Fisika Kuantum Part 4

Radiasi Benda Hitam

Radiasi benda hitam adalah landasan dalam studi kuantum mechanics. Percobaan berupa apa yang menyebabkan penemuan dari bidang yang akan merevolusi fisika dan kimia. Mekanika kuantum memberikan pemahaman yang lebih lengkap tentang mekanisme mendasar di tingkat sub-atom.

abad ke-20 pada radiasi hitam adalah awal dari bidang yang sama sekali baru dari ilmu pengetahuan. Radiasi hitam adalah konsep teoritis dalam mekanika kuantum di mana bahan atau zat-benar menyerap semua frekuensi cahaya. Karena hukum termodinamika, benda ideal ini kembali memancarkan cahaya sebanyak daya yang diserap. meskipun tidak ada bahan yang benar-benar bisa menjadi hitam, beberapa telah diuji.Carbon dalam bentuk grafit yang adalah sekitar 96% efisien dalam penyerapan cahaya.Konsep radiasi benda hitam terlihat di berbagai tempat. Intensitas energi yang berasal dari radiator berfungsi mengatur suhu. Sebuah contoh dari ketergantungan suhu ini api. Api dimulai dengan frekuensi rendah memancarkan cahaya merah di kisaran terlihat, karena suhu meningkat api berubah menjadi putih dan kemudian biru seperti bergerak di seluruh spektrum terlihat dengan suhu meningkat. Juga, dengan masing-masing suhu sesuai pancaran maksimum yang baru yang dapat dipancarkan. Dengan naiknya suhu, total radiasi yang dipancarkan juga meningkat karena peningkatan di daerah di bawah kurva.

Lord Rayleigh dan JH Jeans mengembangkan persamaan yang menjelaskan radiasi benda hitam pada frekuensi rendah. Persamaan untuk mengekspresikan radiasi hitam dibangun atas semua asumsi yang dikenal fisika pada saat itu. Asumsi besar yang Rayleigh dan Jean adalah bahwa jumlah kecil dari energi yang terus ditambahkan ke sistem ketika frekuensi meningkat. Fisika klasik diasumsikan bahwa energi yang dipancarkan oleh osilasi atom bisa memiliki nilai yang berkelanjutan. Hal ini berlaku untuk segala sesuatu yang telah dipelajari, termasuk hal-hal seperti percepatan, posisi, atau energi. hukum Rayleigh-Jeans dan persamaannya adalah

dp ( v ,T )=pv (T )dv=8π kBTc3 v2dv

Data eksperimental dilakukan pada benda hitam menunjukkan hasil yang sedikit berbeda dari apa yang diharapkan oleh hukum Rayleigh-Jeans. Hukum telah dipelajari dan diterima secara luas oleh banyak fisikawan, namun hasil eksperimen tidak berbohong, sesuatu yang berbeda antara apa yang berteori dan apa yang sebenarnya terjadi. Hasil penelitian menunjukkan jenis

kurva tetapi menurut hukum Rayleigh-Jeans penyimpangan frekuensi saat mendekati daerah ultraviolet. Inkonsistensi ini disebut bencana ultraviolet (ultraungu).

Selama abad ke-19 banyak perhatian diberikan untuk mempelajari sifat panas berbagai objek. Model ideal yang dianggap adalah benda Hitam, sebuah objek yang menyerap semua kejadian radiasi dan kemudian kembali memancarkan semua energi lagi. energi memancar sebagai gelombang berjalan dalam ruang hitam. Energi dari gelombang memancar pada ν frekuensi yang diberikan, harus proporsional dengan jumlah mode di frekuensi ini. Fisika klasik menyatakan bahwa semua mode ini memiliki energi yang sama kT (hasil dari termodinamika klasik) dan sebagai jumlah mode sebanding dengan ν2:

E∝ v2kt

Ini berarti bahwa akan mengharapkan sebagian besar energi pada frekuensi yang lebih tinggi, dan energi ini menyimpang dengan frekuensi. Jika mencoba dan jumlah energi di masing-masing frekuensi menemukan bahwa ada energi tak terbatas dalam sistem THS! Paradoks ini disebut CATASTROPHE ULTRAVIOLET (bencana ultraungu).

Hal tersebut Planck mencoba untuk menyelesaikan paradoks tersebut, tetapi mendalilkan bahwa energi dari mode hanya bisa datang dalam paket diskrit - quanta - energi:

E=hv ,2hv ,3hv…∆ E=hv

Dengan Menggunakan mekanika statistik Planck menemukan bahwa mode pada frekuensi yang lebih tinggi kurang tepat sehingga energi rata-rata dari mode ini akan menurun dengan frekuensi. Pemecahan yang tepat untuk energi rata-rata setiap mode diberikan oleh distribusi Planck:

E= hv

exp ( hvkt )−1

jika frekuensi rendah maka energi rata-rata cenderung terhadap hasil yang lama, dan frekuensi mendekati ke tak terhingga sehingga kita mendapatkan bahwa energi rata-rata mendekati ke nol seperti yang diharapkan.

Max Planck adalah orang pertama yang benar menjelaskan data eksperimen ini. Rayleigh dan Jean membuat asumsi bahwa energi terus menerus, tetapi Planck mengambil pendekatan yang sedikit berbeda. Ia mengatakan energi harus datang dalam interval satuan tertentu bukannya satuan acak atau nomor. Dia bukannya "terkuantisasi" energi dalam bentuk E = nhν yang mana n adalah bilangan bulat, h adalah konstanta, dan ν adalah frekuensi. Asumsi ini terbukti menjadi bagian yang hilang dari teka-teki dan derivatif Planck yang bisa menjelaskan data eksperimen tersebut.

Persamaan ini dikenal sebagai Hukum Distribusi planck untuk radiasi benda hitam. dimana h dalam persamaan ini adalah konstanta Planck, yang memiliki nilai 6,626 × 10-34Js.

Panjang gelombang de Broglie

Panjang gelombang de Broglie adalah panjang gelombang, λ, terkait dengan objek dan terkait dengan momentum dan massa

Pada tahun 1923, Louis de Broglie, seorang fisikawan Perancis, mengusulkan hipotesis untuk menjelaskan structure. teori atom menggunakan serangkaian substitusi de Broglie berhipotesis partikel untuk menahan sifat gelombang. Dalam beberapa tahun, hipotesis de Broglie diuji oleh para ilmuwan menembak elektron dan sinar lampu melalui celah. yang para ilmuwan temukan adalah aliran elektron bertindak sama adalah sebagai cahaya membuktikan de Broglie yang benar.

Derivatif Gelombang De Broglie

Teori Derivatif Persamaan de Broglie menggunakan substitusi sebagai berikut:

1. De Broglie pertama kali digunakan persamaan Einstein berkaitan materi dan energi:E=mc2 ...................(0)

dengan E=energim = massa , c = kecepatan cahaya

2. Menggunakan teori Planck yang menyatakan setiap kuantum gelombang memiliki jumlah diskrit energi yang diberikan oleh persamaan Planck:E = hv ..............................(1)Dengan E = Energi , h = konstanta planck (6.62607 x 10-34 J s), v = frekuensi

3. Sejak de Broglie percaya partikel dan gelombang memiliki sifat-sifat yang sama, ia berhipotesis bahwa dua energi akan sama:mc2=hv .......................(2)

4. Karena partikel nyata tidak melakukan perjalanan dengan kecepatan cahaya, De Broglie menyampaikan bahwa kecepatan (v) untuk kecepatan cahaya (c).

mv2=hv .......................(3)5. Melalui persamaan λ, de Broglie disubstitusikan v / λ untuk ν dan di pernyataan akhir

yang berhubungan panjang gelombang dan partikel dengan kecepatan.

mv2=hvλ ............................(4)

Karenanya:

λ= hvmv2=

hmv ...................(5)

Mayoritas masalah Dualisme Gelombang-Partikel adalah persoalan sederhana dan menenggak melalui Persamaan 5 dengan beberapa variasi.Contoh soal:Carilah panjang gelombang de Broglie untuk sebuah elektron bergerak dengan kecepatan 5.0 × 106m / s (massa elektron adalah 9,1 × 10-31kg).Jawabannya:

λ= hp= hmv

= 6,63 x 10−34 Js( 9,1x 10−31 kg ) . (5,0x 106m )

=1,46x 10−10m

Meskipun De Broglie percaya untuk hipotesisnya, ia tidak memiliki bukti eksperimental sebenarnya untuk dugaan nya. Pada tahun 1927, Clinton J. Davisson dan Lester Germer H. menembakan partikel elektron ke kristal nikel. Apa yang mereka lihat adalah difraksi elektron mirip dengan gelombang difraksi terhadap kristal (x-ray). Pada tahun yang sama, seorang fisikawan Inggris, George P. Thomson melepaskan elektron menuju foil tipis logam memberikan dia dengan hasil yang sama seperti Davisson dan Germer.

Prinsip Ketidakpastian HeisenbergPrinsip Ketidakpastian Heisenberg merupakan salah satu hasil paling terkenal dari mekanika kuantum dan menyatakan bahwa satu (sering, namun tidak selalu) tidak bisa mengetahui semua hal tentang partikel (seperti yang didefinisikan oleh fungsi gelombang) pada waktu yang sama. Prinsip ini secara matematis dinyatakan sebagai operator non-komuter(pengganti).Prinsip Ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa ada ketidakpastian yang melekat dalam tindakan mengukur variabel partikel. Umumnya untuk keadaan momentum partikel, keadaan prinsip bahwa posisi lebih tepatnya dikenal dengan momentum ini dan sebaliknya. Hal ini bertentangan dengan fisika klasik Newton yang memiliki semua partikel menjadi terukur untuk ketidakpastian atas pernyataan yang cukup baik.Prinsip Ketidakpastian Heisenberg adalah teori dasar dalam mekanika kuantum yang mendefinisikan mengapa seorang ilmuwan tidak dapat mengukur variabel kuantum secara bersamaan. Sampai percobaan mekanika kuantum, itu diadakan sebagai fakta bahwa semua variabel dari sebuah objek dapat diketahui presisi yang tepat secara bersamaan saat tertentu. Fisika Newton menempatkan bahwa tidak ada batas pada bagaimana prosedur dan teknik yang lebih baik dapat mengurangi ketidakpastian pengukuran sehingga dibayangkan bahwa dengan perawatan yang tepat dan akurasi semua informasi dapat didefinisikan. Heisenberg membuat proposisi berani yang ada batas bawah untuk presisi ini membuat pengetahuan kita tentang partikel inheren tidak pasti.

Lebih khusus, jika ada yang tahu momentum yang tepat dari partikel, adalah mustahil untuk mengetahui posisi yang tepat, dan sebaliknya. Hubungan ini juga berlaku untuk energi dan waktu, bahwa seseorang tidak dapat mengukur energi yang tepat dari sistem dalam jumlah waktu yang terbatas. Ketidakpastian dalam hasil dari "pasangan konjugasi" (momentum / kedudukan) dan (energi / waktu) didefinisikan oleh Heisenberg memiliki nilai minimum sesuai dengan konstanta Planck dibagi dengan 4π. Lebih jelas:

Δ p Δ x ≥ h4 π

∆ t ∆ E≥ h4 π

Dimana Δ mengacu pada ketidakpastian dalam variabel dan h adalah konstanta Planck.Selain dari definisi matematika, seseorang dapat memahami dengan membayangkan bahwa lebih hati-hati mencoba untuk mengukur momentum, semakin kacau yang ada pada sistem, sehingga terjadi perubahan momentum. Misalnya membandingkan efek pengukuran posisi momentum sebuah elektron dengan bola tenis. Katakanlah untuk mengukur benda-benda, cahaya diperlukan dalam bentuk partikel foton. Partikel foton tersebut memiliki massa terukur dan kecepatan, dan datang ke dalam kontak dengan elektron dan bola tenis dalam mencapai nilai di posisi tersebut. Sebagai dua benda berbenturan dengan momentum masing-masing (p = m * v), mereka menyampaikan tesis momentum ke satu sama lain. Ketika kontak foton elektron, sebagian momentumnya ditransfer dan elektron sekarang akan bergerak relatif terhadap nilai tergantung pada rasio massa benda. Lebih besar bola tenis ketika diukur akan memiliki transfer momentum dari foton juga, tetapi efeknya akan berkurang karena massanya beberapa kali lipat lebih besar dari foton. Untuk memberikan gambaran yang lebih praktis, gambar tank dan sepeda bertabrakan dengan satu sama lain, tangki menggambarkan bola tenis dan sepeda yang foton. Massa semata tangki meskipun mungkin berangkat pada kecepatan yang lebih lambat akan meningkatkan momentum yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan sepeda berlaku memaksa sepeda dalam arah yang berlawanan. Hasil akhir dari pengukuran posisi obyek menyebabkan perubahan dalam momentum dan sebaliknya.Semua perilaku Quantum prinsip ini penting dalam menentukan lebar garis spektral, seperti ketidakpastian energi dari sistem sesuai dengan lebar garis terlihat di daerah spektrum cahaya dieksplorasi dalam Spektroskopi.Sulit untuk membayangkan tidak tahu persis di mana sebuah partikel pada saat tertentu. Tampaknya intuitif bahwa jika partikel ada di ruang angkasa, maka kita dapat menunjuk ke tempat itu; Namun, Prinsip Ketidakpastian Heisenberg jelas menunjukkan sebaliknya. Hal ini karena sifat seperti gelombang partikel. Sebuah partikel tersebar di ruang sehingga ada hanya tidak lokasi yang tepat yang menempati, melainkan menempati berbagai posisi. Demikian pula, momentum tidak dapat diketahui secara tepat karena partikel terdiri dari paket gelombang, yang masing-masing memiliki momentum sendiri sehingga yang terbaik dapat dikatakan bahwa partikel memiliki berbagai momentum.

jika variabel kuantum dapat diukur dengan tepat. Gelombang yang memiliki posisi sempurna terukur adalah jatuh ke satu titik dengan panjang gelombang yang tak terbatas dan momentum karena itu terbatas menurut persamaan de Broglie. Demikian pula, gelombang dengan momentum sempurna terukur memiliki panjang gelombang yang berosilasi atas semua ruang jauh dan karena itu memiliki posisi yang tidak terbatas.Anda bisa melakukan eksperimen dengan energi dan waktu. Untuk secara tepat pengukuran energi gelombang akan mengambil jumlah tak terbatas dalam waktu pengukuran sementara, contoh gelombang di ruang akan jatuh ke satu saat yang akan memberi energi tak terbatas.Kosekuensi:

Prinsip Heisenberg memiliki penyimpangan besar pada ilmu pengetahuan dan bagaimana eksperimen dirancang. Perlu pertimbangan untuk mengukur momentum atau posisi partikel. Untuk membuat pengukuran, interaksi dengan partikel harus terjadi yang akan mengubah variabel lainnya. Misalnya, untuk mengukur posisi elektron harus ada tabrakan antara elektron dan partikel lain seperti foton. Ini akan memberi beberapa momentum partikel kedua ke elektron yang diukur dan dengan demikian mengubah hal itu. Sebuah pengukuran yang lebih akurat dari posisi elektron akan membutuhkan sebuah partikel dengan panjang gelombang yang lebih kecil, dan karena itu menjadi lebih energik, tapi kemudian ini akan mengubah momentum bahkan lebih selama tabrakan. Percobaan yang dirancang untuk menentukan momentum akan memiliki efek yang sama pada posisi. Akibatnya, eksperimen hanya dapat mengumpulkan informasi tentang variabel tunggal pada suatu waktu dengan setiap jumlah akurasi.

Permasalahan atau Contoh:1. Ketidakpastian dalam momentum Δp dari sepak bola dilemparkan oleh Tom Brady

selama superbowl bermula di 40m / s adalah 1 × 10-6 dari momentum. Apa ketidakpastian dalam posisi Δx? Massa = 0.40kg.

2. Jika Anda melihat ada 2 mL air berjalan sama dengan sepak bola pada kecepatan yang sama dan Δp. Hitung-nya Δx?

3. Sebuah elektron dalam molekul air pada kecepatan yang sama memiliki Δp yang sama. Hitung yang Δx jika massa sebuah elektron adalah 9,1 × 10-31kg?

4. Sebutkan perbedaan dalam ketidakpastian momentum antara bola, air, dan elektron. Bagaimana penilaian efek massanya?

5. Dengan mempertimbangkan semua informasi yang disajikan di atas, dapatkah Anda menyatakan situasi di mana Prinsip ketidakpastian Heisenberg memiliki sedikit efek pada pengukuran momentum dan posisi satu benda, tetapi mendominasi hal tersebut ketika kedua benda adalah bagian dari sistem yang sama?

Jawaban:

1. p=mx v=0,40kg x 40 ms=16 kg m

s

∆ p=P.1 x10−6=16kg ms.1x10−6=16 x 10−6kg m

s

Δ p Δ x ≥ h4 π

Δ x ≥ h4 π Δ p

= 6,626 x10−34 Js

4π 16 x10−6 kg ms

=3,3 x10−30m

2. 2mLx 1L1000ml

x 1g1L

x 1kg1000 g

=2 x10−6 kg

p=mxv=2x 10−6kg .40 ms=8 x10−5kg m

s

∆ p=p .1 x10−6=8 x10−5 kg ms

.1 x10−6=8 x 10−11kg ms

Δ p Δ x ≥ h4 π

Δ x ≥ h4 π Δ p

¿ 6,626 x 10−34 Js

4 πx10−11kg ms

=6,6 x10−25m

3. p=mxv=9,1x 10−31 .40 ms=3,6x 10−29 kg m

s

∆ p=Px10−6=3,6x 10−29 kg ms

.1 x 10−6=3,6 x 10−35 kg ms

Δ p Δ x ≥ h4 π

Δ x ≥ h4 π Δ p

= 6,626 x10−34 Js

4π 3,6 x 10−35 kg ms

=1,5m

4. Massa sepak bola adalah 4x10-1kg, air 2x10-6kg, dan elektron adalah 9.1x10-31kg. Massa air adalah 5 kali lipat lebih kecil dari sepak bola, dan ketidakpastian posisi yang dihasilkan 5 kali lipat lebih besar. antara elektron dan air ada perbedaan dari 25 kali lipat untuk kedua massa dan Δx. Ada korelasi langsung proporsionalitas terbalik antara Δx Δp dan seperti yang dijelaskan oleh Prinsip Ketidakpastian Heisenberg, dan elektron jauh lebih kecil memiliki posisi yang lebih besar dari ketidakpastian 1.5m dibandingkan dengan sepak bola yang lebih besar 3.3x10-30m.

5. Salah satu contoh adalah segelas air di pemegang cangkir di dalam mobil yang bergerak. segelas air memiliki beberapa molekul air masing-masing terdiri dari elektron. Air dalam gelas adalah objek makroskopik dan dapat dilihat dengan mata telanjang. Elektron namun menempati ruang yang sama seperti air, tetapi tidak dapat dilihat dan oleh karena itu harus diukur secara mikroskopis. Sebagaimana dinyatakan di atas dalam pendahuluan, efek pengukuran partikel kecil menyebabkan perubahan dalam momentum dan waktu dalam ruang, tapi ini tidak terjadi untuk benda yang lebih besar. Dengan demikian, prinsip ketidakpastian memiliki penyimpangan lebih besar dari elektron daripada air makroskopik.

FotonSebuah foton adalah partikel kecil yang terdiri gelombang radiasi elektromagnetik. Seperti yang ditunjukkan oleh Maxwell, foton hanya medan listrik mengalir melalui ruang. Foton tidak memiliki tanggung jawab, tidak ada massa istirahat, dan berjalan dengan kecepatan cahaya. Energi setiap foton adalah terkuantisasi, atau datang dalam jumlah diskrit. Foton dipancarkan oleh aksi partikel bermuatan, meskipun dapat dipancarkan oleh metode lain termasuk peluruhan radioaktif. Karena foton partikel yang sangat kecil, kontribusi karakteristik seperti gelombang dengan perilaku foton adalah signifikan. Dalam diagram, foton tunggal yang diwakili oleh panah berlekuk-lekuk.Foton sering digambarkan sebagai paket energi. Ini adalah analogi yang sangat pas, sebagai mana foton mengandung energi yang tidak dapat dibagi. Energi ini disimpan sebagai medan listrik berosilasi. Bidang ini dapat berosilasi pada hampir setiap frekuensi. Meskipun tidak pernah diamati, panjang gelombang teoritis sepanjang cahaya adalah ukuran alam semesta, dan beberapa teori memprediksi pada panjang gelombang foton Planck. Paket energi ini dapat ditransmisikan melalui jarak yang sangat jauh dengan tidak ada kerusakan di energi atau kecepatan. Foton bergerak pada kecepatan cahaya, 2.997x108 m / s di ruang kosong. Kecepatan foton melalui ruang dapat langsung berasal dari kecepatan medan listrik melalui ruang bebas. Maxwell membuktikan ini pada tahun 1864. Meskipun foton tidak memiliki massa, mereka memiliki momentum yang mengikuti persamaan de Broglie. Momentum foton mengarah ke penerapan praktis yang menarik seperti pinset optik.Secara umum, foton memiliki sifat yang mirip dengan gelombang elektromagnetik. Setiap foton memiliki panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang didefinisikan sebagai jarak antara dua puncak dari medan listrik dengan vektor yang sama. Frekuensi foton didefinisikan sebagai berapa banyak panjang gelombang foton merambat setiap detik.Tidak seperti gelombang elektromagnetik, foton tidak bisa benar-benar menjadi warna. Sebaliknya, foton akan sesuai dengan cahaya warna tertentu. Sebagian warna dideteksi oleh kemampuan mata manusia, sebuah foton tunggal tidak dapat memiliki warna karena tidak dapat dideteksi oleh mata manusia. retina dapat mendeteksi warna dan mendaftar cahaya warna tertentu, beberapa foton harus bertindak di atasnya. Hanya ketika banyak foton bertindak serentak pada retina, sebagai gelombang elektromagnetik, dapat mendeteksi warna.

Sebagaimana dijelaskan oleh Persamaan MaxwellDeskripsi paling akurat yang kita miliki tentang sifat foton diberikan oleh persamaan Maxwell. Persamaan Maxwell matematis memprediksi bagaimana foton bergerak melalui ruang. Pada dasarnya, medan menjalani fluks listrik akan membuat medan magnet orthogonal. Fluks medan magnet maka menciptakan medan listrik. Penciptaan dan penghancuran setiap gelombang yang sesuai memungkinkan pasangan gelombang bergerak melalui ruang dengan kecepatan cahaya. Persamaan Maxwell menggambarkan sifat foton individu dalam kerangka dinamika kuantum.

Penciptaan FotonFoton dapat dihasilkan dalam berbagai cara. Bagian ini akan membahas beberapa cara foton dapat dipancarkan. Sebagian foton yang menyebarkan medan listrik melalui ruang, emisi foton membutuhkan pergerakan partikel bermuatan.

Radiasi Benda HitamSebagian zat dipanaskan, atom di dalamnya bergetar pada energi yang lebih tinggi. Getaran ini cepat mengubah bentuk dan energi orbital elektron. Sebagian energi berubah menjadi elektron, foton yang dipancarkan dan diserap pada energi yang sesuai dengan energi dari perubahan. Radiasi benda hitam inilah yang menyebabkan bola lampu bersinar, dan panas dari sebuah objek dirasakan dari jarak yang sangat jauh. Penyederhanaan objek sebagai radiasi benda hitam memungkinkan perhitungan suhu tidak langsung dari obyek yang jauh. Para astronom membuat inframerah termometer menggunakan prinsip ini setiap hari.

Emisi spontanFoton dapat secara spontan dipancarkan ketika elektron jatuh dari keadaan tereksitasi ke keadaan energi yang lebih rendah (biasanya keadaan dasar). Istilah teknis untuk penurunan energi adalah relaksasi. Elektron menjalani jenis emisi akan menghasilkan satu set yang sangat khas dari foton berdasarkan tingkat energi yang tersedia dari sifat tersebut. mungkin dalam satu set foton adalah dasar untuk spektrum emisi.

FlourescenceFluoresensi adalah kasus khusus dari emisi spontan. Dalam fluoresensi, energi foton yang dipancarkan tidak sesuai dengan energi yang digunakan untuk merangsang elektron. Elektron akan berpendar ketika kehilangan cukup banyak energi di sekitarnya sebelum menjalani relaksasi. Umumnya fluoresensi digunakan di laboratorium untuk memvisualisasikan keberadaan molekul target. Sinar UV digunakan untuk membangkitkan elektron, yang kemudian memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang terlihat.

Stimulasi EmisiElektron dalam artifisial bebas ke keadaan energi yang lebih rendah oleh foton yang cocok dengan perbedaan energi ini. Fase medan listrik dan orientasi foton yang dihasilkan, serta energi dan arah akan identik dengan peristiwa foton. Cahaya yang dihasilkan oleh menstimulasi emisi dikatakan koheren karena mirip dengan cara foton yang menyebabkan elektron. Laser menghasilkan radiasi koheren elektromagnetik oleh emisi yang terstimulasi.

Synchrotrons (elektron lentur)Elektron dengan energi kinetik yang sangat tinggi, seperti di akselerator partikel, akan menghasilkan foton energi tinggi ketika jalan eletron dengan energi kinetik diubah. Perubahan ini dilakukan dengan medan magnet yang kuat. Semua elektron bebas akan memancarkan cahaya dengan cara ini, tetapi radiasi sinkrotron memiliki implikasi khusus. Radiasi sinkrotron saat teknologi canggih yang tersedia untuk memproduksi radiasi x-ray mengarah pada frekuensi yang tepat. Synchrotrons, seperti Advanced Light Source (ALS) di Lawrence Berkeley Labs dan Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL) adalah area spektroskopi x-ray karena kualitas yang sangat baik dari sinar x yang dihasilkan.

Peluruhan Nuklir

Beberapa jenis peluruhan radioaktif dapat melibatkan pelepasan foton energi tinggi. Salah satu jenis seperti Peluruhan adalah isomerisasi nuklir. Dalam isomerisasi, inti menata kembali dirinya untuk konfigurasi yang lebih stabil dan memancarkan sinar gamma. Meskipun hanya terjadi teori, proton meluruh juga akan memancarkan foton energi yang sangat tinggi.

Efek Fotolistrikperistiwa cahaya pada pelat logam dapat menyebabkan elektron untuk membebaskan diri dari permukaan pelat (Gambar. 1). Interaksi antara cahaya dan elektron disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik memberikan bukti konklusif pertama bahwa cahaya dibuat dari partikel terkuantisasi. Energi yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron dari permukaan logam biasanya pada urutan yang sama besarnya sebagai energi ionisasi. Sebagai logam umumnya memiliki energi ionisasi dari beberapa elektron volt-, efek fotolistrik umumnya diamati menggunakan cahaya atau sinar energi yang lebih tinggiyang dapat terlihat.

Pada saat fenomena ini dipelajari, cahaya dianggap melakukan perjalanan dalam gelombang. Bertentangan dengan apa yang diramalkan oleh model gelombang cahaya, peningkatan intensitas cahaya mengakibatkan peningkatan arus, bukan peningkatan energi kinetik dari elektron yang dipancarkan. Einstein kemudian menjelaskan perbedaan ini dengan menunjukkan bahwa cahaya terdiri dari paket energi terkuantisasi yang disebut foton. Karyanya pada efek fotolistrik membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel.Efek fotolistrik memiliki banyak penerapan praktis, karena saat ini dapat dihasilkan dari sumber cahaya. Umumnya, efek fotolistrik digunakan sebagai komponen dalam switch yang merespon cahaya. Beberapa contoh adalah nightlights dan photomultipliers. Biasanya saat ini sangat kecil sehingga harus diperkuat agar saklar efektif.

Energi dari fotonEnergi foton adalah kuantitas diskrit ditentukan oleh frekuensi. Hasil ini dapat ditentukan secara eksperimental dengan mempelajari efek fotolistrik. Energi kinetik elektron yang dipancarkan bervariasi langsung dengan peristiwa frekuensi cahaya. Jika nilai-nilai eksperimental dari energi ini dipasang ke jalur, kemiringan garis yang merupakan konstanta Planck. Titik di mana elektron mulai dipancarkan dari permukaan disebut frekuensi ambang, dan dilambangkan dengan ν0. Prinsip konservasi energi menyatakan bahwa energi foton semua harus berada disuatu tempat. Dengan asumsi bahwa hν0 energi adalah kebutuhan energi awal untuk menyelidiki sebuah elektron dari yang orbital, energi kinetik dari foton

sama dengan energi kinetik dari elektron yang dipancarkan ditambah energi ionisasi. Oleh karena itu energi dari foton bebas menjadi E = hν yang mana nu adalah frekuensi foton dan h adalah konstanta Planck.

Hasil dari percobaan fotolistrik ditunjukkan pada Gambar 2. ν0 adalah minimum frekuensi di mana elektron mulai terdeteksi. Garis tebal mewakili energi kinetik diamati sebenarnya elektron dilepaskan. Garis merah putus-putus menunjukkan bagaimana hasil linear dapat diperoleh dengan menelusuri kembali ke sumbu y. Elektron tidak bisa benar-benar memiliki energi kinetik negatif.

Interferensi fotonpercobaan celah ganda awalnya menunjukkan bahwa sinar cahaya adalah gelombang, percobaan lebih maju mengkonfirmasikan bahwa elektron sebagai partikel dengan sifat seperti gelombang. Difraksi sinar cahaya celah ganda diamati sedikit memproduksi interferensi konstruktif dan destruktif. Teknologi modern memungkinkan emisi dan deteksi foton tunggal. Dalam percobaan yang dilakukan oleh Philippe Grangier, sebuah foton tunggal dilewatkan melalui celah ganda. Foton kemudian terdeteksi di sisi lain dari celah. Di ukuran sampel yang besar, di posisi akhir foton dapat ditentukan. Berdasarkan model gelombang cahaya, sebuah pola interferensi akan diamati sebagai foton terbagi berulang untuk menghasilkan pola. Namun, hasil tidak memuaskan dengan model gelombang cahaya. Setiap foton dipancarkan berkorespondensi dengan deteksi tunggal di sisi lain dari celah (Gbr. 3). Dengan probabilitas tertentu, setiap foton yang terdeteksi pada kekuatan 100%. Lebih dari serangkaian pengukuran, foton menghasilkan pola interferensi yang sama diharapkan dari sinar foton. Ketika salah satu celah ditutup, tidak ada pola interferensi diamati dan setiap foton mendekati linear melalui celah terbuka.

Gangguan ini memiliki implikasi yaitu bahwa foton tidak selalu berinteraksi satu sama lain untuk menghasilkan pola interferensi. Sebaliknya, mereka berinteraksi dan mencampuri diri mereka sendiri. Selanjutnya, ini menunjukkan bahwa elektron tidak melewati satu celah atau yang lain, melainkan melewati kedua celah secara bersamaan. Teori Richard Feynman elektrodinamika kuantum menjelaskan fenomena ini dengan menegaskan bahwa foton akan melakukan perjalanan tidak di jalur tunggal, tetapi semua kemungkinan jalur di alam semesta. Interferensi antara jalur ini akan memberikan probabilitas foton untuk mengambil setiap jalur yang diberikan, karena mayoritas jalur ini membatalkan satu sama lain. ia telah menggunakan teori ini untuk menjelaskan sifat kisaran luas tindakan foton, seperti refleksi dan refraksi, dengan presisi mutlak.Contoh Soal:

1. Puncak panjang gelombang dari sebuah bola lampu 500 nm. hitunglah energi foton tunggal pada panjang gelombang tersebut?.Jawaban: E = hv

v= cλ

E=h . cλ

¿6,626 x10−34m2kg /s2 . 3.00 x108m /s500 x 10−9m

¿3.97 x10−19 Js2. Fungsi kerja permukaan logam adalah 9.4eV. berapakah frekuensi foton yang

menyemburkan elektron dari permukaan ini di 420km / s?Jawaban:

h v0=9.4eVx 1.6 x10−19 J /eV=1,51 x10−18 J

KE=12mv2=hv−hv0

12(9.11 x10−31 kg)/(420,000 km /s)2

¿6.626 x10−34m2 kg /s . v−1.51 x10−18 jv=2.28 x 1015h z

3. Sebuah foton tunggal melewati celah 20nm ganda terpisah. Sebuah photomultiplier mendeteksi setidaknya satu partikel dalam 20 nm tepat di belakang celah. Apa fraksi foton terdeteksi di sini?Jawaban: Seluruh foton terdeteksi. Proton adalah partikel terkuantisasi. Meskipun mereka dapat melewati kedua celah, masih satu partikel dan akan terdeteksi sama.

4. Sebuah foton menghilangkan elektron dari atom. Energi kinetik dari elektron keluar ditemukan menjadi berkurang dari foton yang dihilangkan. Mengapa tidak dengan energi yang sama?Jawabannya: Ingat persamaan fotolistrik: KE = hν-hν0. Persamaan ini menghubungkan energi foton dan pengeluaran elektron. Istilah kedua dari persamaan, -hν0 adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menghilangkan elektron dari orbital. Energi ekstra masuk melanggar asosiasi elektron dengan inti. Perlu diingat bahwa untuk metal logam bukan energi ionisasi karena delokalisasi elektron yang terlibat dalam ikatan logam.

5. Mengingat hubungan antara energi dan frekuensi cahaya, merancang percobaan untuk menentukan apakah foton kehilangan energi ketika melakukan perjalanan melalui ruang. Jawabannya: Salah satu eksperimen yang mungkin memanfaatkan efek fotolistrik. Sebuah sumber cahaya bersinar pada sepotong logam, dan energi kinetik elektron yang dikeluarkan dihitung. Dengan bersinarnya cahaya pada jarak yang berbeda dari pelat logam, foton individu dapat ditampilkan akan kehilangan transmisi. Percobaan tersebut menunjukkan bahwa sementara jumlah elektron dikeluarkan dapat menurunkan sebagai fungsi jarak, energi kinetik akan tetap sama.

TunnelingTunneling adalah fenomena mekanika kuantum ketika sebuah partikel mampu menembus penghalang energi potensial yang lebih tinggi pada energi daripada energi kinetik partikel. Properti menakjubkan ini partikel mikroskopis memainkan peran penting dalam menjelaskan beberapa fenomena fisik termasuk peluruhan radioaktif. Selain itu, prinsip tunneling mengarah ke pengembangan Scanning Tunneling Microscope (STM) dan Atomic Force Microscope (AFM) yang memiliki dampak yang mendalam pada penelitian kimia, ilmu material biologi.

Penyimpangan mekanika klasikPertimbangkan bola bergulir pada permukaan yang datar dan sekitar untuk berguling bukit, fisika klasik memberitahu kita bahwa jika energi kinetik bola bergulir (E) lebih kecil dari energi potensial bukit (V), bola tidak bisa melewati bukit. Sejak E <V, bukit akan bertindak sebagai penghalang energi potensial untuk mencegah bola dari berguling, sehingga tidak ada probabilitas untuk menemukan bola di sisi lain dari penghalang.

Partikel mikroskopis seperti proton, elektron atau akan berperilaku berbeda sebagai konsekuensi dari dualitas gelombang-partikel. Pertimbangkan sebuah partikel dengan energi E yang terbatas dalam kotak yang memiliki penghalang tinggi V. klasik, kotak akan mencegah partikel ini melarikan diri karena kekurangan energi kinetik dari partikel-partikel ini untuk mendapatkan lebih penghalang. Namun, jika ketebalan penghalang tipis, partikel memiliki beberapa kemungkinan penetrasi melalui penghalang tanpa energi yang cukup dan muncul di sisi lain dari kotak. Fenomena ini di mana partikel mikroskopis dapat melalui terowongan penghalang energi potensial bernama "Quantum Tunneling".

Agar partikel kuantum melalui terowongan penghalang harus ada tiga syarat yang harus dipenuhi:

Ketinggian penghalang harus terbatas dan ketebalan penghalang harus tipis. Energi potensial penghalang harus melebihi energi kinetik dari partikel, E <V. Partikel memiliki sifat gelombang karena fungsi gelombang mampu menembus

penghalang. Hal ini menunjukkan bahwa terowongan kuantum hanya berlaku untuk objek mikroskopis proton atau elektron tersebut dan tidak berlaku untuk benda makroskopik.

Jika kondisi ini terpenuhi, ada beberapa kemungkinan menemukan partikel di sisi lain dari penghalang. Awal sebagai gelombang sinusoidal, partikel diawali tunneling melalui penghalang dan masuk ke peluruhan eksponensial sampai keluar penghalang dan akan dikirimkan keluar sisi lain sebagai gelombang sinusoidal dengan amplitudo kecil. Tindakan tunneling akan berkurang amplitudo gelombangnya akibat pantulan peristiwa gelombang ketika datang bersentuhan dengan penghalang tetapi tidak mempengaruhi persamaan gelombang.

Koefisien tunnelingProbabilitas, P, dari tunneling melalui penghalang energi potensial, berasal dari persamaan Schrödinger dan digambarkan sebagai:

p=exp(−4 aπh

[2m (V−E ) ]1 /2)

Dimana exp berarti eksponensial, V adalah penghalang potensial, E adalah energi kinetik yang dimiliki oleh partikel, dan merupakan ketebalan penghalang. Probabilitas tunneling berkurang secara eksponensial dengan:m½ : Partikel dengan massa terkecil melewati terowongan melalui hambatan yang lebih mudah dibandingkan dengan massa yang lebih besar     a: Ketebalan penghalang

Scanning Tunneling Microscopy (STM)

Tip metal biasanya terbuat dari tungsten ditempatkan di antara jarak yang kecil di antara konduktif atau permukaan semikonduktor. Jarak ini bertindak sebagai penghalang potensial untuk tunneling. Ruang antara ujung dan permukaan biasanya adalah vakum. Ketika elektron terowongan dari ujung logam ke permukaan, ini yang dibuat dan dimonitor oleh komputer. ini tergantung pada jarak antara ujung dan permukaan, yang dikendalikan oleh silinder piezoelektrik. Jika ada arus kuat, ujung akan menjauh dari permukaan. Peningkatan penghalang potensial akan mengurangi kemungkinan tunneling dan mengurangi arus. Jika saat ini menjadi terlalu lemah, ujung bergerak lebih dekat ke permukaan. Potensi penghalang akan berkurang dan akan meningkat. Variasi dalam STM ini sebagian bergerak ke ujung atas sampel yang direkonstruksi oleh komputer untuk menghasilkan gambar topologi permukaan yang dipindai.

Atomic Force Microscopy (AFM)Sebuah penyanngga dengan ujung yang tajam yang digunakan untuk memindai permukaan untuk mencapai resolusi skala atom. gaya menarik dan yang menolak antara ujung dan sampel menyebabkan defleksi di penyangga yang dipantau oleh sinar laser. Karena AFM tidak menggunakan saat seperti STM, itu termasuk jenis permukaan polimer, kaca, dan sampel biologis.

Dualisme Gelombang PartikelTeori Dualisme Gelombang Partikel menyatakan bahwa gelombang dapat menunjukkan partikel-partikel memiliki sifat sementara dapat menunjukkan gelombang. Definisi ini menentang mekanika klasik atau Newtonian Fisika.

percobaan celah gandaPada abad ke-17, Newton menunjukkan bahwa, mirip dengan gelombang, berkas cahaya juga dapat lentur dan menghalangi satu sama lain dengan sinar cahaya putih menjadi prisma untuk mengumpulkan tujuh warna yang berbeda dan mengkombinasikannya dengan prisma kedua untuk menghasilkan cahaya putih. Teori gelombang cahaya ini (fisika klasik) telah dikonfirmasi oleh percobaan celah ganda Young pada tahun 1801 (gambar 1).

Teori klasik ini juga dibuktikan oleh Davisson dan Germer pada tahun 1925, ketika mereka bertujuan menghamburkan sinar elektron pada nikel, dan difraksi elektron yang dihasilkan dibagian tepi dfraksi (Gambar 2A). Garis tepi yang bersifat gelombang, dan difraksi dijelaskan menggunakan sifat-sifat interferensi gelombang. Dilingkaran tepi gelap yang dihasilkan ketika gelombang berada dalam fase, dan Dilingkaran tepi cahaya dihasilkan ketika gelombang keluar dari fase (Radiasi elektromagnetik).

Radiasi HitamBerdasarkan teori klasik, energi cahaya akan mengikuti Hukum Rayleigh-Jeans:

p=8 πTλ4

dimana

     ρ adalah energi radiasi,     λ adalah panjang gelombang,     k adalah konstanta Boltzmann, dan     T adalah temperaturMenurut persamaan ini, energi cahaya kontinu dan akan meningkat hingga tak terbatas jika panjang gelombang menjadi sangat kecil. Namun, pada tahun 1899, Otto R. Lummer dan Ernst Pringsheim menemukan radiasi hitam yang menunjukkan bahwa energi radiasi adalah Tersembunyi dan memiliki nilai maks. Energi tidak melalui ke takterhingga sebagaimana fisika klasik telah meramalkan tapi mengalami penolakan setelah mencapai nilai maksimum.

Efek fotoelektronPercobaan pertama menuju dualisme Gelombang-Partikel dilakukan oleh Fisikawan Jerman Max Planck (1858-1947). Menggunakan radiator benda hitam (emitor sama dan penyerap radiasi di semua panjang gelombang), persamaan Planck untuk jumlah terkecil dari energi yang dapat diubah menjadi cahaya.E=hvdi mana h adalah konstanta Planck 6.626x10-34 JS dan v adalah frekuensi.

Ia juga merumuskan teori kuantum dengan mengatakan bahwa cahaya yang dipancarkan memiliki tingkat diskrit energi, dan energi yang dipancarkan adalah terkuantisasi;

E=nhv(di mana n adalah bilangan bulat, dan dapat menjadi nol atau angka positif).Kuantisasi dari keadaan energi yang ada nilai-nilai diskrit atau keadaan, dan energi di antara nilai-nilai dari n terlarang. Oleh karena itu, ia menyatakan bahwa jika x jumlah partikel yang hadir dengan nilai frekuensi tertentu, daripada energi akan menghasilkan:E=xhvFrekuensi berhubungan dengan panjang gelombang di mana c = vλ atau v = c / λ

mengGantikan v = c / λ ke dalam persamaan di atas, menjadi:E = XHC / λPada tahun 1905, Einstein diasumsikan bahwa energi diskrit Planck adalah paket energi yang disebut foton. Energi total sistem adalah sama dengan energi kinetik ditambah energi potensial, dan seperti biasa Hukum Konservasi energi berlaku. Einstein menjelaskan bahwa dalam energi efek fotolistrik energi setiap foton diserap oleh satu elektron dalam logam tertentu, dan sebagai hasilnya elektron mampu mengeluarkan jika energi foton sama atau lebih besar dari energi ambang (Gambar 2). Energi ambang adalah jumlah energi yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron, dan disebut fungsi kerja ΦSehingga E = hvkita dapat menulis ulang persamaan untuk menunjukkan bahwa energi total adalah sama dengan Φ ditambah energi kinetikE = Φ + KE = hvEfek fotolistrik menunjukkan bahwa berperilaku ringan seperti foton atau partikel dikemas dengan energi, dengan kata lain gelombang cahaya berperilaku seperti partikel.

Menurut teori partikel cahaya, energi cahaya akan meningkat ke nilai diskrit dan terbatas kecuali λ pergi ke nol, yang tidak akan pernah terjadi sesuai dengan Partikel dalam teori Kotak Satu-Dimensi. Hal ini membantu menjelaskan pengamatan radiasi hitam.

Checklist fotolistrikJumlah elektron yang dikeluarkan dari kenaikan logam sebagai intensitas cahaya meningkat. Sebuah elektron yang tidak kuat akan memiliki lebih banyak energi kinetik. Energi ambang harus diserap agar elektron yang akan dikeluarkan. Karena konservasi energi, energi kinetik (T) dari elektron tergantung pada peristiwa frekuensi panjang gelombang cahaya. Ingat, frekuensi tinggi memiliki panjang gelombang pendek karena itu foton dengan panjang gelombang pendek akan lebih tinggi dalam energi. Ada hubungan linear antara energi kinetik dari elektron dikeluarkan dan frekuensi. Setelah energi fungsi kerja yang diserap oleh

elektron, sisa energi yang disediakan oleh perubahan foton menjadi energi kinetik T = 1 / 2mv2, dan karenanya persamaan E = Φ T = hv. Sebuah elektron yang hanya menyerap energi ambang tidak memiliki kinetik setelah melewati luar logam.

Dualisme partikel gelombangKarena kedua partikel dan gelombang teori cahaya tampak untuk menjelaskan sebagian dari sifat cahaya dengan benar, yang merupakan salah satu yang benar? Pada tahun 1924, de Broglie (1892-1987) mengusulkan jawaban untuk pertanyaan ini. Dia menganggap bahwa semua benda bergerak memiliki sifat seperti gelombang. Ia menggabungkan momentum konstan dan linear Planck.E = hv = hc/λJadi

λ=hcE

Dan p = E / c = mv(p adalah momentum dari objek, m adalah massa benda, dan v adalah kecepatan dari objek) sehinggaE = mvcHubungkan ini ke (1), kita memilikiλ = hc / MVC = h / mvPersamaan ini mendalilkan bahwa semua objek bergerak dengan massa akan memiliki panjang gelombang yang disebut panjang gelombang de Broglie, tapi panjang gelombang ini hanya terlihat dengan benda-benda yang memiliki massa yang sangat kecil. Sejak h sangat kecil (6,626 x 10-34Js), benda yang memiliki massa besar akan memiliki panjang gelombang mendekati nol. Itulah sebabnya kita tidak dapat melihat gelombang berjalan manusia. Hubungan ini dikonfirmasi oleh Davisson dan Germer dengan eksperimen difraksi, dimana panjang gelombang elektron, yang memberi pola difraksi yang sama dengan panjang gelombang diprediksi menggunakan hubungan de Broglie.Contoh soal

1. Cari energi dari sebuah elektron dengan panjang gelombang 30 nm menggunakan hukum Rayleigh-Jeans di T = 280k.

2. Cari energi dari elektron yang sama menggunakan hukum Planck.3. Cari panjang gelombang elektron yang bergerak di 10m / s (saya = 9,10939 x 10-

31kg).4. Tentukan panjang Gelombang dari seseorang yang memiliki kecepatan yang sama

seperti elektron dalam pertanyaan 2 dengan massa 60 kg.5. Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mencairkan 1g es jika ada 3 x 105 foton

stricking es dari cahaya matahari per detik dengan panjang gelombang 6 nm (energi untuk mencairkan 1g es adalah 334 J).

Jawaban:

1. ρ = 8πkT/λ^4 = 8(3.14)(1.38 x 10-23mkg/s2K)(280K)/(30 X 10-9m)4 = 1.2 x 1011 J2. E = hc/λ = 6.626 x 10-34Js(3 x 108m/s)/(30 x 10-9m) = 6.626 x 10-17 J3. λ = h/(mv) = 6.626 x 10-34Js/[(9.109 x 10-31kg)(10 m/s)] = 7.27 x 10-5 m

4. λ = h/(mv) = 6.626 x 10-34Js/[(60kg)(10 m/s)] = 1.1 x 10-36 m5. E = Xhc/λ

Atau kita bisa menulis n = λE/hc = 334J(6 x 10-9m)/[(6.626 x 10-34Js)(3 x 108)] = 1.01 x 1019 photons

t = 1.01 x 1019photons/(3 x 105photons/s) = 3.37 x 1013 s