bab 5 fisika kuantum

Upload: aripparyadi

Post on 06-Apr-2018

266 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    1/48

    1

    FISIKA KUANTUM 1

    THOMAS YOUNG

    ALBERT EINSTEINEFEK FOTOELEKTRIK

    EFEK COMPTON

    MAX PLANCK

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    2/48

    2

    THOMAS YOUNG

    Percobaan Young (1801)Cahaya tampak

    Pola-pola terang gelap

    Peristiwa interferensi

    Panjang gelombang dapat diukur

    Cahaya tampak adalah suatubentuk gelombang

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    3/48

    3

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    4/48

    4

    21 rrsind

    Dytg

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    5/48

    5

    ,2,1,0m,msind

    ,2,1,0m,)2

    1m(sind

    Maksimum :

    Minimum :

    Panjang gelombang rata-rata cahaya tampak :

    570 nm 555 nm

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    6/48

    6

    ALBERT EINSTEIN

    Teori relativitas spesial (1905)

    Waktu dan ruang (kecepatan)

    Technical expert (Swiss Patent Office)Fisika sebagai pekerjaan sambilan

    Makalah kelas dunia (world-class)

    Hipotesis mengenai light quanta

    Hadiah Nobel

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    7/48

    7

    c

    v

    21

    1

    Speed parameter : Faktor Lorentz :

    Momentum :

    mvp

    Energi total :

    2cmE

    Energi total = Energi diam + Energi kinetik

    KcmE 2 )1(cmK 2

    Hubungan antara energi dan momentum :

    2222

    )mc()pc(E

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    8/48

    8

    Hipotesis Einstein (1905)

    Kadang-kadang cahaya bertindak seolah-olah

    energinya terkonsentrasi pada suatu berkasdiskrit yang disebut light quanta

    Cahaya tidak hanya sebagai gelombang

    tetapi juga sebagai partikel Sekarang light quanta disebut foton

    Max Plank (1913)

    Merekomendasi Einstein menjadi anggautaRoyal Prussian Academic of Science

    Kadang-kadang Einstein salah dalam

    berspekulasi

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    9/48

    9

    fhE

    0m

    Energi foton :

    Kecepatan foton V = c Energi diam = 0

    fppchf

    h

    p

    Momentum foton :

    2222

    )mc()pc(E

    h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s

    Konstanta Plank :

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    10/48

    10

    Panjang gelombang, frekuensi dan energi dari foton

    EM Waves Wavelength Frequency Energy

    Gamma ray 50 fm 6 x 1021 25 MeV

    X ray 50 pm 6 x 1018 25 keV

    Ultraviolet 100 nm 3 x 1015 12 eV

    Visible 550 nm 5 x 1014 2 eV

    Infrared 10 m 3 x 1013 120 meV

    Microwave 1 cm 3 x 1010 120 eV

    Radio wave 1 km 3 x 105 1,2 neV

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    11/48

    11

    Contoh 5.1 :

    Cahaya kuning dari lampu gas Na mempunyai panjang gelombang

    sebesar 589 nm. Tentukan energi fotonnya dalam eV.

    eV11,2m10x589

    )s/m10x3)(s.eV10x14,4(E

    hc

    fhE

    9

    815

    Jawab :

    Energi yang akan diperoleh sebuah elektron atau proton bila

    dipercepat dengan perbedaan tegangan sebesar 2,11 V

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    12/48

    12

    Contoh 5.2 :

    Dalam peluruhan radioaktif, suatu inti atom mengemisikan sinar

    gamma yang energinya sebesar 1,35 MeV. Tentukan :a) Panjang gelombang dari foton

    b) Momentum dari foton

    fm920eV10x35,1

    )s/m10x3)(s.eV10x14,4(

    E

    hchc

    fhE

    6

    815

    Jawab :

    a)

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    13/48

    13

    b)

    s/mkg10x20,7s/m10x3

    )eV/J10x6,1)(eV10x35,1(p

    c

    E

    f

    hfhp

    22

    8

    196

    c/MeV35,1c

    )MeV35,1(p

    c

    Ep

    Berlaku juga untuk partikel-partikel dimana E total >> Energi diam

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    14/48

    14

    EFEK FOTOELEKTRIK

    Cahaya dengan frekuensi f

    dijatuhkan pada pelat logam P

    Terjadi tumbukan antara foton dan

    elektron-elektron pada pelat logam P

    Elektron-elektron terlepas dari

    atomnya menjadi elektron bebas

    Terdapat perbedaan potensial Vext

    antara pelat P dan cawan kolektor C

    Elektron akan mengalir (bergerak)

    menghasilkan arus i yang melewati

    pengukur arus A

    Beda potensial Vext dapat diubah-

    ubah dari positip ke negatip

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    15/48

    15

    Pengamatan I : Stopping PotentialVo

    Cahaya a dan b mempunyai

    intensitas berbeda (b > a)

    Vo adalah beda potensial yang

    diperlukan agar tidak terjadi arus

    Energi potensial eVo sama dengan

    energi kinetik maksimum Km yang

    diperoleh elektron akibat tumbukan

    dengan foton

    Ternyata Vo sama untuk cahaya a

    dan cahaya b

    Energi kinetik maksimum dari

    elektron tidak tergantung pada

    intensitas cahaya

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    16/48

    16

    Pengamatan II : Frekuensi cutofffo

    Pada frekuensi fo stopping potential Vo = 0

    Untuk f < fo, tidak terjadi efek fotoelektrik

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    17/48

    17

    Analisis I : Stopping PotentialVo

    Dalam teori gelombang, intensitas lebih tinggi akanmemperbesar amplituda medan listrik E

    Gaya eE yang diterimanya akan memperbesarpercepatan Energi kinetik lebih besar

    Ternyata energi kinetik maksimumnya sama

    Telah dicoba dengan intensitas sampai 107 kali

    Stopping potential yang selalu sama pada efekfotoelektrik tidak dapat diterangkan denganmenganggap cahaya adalah gelombang

    Cahaya = Gelombang

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    18/48

    18

    Analisis I : Stopping PotentialVo

    Cahaya dengan intensitas lebih tinggi akan

    mempunyai jumlah foton yang lebih banyak Tidak memperbesar energi kinetik setiap foton

    Energi kinetik yang diperoleh elektron daritumbukan dengan foton tidak berubah E = h f

    Stopping potential yang selalu sama pada efekfotoelektrik dapat diterangkan denganmenganggap cahaya adalah partikel

    Cahaya = partikel (foton)

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    19/48

    19

    Analisis II : Frekuensi cutofffo

    Menurut teori gelombang, efek fotoelektrikseharusnya tetap akan terjadi untuk setiap

    frekuensi asalkan intensitasnya cukup tinggi Ternyata untuk f < fo, efek fotoelektrik tidak

    pernah terjadi berapapun intensitasnya

    Adanya frekuensi cutoff pada efek fotoelektrik

    tidak dapat diterangkan dengan menganggapcahaya adalah gelombang

    Cahaya = Gelombang

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    20/48

    20

    Analisis II : Frekuensi cutofffo

    Elektron-elektron terikat pada atom-atomnya

    Diperlukan energi minimum agar elektron terlepas

    dari atomnya yang disebut sebagai Work Function Bila energi foton yang menumbuknya hf > , efek

    fotoelektrik akan terjadi

    Bila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi fotonhf < , efek fotoelektrik tidak mungkin terjadi

    Adanya frekuensi cutoff dapat diterangkan denganmenganggap cahaya adalah partikel

    Cahaya = partikel (foton)

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    21/48

    21

    Analisis III : Time delay

    Dalam teori gelombang, elektron memerlukanwaktu menampung/menerima energi darigelombang cahaya sampai cukup besar agar dapatmelepaskan diri dari atomnya

    Kenyataannya selang waktu ini tidak pernahteramati dalam percobaan-percobaan

    Efek fotoelektrik terjadi seketika, karena

    terjadinya peristiwa tumbukan antara elektron danfoton

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    22/48

    22

    Analisis Kuantitatif

    hfKKfhmm

    ef

    e

    hVKeV omo

    Prinsip Kekekalan Energi pada efek fotoelektrik

    Einstein :

    Vo linier terhadap frekuensi

    bh

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    23/48

    23

    s.V10x1,4

    Hz10x)610(

    V)72,035,2(

    bc

    ab

    e

    h

    15

    14

    s.J10x63,6s.J10x6,6h

    )C10x6,1)(s.V10x1,4(h

    h)e(eh

    3434

    1915

    C t h 5 3

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    24/48

    24

    ef

    e

    hVo

    Hz10x3,4f

    0V

    14

    o

    o

    ef

    e

    h0

    o

    eV8,1J10x9,2

    )Hz10x3,4)(s.J10x63,6(hf

    19

    1434

    o

    Contoh 5.3 :

    Tentukan besarnya work function dari pengamatan frekuensi cutoff

    Jawab :

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    25/48

    25

    EFEK COMPTON (1923)

    Arthur Holly Compton, Washington University

    Sinar-x dengan panjang gelombang diradiasikan ketarget berupa grafit T

    Hamburan yang terjadi pada berbagai arah diukurintensitasnya sebagai fungsi dari panjang gelombang

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    26/48

    26

    '

    '

    Compton shift

    Terdapat dua puncak panjang

    gelombang :

    = sinar-x yang datang

    = sinar-x yang dihamburkan

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    27/48

    27

    Elektron-elektron akan berosilasi pada frekuensi

    yang sama dengan frekuensi dari cahaya yangmengenainya

    Terjadinya gelombang dengan frekuensi/panjanggelombang yang berbeda tidak dapat diterangkan

    bila cahaya dianggap sebagai gelombang

    Cahaya = Gelombang

    Cahaya = partikel

    Foton dengan energi hf yang bertumbukan dengan

    elektron akan kehilangan sebagian energinya (diambil oleh elektron)

    Energi foton setelah tumbukan E = hf < hf

    Panjang gelombangnya akan lebih besar ( > )

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    28/48

    28

    Analisis Kuantitatif

    )1(mcK'hf'EhfE 2

    Prinsip kekekalan energi :

    )1(mc'hfhfK'EE 2

    )1(mc'

    hh)1(mc

    '

    ch

    ch 2

    Momentum foton dan momentum elektron :

    mvp'

    hp

    hp e

    Prinsip kekekalan momentum :

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    29/48

    29

    Prinsip kekekalan momentum :

    2e

    c

    v

    1

    mvmvp

    '

    hp

    hp

    cos

    c

    v1

    mvcos

    '

    hh

    2

    sin

    c

    v1

    mvsin

    '

    h0

    2

    )cos1(mc

    h'

    Panjang gelombang Compton 2,43 pm

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    30/48

    30

    Contoh 1.4 :

    Sinar-x dengan panjang gelombang 22 pm dihamburkan oleh target

    karbon. Bila radiasi yang dihamburkan diamati pada sudut 85o

    ,tentukan :

    a) Compton shift yang terjadi

    b) Persentase energi (fraksi energi) yang hilang

    pm21,2)85cos1)(pm43,2()cos1(mch o

    Jawab :

    a)

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    31/48

    31

    b)

    f

    'ff

    hf

    'hfhf

    E

    'EE

    frac

    '

    '

    c

    '

    cc

    frac

    %1,9091,021,222

    21,2frac

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    32/48

    32

    MAX PLANCK

    Radiasi obyek yang dipanaskan

    Radiator ideal yang radiasinya hanya tergantungpada temperatur

    Benda berongga yang dindingnya bertemperatur

    konstan dan diberi lubang kecil Radiasi yang keluar dari lubang berwarna lebih

    terang/putih (semua panjang gelombang ada)

    Teori klasik sesuai dengan hasil pengukuranhanya pada panjang gelombang

    Mengusulkan rumus radiasi yang sesuai denganhasil pengukuran untuk semua temperatur dan

    panjang gelombang (1990)

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    33/48

    33

    4

    ckT2)(S

    k = konstanta Boltzmann

    = 1,38x10-23 J/K

    = 8,62x10-5 eV/K

    Rumus radiasi klasik

    Rumus radiasi Planck

    1e

    1hc2)(S

    kT

    hc5

    2

    Diturunkan/dibuktikanpada tahun 1917

    Einstein

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    34/48

    34

    Energi radiasi dari rongga terkuantisasi Radiasi dalam bentuk foton-foton dengan

    energi sebesar E = hf

    Energi atom-atom dari bahan yangmembentuk dinding rongga terkuantisasi

    Asumsi-asumsi pada rumus radiasi Planck

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    35/48

    35

    CORESPONDENCE PRINCIPLE

    Persamaan Newton relativitas berlaku umumPersamaan Newton klasik kecepatan rendah

    4

    ckT2)(S

    1e

    1hc2)(S

    kT

    hc5

    2

    Semua

    besar

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    36/48

    36

    1e

    1hc2

    1e

    1hc2)(S

    kT

    hcx

    x5

    2

    kT

    hc5

    2

    0kT

    hcx

    6x

    2

    x

    x1e0x

    32x

    kT

    hcx1e

    x

    45

    2

    5

    2 ckT2

    hc

    kThc2

    x

    1hc2)(S

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    37/48

    37

    Faraday : Medan magnetik berubah menimbulkan medan listrik

    Oursted :

    Medan listrik berubah menimbulkan medan magnetikElektron mempunyai suatu antipartikel

    Partikel bermassa sama tapi bermuatan positip

    Proton mempunyai suatu antipartikel Partikel bermassa sama tapi bermuatan negatip

    Symmetry of Nature

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    38/48

    38

    LOUIS VICTOR DE BROGLIE

    Einsten : Cahaya tidak hanya merupakan suatu gelombang

    tetapi juga merupakan suatu partikel

    De Broglie : Materi tidak hanya merupakan suatu partikel

    tetapi juga merupakan suatu gelombang

    Hipotesa de Broglie (1924) :

    Mengusulkan bahwa formula : p = h berlakubaik untuk cahaya maupun untuk materi

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    39/48

    39

    hp

    h

    pMomentum suatu foton :

    Panjang gelombang suatu partikel :p

    h

    Panjang gelombang Broglie

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    40/48

    40

    Contoh Soal 5.4 :

    Berapa panjang gelombang Broglie dari sebuah elektron yang

    mempunyai energi kinetik 120 eV ?

    Jawab :

    mK2pmvpmv2

    1

    K

    2

    s/mkg10x91,5p

    )eV/J10x6,1)(eV120)(kg10x1,9(2mK2p

    24

    1931

    pm112m10x12,1s/m.kg10x91,5

    s.J10x63,6

    p

    h 1024

    34

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    41/48

    41

    Contoh Soal 5.5 :

    Berapa panjang gelombang Broglie dari sebuah baseball

    bermassa 150 g yang sedang bergerak dengan kecepatan sebesar

    35 m/s ?

    Jawab :

    m10x26,1)s/m35)(kg15,0(

    s.J10x63,6

    mvh

    ph

    3434

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    42/48

    42

    PEMBUKTIAN HIPOTESA BROGLIE

    Thomas Young (1801) : Cahaya tampak

    Max von Laue (1912) :

    Sinar-xPercobaan di laboratorium

    Lubang (pinholes)

    Celah sempit (slits) Atom

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    43/48

    43

    PERCOBAAN DAVISSON - GERMER

    Filamen F dipanaskan sehingga

    terjadi elektron-elektron bebas

    Beda tegangan V memberikanelektron energi kinetik sebesar eV

    Elektron bergerak menuju kristal C

    berupa bahan nikel Elektron yang dipantulkan diterima

    oleh detektor D sebagai arus listrik I

    Untuk harga V tertentu, arus diukurpada berbagai sudut

    Beda potensial V kemudian diubah-ubah dan arus diukur lagi padaberbagai sudut

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    44/48

    44

    PENGAMATAN HASIL PERCOBAAN

    Beda tegangan sebesar 54 V

    Terjadi arus (pantulan elektron)

    maksimum pada sudut 50o

    Bila beda tegangan diperbesar atau

    diperkecil sedikit, arus listriknya

    berkurang dengan drastis

    Bila Bila sudutnya diubah sedikit,

    arus listriknya juga berkurang

    dengan drastis

    Sepertinya telah terjadi difraksimaksimum dan minimum

    Bersifat seperti gelombang

    DIFRAKSI BRAGG

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    45/48

    45

    DIFRAKSI BRAGG

    Difraksi Bragg terjadi bila d sin = m, m = 0, 1, 2, 3,

    Kristal nikel : d = 215 pm

    Untuk m = 1 :

    pm1651

    )50)(sinpm215(

    m

    sind

    o

    pm167eV54K

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    46/48

    46

    PERCOBAAN G. P. THOMSON (1927)

    Target bukan kristal tetapi pelat logam tipis yang

    ditaburi serbuk alumunium secara acak Digunakan elektron yang dipercepat dan sinar-x

    Pola difraksinya diamati baik untuk elektron

    maupun untuk sinar-x

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    47/48

    47

    POLA DIFRAKSI

    Ternyata pola difraksinya sama

    Berkas elektron adalah suatu gelombang

    Sinar-x Berkas elektron

  • 8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum

    48/48

    48

    J.J. Thomson :

    Hadiah Nobel 1906

    Penemuan elektron (sebagai partikel)

    G.P. Thomson :

    Hadiah Nobel 1937 (bersama Davisson)

    Elektron sebagai gelombang

    G.P. Thomson adalah anak dari J.J. Thomson