makalah kimfis lanjut final
Post on 04-Aug-2015
120 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
BAB I
PENDAHULUAN
1. Latar Belakang
Dalam postulatnya Planck mengkuantisasikan energi yang dapat dimiliki osilator,
tetapi tetap memandang radiasi thermal dalam rongga sebagai gejala gelombang. Einstein
dapat menerangkan efek fotolistrik dengan meluaskan konsep kuantisasi Planck. Einstein
menggambarkan bahwa apabila suatu osilator dengan energi pindah ke suatu keadaan dengan
energi, maka osilator tersebut memancarkan suatu gumpalan energi elektromagnetik dengan
energi, Einstein menganggap bahwa gumpalan energi yang semacam itu yang kemudian
dikenal sebagai foton, yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut :
1. Pada saat foton meninggalkan permukaan dinding rongga tidak menyebar dalam
ruang seperti gelombang tetapi tetap terkonsentrasi dalam ruang yang terbatas yang
sangat kecil.
2. Dalam perambatannya, foton bergerak dengan kecepatan cahaya c.
3. Energi faton terkait dengan frekuensinya yang memenuhi e = hv.
4. Dalam proses efek fotolistrik energi foton diserap seluruhnya oleh elektron yang
berada di permukaan logam.
Lima tahun sesudah Planck mengajukan makalah ilmiahnya tentang teori radiasi
thermal oleh benda hitam sempurna, yaitu pada tahun 1905, Albert Einstein mengemukakan
teori kuantum untuk menerangkan gejala fotolistrik. Secara eksperimental sahihnya teori
kuantum itu dibuktikan oleh Millikan pada tahun 1914. Millikan secara eksperimental
membuktikan hubungan linear antara tegangan pemberhentian elektron dan frekwensi cahaya
yang mendesak elektron pada bahan katoda tertentu.
Pada tahun 1921 Albert Einstein memperoleh hadian Nobel untuk Fisika, karena
secara teoritis berhasil menerangkan gejala efek fotolistrik. Kesahihan penafsiran Einstein
mengenal fotolistrik diperkuat dengan telaah tentang emisi termionik. Telah alam diketahui
bahwa dengan adanya panas akan dapat meningkatkan konduktivitas udara yang ada di
sekelilingnya. Menjelang abad ke-19 ditemukan emisi elektron dari benda panas. Emisi
termionik memungkinkan bekerjanya piranti seperti tabung televisi yang di dalamnya
1
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
terdapat filamen logam atau katoda berlapisan khusus yang pada temperatur tinggi mampu
menyajikan arus elektron yang rapat.
BAB II
ISI
A. EFEK FOTO LISTRIK
Untuk membangkitkan tenaga listrik dari cahaya matahari kita mengenal istilah sel
surya. Namun tahukah kita bahwa sel surya itu sebenarnya memanfaatkan konsep efek
fotolistrik. Efek ini akan muncul ketika cahaya tampak atau radiasi UV jatuh ke permukaan
benda tertentu. Cahaya tersebut mendorong elektron keluar dari benda tersebut yang
jumlahnya dapat diukur dengan meteran listrik. Konsep yang sederhana ini tidak ditemukan
kemudian dimanfaatkan begitu saja, namun terdapat serangkain proses yang diwarnai dengan
perdebatan para ilmuan hingga ditemukanlah definisi cahaya yang mewakili pemikiran para
ilmuan tersebut, yakni cahaya dapat berprilaku sebagai gelombang dapat pula sebagai
pertikel. Sifat mendua dari cahaya ini disebut dualisme gelombang cahaya.
Meskipun sifat gelombang cahaya telah berhasil diaplikasikan sekitar akhir abad ke-
19, ada beberapa percobaan dengan cahaya dan listrik yang sukar dapat diterangkan dengan
sifat gelombang cahaya itu. Pada tahun 1888 Hallwachs mengamati bahwa suatu keping itu
mula-mula positif, maka tidak terjadi kehilangan muatan. Diamatinya pula bahwa suatu
keping yang netral akan memperoleh muatan positif apabila disinari. Kesimpulan yang dapat
ditarik dari pengamatan-pengamatan di atas adalah bahwa chaya ultraviolet mendesak keluar
muatan litrik negatif dari permukaan keping logam yang netral. Gejala ini dikenal sebagai
efek fotolistrik.
Uraian diatas merupakan pengantar untuk memasuki sebuah penjelasan yang lebih
detail dan mendalam tentang efek fotolistrik. Ada beberapa hal yang akan dibahas oleh
penulis disini seperti sejarah penemuan Efek Foto Listrik,sekilas tentang Efek Foto Listrik,
pengertian dan pengkajian mendalam tentang Efek Foto Listrik, soal-soal dan pembahasan
dan aplikasi Efek Foto Listrik dalam kehidupan sehari-hari.
Terdapat begitu banyak manfaat dari Efek Foto Listrik ini, tentunya akan kita ketahui
melalui pengkajian yang mendalam melalui materi ini dan harapan kita tentunya agar kita
2
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
dapat mengaplikasikannya atau minimal dapat menjelaskannya kepada orang disekitar kita
tentang sebuah fenomena fisika yang begitu memukau ini.
Sejarah Penemuan Teori Efek Foto Listrik
Seratus tahun lalu, Albert Einstein muda membuat karya besarnya. Tak tanggung-
tanggung, ia melahirkan tiga buah makalah ilmiah yang menjadikan dirinya ilmuwan paling
berpengaruh di abad ke-20. Tahun itu dianggap annus mirabilis atau Tahun Keajaiban
Einstein. Salah satu makalah itu adalah tentang efek fotolistrik. Oleh panitia Hadiah Nobel
Fisika, makalah itu dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1921.
Einstein termashur dengan teori relativitasnya. Hampir semua orang kenal formula
E=mc2, namun sedikit saja yang mengetahui apa itu efek fotolistrik yang mengantarkan
Einstein sebagai ilmuwan penerima hadiah Nobel. Pada tahun 1921 panitia hadiah Nobel
menuliskan bahwa Einstein dianugrahi penghargaan tertinggi di bidang sains tersebut atas
jasanya di bidang fisika teori terutama untuk penemuan hukum efek fotolistrik. Lantas
mengapa ia tidak menerima Nobel dari teori relativitas yang berdampak filosofis tinggi
tersebut?
Apa hubungan Max Planck dan Albert Einstein? Pada 1990, Max Karl Ernst Ludwig
Planck (1858-1947), ilmuwan dari Universitas Berlin, Jerman, mengemukakan hipotesisnya
bahwa cahaya dipancarkan oleh materi dalam bentuk paket-paket energi yang ia sebut quanta.
Ia memformulakannya sebagai hv. Penemuan Planck itu membuatnya mendapatkan Hadiah
Nobel Bidang Fisika pada 1918.
Gagasan ini diperluas oleh Einstein lima tahun setelah itu. Dalam makalah ilmiah
tentang efek fotolistrik, menurut Einstein, cahaya terdiri dari partikel-partikel yang kemudian
disebut sebagai foton. Ketika cahaya ditembakkan ke suatu permukaan logam, foton-fotonnya
akan menumbuk elektron-elektron pada permukaan logam tersebut sehingga elektron itu
dapat lepas. Peristiwa lepasnya elektron dari permukaan logam itu dalam fisika disebut
sebagai efek fotolistrik.
Efek fotolistrik merupakan proses perubahan sifatsifat konduksi listrik di dalam
material karena pengaruh cahaya atau gelombang elektromagnetik lain. Efek ini
mengakibatkan terciptanya pasangan elektron dan hole di dalam semikonduktor, atau
3
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
pancaran elektron bebas dan ion yang tertinggal di dalam metal. Fenomena pertama dikenal
sebagai efek fotolistrik internal, sedangkan fenomena kedua disebut efek fotolistrik eksternal.
Einstein menyelesaikan paper yang menjelaskan efek ini pada tanggal 17 Maret 1905
dan mengirimkannya ke jurnal Annalen der Physik, persis 3 hari setelah ulang tahunnya yang
ke 26. Di dalam paper tersebut Einstein untuk pertama kalinya memperkenalkan istilah
kuantum (paket) cahaya. Pada pendahuluan paper ia berargumentasi bahwa prosesproses
seperti radiasi benda hitam, fotoluminesens, dan produksi sinar katode, hanya dapat
dijelaskan jika energi cahaya tersebut tidak terdistribusi secara kontinyu.
Pada kenyataanya, inilah ikhwal lahirnya fisika modern yang menampik asumsi teor--
teori mapan saat itu. Salah satunya adalah teori Maxwell yang berhasil memadukan fenomena
kelistrikan dan kemagnetan dalam satu formula serta menyimpulkan bahwa cahaya
merupakan salah satu wujud gelombang elektromagnetik. Jelas dibutuhkan waktu cukup lama
untuk meyakinkan komunitas fisika jika cahaya memiliki sifat granular.
Dalam kenyataanya dibutuhkan hampir 11 tahun hingga seorang Robert Millikan
berhasil membuktikan hipotesis Einstein. Tidak tanggung-tanggung juga, Millikan meng-
habiskan waktu 10 tahun untuk pembuktian tersebut.
Pada saat itu Einstein mempublikasikan paper lain berjudul Teori Kuantum Cahaya.
Di dalam paper ini ia menjelaskan proses emisi dan absorpsi paket cahaya dalam molekul,
serta menghitung peluang emisi spontan dan emisi yang diinduksi yang selanjutnya dikenal
sebagai koefisien EinsteinA danB. Kedua koefisien ini bermanfaat dalam menjelaskan secara
teoretis penemuan laser di kemudian hari. Tujuh tahun kemudian Arthur Compton berhasil
membuat eksperimen yang membuktikan sifat kuantum cahaya tersebut dengan bantuan teori
relativitas khusus.
Ide Einstein memicu Louis de Broglie menelurkan konsep gelombang materi. Konsep
ini menyatakan benda yang bergerak dapat dianggap sebagai suatu gelombang dengan
panjang gelombang berbanding terbalik terhadap momentumnya. Sederhananya, ide de
Broglie ini merupakan kebalikan dari ide Einstein. Kedua ide ini selanjutnya membantu
melahirkan mekanika kuantum melalui persamaan Schroedinger yang menandai berakhirnya
masa fisika klasik.
4
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Sekilas Tentang Efek Foto Listrik
Untuk menguji teori kuantum yang dikemukakan oleh Max Planck, kemudian Albert
Einstein mengadakan suatu penelitian yang bertujuan untuk menyelidiki bahwa cahaya
merupakan pancaran paket-paket energi yang kemudian disebut foton yang memiliki energi
sebesar hf. Percobaan yang dilakukan Einstein lebih dikenal dengan sebutan efek fotolistrik.
Peristiwa efek fotolistrik yaitu terlepasnya elektron dari permukaan logam karena logam
tersebut disinari cahaya.
Alat yang digunakan berupa tabung hampa udara yang dilengkapi dengan dua
elektroda A dan B dan dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah (DC). Pada saat
alat tersebut dibawa ke dalam ruang gelap, maka amperemeter tidak menunjukkan adanya
arus listrik. Akan tetapi pada saat permukaan Katoda (A) dijatuhkan sinar amperemeter
menunjukkan adanya arus listrik. Hal ini menunjukkan adanya aliran arus listrik. Aliran arus
ini terjadi karena adanya elektron yang terlepas dari permukaan (yang selanjutnya disebut
elektron foto) A bergerak menuju B. Apabila tegangan baterai diperkecil sedikit demi sedikit,
ternyata arus listrik juga semakin mengecil dan jika tegangan terus diperkecil sampai nilainya
negatif, ternyata pada saat tegangan mencapai nilai tertentu (-Vo), amperemeter menunjuk
angka nol yang berarti tidak ada arus listrik yang mengalir atau tidak ada elektron yang
keluar dari keping A. Potensial Vo ini disebut potensial henti, yang nilainya tidak=
tergantung pada intensitas cahaya yang dijatuhkan. Hal ini menunjukkan bahwa energi
kinetik maksimum elektron yang keluar dari permukaan adalah sebesar:
Ek = mv2 = e Vo ….
dengan :
Ek = energi kinetik elektron foto (J atau eV)
m = massa elektron (kg)
v = kecepatan elektron (m/s)
e = muatan elektron (C)
Vo = potensial henti (volt)
5
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Berdasarkan hasil percobaan ini ternyata tidak semua cahaya (foton) yang dijatuhkan
pada keping akan menimbulkan efek fotolistrik. Efek fotolistrik akan timbul jika
frekuensinya lebih besar dari frekuensi tertentu. Demikian juga frekuensi minimal yang
mampu menimbulkan efek fotolistrik tergantung pada jenis logam yang dipakai. Selanjutnya,
marilah kita pelajari bagaimana pandangan teori gelombang dan teori kuantum (foton) untuk
menjelaskan peristiwa efek fotolistrik ini. Dalam teori gelombang ada dua besaran yang
sangat penting, yaitu frekuensi (panjang gelombang) dan intensitas.
Ternyata teori gelombang gagal menjelaskan tentang sifat-sifat penting yang terjadi
pada efek fotolistrik, antara lain :
a. Menurut teori gelombang, energi kinetik elektron foto harus bertambah besar jika
intensitas foton diperbesar. Akan tetapi kenyataan menunjukkan bahwa energi kinetik
elektron foto tidak tergantung pada intensitas foton yang dijatuhkan.
b. Menurut teori gelombang, efek fotolistrik dapat terjadi pada sembarang frekuensi, asal
intensitasnya memenuhi. Akan tetapi kenyataannya efek fotolistrik baru akan terjadi
jika frekuensi melebihi harga tertentu dan untuk logam tertentu dibutuhkan frekuensi
minimal yang tertentu agar dapat timbul elektron foto.
c. Menurut teori gelombang diperlukan waktu yang cukup untuk melepaskan elektron
dari permukaan logam. Akan tetapi kenyataannya elektron terlepas dari permukaan
logam dalam waktu singkat (spontan) dalam waktu kurang 10-9 sekon setelah waktu
penyinaran.
d. Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa energi kinetik maksimum
elektron foto bertambah jika frekuensi foton yang dijatuhkan diperbesar. Teori
kuantum mampu menjelaskan peristiwa ini karena menurut teori kuantum bahwa
foton memiliki energi yang sama, yaitu sebesar hf, sehingga menaikkan intensitas
foton berarti hanya menambah banyaknya foton, tidak menambah energi foton selama
frekuensi foton tetap.
Menurut Einstein energi yang dibawa foton adalah dalam bentuk paket, sehingga energi
ini jika diberikan pada elektron akan diberikan seluruhnya, sehingga foton tersebut lenyap.
Oleh karena elektron terikat pada energi ikat tertentu, maka diperlukan energi minimal
sebesar energi ikat elektron tersebut. Besarnya energi minimal yang diperlukan untuk
melepaskan elektron dari energi ikatnya disebut fungsi kerja (Wo) atau energi ambang.
Besarnya Wo tergantung pada jenis logam yang digunakan. Apabila energi foton yang
6
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
diberikan pada elektron lebih besar dari fungsi kerjanya, maka kelebihan energi tersebut akan
berubah menjadi energi kinetik elektron. Akan tetapi jika energi foton lebih kecil dari energi
ambangnya (hf < Wo) tidak akan menyebabkan elektron foto. Frekuensi foton terkecil yang
mampu menimbulkan elektron foto disebut frekuensi ambang. Sebaliknya panjang
gelombang terbesar yang mampu menimbulkan elektron foto disebut panjang gelombang
ambang. Sehingga hubungan antara energi foton, fungsi kerja dan energi kinetik elektron foto
dapat dinyatakan dalam persamaan :
E = Wo + Ek atau Ek = E – Wo
Ek = hf – hfo = h (f – fo) …. (7.5)
dengan :
Ek = energi kinetik maksimum elektron foto
h = konstanta Planck
f = frekuensi foton
fo = frekuensi ambang
Pengkajian Mendalam Tentang Efek Foto Listrik
Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari
permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui
prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah
ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu
sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah.
Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada
kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke
pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.
Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang
merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut.
1. hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi
tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau
menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik
7
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan
logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap
logam dan merupakan karakteristik dari logam itu.
2. ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan
intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas
dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi,
Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari
frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar.
3. ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera
setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada
selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya.
Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori
gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana
cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu
melainkan cahaya sebagai partikel.
Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia
melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti
sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang
terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di
sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit
bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf.
Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek
fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi
yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam
yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai
Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron
E = W0 + Ekm
hf = hf0 + Ekm
Ekm = hf – hf0
8
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan
bahwa W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang
logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekm adalah energi kinetik maksimum
elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain
persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai
Dimana m adalah massa elektron dan ve adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi
dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam
biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6
× 10−19 J.
Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat
dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian
efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber
dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif sumber dihubungkan
ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada
rangkaian menjadi nol.
Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan
logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas
dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti
(stopping potential). Jika V0 adalah potensial penghenti, maka
Ekm = eV0
Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e
adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan
volt (V).
9
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
B. SPEKTRUM ATOM
Dasar-dasar teori kuantum klasik
a. Spektrum atom
Bila logam atau senyawanya dipanaskan di pembakar, warna khas logam akan
muncul. Ini yang dikenal dengan reaksi nyala. Bila warna ini dipisahkan dengan prisma,
beberapa garis spektra akan muncul, dan panjang gelombang setiap garis khas untuk logam
yang digunakan. Misalnya, garis kuning natrium berkaitan dengan dua garis kuning dalam
spektrumnya dalam daerah sinar tampak, dan panjang gelombang kedua garis ini adalah
5,890 x 10–7 m dan 5,896 x 10–7 m.
Bila gas ada dalam tabung vakum, dan diberi beda potensial tinggi, gas akan terlucuti
dan memancarkan cahaya. Pemisahan cahaya yang dihasilkan dengan prisma akan
menghasilkan garisspektra garis diskontinyu. Karena panjang gelombang cahaya khas bagi
atom, spektrum ini disebut dengan spektrum atom.
Fisikawan Swiss Johann Jakob Balmer (1825-1898) memisahkan cahaya yang
diemisikan oleh hidrogen bertekanan rendah. Ia mengenali bahwa panjang gelombang λ
deretan garis spektra ini dapat dengan akurat diungkapkan dalam persamaan sederhana
(1885). Fisikawan Swedia Johannes Robert Rydberg (1854-1919) menemukan bahwa
bilangan gelombang7 σ garis spektra dapat diungkapkan dengan persamaan berikut (1889).
σ = 1/ λ = R{ (1/ni2 ) -(1/nj2 ) }cm–1 ........................ (2.1)
ni dan nj bilangan positif bulat(ni < nj) dan R adalah tetapan khas untuk gas yang digunakan.
Untuk hidrogen R bernilai 1,09678 x 107 m–1.
Umumnya bilangan gelombang garis spektra atom hodrogen dapat diungkapkan
sebagai perbedaan dua suku R/n2. Spektra atom gas lain jauh lebih rumit, tetapi sekali lagi
bilangan gelombangnya juga dapat diungkapkan sebagai perbedaan dua suku.
b. Teori Bohr
Di akhir abad 19, fisikawan mengalami kesukaran dalam memahami hubungan antara
panjang gelombang radiasi dari benda yang dipanaskan dan intesitasnya. Terdapat perbedaan
10
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
yang besar antara prediksi berdasarkan teori elektromagnetisme dan hasil percobaan.
Fisikawan Jerman Max Karl Ludwig Planck (1858-1947) berusaha menyelesaikan
masalahyang telah mengecewakan fisikawan tahun-tahun itu dengan mengenalkan hipotesis
baru yang kemudian disebut dengan hipotesis kuantum (1900).
Berdasarkan hipotesisnya, sistem fisik tidak dapat memiliki energi sembarang tetapi
hanya diizinkan pada nilai-nilai tertentu. Dengan radiasi termal, yakni radiasi energi
gelombang elektromagnetik dari zat, gelombang elektromagnetik dengan frekuensi ν dari
permukaan padatan akan dihasilkan dari suatu osilator yang berosilasi di permukaan padatan
pada frekuensi tersebut. Berdasarkan hipotesis Planck, energi osilator ini hanya dapat
memiliki nilai diskontinyu sebagaimana diungkapkan dalam persamaan berikut.
ε=nhν (n = 1, 2, 3,....) ................. (2.2)
n adalah bilangan bulat positif dan h adalah tetapan, 6,626 x 10–34 J s, yang disebut dengan
tetapan Planck.
Ide baru bahwa energi adalah kuantitas yang diskontinyu tidak dengan mudah
diterima komunitas ilmiah waktu itu. Planck sendiri menganggap ide yang ia usulkan
hanyalah hipotesis yang hanya diperlukan untuk menyelesaikan masalah radiasi dari padatan.
Ia tidak bertjuan meluaskan hipotesisnya menjadi prinsip umum.
Fenomena emisi elektron dari permukaan logam yang diradiasi cahaya (foto-iradiasi)
disebut dengan efek fotolistrik. Untuk logam tertentu, emisi hanya akan terjadi bila frekuensi
sinar yang dijatuhkan di atas nilai tertentu yang khas untuk logam tersebut. Alasan di balik
gejala ini waktu itu belum diketahui. Einstein dapat menjelaskan fenomena ini dengan
menerapkan hipotesis kuantum pada efek fotoelektrik (1905). Sekitar waktu itu, ilmuwan
mulai percaya bahwa hipotesis kuantum merupakan prinsip umum yang mengatur dunia
mikroskopik.
Fisikawan Denmark Niels Hendrik David Bohr (1885-1962) berusaha
mengkombinasikan hipotesis kunatum Planck dengan fisika klasik untuk menjelaskan spektra
atom yang diskontinyu. Bohr membuat beberapa asumsi seperti diberikan di bawah ini dan di
Gambar 2.3.
11
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Teori Bohr
i. Elektron dalam atom diizinkan pada keadaan stasioner tertentu. Setiap keadaan
stasioner berkaitan dengan energi tertentu.
ii. Tidak ada energi yang dipancarkan bila elektron berada dalam keadaan stasioner
ini. Bila elektron berpindah dari keadaan stasioner berenergi tinggi ke keadaan
stasioner berenergi lebih rendah, akan terjadi pemancaran energi. Jumlah
energinya, h ν, sama dengan perbedaan energi antara kedua keadaan stasioner
tersebut.
iii. Dalam keadaan stasioner manapun, elektron bergerak dalam orbit sirkular sekitar
inti.
iv. Elektron diizinkan bergerak dengan suatu momentum sudut yang merupakan
kelipatan bilangan bulat h/2π, yakni mvr = n(h/2π), n = 1, 2, 3,. (2.3)
Energi elektron yang dimiliki atom hidrogen dapat dihitung dengan menggunakan
hipotesis ini. Di mekanika klasik, gaya elektrostatik yang bekerja pada elektron dan gaya
sentrifugal yang dihasilkan akan saling menyetimbangkan. Jadi,
e2/4πε0r2 = mv2/r ............................... (2.4)
Dalam persamaan 2.3 dan 2.4, e, m dan v adalah muatan, massa dan kecepatan elektron, r
adalah jarak antara elektron dan inti, dan ε0 adalah tetapan dielectrik vakum, 8,8542 x 10–2
C2 N–1 m2.
Latihan 2.4 Jari-jari orbit elektron dalam hidrogen
Turunkan persamaan untuk menentukan jari-jari orbit r elektron dalam atom hidrogen
dari persamaan 2.3 dan 2.4. Jelaskan makna persamaan yang anda turunkan.
Jawab: mvr = nh/2π dapat diubah menjadi v = nh/2πmr. Dengan mensubstitusikan ini ke
persamaan 2.4, anda akan mendapatkan persamaan:
e2/4πε0r2 = mn2h2/4π2m2r3
Jadi r = n2ε0h2/(2π)2me2, n = 1, 2, 3,.............. (2.5)
12
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Persamaan 2.5 menunjukkan batasan bahwa jari-jari elektron diizinkan pada nilai tertentu
saja (diskontinyu). Di sini n disebut bilangan kuantum.
Jari-jari r dapat diungkapan dalam persamaan
r = n2aB, n = 1, 2, 3,................. (2.6)
Dalam persamaan ini, aB adalah jari-jari minimum bila n = 1. Nilai ini, 5,2918 x 10–11 m,
disebut dengan jari-jari Bohr.
Gambar 2.3 Model Bohr. Elektron akan berotasi dalam orbit sirkular di sekililing inti. Nilai
jari-jarinya dikontinyu dan dapat diprediksikan dari teori Bohr.
Energi elektron dalam atom hidrogen merupakan jumlah energi kinetik dan energi
potensilanya, Jadi :
E = mv2/2 - e2/4πε0r ........................ (2.7)
Latihan 2.5 Energi elektron dalam atom hidrogen.
Dengan menggunakan persamaan 2.3 dan 2.4, turunkan persamaan yang tidak
mengandung suku v untuk mengungkapkan energi elektron dalam atom hidrogen.
Jawab: Persamaan2.4 dapat diubah menjadi mv2 = e2/4πε0r. Dengan mensubstitusikan
persamaan ini kedalam persamaan 2.7, anda dapat mendapatkan persamaan berikut setelah
penyusunan ulang:
13
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
E = -me4/8ε02n2h2 、 n = 1 ,2 ,3.......... (2.8)
Jelas energi elektron akan diskontinyu, masing-masing ditentukan oleh nilai n. Alasan
mengapa nilai E negatif adalah sebagai berikut. Energi elektron dalam atom lebih rendah
daripada elektron yang tidak terikat pada inti. Elektron yang tidak terikat inti disebut elektron
bebas. Keadaan stasioner paling stabil elektron akan berkaitan dengan keadaan dengan n = 1.
Dengan meningkatnya n, energinya menurun dalam nilai absolutnya dan menuju nol.
c. Spektra Atom Hidrogen
Menurut teori Bohr, energi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan atom berkaitan
dengan perbedaan energi dua keadaan stationer i dan j. Jadi,
ΔE = hν = │Ej - Ej│= (2π2me4/ε02h2 )[(1/ni2 ) -(1/nj
2 ) ] nj > ni ...... (2.9)
Bilangan gelombang radiasi elektromagnetik diberikan oleh:
ν = me4/8ε02n2h3)[(1/ni
2 ) -(1/nj2 ) ..................................... (2.10)
Suku tetapan yang dihitung untuk kasus nj = 2 dan ni = 1 didapatkan identik dengan
nilai yang didapatkan sebelumnya oelh Rydberg untuk atom hidrogen (lihat persamaan 2.1).
Nilai yang secara teoritik didapatkan oleh Bohr (1,0973 x 10–7 m–1) disebut dengan konstanta
Rydberg R∞.
Deretan nilai frekuensi uang dihitung dengan memasukkan nj = 1, 2, 3, … berkaitan
dengan frekuensi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan elektron yang kembali dari
keadaan tereksitasi ke tiga keadaan stasioner, n = 1, n =2 dan n = 3. Nilai-nilai didapatkan
dengan perhitungan adalah nilai yang telah didapatkan dari spektra atom hidrogen. Ketiga
deret tersebut berturut-turut dinamakan deret Lyman, Balmer dan Paschen. Ini
mengindikasikan bahwa teori Bohr dapat secara tepat memprediksi spektra atom hidrogen.
Spektranya dirangkumkan di Gambar 2.4.
14
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Gambar 2.4 Spektra atom
hidrogen. Teori Bohr dapat menjelaskan semua transisi.
d. Hukum Moseley
Fisikawan Inggris Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) mendapatkan, dengan
menembakkan elektron berkecepatan tinggi pada anoda logam, bahwa frekuensi sinar-X yang
dipancarkan khas bahan anodanya. Spektranya disebut dengan sinar-X karakteristik. Ia
menginterpretasikan hasilnya dengan menggunakan teori Bohr, dan mendapatkan bahwa
panjang gelombang λ sinar- X berkaitan dengan muatan listrik Z inti. Menurut Moseley,
terdapat hubungan antara dua nilai ini (hukum Moseley; 1912).
1/λ = c(Z - s)2 ..................... (2.11)
c dan s adalah tetapan yang berlaku untuk semua unsur, dan Z adalah bilangan bulat. Bila
unsur-unsur disusun dalam urutan sesuai dengan posisinya dalam tebel periodik (lihat bab 5),
nilai Z setiap unsur berdekatan akan meningkat satu dari satu unsur ke unsur berikutnya.
Moseley dengan benar menginterpretasikan nilai Z berkaitan dengan muatan yang dimiliki
inti. Z tidak lain adalah nomor atom.
Latihan 2.6 Perkiraan nomor atom (hukum Moseley)
Didapatkan bahwa sinar-X khas unsur yang tidak diketahui adalah 0,14299 x 10–9 m.
Panjang gelombang dari deret yang sama sinar-X khas unsur Ir (Z = 77) adalah
15
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
0,13485 x 10–9 m. Dengan asumsi s = 7,4, perkirakan nomor atom unsur yang tidak
diketahui tersebut.
Jawab: Pertama perkirakan √c dari persamaan (2.1).
[1/0,13485x10−9(m)]1/2= √ c. (77 − 7.4) = 69,6 √c; jadi √c = 1237,27, maka
[1/0,14299x10−9(m)]= 1237 (z − 7.4) dan didapat z = 75
Berbagai unsur disusun dalam urutan sesuai dengan nomor atom sesuai hukum
Moseley. Berkat hukum Moseley, masalah lama (berapa banyak unsur yang ada di alam?)
dapat dipecahkan. Ini merupakan contoh lain hasil dari teori Bohr.
e. Keterbatasan Teori Bohr
Keberhasilan teori Bohr begitu menakjubkan. Teori Bohr dengan sangat baik
menggambarkan struktur atom hidrogen, dengan elektron berotasi mengelilingi inti dalam
orbit melingkar menjadi jelas bahwa ada keterbatasan dalam teori ini. Seetelah berbagai
penyempurnaan, teori Bohr mampu menerangkankan spektrum atom mirip hidrogen satu
elektron seperti ion helium He+. Namun, spektra atom atom poli-elektronik t idak dapat
dijelaskan.
Selain itu, tidak ada penjelasan persuasif tentang ikatan kimia dapat diperoleh.
Dengan kata lain, teori Bohr adalah satu langkah ke arah teori struktur atom yang dapat
berlaku bagi semua atom dan ikatan kimia. Pentingnya teori Bohr tidak dapat diremehkan
karena teori ini dengan jelas menunjukkan pentingnya teori kunatum untuk memahami
struktur atom, dan secara lebih umum struktur materi.
16
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
C. RADIASI BENDA HITAM
1. Pengertian Radiasi
Radiasi adalah proses pemancaran energi atau perambatan gelombang yang membawa
energi melalui ruang atau antara, misal pemancaran dan perambatan gelombang
elektromagnetik, gelombang bunyi; gelombang lenting; penyinaran. Dengan demikian dapat
dikatakan bahwa radiasi bukan hanya radiasi nuklir, tetapi juga radiasi lain seperti gelombang
radio, gelombang televisi, pancaran sinar matahari, dll.
Dalam fisika, radiasi mendeskripsikan setiap proses di mana energi bergerak melalui
media atau melalui ruang, dan akhirnya diserap oleh benda lain. Radiasi sering
menghubungkan kata radiasi ionisasi (misalnya, sebagaimana terjadi pada senjata nuklir,
reaktor nuklir, dan zat radioaktif), tetapi juga dapat merujuk kepada radiasi elektromagnetik
(yaitu, gelombang radio, cahaya inframerah, cahaya tampak, sinar ultra violet, dan X-ray),
radiasi akustik, atau untuk proses lain yang lebih jelas. Apa yang membuat radiasi adalah
bahwa energi memancarkan (yaitu, bergerak ke luar dalam garis lurus ke segala arah) dari
suatu sumber. geometri ini secara alami mengarah pada sistem pengukuran dan unit fisik
yang sama berlaku untuk semua jenis radiasi.
Gambar 1. Tiga macam radiasi yang dapat menembus benda-benda padat ( kertas,
alumunium, timbal).
2. Pengertian Radiasi Benda Hitam
17
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
2.1 Radiasi Benda Hitam
Pengertian benda hitam adalah suatu sistem yang menyerap semua radiasi
kalor / radiasi elektromaknetik dalam kesetimbangan termal dengan benda hitam pada
suhu tertentu.
(a) (b)
Gambar 2. Cahaya yang masuk kedalam melalui celah dinding
Dari gambar 1 terlihat sebuah kotak yang terbuat dari logam yang di anggap sebagai
benda hitam sempurna dan salah satu sisinya di buat lubang. Cahaya yang masuk ke kbang di
pantulkanterus terusmenerus dinding kotak dan hampir dapat di pastikan tidak ada cahaya
yang keluar, ini artinya lubang telah berfungsi menyerap radiasi kalor yang ada. Radiasi
cahaya yang keluar dari kotak benda hitam melalui senuah lubang berasal dari isolator-
isolator harmonik yang menimbulkan gelombang elektromaknetik. Gelombang elektro
manknetik yang di timbulkan oleh isolaator akan di pantulkan berulang-ulang oleh dinding
kotak dan membentuk gelombang berdiri.
Intensitas radiasi termal berbanding lurus dengan pangkat empat dari suhu benda
semakin tinggi suhu suatu benda semakin besar pula energi panas yang di pancarkan. Selain
itu energi kalo dan intensitas radiasi termal sangat bergantung pada kondisi, bentuk dan
permukaan yang dimiliki benda. Menurut Stefan-Boltzmann intensitas suatu benda
dinyatakan dengan:
....................................(1)
Keterangan :
e = emisivitas benda (0 < e < 1), untuk benda hitam sempurna e = 1
18
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
T = suhu (K)
σ = konstanta stefan Bolztmann = 5,67 x 10-8 W/m2K4
Oleh karena intensitas adalah energi yang dipancarkan tiap satuan waktu dan tiap satuan luas,
maka intensitas radiasi termal dapat juga dinyatakan sebagai daya per satuan luas.
19
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
.......................................(2)
Keterangan :
I = intensitas radiasi termal (W/m2)
P = daya (W)
A = luas permukaan benda (m2)
Dengan mensubtitusukan persamaan 2 ke persamaan 1 maka daya yang di pancarkan benda
akan memiliki persamaan :
P = e σ AT4 ...............................(3)
2.2 Spektrum Radiasi Benda Hitam
Jika suatu benda padat dipanaskan, benda tersebut akan memancarkan rasiasi kalor
dalambentuk spektrum geombang elektromaknetik dengan frekuensi dan panjang gelombang
yang berbeda. Pada suhu yang lebih tinggi akan terdapat radiasi inframerah yang tidak dapat
terlihat tetapi dapat di rsakan panasnya. Hal ini dapat terlihat pada sepotong logam yang di
panaskan hingga mencapai suhu 2000K. Logam berpijar dengan warna kuning atau keputih-
putihan. Radiasi gelombang yang di pancarkan kemudian dilewati melalui celah agar di
peroleh berkas gelombang yang sempit seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Radiasi gelombang dipancarkan melalui celah
Dengan demikian gelombang akan terdispersi menurut panjang gelombang setiap
spektrum. Detektor yang terlihat dapat di geser-geser menurut sudut deviasi gelombang
20
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
terdispersi. Intensitas spektrum radiasi yang berbeda-beda seperti pada gambar 3 sebagai
berikut :
(a)
(b)
(c)
Gambar 4. Spektrum warna pijar suatu benda berubah terhadap suhunya
21
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Gambar 5.Grafik pergeseran panjang gelombang pada suhu saat suhu berubah dari
T1 ke T2
22
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Dari gambar 5 terlihat bahwa panjang gelombang intensitas maksimum gelombang
yang suhunya tinggi lebih pendek dari panjang gelombang intensitas suhunya lebih rendah.
Gejala pergeseran λ maks pada radiasi benda radiasi benda hitam tersebut hukum pergeseran
Wiewn. Secara matematis, Hukum pergeseran Wien di yatakan dalam rumus berikut :
..........................................(4)
Wien menemukan bahwa hasil kali antara antara λ maksdan suhu mutlak merupakan
bilangan konstan seperti pada persamaan 4 dan bilangan konstan pada perumusan hukum
pergeseran Wien juga di gunakan untuk memperkiarakan suhu sebuah bintang dengan
melihat warna cahaya pada sebuah bintang.
2.3 Pendekatan Teori Rayleigh–Jeans
Pada tahun 1890, muncul pernyataan bagaimana menjelakan spektrum radiasi benda
hitam. Pengamatan dan exsperimen yang telah dilakukan pada masa itu mencoba mencari
penjelasan spektrum radiasi di terangkan oleh Lord Rayleigh ( 1842-1919) dan sir James
Hopward Jeans ( 1877-1946) perumusan yang di gunakan teori fisika klasik seperti teori
kinetik gas. Teori ekipartisi menyatakan bahwa energi total gas dalam ruangan tertup di bagi
secara merata kesetiap melekul yang terdapat di dalam ruangan.
Gambar 6. Besaran jumlah partikel yang memiliki kecepatan
Gambar . memperlihatkan sebarankecepatan yang dimiliki molekul gas. Sebaran energi
kecepatan karena energi kinetik selalu berhubungan dengan keceptan. Rayleigh–Jeans
melihat bahwa kurva sebaran itu serupa denga hasil yang diperoleh pada instensitas spektrum
radiasi termal. Degan pendekan Rayleigh–Jeans diperoleh rumusan bahwa intensitas radiasi
berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang (λ).
23
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Gambar. 7 Perbandingan teori Wien, dan Rayleigh–Jeans,dengan teori Plank
Teori Wien dapat menerangkan spektrum pada gelombang yang pendek,tetapi
menyimpang ketika menerangkan panjang gelombang yang panjang. Sebaliknya teori
Rayleigh–Jeans dapat menerangkan spektrum pada panjang gelombang yang panjang, tetapi
menyimpang pada gelombang yang pendek.
2.4 Teori Planck
Teori klasik tentang cahaya sebagai gelombang elektromaknetik dapat
menjelaskandari dari manaasal radio kalor,tetapi tidak bisa dengan tepat memprediksi
spektrum cahaya yang di pancarkan sebagai mana yang teramati oleh teori Wien. Teori Wien
mampu menjelaskan untuk benda hitam dengan panjang gelombang pendek, sebaliknya
dengan teori Rayleigh–Jeans dapat menerangkan spektrum pada panjang gelombang yang
panjang tetapi gagal pada gelombang yang pendek.
Pada tahun (1854-1947) seorang fisikiawan Jerman, Max Planck melakukan
pendekatan dengan mengajukan suatu rumus empiris dan sangat cocok dengan hasil
pengamatanya.
Plank menggunakan rumus empiris membuat asumsi yaitu : tentang getaran molekul-
molekul dipermukaan benda hitam, berikut postulat Plank :
1) Energi radiasi yang di pancarkan oleh getaran molekul-mlekul (isolator) merupakan
paket-paket (kuanta) energi. Besarnya energi dalam setiap paket merupakan suatu
bilangan bulat suatu besaran “E”
24
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
......................................(5)
Dengan n adalah bilangan asli ( 1,2,3,......) yang di sebut bilangan kuantum dan f
adalah frekuensi gearan molekul-molekul, sedangakan dan f adalah frekuensi getarab
molekul-molekul, sedangkan h merupakan konstanta Planck yang besarnya 6,626 x 10-32Js.
Oleh karena energi radiasi bersidat diskrit, dikatakan energinya terkuantisasi dan energi yang
di perbolehkan dengan n=1,2,3,... di sebut tingkat energi.
2) Molekul-molekul menyerap aut memancarkan energi radiasi dalam paket diskrit yang
di sebut kuantum atau foton. Energi 1 foton karena perbedaan dua tingkat energi
seperti pada gambar 7.
Gambar 8. Tingkat-tingakat energi yang di perkenakan untuk molekul yang
frekuensinya f
...................................... (6)
Jika molekul-melekul menyerap 1 foton tingkat energinya bertambah atau berkurang
berkurang sebesar hf.Contoh;
Jumlah minimum foton yang panjang gelombangnya (λ) = 555 nM untuk menimbulkan
rangsangan visual pada mata normal adalah n=100 foton/s
25
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
Energi cahaya berdasarkan pada persamaan (5)
Hukum Placnk adalah :
Dianama :
I (v,T)dv= Jumlah energi persatuan luas persatuan waktu yang di
pancarakan pada rentang frekuensi oleh benda hitam
C = Kecepatan cahaya
K = Boltzmann konstan
V = Frekuensi radiasi elektromaknetik
T = Temperatur, K
Hukum Planck yang akurat menggambarkan spektrum lengkap dari radiasi termal :
Dengan pendekatan hukum Wien dengan asumsi Planck hv > kT
26
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Gejala foto listrik adalah munculnya arus listrik atau lepasnya elektron yang
bermuatan negatif dari permukaan sebuah logam akibat permukaan logam tersebut disinari
dengan berkas cahaya yang mempunyai panjang gelombang atau frekuensi tertentu.
Ditemukan seratus tahun lalu oleh Albert Einstein muda. Pada tahun itulah ia membuat
karya besarnya. Salah satunya adalah tentang efek fotolistrik. Oleh panitia Hadiah Nobel
Fisika, makalah itu dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1921.
Bila logam atau senyawanya dipanaskan di pembakar, warna khas logam akan
muncul. Ini yang dikenal dengan reaksi nyala. Bila warna ini dipisahkan dengan prisma,
beberapa garis spektra akan muncul, dan panjang gelombang setiap garis khas untuk logam
yang digunakan. Misalnya, garis kuning natrium berkaitan dengan dua garis kuning dalam
spektrumnya dalam daerah sinar tampak, dan panjang gelombang kedua garis ini adalah
5,890 x 10–7 m dan 5,896 x 10–7 m.
Radiasi adalah proses pemancaran energi atau perambatan gelombang yang membawa
energi melalui ruang atau antara, misal pemancaran dan perambatan gelombang
elektromagnetik, gelombang bunyi; gelombang lenting; penyinaran. Dengan demikian dapat
dikatakan bahwa radiasi bukan hanya radiasi nuklir, tetapi juga radiasi lain seperti gelombang
radio, gelombang televisi, pancaran sinar matahari dan sebagainya.
27
Makalah Kimia Fisik Lanjut 2012
DAFTAR PUSTAKA
Siswanto. 2008. Kompetensi Fisika Untuk SMA. Jakarta: Departemen Pendidkan Nasional.
http://pendidikansains.blogspot.com
http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body#Planck.27s_law_of_black-body_radiation
http://org.ntnu.no/solarcells/pages/Chap.2.php
28
top related