Fisika Atom untuk Semua Orang
Pengantar Fisika Atom,
Mekanika Kuantum dan Presisi Prasyarat
Spektroskopi Tanpa Tingkat Perguruan Tinggi
Fisika Atom untuk Semua Orang
Spektroskopi Tanpa Tingkat Perguruan Tinggi
Mekanika Kuantum dan Presisi Pengantar Fisika Atom,
Prasyarat
Akankah Raven
Setiap orang
Fisika Atom untuk
Penggunaan nama deskriptif umum, nama terdaftar, merek dagang, merek layanan, dll. dalam publikasi ini tidak menyiratkan, bahkan jika tidak ada pernyataan khusus, bahwa nama tersebut dikecualikan dari undang-undang dan peraturan perlindungan yang relevan dan karenanya bebas untuk penggunaan umum.
Penerbit, penulis, dan editor dapat dengan yakin berasumsi bahwa saran dan informasi dalam buku ini diyakini benar dan akurat pada tanggal penerbitan. Baik penerbit, penulis, maupun editor tidak memberikan jaminan, baik tersurat maupun tersirat, terkait materi yang terkandung di sini atau atas kesalahan atau kelalaian yang mungkin terjadi. Penerbit tetap netral terkait klaim yurisdiksi dalam peta yang diterbitkan dan afiliasi kelembagaan.
Jejak Springer ini diterbitkan oleh perusahaan terdaftar Springer Nature Switzerland AG Alamat perusahaan terdaftar adalah: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Swiss
Akses Terbuka Buku 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 buku ini disertakan dalam lisensi Creative Commons buku tersebut, kecuali dinyatakan lain dalam baris kredit untuk materi tersebut. Jika materi tidak disertakan dalam lisensi Creative Commons buku 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.
© Editor (jika ada) dan Penulis 2025. Buku ini merupakan publikasi akses terbuka.
Pekerjaan ini didukung oleh Smith College
Jika membuang produk ini, harap daur ulang kertasnya.
Perguruan Tinggi Smith
Northampton, MA, Amerika Serikat Departemen Fisika
ISBN 978-3-031-69506-3 ISBN 978-3-031-69507-0 (eBuku) https://doi.org/
10.1007/978-3-031-69507-0
Untuk orang terbaik di dunia
Prof. Maria-Teresa Herd
Orang-Orang yang Membantu Saya Mengembangkan Pedagogi untuk Kelas Saya berbincang santai tentang pengembangan kelas dengan banyak orang, tetapi ada beberapa yang memberikan kontribusi substansial termasuk Prof. Maria-Teresa Herd (Fisika, Assumption University), Prof. Timothy Malacarne (Sosiologi dan Ilmu Data, Nevada State University), dan Prof. Patricia DiBartolo (Psikologi dan Direktur Sherrerd Center for Teaching & Learning, Smith College). Kantor Provost dan Dekan Fakultas Smith College, yang dipimpin oleh Prof. Michael Thurston (Bahasa dan Sastra Inggris, Smith College), sangat mendukung dan memberikan dukungan personal kepada departemen fisika untuk membebaskan waktu saya guna mengembangkan dan mengajar kelas.
Salah satu wawasan utama yang saya peroleh adalah bahwa memberikan pengalaman penelitian awal kepada mahasiswa dari latar belakang yang kurang terwakili dan/atau kurang sumber daya adalah salah satu cara terbaik untuk mempertahankan mereka di jurusan STEM. Seiring berjalannya waktu, permintaan akan pengalaman penelitian meningkat di kalangan mahasiswa. Untuk memenuhi kedua kebutuhan ini—memenuhi permintaan yang meningkat akan pengalaman penelitian dan menyediakan kesempatan penelitian awal bagi mahasiswa dari latar belakang yang kurang sumber daya—saya mengembangkan, dengan dorongan dan bantuan banyak orang, sebuah program penelitian berbasis kursus. Program ini mengajarkan fisika atom kepada mahasiswa tahun pertama (mahasiswa baru), memberi mereka waktu di laboratorium untuk melakukan sains nyata. Kelas tersebut tidak memiliki prasyarat tingkat perguruan tinggi; kami tidak menggunakan kalkulus, aljabar linear, atau mengasumsikan latar belakang apa pun dalam mekanika pengantar. Namun, kami menggunakan aljabar dan beberapa trigonometri, khususnya sinus dan kosinus. Kelas tersebut termasuk dalam bagian Dampak yang Lebih Luas dari hibah National Science Foundation (NSF) yang beruntung saya peroleh: PHY-2110311.
Saya harus berterima kasih kepada banyak orang yang telah membantu saya menulis buku ini. Untuk memberikan pujian yang pantas, saya perlu memberikan sedikit latar belakang. Saya bergabung dengan Smith College pada tahun 2013 dan dengan cepat menjadi bagian dari tim mentor AEMES (Achieving Excellence in Mathematics, Engineering, and Sciences), yang dipimpin oleh Dr. Valerie Joseph yang luar biasa. Program ini dirancang untuk meningkatkan keberagaman di bidang STEM melalui berbagai inisiatif.
Niat awal saya adalah menulis buku ini sebagai PDF gratis untuk situs web saya. Manajer program NSF saya, Dr. John D. Gillaspy (Fisika), adalah orang pertama yang mendorong saya untuk menerbitkan buku ini agar didistribusikan lebih luas. Namun, jika tujuan saya adalah untuk menarik minat mahasiswa dari latar belakang yang kurang mampu, tidak masuk akal jika mereka membayar
Ucapan Terima Kasih
Bahasa Indonesia: tujuh
Saya sangat berterima kasih kepada Prof. Maria-Teresa Herd (Fisika, Assumption University) dan Prof. Doreen Weinberger (Fisika, Smith College). Mereka sangat berwawasan dalam hal pendekatan dan organisasi. Paragraf pendek ini tampaknya sangat tidak cukup untuk menggambarkan apa yang telah mereka lakukan untuk saya.
Saya ingin mengucapkan terima kasih kepada banyak orang yang telah membaca bab tertentu (atau beberapa bab).
Orang-Orang yang Membaca Buku dan Memberi Saya Banyak Masukan Ada dua orang khususnya yang membaca buku beberapa kali melalui semua iterasi.
untuk sebuah buku. Dengan dukungan tambahan dari Smith College, kami dapat menerbitkan buku ini secara terbuka!
Mereka menemukan banyak kesalahan ketik dan kesalahan, serta menunjukkan bagian-bagian yang membingungkan.
Yang lebih penting, pertanyaan-pertanyaan dan eksplorasi mereka yang mendalam tentang dunia superkecil membantu saya mengatur, memperluas, dan menyempurnakan buku ini.
Saya juga ingin mengucapkan terima kasih langsung kepada beberapa orang yang membantu saya di kelas. Orang-orang ini tidak hanya membantu mengajar kelas tetapi juga memberikan umpan balik yang berharga, terkadang secara langsung. Tiga orang di antaranya adalah asisten pembelajaran di bagian lab kelas saat pertama kali saya mengajar. Mereka adalah Bárbara Cabrales, Molly Herzog, dan Chitose Maruko. Dr. Karl Ahrendsen (Fisika), yang merupakan seorang sarjana pascadoktoral di lab saya, ikut mengajar kelas tersebut bersama saya selama iterasi kedua. Ia juga memberikan banyak sekali umpan balik untuk teks ini.
Mereka adalah Prof. Michael Thurston (Bahasa dan Sastra Inggris, Smith College), Prof. Gary Felder (Fisika, Smith College), dan Prof. Travis Norsen (Fisika, Smith College). Dan kemudian ada semua mahasiswa yang mengambil kelas ini bersama saya.
Secara umum, Bagian I diperuntukkan bagi pelajar yang tertarik pada cara kita memperoleh pengetahuan tentang atom, sementara Bagian II ditujukan bagi mereka yang ingin memahami fisika dasar atom. Pembaca dapat melewati Bagian I jika mereka hanya tertarik pada fisika struktur atom, tetapi mereka harus menyelesaikan Bab 1 sebelum melanjutkan ke Bagian II.
Buku ini dibagi menjadi dua bagian. Bagian pertama, berjudul Atom-Light Interactions, mengeksplorasi teknik spektroskopi yang digunakan untuk mengekstrak informasi tentang atom. Bagian kedua, berjudul Digging Deeper: Quantum Mechanics and Beyond, meneliti fisika yang mendasari struktur atom, meliputi notasi atom, prinsip-prinsip di baliknya, pemahaman ilmiah terkini, dan misteri yang masih berlangsung.
Teks ini juga memuat tiga lampiran dan glosarium yang dapat menjadi referensi berharga bagi para pembaca. Lampiran A adalah tabel periodik, Lampiran B adalah tabel panjang yang memuat banyak informasi bermanfaat tentang atom-atom pada tabel periodik, dan Lampiran C mencantumkan semua aturan mekanika kuantum yang perlu dipenuhi agar elektron dapat bertransisi antara dua keadaan atom.
Tur Singkat Buku
ix
3 1.1 Apakah Fisika Atom Itu?... 4 1.2 Memahami Atom Secara Konseptual... 8 1.3 Foton dan
Spektroskopi... 17 1.4
Matematika... 19 1.5 Ekstra:
Polarisasi... 20 1.6 Persamaan Paling Penting dalam Semua Sains... 22 Soal- soal... 22
4 Atom yang Bergerak... 65 4.1 Efek
Doppler ... 65 4.2 Frekuensi Laser dari Perspektif Atom ... 67 4.3 Bagaimana Kecepatan Atom Mempengaruhi Fitur Spektral...
72 4.4 Distribusi Kecepatan Maxwell-Boltzmann ... 73 4.5 Plot Transmisi dan Penyerapan untuk Atom pada Titik Non-Nol
1 Pengantar Atom dan Cahaya...
Bagian I Interaksi Atom-Cahaya
3 Atom dalam Keadaan Diam... 41 3.1 Eksperimen Pikiran ... 42 3.2 Lebar Garis Alami dalam Satuan Sudut... 47 3.3 Lebar Garis Alami dan Waktu Hidup Keadaan Tereksitasi ...
49 3.4 Laju Hamburan dan Saturasi... 50 3.5 Pelebaran Daya ... 56 3.6
Contoh... 57 Soal... 60 Referensi... 62
Suhu... 76 4.6 Teorema Ekipartisi ... 77
2 “Cahaya Alami ”... 25 2.1 Memecah Cahaya Menjadi
Spektrum... 26 2.2 Radiasi Benda Hitam...
30 2.3 Lampu Pelepasan ... 35 Masalah... 36
Isi
xi
Bagian II Menggali Lebih Dalam: Mekanika Kuantum dan Lebih Jauh
6 Mekanika Kuantum vs. Fisika Klasik... 113 6.1 Apakah Keadaan Itu?... 114 6.2 Observabel Kompatibel vs. Observabel Tidak Kompatibel dan Prinsip Ketidakpastian...
120 6.3 Superposisi Keadaan... 121 6.4 Basis Energi untuk Osilator Harmonik Kuantum... 127 6.5 Prinsip Ketidakpastian Bagian 3... 128 6.6 Melihat ke Depan...
130 Masalah... 131
5 Spektroskopi Penyerapan Jenuh ... 85 5.1 Spektroskopi Penyerapan Jenuh ... 85 5.2 Crossover... 90 5.2.1 Crossover V ... 91 5.2.2 Crossover ÿ dan Crossover X... 94 5.3 Contoh dengan Cesium-133... 97 5.4 Oksigen-16: Spektrum yang Hilang Crossover... 100 5.5 Contoh dengan Europium-151... 101 5.6 Ekstra: Spektroskopi Bebas Crossover ... 103
Masalah... 106
Referensi... 108
4.7 Aplikasi dalam Astronomi: Cahaya dari Bintang... 79
Masalah... 80
8 Struktur Elektronik dan Notasi Atom ... 157 8.1 Jarak Tingkat Energi... 158 8.2 Interaksi Coulomb dan Kulit Elektron... 160 8.3 Simbol Istilah ... 165 8.4 Menghubungkan Momentum Sudut dengan Orbital... 170 8.5 Fermion dan Boson... 172 Soal- soal... 173
7 Momentum Sudut ... 135 7.1 Definisi... 136 7.2 Momentum Sudut... 138 7.3 Momentum Sudut Orbital Elektron Tunggal... 139 7.4 Besaran dan Proyeksi Momentum Sudut... 144 7.5 Menambahkan Vektor Momentum Sudut Bersama-sama... 145 7.5.1 Kompatibel atau Tidak Kompatibel?... 147 7.6 Jenis-jenis Momentum Sudut Lainnya... 148 7.7 Sedikit Lebih Banyak tentang Observabel yang Kompatibel dan Tidak Kompatibel... 151
Masalah... 154
BA Tabel Unsur ... 247
C Aturan Transisi :...
251 Glosarium... 253 A. Tabel Periodik ... 245
Indeks... 261
11 Model Standar Fisika Partikel... 225 11.1 Masalah-Masalah dengan Mekanika Kuantum... 226 11.2 Prinsip Ketidakpastian Bagian 4... 227 11.3 Antimateri...
229 11.4 Beralih dari Mekanika Kuantum ke Teori Medan Kuantum... 231
11.4.1 Hilangkan Kendala Kekekalan Jumlah Partikel ... ...
Bahasa Indonesia : 10 Pergeseran Isotop , Peluruhan Radioaktif , dan Gaya Nuklir ... ...
9 Struktur Hyperfine ... 177 9.1 Struktur Hyperfine ... 177 9.2
Matematika... 181 9.3 Frekuensi Transisi ... 184 9.4 Contoh dengan
Cesium-133... 185 9.4.1 Transisi Nyata ...
187 9.4.2 Transisi Crossover ... 189 9.5 Opsional:
Amplitudo... 189 9.6 Contoh dengan Oksigen-16... 191 9.7 Contoh dengan
Oksigen-17... 191
Soal... 192 Referensi... 194
Interaksi Atom-Cahaya
Bagian I
Abstrak
1
Pengantar Atom dan Cahaya
Tujuan Pembelajaran
• bahwa atom memiliki tingkat energi diskrit, dan kita dapat menganggap elektron sebagai gelombang untuk memahami mengapa tingkat energi ini diskrit.
• percobaan historis yang mengarah pada pengembangan mekanika kuantum, khususnya percobaan celah ganda.
• prinsip dasar spektroskopi dan pentingnya dalam mempelajari atom
• struktur dasar atom.
• konsep dualitas gelombang-partikel dan bagaimana penerapannya pada cahaya dan elektron.
Pada akhir bab ini, Anda seharusnya dapat memahami:
Dalam bab ini, kita akan mengeksplorasi hakikat cahaya dan atom, dengan fokus pada hakikat gandanya sebagai partikel dan gelombang. Kita akan meneliti mengapa atom memiliki tingkat energi yang berbeda dan bagaimana hanya frekuensi cahaya tertentu yang dapat membangkitkan elektron dalam atom tersebut. Melalui eksplorasi ini, kita akan memahami hubungan antara frekuensi cahaya, panjang gelombang, dan energi foton. Kita juga akan mengeksplorasi konsep-konsep utama seperti interferensi gelombang dan eksperimen historis yang membentuk pemahaman kita tentang mekanika kuantum. Yang terpenting, bab ini menekankan metode ilmiah, yang mendorong pertanyaan terus-menerus tentang ide, pemahaman, teori, dan hasil untuk mengungkap hakikat dasar alam semesta.
struktur.
• bahwa mengetahui frekuensi laser, panjang gelombang laser, atau energi foton memungkinkan Anda menentukan dua hal lainnya. Ketiga kuantitas tersebut terkait dengan konstanta fundamental.
© Penulis 2025 W. 3
Raven, Fisika Atom untuk Semua, https://
doi.org/10.1007/978-3-031-69507-0_1
1
Pada paruh terakhir abad ke-20, fisika atomik digabungkan dengan fisika molekuler dan fisika optik untuk menghasilkan apa yang sekarang dikenal sebagai fisika atomik, molekuler, dan optik. Kami menggunakan akronim fisika AMO.
Kata-kata dalam glosarium dicetak tebal saat pertama kali digunakan.
1.1 Apa itu Fisika Atom?
Kami melakukan ini melalui penjelajahan konsep-konsep fisika dan sering kali menjelaskan konsep-konsep tersebut menggunakan bahasa matematika.
Berikut ini beberapa pengingat yang merupakan titik awal penting untuk buku ini. Jika Anda tidak familier dengan salah satunya, luangkan waktu 5 menit untuk membaca halaman Wikipedia tentang topik tersebut.
Semua subbidang fisika berfokus pada bagian tertentu dari alam semesta. Misalnya, fisikawan plasma mencoba memahami gas terionisasi, yang disebut plasma. Fisikawan atom2 mencoba memahami dunia atom, yang saya sebut sebagai dunia superkecil.
Jawaban saya: Fisika adalah cabang sains yang mencoba memahami alam semesta.
Pertama-tama, kita harus mengajukan pertanyaan yang lebih mendasar: Apa itu fisika? Sebelum Anda membaca lebih lanjut, berhentilah sejenak dan pikirkanlah
selama beberapa menit. Jika seseorang bertanya kepada Anda, "Apa itu fisika?", bagaimana Anda akan menjawabnya?
Sebelum kita membahas fisika atom,
Jawaban saya ada di bawah pencarian kata:
2 1
• Ahli spektroskopi menggunakan cahaya untuk berinteraksi dan mempelajari dunia super kecil.
• Tabel periodik unsur merupakan cara umum untuk melihat semua unsur yang kita ketahui. Salinan tabel periodik dapat ditemukan di Lampiran A.
• Molekul terbuat dari beberapa atom yang terikat bersama. Molekul dapat berupa atom yang sama, seperti molekul nitrogen yang terdiri dari dua atom nitrogen, atau atom yang berbeda, seperti molekul air yang memiliki dua atom hidrogen dan satu atom oksigen.
• Atom dapat berada dalam fase gas, fase cair, atau fase padat.3 ,4 Sebagian besar fisikawan atom mempelajari atom dalam fase gas untuk menghindari kompleksitas cairan dan padatan. Dalam cairan dan padatan, atom terikat satu sama lain, yang membuat sistem menjadi lebih rumit. Sistem ideal kita adalah atom tunggal yang berdiri sendiri, jauh dari semua interaksi luar.
ÿ Proton
dan neutron membentuk inti atom, yang disebut nukleus, dan elektron mengorbit di sekitar nukleus. ÿ Jika sebuah atom memiliki jumlah elektron dan
proton yang sama, atom tersebut tidak memiliki muatan bersih. Kita menyebutnya atom netral. Jika kita mengambil elektron dari atom atau memberi atom elektron tambahan, atom tersebut sekarang bermuatan. Kita menyebutnya ion.
• Atom terdiri dari tiga jenis partikel: proton, neutron, dan elektron.
Fisikawan atom mencoba mencapai tujuan ini dengan memulai dengan sistem yang sederhana dan
membangun kompleksitas dari waktu ke waktu. Salah satu sistem paling sederhana kita adalah sistem elektron tunggal.
Buku ini bertujuan untuk mengajarkan mekanika kuantum, fisika atom, dan spektroskopi tanpa matematika tingkat lanjut. Matematika paling rumit yang kami gunakan adalah aljabar dan beberapa trigonometri (sinus dan kosinus). Spektroskopi adalah subbidang fisika atom yang mencoba mempelajari tentang atom melalui interaksinya dengan cahaya. Spektroskopi dapat dianggap sebagai subbidang dan alat. Sebagai subbidang, ia menggunakan interaksi atom-cahaya untuk mencoba dan memahami dunia super kecil. Selain itu, ia berfungsi sebagai alat. Tujuan fisika atom adalah untuk memahami cara kerja atom, dan spektroskopi hanyalah alat untuk mencapai tujuan ini. Yang penting adalah bahwa spektroskopi menggunakan cahaya untuk berinteraksi dengan atom dengan tujuan akhir memahami dunia super kecil. Ilmuwan di banyak bidang menggunakan spektroskopi, termasuk fisikawan atom, fisikawan nuklir, ahli kimia, ahli geologi, ilmuwan atmosfer, dan astronom.
Salah satu pembaca saya menyarankan bahwa menambahkan kewarganegaraan akan menambah sedikit kesenangan dan sejarah tambahan (saya setuju!). Banyak sumber mencantumkan Einstein sebagai "orang kelahiran Jerman" karena ia pindah ke Swiss pada tahun 1895, dan melepaskan kewarganegaraan Jermannya. Pada tahun 1901, ia menjadi warga negara Swiss.
Ada pula fase-fase materi lainnya, termasuk plasma dan kondensat Bose-Einstein (BEC), yang dinamai menurut matematikawan dan fisikawan India Satyendra Nath Bose dan fisikawan kelahiran Jerman Albert Einstein. BEC adalah wujud materi yang sungguh menakjubkan yang pertama kali dipostulatkan pada tahun 1924. Baru pada tahun 1995 fisikawan Amerika Carl Wieman dan Eric Cornell menggunakan teknik fisika atom untuk menciptakan BEC pertama di dunia dari atom rubidium. Tak lama kemudian, fisikawan Jerman Wolfgang Ketterle membuat BEC dari atom natrium. Ketiga fisikawan atom tersebut memenangkan Penghargaan Nobel Fisika tahun 2001 atas upaya mereka ini.
4 3
Setelah para eksperimentalis melakukan pengukuran pertama, mereka mulai memperbaiki tatanan eksperimen untuk mengukur hal-hal dengan lebih baik dan lebih baik lagi. Sementara para eksperimentalis memperbaiki tatanan mereka, para teoritisi juga memperbaiki model mereka. Proses ini terus berlanjut berulang-ulang hingga kita, sebagai sebuah komunitas, menyimpulkan bahwa (1) model tersebut benar-benar berfungsi dengan baik dalam memprediksi sistem yang sederhana, dan (2) kita kehabisan cara untuk membuat eksperimen atau teori lebih tepat. Jika, setelah sekian lama terjebak dalam lingkaran itu, kita menemukan bahwa eksperimen dan teori sepakat, kita akan memberikan tos dan menyimpulkan bahwa kita memahami sistem sederhana ini. Jika teori dan eksperimen mulai menyimpang satu sama lain, fisikawan mulai bersemangat karena ada sesuatu yang tidak kita pahami.
Gambar 1.1 adalah diagram alir untuk menjelaskan bagaimana kita, sebagai ilmuwan, mencoba memahami sesuatu. Bagi fisikawan atom, tujuan kita adalah mencoba memahami dunia superkecil. Kita mulai dengan sistem sederhana, misalnya atom hidrogen. Selanjutnya, kita menggunakan teori yang didasarkan pada pengetahuan sebelumnya untuk membuat prediksi. Jika teorinya bagus, prediksi tersebut harus dikonfirmasi melalui eksperimen.
mengorbit satu proton, yang juga dikenal sebagai atom hidrogen. Sistem yang lebih rumit meliputi helium (2 elektron dan 2 proton), litium (3 elektron dan 3 proton), neodymium (60 elektron dan 60 proton), europium (63 elektron dan 63 proton), dan kalifornium (98 elektron dan 98 proton). Bidang fisika lainnya dimulai dengan sistem yang rumit dan "membangun" atau "membangun ke bawah" dalam kompleksitas. Misalnya, fisika benda terkondensasi, yang mencakup subbidang seperti superkonduktivitas, memiliki sistem yang sangat rumit!
Setelah komunitas fisika atom merasa puas dengan sistem yang sederhana, kita membuat sistem tersebut sedikit lebih rumit. Misalnya, setelah kita menyimpulkan bahwa kita memahami hidrogen (1 elektron, 1 proton, 0 neutron), kita beralih untuk mencoba memahami deuterium (1 elektron, 1 proton, 1 neutron) atau helium (2 elektron,
Gambar 1.1 Diagram alir untuk mencoba memahami sesuatu. Ini adalah versi metode ilmiah yang menunjukkan interaksi antara eksperimen dan teori.
Model Standar, yang secara matematis jauh lebih rumit daripada Mekanika Kuantum, melakukan pekerjaan yang jauh lebih baik, tetapi juga tidak lengkap. Misalnya, Model Standar tidak tahu cara menjelaskan banyak hal yang kita amati dalam kehidupan nyata seperti gravitasi, materi gelap, energi gelap, dan asimetri barion, yang semuanya akan dibahas dalam Bab
11.Meskipun ada masalah-masalah ini, pengukuran eksperimental yang menguji validitas Model Standar selalu tampak mengonfirmasi bahwa Model tersebut secara akurat menggambarkan alam!5 Oleh karena itu, kami mengujinya berulang-ulang dengan harapan bahwa (1) kami menemukan ketidaksepakatan antara eksperimen dan teori dan (2) perbedaan ini mengarah pada model yang lebih lengkap yang menggambarkan dunia superkecil.
Dalam buku ini, kita akan membahas atom dalam bentuk gas, jadi kita tidak perlu khawatir tentang bagaimana dua atom atau lebih berinteraksi dalam molekul, cairan, atau padatan.
Jika Anda membaca buku ini sebagai bagian dari kelas, Anda mungkin juga memiliki bagian eksperimen di mana Anda berfokus pada satu atom seperti natrium, cesium, europium, atau neodymium. Salah satu hal terpenting yang perlu diperhatikan saat ini adalah kita ingin mengetahui sifat umum atom pilihan. Misalnya, jika kita ingin mengetahui pemisahan energi antara dua keadaan atom (lebih lanjut tentang ini di bawah) dari satu atom yang terisolasi, kita ingin mengetahui pemisahan energi itu tanpa adanya interaksi eksternal. Kita tidak peduli dengan sifat-sifat ini dalam medan magnet, medan listrik, atau bahkan medan laser.
Bayangkan satu atom di tengah luar angkasa, sepenuhnya dalam kegelapan, dan jauh dari objek lain. Kita menginginkan eksperimen yang membantu kita mengetahui sifat-sifat umum ini. Jika seorang ilmuwan mengetahui sifat-sifat umum, mereka kemudian dapat menghitung atau memperkirakan apa yang akan terjadi pada sifat tersebut jika atom, misalnya,
ditempatkan dalam medan magnet. Yang penting adalah bahwa kita menyediakan informasi umum yang nantinya dapat digunakan oleh para ahli teori, peneliti lain, dan insinyur.
Kerangka teori dalam fisika atom adalah mekanika kuantum. Mekanika kuantum memiliki versi yang lebih modern dan lengkap yang disebut Model Standar Fisika Partikel, topik dari Bab
11.Model Standar muncul karena, meskipun mekanika kuantum berhasil menggambarkan dunia superkecil, ia tidak melakukannya dengan sempurna. Dengan kata lain, mekanika kuantum tidak lengkap (ia tidak menggambarkan segalanya). Saat kami mengerjakan diagram alir, teori dan eksperimen mulai tidak sependapat karena baik ahli teori maupun
eksperimentalis meningkatkan metode mereka.
2 proton, 2 neutron). Hal terpenting yang perlu ditekankan di sini adalah jika model/teori itu bagus, model/teori itu harus memprediksi hasil eksperimen sebelum para eksperimentalis melakukan pengukuran. Jika para teoritisi dan eksperimentalis tidak sependapat, baik teoritisi mengacaukan matematika, eksperimentalis mengacaukan eksperimen mereka, atau teorinya tidak lengkap atau sepenuhnya salah. Waktu yang paling menarik dalam fisika adalah ketika yang terakhir ini terjadi.
Agar adil, eksperimen tidak selalu sesuai dengan Model Standar. Misalnya, Model Standar menyatakan bahwa alam semesta seharusnya memiliki jumlah materi dan antimateri yang hampir sama (ini adalah asimetri barion yang disebutkan di atas), yang akan menjadi buruk karena dengan begitu semua materi dan antimateri akan bergabung untuk menghancurkan alam semesta. Dengan kata lain, Model Standar menyatakan bahwa alam semesta seharusnya tidak ada, yang tidak sesuai dengan eksperimen.
5
Dalam skenario ini, Anda akan perlahan melayang ke bawah hingga mendarat di tanah.
Untuk menjawab pertanyaan itu, pertama-tama mari kita pikirkan tentang elektron yang mengorbit di sekitar inti, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.2. Elektron memiliki muatan negatif dan inti memiliki muatan positif. Menurut teori elektromagnetik, elektron harus memancarkan energi. Bayangkan jika Anda menerbangkan pesawat layang dan Anda perlahan-lahan kehilangan energi.
Kita tidak akan membahas Model Standar sekarang. Kita akan menyederhanakannya dan membahas atom secara konseptual. Nanti di buku ini, kita akan menambahkan model konseptual kita agar lebih lengkap. Jadi, apa yang dikatakan mekanika kuantum tentang atom?
Ada beberapa percobaan menakjubkan yang dilakukan pada akhir tahun 1800-an dan awal tahun 1900-an yang tampaknya menyiratkan bahwa elektron tidak seperti bulan yang mengorbit bumi. Salah satu percobaan favorit saya yang menunjukkan perilaku ini disebut percobaan celah ganda. Jika kita berasumsi elektron seperti bola lengket kecil dan mengirimkannya melalui dua celah kecil di penghalang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.3, kita berharap akan ada dua potongan bola yang menempel di layar. Namun, bukan itu yang terlihat secara eksperimental!
Menurut teori elektromagnetik, elektron juga akan kehilangan energi dan harus mengorbit semakin dekat ke inti atom hingga bertabrakan dengan inti atom. Eksperimen menunjukkan bahwa hal ini tidak benar. Bahkan, jika hal ini benar, kita tidak akan berada di sini membaca buku ini karena atom tidak akan ada dan dengan demikian alam semesta tidak akan ada,6 yang tidak sesuai dengan pengamatan eksperimental.
6
1.2 Memahami Atom Secara Konseptual
Gambar 1.2 Cara berpikir tentang atom yang konseptual namun salah. Model yang menyatakan elektron mengorbit di sekitar inti atom disebut model Bohr, yang dinamai menurut fisikawan Denmark Niels Bohr
Yah, mungkin alam semesta akan ada. Alam semesta akan ada begitu saja tanpa materi, yang tentu saja tidak akan menyenangkan.
Sebelum kita sampai pada hasil eksperimen yang sebenarnya, kita perlu mendefinisikan beberapa istilah penting dan mengeksplorasi konsep interferensi gelombang. Berikut ini adalah tiga definisi penting tentang gelombang. Gambar 1.4 adalah representasi visual dari dua definisi tersebut: panjang gelombang dan frekuensi.
Gambar 1.3 Percobaan celah ganda di mana elektron berperilaku seperti bola lengket kecil. Pada panel A, elektron bergerak menuju penghalang yang memiliki dua celah kecil di dalamnya. Di balik penghalang dengan dua celah kecil tersebut terdapat layar tanpa lubang. Pada panel B, elektron telah menabrak atau melewati penghalang hingga menabrak layar. Panel C menunjukkan tampilan depan elektron yang melewati penghalang dan menabrak layar.
Gambar 1.4 Deskripsi visual panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang adalah jarak antara dua titik yang
“mirip” pada gelombang, misalnya jarak antara dua puncak yang berdekatan atau dua palung yang berdekatan. Jika gelombang bergerak ke arah kanan, frekuensi adalah jumlah puncak yang melewati garis putus-putus setiap detik. Jika kedua gelombang bergerak dengan kecepatan yang sama, gelombang atas memiliki frekuensi yang lebih tinggi daripada gelombang bawah karena lebih banyak puncak yang melewati garis putus-putus dalam 1 detik.
• Frekuensi: Jumlah osilasi per detik. Kami menggunakan variabel f
untuk frekuensi. Satuan untuk frekuensi adalah 1/detik, yang disebut hertz, dinamai menurut fisikawan Jerman Heinrich Hertz. Hertz disingkat menjadi Hz. Beberapa satuan lain yang kita gunakan untuk frekuensi meliputi megahertz (1 MHz = 1 × 106 Hz), gigahertz (1 GHz
= 1 × 109 Hz), dan terahertz (1 THz = 1 × 1012 Hz).
• Panjang gelombang: Jarak antara dua titik yang “serupa” pada gelombang, seperti dua puncak gelombang yang berdekatan. Variabel yang kami gunakan untuk panjang gelombang adalah huruf kecil Yunani lambda, ÿ. Karena panjang gelombang adalah jarak, kami menggunakan satuan panjang seperti meter, sentimeter, atau nanometer.
Definisi
Interferensi Gelombang Interferensi gelombang terjadi setiap kali dua atau lebih gelombang saling tumpang tindih. Gelombang-gelombang tersebut dapat bergerak dalam arah yang sama, arah yang berlawanan, atau pada sudut satu sama lain. Bahkan, gelombang-gelombang tersebut tidak harus terlihat seperti gelombang pada Gambar 1.4. Gelombang-gelombang tersebut dapat berupa pulsa tunggal seperti pada Gambar 1.5. Dalam contoh ini, kedua pulsa, yang diwakili oleh garis putus-putus biru dan merah, berada pada tali yang sama (garis abu-abu yang lebih tebal) dan bergerak dalam arah yang berlawanan. Ketika pulsa-pulsa tersebut saling tumpang tindih, mereka secara konstruktif saling menambah untuk menghasilkan pulsa yang lebih besar. Hal ini dikenal sebagai interferensi konstruktif.
• Periode: Waktu yang dibutuhkan gelombang untuk menyelesaikan satu osilasi penuh. Kami menggunakan variabel T untuk periode, dan satuannya adalah detik. Frekuensi dan periode dihubungkan dengan rumus T = 1/f .
Gambar 1.5 Dua pulsa yang saling berinterferensi secara konstruktif: Garis abu-abu tebal adalah apa yang sebenarnya akan kita lihat. Garis putus-putus biru menunjukkan pulsa yang bergerak ke kanan sementara garis putus-putus merah menunjukkan pulsa yang bergerak ke kiri. Ketika keduanya saling melewati, keduanya saling berinterferensi untuk menciptakan pulsa yang lebih besar. Pada t = 1,0 s, ini adalah 100% interferensi konstruktif. Pada waktu lainnya, pulsa hanya saling berinterferensi secara konstruktif sebagian.
t 0,9 detik
t 1,4 detik t 0,6 detik jam 0 detik
t 1,0 detik t 1,8 detik
Coba Ini
Carilah seutas tali tipis atau slinky dan stopwatch. Jika ada teman di dekat Anda, mintalah mereka memegang salah satu ujung tali atau slinky. Jika tidak ada, ikat atau hubungkan salah satu ujung tali atau slinky ke gagang pintu. Berdirilah agak jauh sehingga ada sedikit tegangan pada tali atau slinky. Kirimkan denyut nadi ke tali atau
slinky dan perhatikan apa yang terjadi saat denyut nadi terpantul dari teman Anda atau gagang pintu.
(lanjutan) Selanjutnya, mulailah membuat gerakan gelombang sinus dengan tangan Anda, lihat Gambar 1.4. Cobalah untuk menggerakkan lengan Anda ke atas dan ke bawah sehingga tali atau slinky menciptakan bentuk yang terlihat pada Gambar 1.7.
Namun, jika kita memiliki pulsa amplitudo positif dan pulsa amplitudo negatif, kita akan mendapatkan interferensi destruktif, lihat Gambar 1.6.
Gambar 1.6 Dua pulsa yang saling mengganggu secara destruktif: Garis abu-abu tebal adalah apa yang sebenarnya akan kita lihat. Garis putus-putus biru menunjukkan pulsa yang bergerak ke kanan sementara garis putus-putus merah menunjukkan pulsa yang bergerak ke kiri. Ketika keduanya saling melewati, keduanya saling meniadakan dengan sempurna sehingga tidak menimbulkan gangguan pada tali sebenarnya untuk jangka waktu yang singkat. Pada t = 1,0 s, ini adalah 100% interferensi destruktif. Pada waktu lainnya, pulsa hanya mengganggu secara destruktif sebagian
gelombang digambar dengan amplitudo yang sama A. Menariknya, frekuensi gelombang berdiri Gambar 1.7 Tiga gelombang berdiri pertama dari tali atau slinky satu dimensi. Setiap gelombang berdiri tidak tergantung pada amplitudo gelombang berdiri
t 0,9 detik
t 1,4 detik
t 0,6 detik t 0 detik
1. hari t 1,8 detik
T
Ini akan menjadi penting nanti.
Kembali ke Percobaan Celah Ganda Oke, mari kita jalankan percobaan yang berbeda. Daripada menggunakan bola-bola kecil yang lengket, mari kita kirimkan gelombang ke layar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.8.
untuk menemukan frekuensi yang dibutuhkan untuk menghasilkan gelombang berdiri tersebut. Frekuensi gelombang berdiri dengan satu "loop" (gambar kiri) disebut frekuensi fundamental. Anda akan menemukan bahwa gambar kedua dengan dua loop memiliki dua kali frekuensi fundamental. Gambar ketiga dengan tiga loop harus memiliki frekuensi yang tiga kali frekuensi fundamental. Secara umum, fn
= nf1, di mana n adalah berapa banyak loop yang dimiliki gelombang berdiri. Perhatikan bahwa gelombang berdiri dengan mode yang lebih tinggi (gelombang dengan lebih banyak loop) membutuhkan lebih banyak energi goncangan!
Anda akan menemukan bahwa tangan Anda harus bergerak ke atas dan ke bawah dengan frekuensi yang sangat spesifik untuk menciptakan bentuk-bentuk ini, yang disebut gelombang berdiri.
Ketika Anda menghasilkan gelombang berdiri, gelombang yang Anda ciptakan dengan tangan Anda secara konstruktif mengganggu gelombang yang dipantulkan. Tidak ada frekuensi lain yang menghasilkan interferensi konstruktif yang sempurna. Dengan menggunakan stopwatch Anda, cari waktu untuk sepuluh osilasi penuh (waktu yang dibutuhkan tangan Anda untuk bergerak ke atas dan ke bawah sepuluh kali) untuk masing-masing dari tiga gelombang berdiri pertama. Periode gelombang berdiri adalah waktu tersebut dibagi dengan 10. Jika Anda menghitung dua puluh osilasi penuh, Anda akan membagi waktu dengan 20 untuk menemukan periodenya. Selanjutnya gunakan rumus f = 1/T
Saya mengubah warna salah satu gelombang melingkar untuk memvisualisasikan evolusi setiap gelombang dengan lebih baik. Kedua gelombang melingkar tersebut saling mengganggu di layar. Tempat
Panel A menunjukkan gelombang yang bergerak menuju celah. Garis vertikal seharusnya menunjukkan puncak gelombang. Palung berada di tengah-tengah antara setiap puncak, jadi Anda memvisualisasikan panjang gelombang. Panel B menunjukkan gelombang saat melewati celah. Gelombang lurus berubah menjadi dua gelombang lengkung, satu datang dari setiap celah. Gelombang lengkung pada dasarnya adalah setengah lingkaran dengan pusat lingkaran di celah.
Gambar 1.8 Percobaan celah ganda menggunakan gelombang
Hal terpenting yang perlu kita pahami secara konseptual adalah bahwa elektron memiliki perilaku seperti gelombang. Ini merupakan informasi yang sangat penting bagi kita karena elektron yang mengorbit inti tidak seperti bulan yang mengorbit bumi, yang digambarkan pada Gambar 1.2.
Eksperimen menunjukkan bahwa elektron berperilaku seperti gelombang.
Sekarang, mari kita lakukan percobaan dengan elektron! Hasil percobaan yang sebenarnya dapat dilihat pada Gambar 1.9. Elektron berperilaku seperti gelombang! Sebenarnya masih banyak lagi hal yang perlu diketahui tentang percobaan celah ganda, tetapi kita tidak akan membahasnya lebih lanjut dalam buku ini. Anda akan mempelajarinya lebih banyak jika Anda mengambil kelas Fisika Modern.
di mana puncak gelombang saling tumpang tindih, ditunjukkan oleh garis hitam antara celah dan layar, adalah tempat kedua gelombang melingkar saling berinterferensi secara konstruktif. Di tengah-tengah antara titik interferensi konstruktif terdapat titik interferensi destruktif sempurna. Panel C menunjukkan apa yang kita lihat di layar. Bagian yang terang adalah tempat kedua gelombang saling berinterferensi secara konstruktif. Bagian yang gelap adalah tempat kedua gelombang saling berinterferensi secara destruktif. Di bagian tengah bagian yang gelap, gelombang saling berinterferensi secara destruktif 100%.
Ini adalah konsep yang sangat sulit untuk dipahami, tetapi percobaan tampaknya menunjukkan bahwa ide ini benar. Bagaimana gelombang "mengorbit" di sekitar inti? Sebagai analogi, bayangkan gelombang yang melingkari dirinya sendiri dalam sebuah lingkaran, lihat Gambar 1.10. Gambar ini hanyalah contoh konseptual karena tidak ada awal atau akhir gelombang. Namun untuk mengeksplorasi konsep ini, kita akan melingkari gelombang elektron berlawanan arah jarum jam di sekitar inti, dan gelombang tersebut akan saling mengganggu. Jika gelombang elektron tidak melingkari kembali dengan sempurna sehingga dua puncak tidak saling tumpang tindih dengan sempurna, elektron akan
saling mengganggu secara destruktif dengan dirinya sendiri. Jika sebuah elektron saling mengganggu secara destruktif Tonomura dan Belsazar dari Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Gambar 1.9 Hasil eksperimen celah ganda dengan elektron. Kredit Gambar: Dr.
ÿ Konsep Penting Elektron dalam atom berperilaku seperti gelombang, jadi kita perlu untuk memikirkan tentang efek interferensi.
Gambar 1.10 Eksplorasi konseptual gelombang elektron yang mengorbit inti yang akan mengakibatkan interferensi destruktif. Dalam (a), kita bayangkan gelombang elektron dimulai dari puncak lingkaran dan bergerak berlawanan arah jarum jam. Dalam (b), gelombang elektron telah membuat satu orbit penuh, tetapi perhatikan bahwa gelombang tersebut tidak sejajar dengan titik awalnya. Untuk (c), gelombang berlanjut dan seharusnya saling menginterferensi dengan dirinya sendiri, tetapi kita belum akan menjumlahkan gelombang-gelombang tersebut. Dalam (d), gelombang berlanjut selama 12 orbit. Untuk mengeksplorasi interferensi destruktif, (e) menunjukkan penjumlahan gelombang ini setelah 4 putaran penuh. (f) menunjukkan interferensi destruktif gelombang ini setelah 10 putaran penuh
• Gelombang juga dapat saling mengganggu (Gambar 1.8 dan 1.10)
Berhentilah sejenak di sini dan lihat apakah Anda dapat menemukan sebuah kesimpulan. Setelah Anda mencapai sebuah kesimpulan, lanjutkan membaca. Kesimpulan saya ada di bawah fakta menarik ini:
• Gelombang saling mengganggu (Gbr. 1.5, 1.6, dan 1.7)
(lanjutan) Banyak hal telah terjadi, jadi mari kita rangkum secara singkat. Kita telah mempelajari bahwa:
• Elektron itu ada, jadi lebih baik ia tidak mengganggu dirinya sendiri secara destruktif hingga tidak ada lagi.
• Elektron memiliki sifat seperti gelombang (Gbr. 1.9)
dengan dirinya sendiri, tidak ada gelombang! Jika tidak ada gelombang, maka tidak ada elektron. Karena elektron ada, gelombang elektron harus saling mengganggu secara konstruktif dengan dirinya sendiri.
Fakta
Menarik Banyak alat musik yang mengeluarkan bunyi (semoga bunyinya menyenangkan!) karena gelombang berdiri. Misalnya, ketika seorang gitaris memetik senar gitar, yang kedua ujungnya tetap, ia menciptakan banyak gelombang berdiri (lihat Gambar 1.7) dengan amplitudo yang berbeda-beda secara bersamaan. Setiap gelombang berdiri tersebut memiliki frekuensi yang merupakan kelipatan dari frekuensi dasar. Amplitudo setiap gelombang berdiri inilah yang menghasilkan bunyi khas gitar.
gelombang elektron
Nada yang dimainkan pada terompet atau saksofon juga menghasilkan gelombang berdiri, tetapi gelombang berdiri tersebut tercipta di udara dan secara fisik terwujud sebagai tempat dengan kepadatan udara tinggi dan rendah.
Kita menyebut energi diskrit elektron yang mengorbit inti atom dapat memiliki “tingkat energi” atau
“keadaan energi” dan menggambarkannya dalam diagram seperti Gambar 1.12. Keadaan energi terendah disebut keadaan dasar atom, atau disingkat keadaan dasar.
Kesimpulan Elektron harus saling mengganggu secara konstruktif dengan dirinya sendiri. Ide ini secara konseptual ditunjukkan pada Gambar 1.11.
memainkan nada yang berbeda, gitaris mengubah panjang senar dengan menekan senar di tempat yang berbeda, yang pada gilirannya mengubah frekuensi dasar.a Hal yang sama berlaku untuk piano. Tuts piano memukul kawat yang menghasilkan gelombang berdiri yang menghasilkan suara yang (semoga!) menyenangkan. Amplitudo semua gelombang berdiri pada kawat piano yang dipukul berbeda dengan amplitudo senar gitar, itulah sebabnya bunyinya berbeda.
ombak.
Keadaan dengan energi yang lebih tinggi disebut keadaan tereksitasi. Gambar tingkat energi ini terkadang disebut diagram Grotrian, yang dinamai menurut astronom dan astrofisikawan Jerman, Walter Grotrian.
Satuan SI untuk energi adalah joule, yang dinamai menurut
Elektron hanya dapat “mengorbit” di sekitar inti jika memenuhi kondisi gelombang berdiri. Setiap gelombang berdiri memiliki energi yang terkait dengannya. Sama seperti gelombang berdiri pada tali dengan 2 loop memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dan membutuhkan lebih banyak energi goncangan daripada gelombang berdiri dengan 1 loop, “keadaan” energi yang lebih tinggi dari sebuah elektron memiliki panjang gelombang yang lebih pendek. Dengan demikian, energi elektron yang diizinkan bersifat “diskrit”: mereka hanya dapat memiliki nilai-nilai spesifik yang sesuai dengan keadaan berdiri ini.
Mereka juga dapat memetik senar yang berbeda yang memiliki kepadatan massa yang berbeda atau mengubah tegangan pada senar. Semua perubahan ini akan menghasilkan frekuensi dasar yang berbeda.
Gambar 1.11 Empat contoh konseptual gelombang elektron yang mengorbit inti yang akan menghasilkan interferensi konstruktif. Bergerak dari kiri ke kanan berarti bergerak dari keadaan energi rendah ke keadaan energi tinggi.
inti
Perbedaan energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi energi terendah dalam atom hidrogen adalah 0,0000000000000000001634 J = 1,634 × 10ÿ18 J.
Itu angka yang kecil! Satuan yang lebih umum untuk energi dalam fisika atom adalah elektronvolt (eV).
Konversinya adalah 1 eV = 1,602 × 10ÿ19 J, jadi energi dari keadaan tereksitasi terendah adalah 10,2 eV di atas energi keadaan dasar.
Joule adalah singkatan dari kg m2/s2. Sebagai referensi, energi bola bisbol yang bergerak dengan kecepatan 50 mph adalah sekitar 36 joule. Energi apel yang bergerak dengan kecepatan 1 meter/detik adalah sekitar 0,05 joule.
fisikawan Inggris James Joule. Joule disingkat menjadi J.
Satu Hal Terakhir Uraian di atas tentang elektron dalam atom adalah titik awal yang baik untuk memahami bagaimana dan mengapa atom berperilaku seperti itu. Anggaplah bab ini sebagai bagian pertama dari Gambar 1.1. Ide konseptual yang baru saja Anda pelajari sudah benar. Akan tetapi, gelombang elektron ternyata lebih rumit daripada gambar sederhana yang diberikan di atas. Pertama- tama, gelombang elektron akan berada dalam 3 dimensi. Namun, yang lebih penting, gelombang sebenarnya yang menggambarkan elektron dalam atom, yang disebut fungsi gelombang, agak lebih rumit untuk dipahami. Semua konsep seperti interferensi gelombang dan tingkat energi dalam atom masih benar, tetapi penyajian gelombang elektron telah disederhanakan. Anda akan menyempurnakan ide-ide ini di kelas-kelas mendatang seperti Fisika Modern dan Mekanika Kuantum.
7 konseptual yang menunjukkan
atom dengan satu keadaan dasar dan tiga keadaan tereksitasi.
Atom nyata memiliki banyak keadaan tereksitasi
Perhatikan bahwa satuan 'joule' tidak ditulis dengan huruf kapital. Secara umum, satuan yang dinamai menurut nama orang tidak ditulis dengan huruf kapital.
7
ÿ Komentar Penting Ahli fisika atom dan spektroskopi sering mengatakan bahwa
energi keadaan dasar adalah 0. Ini tidak benar! Bayangkan gelombang stasioner pada tali dengan satu simpul. Ini adalah gelombang stasioner dengan jumlah energi goncangan terkecil, tetapi masih memiliki energi!
Keadaan dasar atom juga memiliki energi. Dalam percobaan, kita mengukur
perbedaan energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi. Untuk
tujuan ini, kita menetapkan keadaan energi terendah menjadi 0 sehingga
semuanya diukur sehubungan dengan keadaan tersebut.
1.3 Foton dan Spektroskopi
Akan tetapi, kami telah menemukan secara eksperimental bahwa ketika elektron mengenai layar, yang sering disebut pengukuran, gelombang elektron "runtuh" ke satu titik. Anda mungkin pernah mendengar frasa "runtuhnya fungsi gelombang" atau "dualitas gelombang-partikel".
Ini adalah cara yang lebih bagus untuk mengatakan bahwa elektron berperilaku seperti gelombang hingga ada sesuatu yang berinteraksi dengannya sebelum mulai berperilaku seperti partikel (yaitu satu titik di layar). Amplitudo interferensi gelombang memberi tahu kita probabilitas di mana gelombang runtuh kembali ke suatu titik. Jadi, di mana gelombang elektron secara destruktif mengganggu layar menghasilkan 0 probabilitas bahwa partikel akan terdeteksi pada titik itu. Proses perpindahan dari gelombang ke suatu titik adalah fenomena yang menarik dan belum dapat dijelaskan! Ada banyak fisikawan dan filsuf yang berpikir keras tentang bagaimana
"runtuhnya" ini terjadi. Kami akan mengeksplorasi lebih lanjut tentang interpretasi probabilistik mekanika kuantum, yang sering disebut interpretasi ortodoks atau Kopenhagen, di Bab 6.
Sebagai analogi, bayangkan aliran air. Air tampak mengalir terus-menerus, tetapi sebenarnya terdiri dari molekul-molekul air yang sangat kecil. Hal yang sama berlaku untuk cahaya.
Misalkan kita ingin mengukur perbedaan energi antara keadaan dasar dan salah satu keadaan tereksitasi. Bagaimana kita melakukannya? Jawaban: Spektroskopi! Kita menyinari atom dengan cahaya dan mengamati apa yang terjadi pada cahaya tersebut. Dalam spektroskopi modern, kita menggunakan cahaya laser. Cahaya, termasuk cahaya laser, tersusun dari partikel-partikel kecil yang dikenal sebagai foton.
Sedikit Tambahan
Pembaca yang cermat mungkin telah memperhatikan sesuatu yang aneh pada Gambar 1.9.
Meskipun jelas ada pola interferensi gelombang, interferensi gelombang ini terdiri dari titik-titik terang kecil. Elektron bergerak melalui celah sebagai gelombang.
Cahaya tersusun dari partikel-partikel kecil yang kita sebut foton. Akan tetapi, ada perbedaan yang sangat penting antara molekul air dan foton. Energi foton hanya ditentukan oleh frekuensi gelombang cahaya. Semakin banyak gelombang cahaya berosilasi naik dan turun dalam satu detik, semakin besar energi foton individual yang membentuk gelombang cahaya tersebut. Di sisi lain, energi molekul air terkait dengan seberapa cepat molekul tersebut bergerak, berputar, dan bergetar. Kita akan membahas hubungan antara frekuensi gelombang cahaya dan energi foton lebih lanjut di bagian berikutnya.
Fisikawan Jerman Max Planck memenangkan Hadiah Nobel fisika tahun 1918 untuk penemuan foton.
Albert Einstein memenangkan Penghargaan Nobel dalam bidang fisika pada tahun 1921 atas penjelasannya tentang efek fotolistrik, yang menyatakan bahwa seberkas cahaya terdiri dari sekumpulan foton. Saya mungkin bias, tetapi penjelasan Einstein tentang efek fotolistrik merupakan penemuan terpenting di abad ke-20.
8
8
9
10 9
perbedaan energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi, atom akan menyerap foton tersebut dan memindahkan elektron ke keadaan tereksitasi.
Jika foton tidak memiliki energi yang sama dengan perbedaan energi tersebut, atom akan mengabaikan foton tersebut sepenuhnya.
Pernyataan penting ini sangat penting, tetapi juga tidak 100% benar. Kita akan mulai dengan pernyataan ini untuk membahas beberapa konsep penting. Dalam beberapa bab berikutnya, kita akan membahas lebih lanjut tentang fisika dan kemudian menyatakan kembali pernyataan penting ini menjadi sesuatu yang lebih benar.
Mirip seperti diagram alir di awal bab. Kita mulai dari yang sederhana lalu tingkatkan ke yang rumit.
Kita perlu menambahkan tepat E2 ÿ E1 energi.
Inilah ide dasar di balik spektroskopi. Jika kita ingin mengeksitasi elektron dari satu tingkat energi, yang memiliki sejumlah energi, ke tingkat energi lain, yang memiliki energi berbeda, kita perlu menyediakan sistem dengan perbedaan energi yang tepat.
Mengulang pernyataan tersebut dalam bentuk eksperimen yang sebenarnya: Kami mengirimkan laser melalui wadah yang bening secara optik, yang disebut sel atau sel uap, yang diisi dengan atom. Kami akan memindai energi foton secara halus dari waktu ke waktu dan memantau transmisi laser melalui sel. Jika energi foton tidak sesuai dengan perbedaan energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi, cahaya laser akan melewati atom tanpa kehilangan apa pun. Jika energi foton sesuai dengan perbedaan energi tersebut, cahaya akan hilang dari laser dan transmisi akan menurun.
Mari kita sebut energi ini E1. Jika kita ingin menambahkan satu putaran lagi ke gelombang berdiri, kita perlu menambahkan energi ke sistem. Misalkan sebuah elektron dengan 1 putaran gelombang berdiri lagi memiliki energi E2. Ingatlah bahwa elektron harus menjadi gelombang berdiri, yang memiliki energi tertentu. Jika tidak, elektron akan mengalami interferensi destruktif. Kita ingin memindahkan elektron dari gelombang berdiri berenergi rendah ke gelombang berdiri berenergi tinggi. Berapa banyak energi yang perlu kita masukkan ke dalam sistem? Jawabannya ada di catatan kaki.10
Eksperimen Pikiran Bayangkan Anda memiliki elektron yang berperilaku seperti gelombang
yang mengorbit di sekitar inti. Gelombang elektron itu harus saling mengganggu secara konstruktif, dan kita dapat menganggap gelombang berdiri itu memiliki sejumlah energi.
Percobaan yang sesuai dengan deskripsi di atas dikenal sebagai percobaan spektroskopi
serapan. Kami, sebagai peneliti eksperimental, cukup memantau transmisi laser melalui
sampel atom saat kami mengubah energi foton. Ketika jumlah cahaya yang ditransmisikan
turun, kami mempelajari energi apa yang dibutuhkan untuk mengeksitasi atom dari keadaan
dasar ke keadaan tereksitasi. Percaya atau tidak, secara konseptual, hanya itu saja. Di
laboratorium, semuanya sedikit lebih rumit, tetapi ini adalah ide dasarnya. Kami akan
menyelesaikan bagian ini dengan definisi baru.
(1.1)
Ef = hf, c = fÿ,
10ÿ34 Js. Satuannya adalah joule dikali detik, di mana joule adalah satuan energi.
Kecepatan cahaya, panjang gelombang cahaya laser, dan frekuensi cahaya laser semuanya terkait menggunakan rumus:
di mana c = 299, 792, 458 m/s ÿ 3 × 108 m/s adalah konstanta alam yang dikenal sebagai kecepatan cahaya.11 Energi foton diberikan oleh rumus:
• Resonansi: Ketika sebuah atom tereksitasi oleh foton dari satu keadaan ke keadaan lain, kita mengatakan atom tersebut “mengalami resonansi.” Ini mirip dengan memainkan terompet. Ketika Anda meniup terompet dengan benar, gelombang berdiri akan tereksitasi dalam pipa untuk menciptakan nada. Hal yang sama terjadi pada sebuah atom. Ketika Anda mengeksitasi sebuah atom dengan foton energi yang tepat, elektron akan berpindah dari satu mode gelombang berdiri ke mode gelombang berdiri lainnya.
Fisikawan atom menggunakan kata “eksitasi” dan “resonansi” secara bergantian.
Definisi
di mana h adalah konstanta alam yang dikenal sebagai konstanta Planck, dinamai menurut fisikawan Jerman Max Planck. Konstanta Planck adalah angka yang sangat kecil, h = 6,626 ×
Hal terpenting yang perlu ditekankan di sini adalah kita memiliki banyak cara untuk menyatakan sifat yang sama dari sebuah foton. Jika saya memberi tahu Anda panjang gelombang cahaya, Anda dapat segera menghitung frekuensi cahaya dan energi foton yang membentuk cahaya itu.Karena ketiga kuantitas tersebut terkait dengan konstanta, seorang fisikawan atom akan mengklaim bahwa panjang gelombang, frekuensi, dan energi foton semuanya adalah hal yang sama. Seorang fisikawan atom mungkin akan mengatakan, "energi foton adalah 632 THz" dan tidak memikirkannya. Perlu beberapa latihan untuk menggunakan satuan yang "salah" untuk menggambarkan sesuatu! Bayangkan jika Anda bertanya kepada saya tentang tinggi badan saya, dan saya menjawab dengan 150 MHz. Bagi fisikawan, tidak ada yang salah dengan melakukan ini karena kita hanya akan salah oleh sebuah konstanta alam.
(1.2)
Satuan energi yang umum adalah sentimeter terbalik. Misalnya, pernyataan, “Perbedaan energi antara kedua keadaan adalah 12.460 cmÿ1” sangat umum. Bagi ahli spektroskopi, angka ini berarti hal yang sama dengan 2,475 × 10ÿ19 J. Konversi
11
1.4 Matematika
Ini adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Tepatnya 299, 792, 458 m/s.
Ekstra: Polarisasi 1.5
(1.3) P = NEph,
Kesalahpahaman Umum Daya tidak sama dengan energi. Daya adalah laju energi yang keluar dari laser. Bayangkan dua sinar laser dengan dua frekuensi yang berbeda. Cahaya dari laser #1 memiliki frekuensi yang lebih tinggi daripada cahaya dari laser #2. Sekarang kita tahu bahwa foton yang membentuk laser #1 memiliki lebih banyak energi daripada foton yang membentuk laser #2. Daya adalah seberapa banyak energi yang keluar dari laser per detik. Jika jumlah foton yang sama per detik meninggalkan kedua laser, laser #1 memiliki daya yang lebih besar. Dalam bentuk matematika, daya laser adalah:
Definisi
• Frekuensi resonansi: Ketika frekuensi laser tepat untuk mengeksitasi atom dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi, kita menyebutnya frekuensi resonansi. Kita menggunakan variabel fr untuk mewakili frekuensi resonansi. Karena frekuensi resonansi adalah frekuensi, maka ia menggunakan satuan Hz, MHz, GHz, atau THz.
Sekarang kita dapat membuat definisi baru:
antara dua angka tersebut memerlukan perkalian dengan kombinasi yang tepat dari konstanta fundamental h dan c. Satuan energi ini dibahas lebih lanjut dalam Soal 1.6.
Bayangkan Anda memiliki laser 1 watt dan laser 10 watt yang memiliki foton dengan energi yang sama.
Laser 10 watt memancarkan 10 kali lebih banyak foton per detik dibandingkan laser 1 watt.
Frekuensi cahaya memberi tahu kita berapa kali gelombang cahaya itu berosilasi naik dan turun dalam 1 detik. Polarisasi memberi tahu kita arah cahaya berosilasi. Ada tiga pengelompokan utama polarisasi cahaya: linier, melingkar, dan elips. Cahaya terpolarisasi linier adalah cahaya yang paling umum kita gunakan dalam spektroskopi, jadi kita tidak akan berbicara tentang cahaya terpolarisasi melingkar atau elips di sini. Namun, ada beberapa jenis eksperimen spektroskopi yang menggunakan cahaya terpolarisasi melingkar. Jika Anda penasaran tentangnya, cari gambar frasa tersebut untuk menemukan beberapa gif animasi yang bagus yang menunjukkan cahaya dengan polarisasi berbeda yang bergerak melalui ruang. Untuk saat ini, kita akan fokus pada cahaya terpolarisasi linier.
di mana N adalah jumlah foton per detik yang meninggalkan laser dan Eph = hf adalah energi dari satu foton. Satuan untuk daya adalah watt, yang dinamai untuk menghormati ahli kimia Skotlandia James Watt. Watt disingkat menjadi W dan setara dengan joule per detik.
Anda dapat memutar pelat setengah gelombang untuk mengendalikan rasio cahaya di setiap jalur. Dalam pengaturan spektroskopi normal, Anda melihat ke bawah pada cahaya dan optik dari atas. Dalam orientasi ini, cahaya terpolarisasi p bersifat horizontal, ditunjukkan oleh panah biru dan cahaya terpolarisasi s bersifat vertikal, ditunjukkan oleh lingkaran putus-putus.
Gambar 1.13 Contoh medan listrik berosilasi yang menjalar sepanjang arah z. Gambar kiri menunjukkan cahaya linier horizontal sedangkan gambar kanan menunjukkan cahaya linier vertikal.
Gbr. 1.14 Dengan menggunakan pelat setengah gelombang dan pemisah berkas polarisasi, kita dapat membuat dua berkas cahaya.
Di laboratorium, terdapat perangkat optik yang disebut half-waveplate, terkadang ditulis sebagai pelat ÿ/2 atau hanya ÿ/2. Half-waveplate dapat memutar polarisasi linier cahaya.
Polarisasi linear adalah cahaya yang berosilasi ke atas dan ke bawah dalam satu bidang. Ada dua jenis cahaya terpolarisasi linear: horizontal dan vertikal. Cahaya horizontal berosilasi . . . horizontal terhadap suatu permukaan, dan cahaya vertikal berosilasi . . . vertikal terhadap permukaan tersebut, lihat Gambar 1.13 Hebatnya, kita dapat menggunakan kedua polarisasi ini untuk menggambarkan cahaya terpolarisasi linear apa pun. Misalnya, anggaplah cahaya berosilasi pada sudut 45ÿ. Kita akan menggambarkan cahaya sebagai setengah horizontal dan setengah vertikal.
Jika Anda memiliki cahaya terpolarisasi horizontal, Anda dapat menggunakan pelat setengah gelombang untuk mengubah polarisasi sehingga menjadi 10% vertikal dan 90% horizontal, 50% vertikal dan 50%
horizontal, 75% vertikal dan 25% horizontal, dst. Anda bahkan dapat membuat cahaya yang keluar dari pelat setengah gelombang menjadi sepenuhnya vertikal. Itu mungkin tampak seperti trik yang bagus, tetapi kegunaan sebenarnya muncul ketika kita meletakkan perangkat optik kedua setelah pelat setengah gelombang yang disebut pemisah berkas polarisasi (PBS), lihat Gambar 1.14.
Masalah
1.6 Persamaan Paling Penting dalam Semua Ilmu Pengetahuan
12
Jangan berharap untuk mengingat atau memahami setiap konsep saat pertama kali Anda membaca atau mendengarnya. Penguasaan bukanlah perjalanan singkat. Mengembangkan keterampilan berpikir kritis bukanlah aktivitas 5 menit yang Anda pahami setelah menonton video YouTube berdurasi 3 menit.
1.1 Bacalah bab ini dan tuliskan semua konstanta fundamental (ada dua di antaranya). Jangan lupa satuannya.
Jangan takut untuk bertanya. Jangan khawatir untuk meminta klarifikasi.
pertanyaan + pengulangan + pemikiran kritis = penguasaan
Berlatihlah pembelajaran yang mendalam, pertahankan pola pikir berkembang, dan, yang terpenting, bersenang-senanglah!
Di laboratorium, kami menggunakan pelat setengah gelombang dan pemisah sinar polarisasi untuk membagi sinar laser tunggal menjadi dua sinar dan juga mengendalikan daya di masing-masing sinar.
Jika pelat gelombang diorientasikan sedemikian rupa sehingga polarisasi cahaya yang meninggalkan pelat gelombang sepenuhnya vertikal, semua cahaya akan memantul dari PBS. Jika polarisasi cahaya yang meninggalkan pelat gelombang berada pada 45ÿ, akan ada daya yang sama di kedua laser yang meninggalkan PBS.
yang melewatinya disebut cahaya terpolarisasi-p.12 Ini karena PBS secara teknis dapat berada dalam orientasi spasial apa pun. Demi alasan keamanan, kami hampir selalu menjaga cahaya pada bidang horizontal. Dalam pengaturan umum ini, cahaya terpolarisasi-s adalah cahaya terpolarisasi vertikal sementara cahaya terpolarisasi-p adalah cahaya terpolarisasi horizontal. Jika Anda memutar PBS sehingga cahaya terpolarisasi-s bergerak lurus ke atas (jangan lakukan ini, ini membahayakan mata!!), cahaya terpolarisasi-s itu sekarang terpolarisasi horizontal sementara cahaya terpolarisasi-p sekarang terpolarisasi vertikal. Inilah sebabnya kami menggunakan "s" dan "p".
1.2 Baca bab ini dan tuliskan setiap persamaan. Untuk setiap persamaan, tuliskan deskripsi singkat tentang makna persamaan tersebut.
Fakta menarik: "s" merupakan singkatan dari kata Jerman "senkrecht", yang berarti tegak lurus; "p"
merupakan singkatan dari kata Jerman "parallel", yang berarti sejajar (ini bukan salah cetak, kata Jerman untuk sejajar adalah parallel). Saya suka menggunakan "s" untuk skip dan "p" untuk pass-through.
Nilailah rumus yang Anda temukan di Soal 1.3(a) dengan mencari ulang energi foton menggunakan angka-angka dari Soal 1.4(b). Jika Anda memperoleh jawaban yang sama dengan Soal 1.4(a), kami yakin bahwa rumus yang Anda peroleh benar.
1.5 (Penilaian) Fisikawan dilatih untuk menilai segalanya. Itulah yang membuat kami istimewa ÿ.
1.6 Dalam fisika atom, energi sering diukur dalam satuan cmÿ1. Metode penghitungan energi dalam satuan ini adalah dengan terlebih dahulu mencari panjang gelombang laser dalam sentimeter, lalu mengambil kebalikannya. Dalam bentuk persamaan, ini adalah
Dengan menggunakan ÿ = 852,347 nm, temukan energi dalam satuan sentimeter terbalik.
1.7 Persamaan dalam Soal 1.6 bisa membingungkan. Energi memiliki satuan joule dan bukan panjang yang berbanding terbalik! Mengapa fisikawan atom merasa nyaman menggunakan energi dalam satuan yang aneh ini? Ada beberapa jawaban yang benar di sini.
Jawabannya harus memiliki 6 angka penting.
(a) Berapakah energi foton yang terdapat dalam laser yang memiliki frekuensi 647,8 THz (647,8 × 1012 Hz)? Nyatakan jawaban Anda dalam joule (J) dan elektronvolt (eV). Jawaban akhir Anda harus memiliki 4 angka signifikan.
.
Perhatikan bahwa dalam rumus di atas, satuan yang digunakan untuk setiap simbol disertakan dalam tanda kurung; rumus tidak mengatakan “ÿ dikalikan cm”, tetapi lebih tepatnya “pastikan panjang gelombang memiliki satuan cm sebelum memasukkannya ke dalam rumus.”
(b) Berapa panjang gelombang cahaya dalam nanometer?
E ( cmÿ1) = Petunjuk: 1 J = 1 kg m2/s2
1.4
(1.4) 1
1.3 (Cara Lain untuk Menemukan Energi Foton)
1.8 Bukan hanya fisikawan atom yang menggunakan energi dalam satuan aneh. Astronom, fisikawan nuklir, dan sejumlah besar kimiawan juga menggunakan energi dalam sentimeter terbalik. Beberapa kimiawan dan fisikawan materi terkondensasi lebih suka menggunakan elektronvolt (eV). Hampir tidak ada yang menggunakan satuan SI (joule)! Ada pendapat mengapa?
(a) Dengan menggunakan dua rumus dari Soal 1.2, buatlah rumus untuk energi foton hanya dalam bentuk konstanta fundamental dan panjang gelombang. (b) Periksa untuk
memastikan satuannya benar. Fisikawan selalu memeriksa satuannya. Selalu.
L(cm)
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.
Abstrak
2
“Cahaya Alami”
Tujuan Pembelajaran
• fungsi dan pentingnya elemen dispersif seperti prisma dan kisi dalam spektroskopi. •
perbedaan antara refraksi dan difraksi.
• radiasi benda hitam dan bencana ultraviolet. • prinsip garis emisi dan penyerapan dalam spektroskopi dan pengaruhnya
signifikansi dalam memahami struktur atom.
• konsep komponen spektral dan bagaimana cahaya putih tersusun dari berbagai macam panjang gelombang cahaya.
Pada akhir bab ini, Anda seharusnya dapat memahami:
Dalam bab ini, kami akan membahas bagaimana cahaya dari sumber seperti matahari atau lampu dapat didispersikan ke dalam komponen spektralnya. Kami akan membahas berbagai elemen dispersif, termasuk kisi dan prisma, serta fenomena refraksi dan difraksi yang memungkinkan elemen-elemen ini memisahkan cahaya secara spasial. Bab ini akan membahas radiasi benda hitam dan signifikansi historis dari bencana ultraviolet. Selain itu, kami akan memperkenalkan konsep garis serapan dan emisi, yang akan memberikan wawasan tentang tingkat energi atom dan molekul.
• hukum Stefan-Boltzmann dan hukum pergeseran Wien dalam konteks radiasi benda hitam, dan cara menentukan suhu dari spektrum benda hitam.
tingkat.
• bagaimana cahaya yang dikumpulkan dari matahari memberi kita bukti pertama tentang energi atom
© Penulis 2025 W.
Raven, Fisika Atom untuk Semua, https://
doi.org/10.1007/978-3-031-69507-0_2
25
komponen.
Spektrometer hanya memerlukan dua item: elemen dispersif dan layar. Elemen dispersif adalah apa pun yang mengambil cahaya dan memisahkannya secara spasial menjadi komponen spektralnya. Elemen dispersif yang umum adalah prisma, seperti yang ditunjukka
