonansi." Ini mirip dengan memainkan terompet.
Ketika Anda meniup terompet, Anda membangkitkan gelombang berdiri di dalam pipa untuk menciptakan nada. Hal yang sama terjadi pada sebuah atom.
Ketika Anda mengeksitasi atom, elektron akan berpindah dari satu mode gelombang berdiri ke mode gelombang berdiri lainnya. Fisikawan atom menggunakan istilah "eksitasi" dan "resonansi"
secara bergantian.
Definisi
Pernyataan penting dan dua definisi dari Bab 1:
m/s (saat diam).
• Tidak ada atom yang berinteraksi dengan apa pun, termasuk satu sama lain. Ini berarti bahwa semua atom bersifat netral (setiap atom memiliki jumlah elektron dan proton yang sama)
• Setiap atom hanya memiliki 2 keadaan energi. Keadaan dengan energi yang lebih rendah disebut keadaan dasar. Keadaan dengan energi yang lebih tinggi disebut keadaan tereksitasi. Atom yang disederhanakan ini memiliki label yang sangat deskriptif: atom dua tingkat.
Sekarang, kita melakukan spektroskopi. Kita mulai dengan mengirimkan laser melalui sel uap dan mendeteksi seberapa banyak cahaya yang berhasil melewatinya, lihat Gambar 3.1. Pada awal eksperimen pemikiran, foton dalam laser tidak memiliki cukup energi untuk mengeksitasi atom dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Dengan kata lain, frekuensi laser lebih rendah daripada frekuensi resonansi. Dengan demikian, kita tidak mengharapkan