Download - Dinamika Kekisi
-
DINAMIKA KEKISI
disusun guna memenuhi tugas mata kuliah
Fisika Zat Padat Rombel 3
Dosen Pengampu : Budi Astuti
Oleh :
Fiki Layyinatun Najwa (4201412097)
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
2015
-
DINAMIKA KISI
Pada bab sebelumnya kita menganggap bahwa kristal tersusun atas atom-atom yang
menduduki titik kisi dalam keadaan diam. Sesungguhnya, atom-atom tersebut tidaklah diam,
tetapi bergetar pada posisi kesetimbangannya. Getaran atom-atom pada suhu ruang adalah
sebagai akibat dari energi termal, yaitu energi panas yang dimiliki atom-atom pada suhu tersebut.
Getaran atom dapat pula disebabkan oleh gelombang yang merambat pada kristal.
Ditinjau dari panjang gelombang yang digunakan dan dibandingkan dengan jarak antar
atom dalam kristal, dapat dibedakan pendekatan gelombang pendek dan pedekatan gelombang
panjang.
Pendekatan Gelombang Pendek
Disebut pendekatan gelombang pendek apabila gelombang yang digunakan memiliki panjang
gelombang yang lebih kecil dari pada jarak antar atom. Dalam keadaan ini, gelombang akan
melihat kristal sebagai tersusun oleh atom-atom yang diskrit, sehingga pendekatan ini sering
disebut pendekatan kisi diskrit.
Pendekatan Gelombang Panjang
Bila dipakai gelombang yang panjang gelombangnya lebih besar dari jarak antar atom, kisi akan
nampak malar (kontinyu) sebagai suatu media perambatan gelombang. Oleh karena itu,
pendekatan ini sering disbut sebagai pendekatan kisi malar.
1. Gelombang Elastik
Atom-atom berosilasi di sekitar kedudukan setimbangnya. Ini berarti atom-atom
bervibrasi dengan vibrasi gelombang elastik. Dalam pendekatan gelombang panjang, tinjau
sebuah batang berpenampang A dengan rapat massa , yang dirambati gelombang mekanik
ke arah memanjang batang x. Pada setiap titik x dalam batang terjadi perubahan panjang u
(x) sebagai akibat adanya tegangan (x) dari gelombang.
-
Gambar 1.
Regangan (Strain)
( )
Tegangan (Stress)
atau
Dengan adalah modulus young. Menurut hukum kedua Newton, tegangan yang bekerja
pada elemen batang dx menghasilkan gaya sebesar :
* ( ) ( )+
Karena atau ( )
, sehingga
( )
* ( ) ( )+
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
( )
Sehingga,
( )
( )
Maka menurut persamaan gelombang umum
( )
( )
, maka diperoleh
kecepatan gelombang
-
(
)
Jelas bahwa kecepatan gelombang mekanik pada zat pada) bergantung pada besaran
elastik bahan tersebut, yakni modulus Young. Karena perambatan gelombang tersebut
bergantung pada besaran elastik maka gelombang yang bersangkutan disebut gelombang
elastik.
Solusi untuk penjalaran gelombang di atas adalah
( ) ( )
Dengan
, dan adalah frekuensi gelombang dan adalah amplitudo gelombang.
Hubungan antara frekuensi dan bilangan gelombang dapat dirunut dari fase gelombang.
2. Fonon
Kuantisasi energi gelombang elastik dari vibrasi kekisi ternyata merupakan energi
elastik dari gelombang bunyi. Ini merupakan analogi foton sebagai kuantum energi dari
gelombang elektromagetik. Kuantum energi di dalam vibrasi kekisi disebut sebagai fonon.
Sehingga dapat dikatakan pula bahwa gelombang bunyi dalam kristal adalah tersusun dari
fonon-fonon. Energi fonon besarnya :
Di dalam kristal atom-atom tersusun sedemikian teraturnya dalam arah 3 dimensi,
sehingga gerakan atom pada kedudukan setimbangnya tidak sukar untuk disebut sebagai
vibrasi kekisi yang sangat berperan dalam pembentukan energi pada kristal. Ragam (modus)
getarannya akan sangat menentukan sifat termal zat padat.
3. Vibrasi kristal Monoatomik
Kita mulai dengan kasus yang sederhana. Yaitu kasus yang melibatkan getaran kristal
akibat adanya gelombang elastis yang merambat dalam arah [1 0 0] ; [1 1 0] ; [1 1 1].
-
Untuk setiap vektor gelombang ( ) terdapat 3 model getaran yaitu : 1 buah longitudinal
dan 2 buah transversal. Kita anggap bahwa kristal akan merespon,
Gelombang elastik linier terhadap gaya. Artinya, gaya yang bekerja pada bidang kristal
yang ke-s adalah sebanding dengan selisih simpangannya, sehingga
( ) ( )
( )
Persamaan gerak dari atom s menurut hokum Newton :
( )
Persamaan di atas adalah bentuk persamaan gerak untuk semua atom. Untuk mencari
penyelesaian , kita ambil bentuk umum gelombang dengan frekuensi dan vektor
gelombang
yang berjalan pada arah-x dengan syarat batas kedua ujung tetap = 0
dan = 0 adalah sebagai:
( ) ( )
Jika jarak antar atom adalah , maka pergeseran ( ),
( ( ) ),
dan ( ( ) ). Maka akan didapatkan
( )
Dengan , maka hubungan dispersi ( ) adalah
( )
Jika dilukiskan dalam grafik, maka
-
Gambar. Relasi dispersi kisi monoatomik
4. Vibrasi Kristal Dwiatomik
Gambar. Rantai Kristal Dwiatom
Persamaan gerak suatu kelompok yang terdiri atas 2 jenis atom dengan massa berbeda
(m1 dan m2) dengan m1 > m2 dapat dinyatakan
(
) ( )
(
) ( )
Sehingga penyelesaiannya menjadi
( ) ( )
( ) ( )
Maka diperoleh harga-harga dan setelah disubstitusikan ke persamaan di atas
maka akan diperoleh
( )
( ) ( )
dan
( )
( ) ( )
Jika kedua persamaan di atas dibuat determinan, maka
-
|
( )
( ) | |
|
|
( )
( ) |
Maka,
*( )(
)+ {( ( )) ( ( ))}
( )
( )
( )
( )
Untuk mendapatkan hasil yang eksak, diambil harga-harga istimewa dari dalam
syarat batas periodik. Pada yang relatif kecil berlaku
sehingga
kedua akarnya berharga
(
) cabang optik
( ) cabang akustik
Sedangkan untuk kedua akarnya berharga
;
Jika dilukiskan dalam grafik, maka dispersi vibrasi dwiatom akan berbentuk seperti
pada gambar di bawah ini
Gambar. Relasi dispersi kisi dwiatom
-
Terlihat adanya dua lengkungan dispersi atau adanya dua cabang yaitu cabang optik
dan cabang akustik. Daerah frekuensi pada
antara
dan
disebut gap atau
daerah larangan yang artinya dalam keadaan demikian kisi tidak dapat meneruskan
gelombang. Perbedaan cabang optik dan cabang akustik dapat dijelaskan pada daerah
atau .
5. Kapasitas Termal
Energi yang ditimbulkan akibat getaran atom sangat berperan dalam menentukan sifat
termal zat padat pada bahan isolator, konduksi elektron pada bahan logam, dan keberaturan
magnetik pada bahan magnet.
Sejumlah panas U yang diperlukan per mol zat untuk menaikkan suhunya disebut
kapasitas kalor. Bila kenaikan suhu zat T, maka kapasitas panas adalah :
Menurut hasil eksperimen Dulong-Petit tidak tetap terhadap perubahan temperatur.
pada suhu tinggi (suhu kamar dan di atasnya) mendekati .
Gambar. Kebergantungan kapasitas panas zat padat pada suhu
Model Teori Klasik
Menurut fisika klasik, getaran atom-atom zat padat dapat dipandang sebagai osilator
harmonik. Osilator harmonik merupakan suatu konsep/model yang secara makroskopik dapat
dibayangkan sebagai sebuah massa m yang terkait pada sebuah pegas dengan tetapan pegas
C.
Untuk osilator harmonik satu dimensi, energinya dapat dirumuskan :
( )
-
Dengan, adalah laju getaran osilator, adalah simpangan osilator, dan adalah
frekuensi sudut getaran osilator. Untuk osilator harmonik satu dimensi yang mempunyai dua
derajad bebas mempunyai energi rata-rata :
Selanjutnya, karena atom-atom dalam kristal membentuk susunan tiga dimensi, maka
untuk satu mol osilator harmonik tiga dimensi, energi dalamnya :
Sehingga kapasitas termalnya
dari hasil ini terlihat bahwa menurut model fisika klasik, kapasitas panas zat padat
tidak bergantung suhu dan berharga 3R. Hal ini sesuai dengan hukum Dulong-Petit yang
hanya berlaku untuk suhu tinggi. Teori klasik ini mempunyai kelemahan yaitu beberapa zat
padat ringan ternyata , seperti boron ( ), berelium (
) dan karbon ( ).
Teori Einstein
Dalam model ini, atomatom dianggap sebagai osilator-osilator bebas yang bergetar
tanpa terpengaruh oleh osilator lain di sekitarnya. Energi osilator dirumuskan secara
kuantum (berdasarkan teori kuantum) yang berharga diskrit :
Pada tingkat dasar n =0, maka E = 0. Pada tingkat-tingkat selanjutnya, perbedaan
energi antar tingkat adalah sebesar . Pada kesetimbangan termal, energi rata-rata osilator
adalah
( )
( )
Persaman di atas dalam bentuk deret tersebut ekuivalen dengan ungkapan :
( )
Sehingga total energi dalam untuk 1 mol zat padat adalah
-
Sedangkan besarnya kapasitas termal atau kalor jenis adalah
(
)
( )
Pada suhu tinggi, , sehingga
Karena
Dan jika disubstitusikan ke persamaan energi rata-rata vibrator akan menghasilkan
. Untuk pendekatan ini kita akan mendapatkan sebagaimana yang
dihasilkan oleh Dulong-Petit.
Pada suhu rendah , sehingga
(
)
(
)
oleh karena itu akan mendekati nol pada suhu-suhu rendah. Dan apabila
maka mendekati nol secara eksponensial.
Gambar. Grafik terhadap perubahan temperatur model Einstein dan eksperimen
Teori Debye
Dalam model Einstein, atom atom dianggap bergetar secara terisolasi dari atom di
sekitarnya. Anggapan ini jelas tidak dapat diterapkan, karena gerakan atom akan saling
berinteraksi dengan atom-atom lainnya. Seperti dalam kasus penjalaran gelombang mekanik
dalam zat padat, oleh karena rambatan gelombang tersebut atom-atom akan bergerak
kolektif. Debye berusaha memperbaiki dengan asumsi bahwa antara titik kesetimbangan
-
atom kristal seolah dihubungkan oleh pegas, sehingga getarannya terikat oleh pegas. Jadi
suatu gangguan dalam arah A akan menyebabkan keseluruhan sistem bola atom bergetar.
Bila kristal mengandung sejumlah N atom, dalam koordinat 3-D maka sistem tersebut
mempunyai 3N derajat kebebasan. Osilasinya akan mempunyai 3N ragam vibrasi yang
masing-masing vibrator mempunyai frekuensi tertentu. Sehingga energi totalnya sistem
tersebut:
( )
adalah energi rata rata osilator seperti pada model Einstein sedangkan ( ) adalah
rapat keadaan. Pemikiran ini didasarkan atas kenyataan bahwa ragam frekuensi di dalam
kristal sesuai dengan rambatan gelombang bunyi yang merupakan gelombang elastik
berfrekuensi rendah. Dalam hal ini panjang gelombang bunyi sangat besar dibandingkan
dengan jarak atom sehingga kediskritan susunan atom dalam kristal dapat diabaikan
dan menggantikannya menjadi medium elastik yang homogen. Dengan itu, maka energi
totalnya menjadi
Dengan
dan
. di sini juga bermakna sebagai temperatur Debye.
Rumusan kapasitas termal adalah
[ (
)
(
)
]
Pada suhu tinggi, maka
sangat kecil dan
juga sangat kecil, sehingga
dan Maka didapatkan
(
)
Pada suhu rendah
, sehingga diperoleh
* (
)
(
)+
-
Gambar. Perbandingan model Einstein dan Deybe
Dengan demikian teori Deybe dapat membuktikan bahwa sebanding dengan
pada suhu rendah. Hasil ini sesuai dengan hasil eksperimen.