fisika statistik - universitas padjadjaran...fisika statistik diawali oleh daniel bernoulli...

207
FISIKA STATISTIK Rustam E. Siregar ISBN : 978-602-9238-69-3

Upload: others

Post on 03-Oct-2020

55 views

Category:

Documents


16 download

TRANSCRIPT

Page 1: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

FISIKA STATISTIKRustam E. Siregar

ISBN : 978-602-9238-69-3

Page 2: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

FISIKA STATISTIK

Rustam E. Siregar

Departemen Fisika, FMIPA

UNIVERSITAS PADJADJARAN

Page 3: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

i

KATA PENGANTAR

Fisika Statistik adalah cabang fisika yang menggunakan metoda-metoda

probabilitas dan statistik, dan khususnya matematika dalam memecahkan masalah-

masalah dengan jumlah partikel yang besar. Aplikasinya meliputi bidang-bidang

fisika dan kimia.

Isi buku ini dirancang untuk perkuliahan di tingkat sarjana (S1) dan tingkat

magister (S2). Mahasiswa yang mengikuti mata kuliah ini diharapkan telah

mengikuti kuliah-kuliah Fisika Matematika, Termodinamika dan Fisika Kuantum.

Semoga buku ini bermanfaat.

Jatinangor, Agustus 2012

Rustam E. Siregar

Page 4: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

ii

DAFTAR ISI

Kata Pengantar i

Daftar Isi ii

1. Pendahuluan 1

1.1 Sejarah 1

1.2 Dasar-dasar Termodinamik 1

1.3 Potensial Termodinamik 4

1.4 Proses-proses dengan Entropi 7

1.5 Kesetimbangan Termodinamik 11

1.6 Kesetimbangan Fasa 16

1.7 Kesetimbangan Kimia 21

Soal-soal 24

2. Statistik Maxwell-Boltzmann 27

2.1 Keadaan Mikro dan Makro 27

2.2 Entropi 29

2.3 Ensembel Mikrokanonik 32

2.4 Ensembel Kanonik; Distribusi Maxwell-Boltzmann 36

2.5 Ensembel Kanonik Besar 45

Soal-soal 49

3. Gas Ideal 51

3.1 Gas Ideal dalam Ensembel Kanonik 51

3.2 Gas Ideal dalam Ensembel Kanonik Besar 55

3.3 Batasan Klassik Gas ideal 57

3.4 Distribusi Energi dan Kecepatan Gas Ideal 59

3.5 Gas Ideal Diatomik 61

Soal-soal 66

4. Gas Non-Ideal 70

4.1 Sistem Partikel Berinteraksi 70

4.2 Ekspansi Virial 75

4.3 Persamaan Keadaan van der Waals 78

4.4 Campuran dan pemisahan fasa 81

4.5 Transisi Fasa Order Pertama 87

4.6 Transisi Fasa Order Kedua 90

Soal-soal 96

5. Statistik Fermi-Dirac 98

5.1 Pendahuluan 98

5.2 Distribusi Fermi-Dirac 99

5.3 Gas Elektron 101

5.4 Emisi Termionik 109

5.5 Energi Fermi dalam Semikonduktor 111

Soal-soal 117

Page 5: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

iii

6. Sistem Spin dan Kemagnetan 120

6.1 Paramagnetisme 120

6.2 Paramagnetik Pauli 127

6.3 Fluktuasi magnetisasi 131

6.4 Diamagnetisme Landau 132

6.5 Sistem Spin berinteraksi; Model Ising 1-dimensi 135

6.6 Model Ising 2-Dimensi 145

6.7 Teori Mean-Field 148

6.8 Teori Landau tentang Transisi Fasa 152

Soal-soal 156

7. Statistik Bose-Einstein 158

7.1 Distribusi Bose-Einstein 158

7.2 Radiasi Planck 160

7.3 Gas Ideal Boson 162

7.4 Kapasitas Zat Padat 171

Soal-soal 175

8, Kondensasi Bose-Einstein 176

8.1 Kondensasi Boson 176

8.2 Fenomena Okupasi Makroskopik 178

8.3 Persamaan Gross-Pitaevskii 180

8.4 Helium 4He 181

8.5 Superfluid Helium 182

8.6 Penjebakan dan pendinginan atom=atom 184

8.7 Laser Atom 185

8.8 Helium 3He 186

Apendiks 1. Konstanta Fundamental 188

Apendiks 2. Turunan dari Persamaan Keadaan 190

Apendiks 3. Beberapa Integral 192

Apendiks 4. Rumus Stirling 194

Apendiks 5. Fungsi Gamma 196

Apendiks 6. Integral Fermi 197

Apendiks 7. Integral Bose 198

Apendiks 8. Tabel Periodik 199

Daftar Bacaan 200

Page 6: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

1

1. PENDAHULUAN

1.1 Sejarah Fisika Statistik

Termodinamika adalah teori yang dikembangkan secara fenomenologis untuk

sistem-sistem makroskopik. Teori ini berlaku pada keadaan setimbang termal, dan

untuk sistem-sistem yang berawal dari keadaan setimbang dan berakhir pada

keadaan setimbang. Termodinamika yang dikembangkan di abad 19, berkembang

pesat di abad selanjutnya karena berkaitan dengan fisika kuantum dan transisi-

transisi fasa. Termodinamika saat ini dirumuskan sebagai suatu sistem aksioma

dengan tiga buah hukum termodinamika. Konsep utamanya adalah energi dan

entropi, dan konsep itulah yang mendasari ketiga hukum tersebut.

Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh

Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879) tentang teori

kinetik gas dan distribusi kecepatan. Ludwig Boltzmann (1844–1906)

menyumbangkan hubungan mendasar dalam kinetika dan memperkenalkan

rumusan entropi sedangkan Josiah Willard Gibbs (1839–1903) mengemukakan

perumusan modern tentang ensambel dalam mekanika statistik. Lars Onsager

(1903–1976) mengemukakan solusi eksak dari model Ising; dia membuktikan

bahwa kerangka sesungguhnya fisika statistik bisa mengatasi masalah transisi fasa.

Onsager memperoleh hadiah nobel kimia pada tahun 1968 untuk hasil kerjanya

dalam termodinamika irreversibel. Claude E. Shannon pada 1948 melakukan studi

tentang teori informasi yang berhubungan langsung dengan entropinya statistik

Boltzmann. Kontribusi terakhir adalah dari Kenneth G. Wilson (1936–), penerima

hadiah nobel pada 1982, tentang teori grup renormalisasi yang memungkinkan

orang menghitung scaling exponents pada transisi fasa.

1.2 Dasar-dasar Termodinamik

Termodinamika adalah teori makroskopik yang pada awalnya dikembangkan tanpa

asumsi-asumsi tentang sifat-sifat mikroskopik dari bahan atau radiasi. Dalam

termodinamika, sistem-sistem dikarakterisasi dengan nilai-nilai dari variabel-

variabel termodinamik yang bisa diklasifikasikan dalam dua jenis variable, ekstensif

dan intensif.

Page 7: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

2

Variabel ekstensif adalah variabel yang sebanding dengan kandungan sistem

dan dipakai oleh keseluruhan sistem. Contoh variabel ekstensif adalah energi-

dalam U, entropi S, volume V, jumlah partikel N, dan kapasitas panas C. Untuk

memudahkan perhitungan sering sekali dalam fisika variabel-variabel itu

diungkapkan per partikel, misalnya u=U/N, s=S/N dan sebagainya. Variabel intensif

adalah variabel yang tidak bergantung pada ukuran sistem. Contohnya adalah

tekanan p, suhu T dan potensial kimiawi µ.

Dalam gas ideal, energi tersimpan yang biasa disebut energi-dalam,

merupakan penjumlahan energi-energi kinetik dari semua atom-atom (yang

dipandang sebagai mono atom)

i

i

m

pU

2

2

. (1.1)

di mana m adalah massa atom dan pi adalah momentum atom ke-i dalam gas.

Momentum atom-atom dalam gas ideal terdistribusi sesuai dengan distribusi

Maxwell. Dengan menggunakan distribusi itu diperoleh energi rata-rata satu atom

Tkm

pE B

ave

2

3

2

2

. (1.2)

sehingga energi-dalam gas ideal dengan N buah atom, adalah

TNkENU B2

3 . (1.3)

Dalam hal ini kB=1,3805x10-23

J/K adalah konstanta Boltzmann, dan T suhu dalam

satuan Kelvin.

Sifat lain dari gas ideal adalah

TNkpV B (1.4a)

konstan

pV untuk proses adiabatik. (1.4b)

Page 8: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

3

di mana p adalah tekanan, V adalah volume, dan =Cp/CV adalah perbandingan

kapasitas panas pada tekan tetap dan volume tetap. NkB=nR dengan n=N/NA adalah

jumlah mol dari N atom dan NA=6,022×1023

/mol adalah bilangan Avogadro,

sedangkan R=NA kB =8,3134 JK/mol adalah konstanta gas universal.

Energi bisa mengalir ke dalam atau ke luar gas. Dalam Hukum Pertama

Termodinamika, perubahan energi gas dU dirumuskan seperti

dU=Q-W. (1.5)

di mana Q adalah kalor (panas) yang memasuki gas (jumlah kalor positif); W

adalah kerja yang dilakukan gas sehubungan dengan pembesaran volume (kerja

positif): W=pdV. Simbol diferensil menyatakan Q dan W bukan variabel

termodinamik. Kalor tersebut berkaitan dengan perubahan entropi S dari gas pada

suhu T. Hubungannya adalah

EQ=TdS. (1.6)

Selain perubahan energi-dalam karena adanya kerja dan kalor, gas bisa juga

mengalami perubahan energi-dalam karena perubahan jumlah atom dalam gas itu.

Jika perubahan itu terjadi dalam proses reversibel dengan entropi (S) dan volume (V)

yang konstan, maka perubahan energi

dU=µ dN. (1.7a)

di mana µ adalah potensial kimia yang didefenisikan seperti

VSN

U

,

. (1.7b)

Aliran partikel sangat penting dalam transisi fasa, reaksi kimia, dan masalah diffusi.

Dalam suatu proses berlaku hubungan diferensial

.dNpdVTdS

dNWQdU

(1.8)

Page 9: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

4

Dalam bentuk yang lebih ril, gas memenuhi persamaan van der Waals

TNkNbVV

aNp B

)(

2

2

(1.9)

atau

aV

N

NbV

TNkp B

2

(1.10a)

atau

2v

a

bv

Tkp B

dengan NVv / adalah volume satu molekul. Perumusan itu cukup rumit sebagai

akibat dari interaksi antar molekul gas. Suku a/v2 muncul dari gaya tarik-menarik

antar molekul yang menyebabkan berkurangnya tekanan pada volume tetap,

sedangkan b menggambarkan pengurangan volume satu molekul sehubungan

dengan peningkatan tekanan. Persamaan van der Waals mempunyai batasan, dia

tidak memberikan jabaran kuantitatif yang cukup baik dari gas yang sebenarnya,

tetapi sebagai model cukup baik dalam hal transisi gas-cair.

1.3 Potensial Termodinamik

Sebagai akibat dari hukum termodinamika pertama, maka di dalam termodinamika

didefenisikan berbagai jenis potensial termodinamika seperti U (energi-dalam), H

(entalpi), F (energi bebas Helmholtz) dan G (energi bebas Gibbs). Potensial-

potensial termodinamika itu merupakan fungsi dari besaran-besaran makroskopik

sistem partikel: p (tekanan) , V (volume), T (suhu), S (entropi) dan N (jumlah

partikel).

Energi-dalam U:`

NpVTSU . (1.11a)

Jika T, p dan µ konstan,

dNpdVTdSdU . (1.11b)

Jika U, V, S, dan N konstan, sedangkan s=S/N dan v=V/N masing-masing adalah

entropi dan volume per molekul, maka diperoleh persamaan Gibbs-Duhem:

Page 10: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

5

vdpdTsd . (1.11c)

Entalpi H:

pVUH . (1.12a)

Jika T,V dan µ konstan,

dNVdpTdSdH . (1.12b)

Energi bebas Helmholtz F:

TSUF . (1.13a)

Jika S, p dan µ konstan

dNpdVSdTdF . (1.13b)

Energi bebas Gibbs G:

NpVTSUpVFG . (1.14a)

Jika S, V dan µ konstan

dNVdpSdTdG . (1.14b)

Potensial besar :

NF . (1.15a)

Jika S, p dan N konstan

NdpdVSdTd (1.15b)

disebut juga potensial Landau.

Dalam persamaan-persamaan di atas µ adalah potensial kimia satu molekul.

Berdasarkan hubungan-hubungan di atas, diperoleh hubungan-hubungan sebagai

berikut.

,,, TNTNS VV

F

V

Up

(1.16)

NpNV S

H

S

UT

,,

(1.17)

,,, VNpNV TT

G

T

FS

(1.18)

Page 11: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

6

pTVTpSVS N

G

N

F

N

H

N

U

,,,,

. (1.19)

Panas jenis pada volume konstan adalah

VVVV

T

ST

T

Q

T

UC

. (1.20)

Panas jenis pada tekanan tetap

pTVppp

T

Vp

V

U

T

U

T

ST

T

QC

(1.21)

Untuk gas ideal U tidak bergantung pada V, sehingga diperoleh

BVp NkCC . (1.22)

Tinjaulah potensial termodinamik A(X,Y) yang bergantung pada variabel

bebas X dan Y. Diferensial dapat dituliskan seperti

dYRdXRdA YX .

Karena berlaku

XY

A

YX

A

22

maka

Y

Y

X

X

X

R

Y

R

.

Contoh: dari dU=TdS-pdV (N konstan) maka diperoleh

VS S

p

V

T

.

Page 12: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

7

Sebenarnya, dengan A(X,Y) berlaku

dYY

AdX

X

AdA

XY

.

Misalkan ada variabel ketiga, Z. Maka berlaku

Z

X

X

A

Z

A

YY

(1.23a)

dan

ZXYZ X

Y

Y

A

X

A

X

A

. (1.23b)

Kedua persamaan di atas disebut hubungan Maxwell.

Contoh: Dalam persamaan (1.13b), dengan N konstan maka dF=-SdT-pdV.

Selanjutnya diperoleh hubungan

VTVT T

TVp

V

F

TT

F

VV

S

),(

Dari persamaan (1.14a) dengan N konstan diperoleh dG=-SdT+Vdp dan selanjutnya

pTpTT

TpV

P

G

pT

G

pp

S

),(

dan dari persamaan (1.11b) dengan N konstan, dU=TdS-pdV sehingga

pT

TVpTp

V

TVST

V

U

VTT

),(),(

p

p

p T

VpC

T

U

).

1.4 Proses-proses dengan Entropi

Suatu proses yang berlangsung melalui keadaan-keadaan yang tidak setimbang dari

Page 13: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

8

sistem disebut proses irreversibel (tidak dapat dibalik). Proses yang melalui

keadaan-keadaan setimbang dari sistem disebut proses reversibel (dapat dibalik).

Proses itu berlangsung secara bertahap, sedikit-demi-sedikit, sehingga keadaan

selalu setimbang.

Jika suatu sistem berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 melalui proses

reversibel, maka dari dS= Q/T :

2

1

12T

QSS

. (1.24)

Karena entropi hanya bergantung pada keadaan sistem saja, maka integral dari

keadaan 1 ke keadaan 2 di sebelah kanan tidak bergantung pada proses reversibel

yang diikuti. Dalam proses reversibel isotermal, suhu T konstan, sehingga

).(

1

12

2

1

12

SSTQ

T

QQ

TSS

(1.25)

Karena T selalu positif , maka selisih S2-S1 bisa positif atau negatif bergantung pada

apakah kalor Q diserap atau dilepaskan oleh sistem. Untuk proses reversibel

adiabatik, dQ=0, maka S2-S1=0 atau S konstan. Dari dS= đQ/T diperoleh:

2

1

TdSQ

yang menyatakan kalor yang diserap ketika sistem mengalami perubahan dari

keadaan A1 ke keadaan A2. Luas di bawah kurva proses dari keadaan A1 ke keadaan

A2 adalah kalor yang diserap (Q) ; lihat Gambar 1.1(a).

Jika proses itu berbentuk siklis seperti Gambar 1.1(b), maka tidak ada

perubahan entropi:

0 T

dQS . (1.26a)

Proses siklis ini disebut siklis reversibel. Kalor bersih yang diserap adalah

Page 14: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

9

TdSQ (1.26b)

merupakan luas dalam siklis. Besarnya kalor itu sama dengan kerja yang dilakukan

sistem.

Gambar 1.1 (a) Proses reversibel, (b) proses siklis.

Suatu sistem yang terisolasi dari lingkungannya, dalam keadaan setimbang

memiliki entropi maksimum. Karena entropinya maksimum, maka proses-proses

yang mungkin dilakukan dalam sistem tersebut adalah proses-proses dengan dS=0

(yang tidak mengubah entropi). Proses-proses itu tentulah revesibel. Jika sistem itu

tidak dalam keadaan setimbang, maka sistem itu secara alami akan berevolusi dalam

arah di mana entropinya meningkat. Jadi, jika suatu sistem yang terisolasi tidak

dalam keadaan setimbang, maka proses yang paling mungkin terjadi adalah proses

dengan

0dS . (1.27)

Tanda sama dengan dipenuhi jika prosesnya reversibel, dan tanda > jika keadaan

awal sistem tidak setimbang; lihat Gambar 1.2.

Sehubungan dengan hal di atas, maka Hukum Kedua Termodinamika

diungkapkan sebagai berikut:

Proses-proses yang bisa terjadi dalam suatu sistem terisolasi adalah proses-

proses di mana entropi meningkat atau tetap.

Fenomena transpor seperti difusi molekul dan konduksi termal adalah contoh dari

proses irreverrsibel. Diffusi berlangsung dalam arah di mana konsentrasi menjadi

(b) A

B

T

S

(a)

T A2

A1

T2

T1

T

dS S1 S2 S

Page 15: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

10

homogen (entropi maksimum). Proses sebaliknya, perubahan spontan dari keadaan

homogen ke keadaan tidak homogen (penurunan entropi), tidak mungkin terjadi.

Gambar 1.2 Perubahan entropi sistem terisolasi ketika berkembang menuju

kesetimbangan.

Jika suatu sistem tidak terisolasi, entropi sistem itu bisa turun dan entropi

sistem-sistem di sekitarnya juga berubah karena ada interaksi antara sistem dan

lingkungannya. Tetapi, jumlah perubahan entropi akan memenuhi 0dS . Sebagai

contoh, jika gabungan dua sistem terisolasi dan total entropi: S=S1+ S2, maka proses-

proses yang terjadi di dalam sistem gabungan akan memenuhi

021 dSdSdS (1.28)

Entropi salah satu sistem bisa menurun selama proses, namun total perubahan

entropi keseluruhan haruslah positif atau nol.

Siklis Carnot seperti Gambar 1.3 adalah siklus yang terdiri dari dua proses

isotermik (AB dan CD) dan dua proses adiabatik (DA dan BC).

Gambar 1.3 Siklis Carnot.

Perubahan entropi adalah:

SAB=Q1/T1 isotermik, Q1=kalor diserap.

T1

T2

S2 S1

D C

B A

T

S

S maksimum S

t

Page 16: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

11

SBC=0 adiabatik.

SCD=-Q2/T2 isotermik, Q2=kalor dilepaskan.

SDA=0, diabatik.

Untuk satu siklis, perubahan entropi bersih Ssiklis=0, sehingga:

02

2

1

1 T

Q

T

Q

Kalor bersih adalah Q=Q1-Q2; ini sama dengan kerja yang dilakukan oleh sistem

dalam satu siklis. Jadi, W=Q=(T1-T2)(S2-S1). Efisiensi siklis Carnot adalah

perbanding kerja yang dilakukan dengan kalor yang diserap:

1Q

W (1.29)

Karena Q1=T1SAB=T1(S2-S1), maka

1

21

121

1221

)(

))((

T

TT

SST

SSTT

(1.30)

Jadi, efisiensi suatu mesin kalor yang beroperasi secara Carnot (reversibel) tidak

bergantung pada zat yang digunakan dan hanya bergantung pada kedua suhu

reservoir. Inilah yang disebut teori Carnot. Karena tidak bergantung pada zat yang

digunakan maka siklis Carnot adalah siklis yang mempunyai efisiensi paling tinggi.

Salah satu ungkapan dari Hukum Kedua Termodinakia adalah: Tidak mungkin

membuat suatu mesin kalor yang mempunyai efisiensi lebih besar atau sama dengan

efisiensi mesin Carnot.

1.5 Kesetimbangan Termodinamik

Kesetimbangan Sistem Tertutup

Tinjau dua sistem masing-masing dengan volume V1 dan V2 dan jumlah partikel N1

dan N2 pada suhu masing-masing T1 dan T2. Kedua sistem diberi kontak termal

dengan volume dan jumlah partikel masing-masing konstan. Berdasarkan hukum

termodinamika kedua, berlaku

Page 17: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

12

011

1

21

2

22222

1

11111

21

dUTT

T

dNdVpdU

T

dNdVpdU

dSdSdStotal

(1.31)

di mana dV1= dV2=0 dan dU2=-dU1. Jelas, jika T1<T2 maka dU1>0 dan kalor

mengalir dari sistem kedua ke sistem pertama. Kesetimbangang tercapai jika T1=T2.

Misalkan volume masing-masing sistem konstant, dan suhu kedua sistem

sama, T1=T2=T. Kedua sistem diberi kontak agar terjadi perpindahan partikel

sehingga dN1= -dN2. Karena total energi konstan maka dU1+ dU2=0, maka

0)(1

112 dNT

dStotal (1.32)

Jadi jika 12 dan dN1>0, maka partikel mengalir dari sistem kedua ke sistem

pertama. Sebaliknya, jika 12 dan dN1<0, partikel mengalir dari12sistem

pertama ke sistem kedua. Berdasarkan itu maka berlaku

VUN

ST

,

(1.33)

Kesetimbangan Sistem Terbuka

Sudah diperlihatkan bahwa, untuk sistem-sistem yang terisolasi secara termal,

kesetimbangan termodinamik bisa didefenisikan sebagai keadaan dengan total

entropi maksimum. Tetapi untuk suatu sistem yang kontak dengan reservoir,

defenisi kesetimbangan termodinamik agak berbeda, yakni memaksimumkan total

entropi sistem dan reservoir terhadap keadaan sistem. Dengan memaksimumkan

total entropi itu maka besaran sistem yang disebut availabilitas:

A=U-TS +pV-µN

menjadi minimum terhadap keadaan sistem.

Page 18: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

13

Tinjau suatu sistem dan reservoir yang bisa bertukar energi-dalam bentuk

kalor/kerja dan partikel. Menurut hukum kedua termodinamik, perubahan total

entropi adalah

0 Rtotal dSdSdS

dan perubahan availabilitas

0 totalRdSTdA

di mana dS adalah perubahan entropi sistem dan dSR adalah perubahan entropi

reservoir. Perubahan entropi reservoir adalah

R

RRRRRR

T

dNdVpdUdS

sehingga perubahan total entropi adalah

R

RRRRRRtotal

T

dNdVpdUdSTdS

(1.34)

Dengan hukum kekekalan, maka dU=-dUR , dV=-dVR dan dN=-dNR sehingga

R

RRRtotal

T

dNdVpdUdSTdS

(1.35)

Dengan itu maka perubahan availabilitas adalah

dNdVpdSTdUdA RRR (1.36)

Jika reservoir cukup besar, jauh lebih besar dari pada sistem maka TR, pR dan µR

konstan. Jadi availabilitas bergantung pada U, S, V dan N dari sistem dengan

rumusan

NVpSTUA RRR (1.37)

Saat menuju kesetimbangan total entropi meningkat dan availabilitas menurun. Pada

saat mencapai kesetimbangan yang stabil, maka dA=0. Untuk berbagai kendala yang

khas, minimum availabilitas menjadi identik dengan minimum potensial

termodinamik bersangkutan.

Page 19: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

14

Kesetimbangan jika p, S, N konstan

Dari persamaan (1.33),

NSp

NSpRRRNSp

pVUd

dNdVpdSTdUdA

,,

,,,,

)(

dengan p=pR . Tetapi, karena entalpi H=U+pV, maka

NSpNSp HddA ,,,, )( (1.38)

Jadi, pada keadaan sistem dengan tekanan, entropi dan jumlah partikel konstan,

keadaan availabitas minimum ekivalen dengan entalpi minimum.

Kesetimbangan pada T,V, N konstan

NVT

NVTRRRNVT

TSUd

dNdVpdSTdUdA

,,

,,,,

)(

dengan T=TR. Karena energi bebas Helmholtz F=U-TS maka

NVTNVT FddA ,,,, )( (1.39)

Jadi, pada keadaan sistem dengan suhu, volume dan jumlah partikel konstan,

keadaan availabitas minimum ekivalen dengan energi bebas Helmholtz minimum.

Gambar 1.4 Dua gas yang awalnya bertekanan p1 dan p2 dipisahkan oleh pemisah

yang dapat bergerak. Suhu dibuat konstan, T.

Gambar 1.4 memperlihatkan dua sistem gas yang kontak satu sama lain dengan

suhu, volume dan jumlah partikel konstan. Total energi bebas Helmholtz

p1

p2

T

Page 20: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

15

)()( 222111

21

STUSTU

FFF

Karena T1=T2=T dan dU=TdS-pdV maka

2211 dVpdVpdF

Tetapi, dV2=-dV1 sehingga

121 )( VdppdF

Jadi, keadaan setimbang tercapai jika dF=0 sehingga

21 pp

Kesetimbangan pada T, p, N konstan

NpT

NVTRRRNpT

pVTSUd

dNdVpdSTdUdA

,,

,,,,

)(

dengan TR=T, dan pR=p. Karena energi bebas Gibbs G=U-TS+pV maka

NpTNpT GddA ,,,, )( (1.40)

Jadi, pada keadaan sistem dengan suhu, tekanan dan jumlah partikel konstan,

keadaan availabitas minimum ekivalen dengan energi bebas Gibbs minimum.

Contoh 4. Kesetimbangan jika T,p,µ konstan.

,,

,,,,

)( VT

VTRRRVT

NTSUd

dNdVpdSTdUdA

dengan TR=T, dan pR=p dan µR=µ. Karena potensial besar =U-TS-µN maka

,,,, )( VTVT ddA (1.41)

Page 21: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

16

Jadi, pada keadaan sistem dengan suhu, tekanan dan potensial kimiawi konstan,

keadaan availabitas minimum ekivalen dengan potensial besar minimum.

1.6 Kesetimbangan Fasa

Tinjaulah suatu sistem dengan satu jenis partikel pada tekanan dan jumlah partikel

konstan. Jika suhu dinaikkan secara perlahan mulai dari suhu rendah ke suhu tinggi,

maka pada suatu suhu tertentu terjadi perubahan fasa dari fasa likuid ke fasa uap.

Misalkan Gc(T,p) adalah energi bebas Gibbs pada fasa likuid dan Gu(T,p) ) adalah

energi bebas Gibbs pada fasa uap.

Dalam Gambar 1.5 diperlihatkan kurva kedua energi-dalam diagram G-T.

Perpotongan kedua kurva menggambarkan transisi fasa. Di saat transisi fasa, kedua

fasa itu bercampur sehingga energi Gibbs adalah

uc GGG

Gambar 1.5 Diagram G-T suatu zat pada tekanan dan jumlah partikel konstan.

Dalam keadaan setimbang, dG=0 sehingga

uuuu

u

dNdpVdTSdNdpVdTS

dGdG

Di saat transisi fasa, suhu dan tekanan konstan, sehingga

uudNdN

Karena jumlah partikel konstan, maka udNNd sehingga pada T dan p konstan

T Tb

Gu

Gl

G

Page 22: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

17

u (1.42)

Jadi, syarat kesetimbangan fasa adalah potensial kimiawi kedua fasa adalah sama.

Gas van der Waals

Gas vd Waals memenuhi persamaan

2v

a

bv

Tkp B

(1.43)

di mana v adalah volume satu molekul gas, a dan b konstanta. Kurva-kurva

isotermal dari gas van der Waals adalah seperti Gambar 1.6. Titik A dan titik E

adalah dua keadaan dengan fasa berbeda. Pada titik A, molekul-molekul berfasa

likuid dan di titik E berfasa gas (uap). Hubungan potensial kimia antara kedua titik

adalah

E

A T

cu dpp

AE

)()( (1.44a)

Berdasarkan persamaan Gibbs-Duhem (1.11c): vdpdTsd maka p

v

.

E

A

cu dpvAE )()( (1.44b)

Gambar 1.6 Kurva-kurva isotermik gas van der Waals dengan a=2,210-49

dan

b=510-29

.

0 1 2 3 4 5 6 7

x 10-28

0

2

4

6

8

10x 10

6

b v(m3)

p(Pa) 100K 94K 80K

A E C

Page 23: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

18

Karena titik A dan titik E pada tekanan yang sama, dan jika luas arsiran di sebelah

kiri dan sebelah kanan dari titik C sama, maka integral dalam persamaan (1.44b)

sama dengan nol sehingga berlaku

)()( AE cu (1.45)

Persamaan Clausius-Clapeyron

Kalor laten adalah sama dengan perbedaan entalpi dari dua fasa pada suhu transisi.

Kalor laten dapat dihubungkan dengan kebergantungan suhu transisi terhadap

tekanan. Misalkan,

dpvdTsd 111

untuk fasa 1. Pada transisi fasa seperti persamaan (1.40) 21 dan 21 dd

sehingga

dpvdTsdpvdTs 2211

atau

21

21

vv

ss

dT

dp

(1.46)

Dengan menyatakan 21 sss dan 21 vvv sebagai perubahan entropi dan

volume per molekul, serta mendefenisikan kalor laten sTL maka diperoleh

vT

L

dT

dp

(1.47)

Gambar 1.7 Garis-garis transisi yang memisahkan dua fasa dari suatu zat.

uap

cair

padat

T

p

Page 24: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

19

Inilah yang disebut persamaan Clausius-Clapeyron. Persamaan ini dapat

diterapkan pada garis transisi yang memisah dua fasa dari suatu zat di dalam

diagram p-T seperti Gambar 1.7.

Campuran Gas Ideal

Dalam suatu gas ideal molekul-molekul tidak berinteraksi satu sama lain. Demikian

juga dalam campuran gas-gas ideal. Oleh sebab itu, tekanan gas adalah jumlah dari

tekanan-tekanan parsial dari gas-gas tersebut,

i

ipp (1.48)

Berbeda halnya dengan entropi; entropi campuran lebih besar dari pada jumlah

entropi-entropi murni,

i

iBiii

p

pkNTpSS ln),( (1.49)

atau

i

iiB ccNkS ln (1.50)

di mana p

p

N

Nc ii

i adalah konsentrasi gas ke-i.

Variasi energi bebas Gibbs adalah dG=-SdT+Vdp sehingga untuk gas ideal

p

TNkV

p

G B

T

(1.51)

Tetapi potensial kimiawi µ=G/N, sehingga

p

Tk

p

B

T

(1.52)

Integrasi dari suatu tekanan p0 ke tekanan p menghasilkan

0

0 ln),(),(p

pTkpTpT B (1.53)

Selanjutnya, dalam campuran beberapa gas ideal berlaku energi bebas Gibbs

adalah jumlah energi bebas Gibbs parsial,

Page 25: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

20

i

iGG (1.54)

Sesuai dengan persamaan (1.46), Vp

G

iNTi

i

,

maka

iBii

iBii

p

p

iii

cTkNpTG

p

pTkNpTG

VdppTGpTGi

ln),(

ln),(

),(),(

(1.55)

Dengan µi=Gi /Ni maka potensial kimiawi komponen ke-i

iBiii cTkpTpT ln),(),( 0 (1.56)

Artinya, potensial kimiawi gas ke-i di dalam campuran dengan konsentrasi ci

berbeda dengan potensial kimiawinya dalam keadaan murni dengan perbedaan

iB cTk ln .

Selanjutnya perubahan energi bebas Gibbs karena pencampuran adalah

i

iidNVdpSdTdG (1.57)

dan dengan itu, maka

ijNpTi

iN

G

,,

(1.58)

Untuk dua komponen i dan j berlak

iljlNpTi

i

ijNpTj

i

NNN

G

N

,,

2

,,

(1.59)

1.7 Kesetimbangan Kimia

Tinjaulauh reaksi kimia

nA AnB B+nC C.

Page 26: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

21

Dalam kesetimbangan kimia berlaku syarat minimum dari availabilitas. Pada

tekanan dan suhu konstan berlaku

0

)(

,

dG

pVTSUd

pdVTdSdUdA pT

di mana i

ii

i

i NGG . Jadi, pada T dan p konstan variasi dG sekitar

kesetimbangan adalah

0i

iidNdG (1.60)

Artinya

0 CCBBAA dNdNdN (1.61a)

Dalam reaksi di atas berlaku i

i

n

dNkonstan, sehingga

C

C

B

B

A

A

n

dN

n

dN

n

dN .

Jadi, persamaan (1.57a) menjadi

0 CCBBAA nnn (1.61b)

Secara umum dituliskan

0i

iiv (1.62)

dengan CCBBAA nvnvnv ;; . Gabungan persamaan (1.56) dan (1.62)

menghasilkan

0ln0 i

iiB

i

ii cvTkv (1.63)

atau

0ln0

i

v

iB

i

iiicTkv (1.64)

Page 27: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

22

Dari persamaan terakhir ini didefenisikan konstanta kesetimbangan untuk

konsentrasi c dan suhu T seperti

i

v

icicTK )( (1.65a)

dengan

i

ii

B

c pTvTk

TK ),(1

)(ln 0 (1.65b)

Untuk reaksi nA AnB B+nC C, konstanta kesetimbangan adalah

cB

A

n

C

n

B

n

Ac

cc

cTK )( (1.66)

1.8 Bahan Paramagnet dalam Medan Magnet

Bahan paramagnet mempunyai atom-atom yang terionisasi; misalkan satu ion

mempunyai momen dipol magnet

. Secara klasik, didalam medan medan magnet

B

dipol itu adalah

cos. BBE

(1.67)

Energi itu minimum jika vektor magnetisasi dan vektor medan magnet sejajar, dan

maksimum jika berlawanan arah.

Energi dari sistem yang mengandung N buah ion adalah,

N

i

iBU1

cos (1.68)

Berdasarkan

BMU

. (1.69)

di mana M

adalah magnetisasi, maka

N

i

iM1

cos

(1.70)

Page 28: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

23

Selanjutnya, sesuai dengan hukum termodinamika pertama dWQdU maka

BdMBMddU

.. (1.71)

di mana BdM

. dapat dipandang sebagai kerja oleh bahan karena perubahan energi

yang berasal dari pengaruh medanl, sedangkan - BMd

. dipandang sebagai

perubahan energi karena perubahan keadaan magnetisasi. Jadi

BMdTdS

. (1.72)

sehingga

BdMTdSdU

. (1.73)

Soal-soal

1. Tunjukkan bahwa untuk gas van der Waals, panas jenis pada volume konstan CV

memenuhi

.0

T

V

V

C

2. Gunakan hubungan Maxwell dan aturan rantai untuk menunjukkan bahwa untuk

suatu zat, laju perubahan suhu T terhadap tekanan p dalam suatu proses kom-

pressi adiabatik yang reversibel dirumuskan sebagai berikut

.ppS

T

V

C

T

p

T

3. Misalkan pada gas ideal berlaku kapasitas kalor CV=NkB dengan adalah suatu

konstanta. Tunjukkan bahwa CP=NkB(+1) dan

konstantaTNkN

VNkS BB

log

.log

Tunjukkan pula bahwa dalam proses adiabatic (dS=0), berlaku VT=konstan dan

pV=konstan dengan =CP/CV.

Page 29: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

24

4. Turunkanlah persamaan keadaan gas

VT T

pT

V

Up

dan

dTCdVpT

pTdU V

V

5. Pada gas vd Waals, buktikan bahwa

).)(( bVapCC Vp

6. Persamaan keadaan gas Dietrici adalah

Tvk

a

bv

Tkp

B

B exp .

di mana v=V/N. Tentukanlah titik kritis dan hitunglah pv/kBT pada titik itu.

7. Suatu gas memiliki sifat-sifat berikut:

(i) Pada suhu konstan T0, kerja yang dilakukannya dalam ekspansi volume dari

V0 ke V adalah

0

0 lnV

VNRTW ,

(ii) Entropinya adalah

a

T

T

V

VNRS

0

0

di mana a adalah konstanta.

a. Tentukanlah energi bebas Helmholtz

b. Bagaimana persamaan gas itu?

c. Tentukanlah kerja yang dilakukan pada sebarang suhu konstant.

8. Dua buah balok logam dari bahan yang sama dan ukuran yang sama tetapi

berbeda suhu T1 dan T2. Kedua balok didekatkan satu sama lain dan dibiarkan

kontak sehingga suhu mencapai setimbang.

Page 30: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

25

a. Tunjukkan bahwa perubahan entropi adalah

21

221

4

)(ln

TT

TTCS V

b. Bagaimana persamaan di atas menunjukkan bahwa perubahan itu adalah

spontan?

9. Tinjaulah sebuah kotak dengan suatu partisi yang memisahkan dua jenis gas

berbeda. Andaikan ada perbedaan jumlah dari masing-masing gas, gas-1

bervolume V1 dan gas kedua V2, dan volume kotak V= V1 + V2. Kotak itu kontak

termal dengan suatu reservoir sehingga sesuatu transformasi akan berlangsung

dengan suhu konstan.

a. Mula-mula, andaikanlah suatu proses memungkinkan gas-gas itu bercampur

secara perlahan-lahan, sehingga selama proses percampuran itu sistem selalu

setimbang. Ingat bahwa lingkungan harus melakukan kerja agar proses itu

berlangsung. Tentukanlah perubahan energi dan perubahan entropi masing-

masing gas antara sebelum bercampur dan setelah bercampur sepenuhnya.

b. Sekarang, andaikanlah partisi dicabut secara cepat sehingga gas-gas itu

bercampur secara cepat. Tentukanlah perubahan energi dan perubahan

entropi dari masing-masing gas.

c. Hitunglah total perubahan entropi yang meliputi gas-gas dan lingkungan baik

pada soal a maupun soal b.

10. Kapasitas panas logam dalam fasa superkonduktor dan fasa normal pada suhu

rendah dapat didekati dengan persamaan-persamaan berikut:

3VTCs , superkonduktor

VTVTCn 3, normal

di mana , dan adal;ah konstanta. Pada suhu rendah di bawah Tc fasa

superkonduktor adalah stabil dan di atas suhu Tc fasa normal yang stabil.

Tentukanlah rumusan untuk Tc .

Page 31: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

26

STATISTIK MAXWELL -

BOLTZMANN

2.1 Keadaan Mikro dan Makro

Dalam suatu sistem seperti gas, suatu keadaan mikro berkaitan dengan sekumpulan

posisi dan momentum dari partikel-partikel gas. Biasanya, suatu sistem mempunyai

konstrain, misalnya volume tetap, sehingga orang cukup memperhatikan keadaan-

keadaan mikro pada volume tetap itu saja. Dalam sistem kuantum, keadaan mikro

adalah solusi dari persamaan Schrodinger seperti iii EH ˆ .

Keadaan makro adalah sekumpulan keadaan-keadaan mikro dengan energi

tertentu, U, yang memenuhi konstrain tertentu, misalnya energi U, volume V dan

jumlah partikel N yang konstan. Jumlah keadaan mikro dalam suatu keadaan makro

tertentu dinyatakan sebagai bobot statistik dari keadaan makro tersebut dan

dinyatakan dengan simbol (U,V,N). Pada keadaan setimbang statistik, orang tak

memerlukan rincian dari keadaan-keadaan mikro; yang diperlukan hanyalah jumlah

keadaan mikro dalam keadaan makro bersangkutan.

Bobot statistik suatu keadaan makro dapat ditentukan sebagai berikut.

Misalkan tiga buah patikel sejenis yang dapat dibedakan satu sama lain (sebutlah A,

B, C) akan ditempatkan pada tingkat-tingkat energi E1=, E2=2, dan E3=3.

Andaikan keadaan makro yang diinginkan mempunyai energi U=6. Artinya,

distribusi partikel adalah n1=1, n2=1 dan n3=1 sehingga U=n1E1+n2E2+n3E3=6. Jika

partikel-partikel itu identik yang dapat dibedakan maka susunan partikel pada

tingkat-tingkat energi adalah seperti berikut:

Keadaan-keadaan mikro

E3=3 C B C A A B

E2=2 B C A C B A

E1= A A B B C C

U 6 6 6 6 6 6

2

Page 32: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

27

Terlihat, keadaan makro tersebut mempunyai enam buah keadaan mikro.

Selanjutnya, andaikan keadaan makro yang diinginkan mempunyai energi U=4.

Maka distribusi partikel adalah n1=2, n2=1 dan n3=0 sehingga U=n1E1+n2E2+

n3E3=4. Susunan partikel pada tingkat-tingkat energi adalah seperti berikut:

Keadaan-keadaan mikro

E3=3 - - -

E2=2 C B A

E1= AB AC BC

U 4 4 4

Terlihat, keadaan makro tersebut mempunyai tiga buah keadaan mikro. Untuk dua

contoh di atas, jumlah keadaan mikro dalam keadaan makro dapat dinyatakan

sebagai berikut:

N=3, n1=1, n2=1, n3=1, U=6,: 6!1!1!1

!3 .

N=3, n1=2, n2=1, n3=0, U=4: 32

6

!0!1!2

!3 .

Berdasarkan pengalaman di atas, maka untuk sistem N partikel identik yang

dapat dibedakan secara umum berlaku hal berikut. Andaikan suatu keadaan makro

mengandung m buah keadaan mikro dengan tingkat-tingkat energi E1, E2, ......,Em.

Jika distribusi partikel-partikel adalah n1, n2, ....,nm dengan keadaan makro yang

mempunyai konstrain

konstan

konstan

1

1

i

m

i

i

m

i

i

EnU

nN

(2.1)

maka jumlah keadaan mikro di dalam keadaan makro bersangkutan adalah

Page 33: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

28

m

i im nN

nnn

NU

121 !

1!

!!.......!

!)( (2.2)

Jika sekiranya, tingkat-tingkat energi keadaan mikro mempunya degenerasi,

misalnya gi untuk tingkat energi ke-i, maka peluang penempatan ni buah partikel di

tingkat energi Ei adalah inig . Dengan demikian maka persamaan (2.2) harus

disempurnakan menjadi

m

i i

ni

n

gNU

i

1 !!)( (2.3)

Karena interaksi dan tumbukan, distribusi partikel-partikel pada tingkat-

tingkat energi keadaan mikro bisa berubah. Dapat diasumsikan bahwa pada setiap

keadaan makro dari suatu sistem, ada suatu distribusi yang lebih baik daripada

distribusi-distribusi lainnya. Artinya, secara fisis pada suatu sistem yang memiliki

sejumlah partikel dengan total energi tertentu, terdapat suatu distribusi paling

mungkin. Jika distribusi itu tercapai, sistem itu disebut dalam keadaan setimbang

statistik, dan dalam keadaan itu maksimum.

2.2 Entropi

Tinjaulah dua buah sistem partikel seperti dalam Gambar 2.1, yang kontak termal

satu sama lain sehingga mencapai kesetimbangan suhu. Kedua sistem terisolasi dari

lingkungannya. Misalkan energi masing-masing adalah U1 dan U2 sehingga energi

total kedua sistem adalah U= U1+ U2. Meskipun U konstan, tetapi masing-masing U1

dan U2 bisa berubah sampai tercapai keadaan setimbang suhu.

Gambar 2.1 Dua buah sistem yang kontak termal satu sama lain, terisolasi dengan

lingkungannya.

U1

U2

Page 34: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

29

Misalkan 1(U1) dan 2(U2) adalah jumlah keadaan mikro masing-masing

dalam sistem pertama dan sistem kedua. Jumlah keadaan mikro gabungan adalah

(U, U1) =1(U1) 2(U2)

di mana U2=U-U1. Tentu ada suatu harga U1 di mana sistem gabungan dalam

keadaan setimbang sehingga (U, U1) mencapai harga maksimum. Misalkan 1U

adalah harga U1 pada keadaan setimbang sehingga

0)(

)ˆ()ˆ()(

1

2

ˆ2

221122

ˆ1

11

121

U

U

U

UUU

U

U

UUU

(2.4)

Karena U konstan maka 1

2

U

U

= -1, sehingga

21ˆ2

221122

ˆ1

11 )()ˆ()ˆ(

)(

UUU

UUU

U

U

21ˆ2

22

ˆ1

11 )(ln)(ln

UUU

U

U

U

(2.5)

Kesamaan di atas, terkait dengan kesetimbangan suhu mengindikasikan masing-

masing fihak dalam persamaan (2.5) sama dengan sehingga diperoleh

UUU

U

ˆ

)(ln

(2.6)

Dalam termodinamika dikenal hubungan suhu dan entropi seperti

VNU

S

T ,

1

(2.7)

Dari kedua persamaan (2.6) dan (2.7) dapat dinyatakan bahwa

TkB

1 (2.8)

di mana kB=1,38110-23

J/K adalah konstanta Boltzmann. Selanjunya entropi adalah

Page 35: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

30

lnBkS (2.9)

Secara statistik inilah yang disebut entropi Boltzmann dalam kaitannya dengan

jumlah keadaan mikro maksimum dari suatu sistem

Untuk kedua sistem di atas, berlaku

21

2121 )lnln)ln(ln

SS

kkkkS BBBB

(2.10)

Jadi, entropi gabungan adalah jumlah dari entropi-entropi kedua sistem yang kontak

suhu satu sama lain. Ini adalah suatu tanda bahwa entropi adalah besaran yang

bersifat ekstensif, sedangkan suhu sebagai konjugasinya merupakan besaran yang

bersifat intensif.

Entropi Boltzmann sangat ideal bagi sistem dengan jumlah partikel yang

besar. Untuk sistem dengan jumlah partikel yang kecil diperkenalkan entropi Gibbs,

i

iiB ppkS ln (2.11)

dengan pi adalah probabilitas menemukan sistem pada keadaan mikro ke-i. Untuk

itu berlaku

i

ip 1 (2.12)

Meskipun demikian, untuk sistem dengan jumlah partikel yang besar rumusan di

atas tetap berlaku karena

1

ip untuk semua keadaan yang mungkin sehingga

ln1

ln1

ln B

i

B

i

iiB kkppkS

Kembali ke persamaan (2.2), maka dengan jumlah keadaan mikro itu entropi

Boltzmann adalah

i

BB nNkkS !ln!lnln

Untuk jumlah partikel yang besar dapat digunakan aproksimasi Sterling

Page 36: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

31

XXXX ln!ln (2.13)

sehingga entropi dari N buah partikel yang dapat dibedakan menjadi

i

iiB

i

iiB

i

iiiB

N

n

N

nNk

nnN

NNk

nnnNNNkS

ln

ln1

ln

)ln(ln

(2.14a)

Untuk N buah partikel yang tak dapat dibedakan entropi adalah

1ln

!lnln

NNk

NkkS

B

BB

(2.14b)

Entropi per partikel dalam persamaan (2.14a) di atas jika dibandingkan dengan

persamaan (2.11) menegaskan bahwa probabilitas menemukan sistem pada keadaan

mikro ke-i dapat dikaitkan dengan jumlah partikel pada keadaan itu, yakni

N

np i

i (2.15)

2.3 Ensembel Mikrokanonik

Ensembel adalah sistem partikel dengan lingkungannya. Dalam Gambar 2.2

diperlihatkan tiga buah sistem dan lingkungannya.

.

(a) (b) (c)

Gambar 2.2 Sistem dan lingkungannya.

S S S

Page 37: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

32

Dalam Gambar 2.2(a) sistem partikel terisolasi dari dunia luar. Dengan

demikian maka U, V, N konstan. Secara statistik, sistem partikel ini dipandang

sebagai ensemble mikrokanonik. Dalam Gambar 2.2(b) sistem partikel kontak

termal dengan reservoir suhu di sekitarnya. Sistem dan reservoir secara keseluruhan

terisolasi dari dunia luar. Dengan demikian maka T, V, N konstan, sedangkan energi

U berfluktuasi. Secara statistik, sistem partikel dan reservoir secara keseluruhan

dipandang sebagai ensemble kanonik. Dalam Gambar 2.2(c) sistem partikel kontak

termal dan kontak partikel dengan reservoir di sekitarnya. Sistem dan reservoir

secara keseluruhan terisolasi dari dunia luar. Dengan demikian maka T, V, µ

konstan, sedangkan energi U dan jumlah partikel N berfluktuasi sekaligus. Secara

statistik, gabungan sistem partikel dan reservoir secara keseluruhan dipandang

sebagai ensemble kanonik besar.

Dalam ensembel mikrokanonik seperti dalam Gambar 2.2(a), sistem partikel

terisolasi dengan lingkungannya. Yang konstan dari sistem adalah energi dalam U,

volume V dan jumlah partikel N. Dengan keadaan seperti itu maka semua keadaan

mikro yang mungkin dari sistem memiliki probabilitas yang sama. Oleh sebab itu

berlaku

)(U jumlah keadaan mikro berenergi U

sehingga probabilitas bahwa sistem ada pada keadaan mikro ke-i dengan energ U

adalah)(

1

Upi

, dan probabilitas sistem pada keadaan dengan energi U’≠U sama

dengan nol. Entropi sesuai dengan persamaan (2.9) adalah

)(ln UkS B (2.16)

Dalam fisika kuantum, tingkat-tingkat energi itu diskrit. Tetapi, jika jumlah

partikel cukup besar maka tingkat-tingkat energi itu menjadi rapat dan secara efektif

kontinu. Dalam keadaan itu, )(E adalah jumlah keadaan yang berenergi antara E

dan E+E dengan E adalah sangat kecil tetapi cukup besar dibandingkan dengan

spasi tingkat-tingkat energi.

Page 38: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

33

Contoh 2.1 Sistem dua tingkat energi I

Tinjaulah suatu sistem terisolasi dengan N buah partikel identik yang dapat

dibedakan. Andaikan tidak ada interaksi antara partikel-partikel. Setiap partikel fix

pada posisinya dan bisa menempati salah satu tingkat energi E1=0 dan E2=.

Misalkan n2 adalah jumlah partikel yang menempati tingkat energi E2 dan n1=N-n2

menempati tingkat energi E1, maka energi total partikel adalah

2nU (2.17)

Karena sistem memiliki energi dalam U dan jumlah partikel N yang tetap, maka

jumlah keadaan mikro adalah

!!

!)(

21 nn

NU

Dengan itu maka entropi adalah

)]!ln!(ln![ln

)(ln

21 nnNk

UkS

B

B

Dengan menggunakan aproksimasi Sterling dalam persamaan (2.13) maka entropi di

atas menjadi

N

nn

N

nnk

nnnnNNk

nnnnnnNNNkS

B

B

B

22

11

2211

222111

lnln

)]lnln(ln[

)]lnln(ln[

Karena N

U

N

n2 dan

N

U

N

n11 maka

N

U

N

U

N

U

N

UkS B ln1ln1 (2.18)

Tampak bahwa, jika U=0 dan U=N maka entropi S=0, sedangkan jika U=N/2

entropi mencapai maksimum S=kB ln2.

Page 39: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

34

Berdasarkan hubungan termodinamik: U

S

T

1, maka dapat diturunkan

bahwa suhu sistem adalah

1ln

1

U

Nk

T

B

(2.19)

Dari hubungan di atas, selanjutnya diperoleh

1

1/

2

TkBeN

n (2.20)

Tampak bahwa, jika suhu T0 maka n2=0 atau n1=N; artinya seluruh partikel

menempati tingkat energi E1. Sebaliknya, jika T∞ maka n2=½N.

Dari persamaan (2.17) dan (2.20) energi sistem adalah

1/

TkBeNU

(2.21)

Kapasitas kalor yang didefenisikan seperti T

UC

adalah

2/

/

2

2

1

Tk

Tk

BB

B

e

e

Tk

NC

(2.22)

C sebagai fungsi suhu T diperlihatkan dalam Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Kapasitas kalor C sebagai fungsi suhu T dalam persamaan (2.22).

T

C

Page 40: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

35

2.4 Ensembel Kanonik; Distribusi Maxwell-Boltzmann

Dalam ensembel mikrokanonik telah dikemukakan bahwa karena sistem partikel

terisolasi dari lingkungannya, maka energi sistem partikel itu menjadi konstan.

Sekarang dengan membiarkan sistem partikel kontak termal dengan suatu reservoir

yang besar seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.2(b), maka terjadi pertukaran

energi sehingga suhu sistem sama dengan suhu reservoir.

Ensembel kanonik merupakan gabungan dari suatu sistem partikel dan suatu

reservoir panas yang besar. Dalam ensembel ini, karena terjadi kontak termal antara

sistem dan reservoir maka suhu sistem partikel menjadi tetap. Yang konstan dari

sistem partikel adalah suhu T, volume V dan jumlah partikel N. Misalkanlah sistem

menempati suatu keadaan mikro ke-i yang berenergi Ei ; energi ini jauh lebih kecil

dari pada energi reservoir sehingga jumlah keadaan mikro gabungan sama dengan

jumlah keadaan mikro dalam sistem partikel,

)()( i

igabresgab EUU

Dengan hubungan entropi Sres=kB ln , maka

i B

igabR

gabk

EUSU

)(exp)(

Dengan uraian Taylor,

B

i

gab

gabR

B

gabR

B

igabR

k

E

U

US

k

US

k

EUS

)()()(

dan mengingat gab

gabR

U

US

T

)(1 maka

i

TkEkUS

gabBiBgabR eeU

//)()(

Dari persamaan terakhir ini terungkap bahwa probabilitas sistem pada keadaan

mikro ke-i adalah

TkE

iBiep

/

Page 41: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

36

Secara lengkap probabilitas di atas harus dinormalisasi; untuk itu

1

/

Z

ep

TkE

i

Bi

(2.23)

dengan

i

TkE BieZ/

1 (2.24)

disebut fungsi partisi untuk satu partikel.

Energi rata-rata satu partikel dirumuskan seperti

i

i

i EpE (2.24a)

Dengan menggunakan persamaan (2.23) dan (2.24) maka

1

11

1 Z

ZE

Z

eE

i

i

Ei

sehingga diperoleh

1ln Z

E (2.24b)

di mana =1/kBT.

Dengan persamaan (2.15) dan (2.23) diperoleh apa yang disebut distribusi

Maxwell-Boltzmann, yakni jumlah partikel yang menempati keadaan mikro ke-i:

iE

i eZ

Nn

1

(2.25a)

sedangkan

iE

i eEf

)( (2.25b)

disebut fungsi distribusi Maxwell-Boltzmann.

Entropi Gibbs untuk satu partikel

Page 42: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

37

1

1

1

ln

ln

lnln

ZkT

E

pZkEpk

Z

epkppkS

B

i i

iBiiB

i

E

iBi

i

iB

i

(2.26)

di mana telah digunakan sifat 1i

ip . Berdasarkan hubungan termodinamik,

energi bebas Helmholtz: F=U-TS, maka untuk satu partikel

11 ln ZTkF B (2.27)

Untuk N buah partikel identik, misalkan partikel-partikel itu dapat

dibedakandengan penomoran q=1, 2,……,N. Partikel-partikel ditempatkan pada

Tingkat-tingkat energi 1, 2,…… sehingga energi-energinya adalah

....................................................................

)(..............)3()2()1(

)(..............)3()2()1(

)(..............)3()2()1(

11213

11122

11111

NE

NE

NE

Fungsi partisi untuk N partikel identik yang dapat dibedakan adalah

..........)(..............)3()2()1(exp

)(..............)3()2()1(exp

)(..............)3()2()1(exp

)exp(......)exp()exp()exp()exp(

1121

1112

1111

4321

N

N

N

EEEEEZ NN

dengan =1/kBT. Persamaan di atas dapat dituliskan seperti

..........

)(exp..............)3(exp)2(exp)1(exp

)(exp..............)3(exp)2(exp)1(exp

)(exp..............)3(exp)2(exp)1(exp

1211

1121

1111

N

N

NZ N

yang selanjutnya dapat disusun sebagai berikut

Page 43: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

38

)(exp.........)(exp)(exp)(exp

...................................................................................................................

)2(exp.........)2(exp)2(exp)2(exp

)1(exp..........)1(exp)1(exp)1(exp

321

321

321

NNNN

Z

N

N

NN

atau

qq i

q

N qZeZ i )(1

)( , q=1, 2,….N

dengan q adalah nomor partikel. Karena Z1(1)=Z1(2)=….= Z1(N), maka fungsi partisi

untuk N buah partikel identik yang dapat dibedakan adalah

NN ZZ 1 (2.28)

Sesuai dengan persamaan (2.26), energi bebas Helmholtz dari N buah

partikel identik yang dapat dibedakan adalah

1

1

ln

lnln

ZTNk

ZTkZTkF

B

NBNB

(2.29)

Dibandingkan dengan persamaan (2.26), terlihat bahwa F=NF1.

Selanjutnya, berdasarkan hubungan termodinamik F=U-TS, maka dF=-SdT-

pdV sehingga entropi N buah partikel identik yang dapat dibedakan adalah

T

Z

ZTNkZNk

T

ZTNkZNk

T

FS

BB

BB

V

1

1

1

11

1ln

lnln

Karena =1/kBT maka

1

2

11 1 Z

TkT

Z

T

Z

B

, maka

1

1

lnln

Z

T

NZNkS B

Dengan

1ln Z

E dalam persamaan (2.24b) maka

Page 44: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

39

T

ENZNkS B 1ln

Karena energi total

ENZZ

NU N

lnln 1 (2.30)

maka entropi di atas adalah

T

UZNkS B 1ln (2.31)

Dibandingkan dengan persamaan (2.26) maka 1NSS .

Sekarang tinjaulah N buah partikel identik yang tidak dapat dibedakan.

Misalkan fungsi partisi adalah

NN ZmZ 1

dengan m adalah factor yang masih harus ditentukan. Misalkanlah N=2, maka

ji

ji eem

ZmZZ

)2()1(

112 )2()1(

sehingga diperoleh

i iji

jiii eemZ)2()1()]2()1([

2

Terlihat, pada suku kedua terjadi double counting, pada hal )2()1( ji =

)1()2( ji . Oleh sebab itu harus diberikan faktor ½, atau m=1/2. Jadi,

21112

2

1)2()1(

2

1ZZZZ

Dengan cara yang sama, dapat diturunkan bahwa untuk N=3, fungsi partisi itu

adalah

Page 45: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

40

313

6

1ZZ

Dengan demikian maka secara umum fungsi partisi dari N buah partikel identik yang

tidak dapat dibedakan adalah

NN Z

NZ 1

!

1 (2.32)

Energi bebas Helmholtz dari N buah partikel identik yang tidak dapat

dibedakan adalah

1ln

)1(lnln

)ln(ln

!lnln!

1lnln

1

1

1

11

N

ZTNk

NTNkZTNk

NNNTkZTNk

NZTkZN

TkZTkF

B

BB

BB

N

B

N

BNB

(2.33)

Dibandingkan dengan persamaan (2.27), terlihat bahwa F NF1. Dengan

energi bebas di atas, entropi N buah partikel identik yang tidak dapat dibedakan

adalah

T

Z

ZTNk

N

ZNk

N

Z

TZ

NTNk

N

ZNk

N

Z

TTNk

N

ZNk

T

FS

BB

BB

BB

V

1

1

1

1

1

1

11

11ln

1ln

ln1ln

Karena =1/kBT maka

i B

ii

BB Tk

EEp

Tk

Z

ZTkT

Z

Z 22

1

12

1

1

1111

maka

Page 46: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

41

T

EN

N

ZNk

EpT

N

N

ZNkS

B

i

iiB

1ln

1ln

1

1

Dengan energi total ENU maka entropi di atas menjadi

T

U

N

ZNkS B

1ln 1 (2.34)

Jadi, untuk partikel-partikel identik yang tidak dapat dibedakan 1NSS . Ini

merupakan akibat dari F NF1.

Contoh 2.2 Sistem dua tingkat energi II

Dalam contoh 2.1 telah dikemukakan sistem N partikel yang memiliki dua tingkat

energi E1=0 dan E2=. Pembahasan di sana dilakukan dengan menggunakan sifat-

sifat ensmbel mikrokanonik. Sekarang, misalkan sistem partikel memiliki suhu

konstan karena kontak termal dengan suatu reservoir.

Fungsi partisi satu partikel adalah

eeZ

i

Ei 11

Jika partikel-partikel identik tidak dapat dibedakan, maka fungsi partisi sistem

partikel adalah

!

1

!

11

N

eZ

NZ

N

N

N

(2.35)

Energi bebas Helmholtz adalah

11

ln

ln)1ln(ln

N

eTNk

NNNeNTkZTkF

B

BNB

(2.36)

sedangkan entropi adalah

Page 47: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

42

e

TTNk

N

eNk

T

FS BB

V

1ln11

ln

11

1ln

eT

N

N

eNkS B

(2.37)

Energi dalam adalah U=F+TS,

1

eNU

Dengan itu maka jumlah partikel pada tingkat energi E2= adalah

1

12

eN

n

Terlihat bahwa baik U maupun n2 masing-masing sama dengan persamaan (2.20).

Contoh 2.3 Paramagnetisme

Dalam situasi yang paling sederhana, paramagnetisme dapat dipandang sebagai

sistem dua tingkat. Tinjaulah sistem dari N buah atom identik yang tak dapat

dibedakan, masing-masing dengan momen magnet m tidak berinteraksi satu sama

lain. Misalkan pula sistem itu kontak termal dengan suatu reservoir bersuhu T.

Dalam medan magnet B, setiap atom bisa menempati dua tingkat energi, E1= -mB

dan E2=mB.

Fungsi partisi satu atom adalah

)cosh(21 mBeeeZ mBmB

i

Ei

(2.38)

Fungsi partisi N buah atom adalah

NN

N mBN

ZN

Z cosh2!

1

!

11 (2.39)

Energi bebas Helmholtz dari N atom adalah

NNNmBNTkZTkF BNB lncosh2lnln (2.40)

Page 48: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

43

Dari hubungan termodinamika F=U-TS+MB di mana M adalah total magnetisasi per

satuan volume, maka dF=-SdT-pdV+MdB sehingga

)tanh(

)cosh(2ln

mBmN

mBB

TNkB

FM B

atau

Tk

mBmNM

B

tanh (2.41)

Contoh 2.4 Molekul polar

Suatu sistem molekul polar di tempatkan dalam medan listrik uniform, tetapi

terisolasi dari gangguan luar. Turunkanlah polarisasi sistem sebagai fungsi suhu.

Misalkan momen dipol listrik setiap molekul: op

. Energi suatu molekul yang

dipolnya berorientasi dengan sudut θ terhadap medan listrik E adalah

E(θ)= -po E cos.

Jika sudut itu bervariasi dari 0- maka energi bukannya diskrit tapi kontinu. Oleh

sebab itu, peluang penempatan di tingkat energi harus dinyatakan dengan sudut

ruang yang dibentuk antara θ dan θ +d θ, yakni dΩ=2π sin θ dθ. Maka fungsi partisi

satu molekul

0

/cos

1 )/sinh(4sin2 Tkpp

TkdeZ Bo

o

BTkp Bo EE

E (2.42)

Dipol rata-rata adalah

E

E

E

o

B

B

o

Tkpoave

p

Tk

Tk

pp

depZ

p B

coth

sin2)cos(1

0

0

/cos

1

0

(2.43)

Page 49: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

44

Hasil ini disebut rumus Langevin. Untuk medan E sangat besar atau T sangat

rendah, coth (poE /kT)=1, kT/poE =0 sehingga pave=po; artinya semua molekul

terorientasi sejajar medan listrik. Untuk po E <<kT , pave=po2E /3kBT (Ingat: coth

x=1/x+x/3+…. sehingga jika x<<1, coth x=x/3); jika ada n buah molekul, polarisasi

zat adalah:

Tk

pnP

B3

2

0E (2.44)

Sedangkan permittivitas medium yang mengandung molekul-molekul polar adalah

Tk

pn

B3

20 (2.45)

2.5 Ensembel Kanonik Besar

Dalam ensembel kanonik, sistem partikel dibiarkan kontak termal dengan reservoir

panas sehingga terjadi pertukaran energi dan suhu sistem menjadi konstan. Jika

selain pertukaran energi, terjadi pula pertukaran partikel maka sistem dan reservoir

disebut membentuk ensembel kanonik besar. Besaran-besaran yang konstan dari

sistem adalah suhu T, volume V dan potensial kimia per partikel µ. Dalam situasi

seperti itu, probabilitas menemukan sistem partikel pada keadaan-i bergantung pada

tingkat energi Ei dan jumlah partikel ni yang menempati keadaan-i itu, seperti

ii nEi ep

)(

Untuk normalisasi, maka

ii nE

i

ep

)(

(2.46)

dengan

i n

nE

i

iie)(

(2.47)

Page 50: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

45

disebut fungsi partisi kanonik besar dari keseluruhan partikel. Dengan demikian

tetap berlaku 1i

ip .

Berdasarkan entropi Gibbs i

iiB ppkS ln maka

i i

iBi

i

iiii

i

nE

iB

pknpT

EnpT

epkS

ii

ln1

ln)(

Hasil di atas dapat dinyatakan seperti

lnBkT

N

T

US

(2.48)

di mana

i

iii EnpU (2.49)

i

iinpN (2.50)

Untuk merumuskan fungsi partisi besar dari keadaan-i misalkan tingkat-

tingkat energi E1, E2, ...... secara serentak diduduki oleh jumlah partikel n1, n2, ......

maka fungsi partisi kanonik besar total adalah

........

1 2

2211 )()(

)(

n n

nEnE

i n

nE

ee

e

i

ii

(2.51a)

atau

i

i.......21 (2.51b)

dengan

Page 51: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

46

i

ii

n

nEi e

)( (2.52)

Persamaan (2.51b) menunjukkan bahwa fungsi partisi besar suatu sistem partikel

merupakan hasil perkalian dari fungsi-fungsi partisi besar dari tingkat-tingkat energi

individual. Hal itu menunjukkan bahwa tingkat-tingkat energi itu bebas dan tak

dapat dibedakan, masing-masing kontak dengan reservoir pada suhu T dan potensial

kimiawi µ.

Dengan fungsi partisi besar, potensial kanonik besar dari keseluruhan

partikel adalah

i

iB

i

iBB

Tk

TkTk

ln

lnln

(2.53)

Itu menunjukkan bahwa

i

i (2.54)

dan potensial kanonik besar dari keadaan ke-i adalah

iBi Tk ln (2.55)

dengan i seperti persamaan (2.52).

Selanjutnya, berdasarkan NdSdTpdVd maka entropi bisa

diturunkan dengan menggunakan hubungan: T

S

, yaitu

ln1ln

lnln

Tk

TTkkS

B

BB

Untuk itu,

Page 52: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

47

i

iii

i

nE

ii

nEp

enE

ii

)(

)(1ln

)(

atau

NU

ln (2.56)

Jadi, entropi adalah

T

N

T

UkS B

ln (2.57)

yang sama dengan persamaan (2.48). Jika persamaan (2.57) dibandingkan dengan

persamaan (2.34), jelas tampak perbedaan antara ensemble kanonik dan ensemble

kanonik besar dengan kehadiran potensial kimia sehubungan dengan terjadinya

pertukaran partikel.

Jumlah partikel dapat diperoleh dari hubungan termodinamik

N ;

dengan persamaan potensial kanonik besar dalam persamaan (2.53) maka

lnTkN B . (2.58)

Dalam kuantum ada dua kelompak partikel, kelompok fermion dan

kelompok boson. Fermion adalah partikel-partikel yang memiliki spin parohan:

s=1/2, 3/2, …… dan boson yang memiliki spin s=0, 1, 2, ……Jumlah partikel yang

bisa ditempatkan pada suatu keadaan ke-i hanya bisa ni=0 dan 1 untuk fermion, dan

n=0 sampai ∞. Jadi, fungsi partisi besar keadaan ke-i adalah

boson1

fermion1

...)(2)(

)(

)(

ii

i

i

ii

EE

E

n

nEi

ee

e

e (2.59)

Page 53: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

48

Soal-soal

1. Suatu sistem dari 4000 partikel memiliki tiga tingkat energi 0, dan 2 .

(a) Bandingkanlah peluang-peluang relatif dari partisi di mana 2000 partikel

menempati tingkat energi paling rendah, 1700 pada tingkat energi sedang

dan yang 300 pada tingkat energi tertinggi, dengan partisi yang dihasilkan

oleh perpindahan satu partikel dari tingkat energi teratas dan satu partikel

dari tingkat energi terendah ke tingkat energi sedang.

(b) Tentukanlah partisi keadaan setimbang.

(c) Dalam keadaan setimbang, dengan =0,02 eV, hitunglah suhunya.

2. Tunjukkanlah bahwa energi bebas Gibbs G dalam kaitannya dengan fungsi patisi

adalah

V

Z

VTVkG B

ln2 .

3. Tunjukkanlah bahwa entalpi H dalam kaitannya dengan fungsi patisi adalah

Z

V

ZVH

lnln1.

dengan =1/kBT.

4. Energi-energi yang mungkin dari suatu sistem partikel adalah ), 0, , 2,…..

(a) Tunjukkan bahwa fungsi partisi sistem itu adalah:

1)]/exp(1[ kTZ .

(b) Hitunglah energi rata-rata.

(c) Tentukanlah harga batas energi rata-rata jika <<kT.

Page 54: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

49

5. Energi bebas Hemholtz didefenisikan sebagai: F=U-TS. Tunjukkan bahwa:

F=-NkBT[ln(Z/N)+1]. Tentukanlah F untuk gas ideal. Tunjukkan bahwa

parameter dalam hukum distribusi:

)exp( ii En

adalah:=-(F/kBNT)+1

6. Jika potensial besar adalah =-kBTln, turunkanlah rumusan entropi (S),

tekanan (p), dan jumlah partikel (N).

7. Tunjukkanlah bahwa

lnln Tkk

TBB

di mana =1/kBT.

8. Untuk keadaan ke-i dari N buah partikel, kerja adalah Wi=-E/x dan kerja

keseluruhan adalah

dxx

Tkdxx

E

Tk

ENW B

i

i

B

i

lnexp

1

Buktikanlah bahwa rata-rata jumlah partikel adalah

lnTkN B

9. Suatu gas ideal tertutup dalam kontainer volume V dan bisa bertukar energi dan

molekul dengan reservoir bersuhu T dan potensial kimia µ. Buktikan bahwa

jumlah rata-rata molekul di dalam kontainer N berhubungan dengan potensial

besar melalui persamaan TkN B/ .

Page 55: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

50

GAS IDEAL

Energi suatu molekul adalah jumlah kinetik dan potensial: E=Ekin+Epot. Gas ideal

dipandang sebagai sekumpulan molekul dengan jarak antara molekul-molekul cukup

jauh sehingga tidak ada interaksi antar molekul, Epot=0. Oleh sebab itu, energi suatu

molekul gas ideal hanya berbentuk kinetik. Jika gas ideal itu dari molekul-molekul

monoatom, energi kinetiknya hanya dari gerak translasi saja: mpEkin 2/2 . Tetapi

jika gas ideal itu adalah molekul-molekul diatomik, maka energi kinetiknya selain

berasal dari gerak translasi juga dari gerak rotasi dan vibrasi. Agar energi molekul

gas ideal hanya berbentuk kinetik, maka gas itu memerlukan volume yang cukup

besar sehingga tidak ada interaksi antara molekul-molekul. Karena volume cukup

besar maka energi menjadi kontinu.

3.1 Gas Ideal dalam Ensembel Kanonik

Tinjaulah suatu sistem gas ideal dari molekul-molekul monoatom dalam

volume tetap V yang mengalami kontak termal dengan suatu reservoir bersuhu tetap,

T. Dengan demikioan maka sistem gas ideal dan reservoir dapat dipandang sebagai

ensembel kanonik. Dalam Bab 2 persamaan (2.24) dikemukakan fungsi partisi satu

partikel adalah

i

EieZ

1

Karena energi kontinu, maka fungsi partisi itu harus diungkapkan dalam bentuk integral

seperti

)(1 EdeZ E (3.1a)

di mana d(E) adalah jumlah tingkat energi antara E dan E+dE. Persamaan (3.1a)

bisa juga dituliskan seperti

3

Page 56: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

51

dEEgeZ E )(1

(3.1b)

dengan g(E) adalah kerapatan tingkat energi antara E dan E+dE.

Untuk menentukan kerapatan tingkat energi, tinjaulah sebuah molekul gas

ideal didalam kubus bersisi a. Komponen-komponen momentum liniernya adalah

a

hnp

a

hnp

a

hnp zzyyxx

2,

2,

2 (3.2a)

di mana nx, ny, nz adalah bilangan-bilangan bulat positif. Dengan

2222zyx nnn (3.2b)

maka energi kinetik molekul itu adalah:

2

2

22

82

ma

h

m

pE (3.3)

Jelas terlihat bahwa untuk kubus yang besar (a>>), tingkat-tingkat energi sangat

dekat (rapat) yang secara praktis membentuk spektrum kontinu.

Untuk memahami kerapatan energi tinjaulah sebuah bola dengan jari-jari

2

28

h

Ema (3.4)

Jumlah keadaan energi (E) dalam rentang energi antara 0 dan E untuk suatu oktan

(1/8 bola) adalah:

2/3

2/3

2

2/3

2

3

2

3

4

8

63

4

8

1)(

Eh

mV

h

mEVE

(3.5)

dengan V =a3 adalah volume kubus. Selanjutnya, dengan dEEdEg /)()(

diperoleh kerapatan tingkat energi

Page 57: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

52

2/12/3

2

22)( E

h

mVEg

. (3.6)

Kembali ke fungsi partisi dalam persamaan (3.1b), maka

2/3

2

/

0

2/1

2/3

21

2

22

h

TmkV

dEeEh

mVZ

B

TkE B

(3.7)

Inilah fungsi partisi satu molekul atom-tunggal dari gas ideal sebagai fungsi suhu

dan volume. Fungsi partisi di atas dapat dituliskan seperti

31

VZ (3.8)

dengan

2/12

2

Tmk

h

B (3.9)

disebut panjang gelombang termal dari suatu atom-tunggal. Ini adalah analogi dari

panjang gelombang de Broglie dari suatu partikel.

Energi rata-rata satu partikel dihitung berdasarkan persamaan (2.24b)

T

Z

ZTk

Z

Z

ZE

B

1

1

2

1

1

1

1

1ln

(3.10a)

Dengan Z1 dalam persamaan (3.7) akan diperoleh

TkE B2

3 (3.10b)

Page 58: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

53

Sekarang andaikan suatu sistem gas ideal mengandung N buah molekul

atom-tunggal yang identik dan tidak dapat dibedakan. Dari persamaan (2.32), (3.7)

dan (3.8) maka fungsi partisi N molekul-tunggal adalah

N

B

N

N

V

Nh

TmkV

N

ZN

Z

3

3

3

2/3

1

!

1)2(

!

1

!

1

(3.11)

Energi dalam dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (2.30),

T

ZTNk

Z

ZN

ZN

NZNZ

U

B

N

12

1

1

1

1

1ln

!lnlnln

Jadi, energi dalam adalah

TNkU B2

3 (3.12)

Dengan persamaan (3.10) jelas bahwa ENU .

Kapasitas kalor gas ideal adalah

B

V

V NkT

UC

2

3

(3.13)

Dari persamaan (2.31) energi bebas Helmholzt adalah

1ln

1lnln

3

1

N

VTNk

N

ZTNkZTkF

B

BNB

(3.14)

Dari energi bebas tersebut, entropi gas ideal adalah

Page 59: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

54

2

5ln

1ln

3

1

N

VNk

T

U

N

ZNk

T

FS

B

B

V

(3.15)

Persamaan entropi di atas disebut persamaan Sackur-Tetrode. Tampak bahwa

entropi itu tidak saja peka terhadap sifat tidak terbedakannya molekul-molekul, tapi

juga bergantung pada . Tekanan gas ideal adalah

V

TNk

N

V

VTNk

V

Fp B

B

T

1ln

3 (3.16)

Persamaan pV=NkBT dikenal sebagai persamaan keadaan gas ideal.

3.2 Gas Ideal dalam Ensembel Kanonik Besar

Misalkan partikel-partikel gas ideal selain bisa bertukar energi, bisa juga bertukar

partikel dengan reservoir diluarnya. Fungsi partisi besar dalam persamaan (2.47)

dapat dituliskan sebagai berikut

1

1

exp Ze

Zeeei

i

i

ii

n

n

n i

En

(3.17)

di mana iii nE dan

i

ieZ

1 . Dengan Z1 dalam persamaan (3.8) maka

fungsi partisi besar untuk gas ideal atom-tunggal adalah

3exp

Ve (3.18)

Potensial kanonik besar dari gas ideal atom-tunggal adalah

3ln

VeTkTk BB (3.19)

Page 60: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

55

Jumlah partikel dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (2.58):

N ,

2/3

2

/

3

3

2

ln

h

TmkeV

eV

VeTkTkN

BTk

BB

B

(3.20)

Berbeda dengan gas ideal dalam ensambel kanonik, maka dalam ensembel kanonik

besar jelas terlihat bahwa jumlah molekul dalam sistem gas idel bergantung pada

volume V, dan suhu T dari gas itu. Dengan persamaan (3.20) potensial kanonik besar

dalam persamaan (3.19) dapat dituliskan seperti

TNkTkeV

BB

3 (3.21)

Potensial kimiawi yang diturunkan dari persamaan (3.20) adalah

V

NTkB

3

ln

(3.22)

Entropi ditentukan dengan NVT

S,

. Dari dari persamaan (3.21)

entropi itu adalah

T

NTkNk

TS BB

V

,

(3.23a)

Dari persamaan (3.20) maka

TkNk

TkNkNkS

b

B

b

BB

2

5

2

3 (3.23b)

Substitusi persamaan (3.22) ke dalam persamaan (3.23b) akan menghasilkan

rumusan entropi

Page 61: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

56

2

5ln

3N

VNkS B (3.24)

yang sesungguhnya adalah persamaan Sackur-Tetrode dalam persamaan (3.15),

sebagai hasil penurunan dalam ensamble kanonik.

Dalam kaitannya dengan potensial kanonik besar, tekanan gas adalah

3

,

eTk

V

NTkTNk

VVp BBB

T

Karena VNe // 3 seperti dalam persamaan (3.20) maka persamaan tekanan

adalah

V

TNkp B (3.25)

Jadi, kedua persamaan (3.16) dan (3.25) memperlihatkan bahwa kedua jenis

ensembel menghasilkan persamaan gas ideal yang sama sebagaimana seharusnya.

Dari persamaan-persamaan (3.23), (3.25) dengan U=TS-pV+Nµ jelas bahwa

energi dalam adalah

nRTTNkU B2

3

2

3 (3.26)

Hal ini diperoleh juga dari persamaan (2.56) di mana

NU

ln (3.27)

3.3 Batasan Klassik Gas ideal

Terlihat dari persamaan (3.22) bahwa jika 3<V/N maka potensial kimiawi itu

negatif. Seperti telah dikemukakan, adalah panjang gelombang termal dari setiap

atom-tunggal dalam gas ideal, sementara V/N adalah volume rata-rata yang diisi oleh

setiap atom-tunggal tersebut. Jika panjang gelombang termal itu mendekati jarak

antar atom maka 3~V/N. Dalam kondisi seperti itu efek kuantum akan muncul dan

Page 62: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

57

sifat gas ideal akan hilang. Dengan perkataan lain, syarat untuk molekul-molekul

atom-tunggal dapat memenuhi gas ideal adalah

Gas ideal:

3/1

N

V (3.28)

Hal itu sesuai dengan yang telah dikemukakan pada awal bab ini, bahwa gas bersifat

ideal kalau molekul-molekulnya cukup berjauhan sehingga tidak terjadi interaksi,

atau energi potensialnya sama dengan nol. Artinya: 3/1

/ NV .

Syarat untuk gas ideal kuantum adalah

Kuantum:

3/1

N

V (3.29)

Tinjaulah suatu wadah tertutup bervolume 10 cm3 berisi gas dari 10

20 atom.

Massa satu atom 510-26

kg. Pada suhu 300K, panjang gelombang termal adalah

m1084,13001038,11052

10624,6

2

11

2326

342/1

2

Tmk

h

B

.

m1073,410

1010 9

3/1

20

63/1

N

V

Jadi 3/1

/ NV , sehingga gas masih bersifat ideal.

Jika wadah tersebut diisi dengan 1028

, maka

m1003,110

1010 11

3/1

28

63/1

N

V

sehingga 3/1

/ NV ; artinya gas bersifat kuantum.

Dalam table berikut ditampilkan beberapa jenis bahan beserta karakteristiknya.

Page 63: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

58

Bahan m(kg) T(K) (m) (V/N)1/3

Jenis Statistik

Udara 4,810-26

300 1,910-11

3,410-9

Klassik

N2 (likuid) 4,710-26

77 3,810-11

3,910-10

Klassik

4He (likuid) 6,610

-27 4.2 4.410

-10 3,710

-10 Kuantum

Elektron dalam Cu 9,110-31

300 4.310-9

2,310-10

Kuantum

3.4 Distribusi Energi dan Kecepatan Gas Ideal

Dari persamaan (2.15) dan (2.23), untuk sistem pertikel dalam ensembel kanonik

diperoleh distribusi Maxwell-Boltzmann:

TkE

iBie

Z

Nn

/

1

(3.30)

sebagai jumlah molekul di tingkat energi Ei. Untuk gas ideal, jumlah molekul

dengan energi

di antara E dan E+dE, adalah

dEEgeZ

Ndn

TkE B )(/

1

Dengan fungsi partisi satu partikel gas ideal dalam persamaan (3.7) maka diperoleh

TkE

B

BeETk

N

dE

dn /2/1

3)(

2

(3.31)

Ini merupakan rumus Maxwell untuk distribusi energi molekul dalam suatu gas

ideal. Untuk dua harga suhu, distribusi di atas digambarkan seperti Gambar 3.1.

Tampak lebih banyak molekul yang ada pada suhu lebih tinggi. Dengan perhitungan

yang baik, dapat diramalkan pengaruh dari tambahan molekul-molekul itu, dan

ramalan teoretis bisa dibandingkan dengan data eksperimen. Hasil eksperimen

sangat sesuai dengan rumusan dn/dE di atas; hal ini menunjukkan termanfaatkannya

statistik Maxwell-Boltzmann untuk gas.

Page 64: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

59

Gambar 3.1 Distribusi energi molekul gas ideal.

Berdasarkan rumusan Maxwell tentang distribusi energi molekul dalam gas

ideal, maka rumusan Maxwell tentang distribusi kecepatan molekul bersangkutan

(dn/dv) dapat diturunkan mengingat energi kinetik E=1/2mv2, sehinggai dengan

dv

dE

dE

dn

dv

dn

akan diperoleh

Tkmv

B

BevTk

mN

dv

dn 2/2

2/32

24

(3.32)

Gambaran dn/dv sebagai fungsi v diperlihatkan dalam Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Distribusi kecepatan molekul gas ideal.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

100K

300K

E

dE

dn

v

100K

800 K

dE

dn

Page 65: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

60

3.5 Gas Ideal Diatomik

Jika molekul-molekul gas ideal bukan atom-tunggal tapi poliatom, maka energi

internal molekul harus diperhitungkan. Energi internal itu berasal dari gerak rotasi

dan vibrasi. Oleh sebab itu, energi suatu molekul poliatom merupakan penjumlahan

dari energi-energi kinetik translasi, rotasi dan vibrasi:

.. vibrottrmolekul EEEE ( 3.33)

di mana TkE Btr2

3 adalah energy translasi satu molekul, dan TNkU Btr

2

3

adalah nenergi dalam dari translasi N molekul.

Untuk gas ideal dengan molekul diatomik, energi rotasi satu molekul secara

klassik adalah:

I

LErot

2

2

(3.34a)

di mana L adalah momentum rotasi dan I adalah momen inersia molekul. Karena

alasan eksperimen, maka energi rotasi di atas diungkapkan secara kuantum, yakni

IEErot

2

)1(2

(3.34b)

dimana L2 dinyatakan sebagai harga rata-rata: )1(22 L dan ℓ adalah bilangan

kuantum orbital.

Untuk menerapkan persamaan distribusi (3.30) harus diingat bahwa dengan

bilangan kuantum orbital ℓ ada 2ℓ+1 buah orientasi berbeda dengan energi yang

sama (berdegenerasi); ingat bilangan kuantum magnetik orbital, mℓ= - ℓ, ℓ+1,....,0,

...... ℓ-1, ℓ. Dengan demikian, maka probabilitas suatu molekul menempati tingkat

energi E adalah

rot

IkT

Z

ep

1

2/)1(2

)12(

(3.35)

di mana

Page 66: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

61

kT

IkTrot

re

eZ

/)1(

2/)1(

1

)12(

)12(2

(3.36)

dengan

B

rotIk2

2 (3.37)

rot disebut suhu karakteristik rotasi. Suhu karakteristik untuk berbagai molekul

diperlihat-kan dalam table di bawah ini. Terlihat suhu-suhu itu jauh di bawah suhu

kamar (300 K).

Suhu karakteristik rotasi berbagai molekul.

Zat rot (K)

Hidrogen

Karbon monoksida

Oksigen

Klorin

Bromin

Sodium (natrium)

Potassium (kalium)

85,5

2,77

2,09

0,347

0,117

0,224

0,081

Jika rot/T dipilih sangat kecil maka banyak keadaan rotasi yang diduduki

dan spasi tingkat-tingkat rotasi menjadi kecil dibandingkan dengan energi termal,

sehingga boleh dipandang kontinu. Selain itu 2ℓ>>1. Oleh sebab itu, fungsi partisi

dalam persamaan (3.36) boleh diungkapkan dalam bentuk integral sebagai berikut.

r

Trot TdeZ r

0

/

1

2

2 (3.38)

Untuk N molekul identik yang tidak dapat dibedakan, fungsi partisi itu

adalah

Page 67: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

62

Nrotrot

N ZN

Z 1!

1 (3.39)

Dengan itu maka energi dalam terkait rotasi dari gas ideal diatomik adalah

TNk

T

TNTk

T

ZTNk

ZU

B

r

BBN

rot

ln

lnln 212

(3.40)

Sekarang akan ditinjau vibrasi molekul diatomik. Secara kuantum, vibrasi

pada satu molekul diatomik dapat dipandang sebagai gerak harmonik sederhana

dengan energi vibrasi:

,....2,1,0;)( 21 vE (3.41)

Dengan demikian maka fungsi partisi satu molekul karena vibrasi adalah

TT

Tvib

vvib

v

ee

eZ

/2/

/)2/1(1

(3.42a)

di mana

B

vibk

(3.42b)

disebut suhu karakteristik vibrasi. Suhu karakteristik untuk berbagai molekul

diperlihatkan dalam tabel di bawah ini.

Suhu karakteristik vibrasi berbagai molekul.

Zat vib (K)

Hidrogen

Karbon monoksida

Oksigen

6140

3120

2260

Page 68: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

63

Secara umum tampak bahwa v cukup tinggi, sehingga jika dipilih v/T>>1

maka boleh dilakukan pendekatan:

T

T

vib

vib

ee

/

/

1

1 (3.43)

sehingga

T

Tvib

vib

vib

e

eZ

/

2/

11

(3.44)

Fungsi partisi untuk N molekul diatomik adalah

Nvibvibrasi

N ZN

Z 1!

1 (3.45)

Dengan itu maka energi vibrasi N molekul diatomik adalah

1

1

/

2

)(ln

/21

/

2

2

22

T

vBvB

T

vvB

vib

NBvib

v

v

e

NkNk

e

T

TTNk

T

ZTkU

(3.46)

Mengingat 21 atau vibBk 2

1 adalah energi vibrasi keadaan dasar suatu molekul,

maka vibBNk 21 adalah total energi vibrasi keadaan dasar dari gas. Penyebut di

dalam suku kedua persamaan (3.46) dapat diuraikan sebagai berikut

.........1.........11/

TTe vibvibTv

sehingga persamaan (3.46) menjadi

Klorin

Bromin

Sodium (natrium)

Potassium (kalium)

810

470

230

140

Page 69: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

64

TTNkNTkNkU v

BBvBvib2

121 (3.47)

Jadi, pada suhu yang relatif tinggi, 12/ Tv ,

TNkU Bvib (3.48)

Energi total adalah

vibrottr UUUU

Dengan Utr=3/2 NkBT, Urot seperti persamaan (3.40) dan Uvib seperti persamaan

(3.48) maka energi dalam gas diatom pada suhu relatif tinggi adalah:

nRTTNk

TNkTNkTNkU

B

BBB

27

27

23

(3.49)

Kapasitas panas pada volume tetap adalah

RT

U

nC

V

V2

71

(3.50)

Page 70: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

65

Soal-soal

1. Rumuskanlah kecepatan rata-rata (vave) dan kecepatan rms (vrms) dari molekul-

molekul gas ideal. Ingat, defenisi kecepatan rata-rata:

N

ave dnvN

v0

1

dan, defenisi kecepatan rms:

N

averms dnvN

vv0

22 1)(

2. Tentukanlah energi dan kecepatan paling mungkin dari molekul-molekul gas

pada suatu suhu tertentu; harga-harga ini berkaitan dengan harga maksimum

dn/dE dan dn/dv.

3. Dua kontainer yang dibatasi pemisah masing-masing bervolume V1 dan V2.

Kontainer-1 berisi N1 molekul dan kontainer-2 berisi N2 molekul, masing-masing

bersuhu T. Jika pemisah dicabut, kedua jenis gas akan bercampur dan menempati

volume V1+V2. Tunjukkan bahwa (a) suhu gas tetap sama denga semula; (b)

perubahan entropi S=kBN1(1+V2/V1)+ kBN2(1+V1/V2) dan itu positip.

4. Suatu sistem mengandung partikel-partikel yang bisa menduduki dua keadaan

dengan energi masing-masing - dan sebagai tambahan terhadap energi kinetik

partikel-partikel. Tentukanlah entropi dari sistem. Plot entropi itu sebagai fungsi

suhu absolut.

5. Suatu sistem mengandung N molekul memiliki dua keadaan dengan energi

masing-masing - dan . Partikel-partikel tidak memiliki energi kinetik. Misalkan

energi totalnya U, tunjukkan bahwa suhu absolutnya adalah:

Page 71: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

66

/

/ln

2

1

UN

UNk

T

B

Buktikan bahwa suhu itu positif jika U negatif; keadaan ini berlaku bagi

sekumpulan elektron (spin ½) bila ditempatkan dalam medan magnet dan hanya

interaksi spin-magnet saja yang ditinjau. Mula-mula tunjukkan:

)/(ln)/()/(ln)/(2lnln 21

21

21

21 εUNεUNεUNεUNNP

kemudian plot ln P sebagai fungsi U. Ingat harga -N<U< N.

6. Rapat energi E dari radiasi benda hitam adalah suatu fungsi suhu saja. Tekanan

yang disebabkan oleh radiasi isotropik pada permukaan penyerap sempurna

adalah ½ E . Dengan bantuan dU=TdS – pdV, tunjukkan bahwa E sebanding

dengan T4; ini disebut hukum Stefan-Boltzmann. Ingatlah: U= EV.

7. Dengan menggunakan gas ril: 22 /)(/ VaRTbnVnRTp hitunglah kerja

oleh gas bilamana gas itu mengembang dari volume V1 ke volume V2.

Bandingkan dengan kerja oleh gas ideal.

8. Menurut van der Waals, persamaan gas ril adalah:

nRTnbVVanp ))(/( 22

.

Tuliskanlah persamaan dalam bentuk virial dan bandingkan dengan

22 /)(/ VaRTbnVnRTp .

9. Suhu Boyle suatu gas ril adalah suhu di mana koefisien virial kedua sama

dengan nol. Tunjukkan bahwa suhu Boyle sama dengan a/Rb.

10. Koefisien ekspansi kubik suatu zat pada tekanan tetap adalah pT

V

V

1 dan

modulus bulk pada suhu tetap adalah: T

p

V

V

1 .

Page 72: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

67

Tentukanlah kedua parameter itu untuk (a0 gas ideal, dan (b) gas ril-nya van der

Waals.

11. Menurut Dieterici, persamaan keadaan gas ril secara empirik adalah:

nRTenbVpTVkNa B

/)( .

Tuliskanlah persamaan dalam bentuk virial dan bandingkan dengan

22 /)(/ VaRTbnVnRTp .

12. (a) Hitunglah persentase molekul-molekul gas diatom pada keadaan dasar rotasi

(ℓ=0) dan keadaan tereksitasi rotasi pertama (ℓ=1) jika T=r dan T=2r.

(b) Bandingkanlah jumlah molekul hidrogen/mole pada keadaan tereksitasi

rotasi (ℓ=2) dengan jumlah molekul klorin/mole untuk keadaan tereksitasi yang

sama jika suhu 300K.

(c) Bandingkanlah jumlah molekul hidrogen/mole pada keadaan tereksitasi

vibrasi (v=2) dengan jumlah molekul klorin/mole untuk keadaan tereksitasi yang

sama jika suhu 300K.

13. Tunjukkan bahwa kapasitas kalor vibrasi suatu gas pada volume tetap adalah

2/

/2

,

1

Tk

Tk

B

vibVB

B

e

e

TkRC

Hitunglah kapasitas tersebut untuk T<<v dan T>>v.

14. Tunjukkan bahwa entropi suatu gas diatom karena rotasi molekul adalah:

)]/ln(1[ rBrot TNkS

dan, karena vibrasi molekul:

)]1ln()1)(/[(// TT

vBvibvv eeTNkS

Page 73: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

68

Tunjukkan bahwa untuk suhu rendah Svib menuju nol, dan pada suhu tinggi Svib

menuju )]/ln(1[ vB TNk .

Ingat: !

lnN

Zk

T

US

N

B ; Urot=kB NT=nRT.

TnRTNTkNkU v

BvBvib2

121

Page 74: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

69

GAS NON-IDEAL

Dalam bab-bab sebelumnya dibicaran sistem partikel yang tidak berinteraksi satu

sama lain. Dalam bab ini akan dibahas gas tak-sempurna melalui interaksi dengan

potensial antar-atom yang sentral. Persamaan keadaan akan diungkapkan dengan

menggunakan statistik Maxwell-Boltzmann.

4.1 Sistem Partikel Berinteraksi

Tinjaulah suatu sistem dari N partikel masing-masing bermomentum ip

dan

posisi ir

. Partikel-partikel itu berinteraksi satu sama lain melalui potensial )(r ,

yang dalam hal ini diandaikan bergantung hanya pada jarak separasi partikel-

partikel. Salah satu contoh dari potensial antara dua partikel adalah potensial

Lennard-Jones

6

0

12

04)(r

r

r

rr (4.1)

Potensial ini terdiri dari potensial jangkauan dekat yang repulsif (1/r12

) dan

jangkauan panjang dari van der Waals yang atraktif (1/r6). Potensial di atas

diperlihatkan dalam Gambar 4.1

Gambar 4.1 Potensial Lennard-Jones.

Hamiltonian sistem adalah

m

pE

rEH

ii

i ij

ij

i

i

2

)(

2

(4.2)

r

r0

(r)

4

Page 75: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

70

Dengan Hamiltonian tersebut fungsi partisi besar adalah

n

n

nZe (4.3a)

di mana

i ij

rEE

nijjie

nZ

)()(

!

1 (4.3b)

Jika diuraikan dengan n=0,1,2,......, maka fungsi partisi di atas adalah

i

r

ij

EE

i

E ijjii eeeeee .......2

11

)(

)(

2 (4.3c)

Potensial besar adalah =-kBT ln . Ingat bahwa jika <<1 maka ln(1+) -1/22.

Jadi, jika eβµ

<<1 maka potensial besar menjadi

.....1

2

1 )(2

i

r

j

EE

i

EB

ijjii eeeeeeTk

(4.4)

Seperti dalam Bab 3, ungkapan kontinu dari

i

Eie

adalah

3)(

VdEEge E ,

dengan V adalah volume sistem dan

2/12

2

Tmk

h

B

adalah panjang gelombang termal partikel. Potensial besar adalah

........12

11

)(

33

ijr

B edvee

TVk

g(4.5)

Sekarang misalkan

)(1

2

1)( ijr

edvTB

(4.6)

maka

Page 76: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

71

........)(1

33TB

eVeTkB

(4.7)

Dari potensial besar, dengan /N diperoleh

........)(21

33TB

eVeN

(4.8)

dan tekanan Vp /

)(21

)(1

........)(133

TBV

N

TBV

N

V

TNkTB

eeTkp B

B

(4.9a)

atau

.....)(1 TB

V

N

V

TNkp B (4.9b)

Dalam persamaan (4.9a) telah digunakan persamaan (4.8), dan pendekatan dapat

dilakukan karena NB(T)/V<<1.

Energi total partikel diturunkan sebagai berikut,

....)(2

3

ln

2

TBTkV

NTNk

U

BB

(4.10)

Dalam suatu sistem partikel identik yang rapat, partikel-partikel berinteraksi

melalui potensial pasangan (r). Fungsi partisi kanonik sistem merupakan produk

dari fungsi partisi yang berasal energi kinetik dan fungsi partisi yang berasal energi

potensial:

ZZZ K (4.11a)

Fungsi partisi yang berasal energi kinetik adalah

Page 77: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

72

NN

EN

K

V

NdEeEg

NZ

NZ

31!

1)(

!

1

!

1

(4.11b)

dan fungsi partisi yang berasal dari energi potensial adalah

N

r

dvdvdveZ ji

ij

........21

)(

(4.11c)

Probabilitas menemukan suatu partikel di r1

N

r

dvdvdveZ

NrP ji

ij

......)( 32

)(

1

(4.12)

dan probabilitas menemukan suatu partikel di r1 dan yang lain di r2 secara serentak

adalah

.......)1(

),( 43

)(

21 N

r

dvddveZ

NNrrP ji

ij

(4.13)

Persamaan di atas disebut fungsi distribusi dua partikel atau fungsi korelasi

pasangan. Untuk likuid atau gas di mana tidak ada perusakan simetri seperti dalam

kisi kristalin, P(r1,r2) hanya bergantung pada jarak r12 21 rr

. Untuk itu

didefenisikan fungsi distribusi radial

),()( 212

2

12 rrPN

Vrg (4.14)

Energi dalam ditentukan sebagai berikut;

ZTNk

ZZZU

B

K

ln

2

3

lnlnln

(4.15)

Dari persamaan (4.11c)

N

r

ijij

N

r

dvdvdverZ

dvdvdveZ

Z

ij

ij

ij

ij

........)(1

........1ln

21

)(

21

)(

Page 78: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

73

Tetapi dengan pendekatan

)()1(2

1)( 12rNNr

ijij

maka

N

r

ij dvdvdverZ

NNZij

ij

........)(2

)1(ln21

)(

Dengan persamaan (4.13) selanjutnya diperoleh

212112 ),()(

2

1lndvdvrrPr

Z

dan dengan persamaan (4.14)

2112122

2

)()(2

lndvdvrgr

V

NZ

Tetapi

drrrgrVdvdvrgr 2

211212 4)()()()(

sehingga

drrrgr

V

NZ2

2

4)()(2

ln

Jadi, energi dalam pada persamaan (4.15) adalah

0

22

4)()(22

3drrrgr

V

NTNkU B (4.16)

Tekanan V

Fp

; energi bebas )ln(lnln ZZTkZTkF KBB sehingga

V

Z

V

ZTkp K

B

lnln

Dapat diturunkan bahwa

V

N

V

Z K

ln

Page 79: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

74

0

2

2

2

4)()(

6

lndrrrg

dr

rdr

V

N

V

Z

sehingga

0

2

2

2

4)()(

6drrrg

dr

rdr

V

N

V

TNkp B

(4.17)

4.2 Ekspansi Virial

Fungsi distribusi radial dapat dinyatakan sebagai berikut.

.....)()()()( 2210 nrgnrgrgrg (4.18)

Seiring dengan itu maka persamaan (4.17) dapat pula dituliskan seperti

.....)()( 33

22 nTBnTBn

Tk

p

B

(4.19)

denganV

Nn . Untuk menghitung B2(T) diperlukan fungsi distribusi radial yang

sesuai. Untuk itu persamaan (4.13) dituliskan sebagai berikut.

.

......

......'

)1(),(

21

)(

43

)(

)(21

12

N

r

N

r

r

dvddve

dvddveeNNrrP

ji

ij

ji

ij

(4.20)

di mana tanda 'dalam pembilang menyatakan )( 12r

e

telah dikeluarkan. Jika

kerapatan partikel sangat rendah seperti dalam gas, jarak partikel-partikel cukup

jauh, demikian juga terhadap partikel 1 dan 2, sehingga seluruh (rij)0 di dalam

integral. Demikian juga (rij) dalam pembilang. Jadi, integral dalam pembilang sama

dengan VN-2

dan dalam penyebut VN . Dengan demikian maka untuk gas, berlaku

)(

22112

)1(),(

re

V

NNrrP

(4.21)

Page 80: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

75

Tampak bahwa untuk N>>1, berdasarkan persamaan (4.14) dan (4.21) diperoleh

)(0 )( rerg (4.22)

Jika g0 disubstitusikan ke persamaan (4.17) diperoleh

0

3)(2

4)(

6drre

dr

rd

Tk

nn

Tk

p r

BB

Dengan integral parsil, penyelesaian persamaan di atas adalah

0

2)(

0

)(32

1246

drreern

nTk

p rr

B

Karena suku pertama di dalam kurung sama dengan , maka persamaan itu tidak

salah kalau dituliskan sebagai berikut

0

2)(2

0

2)(

0

22

)1(2

12126

drrenn

drredrrn

nTk

p

r

r

B

(4.23)

Berdasarkan persamaan (4.19), maka diperoleh

0

2)(

2 )1(2)( drreTB r (4.24)

Gambar 4.2 adalah hasil komputasi yang memperlihatkan B2(T) dengan

menggunakan potensial Lennard-Jones. Ternyata gas seperti Ar, N2, Ne dan CH4

memenuhi kurva tersebut sedangkan He bergeser sedikit ke kiri pada kBT/ <10.

Hal itu diperkirakan sebagai effek kuantum.

Page 81: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

76

Gambar 4.2 Hasil komputasi B2(T) dengan potensial Lennard-Jones.

Pada kurva di mana B2=0 berlaku hukum Boyle p/kBT=n. Artinya tidak ada

potensial antar molekul. Pada suhu di mana kBT/ >10 harga B2>0 dan konstan.

Artinya, B2 didominasi oleh potensial repulsif (1/r12

). Pada suhu rendah di mana

harga B2<0, B2 didominasi oleh potensial atraktif (1/r6) dan sepertinya sebanding

dengan 1/T.

Energi potensial rata-rata sistem N partikel dengan menghitung interaksi

pasangan-pasangan dapat ditentukan sebagai berikut. Energi potenial rata-rata satu

partikel adalah

dvrV

)(1

Jumlah pasangan berinteraksi adalah 2/2N , sehingga energi potenial rata-rata N

partikel adalah

22

2

1)(

2

1

)(

NdvrV

N

rUji

ijpasangan

(4.29)

Jika 1)( r , maka persamaan (4.24) dapat didekati sebagai berikut

V

dvrdrreTB r

2

1

)(2

1)1(2)(

0

2)(

2

Untuk kondisi ini, maka energi potensial rata-rata N partikel dalam persamaan (4.29)

menjadi

)(2

2

TTBkV

NU Bpasangan (4.30)

1

0

-1

-2

3

0

2

r

B

2 5 10 20 50 kBT/

Page 82: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

77

Jika dinyatakan VUu / sebagai energi potensial rata-rata pasangan dan VNn /

sebagai kerapatan partikel maka 2nu . Persamaan (4.30) di atas merupakan

pendekatan yang agak kasar terhadap suku kedua dalam persamaan (4.16).

4.3 Persamaan Keadaan van der Waals

Potensial antar molekul dapat dinyatakan sebagai perjumlahan komponen jangkauan

dekat yang repulsif, )(rr , dan jangkauan jauh yang atraktif, )(ra , seperti

)()()( rrr ar (4.31)

Fungsi partisi kanonik N molekul adalah

N

rrN

dvdvdveN

Z ijijaijr

.....1

!

121

)]()([

3

(4.32)

Karena setiap molekul merasakan potensial jangkauan jauh yang attraktif dari

molekul-molekul lain maka

V

aNdvr

V

NN

rr

a

ij i

ija

ij

ija

2

)(1

2

)1(

)(2

1)(

(4.33)

di mana

dvra a )(2

1 (4.34)

Di fihak lain, pengaruh potensial jangkauan dekat yang repulsif adalah

mengecualikan molekul-molekul lain dari volume di sekitar suatu molekul, sehingga

NN

r

NbVdvdvdve ijijr

)(.....21

)(

(4.35)

Page 83: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

78

Jadi, fungsi partisi dalam persamaan (4.32) menjadi lebih sederhana seperti

VaNN

eNbV

NZ /

3

2

!

1

(4.36)

Sekarang bisa ditentukan energy bebas Helmholtz: ZTkF B ln ,

V

aN

N

NbVTNkTNkF BB

2

3

)(ln

(4.37)

Tekanan adalah TV

Fp

, sehingga

2

2

V

aN

NbV

TNkp B

(4.38a)

atau

2v

a

bv

Tkp B

(4.38b)

di mana v=V/N. Persamaan di atas adalah persamaan keadaan gas van der Waals.

Karena b/v<<1 maka persamaan di atas dapat didekati menjadi

22

)1( nTk

abn

Tk

annbn

Tk

p

BBB

(4.39)

dengan n=N/V. Dibandingkan dengan persamaan (4.19) maka koefisien virial kedua

dari persamaan van der Waals adalah

Tk

abTB

B

)(2 (4.40)

Hukum Boyle p/kBT=n dipenuhi jika B2=0, atau

Page 84: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

79

b

aTkB (4.41)

Berdasarkan energi bebas dalam persamaan (4.37), entropi T

FS

,

3

3

)(ln

2

5

)ln(ln2

51ln

N

NbVNkNk

NbVNkNNkNkNkS

BB

BBBB

(4.42)

Energi dalam adalah /ln ZU . Dari persamaan (4.36) diperoleh

V

aNTNk

V

aN

h

m

h

m

h

mNU

B

2

2

22

2/1

22/3

2

2

3

22

2

1

2

3

(4.43)

Gambar 4.3 memperlihatkan kurva-kurva isothermal dari gas vander Waals

yang diperoleh dari persamaan (4.38b). Terlihat kurva-kurva itu memiliki bentuk

yang berbeda, bergantung pada suhunya. Yang paling atas adalah kurva isothermal

dengan suhu tinggi. Jelas bahwa pada suhu tinggi suku -a/v2 di abaikan. Harga v

tidak bisa lebih kecil dari b. Kurva itu merupakan fungsi yang monoton menurun

sama halnya gas ideal. Bilamana suhu diturunkan cukup jauh, terlihat dalam

persamaan (4.38) suku kedua berkompetisi dengan suku pertama. Pada suhu tersebut

kurva isothermal terlihat berosilasi. Pada suhu sedang, osilasi itu jadi mendatar; ini

terjadi karena bagian maksimum dan bagian minimum bertemu membentuk titik

belok. Di sana berlaku dp/dv=d2p/dv

2=0. Suhu di mana itu terpenuhi disebut suhu

kritis TC. pada suhu itu dipenuhi hubungan

b

aTk CB

27

8 (4.44)

Pada suhu T<TC terlihat adanya tiga harga v untuk suatu tekanan p. Itu menandakan

bahwa di sana terjadi pencampuran fasa gas dan fasa likuid.

Page 85: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

80

Gambar 4.3 Beberapa kurva isotermal van der Waals dalam diagram p-v di mana

v=V/N.

4.4 Campuran dan pemisahan fasa

Transisi fasa adalah perubahan sifat-sifat fisis suatu sistem ketika variabel

termodinamika seperti suhu atau tekanan berubah sedikit. Sebagai contoh, zat murni

memiliki tiga fasa yakni gas, cair dan padat. Dalam keadaan campuran dua jenis zat,

entropi adalah

)1ln()1(lnln 1111 ccccNkccNkS B

i

iiBcamp (4.45)

di mana konsentrasi adalah ci=Ni/N dan c1+c2=1. Harga maksimum entropi

campuran tercapai jika c1=c2=1/2. Jika partikel-partikel sistem itu berinteraksi, maka

energi rata-rata dalam suku-suku ekspansi virial dapat ditentukan. Seperti telah

dikemukakan dalam persamaan (4.30), kontribusi koefisien virial B2 ke harga rata

energi potensial campuran adalah

)(

)(2

)(

)22(2

22

22

)12(2

2112

)11(2

21

11

TTBkV

NU

TTBkV

NNU

TTBkV

NU

B

B

B

(4.46)

T=TC

T<TC

p

b v

T>TC

Page 86: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

81

di mana indeks atas pada B2 menyatakan interaksi dalam zat yang sama atau antara

kedua zat.

Misalkan v0=V/N , dan

)()(2

0

TBv

Tk ijBij (4.47)

maka jumlah energi potensial interaksi partikel-partikel campuran kedua zat adalah

21122222

2111

122211(camp)intr

2 ccccN

UUUU

atau

)1(2)1( 11122

1222111

(camp)intr ccccNU (4.48)

Jika kedua zat tidak tercampur maka 012 U dan

Karena N

V

N

V

N

Vv

2

2

1

10 maka energi potensial interaksi dua zat yang tak

tercampur adalah

)1( 222111

2211camp)(tak

intr

ccN

UUU

(4.49)

Selisih persamaan (4.48)dan (4.49) adalah energi pencampuran

)1(

)1()(2

11

112211112

camp)(tak

intr

(camp)

intrcamp

ccTNk

cccN

UUU

B

(4.50)

di mana

)22(2

2

22

22)11(

2

1

21

11 ; TBkV

NUTBk

V

NU BB

Page 87: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

82

)(21

2211112 cTkB

(4.51)

Berdasarkan energi bebas Helmholtz, F=U-TS, energi bebas zat-1 dalam campuran

dapat dihitung dengan persamaan (4.45) dan (4.50), dan hasilnya

)1()1ln()1(lncamp ccccccTNkF B (4.52)

di mana c=c1.

Tekanan Osmosis

Tekanan osmosis zat-1 diungkapkan sebagai berikut.

Nv

F

V

Fp

0

campcamp

1

Karena c=c1=N1/N maka cNcN /)/(/ , sehingga dengan persamaan (4.52)

diperoleh

211

0

1 )1ln( ccv

Tkp B (4.53)

Pada konsentrasi rendah, c1<<1, ln[1/(1-c)]c+c2/2 maka p1 dapat didekati seperti

2

0

1 )21(2

1cc

v

Tkp B (4.54a)

Karena v0=V/N, c=N1/N atau c/v0=N1/V=n1 maka persamaan (4.54a) menjadi

211

1 )21(2

1nn

Tk

p

B

(4.54b)

Persamaan (4.54b) di atas mirip dengan persamaan (4.19):

Page 88: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

83

.....)()( 33

22 nTBnTBn

Tk

p

B

Jadi, suku pertama dalam persamaan (4.54b) adalah persamaan gas ideal untuk zat-

1: p1V=N1kBT. Suku kedua adalah koefisien virial kedua sebagai koreksi terhadap

gas ideal. Jadi, (1-2)/2 adalah harga efektif koefisien virial kedua dari zat-1 di

dalam campuran. Jika koefisien itu positif, atau 2/1/)(2 2211112 Tkc B ,

itu diartikan sebagai kontribusi potensial repulsif yang meningkatkan tekanan. Jika

=0, seperti dalam Gambar 4.4, campuran memiliki entropi maksimum dengan

c1=c2=1/2. Koefisien <1/2 diartikan sebagai kontribusi potensial attraktif.

Gambar 4.4 Energi bebas campuran Fcamp sebagai fungsi konsentrasi zat-1, untuk

berbagai harga parameter χ.

Gambar 4.4 memperlihatkan energi bebas Fcamp dalam persamaan (4.52)

sebagai fungsi konsentrasi zat-1. Harga minimum dari Fcamp dicapai ketika

terpenuhi

01

ln)21(

c

cc

c

Fcamp (4.55)

atau

c

c

cb

1ln

21

1 (4.56)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

c=N1/N

TNk

F

B

camp

=3.125

=2.90

=2.77

=2.60

=2.31

=2

=1

=0

=-0.5

Page 89: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

84

Artinya, Fcamp mencapai harga minimum pada konsentrasi c=1/2 untuk b2

termasuk b negatif. Untuk b>2 ada tiga harga c, satu di antaranya c=1/2 memberi

Fcamp harga yang maksimum dan dua lainnya minimum. Itu berarti, untuk b>2

peningkatan konsentrasi ke harga Fcamp yang sama harus melalui penghalang energi

(energy barrier). Garis yang menggambarkan b(c) seperti persamaan (4.56) dimana

Fcamp berharga minimum disebut garis binodal; lihat Gambar 4.5.

Pada suatu harga konsentrasi c, stabilitas terhadap suatu fluktuasi kecil

diperlihatkan oleh tanda dari turunan kedua dari Fcamp, yakni

2)1(

12

2

ccc

Fcamp (4.57)

Gambar 4.5 Garis binodal (persamaan (4.46)) dan garis spinodal (persamaan (4.58))

dari (c).

Jika 0/ 22 cFcamp maka campuran tidak stabil dan jika 0/ 22 cFcamp

campuran stabil. Jadi, garis yang diperoleh dari hubungan

)1(2

1

ccsp

(4.58)

di mana 0/ 22 cFcamp merupakan batas antara keadaan stabil dan tak stabil; itu

χ

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

spinodal

binodal tidak stabil

metastabil

TK

stabil

c

Page 90: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

85

disebut garis spinodal. Garis itu diperlihatkan dalam Gambar 4.5. Jadi, garis

spinodal yang diperoleh dari )]1(2/[1 ccsp di mana 0/ 22 cFcamp

merupakan batas stabilitas. Untuk semua harga c, area di bawah garis binodal adalah

stabil, sedangkan area di atas garis spinodal adalah tidak stabil. Dalam campuran

yang tidak stabil zat-zat cepat akan terpisah.

Daerah di antara garis binodal dan spinodal adalah daerah metastabil; di sana

salah satu fasa, tercampur atau terpisah, memiliki energi bebas lebih tinggi. Jika

harga di tingkatkan misalnya mulai dari 2 hingga 3,5 pada konsentrasi tetap

misalnya c=0,2 maka terjadi peralihan dari keadaan stabil ke metastabil di =2.31,

lalu peralihan metastabil ke tidak stabil di =3.125; lihat Gambar 4.5.

Titik TK adalah titik di mana daerah metastabil menghilang karena kedua

garis berimpit. Titik itu disebut titik kritis. Di titik itu berlaku )]1(2/[1 ccsp

sehingga

0)1(2

1222

cc

c

c

sp (4.59)

Dari persamaan ini diperoleh titik TK dengan cTK=1/2 dan χTK=2. Harga efektif

koefisien virial kedua dari zat-1 di titik itu adalah (1-2)/2 =-3/2. Berdasarkan

persamaan (4.47) maka tekanan osmosis p1 di titik kritis lebih rendah dari pada

tekanan gas ideal.

Gambar 4.6 Diagram fasa T(c) dari campuran yang memperlihatkan garis binodal

dan garis spinodal.

T

c

spinodal

binodal A

A’

TK

Page 91: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

86

Sebenarnya, jauh lebih fisis jika garis binodal dan garis spinodal

digambarkan dalam T(c). Untuk itu, sesuai dengan persamaan (4.51) di mana suhu

T~1/ maka Gambar 4.5 dapat diganti dengan dengan Gambar 4.6 yang biasa

disebut diagram fasa. Misalkanlah campuran disiapkan dengan konsentrasi cA pada

suhu TA. Melalui proses pendinginan, campuran itu bisa terpisah pada suhu TA’. Pada

suhu itu kedua zat terpisah, yang satu kaya dengan zat-1, dan yang kedua kaya

dengan zat-2.

4.5 Transisi Fasa Order Pertama

Misalkanlah cA adalah konsentrasi zat-1 dari suatu campuran setimbang dan

Fcamp(cA) adalah energi bebas campuran tersebut. Andaikan konsentrasi bergeser

sedikit menjadi Acc , maka perubahan energi bebas adalah

)()()( Acampcampcamp cFcFF . Dengan menggunakan persamaan (4.52) dan

melakukan pendekatan untuk sangat kecil, diperoleh

.....)1(12

331

)1(6

21

)1(2

)1(21)( 4

33

23

22

2

AA

AA

AA

A

AA

AA

B

camp

cc

cc

cc

c

cc

cc

TNk

F (4.60)

Persamaan ini dapat disederhanakan menjadi

.....)()( 432 cbTTaF spcamp (4. 61)

dengan

sp

B

T

Nka (4.62a)

)21(3

2 2AspB cTNkb (4.62b)

)331(3

2 23AAspB ccTNkc (4. 62c)

Dalam persamaan-persamaan (4.62) di atas

Page 92: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

87

)1(2

1

AA

spcc

(4. 62d)

merupakan harga χsp untuk konsentrasi cA, seperti telah dikemukakan dalam

persamaan (4.56). Berdasarkan persamaan (4.56) untuk garis binodal dan persamaan

(4.51) untuk garis spinodal, seperti terlihat dalam Gambar 4.5, pada konsentrasi

cA=0.2 diperoleh b=2,31 pada garis binodal dan sp=3,125 pada garis spinodal.

Untuk cA=0.2 itu, daerah ≤2,31 adalah stabil, daerah 2,31<<3,125 adalah

metastabil dan daerah 3,125 tidak stabil.

Gambar 4.7 memperlihatkan kurva-kurva )(campF untuk berbagai harga

2,31≤ ≤3,20; lihat Gambar 4.5. Mulai dari =2,76 terlihat munculnya harga

minimum min . Harga-harga itu berkaitan dengan pemotongan garis binodal. Pada

=2,76 perubahan energi itu minimum pada min =0,175. Tetapi, di sana ada energi

penghalang yang memisahkan keadaan baru dengan kenaikan konsentrasi dari cA ke

c. Penghalang itu malah bertahan ketika keadaan yang kaya zat-1 itu mempunyai

kecenderungan energi bebas yang signifikan untuk mencegah pemisahan. Hanya

pada suatu harga yang besar akhirnya penghalang itu menghilang dan keadaan

dengan min =0 (c=cA) menjadi tidak stabil secara absolute; ini berkaitan dengan

pemotongan garis spinodal. Pada yang besar (suhu rendah) campuran segera

terpisah menjadi keadaan yang kaya zat-1. Ketika itu terjadi, konsentrasi berubah

diskontinu, dengan suatu lompatan dari 0 ke min . Penjelasan ini

merupakan hakikat dari transisi fasa order pertama.

Pada titik minimum min dipenuhi

0432)( 2

cbTTa

Fsp

camp ( 4.63)

00 dan dari 0432 2 cbTTa sp didapat

spTTacbcc

b 2163

8

1

8

3 2 .

Page 93: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

88

Gambar 4.7 (a) Perubahan energi bebas sebagai fungsi Acc dengan cA=0.2

untuk berbagai harga ; (b) Perubahan energi bebas pada min sebagai fungsi .

Jelas, solusi-solusi min adalah garis binodal. Solusi-solusi itu ada jika terpenuhi

spTTacb 329 2

sehingga untuk garis binodal berlaku

ac

bTT spb

32

9 2

(4.64)

00 adalah keadaan tercampur (biasa disebut disordered state); keadaan itu stabil

jika garis spinodal dilalui, yakni pada suhu T=Tsp. Secara termodinamik, transisi

(b)

3,125 2,76 2,6

spinodal binodal

)( mincampF

T

(a)

=2,31 2,6 2,76 2.9 3.0

min

3.125

3.2

)(campF

(a)

Page 94: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

89

terjadi di suhu T=Tsp dimana energi bebas dari keadaan terpisah (disebut ordered

state) menjadi lebih rendah atau 0F .

Selanjutnya tinjau konsentrasi cA=0,5. Jika campuran didinginkan, artinya

parameter ditingkatkan maka titik kritis TK akan dilalui. Persamaan (4.60)

menjadi sederhana seperti

42

3

4)2(

)(

TNk

F

B

camp (4.65)

Dengan 0/ campF diperoleh

)2(8

3min ( 4.66)

Selain transisi fasa antara keadaan campuran homogen dua zat dan keadaan

terpisah, ada berbagai contoh transisi fasa lain seperti kondensasi Bose-Einstein,

feromagnet-paramagnet dalam material magnet, dan superkonduktor dalam logam.

Dalam hal transisi, fasa dibedakan dengan suatu parameter order; transisi fasa

ditandai dengan perubahan mendadak dari suatu besaran makroskopik.

Dalam campuran dua zat, energi bebas pada kesetimbangan fasa mempunyai

diskontinuitas pada turunan pertama. Hubungan termodinamik antara energi bebas

Gibbs dan entropi adalah

ST

G

p

Artinya, pada transisi fasa entropi itu diskontinu sehingga didefenisikan kalor laten

sebagai perkalian antara perubahan entropi dan suhu di saat transisi fasa,

STL (4.67)

Menurut klassifikasi Ehrenfest, transisi fasa ditandai dengan turunan energi bebas

paling rendah yang diskontinu pada saat transisi. Dengan klassifikasi itu maka

transisi disebut transisi order pertama seperti dalam Gambar 4.7.

4.7 Transisi Fasa Order Kedua

Transisi order kedua merupakan diskontinuitas pada turunan kedua dari energi

bebas, misalnya pemisahan fasa cair-uap pada titik kritis. Transisi fasa oder kedua

tersebut dikarakterisasi dengan

Page 95: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

90

0)/( pTG

dan

0)/( 22 pTG

pada suhu kritis Tc. Untuk itu dalam Gambar 4.8 diperlihatkan potensial Gibbs G0(T)

pada tekanan konstan untuk T>Tc yang secara kontinu berubah menjadi G(T) untuk

T<Tc.

ST

G

p

Gambar 4.8 Transisi fasa order kedua dalam diagram G-T; lingkaran besar

menyatakan kelengkungan dari G0(T) dan lingkaran kecil menyatakan kelengkungan

dari G(T).

Ketika suhu diturunkan, berlaku

G0(Tc)= G(Tc) di saat T=Tc.

Pada T< Tc berlaku hubungan

)()()( TGTGTG c

Dengan penguraian Taylor di sekitar T=Tc diperoleh

...........)(2

1)()()( 2

2

2

c

TT

c TTT

GTGTGTG

c

(4.68)

Tc T

G

G

G0

Page 96: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

91

Dalam hal ini,

0

S

T

G

sehingga suku order-1 dalam persamaan (4.68) tidak muncul. Lebih jauh, koefisien

c

c

TTp

TT

CT

G

2

2

(4.69)

merupakan perubahan kapasitas panas Cp yang diskontinu pada suhu Tc. Dalam

persamaan (4.68) diasumsikan bahwa suku order-kedua tidak sama dengan nol,

sedangkan suku-suku lebih tinggi hanya merupakan konsekuensi matematik saja.

Transisi fasa order-kedua biasa disebut sebagai fenomena order-disorder di

mana energi bebas Gibbs G dinyatakan sebagai fungsi dari variabel yang dikenal

sebagai parameter order. Menurut Landau, masalah termodinamika dari transisi fasa

dapat dirumuskan dalam sistem-sistem biner di mana energi bebas G() adalah

invariant terhadap inversi parameter order -,

)()( GG (4.70)

Menurut Landau, energi bebas Gibbs dapat dirumuskan seperti

....6

1

4

1

2

1)( 642

0 CBAGG (4.71)

di mana )()0(0 cTGGG . Koefisien-koefisien A, B, ….adalah fungsi-fungsi yang

bergantung secara mulus pada suhu. Persamaan (4.71) itu jelas merupakan ekspansi

dari G() dengan pangkat genap, sehingga memenuhi persamaan (4.70).

Pada suhu yang dekat dengan Tc harga sangat kecil sehingga persamaan

(4.71) bisa dipangkas menjadi

420

4

1

2

1)( BAGG (4.72)

Page 97: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

92

Dengan itu maka harga parameter order pada kesetimbangan suhu bisa ditentukan

sebagai berikut,

0)( 23

BABA

G

Jelas ada dua harga , yakni

0 (4.73a)

dan

2/1

B

A (4.73b)

Terlihat bahwa,

1. Jika A>0 dan B>0, maka persamaan (4.73b) menjadi imajiner sehingga

persamaan (4.73a) adalah satu-satunya solusi. Jadi, solusi 0 merupakan

keadaan disorder pada suhu T>Tc.

2. Jika A<0 dan B>0 maka selain 0 diperoleh dua harga yang lain dari

persamaan (4.73b). Ini merupakan fasa order pada suhu T<Tc. Dalam hal ini,

transisi fasa ditandai oleh perubahan tanda dari koefisien A. Menurut Landau

dapat dituliskan

)(' cTTAA dengan 0'A (4.74)

Dengan persamaan (4.74) maka solusi dalam persamaan (4.73b) untuk suhu T<Tc

menjadi

2/1

)('

TT

B

Ac (4.75)

Dalam Gambar 4.9 diperlihatkan kurva )(G dengan asumsi G0=0. Parabola

2

21)( AG dengan A>0 pada suhu T>Tc mempunyai minimum di 0 .

4

412

21)( BAG dengan A<0 dan B>0 pada suhu T<Tc. mempunyai dua

minimum di 2/1min )/( BA ; ini memperlihatkan sifat inversi. Kedua minimum

itu muncul pada saat suhu diturunkan melalui Tc , bergeser menjauh posisinya secara

Page 98: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

93

simetrik dari 0 . Terlihat dalam persamaan (4.74) parameter order

memperlihatkan kebergantungan pada suhu secara parabolik pada suhu yang dekat

dengan Tc..

Gambar 4.9 Energi bebas Gibbs )(G pada suhu dektak Tc. Terjadi peralihan G

dari bentuk parabol di atas suhu Tc ke bentuk sumur-rangkap pada suhu di bawah Tc.

Kesetimbangan di bawah suhu Tc ditunjukkan oleh fluktuasi antara -min dan +min.

Berdasarkan teori Landau tersebut di atas, perumusan entropi dan kapasitas panas

bisa diperoleh pada suhu TTc. Sesuai dengan

pT

GS

maka diperoleh

ccc TTTTB

ATSTS

;

2

')()(

2

(4.76)

Kapasitas panas dirumuskan dengan

p

pT

STC

Sebutlah panas jenis adalah C0 jika Tc didekati dari atas, maka panas jenis jika Tc

didekati dari bawah adalah

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

-1 -0.5 0 0.5 1

T>Tc

Tc

T<Tc

G

Page 99: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

94

cTTp TB

ACC

c 2

'2

0

(4.77)

Oleh sebab itu ada diskontinuitas

ccp TTTB

AC di

2

'2 (4.78)

Itu konsistent dengan persamaan (4.68) dan (4.69). Menurut Landau, perbedaan

kapasitas panas itu mengindikasikan transisi fasa order kedua. Kurva Cp sebagai

fungsi suhu diperlihatkan dalam Gambar 4.10. Karena bentuknya, kurva itu disebut

sebagai kurva- dan suhu kritis dituliskan seperti T.

Gambar 4.10 Kapasitas panas sebagai fung suhu di sekitar suhu Tc.

Tc T

Cp

Page 100: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

95

Soal-soal

1. Perhatikan gambar potensial Lenard-Jones di bawah ini, di mana

612

4)(rr

r

Tunjukkan bahwa harga minimum potensial Lenard-Jones adalah 6/10 2r dan

.)( 0 r

2. Untuk menentukan B2 perlu dilakukan integrasi anguler. Tunjukkan bahwa

karena (r) bergantung pada r, B2 dapat dituliskan seperti

0

2)(2 1(2 drreB r

di mana (r) seperti gambar dalam soal nomor 1. Tunjukkan bahwa

32

3

2

B .

3. Gambarlah fungsi f-Mayer: )(1 ref untuk

a) Potensial interaksi bola padat di mana

r

rr

0)(

b) Potensial Lenard-Jones seperti gambar dalam soal nomor 1.

4. Untuk suhu rendah di mana kBT<<, kontribusi dominan terhadap integral

ditentukan oleh kontribusi-kontribusi dari integran untuk r>r0. Tunjukkan bahwa

untuk batasan ini, Tk

aB

B

2 di mana

r

Page 101: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

96

0

2)(2 drrra .

Dengan itu maka selanjutnya tunjukkanlah bahwa secara pendekatan berlaku

Tk

abB

B

2

di mana 30

3

2rb

.

5. Tinjaulah gas partikel 1-dimensi yang berada dalam boks sepanjang L. Andaikan

interaksi antar partikel memenuhi potensial

ar

arx

0)(

Sistem seperti ini disebut gas Tonk.

a) Evaluasi koefisien B2.

b) Bentuk interaksi di atas mencegah partikel untuk bertukar tempat. Berapakah

volume partikel yang mungkin agar partikel bisa bergerak?

c) Tentukanlah fungsi partisi dan persamaan keadaan dan tunjukkan bahwa

hasilnya konsisten dengan soal a).

Page 102: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

97

STATISTIK FERMI-DIRAC

5.1 Pendahuluan

Secara kuantum, fungsi keadaan sistem dengan banyak partikel diungkap-

kan dalam bentuk simetrik atau antisimetri terhadap pertukaran partikel. Misalnya,

untuk sistem dua partikel yang diberi nomori 1 dan 2, dengan fungsi basis 1 dan 2

bisa diperoleh dua macam fungsi keadaan,

)1()2()2()1( 2121 (5.1a)

)1()2()2()1( 2121 (5.1b)

Pada fungsi keadaan pertama, pertukaran partikel tidak mengubah fungsi keadaan.

Artinya fungsi keadaan itu bersifat simetrik terhadap pertukaran partikel. Pada

fungsi keadaan kedua, pertukaran pertikel menyebabkan fungsi keadaan berubah

tanda. Artinya, fungsi keadaan itu bersifat antisimetrik terhadap pertukaran partikel.

Dalam statistik Maxwell-Boltzmann, masalah simetri ini tidak diperhitung-

kan. Dalam statistik kuantum masalah simetri menjadi penting karena terkait dengan

cara pendistribusian partikel di tingkat-tingkat energi. Ada dua jenis statistik

kuantum. Yang pertama membahas partikel-partikel yang mengikuti prinsip eksklusi

Pauli. Jumlah partikel yang bisa menempati suatu keadaan k (disebut keadaan

mikro) hanyalah 0 atau 1. Hal itu menyebabkan fungsi keadaan bersifat

antisimetrik terhadap pertukaran partikel seperti persamaan (5.1b). Fisika statistik

untuk itu disebut statistik Fermi-Dirac dan partikel yang memenuhinya disebut

fermion. Suatu partikel fermion memiliki spin pecahan. Elektron misalnya,

mempunyai spin s=1/2, demikian juga proton dan inti-inti 13

C dan 3He.

Jenis kedua memperhatikan partikel-partikel yang tidak mengikuti prinsip

eksklusi Pauli. Jumlah partikel yang bisa menempati suatu keadaan tidak terbatas: 0,

1, 2, 3,….. Oleh sebab itu fungsi keadaannya, bersifat simetrik terhadap

pertukaran partikel. Statistik untuk itu disebut statistik Bose-Einstein, dan partikel

5

Page 103: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

98

yang memenuhinya disebut boson. Suatu partikel boson memiliki spin bulat: 0, 1,

2,..... Contohnya fonon, foton dan inti 4He masing-masing berspin s=0..

Dalam sistem partikel kuantum dimungkinkan pertukaran energi dan partikel

sekaligus, sehingga sistem partikel kuantum dipandang sebagai ensembel kanonik

besar. Fungsi partisi besar untuk sistem ini telah dikemukakan dalam Bab 2

paragraf 2.3.

5.2 Distribusi Fermi-Dirac

Dalam persamaan (2.47) dan (2.51), fungsi partisi besar sistem partikel adalah

i

i

n i

nE

i

iie)(

(5.2a)

dengan

i

ii

n

nE

i e)(

(5.2b)

adalah fungsi partisi besar keadaan mikro ke-i.

Karena ni=0 dan 1 untuk fermion, maka fungsi partisi besar untuk keadaan

mikro -i adalah

)()(1

i

i

EinEee

n

ii (5.2c)

Dengan menggunakan persamaan (2.58), potensial kanonik besar keadaan mikro ke-

i adalah

)(1ln

ln

iB

iBi

EeTk

Tk

(5.3)

Jumlah partikel di keadaan mikro ke-i adalah

Page 104: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

99

)(1ln)(

i

Bi

i

EeTkEn

Karena TkB/1 maka akan diperoleh

1

1)(

)(

ii E

eEn (5.4)

Inilah yang disebut fungsi distribusi Fermi, yang merupakan jumlah fermion

berenergi Ei pada suhu T. Fungsi di atas sering juga dituliskan seperti f(Ei). Fungsi

distribusi diperlihatkan dalam Gambar 5.1. Terlihat bahwa pada suhu T=0, semua

keadaan mikro diisi fermion hingga energi . Energi pada T=0 disebut energi

Fermi,

(T=0) = EF. (5.5)

Tampak dalam Gambar 5.1 bahwa jika suhu T→0: untuk energi dalam daerah E<EF,

0/)(

TkEE

BFe , sehingga n(E)=1, sedangkan untuk energi dalam daerah E>EF,

TkEE

BFe/)(

, sehingga n(E)=0.

Gambar 5.1. Bilangan okupasi sebagai fungsi energi.

Keadaan itu sangat berbeda dengan distribusi Boltzmann dalam persamaan

(2.25): )/exp( TkEn Bii di mana dengan T→0 semua partikel berada di tingkat

dasar. Dalam distribusi Fermi-Dirac, akumulasi pada tingkat dasar dicegah oleh

prinsip eksklusi Pauli, dan pada T→0 partikel-partikel menempati tingkat-tingkat

EF E

n

1 T=0

T=0.05 TF

T=0.2 TF

T=0.5 TF

Page 105: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

100

energi E ≤EF saja. Jadi, energi EF memberikan indikasi sebagai energi maksimum

dari sistem fermion pada T→0. Pada suhu tinggi sebagian partikel berpindah dan

mengisi keadaan-keadaan dengan energi yang lebih tinggi dari pada EF seperti

diperlihatkan dalam Gambar 5.1.

Sehubungan dengan energi Fermi EF, momentum partikel fermion tersebut

adalah FF mEk 2 . Momentum ini disebut momentum Fermi. Partikel-partikel

fermion bisa mengisi keadaan-keadaan dengan bilangan gelombang Fkk

sehingga membentuk bola berjari-jari kF. Bola itu disebut bola Fermi dan keadaan-

keadaan dengan Fkk

terletak tepat dipermukaan bola. Permukaan bola itu

disebut permukaan Fermi. Konsep permukaan Fermi sangat penting dalam fisika zat

padat.

5.3 Gas elektron

Gas elektron adalah sekumpulan elektron-elektron yang tidak berinteraksi satu sama

lain mirip gas ideal sehingga energinya kontinu. Di dalam logam, elektron-elektron

mempunyai dua kelompok energi, yakni pita valensi dan pita konduksi seperti dalam

Gambar.5.2. Pada suhu T=0 seluruh elektron mengisi penuh pita valensi, yakni

energi EEF di mana energi Fermi EF adalah potensial kimia µ pada T=0. Pada suhu

T>0 pita konduksi terisi secara parsial dengan energi E>EF hingga tingkat energi

tertentu. Tetapi, meskipun demikian jumlah keseluruhan partikel adalah konstan.

Gambar 5.2 Struktur pita energi logam pada T>0.

Pita konduksi

Pita valensi

n(E)

EF

E

Page 106: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

101

Jumlah partikel dalam pita valensi

dEEge

dEEgEnEnN

TkE B

k

k

0

0

)(1

1

)()()(

/)(

(5.6)

Dalam persamaan (3.6) telah dikemukakan rapat keadaan perselang energi untuk

gas ideal: 2/12/32/24)( EhmVEg . Dalam kasus gas elektron, kerapatan itu

adalah

2/1

2/3

2

24)( E

h

mVEg

(5.7)

di mana faktor 2 diberikan untuk menyatakan adanya degenerasi 2s+1 dari spin s=½

dari elektron.

Gas elektron pada T=0

Pada suhu T=0 seluruh elektron mengisi tingkat-tingkat energi FEE di mana

energi Fermi EF adalah potensial kimia µ pada T=0. dan exp[(E-EF)/kBT=0. Jumlah

elektron N dalam volume V adalah

2/3

2/3

2

0

2/1

2/3

2

0

2

3

8

24)(

F

E

Eh

mV

dEEh

mVdEEgN

F

(5.8)

Dengan itu maka energi Fermi adalah

3/22 3

8

V

N

m

hEF

(5.9a)

Dalam kaitannya dengan kesetaraan suhu, energi Fermi dapat disetarakan dengan

suhu

Page 107: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

102

B

FF

k

ET (5.9b)

yang disebut suhu Fermi.

Dalam tabel di bawah ini diperlihatkan jumlah elektron per satuan volume,

energi Fermi, dan suhu Fermi untuk berbagai jenis logam.

Suhu Fermi dari berbagai jenis logam

Logam N/V (cm3) EF (eV) TF (K)=EF/kB

Li 4,71022

4,72 5,5 104

Na 2,541022

3,12 3,7 104

K 1,41022

2,14 2,4 104

Cu 8,41022

7,04 8,2 104

Ag 5,21022

5,51 6,4 104

Au 5,91022

5,54 6,4 104

Untuk memperoleh gambaran lebih ril, tinjaulah logam Na. Setiap atom Na

menyumbangkan satu elektron valensi. Jumlah elektron per satuan volume, N/V,

sama dengan jumlah atom Na per volume dalam logam itu. Lihat tabel di atas.

322233

cm1054,2gram/mol23

atom/mol1002,6gram/cm971,0

M

N

V

N A

Dengan persamaan (5.9), energi Fermi logam Na adalah

eV12,3cm1054,23

kg101,98

)Js1063,6(3/2

322

31

234

FE

Energi total elektron-elektron pada T=0 adalah

Page 108: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

103

F

F

E

NE

Eh

mV

dEEh

mVdEEgEEnU

F

5

3

2

5

8

24)()(

2/5

2/3

2

0

2/3

2/3

20

(5.10)

Tekanan gas elektron adalah

2/5

2/3

2

,

2

5

8F

NS

Eh

m

V

Up

(5.11)

Tampak bahwa meskipun suhu T=0 gas elektron masih mempunyai tekanan.

Gas elektron pada T>0

Jumlah elektron N dipandang konstan, atau dN/dT=0. Untuk memeriksa hal itu,

gunakan persamaan (5.6).

00 1

1)()()(

/)(dE

edT

dEgdEEgEn

dT

d

dT

dNTkE B

Jika kBT<<EF maka perubahan distribusi Fermi hanya berarti di sekitar EF seperti

terlihat dalam Gambar 5.1. Oleh sebab itu persamaan di atas dapat didekati sebagai

berikut

dE

e

e

Tk

EEEg

dEeT

EgdT

dN

TkEE

TkEE

TkEE

B

B

B

F

F

B

FF

FF

02

0

1

)()(

1

1)(

/)(

/)(

/)(

02/)(cosh4

1)()(

0

2

dETkEETk

EEEg

BFB

FF

Page 109: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

104

Di sekitar EF, fungsi 2cosh TkEE BF 2/)( )( FEE adalah fungsi genap

sedangkan )( FEE adalah fungsi ganjil. Oleh sebab itu dN/dT=0 atau N konstan.

Jumlah elektron yang tereksitasi di atas EF karena energi kBT, bisa didekati seperti

F

B

F

BFeksT

TNTk

E

NTkEgN

2

3

2

3)( (5.12)

Untuk tembaga (Cu) suhu TF=8,2104 K sehingga pada suhu 300 K elektron

tembaga yang tereksitasi sekitar 0,37 % saja.

Pada T>0 tapi T<<TF jumlah elektron ditentukan sebagi berikut:

)(2

1

24)()(

2

33

01

2/12/3

2

0/

zIV

dEez

E

h

mVdEEgEnN

TkE B

(5.13)

di mana )2/(2 Tmkh B adalah panjang gelombang termal dari elektron, dan

TkBez/

. Dalam persamaan (5.13) I3/2(z) merupakan hasil ekspansi Sommerfeld ,

yakni

.....ln

)1(

61

)1(

ln

1)(

1)(

2

2

0

1

1

z

nn

n

z

ez

x

nzf

n

x

n

n

(5.14)

Untuk n=3/2, 2/1

43)2/5( diperoleh

.....

/

4/3

61

/

3

4)(

2

2

2/1

2/3

2/3Tk

Tkzf

B

B

sehingga persamaan (5.13) menjadi

.....

81

2

3

822

2/32/3

2

Tk

h

mVN B (5.15)

Page 110: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

105

Tampak, pada suhu T=0 di mana µ=EF, jumlah elektron sesuai dengan persamaan

(5.8). Karena N konstan, maka potensial kimiawi harus bergantung suhu. Dengan

cara pendekatan diperoleh potensial kimiawi pada suhu terbatas sebagai berikut:

22

3/2223/22

121

.....8

13

8

F

F

B

T

TE

Tk

V

N

m

h

(5.16)

Tampak bahwa energi Fermi adalah potensial kimia maksimum, yakni pada suhu

T=0 seperti telah dikemukakan di atas. Potensial kimiawi lebih kecil untuk suhu

yang lebih tinggi.

Energi total elektron gas adalah

)(3

1

24)()(

253

0

/)(

2/32/3

2

zITkV

dEe

E

h

mVdEEgEEnU

B

E

TkEE

F

BF

(5.17)

di mana, dengan pendekatan seperti persamaan (5.14) diperoleh

....

/

1

8

51

88/15

/)(

2

2

2/1

2/5

2/5Tk

Tkzf

B

B

Dengan hasil itu maka

222/5

2/3

2 8

51

2

5

8

Tk

h

mVU B (5.18)

Tampak bahwa pada T=0, energi total elektron sesuai dengan persamaan (5.10).

Dari energi di atas diperoleh tekanan gas elektron seperti

22

0

, 8

51

FNS T

T

V

U

V

Up

(5.19)

Page 111: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

106

Kapasitas panas gas elektron adalah sebagai berikut

F

B

V

VT

TNk

T

UC

4

3 2

(5.20)

Persamaan (5.3) adalah potensial kanonik besar fermion di keadaan-i.

Potensial besar keseluruhan keadaan adalah

)1ln(/)(

k

BkB

i

i

TkEeTk

(5.21)

Untuk gas elektron, potensial besar itu harus diintegral karena energinya kontinu.

Dengan FE maka

dEEeTkh

mV

dEEgeTk

F

F

E

BFB

E

BFB

TkEE

TkEE

2/1

0

2/3

2

0

)1ln(2

4

)()1ln(

/)(

/)(

Hasil integral parsil dalam persamaan di atas adalah

2

2

0

2/12

3

2/332/5

2/3

2

13

2

)()2(

3

22

15

16

F

B

FBF

E

TkU

ETkh

mVE

h

mV

(5.22a)

atau

2

2

0 13

2

FT

TU (5.22a)

Selanjutnya entropi dapat ditentukan dengan menggunakan hubungan ,VT

S

dan hasilnya adalah

Page 112: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

107

20

2

3

4

FT

TUS (5.23)

Dari persamaan (5.6), distribusi fermion dapat diturunkan seperti

1

24

/)(

2/12/3

2

TkEEe BF

E

h

mV

dE

dN (5.24)

Ini merupakan distribusi energi gas elektron menurut statistik Fermi-Dirac. Kurva

dN/dE sebagai fungsi E diperlihatkan dalam Gambar 5.3.

Gambar 5.3 dN/dE sebagai fungsi E.

Kecepatan rata-rata gas elektron adalah

dEdE

dNv

NvdN

Nv

11

Karena elektron dipandang sebagai gas maka E=1/2mv2, v=(2E/m)

1/2, sedangkan

dN/dE bisa dilihat pada persamaan (5.24). Maka kecepatan rata-rata adalah

dEe

E

Nh

VmdEE

dE

dN

N

mv

F

F

E

kTEE

0

/)(3

2/12/1

1

16)/2(

Dengan pendekatan seperti persamaan (5.14) diperoleh

22

2

0

)(62

1

1/)(

TkEdEe

EBF

EF

TkEE BFk

E

dE

dN

EF

T=0

T >0

Page 113: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

108

sehingga

22

0 61

FT

Tvv

(5.25)

di mana

2

30

8FE

Nh

Vmv

(5.26)

adalah kecepatan rata-rata partikel fermion pada suhu T=0. Jadi, meskipun suhu

T=0, partikel masih mempunyai kecepatan.

5.4 Emisi Termionik

Energi potensial sebuah elektron di dalam logam adalah seperti Gambar 5.4(a). Pada

suhu normal, pita konduksi diisi oleh elektron-elektron hingga batas energi Fermi EF

seperti kurva distribusi dalam Gambar 5.4(b). Energi e disebut fungsi kerja yakni

energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron dari logam.

Dalam kasus efek fotolistrik, elektron dilepaskan jika foton h>e. Besaran

disebut fungsi kerja dari logam. Pada suhu tinggi, beberapa elektron menempati

keadaan di atas energi EF seperti terlihat dalam Gambar 5.3(b) di atas. Pada suhu

yang cukup tinggi beberapa elektron memperoleh energi sebesar E=EF+e sehingga

lepas dari logam.

Gambar 5.4 (a) Energi potensial sebuah elektron di dalam logam dan di permukaan,

(b) distribusi elektron.

T tinggi

T=0

E

dn/dE

EF

e

a) b)

Page 114: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

109

Proses ini disebut emisi termionik, dan merupakan dasar bagi tabung

elektron. Besarnya rapat arus termolistrik dihitung sebagai berikut:

dEdE

dNE

mV

e

V

evdNj

2/1

2/12

(5.27)

dimana e adalah muatan elektron, kecepatan

2/12

m

Ev . Dengan menggunakan

dN/dE dalam persamaan (5.24) maka

eekT

h

me

dEe

E

h

mej

eE

E

kTEE

F

F

F

2

3

/)(3

)(4

1

16

(5.28)

Persamaan rapat arus di atas disebut persamaan Richardson-Dushman. Fungsi kerja

e bergantung pada jenis logam seperti diperlihatkan dalam table di bawah ini.

Fungsi kerja berbagai jenis logam.

Elemen e (eV) Elemen e (eV)

Aluminum 4.08 Besi 4.5

Berillium 5.0 Timah 4.14

Kadmium 4.07 Magnesium 3.68

Kalsium 2.9 Merkuri 4.5

Kobalt 5.0 Nikel 5.01

Tembaga 4.7 Perak 4.73

Emas 5.1 Natrium 2.28

Page 115: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

110

5.5 Energi Fermi dalam Semikonduktor

Dalam teori pita, semikonduktor mempunyai pita valensi dan pita konduksi. Setiap

pita merupakan kumpulan dari energi-energi keadaan, dan masing-masing energi

keadaan itu merupakan solusi unik dari persamaan Schrödinger untuk fungsi

potensial yang periodik dari bahan semikonduktor. Setiap energi keadaan hanya bisa

diduduki maksimum oleh satu elektron. Rapat keadaan elektron di pita konduksi,

sebutlah Dc(E), dan rapat keadaan hole di pita valensi , sebutlah Dv(E), adalah

vvppv

ccnnc

EEEEmmh

ED

EEEEmmh

ED

;)(28

)(

;)(28

)(

3

3

(5.29)

di mana mn dan mp adalah massa effektif elektron dan hole. Massa effektif elektron

dan hole dalam beberapa bahan semikonduktor diperlihatkan dalam table berikut, di

mana m0 adalah massa diam elektron.

Si Ge GaAs InAs AlAs

mn/m0 0,26 0,12 0,068 0,023 2,0

mp/m0 0,39 0,30 0,50 0,30 0,30

Persamaan (5.29) dapat dilukiskan seperti Gambar 5.5.

Gambar 5.5 Pita energi dan rapat keadaan dalam semikonduktor.

E

Ec

Ev

Pita

konduksi

Pita valensi

Ec

Ev

Dc

Dv

D

Page 116: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

111

Probabilitas suatu keadaan berenergi E bisa diduduki oleh sebuah elektron

dinyatakan oleh fungsi distribusi Fermi-Dirac

1

1)(

/)(

TkEE BFe

Ef (5.30)

Pada pita konduksi di mana energi E cukup tinggi atau (E-EF)>>kBT , probabilitas

penempatan sebuah elektron dapat didekati seperti

TkEE BFeEf/)(

)(

(5.31)

yang merupakan fungsi distribusi Maxwell-Boltzmann.

Pada pita valensi di mana energi E cukup rendah atau (E-EF)<<-kBT

probabilitas penempatan sebuah elektron dapat didekati seperti

TkEE BFeEf/)(

1)(

(5.32)

Dengan demikian, probabilitas untuk hole di pita valensi itu tentulah 1-f(E), yakni

TkEE BFeEf/)(

)(1

(5.33)

Sekarang dapat ditentukan jumlah elektron di pita valensi dan jumlah hole di

pita valensi. Jumlah keadaan dalam pita konduksi dan pita valensi untuk selang

energi antara E dan E+dE masing-masing adalah Dc(E)dE dan Dv(E)dE. Dengan

menggunakan persamaan (5.31) dan Dc(E) dalam persamaan (5.29) jumlah elektron

di dalam pita konduksi adalah

s

cTkEE

FTkEEnn

s

E

TkEEF

nn

E

c

EEdeEEeh

mm

dEeEEh

mm

dEEDEfn

BcBFc

c

BF

c

0

/)(/)(

3

/)(

3

)(28

28

)()(

(5.34)

Misalkan x=(E-Ec)/kBT, maka integral di atas merupakan fungsi Gamma, yakni

Page 117: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

112

2/3

0

2/3

2TkdxexTk B

sx

B

sehingga persamaan (5.34) menjadi

TkEEc

BFceNn/)(

(5.35)

dengan

2/3

2

22

h

TkmN Bn

c

(5.36)

Nc disebut rapat effektif elektron dalam pita konduksi.

Rumusan untuk hole dapat diturunkan dengan cara yang sama. Dengan

menggunakan persamaan (5.33) dan Dv(E) dalam persamaan (5.29) jumlah hole di

dalam pita valesi adalah

TkEEv

BvFeNp/)(

(5.37)

dengan

2/3

2

22

h

TkmN

Bp

v

(5.38)

Nv disebut rapat effektif hole dalam pita valensi.

Harga-harga Nc dan Nv untu Ge, Si dan GaAs adalah sebagai berikut.

Ge Si GaAs

Nc (cm-3

) 1,041019

2,81019

4,71017

Nv( cm-3

) 6,01018

1,041019

7,01018

Sebenarnya, elektron di dalam pita konduksi berasal dari atom-atom donor

yang di-dop pada semikonduktor, sedangkan hole dalam pita valensi berasal dari

atom-atom akseptor yang di-dop pada semikonduktor. Kehadiran atom donor dan

Page 118: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

113

atom akseptor menggeser energi Fermi dari semikonduktor. Persamaan (5.35) dan

(5.37) bisa dipakai untuk menentukan energi Fermi sebagai fungsi dari banyaknya

elektron (n) yang diberikan oleh donor dan banyaknya hole (p) yang ditimbulkan

oleh akseptor. Hasilnya adalah

n

NTkEE c

BcF ln ; doping donor (5.39)

p

NTkEE v

BvF ln ; doping akseptor (5.40)

Terlihat bahwa semakin kecil konsentrasi donor semakin jauh energi Fermi di

bawah Ec. Tetapi, semakin kecil konsentrasi akseptor semakin jauh energi Fermi di

atas Ev. Kedua persamaan (5.39) dan (5.40) dilukiskan seperti Gambar 5.6.

Gambar 5.6 Energi Fermi semikonduktor yang didop dengan (a) donor dan (b)

akseptor.

Sebagai contoh, semikonduktor silicon (Si) di-dop dengan atom-atom donor

dengan n=1017

cm-3

pada suhu 300 K. Untuk silikon Nc=2,81019

cm-3

. Dengan

menggunakan persamaan (5.39) diperoleh

eV146,0

10

102,8ln300KJ/K ,3805x101

ln

17

19 23-

n

NTkEE c

BFc

Artinya, energi Fermi 0,146 eV di bawah Ec.

n

NTk c

B ln

(a)

Ec

EF

Ev

p

NTk v

B ln

(b)

Ec

EF

Ev

Page 119: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

114

Misalkan semikonduktor yang sama didop dengan atom-atom akseptor

dengan p=1014

cm-3

pada suhu yang sama. Untuk silicon Nv=1,041019

cm-3

. Dengan

persamaan (5.40), maka diperoleh

eV31,0

10

1004,1ln300KJ/K ,3805x101

ln

14

19 23-

p

NTkEE v

BvF

Artinya, energi Fermi 0,31 eV di atas Ev.

Dari persamaan (5.39) dan (5.40), perkalian konsentrasi elektron dan

konsentrasi hole adalah

TkE

pc

TkEEpc

Bg

BFc

eNN

eNNnp

/

/)(

(5.41)

di mana Eg=Ec-EF adalah energi gap. Sebutlah

2innp maka

TkE

pciBgeNNn

2/ (5.42)

Terlihat bahwa di dalam semikonduktor selalu ada beberapa elektron dan hole,

apakah semikonduktor di-dop atau tidak. Jika di dalam semikonduktor tidak ada

dopan, semikonduktor dikatakan intrinsik. Di dalam semikonduktor intrinsik, n dan

p yang tak sama dengan nol merupakan akibat dari eksitasi termal. Dalam hal ini,

tentulah n=p adalah cirri dari semikonduktor intrinsik. Jadi, inpn ; ni disebut

konsentrasi pembawa yang intrinsik dan itu adalah persamaan (5.42). Terlihat bahwa

konsentrasi pembawa yang intrinsik dari suatu bahan semikonduktor bergantung

pada energi gap dan suhu. Di bawah ini diperlihatkan energi gap dari beberapa

bahan semikonduktor.

InSb Ge Si GaAs GaP ZnS Intan

Eg(eV) 0,18 0,67 1,12 1,42 2,25 2,7 6

Untuk silikon pada suhu 300 K, konsentrasi pembawa intrinsik itu adalah

Page 120: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

115

310

23-

-1919 cm10

300KJ/K ,3805x1012

J/eV101,6eV12,1exp04,128,210

in .

Dengan itu maka untuk silikon, 620 cm10 np . Ini adalah konstan pada suhu 300

K. Jika semikonduktor silikon tipe-n mempunyai konsentrasi elektron n=1015

cm-3

,

maka konsentrasi hole adalah p=1020

/1015

=105cm

-3. Sebaliknya, jika semikonduktor

silikon tipe-p mempunyai konsentrasi hole p=1017

cm-3

, maka konsentrasi hole

adalah p=1020

/1017

=103cm

-3.

Dari persamaan (5.42) dapat dikemukakan bahwa pada semikonduktor

intrinsik di mana n=p , energi Fermi adalah

v

c

Bgc

cBiBC

i

F

N

NTkEE

NTknTkEE

ln2

1

2

1

lnln)(

(5.43)

Jadi, energi Fermi dari semikonduktor intrinsik dekat sekali dengan pertengahan

gap.

Page 121: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

116

Soal-soal

1 Tinjaulah suatu sistem elektron pada permukaan yang luasnya A. Tunjukkan

bahwa jumlah rata-rata elektron dapat dituliskan seperti

0

/)(21

TkE Be

dEmAN

Gunakan rumus integral

konstanta1

ln1

1

bx

bx

bx ae

e

bae

dx

2. Hitunglah suhu di mana potensial kimia suatu gas elektron menjadi nol.

3. Hitunglah tekanan gas elektron yang berdegenerasi, dan tentukanlah hubungan

antara tekanan dan rapat energi U/V. Hitunglah tekanan gas elektron dalam

aluminium.

4. Tunjukkan secara langsung dari fungsi partisi bahwa rata-rata energi gas

fermion bisa dituliskan dengan menggunakan harga rata-rata bilangan okupasi:

k

kk EnU .

5. Energi Fermi sebagai fungsi suhu dapat diturunkan sebagai berikut:

......

121)0()(

22

F

FF

TETE

di mana EF(0) adalah energi Fermi pada T=0. Tunjukkan bahwa suku koreksi 1%

dari energi Fermi berkaitan dengan suhu

FT 5

3.

6. Tunjukkan bahwa jumlah fermion dengan kecepatan di antara v dan v+dv pada

suhu T adalah

Page 122: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

117

dve

v

h

VmdN

kTEmv F 1

8

/])2/[(

2

3

3

2

7. Berdasarkan statistik Fermi-Dirac,

1

1)(

/)(

kTEEi

FieEn .

Tentukanlah energi Ei yang lebih besar dari EF agar

kTEE

iFieEn

/)()(

ada dalam penyimpangan 10%.

8. Buktikan bahwa distribusi pembawa muatan di dalam pita konduksi dan pita

valensi memuncak pada energi-energi dekat dengan pinggir pita.

9.

Selanjutnya, dengan menggunakan aproksimasi Boltzmann, tunjukkan bahwa

energi di mana distribusi pembawa muatan itu memuncak masing-masing pada

Ec+kBT/2 dan Ev-kBT/2.

10. Pada semikonduktor tertentu, rapat keadaan di dalam pita konduksi dan pita

valensi adalah konstan, masing-masing adalah A dan B. Misalkan energi Fermi

EF tidak dekat dengan Ev dan Ec.

a) Rumuskanlah konsentrasi p dan n.

b) Jika A=2B, tentukanlah lokasi energi Fermi intrinsik relative terhadap

pertengahan gap pada suhu 300K.

hole elektron

Ev Ec E

Distribusi

pembawa

Page 123: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

118

11. Untuk semikonduktor tertentu, rapat keadaan dalam pita konduksi dan pita

valensi masing-masing adalah: Dc(E)=A(E-Ec).u(E-Ec) dan Dv(E)=B(Ev-E). u(Ev-

E) di mana u(x)=0 jika x<0 dan u(x)=1 jika x>0. Misalkan doping tidak tinggi.

a) Rumuskan konsentrasi n dan p sebagai fungsi energi Fermi.

b) Jika A=2B, hitunglah energi Fermi intrinsic pada suhu 300K.

Gunakan sifat

0

1dxex x .

12. Fungsi distribusi Boltzmann ]/)(exp[)( TkEEEf BF sering dipakai

sebagai pendekatan terhadap fungsi distribusi Fermi-Dirac. Gunakanlah

pendekatan itu dan misalkan Dc(E)=A(E-Ec)1/2

untuk menentukan

a) Energi di mana ditemukan paling banyak elektron.

b) Konsentrasi elektron pada pita konduksi (n).

c) Energi kinetik rata-rata elektron , E-Ec. Gunakan fungsi Gamma.

Page 124: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

119

SISTEM SPIN DAN

KEMAGNETAN

6.1. Paramagnetisme

Bahan paramagnet mengandung atom-atom yang memiliki momen dipol magnet.

Tinjaulah sistem dengan momen-momen dipol yang tidak berinteraksi satu sama

lain. Energi sebuah momen dipol (sebutlah

) di dalam medan magnet B

adalah

cos. BBE

.

Energi dari N buah momen dipol adalah

N

i

iBU1

cos .

dengan i adalah sudut antara B

dan momen dipol ke-i. Fungsi partisi sistem

adalah

NB

NNN

BB

edd

eddeddZ

cos

2

0 0

cos

2

0 0

222

cos

2

0 0

111

sin

......sinsin 21

(6.1)

Karena setiap faktor dalam persamaan di atas adalah sama, maka persamaan itu

menjadi

N

N

B ZeddZ 1

cos

2

0 0

sin

(6.2)

Z1 adalah fungsi partisi sebuah dipol, yakni

6

Page 125: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

120

BBB

ee

eddZ

BB

B

sinh4

2

sin cos2

0 0

1

(6.3)

Dengan demikian maka fungsi partisi sistem adalah

N

BB

Z

)sinh(

4

(6.4)

Dari fungsi partisi di atas, energi sistem adalah

)(

1)coth(

ln

BBN

BBBN

ZU

L

(6.5)

di mana

xxx

1)coth()( L (6.6)

disebut fungsi Langevin. Dari hubungan antara energi U dan magnetisasi M : U=-

MB maka magnetisasi adalah

)(ln1

BNB

ZM

L

(6.7)

Entropi sistem diturunkan dari rumusan energi bebas Helmholtz

ZTkF B ln , adalah

)coth(1)sinh(4

ln

)sinh(4

lnln.

,

BBBB

Nk

BB

TNkT

ZTkTT

FS

B

BNBB

NB

(6.8)

Jika suhu cukup tinggi atau 1B bisa dilakukan pendekatan

Page 126: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

121

3

1)coth(

B

BB

(6.9)

Dengan demikian fungsi Langevin menjadi

3)(

BB

L . (6.10)

Dengan itu maka energi sistem menjadi

Tk

BNU

B3

22 ; 1/ TkB B (6.11)

sedangkan magnetisasi menjadi

BTk

NM

B3

2 ; 1/ TkB B (6.12)

Berdasarkan MB di mana adalah suseptibilitas magnet maka

Tk

N

B3

2 ; 1/ TkB B (6.13)

Persamaan (6.11), (6.12) dan (6.13) disebut hukum Curie. Dalam persamaan (6.12),

M=0 jika B=0 yang merupakan ciri dari bahan paramagnet.

Sesungguhnya sifat paramagnetik atom atau molekul ditimbulkan oleh spin

elektron yang tak berpasangan di dalamnya. Karena spin elektron adalah s=1/2,

maka di dalam medan magnet B spin itu memiliki dua tingkat energi, E1=-µBB

sehubungan dengan spin sejajar medan, dan E2=µBB sehubungan dengan spin

berlawanan arah medan; µB =9,273210-24

J/T adalah magneton Bohr elektron.

Fungsi partisi suatu sistem paramagnetik dari N buah spin elektron adalah

N

NBBB BBBeeeZ

,.......,, 21

21 ....... (6.14)

di mana i=+1 menyatakan spin mengarah ke atas dan i=-1 menyatakan spin

mengarah ke maka. Persamaan di atas dapat diubah menjadi

Page 127: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

122

NB

NBB

B

eeZ BB

)cosh(2

. (6.15)

Energi sistem diturunkan dengan menggunakan fungsi parti si di atas,

)tanh(ln

BBNZ

U BB

(6.16)

Magnetisasi diperoleh dengan menggunakan hubungan U=-MB,

)tanh(ln1

BNB

ZM BB

(6.17)

Magnetisasi sebagai fungsi BB diperlihatkan dalam Gambar 6.1. Terlihat bahwa

pada medan magnet rendah ada hubungan linier antara magnetisasi dan medan

magnet. Ini juga merupakan ciri dari sifat paramagnetisme.

Gambar 6.1 Magnetisasi M sebagai fungsi BB .

Pada medan magnet yang rendah BB BB )tanh( , sehingga diperoleh

Tk

BNM

B

B2

; TkB BB / <<1 (6.18)

Karena M=B di mana adalah suseptibilitas magnet, maka

Tk

N

B

B

2 ; TkB BB / <<1 (6.19)

Rumusan magnetisasi dan suseptiblitas magnet yang diturunkan secara klassik

M

µBB

-NµB

NµB

Page 128: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

123

seperti dalam persamaan (6.12) dan (6.13) hanya berbeda faktor 1/3 dengan

persamaan (6.18) dan (6.19) .

Hukum termodinamika pertama untuk kemagnetan adalah MdBQdU ;

jika medan magnet konstan maka QdU sehingga panas jenis adalah

B

BT

U

NC

1

Karena

BTk

BNUk

U

dT

d

T

U

BBB

B

BB

22

222

cosh

maka diperoleh

TkBTk

BC

BBB

BB

/cosh222

22

(6.20)

Gambar 6.2 memperlihatkan panas jenis CB sebagai fungsi kBT/µB.

Gambar 6.2 Panas jenis CB sebagai fungsi kBT/µB.

Terlihat bahwa harga maksimum CB tercapai pada kBT0.8 µB. Telah dikemukakan

pada awal paragraf ini bahwa sebuah dipol magnet yang searah medan magnet

memiliki energi: E1=-µB. Jadi, suhu rendah dengan energi termal kBT<<µB tidak

B

B

k

C

B

Tk

B

B

Page 129: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

124

mampu untuk membalik arah dipol. Hanya dengan energi termal kBT=2µBB dipol itu

bisa membalik arah dan energinya menjadi E2=µB.

Ada bahan paramagnet dengan atom-atom berspin lebih besar daripada

setengah, J>1/2, misalnya 3/2, 5/2.... Spin yang demikian memiliki tingkat energi

lebih daripada dua buah. Misalnya, dengan spin J ada 2J+1 buah tingkat energi,

yakni

iBi BgE (6.21)

dengan JJJJi 2,12,........,12,2 dan g adalah faktor Lande g=2,0023 untuk

spin elektron bebas, dan mc

eB

2

adalah magneton Bohr dari elektron. Fungsi

partisi mirip dengan persamaan (6.14) yakni

N

q

qJJqN

J

J

q

e

eeeZ

i

i

1

)1(2

2

2/

(6.22a)

di mana

Bgq B (6.22b)

Tetapi

)2/sinh(

])2/1sinh[(

1 2/2/

)2/1()2/1()1(

q

qJ

ee

ee

e

eeqq

JgqJq

q

qJJq

sehingga persamaan (6.22a) menjadi

N

q

qJZ

)2/sinh(

])2/1sinh[( (6.23)

Magnetisasi adalah

.2

1coth

2

1

2

1coth

2

1

ln1

qqJJNg

B

ZM

B

Page 130: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

125

Mengingat fungsi Brillouin

qqJJ

Jq

2

1coth

2

1

2

1coth

2

11)(JB (6.24)

maka rumusan magnetisasi menjadi

).(qJNgM B JB (6.25)

Fungsi Brillouin di atas adalah fungsi ganjil. Oleh sebab itu dalam

penggambarannya cukup ditinjau q 0. Untuk q, )(qJB 1. Ini memberikan

harga jenuh bagi magnetisasi, yakni

JgNM B . (6.26)

Untuk q0, fungsi )(qJB harus diekspansi dengan cara sebagai berikut.

....3/2

.....2coth

3

2

xx

x

ee

eex

xx

xx

Jika x<<1 maka

3

1

)6/1)(2/1(1

)6/1(

2/1coth 22

2

2

x

x

xxxxx

xx

.

Jadi, untuk q0,

qJ

JJ

q

qq

qJqJ

JJ

q

)1(3

1

12

1)2/1(

3

1

6

12

2

1)2/1(

3

1

)2/1(

1)2/1(

1)(

2

JB

(6.27)

Dari persamaan (6.25 ) dan (6.27) maka

Page 131: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

126

BJJNgM B )1(3

1 2 (6.28)

Untuk memperoleh pemahaman yang baik, perlu diperiksa harga )(qJB dalam

daerah 0<q<. Untuk itu diferensialnya JB dari persamaan (6.24) adalah,

])2/1[(sinh

)2/1(

2/sinh4

12

2

2 qJJ

J

qJdq

d

JB (6.29)

Ternyata diferensial di atas selalu positif, sehingga fungsi )(qJB adalah fungsi yang

monoton naik. Gambar 6.3 memperlihatkan BM / sebagai fungsi Bg B untuk

berbagai harga J.

Gambar 6.3 BM / sebagai fungsi Bg B untuk berbagai harga J.

6.2 Paramagnetik Pauli

Tinjaulah elektron-elektron dalam logam lengkap dengan spinnya. Karena spinnya

s=1/2 maka bilangan kuantum magnetiknya ms=±1/2. Dalam medan magnet B, suatu

spin elektron bisa menempati salah satu dari dua keadaan kuantum spin, masing-

masing dengan energi

Bmedanarahberlawanan

Bmedansearah

2/1

2/1

BE

BE

B

B

(6.30)

J=1/2

J=3/2

J=5/2

gµBB

M/µB

Page 132: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

127

Pada B=1 Tesla, E1/20,5 10-4

eV<< EF (3,12 eV untuk logam Na). Meskipun

medan magnet cukup besar, beda energi antara kedua keadaan kuantum spin sangat

kecil. Inilah alasannya mengapa kedua keadaan kuantum spin itu dipandang

berdegenerasi dengan energi yang dekat dengan energi dasarnya.

Sekarang misalkan suhu T>0; sesuai dengan persamaan (5.13) maka jumlah

elektron dengan spin searah B adalah

Tk

TkETkB

B

BB

B

FF

zefV

dEeez

E

h

mVdEEgEnTN

E

B

E

/

3

01

2/12/3

2

0

)(

23

1

22)()()(

//

(6.31)

Jumlah elektron dengan spin berlawanan arah B adalah

Tk

TkETkB

B

BB

B

FF

zefV

dEeez

E

h

mVdEEgEnTN

E

B

E

/

3

01

2/12/3

2

0

)(

23

1

22)()()(

//

(6.32)

Dengan demikian maka magnetisasi adalah

TkBTkBB

B

BBBB zefzefV

NNM

//

3

)()(

23

23

(6.33)

Pada suhu tinggi dan medan magnet yang kecil,

TkBTkB BBBB zezef//

23

dan

TkBTkB BBBB zezef//

23

Jadi, magnetisasi pada suhu rendah adalah

Page 133: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

128

TkBVz

M BBB /sinh

23

(6.34)

Jumlah elektron adalah

TkTk BBBB zezeV

NNN//

3

)()(

atau

TkVz

N BB /cosh23

(6.35)

Oleh sebab itu magnetisasi bisa dinyatakan seperti

TkBNM BBB /tanh (6.36)

Hasil ini sama dengan persamaan (6.17). Pada medan magnet yang kecil

suseptibilitas magnet adalah

Tk

N

B

M

B

B

2

(6.37)

Hasil ini sama dengan persamaan (6.19).

Pada suhu rendah, dengan menggunakan pendekatan dalam persamaan (5.14)

maka magnetisasi dalam persamaan (6.33) menjadi

2/32/3

2/3

2

2/32/3

2/13

)()(2

3

4

)(3

4)(

3

4

BEBEh

mV

BBV

M

BFBFB

BBB

Karena BE BF , bisa dilakukan pendekatan

F

BFBF

E

BEBE

2

31)( 2/32/3

sehingga diperoleh apa yang disebut magnetisasi Pauli,

Page 134: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

129

BEg

BEh

mVM

FB

FBp

)(

24

2

2/1

2/3

2

2

(6.38)

Rumusan magnetisasi di atas mengungkapkan bahwa pada suhu rendah, elektron-

elektron berada jauh di bawah permukaan Fermi dan prinsip Pauli mencegah mereka

untuk membalikkan arah spinnya ketika merespon medan magnet, kecuali elektron-

elektron yang berada pada permukaan Fermi. Di sekitar energi EF terjadi perubahan

arah spin-spin seperti diperlihatkan dalam Gambar 6.4(b).

Gambar 6.4 Penempatan spin-spin pada keadaan-keadaan yang berdegenerasi-2; (a)

T=0, B=0; (b) T=0, B0.

Untuk setiap spin perubahan arah itu memerlukan energi E=2BB. Prinsip

larangan Pauli memaksa spin up harus naik ke atas energi Fermi EF karena di

bawahnya sudah penuh. Elektron-elektron itulah yang selanjutnya menjadi elektron

penghantar. Sebenarnya pergeseran energi itu sangat kecil dibandingkan dengan EF,

sehingga kerapatan spin-down hampir sama dengan kerapatan spin-up. Karena setiap

elektron yang tergeser memperoleh tambahan energi 2µBB, maka jumlah

magnetisasi dalam persamaan (6.38) bisa dituliskan seperti

Bsp nM 2 (6.39)

dengan ns adalah jumlah elektron yang mengalami pergeseran. Inilah yang disebut

magnetisasi Pauli. Jadi, jumlah elektron yang tergeser oleh medan magnet adalah

BEgn BFs )(21 (6.40)

(a) (b)

EF

Page 135: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

130

Akhirnya, suseptibilitas magnet dapat diturunkan seperti

)(2

FBp EgB

M

(6.41)

adalah konstan. Material dengan suseptibilitas magnet >0 disebut paramagnet dan

effek medan magnet pada suhu rendah itu disebut paramagnetik Pauli.

6.3 Fluktuasi magnetisasi

Nilai rata-rata momen magnet dari suatu bahan paramagnet pada keadaan setimbang

suhu dengan suatu reservoir bersuhu T adalah

B

Z

ZB

ZeM

ZM

i

E

ii

1ln11 (6.42)

di mana Mi adalah magnetisasi pada keadaan mikro ke-i dengan energi Ei.

Magnetisasi itu berubah terhadap medan magnet B. Jadi, M itu berubah terhadap

B. Turunannya terhadap B adalah suseptibilitas, yakni

B

M

(6.43)

Sesungguhnya, suseptibilitas adalah respons dari bahan paramagnet terhadap medan

magtnet luar. Jika suseptibilitas bahan paramagnetik itu besar, maka perubahan kecil

dari medan magnet menyebabkan perubahan besar dari magnetisasi bahan tersebut.

Jadi, dapat dikatakan bahwa distribusi M di sekitar harga rata-ratanya tentulah agak

besar. Dengan kata lain, keadaan- keadaan dengan harga-harga M yang berbeda

memiliki probabilitas- probabilitas yang cukup signifikan. Oleh sebab itu, dapat

diharapkan bahwa deviasi-deviasi di sekitar harga rata-rata akan signifikan. Jadi, ada

suatu hubungan antara suseptibilitas dan lebar distribusi M di sekitar M . Untuk

mengungkapkan itu, misalkan energi keadaan mikroskopik ke-i adalah Ei.=-BMi ;

maka

Page 136: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

131

22

2

2 1

1

MM

eMB

Z

ZeM

Z

eMZBB

M

i

E

i

i

E

i

i

BM

i

ii

i

(6.44)

Inilah yang disebut suseptibilitas tanpa medan magnet luar. Dapat pula dituliskan,

Tk

MM

B

22 (6.45)

M disebut fluktuasi dari M; dalam matematik disebut deviasi standar dari

distribusi M, sedangkan 2M disebut variansinya.

6.4 Diamagnetisme Landau

Fermion bermuatan listrik seperti elektron, di dalam medan magnet B

mempunyai

hamiltonian seperti

2

)(2

rA

c

ep

mH

(6.46)

di mana )(rA

vektor potensial yang ditimbulkan medan, yakni AB

. Misal-

kan medan itu konstan dan pada sumbu-z: ),0,0( BB

, dan misalkan pula dengan

medan itu ditimbulkan vektror potensial )0,0,( ByA

. Andaikan partikel berada

dalam kubus bersisi a. Dengan hamiltonian dan vektor potensial di atas, maka solusi

persamaan Schrödinger adalah

)()()(

yferzkxki zx

(6.47)

Fungsi f(y) memenuhi persamaan

)()()(2

1

2

'2

2

22

yfEyfByc

ek

mymx

(6.48)

Page 137: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

132

Dengan menyatakan

mc

eBc (6.49)

yang tak lain adalah frekuensi siklotron, maka persamaan (6.48) dapat dituliskan

seperti

)()()(2

1

20

2

2

22

yEfyfyymym

c

(6.50)

di mana

eB

cky x

0 (6.51)

Jadi, persamaan (6.50) itu adalah persamaan osilator harmonis dengan c adalah

frekuensi sudut gerak osilasi di sekitar y0.

Solusi energi dari persamaan (6.50) adalah

,.....2,1,0;)2/1(2

1 2 czk

mE (6.52)

Terlihat, bahwa fermion memiliki tingkat-tingkat energi. Ini yang disebut tingkat-

tingkat Landau. Dengan demikian maka fungsi partisi besar untuk keadaan-v adalah

czk

meeeE

)2/1(2

1 2

11)(

(6.53)

di mana =1/kBT. Mengingat fungsi partisi besar sistem adalah

maka diperoleh

czk

meeg

)2/1(

2

1 2

1ln)(ln (6.54)

Page 138: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

133

di mana g(v) adalah rapat keadaan dari tingkat ke-v. Kerapatan itu ditentukan

sebagai berikut. Misalkan kx dikuantisasi dengan kx=2/a sehingga osilator akan

terlokalisasi di setiap )/(0 eBahcy . Dengan begitu maka jumlah osilator yang

bisa masuk dalam kubus adalah 0/ ya . Jumlah ini merupakan rapat keadaan

ehc

Bag

/2

2

(6.55)

di mana faktor 2 adalah degenerasi spin.

Dari persamaan (6.54) untuk elektron-elektron yang tidak berinteraksi di

dalam medan magnet berlaku

))2/1((/

2

1ln/

2ln

2

)2/1(2

12 2

c

km

hehc

Ba

eeehc

Ba cz

(6.56)

Misalkanlah

xk

mz

z

eedka

xh

2

2

1

1ln2

)(

6.57)

dengan cx )2/1( . Selanjutnya, berlaku penjumlahan Euler sebagai berikut

)0('24

1)()2/1(

00

hdxxhh

(6.58)

Dengan demikian maka persamaan (6.56) menjadi

.....124

1)(

2

......)(

24)(ln

)2/(

2

22

0

22 mk

c

c

edk

mc

eBdyyh

mV

d

dh

hc

VBedxxh

hc

VBe

(6.59)

Dari persamaan (6.54), magnetisasi M ditentukan dengan

Page 139: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

134

BM

ln1

Terlihat dalam persamaan (6.59) bahwa yang mengan medan magnet B adalah suku

kedua dan seterusnya. Untuk medan magnet yang kecil, persamaan (6.59) cukup

sampai suku kedua saja. Pada suhu T=0, integran dalam suku itu adalah 1 untuk

Fkk dan sama dengan nol untuk lainnya. Mengingat magneton Bohr

mcehB 2/ dan

2/1

2/3

2

24)( FF E

h

mVEg

maka magnetisasi adalah

BEgM FBd )(3

1 2 ( 6.60)

dan suseptibilas magnet adalah

)(3

1 2

FBd Eg (6.61)

Dibandingkan dengan paramagnetik Pauli dalam persamaan (6.38), jelas terlihat

bahwa magnetisasi di atas adalah negatif. Zat yang magnetisasinya berlawanan

tanda dengan medan magnet (suseptibilitasnya negatif) disebut diamagnetik dan

efek di atas disebut diamagnetik Landau.

6.5 Sistem Spin berinteraksi; Model Ising 1-dimensi

Ernst Ising memodelkan N buah spin yang tersusun dalam kisi 1-, 2 -, atau 3-

dimensi dengan masing-masing spin bisa mengarah ke atas atau ke bawah. Dalam

model ini diandaikan ada interaksi antara dua buah spin bertetangga terdekat.

Tinjaulah model Ising dalam kisi satu-dimensi seperti Gambar 6.5. Dengan

menggunakan syarat batas bebas, energi sistem spin dalam kisi 1-dimensi adalah

1

1

N

i

iissJU (6.62)

Page 140: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

135

di mana 1is . Harga J <0 jika kedua spin sejajar dan J >0 jika kedua spin

berlawanan arah. Dalam persamaan (6.62) interaksi hanya antara dua spin

bertetangga terdekat saja. Selain itu belum disertakan energi interaksi dengan medan

magnet luar.

Gambar 6.5 Model Ising dalam kisi satu-dimensi.

Tinjaulah sistem dengan dua spin. Ada empat keadaan mikro yang mungkin,

yakni

-J -J J J

Fungsi partisi untuk sistem dua spin itu adalah

JeeZ JJ cosh4222 (6.63)

di mana TkB/1 .

Tinjaulah sistem dengan tiga spin. Ada delapan keadaan mikro yang

mungkin, yakni

-2J -2J 0 2 J 0 0 2J 0

Fungsi partisi untuk sistem tiga spin itu adalah

22

2

2223

cosh22cosh2

2422

JZJ

ZeeeeeeZ JJJJJJ

(6.64)

Secara umum dapat dinyatakan bahwa

1)cosh2(2 NN JZ (6.65)

Energi bebas Helmholtz sistem spin adalah NB ZTkF ln

)cosh2ln()1(2ln JNTkF B

Page 141: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

136

sehingga untuk N>>,

)cosh2ln( JTNkF B (6.66)

Entropi sistem spin yang berasal dari interaksi spin-spin adalah,

JT

NJJNk

J

T

NJNk

T

JTNkJNk

T

FS

B

B

BB

NV

tanhcosh2ln

)cosh2ln(cosh2ln

cosh2lncosh2ln

,

atau

J

JB

e

JeNkS

2

2

1

21ln (6.67)

Energi sistem spin yang berasal dari interaksi spin-spin adalah

JNJZ

Z

ZU N

N

N

tanh1ln

(6.68)

dan panas jenis

22 )(sech)(1

JJkT

U

NC B

(6.69)

Panas jenis sebagai fungsi suhu diperlihatkan oleh Gambar 6.6. Panas jenis

maksimum tercapai pada suhu J/kBT=1,2.

Gambar 6.6 Panas jenis rantai Ising sebagai fungsi suhu, tanpa medan magnet.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 1 2 3 4 5 6

Bk

C

J/kBT

Page 142: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

137

Fungsi korelasi spin-spin

Sebuah spin pada suatu tempat dapat dinyatakan berkorelasi dengan sebuah spin di

tempat lain. Korelasi itu diungkapkan dengan fungsi korelasi spin-spin G(r) di mana

r adalah jarak antara kedua spin. Jika spin-spin tidak berkorelasi maka G(r)=0. Pada

suhu tinggi, interaksi spin-spin tidak penting sehingga tanpa medan magnet spin-

spin itu terorientasi secara acak. Jadi, pada kBT>>J maka G(r)0 untuk suatu jarak

r. Untuk T dan B yang tetap, jika spin ke-i mengarah ke atas maka kedua spin

tetangganya memiliki peluang besar mengarah ke bawah. Jika digeser sejauh r dari

spin ke-k, peluang spin ke- k+r mengarah ke atas semakin kecil. Jadi, G(r)0 jika

r∞.

Sekarang misalkan sk adalah spin ke-k, maka fungsi korelasi didefenisikan

seperti

rkkrkk ssssrG )( (6.70a)

Harga ks =m=M/N pada setiap tempat, sehingga

2)( mssrG rkk (6.70b)

Jika r=0, maka 22)( mmrG seperti telah dikemukakan dalam persamaan

(6.45). Pada suhu T>0, m=0 sehingga

rkk ssrG )( (6.70c)

Persamaan (6.62) dapat dituliskan secara umum seperti

1

1

N

i

iii ssJU (6.71)

dengan Ji adalah energi interaksi antara spin ke-i dan spin ke-i+1. Berdasarkan

defenisi harga rata-rata maka secara umum

1 1

1

1

1

1

exp......1

s s

N

i

iiirkk

N

rkk

N

ssJssZ

ss (6.72)

dengan fungsi partisi (6.65)

Page 143: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

138

1

1

cosh22N

i

iN JZ

(6.73)

Untuk r=1 persamaan (6.72) adalah

1 1

1

1

1

1 1

1

1

111

1

1

exp......11

exp......1

s s

N

i

iii

kN

s s

N

i

iiikk

N

kk

N

N

ssJJZ

ssJssZ

ss

sehingga

JJ

JJZ

Zss

JJk

NN

N

kk

k

tanh),.....,(11 11

1

Untuk r=2, 2112 kkkkkk ssssss dengan 12

1 ks

1 1

1

1

12112

1

exp......1

s s

N

i

iiikkkk

N

kk

N

ssJssssZ

ss

21

112

1 1

1

1

1

1

2

2

tanh

),.....,(11

exp......11

1

1

J

JJ

JJZ

Z

ssJJJZ

ss

JJJkk

NN

N

s s

N

i

iii

kkN

kk

kk

N

Jadi, pada suhu T>0, fungsi korelasi spin-spin untuk model Ising 1-dimensi secara

umum berlaku

rrkk JssrG tanh)( (6.74)

Dengan mendefeniskan sebagai panjang korelasi, maka fungsi korelasi

boleh dinyatakan seperti

/)( rerG (6.75)

Page 144: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

139

Jika dibandingkan dengan persamaan (6.74), maka untuk model Ising 1-dimensi,

panjang korelasi itu adalah

)ln(tanh

1

J (6.76)

Panjang korelasi sebagai fungsi J/kBT diperlihatkan dalam Gambar 6.7. Terlihat

bahwa pada suhu rendah, )2exp(21tanh JJ sehingga

)2exp(2)ln(tanh JJ . Jadi, pada suhu rendah berlaku

1;2

1 2 Je J (6.77)

Persamaan di atas menunjukkan bahwa panjang korelasi menjadi besar pada suhu

rendah. Panjang korelasi memberikan skala panjang untuk peluruhan korelasi antara

spi-spin.

Gambar 6.7 Panjang korelasi sebagai fungsi J/kBT.

Pengaruh Medan Magnet

Model Ising 1-dimensi yang telah dibicarakan tidak mengandung medan magnet

luar. Persamaan (6.71) hanya memperlihatkan energi interaksi spin-spin tanpa

medan magnet. Sekarang, misalkan sistem spin ditempatkan dalam medan magnet

luar B. Dengan menggunakan syarat batas toroida energi total interaksi adalah

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3

J/kBT

Page 145: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

140

N

i

iiB

N

i

ii ssBssJU1

1

1

12

1 (6.78)

di mana sN+1=s1; lihat Gambar 7.8.

Gambar 7.8 Susunan spin dalam model Ising 1-dimensi dengan syarat batas toroida.

Fungsi partisi spin-spin adalah

132

1 2

21 ,,, .............. ssss

s s s

ssN N

N

TTTZ (6.79)

di mana Ts,s’ adalah elemen-elemen matriks transfer T~

. Elemen-elemen matriks ini

adalah sebagai berikut

)]'('[

'2

1 ssBJss

ssBeT

(6.80)

dengan JBJBJeTTeTeT BB

,,)()(

sehingga matriks transfer

adalah

)(

)(~

BJJ

JBJ

B

B

ee

ee

TT

TTT

(6.81)

Sifat-sifat matriks transfer adalah sebagai berikut.

2

322131,,,

2~

s

ssssss TTT (6.82)

2

1

3

322111,,,, .............

~

s

ss

s s

ssssssN

NN

N

NTTTT (6.83)

Dengan sN+1=s1, maka

N

s s

ss

s s

ssss

s

ssN ZTTTT

N

N

1 2

1

3

3221

1

11,,,, .............

~

Page 146: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

141

Jadi, ZN adalah trace (jumlah elemen diagonal) dari matriks NT

~:

NN TZ

~trace (6.84)

Karena trace suatu matriks invariant terhadap representasi matriks tersebut, maka

matriks T~

boleh dituliskan seperti

0

0~T (6.85a)

di mana adalah harga eigen dari matriks T~

dalam persamaan (6.76). Dengan

matriks di atas maka

N

NNT

0

0~ (6.85b)

dan

NNNN TZ

~trace (6.86)

Harga-harga eigen ditentukan seperti berikut. Dari persamaan (6.81) berlaku

0)(

)(

BJJ

JBJ

B

B

ee

ee

dengan mana diperoleh

2/1222 sinhcosh BeeBe BJJ

BJ

(6.87)

Jelas terlihat bahwa untuk semua harga B dan .

Energi bebas Helmholtz per spin adalah

N

BNB TkZTkN

BTFN

1lnlnln

1),(

1

Untuk N yang besar, 0/ N

, sehingga

Page 147: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

142

2/1222 sinhcoshln

ln),(1

BeeBeTk

TkBTFN

BJJ

BJ

B

B

(6.88)

Berdasarkan B

FM

maka magnetisasi sistem spin dengan model Ising 1-dimensi

adalah

2/142sinh

sinh

JB

BB

eB

BNM

(6.89)

Perdefenisi: 0M untuk 0B adalah ciri paramagnet, dan 0M untuk 0B

adalah ciri feromagnet. Dari persamaan (6.89) terlihat 0M untuk 0B . Ini

menunjukkan bahwa model Ising 1-dimensi adalah paramagnet. Tetapi, pada T0,

04 Je dan BNM yang merupakan ciri dari feromagnet. Artinya, pada T=0

model Ising 1-dimensi mengalami transisi dari keadaan paramagnet ke keadaan

ferromagnet.

Pada suhu rendah, J >>1 dan BB

>>1, BBBB

BeeB

2

2

1sinh

dan magnetisasi per spin BNMm / untuk 0B . Jadi, pada suhu rendah

keadaan saturasi, Bm , bisa tercapai hanya dengan medan magnet luar yang

kecil saja.

Dinding domain dalam model Ising 1-dimensi

Gambar 6.9 adalah model Ising 1-dimensi dengan N=7, tanpa medan luar, (a)

keadaan dasar, (b) keadaan dengan sebuah dinding domain dan (c) keadaan dengan

dua buah dinding domain. Sebuah dinding domain adalah batas antara dua kelompok

spin yang arahnya berlawanan. Seperti telah dikemukakan, dua spin searah

berinteraksi dengan energi –J dan yang berlawanan arah berinteraksi dengan energi

J. Dengan syarat batas bebas, maka keadaan dasar (a) berenergi U=-6J. Keadaan (b)

yang mengandung dinding domain memiliki energi U=-4J, dan keadaan (c) dengan

Page 148: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

143

dua buah dinding domain memiliki energi U=-2J . Dengan demikian dapat

dinyatakan bahwa pembentukan suatu dinding domain memerlukan energi 2J.

Gambar 6.9 Model Ising 1-dimensi, (a) keadaan dasar, (b) dan (c) keadaan dengan

dinding domain.

Berdasarkan syarat batas bebas seperti pada persamaan (6.67) dan (6.68),

pada T=0 entropi S=0 dan U=-(N-1)J. Andaikan pada T>0 terjadi eksitasi dengan

pembalikan semua spin di sebelah kanan suatu garis dinding domain seperti Gambar

6.9. Energi yang diperlukan untuk menciptakan sebuah dinding domain adalah 2J.

Karena ada (N-1) buah tempat di mana bisa ditempatkan dinding domain maka

entropi meningkat dengan

)1ln( NkS B . (6.90)

Dengan demikian maka peningkatan energi bebas karena pembentukan sebuah

dinding domain adalah

)1ln(2 NTkJF B (6.91)

Jelas bahwa untuk T>0 dan N, penciptaan sebuah dinding domain akan

mengurangi energi bebas. Jadi, penciptaan lebih banyak dinding domain sampai

spin-spin menjadi acak secara bebas mengakibatkan magnetisasi menjadi nol.

Kesimpulannya adalah, M=0 untuk T>0 pada N.

dinding domain

U=-6J

U=-4J

U=-2J

(a)

(b)

(c)

dinding domain

Page 149: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

144

6.6 Model Ising 2-Dimensi

Suatu contoh model Ising dua-dimensi diperlihatkan dalam Gambar 6.10.

Gambar 6.10 Contoh dinding domain dalam model Ising 2-dimensi.

Total magnetisasi sebanding dengan luas daerah dengan domain positif

dikurang daerah dengan domain negatif. Pada T=0 seluruh spin berarah sama,

misalnya potif, sehingga tidak ada garis-garis batas. Pada T>0, ada cukup energi

untuk menciptakan garis-garis batas dan memunculkan domain negatif. Jika panjang

garis batas suatu domain negatif adalah b maka energi untuk membentuknya adalah

2Jb. Oleh sebab itu, probabilitas adanya suatu domain negatif adalah exp(-2Jb).

Dengan demikian maka daerah-daerah negatif yang luasnya besar tidak terjadi pada

suhu rendah, sehingga kebanyakan spin tetap positif dan magnetisasi tetap positif.

Oleh sebab itu M>0 untuk T>0, sehingga sistem adalah ferromagnetik. Magnetisasi

M akan menjadi nol pada suatu suhu kritis Tc>0.

Lars Onsager (1944) melakukan perhitungan secara eksak untuk model Ising

2-dimensi dari kisi berbentuk persegi tanpa medan magnet luar (B=0). Dengan

menggunakan interaksi berjangkauan pendek, perhitungan itu memperlihatkan suatu

transisi fasa. Hasil-hasil perhitungan itu adalah sebagai berikut.

12

sinh cBTk

J (6.92)

atau

269,2)21ln(

1

J

Tk cB (6.93)

Page 150: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

145

Solusi eksak energy U adalah

1)(

2

2cosh2sinh

12sinh2tanh2 1

2

K

JJ

JNJJNJU (6.94)

dengan

2/

022

1

sin1)(

dK (6.95)

adalah integral elliptik lengkap jenis pertama di mana

2)2(cosh

2sinh2

J

J

(6.96)

Gambar 6.11 Parameter sebagai fungsi J; =1/kBT.

Gambar 6.11 memperlihatkan parameter sebagai fungsi J. Terlihat bahwa

harga maksimum =1 adalah pada J =0,44 atau T=Tc=2,269J/kB seperti persamaan

(6.89). Harga =0 terjadi pada suhu rendah dan suhu tinggi

Suku pertama dari energi dalam persamaan (6.94) sama dengan dua kali

energi untuk model Ising 1-dimensi dalam persamaan (6.68). Suku kedua dalam

persamaan itu sama dengan nol pada suhu rendah dan suhu tinggi karena

2/)0(1 K . Pada T=Tc atau =1 suku kedua itu juga nol karena

1)/2sinh( cBTkJ . Tetapi, K1() mempunyai singularitas logaritmik di T=Tc di

mana =1, sehingga keseluruhan suku kedua itu berkelakuan sepeperti

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 1 2 3J

Page 151: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

146

cc TTTT ln)( di dekat Tc. Jadi, energy U(T) adalah kontinu di T=Tc dan di semua

suhu lainnya.

Kapasitas panas yang diturunkan dengan T

UTC

)( adalah

))()12tanh2()(2tanh1(

)()(2coth4

)(

12

212

112

KJJ

EKJJNkTC B

(6.97)

di mana

2/

0

221 sin1)(

dE (6.98)

adalah integral eliptik lengkap jenis kedua. Pada suhu dekat Tc, kapasitas panas itu

adalah

konstanta1ln22

2

ccB

BT

T

Tk

JNkC

(6.99)

Terlihat bahwa kapasitas panas secara logaritma divergen pada pada T=Tc, yakni

cT

TC 1ln~ (6.100)

T=TC dikaitkan dengan transisi fasa. Untuk itu perlu diketahui apakah pada

suhu itu ada magnetisasi spontan, yakni pada T>0 apakah M0 untuk B=0. Tetapi

solusi Onsager terbatas pada medan magnet B=0. Untuk menentukan magnetisasi

spontan harus digunakan rumusan B

F

untuk B terbatas, lalu dibuatlah B=0.

Sayangnya tidak diketahui solusi eksak dari model Ising 2-dimensi sebagai fungsi

medan magnet B.

Menurut Yang (1952) magnetisasi untuk T<TC dan suseptibilitas untuk B=0,

solusi eksak untuk magnetisasi per spin adalah

Page 152: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

147

C

CB

TT

TTJTm

0

]2[sinh1)(

8/14 (6.101)

Magnetisasi per spin sebagai fungsi suhu diperlihatkan dalam Gambar 6.12.

Gambar 6.12 Magnetisasi per spin sebagai fungsi suhu.

Terlihat bahwa pada suhu dekat dengan TC magnetisasi 8/1/1 CB TTm ; harga

ini dikaitkan dengan keadaan teratur (order). Pada suhu T>TC, m=0, dikaitkan dengan

keadaan disorder. Suseptibilitas pada B=0, ketika TTC adalah

4/7

1~

CT

T (6.102)

6.7 Teori Mean-Field

Di atas telah dikemukakan bahwa solusi eksak model Ising 2-dimensi terbatas pada

medan magnet luar B=0. Untuk mengatasi hal tersebut berkembanglah teori mean-

field atau teori medan molekuler dari Weiss. Dalam bentuknya yang paling

sederhana, diasumsikan bahwa setiap spin berinteraksi dengan medan magnet efektif

yang sama,

BsJBq

j

jef 1

(6.103)

TC T

m

Page 153: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

148

Untuk suatu spin, sebutlah spin ke- i, somasi dijalankan pada q buah spin

tetangganya. Karena orientasi spin-spin tetangga itu bergantung pada orientasi spin

ke-i, maka efB berfluktuasi dari harga rata-ratanya

BqJmBsJBq

j

jef 1

(6.104)

di mana ms j untuk semua j. Tetapi, dalam aproksimasi mean-field, deviasi efB

dari efB di abaikan sehingga setiap spin dipandang memperoleh medan efB .

Dengan asumsi dan aproksimasi tersebut, maka fungsi partisi sebuah spin adalah

)cosh(21

1

1

1 BqJmeZs

Bs ef

(6.105)

Dengan fungsi partisi di atas, maka energy bebas Helmholtz sebuah spin adalah

)]cosh(2ln[ln1

11 BqJmTkZF B

(6.106)

sehingga magnetisasi per spin adalah

)]([tanh1 BqJmB

Fm

(6.107)

Persamaan di atas adalah self-consistent yang solusinya m.

Gambar 6.17 memperlihatkan harga m pada B=0 masing-masing dengan

qJ 0,5; 1; 1,5; dan 2. Perpotongan kurva magnetisasi dengan garis diagonal pada

1qJ di mana m0 adalah keadaan stabil, sedangkan m=0 untuk semua harga

qJ adalah keadaan yang tak-stabil. Dari Gambar 6.17 terlihat bahwa solusi

0)(tanh qJmm hanya jika 1qJ . Jadi, suhu kritis TC adalah pada 1qJ

atau

B

Ck

JqT (6.108)

Jelas bahwa untuk 1qJ atau T<TC magnetisasi m0, tetapi dengan 1qJ atau

T>TC magnetisasi m=0.

Page 154: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

149

Gambar 6.17 Harga magnetisasi m pada medan magnet B=0 untuk qJ 0,5; 1; 1,5; 2.

Di dekat TC magnetisasi sangat kecil sehingga persamaan (6.107) dapat

diekspansi menjadi

..........3

1 3 JqmJqmm (6.109)

Persamaan ini mempunyai dua solusi, yakni

0m (6.110a)

dan

2/1

2/3)1(

)(

3 Jq

Jqm

(6.110b)

Solusi pertama, m=0 berkaitan dengan suhu tinggi, di mana sistem spin berada pada

keadaan paramagnet tak teratur (disorder), sedangkan solusi kedua berkaitan dengan

suhu rendah di mana sistem spin berada pada keadaan ferromagnetik teratur (order).

Solusi mana yang benar ditentukan oleh energi bebas Helmholtz paling kecil.

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

stabil

stabil

tak-stabil

m

m

Jq=2

1.5

1

0.5

tanh(Jqm)

Page 155: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

150

Mengingat JqTk CB dalam persamaan (6.108) maka persamaan (6.110b)

dapat dituliskan seperti

2/1

2/13)(

C

C

C T

TT

T

TTm

(6.111)

Jelas terlihat bahwa jika suhu T digeser dari bawah menuju TC , magnetisasi m

menuju nol. Magnetisasi m disebut sebagai parameter order dari sistem spin, karena

m0 menunjukkan keadaan order sedangkan m=0 menunjukkan keadaan disorder

dari sistem spin.

Suseptibilitas per spin pada B=0 di sekitar suhu TC adalah

)tanh1(1

)tanh1(lim 2

2

0 JqmJq

Jqm

B

m

B

(6.112)

Terlihat, untuk suhu yang tinggi, J0, suseptibilitas per spin menuju hukum Curie (lihat

persamaan 6.13)) untuk spin-spin tak berinteraksi. Untuk T sedikit di atas TC berlaku

CTT

T

~

(6.113)

Inilah yang disebut hukum Curie-Weiss.

Magnetisasi pada suhu TC sebagai fungsi medan magnet luar B bisa

ditentukan dengan mengekspansi persamaan (6.107) seperti

......

3

13

Tk

Bm

Tk

Bmm

BB (6.114)

Untuk m dan B sangat kecil, bisa diasumsikan B/kBT<<m sehingga diperoleh

.;3

3/1

C

CB

TTTk

Bm

(6.115)

Energi per spin dalam aproksimasi mean-field merupakan nilai rata-rata

dibagi dua untuk menghindari penghitungan dua kali. Energi itu adalah

Page 156: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

151

2

2

2

1

))(tanh(2

1

Jqm

BJqmJqE

(6.116)

Karena m=0 pada T>TC maka energi dan kapasitas panas sama dengan nol untuk

semua suhu T>TC. Pada suhu TTC kapasitas panas C3kB/2. Ini menunjukkan

adanya lompatan kapasitas panas pada T=TC.

6.8 Teori Landau Tentang Transisi Fasa

Telah dikemukakan bahwa ide teori mean-field adalah pengabaian korelasi antara

spin-spin. Untuk model Ising dapat dituliskan spin di titik kisi r sebagai

)()( rmrm

dan interaksi bisa dinyatakan seperti

)'()()'()(

)'()()'()(

2 rrrrmm

rmrmrmrm

(6.117)

Jika disumsikan ,)( mr

suku terakhir bisa diabaikan sehingga

2

2

2

)'()(

'2)'()(

)'()(

)'()()'()(

mrmrmm

mrmrmmm

rrmm

rmrmrmrm

(6.118)

Dengan pendekatan itu, total energi adalah

r

B

r

B

rr

r

B

rr

rmBJmNJm

rmBmrmrmmJ

rmBrmrmJU

)(2

1

)(])'()([

)()'()(

2

2

',

',

(6.119)

Dengan itu maka fungsi partisi adalah

Page 157: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

152

NB

JmN

BJmeZ )(cosh22

2

1

(6.120)

Dan energy bebas untuk suatu harga m tertentu adalah

)(coshln2

1

ln

2 BJMNNJm

ZTkF

B

B

(6.121)

Dalam keadaan setimbang energy bebas itu minimum untuk harga T dan B tertentu.

Dengan demikian maka harga m bisa diperoleh dengan meminimumkan F. Hasilnya

adalah

)(tanh BJmm BB (6.122)

Landau menyadari bahwa ungkapan kualitatif dari teori mean-field bisa

disederhana- kan melalui rumusan energi bebas. Karena m sangat kecil di suhu

kritis, beralasan untuk mengasumsikan kerapatan energi bebas f=F/V bisa dituliskan

seperti

BmcmbmaTmf 42

4

1

2

1),( (6.123)

di mana a, b, c bergantung pada T. Asumsi untuk persamaan (6.123) di atas adalah

bahwa f bisa diekspansi dengan deret ukur dalam m di sekitar m=0 dekat dengan

suhu kritis. Seperti teori mean-field, meskipun asumsinya kurang tepat, namun teori

Landau ini secara umum sangat berguna. mUntuk model Ising, Landau

mengasumsikan bahwa f(m) simetris terhadap m=0, sehingga m3

dilupakan. Besaran

m disebut parameter order karena harganya nol jika T>TC tidak sama dengan nol

jika T<TC. Jadi, m itu mengkarakterisasikan sifat transisi.

Harga setimbang dari m adalah harga yang meminimumkan energi bebas.

Dalam Gambar 6.18 diperlihatkan dua buah kurva f sebagai fungsi m dengan a=1.

Kurva pertama dengan b=c=2, sedangkan yang kedua –b=c=2. Terlihat, jika b>0 dan

Page 158: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

153

c>0, harga minimum f di m=0. Tetapi jika b<0 dan c>0, harga minimum f di m0.

Untuk B=0,

03

cmbm

m

f (6.124)

Jika diasumsikan )(0 CTTbb dan c>0, maka dari persamaan (6.122) diperoleh

TTc

bm C 0 (6.125)

Gambar 6.18 Kerapatan energy bebas f sebagai fungsi m.

Dari kerapatan energy bebas f entropi adalah

T

mc

T

mbm

T

b

T

a

T

fs

)(

4

)(

22

1 422 (6.126)

Selanjutnya, panas jenis adalah

2

422

2

2 )(

4

)(

T

mcT

T

m

T

bT

T

aT

T

sTC

(6.127)

f

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.5 1 1.5 2 2.5 m

b=c=2

-b=c=2

Page 159: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

154

di mana 0/ 22 Tb , dan telah diasumsikan c tidak bergantung pada T. Karena

m=0 untuk T>TC maka 2

2

T

aTC

untuk TTC dari atas. Untuk TTC dari

bawah, diperoleh ,)( 0

2

c

b

T

m

0b

T

b

dan

2

0

2

22

2)(

c

b

T

m. Jadi, diperoleh

bawahdari2

atasdari

20

2

2

2

2

C

C

TTc

bT

T

aT

TTT

aT

C (6.128)

Terlihat bahwa parameter order m dan panas jenis C memi;liki ke;lakuan yang sama

didekat TC seperti yang telah diperoleh sebelumnya dengan teori mean-field dari

model Ising.

Page 160: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

155

Soal-soal

1. Tentukanlah perbandingan jumlah elektron yang memiliki spin paralel dan

antiparalel terhadap medan magnet sebagai fungsi suhu. Lakukanlah pada T=10,

300 dan 1000 K. Ingat, momen magnet spin suatu elektron:

SM BS

2 ,

di mana B adalah magneton Bohr elektron

.

2. (a) Tunjukkan bahwa fungsi partisi suatu gas elektron dalam suatu medan

magnet B adalah

Z= 2 cosh(µBB/kBT),

di mana µB adalah magneton Bohr.

(b) Hitunglah energi magnetik suatu elektron gas dalam medan magnet, lalu

tunjukkan bahwa paramagnetisme elektron-elektron bebas berkaitan dengan

magnetisasi

M=nµB tanh(µBB/kBT),

n adalah jumlah elektron per satuan volume.

3. Momen magnetik atom-atom (juga molekul) yang memiliki momentum sudut J

adalah JgM BJ

.

(a) Temukanlah suatu rumusan yang memberikan jumlah atom-atom dengan

nilai Jz=mħ, jika atom-atom ditempatkan dalam medan magnet B yang sejajar

sumbu-z.

(b) Tunjukkan bahwa fungsi partisi sistem itu adalah:

)/sinh(

]/)sinh[(

21

21

kTgBμ

kTgBμjZ

B

B

.

(c) Buktikan bahwa untuk j=1/2, fungsi partisi itu berubah menjadi fungsi partisi

untuk elektron.

4. Tinjaulah sistem dengan empat spin dari suatu rantai Ising 1-dimensi.

Tentukanlah keadaan-keadaan mikronya, lalu buktikan bahwa fungsi partisinya

adalah

Page 161: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

156

34 )cosh2(2 JZ

5. Tunjukkan bahwa untuk harga J terbatas, fungsi korelasi spin-spin G(r) akan

meluruh jika r membesar.

6. Tunjukkanlah bahwa energi konfigurasi suatu rantai Ising 1-dimensi dengan satu

domain tidak bergantung pada jumlah spin dalam domain.

7. Tentukanlah m(T) dari solusinumeriknya persamaan (6.107) untuk B=1, dan

abndingkanlah hasilnya dengan solusi eksak dari persamaan (6.89).

Page 162: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

157

STATISTIK BOSE-EINSTEIN

Dalam Bab 5 telah dikemukakan bahwa partikel-partikel yang memiliki spin 0, 1,

2,..... tidak mengikuti prinsip eksklusi Pauli. Jumlah partikel yang bisa menempati

suatu fungsi keadaan tidak terbatas: 0, 1, 2, 3,….. Oleh sebab itu fungsi keadaannya,

bersifat simetrik terhadap pertukaran partikel. Statistik untuk itu disebut Bose-

Einstein, dan partikel disebut boson. Partikel-partikel yang termasuk boson memiliki

spin bulat: 0, 1, 2,..... Contohnya fonon dan foton, demikian juga inti 4He berspin 0.

Dalam Bab 5 sudah dikemukakan bahwa sistem partikel kuantum dapat dipandang

sebagai ensembel kanonik besar.

7.1 Distribusi Bose-Einstein

Dalam persamaan (2.47) dan (2.51), fungsi partisi besar sistem partikel adalah

i

i

i

nE iie)(

(7.1)

dengan

i

ii

n

nE

i e)(

(7.2)

adalah fungsi partisi besar keadaan mikro ke-i dan =1/kBT.

Karena ni=0, 1, 2, ..... untuk boson, maka fungsi partisi besar untuk keadaan

mikro -i adalah

)

)(3)(2)(

)(

(1

1

.......1

i

n

ii

E

EEE

inE

e

eee

e

iii

i

(7.3)

Dengan fungsi partisi besar di atas, potensial kanonik besar pada keadaan mikro ke-i

adalah

7

Page 163: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

158

)(1

1lnln

i

BiBi Ee

TkTk (7.4)

dan potensial kanonik besar adalah

i

iB

i iB

i

iBB

E

E

eTk

eTk

TkTk

)

)

(

(

1ln

1

1ln

lnln

(7.5)

Berdasarkan rumusan jumlah partikel /)( iiEn , maka dari

persamaan (7.4) jumlah partikel pada keadaan mikro ke-i adalah

1

1

1)(

)(

i

i

i

Bi

Ee

TkEn

(7.6)

Persamaan (7.6) di atas disebut distribusi Bose-Einstein. Persamaan yang sama

dikenal sebagai bilangan okupasi Bose yang merupakan jumlah boson berenergi

Ei pada suhu T. Distribusi itu konvergen hanya jika (Ei-µ)>0 untuk semua keadaan-

i. Andaikan E0=0 maka distribusi itu mempunyai makna jika potensial kimiawi

0 . (7.7)

Dengan demikian maka nilai z=eµ

adalah 0<z<1.

Dalam Gambar 7.1 diperlihatkan kurva bilangan okupasi n sebagai fungsi

(E-). Untuk E> maka exp[(E-)]=1, dan n→; artinya keadaan E> harus

selalu dipenuhi.

Page 164: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

159

Gambar 7.1 Bilangan okupasi sebagai fungsi (E-) untuk Bose-Einstein (BE) dan

Fermi-Dirac (FD).

7.2 Radiasi Planck

Dalam fisika benda hitam dikemukakan bahwa atom-atom di dalam dinding benda

itu mampu menyerap radiasi dan mengemisikannya kembali secara sempurna.

Penyerapan dan pengemisian radiasi berlangsung secara kontinu hingga tercapai

keadaan setimbang. Dalam keadaan setimbang, laju penyerapan sama dengan laju

pengemisisan. Spektrum emisi itu diungkapkan dengan intensitas sebagai fungsi

panjang gelombang. Ternyata kebergantungan intensitas terhadap panjang

gelombang bergantung pada suhu dinding.

Dalam interaksinya dengan material, radiasi dipandang sebagai partikel yang

disebut foton; momentumnya dirumuskan seperti h/ dan energi hv, di mana dan v

masing-masing adalah panjang gelombang dan frekuensi radiasi tersebut. Radiasi

benda hitam dapat diasumsikan sebagai gas foton. Antar foton tidak ada interaksi,

interaksi hanya dengan atom dinding saja.

Masalahnya adalah, jumlah foton tidak konstan, karena foton-foton itu bisa

diserap dan diemisikan oleh atom-atom dalam dinding. Oleh sebab itu syarat

i

idn 0 tidak terpakai; artinya parametr tidaklah penting, sehingga untuk foton

=0 dan distribusi Bose-Einstein untuk kasus ini menjadi

1

1)(

/

Tkhvk

BeEn . (7.8)

Selain itu, karena spektrumnya kontinu, maka benda hitam berukuran jauh

lebih besar dari pada panjang gelombang rata-rata radiasi, maka rumusan itu berubah

menjadi

BE

FD

n(E)

0 (E-)

1

Page 165: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

160

1

)(/

kThve

dEEgdn (7.9)

di mana,

dEEh

mVdEEg 2/1

3

2/13 )2(4)(

.

Dari segi momentum, E=p2/2m, g(p)=g(E)dE/dp,

2

3

2/12

3

2/13 4

2

)2(4

)()(

ph

V

m

p

m

p

h

mV

dp

dEEgpg

(7.10a)

Selanjutnya, dengan p=h/=hv/c, maka g(v)=g(p)dp/dv. Jadi

2

3

2

3

44)( v

c

V

c

h

c

hv

h

Vg

(7.10b)

Dengan demikian maka

dve

v

c

Vdn

kThv 1

8/

2

3

(7.11)

di mana faktor 2 telah dimasukkan mengingat foton sebagai gelombang menjalar

secara transversal.

Distribusi kerapatan energi foton dalam selang frekuensi dv, yakni energi

yang berkaitan dengan dn buah foton persatuan volume adalah

dnV

hvdvv )( (7.12)

Jadi, kerapatan energi foton adalah

1

18

1

18)(

/3/3

3

kThckThv e

h

ec

hvv

(7.13)

Page 166: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

161

Apa yang telah dilakukan di atas merupakan penurunan persamaan radiasi benda

hitam, yang telah dikemukakan Planck sebelumnya. Dalam Gambar 7.2

diperlihatkan kurva )( pada berbagai suhu.

Gambar 7.2 Spektrum radiasi benda hitam pada suhu T1<T2<T3.

Energi total per satuan volume adalah

44

33

0

/3

3

0

4

1

18)(

TTkhc

dvec

hvdvv

V

U

B

Tkhv B

(7.14)

di mana

4

33

4Bk

hc

(7.15)

dikenal sebagai konstanta Stefan-Boltzmann.

7.3 Gas Ideal Boson

Suhu Rendah

Energi suatu partikel gas ideal boson adalah energi kinetik (translasi) saja, yakni

mkE 2/22 . Kerapatan keadaan gas boson adalah sama dengan gas ideal

T1

T2

T3

Page 167: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

162

2/1

2/3

2

22)( E

h

mVEg

Jumlah partikel boson

i i iii E

eEnN

1

1)(

)( .

Karena tingkat-tingkat energinya kontinu maka

dEe

Eg

dEEgEnN

E

0 1

)(

)()(

)(

(7.16)

Jelas bahwa jumlah partikel boson dalam volume V bergantung pada potensial

kimiawi µ dan suhu T: N=N(µ,T). Dalam kebanyakan eksperimen, N itu tetap, dan

analisa dilakukan dengan menggunakan ensembel kanonik besar. Karena N tetap

maka potensial kimiawi harus bergantung pada suhu: µ=µ(T).

Jumlah partikel dalam persamaan (7.16),

dxez

x

h

mV

dEe

E

h

mVN

x

E

01

2/12/3

2

0

2/12/3

2

1

22

1

22

)(

(7.17a)

Nyatakanlah

)(2

33zq

VN

(7.17b)

di mana

dxez

x

nzq

x

n

n

0

1

1

1)(

1)( (7.18)

disebut fungsi polilogaritma.

Page 168: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

163

Sekarang, jika T0, µ0 atau z1, )(2

3 zq ditentukan sebagai berikut.

dxze

xze

ndx

ez

x

nzq

x

nx

x

n

n

0

1

0

1

1

1)(

1

1)(

1)(

Nyatakanlah

m

mxm

xez

ze1

1

sehingga

0

1

1

0

1

1

0 0

1

)(

1

)(

1

)()(

nu

mn

m

nmx

m

m

m

mxmnxn

uedum

z

n

xedxzn

ezxdxen

zzq

di mana u=mx. Ingat bahwa defenisi fungsi gamma adalah )(

0

1 nuedu nu

. Jadi,

1

)(m

n

m

nm

zzq

Untuk z=1

)()1( nqn (7.19)

adalah fungsi zeta dari Riemann. Untuk n=3/2, 612,2)2/3()1(2/3 q . Dengan

demikian maka persamaan (7.17b) menjadi

eks.maxCB N

h

TmkV

VN

2/3

23

2612,2)2/3(

(7.20)

di mana TC adalah suhu kritis di mana z=1 (maksimum) atau potensial kimiawi µ=0

Page 169: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

164

(maksimum). Jumlah partikel N dalam persamaan (7.20) adalah sama dengan jumlah

maksimum partikel tereksitasi, eks.maxN . Suhu kritis itu dapat dinyatakan seperti

3/22

612,22

V

N

mk

hT

B

C

(7.21)

Sebagai gambaran tentang suhu TC, misalkan volume 1cm3 berisi 10

23 atom

hidrogen yang massanya 1,710-27

kg. Dengan persamaan (7.21) diperoleh TC=7K.

Untuk atom yang massanya dua kali lebih besar, suhu kritis itu 3,5K.

Untuk suhu 0TTC potensial kimiawi µ=0. Jika suhu dinaikkan, T>TC,

jumlah partikel tereksitasi tidak bertambah karena µ<0. Pada suhu T<TC jumlah

partikel tereksitasi adalah

C

C

eks TTT

TNN

;

2/3

(7.22)

Partikel-partikel boson yang tidak tereksitasi berada pada keadaan dasar E=0. Sesuai

dengan persamaan (7.5) jumlah partikel itu adalah

z

z

enN

11

1)0(0

(7.23)

dengan

ez . Jika T→0, µ=0, z→1 maka n(0)N. Artinya, pada suhu T<TC ,

jumlah partikel pada keadaan dasar adalah

C

C

eks TTT

TNNNN

;1

2/3

0 (7.24)

Persamaan (7.24) menunjukkan bahwa jika suhu diturunkan mulai dari TC, partikel

boson mulai terkondensasi di keadaan dasar, dan jumlah partikel di keadaan dasar

itu terus bertambah jika T0K. Ketika semua atau hampir semua partikel

bertumpuk di keadaan dasar, maka keseluruhan partikel itu berbagi fungsi keadaan

dasar dan oleh sebab itu berkelakuan sebagai suatu partikel tunggal. Inilah yang

disebut kondensasi Bose-Einstein. Peristiwa kondensasi itu merupakan gejala

kuantum makroskopik.

Page 170: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

165

Suhu Tinggi

Tinjaulah gas boson pada suhu tinggi, z=eµ

<<1. Dari persamaan (7.16) jumlah

partikel

dEe

eE

h

mVdE

e

E

h

mVN

E

E

E

0

2/12/3

2

0

2/12/3

2 )(

)(

)(1

22

1

22

Misalkan x=E maka

dxze

exz

h

mVN

x

x

0

2/1

2/3

2/3

2 1

22

Karena 1 ez , maka dapat dilakukan ekspansi

dxzeexz

h

mVN xx ).........1(

22

0

2/1

2/3

2/3

2

duzeeuz

h

mV uu ).........1(2

22

0

2

2/3

2/3

2

22

dengan x=u2. Tampak bahwa integral di atas adalah integral Gauss, di mana

12

0

2

2!

)!12(/2

n

n a

n

ndueu au

Akhirnya diperoleh

.........

221

3

zzVN

(7.25)

dengan

2/12

2/12

22

Tmk

h

m

h

B

adalah panjang gelombang termal partikel boson.

Page 171: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

166

Persamaan (7.25) merupakan ekspansi yang dapat dilakukan karena

1/3 VN ; artinya, jarak antar partikel jauh lebih kecil dari pada panjang

gelombang termal. Hal itu terpenuhi pada suhu tinggi atau z=eµ

<<1. Ketika T

atau 0 apakah z1? Itu tidak terjadi, karena N konstan. Maka µ harus

bergantung suhu, seperti telah dikemukakan dalam penjelasan bagi persamaan

(7.16). Jadi, pada peningkatan suhu T, µ-∞ lebih cepat daripada 0.

Energi gas ideal boson adalah

dEe

EEg

dEEgEEnU

E

0 1

)(

)()(

)(

(7.26)

merupakan energi gas boson sebagai fungsi suhu dan potensial kimiawi. sedangkan

tekanan gas boson

dEeEg

pV

E

0

)(1ln)(1

ln1

Mengingat 2/1

2/3

2

22)( E

h

mVEg

, maka integral parsil akan menghasilkan

UdEe

EgEpV

E 3

2

1

)(

3

2

0

)(

(7.27)

Persamaan di atas secara implicit merupakan persamaan gas boson.

Sehubungan dengan energi, dari persamaan (7.26)

0

2/3

2/5

2/3

2

0

2/32/3

20

1

22

1

22

1

)()()(

dxze

exz

h

mV

dEe

E

h

mVdE

e

EEgU

x

x

EE

Page 172: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

167

atau

0

2/3

2/5

2/3

2......)1(

22 dxzeex

z

h

mVU xx

(7.28)

dengan x=βE. Ekspansi boleh dilakukan karena 1 ez . Selanjutnya, dengan

menggunakan integral Gauss diperoleh

........

241

2

33

zzVU

(7.29)

Mengingat z<<1 pada suhu tinggi dan 1/3 VN , maka dapat dilakukan

pendekatan,

...

22

11

33

V

N

V

Nz

Substitusi ke persamaan (7.29) akan menghasilkan

.......

24

11

2

3 3

V

NTNkU B

(7.30)

Tampak bahwa energi itu sama dengan energi gas ideal klassik pada suhu yang

tinggi, yakni TNkU B2

3 . Berdasarkan persamaan (7.27), tekanan adalah

.......

24

11

3

V

NTNkpV B

(7.31)

Sudah disadari bahwa nilai potensial kimiawi untuk suhu 0TTC adalah

µ=0. Bagaimana jika suhu T>TC? Dalam persamaan (7.20) max,eksN adalah hasil

integral dalam persamaan (7.24a) di mana µ=0. Selisih antara max,eksN dan N adalah

0

)(max, )(1

1

1

1dEEg

eeNN

EEeks

Persamaan di atas dapat dituliskan menjadi

Page 173: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

168

0

)(

2/12/3

2max,11

12

2 dEee

Eee

h

mVNN

EE

E

eks

Karena µ cukup kecil maka integral itu didominasi oleh E yang kecil, sehingga

fungsi-fungsi eksponensial di atas dapat dilinierisasi. Dengan pendekatan itu maka

0

2/1

2/3

2max,)(

122 dE

EEh

mVNNeks

Misalkan E=x2 maka

0

1

0

2

0

2/1tan

22

)(

1 x

x

dxdE

EE

Jadi,

Tk

h

mVNN Beks

2/3

2

2max,

22

sehingga diperoleh

CBC

B

eks

TTTkT

T

TkV

NN

m

h

;1621.24

1

1

32

22/3

22

max,

34

6

(7.32)

Dalam Gambar 7.3(a) diperlihatkan µ sebagai fungsi T dan dalam Gambar 7.3(b) N0

dan Neks sebagai fungsi T.

Jika jumlah partikel N lebih besar dari pada jumlah maksimum partikel

terseksitasi Neks,maks, maka tidak ada tingkat eksitasi lebih yang bisa ditempati

partikel. Hal itu menyebabkan jumlah partikel tersisa (N-Neks,maks) akan menempati

keadaan dasar. Jumlah partikel tersisa yang menempati keadaan dasar merefleksikan

hilangnya potensial kimia, dan penambahan suatu partikel tidak akan menambah

energi sistem. Gas boson di keadaan seperti itu disebut gas Bose yang berdegenerasi.

Page 174: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

169

Gamar 7.3 (a) Kurva µ sebagai fungsi T, dan (b) jumlah partikel boson di keadaan

dasar dan keadaan tereksitasi sebagai fungsi T.

Energi total partikel boson untuk suhu tinggi T>TC diperoleh dari persamaan

(7.29). Energi total pada T<TC adalah

)2/5(1

1

22

3

0

)(

2/12/3

2

VdE

e

E

h

mVU

E

Berdasarkan persamaan (7.19), 612,2// 3eksNV , sedangkan )2/5( =2,011,

maka

C

C

C

BBeks

TTT

TnRT

T

TTNkTkNU

;77,0

07777,0

2/3

2/3

(7.33)

Kalor jenis molar adalah

C

CV

V TTT

TR

T

U

nC

;952,1

12/3

(7.34)

N

Neks

0 1 T/TC

1

N

N0

(b)

(a)

0 1 T/TC

Page 175: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

170

Gambar 7.4 memperlihatkan kapasitas kalor molar sebagai fungsi suhu. Terlihat

bahwa sebagai akibat dari sifat potensial kimiawi µ, terjadi transisi kalor jenis molar

CV di T=TC. Pada T yang tinggi sekali CV menuju ke harga gas ideal klassik.

Gambar 7.4 Kalor jenis molar gas boson ideal.

Ramalan tentang kondensasi Bose-Einstein dikemukakan pada tahun 1924.

Tetapi ramalan itu baru menjadi kenyataan pada tahun 1955, ketika E. Cornell dan

C. Wieman berhasil mendemonstrasikan fenomena itu dengan gas atom 87

Rb.

7.4 Kapasitas zat padat

Zat padat adalah sistem dari sejumlah besar atom atau molekul yang posisinya

masing-masing dalam keadaan setimbang karena gaya-gaya kohesi yang kuat hasil

dari interaksi listrik. Gerakan yang ada adalah gerak individu dalam bentuk vibrasi

kecil di sekitar kedudukan setimbangnya. Karena gaya kohesi yang kuat, vibrasi satu

atom berdampak terhadap atom tetangganya. Oleh sebab itu vibrasi berlangsung

secara kolektif. Vibrasi kolektif itu membentuk gelombang berdiri dalam zat padat;

frekuensinya membentuk spektrum diskrit dengan spasi yang sangat kecil sehingga

dapat dipandang kontinu. Karena vibrasi itu berkaitan dengan sifat elastik bahan,

maka gelombangnya menjalar dengan kecepatan bunyi. Gelombang demikian

dinyatakan sebagai partikel yang disebut fonon.

Dua bentuk penjalaran gelombang elastik dalam zat padat adalah

longitudinal dan transversal. Misalkan kecepatannya masing-masing vl dan vt;

misalkan pula g(v)dv sebagai jumlah modus-modus berbagai vibrasi dalam daerah

CV

3/2 R

0 1 T/TC

Gas ideal klassik

Page 176: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

171

frekuensi antara v dan v+dv. Untuk gelombang transversal berlaku rumusan untuk

fonon,

dvvV

dvvgt

t

2

3v

8)(

(7.35a)

dan untuk gelombang longitudinal:

dvvV

dvvgl

t

2

3v

4)(

(7.35b)

Jumlah keseluruhan modus dalam daerah frekuensi antara v dan v+dv adalah

dvvVdvvgtl

2

33 v

2

v

14)(

(7.36)

Jika N adalah jumlah atom dalam zat padat, maka modus vibrasi harus digambarkan

dalam 3N buah posisi koordinat atom. Jadi, jumlah modus vibrasi adalah 3N,

sehingga

oo

dvvVdvvgNtl

v

0

2

33

0v

2

v

14)(3

atau

3v

2

v

143

3

0

33

vVN

tl

(7.37)

di mana v0 disebut frekuensi cut-off. Selanjutnya persamaan jumlah keseluruhan

modus dalam daerah frekuensi antara v dan v+dv dapat dituliskan seperti:

dvvv

Ndvvg

o

2

3

9)( (7.38)

Dalam pembahasan radiasi benda hitam modus-modus vibrasi elektromagnet

telah dipandang sebagai gas foton. Di sini juga, modus-modus vibrasi elastik dalam

zat padat dapat dipandang sebagai gas fonon. Energi sebuah fonon adalag hv di

mana v adalah frekuensi vibrasi elastik. Karena semua fonon identik, dan karena

jumlahnya dengan energi sama tidak terbatas, maka dalam keadaan setimbang suhu

fonon memenuhi statistik Bose-Einstein. Jadi jumlah fonon berenergi hv dalam

daerah frekuensi antara v dan v+dv dalam kesetimbangan suhu pada T adalah

1

9

1

)(/

2

3/

kThv

o

kThv e

dvv

v

N

e

dvvgdn (7.39)

Page 177: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

172

Total energi vibrasi dalam daerah frekuensi itu adalah

1

9/

3

3

kThv

o e

dvv

v

NhdnhvdU (7.40)

sehingga total energi vibrasi seluruh modus adalah

ov

kThv

o e

dvv

v

NhU

0

/

3

3 1

9 (7.41)

Selanjutnya dapat ditentukan kapasitas kalor zat padat pada volume tetap

adalah:

de

e

kT

hN

T

U

nC

o

kTh

kTh

o

A

V

V

0

/

/4

23

2

1

91 (7.42)

di mana n menyatakan jumlah mole dan n=N/NA,, NA adalah bilangan Avogadro.

Dengan menyatakan D=hvo/kB sebagai suhu Debey, kNA=R, dan x=hv/kBT maka

dxe

exTRC

T

x

x

D

V

D

/

0

43

19 (7.43)

Kurva CV sebagai fungsi T/D diperlihatkan dalam Gambar 7.6. Ternyata kurva di

atas dipenuhi oleh padatan-padatan Ag, Al, C(grafit), Al2O3 dan KCl. Suhu Debey

untuk padatan-padatan ini adalah seperti tabel di bawah ini.

Gambar 7.6 CV sebagai fungsi suhu.

Tabel suhu Debey dari beberapa jenis padatan

CV/R

3

0 0.5 1.0 1.5 2.0 T/D

Page 178: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

173

Jenis padatan D(K) Jenis padatan D(K)

Ag 225 Ge 366

Au 165 Na 159

C(grafit) 1860 Ni 456

Cu 339 Pt 229

Dari kurva di atas terlihat bahwa pada suhu D atau di atasnya, kapasitas kalor

semua zat adalah 3R ; hal ini sesuai denga hukum Dulong-Petit yang dikemukakan

pada abad 19. Hal ini juga sesuai dengan prinsip ekipartisi energi, karena

kBT>>hvo=kBD, maka energi vibrasi per derajat kebebasan adalah 2(½kBT)=kBT,

dan untuk 3 derajat kebebasan dari setiap atom adalah 3kBT. Oleh sebab itu, energi

dalam adalah

nRTTkNU B 3)3( (7.44)

yang berkaitan dengan CV=3R.

Page 179: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

174

Soal-soal

1. Berdasarkan hubungan entropi S dan potensial kanonik besar :

,VTS

Turunkanlah rumusan untuk entropi.

13. Tunjukkan secara langsung dari fungsi partisi bahwa rata-rata energi gas boson

bias dituliskan dengan menggunakan harga rata-rata bilangan okupasi:

k

kk EnU .

14. Hitunglah tekanan suatu gas boson dibawah suhu kondensasi TC , dan jelaskan

mengapa itu tidak bergantung pada volume.

15. Periksalah kalau fenomena kondensasi Bose-Einstein dalam gas boson terjadi

dua dimensi.

16. Andaikan foton-foton sebagai osilator klasik dengan energi rata-rata kBT.

Tentukanlah distribusi rapat energi; ini adalah rumus radiasi benda hitam dari

Rayleigh-Jeans. Mengapa asumsi ini memberikan distribusi yang sama untuk

frekuensi rendah pada rumus radiasi Planck?

17. Asumsikan foton mengikuti statistik Maxwell-Boltzmann. Tentukanlah

distribusi kerapatan energi; ini adalah rumus radiasi benda hitam dari Wien.

Mengapa asumsi ini memberikan distribusi yang sama untuk frekuensi tinggi

pada rumus radiasi Planck?

Page 180: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

175

KONDENSASI BOSE-EINSTEIN

Perlu diulangi apa yang telah dikemukakan dalam Bab7, yakni sifat gas ideal boson

pada suhu rendah. Jika suhu diturunkan ke suhu rendah, potensial kimia meningkat

dari nilai negatif menjadi nol tepat pada suhu kritis. Jika suhu terus diturunkan

potensial kimia itu bertahan nol dan partikel-partikel boson mulai terkondensasi di

keadaan dasar partikel-tunggal. Semakin rendah suhu, semakin banyak partikel

boson yang bertumpuk di keadaan dasar itu. Secara keseluruhan partikel-partikel

boson itu berbagi fungsi keadaan dasar sehingga berkelakuan sebagai suatu partikel

besar. Fenomena itulah yang disebut kondensasi Bose-Einstein.

8.1 Kondensasi Boson

Dalam persamaan (7.17a) jumlah partikel boson dalam sistem adalah

konstan1

22

0

2/12/3

2 )(

dE

e

E

h

mVN

E (8.1)

di mana jumlah partikel boson itu dipandang konstant.

Gambar 8.1 Integran 1/)(2/1

EeE sebagai fungsi E/kB.

0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

12

T=5K, /kB=-0,001

T=5K, /kB=-1 1

)(

2/1

Ee

E

T=10K,/kB= -12

E/kB T=1K,/kB= -0.0001

8

Page 181: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

176

Dalam Gambar 8.1 diperlihatkan integran 1

)(

2/1

E

e

E sebagai fungsi E/kB

untuk berbagai harga T dan /kB. Integral dari fungsi merupakan luas dibawah

masing-masing kurva, dan itu sebanding dengan jumlah partikel. Terlihat dalam

gambar, Semakin rendah suhu semakin kecil luas dibawah kurva. Itu berarti,

semakin rendah suhu semakin kecil jumlah partikel. Tetapi dari semula telah

diandaikan jumlah partikel adalah konstan. Jika demikian maka pertanyaannya

adalah: dimana partikel-partikel itu pada suhu rendah ???

Menurut Einstein, partikel-partikel bukannya menghilang, tetapi bertumpuk

di keadaan dasar partikel tunggal. Maka, pada suhu rendah keadaan dasar partikel

boson diduduki oleh sejumlah boson, seperti Gambar 8.2. Dikatakan bahwa keadaan

kuantum seperti itu adalah kuantum yang makroskopik. Inilah yang disebut

kondensasi Bose-Einstein.

Gambar 8.2 Keadaan dasar 0 dengan sejumlah boson.

Pertanyaannya adalah pda kondisi fisis seperti apakah sifat seperti itu bisa

dicapai? Besaran pertama yang perlu ditinjau adalah suhu kritis Tc seperti telah

diperlihatkan pada persamaan (7.21).

3/22

612,22

V

N

mk

hT

B

C

(8.2)

Untuk memperoleh perkiraan suhu kritis misalkan jumlah atom 1022

dalam volume 1

cm3. Untuk atom hidrogen, massa atom adalah 1.710

-24 gram diperoleh Tc=7 K.

Untuk atom yang lebih berat akan diperoleh suhu kritis yang lebih rendah.

0

Page 182: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

177

Pengetahuan sebelumnya menunjukkan bahwa pada tekanan atmosfer, semua

zat pada suhu rendah seperti itu berfasa padat atau likuid. Titik beku paling rendah

dimiliki oleh: nitrogen pada 63 K, neon pada 25 K, hidrogen 14 K. 4He adalah

pengecualian, yang mencair pada 4,2 K dan tidak bisa membeku walau suhu terus

diturunkan. Itu menunjukkan bahwa gaya-gaya antar-atom sangat lemah.

Kerapatannya hanya 0,14 gram/cm3 dan viskositasnya 40 P; ini berarti bahwa sifat-

sifatnya lebih dekat pada gas kental daripada likuid. Pada suhu kamar, viskositas air

0.01 P, dan nitrogen dan helium mempunyai viskositas 210-4

P. Karena viskositas

sebanding dengan T1/2

, viskositas gas-gas itu pada 4 K akan berorder 10-5

P.

8.2 Fenomena Okupasi Makroskopik

Apakah artinya jika keadaan dasar diduduki oleh sejumlah partikel. Untuk itu

misalkan keadaan dasar itu adalah

ie0 (8.3)

dengan 0 sebagai amplitudo dan fasa. Fungsi di atas dinormalisasi sebagai

berikut

NdV * (8.4)

di mana N adalah jumlah partikel boson yang menduduki keadaan dasar.

Pengertian dari V* bergantung jumlah partikel. Gambar memperlihatlan

suatu boks bervolume V dengan sejumlah tertentu partikel. Periksalah dari waktu

ke waktu berapa banyak partikel di dalam boks.

Dapat dibedakan tiga kasus berikut:

Gambar 8.3. Tiga keadaan partikel dalam boks bervolume V

.

V

Page 183: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

178

1. Di sana hanya ada satu partikel. Dalam banyak waktu boks itu kosong. Tetapi,

ada peluang untuk menemukan partikel di dalam boks seperti V* . Jadi

peluang itu sebanding dengan V . Faktor * disebut rapat peluang.

2. Jika jumlah partikel sedikit lebih banyak maka beberapa partikel ada di dalam

boks. Suatu harga rata-rata bisa didefenisikan, tapi jumlah partikel yang

sebenarnya di dalam boks mempunyai fluktuasi yang relatif besar di sekitar rata-

rata itu.

3. Dalam kasus sangat banyak partikel, selalu terdapat banyak partikel dalam boks.

Jumlah itu berfluktuasi tetapi fluktuasi di sekitar harga rata-rata relatif kecil.

Harga rata-rata itu sebanding dengan V dan * sekarang disebut kerapatan

partikel.

Kerapatan aliran probabilitas partikel Jp (jumlah partikel/s/m2) adalah

ccAqim

J p *)(2

1

(8.5)

di mana q adalah muatan partikel dan A

potensial vektor. Dengan persamaan (8.3)

)(2

2

0 Aqm

J p

(8.6)

Jika fungsi gelombang diduduki secara makroskopi, kerapatan aliran probabilitas

partikel menjadi suatu kerapatan aliran partikel.Misalkan kecepatan partikel vs maka

ssp vJm

(8.7)

Kerapatan (massa/m3) adalah

sm 2

0 (8.8)

sehingga diperoleh kecepatan

Aqm

vs

1 (8.9)

Page 184: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

179

Persamaan (8.9) penting sekali, karena memperlihatkan hubungan antara kecepatan

kondensat, yakni konsep klassik, dengan fasa fungsi gelombang, suatu konsep

kuantum.

8.3 Persamaan Gross–Pitaevskii

Misalkan adalah fungsi gelombang keadaan dasar dari sistem N boson.

Berdasarkan aproksimasi Hartree-Fock fungsi itu dapat diungkapkan sebagai

perkalian fungsi-fungsi partikel tunggal ,

)().........()(),.......,,( 2121 NN rrrrrr (8.10)

di mana ri adalah koordinat boson ke-i. Hamiltonian sistem boson itu adalah

N

i ji

jis

i

i

rrm

arV

rmH

1

2

2

22

)(4

)(2

(8.11)

di mana V adalah potensial luar. Suku kedua merupakan interaksi antara partikel-

partikel dengan as adalah panjang hamburan boson-boson. Fungsi gelombang

partikel tunggal memenuhi persamaan Schrödinger

)()()(4

)(2

22

2

22

rrrm

arV

rm

s

(8.12)

Persamaan ini disebut persamaan Gross–Pitaevskii; persamaan ini bersifat nonlinier

dan mirip dengan persamaan Ginzburg–Landau. Fungsi partikel-tunggal itu

memenuhi syarat normalisasi

NdVr 2

)(

(8.13)

Suatu kondensat Bose-Einstein (BEC) adalah gas boson yang atom-atomnya berada

pada suatu keadaan kuantum yaitu persamaan Schrodinger partikel-tunggal. Sebuah

partikel kuantum bebas digambarkan oleh persamaan Schrodinger partikel-tunggal.

Interaksi antara partikel-partikel dalam suatu gas ril harus diperhitungkan dengan

suatu persamaan Schrodinger yang berkaitan dengan banyak-benda. Jika rata-rata

spasi antara partikel-partikel di dalam gas lebih besar daripada panjang hamburan

Page 185: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

180

(disebut batas encer), maka orang dapat mengaproksimasikan potensial interaksi

yang sesungguhnya dalam persamaan itu dengan suatu pseudopotensial.

Nonlinieritas dari persamaan Gross-Pitaevskii berawal dari interaksi antara partikel-

partikel, di mana persamaan Schrodinger partikel tunggal menggambarkan satu

partikel di dalam potensial perangkap.

8.4 Helium 4He

Teori kondensasi di atas diturunkan untuk gas boson ideal. Dalam keadaan normal

tidak ada gas yang dapat didinginkan hingga mencapai sihu TC. Pada umumnya

bahan-bahan ada dalam keadaan padat, tidak mengalami kondensasi Bose-Einstein.

Pengecualian adalah atom 4He; atom ini termasuk boson karena spinnya 0.

Pada tekanan normal, bahan ini tidak berbentuk padat meskipun suhunya rendah.

Tetapi bahan ini bukan gas, melainkan berupa cairan pada suhu 4,2 K dengan

kerapatan 0,178 gram/cm3. Meskipun demikian interaksi antar atom cukup lemah.

Jika dinyatakan sebagai gas maka suhu kritisnya TC=3.2 K. Dalam eksperimen

ditemukan transisi fasa pada suhu T=2.17 K di mana gas 4He

I berubah menjadi

cairan 4He

II seperti Gambar 8.3.

Gambar 8.3 Kalor jenis molar likuid 4He yang besama-sama dengan uapnya.

Karena bentuk kurva mirip huruf , maka kurva itu disebut kurva lamda dan suhu

transisi disebut T.

Bentuk kurva dalam Gambar 8.5 itu mirip dengan Gambar 7.4 untuk gas

boson ideal. Artinya, telah terjadi kondensasi Bose-Einstein. Pergeseran TC bisa

dijelaskan karena 4He adalah likuid bukan gas. Pada suhu suhu di bawah 2.172 K

CV

0 2 T T(K)

Page 186: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

181

helium dinamakan 4He

II dan di atas suhu 2.172K dinamakan

4He

I.

4He

I

memperlihatkan kelakuan yang aneh, tidak mempunyai kalor jenis. Hal itu diperlihat

oleh penurunan CV pada suhu sedikit di atas 2,172 K. Sifat menonjol dari 4He

II

adalah tidak memiliki viskositas. Bahan likuid tanpa viskositas disebut superfluid.

Karena tidak memiliki viskositas, aliran bahan superfluid tidak mengalami gesekan.

Superfluiditas untuk pertama kalinya ditemukan dalam likuid 4He pada tahun 1938

oleh Pyotr Kapitsa, John Allen dan Don Misener.

8.5 Superfluid Helium

Di bawah suhu kritis (T) helium memperlihatkan sifat yang unik yakni superfluid.

Sebagian liquid yang membentuk komponen superfluid adalah suatu fluida kuantum

makroskopik. Atom helium adalah netral, q=0. Massa partikel m=m4 sehingga

persamaan (8.9) menjadi

4

1

mvs (8.14)

Untuk sembarang loop di dalam liquid persamaan di atas memberikan

sdm

sdvs

..

4

(8.15)

Karena sifat single-valued fungsi gelombang berlaku

nsd 2.

(8.16)

dengan n adalah bilangan bulat. Jadi persamaan (8.15) menjadi

4

2.m

nsdvs

(8.17)

Untuk helium, besaran

4

2m

=1,010

-7 m

2/s (8.18)

adalah kuantum sirkulasi. Untuk gerak melingkar dengan jari-jari r,

Page 187: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

182

rvsdv ss 2.

(8.19)

Dalam kasus single kuantum, n=1,

r

vs2

1 (8.20)

Bilaman superfluid helium dibuat bergerak rotasi, persamaan (8.19) tidak

akan terpenuhi untuk semua loop di dalam likuid kecuali jika rotasi terorganisasi di

sekitar garis vortex seperti dalam Gambar 8.4.

Gambar 8.4 Bagian bawah: sayatan vertikal dari suatu kolom superfluid helium yang

berotasi sekitar suatu sumbu vertikal. Bagian atas: pandang atas permukaan yang

memperlihatkan pola ters-teras vortex. Dari kiri ke kanan laju rotasi ditingkatkan

untuk menghasilkan kerapatan garis-vortex.

Garis-garis ini mempunyai teras hampa dengan suatu diameter sekitar 1 Å

(yang lebih kecil daripada jarak rata-rata partikel. Superfluid helium berotasi sekitar

teras dengan kecepatan sangat tinggi. Persis di luar teras kecepatan itu sebesar 160

m/s. Teras-teras dari garis-garis vortex dan kontainer berotasi layaknya suatu benda

padat di sekitar sumbu-sumbu rotasi dengan kecepatan sudut yang sama. Jumlah

garis-garis vortex meningkat dengan kecepatan sudut seperti diperlihatkan dalam

Gambar 8.4 bagian atas. Baca: E.J. Yarmchuk and R.E. Packard, J. Low Temp.

Phys. Vol. 46 (1982) p. 479

Page 188: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

183

8.6 Penjebakan dan pendinginan atom-atom

Kondensat Bose-Einstein memerlukan kondisi yang sangat khusus. Boson-boson

yang telah dimurnikan dari elemen-elemen lain ditempatkan dalam ruang vakum.

Pilihan yang populer adalah boson dari atom-atom helium, natrium, rubidium dan

hidrogen.

Perkembangan laser membuka jalan untuk pengembangan metoda baru

untuk memanipulasi dan pendinginan atom-atom yang diekploitasi untuk

merealisasikan kondensasi Bose-Einstein dalam uap atom-atom alkali. Untuk itu

perhatikan Gambar 8.5.

Gambar 8.5 Penjebakan dan pendinginan atom-atom.

Suatu berkas natrium keluar dari suatu oven bersuhu 600 K, sesuai dengan

kecepatan 800 m/s. Berkas itu dilewatkan melalui apa yang disebut pelambat

Zeeman, di mana kecepatan atom-atom diturunkan hingga sekitar 30 m/s yang setara

dengan suhu 1 K.

Di dalam pelambat Zeeman, suatu berkas laser menjalar dalam arah

berlawanan dengan berkas atom, sehingga gaya radiasi yang dihasilkan melalui

absorpsi foton memperlambat atom-atom. Karena effek Doppler, frekuensi transisi

atom dalam kerangka laboratorium pada umunya tidak konstan. Tetapi, dengan

menggunakan suatu medan magnet tak-homogen yang dirancang sedemikian maka

effek Doppler dan effek Zeeman saling meniadakan dan frekuensi transisi atom bisa

dibuat fix. Keluar dari pelambat Zeeman atom-atom itu cukup lambat untuk siap

ditangkap oleh penjebak magneto-optiks, di mana atom-atom itu selanjutnya

didinginkan melalui interaksi dengan sinar laser ke suhu 100 µK. Cara lain

pengkompensasian untuk mengubah geseran Doppler adalah dengan meningkatkan

frekuensi laser (disebut chirping).

Oven Pelambat Zeeman Penjebak magneto-optiks

Page 189: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

184

Dalam eksperimen lain, penjebak magneto-optiks diisi dengan mentransfer atom-

atom dari penjebak magneto-optiks kedua di mana atom-atom ditangkap langsung

dari uapnya. Setelah jumlah atom-atom terakumulasi cukup banyak (~1010

) di dalam

penjebak magneto-optiks, suatu perangkap magnet dinyalakan dan berkas laser

dipadamkan sehingga atom-atom terkurung oleh perangkap magnet murni. Pada

tingkat ini, kerapatan atom-atom relatif rendah, dan gas masih sangat tak-

berdegenerasi dengan kerapatan ruang-fasa beroder 10-6

.

Langkah terakhir untuk mencapai kondensasi Bose-Einstein adalah

pendinginan evaporatif, di mana atom-atom berenergi lebih tinggi akan

meninggalkan sistem. Sederhananya, pendinginan evaporatif memungkinkan atom-

atom yang lebih berenergi (lebih cepat) melepaskan diri dari perangkap

meninggalkan atom-atom lain yang lebih lambat, lebih dingin, kurang berenergi.

Dari semuah jenis atom, rubidium adalah yang termudah untuk dikondensasi-BEC-

kan karena atomnya paling besar; atom ini mencapai kecepatan rendah pada suhu

lebih tinggi karena hubungan massa energi; lihat persamaan (8.18)-(8.20). Ketika

atom-atom mencapai suhu di mana hanya atom-atom pada keadaan dasar yang

tersisa, mereke bergabung menjadi kondensat Bose-Einstein, yang bersifat layaknya

suatu super-atom.

8.7 Laser Atom

Laser atom analog dengan laser optik. Laser atom mengemisikan gelombang materi

sebagaimana laser optik mengemisikan gelombang elektromagnet. Outputnya adalah

gelombang materi yang koheren, suatu berkas atom-atom yang bisa difokuskan pada

suatu titik atau dikolimasi untuk bergerak jarak jauh tanpa menyebar. Berkas itu

koheren, artinya berkas atom itu luar biasa terang.

Laser atom memerlukan resonator (kavitas) yang dalam hal ini berupa bahan

aktif, dan kopler output. Resonator itu adalah suatu jebakan magnet di mana atom-

atom itu dikurung oleh “cermin-cermin magnet”. Bahan aktif adalah suatu awan

termal dari atom-atom ultra-dingin, dan kopler output adalah suatu pulsa rf yang

mengkontrol “reflektifits” cermin-cermin magnet.

Analogi dari emisi spontan dalam laser optik adalah hamburan spontan atom-

atom yakni tumbukan-tumbukan yang mirip dengan tumbkan antara bola-bola

billiard. Di dalam laser optik, emisi stimulat foton-foton menyebabkan medan

Page 190: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

185

radiasi terbentuk di dalam modus tunggal. Di dalam laser atom, adanya kondensat

Bose-Einstein (atom-atom yang menempati suatu “modus tunggal” sistem yakni

keadaan dasar) menyebabkan hamburan terstimulasi oleh atom-atom ke dalam

modus itu. Tepatnya, adanya suatu kondensat dengan N atom meningkatkan

probabilitas suatu atom akan terhambur ke dalam kondensat dengan N+1 atom.

Dalam suatu gas normal, atom-atom terhambur di antara banyak modus dari

sistem. Tetapi ketika suhu kritis untuk kondensasi Bose-Einstein tercapai, mereka

terhambur terutama ke dalam energi keadaan terendah dari sistem, satu dari ribuan

keadaan kuantum yang mungkin. Proses yang mendadak ini merupakan analogi

yang sangat dekat dengan ambang pengoperasian suatu laser, ketika laser mendadak

hidup saat suplai atom-atom radiasi ditingkatkan.

Dalam laser atom, eksitasi medium aktif dilakukan dengan pendinginan

evaporasi- proses evaporasi menciptakan suatu awan yang tidak setimbang termal

dan relaks menuju suhu lebih dingin. Ini menghasilkan pertumbuhan kondensat.

Setelah setimbang, gain bersih dari laser atom adalah nol, artinya, fraksi kondensat

jadi konstant hingga pendinginan lebih jauh dilakukan.

Tak sama dengan laser optik yang kadang-kadang meradiasikan beberapa

modus, laser gelombang materi selalu beroperasi dalam modus tunggal.

Pembentukan kondensat Bose-Einstein sebenarnya melibatkan kompetisi modus:

keadaan eksitasi pertama tidak bisa terpopulasi secara makroskopik karena semua

boson lebih mudah menempati keadaan dasar. Output laser optik adalah berkas

cahaya terkolimasi. Untuk laser atom, output adalah suatu berkas atom. Laser optik

dan laser atom bisa berbentuk kontinu dan pulsa, tetapi sejauh ini laser atom yang

telah direalisasi baru dalam bentuk pulsa. Baca: Wolfgang Ketterle (2002), Nobel

lecture: When atoms behave as waves: Bose-Einstein condensation and the atom

laser, Rev. Mod. Phys, 74,1131-1151

8.8 Helium 3He

Pada tahun 1972 fenomena yang sama dalam 3He ditemukan oleh Douglas

D. Osheroff, David M. Lee, and Robert C. Richardson. Sebenarnya atom 3He

termasuk fermion. Pada tekanan atmosfer, gas 3He mencair pada suhu 3,2K

sedangkan 4He mencair pada 4,2K. Kedua isotop tidak membeku pada suhu 0K

Page 191: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

186

sekalipun. Kerapatan 3He adalah 0,07 gram/cm

3 sedangkan

4He adalah 0,14

gram/cm3. Viskositas

3He adalah 25 µP sedangkan

4He adalah 50 µP. Berdasarkan

persamaan (4.9), suhu Fermi 3He adalah 4,5 K.

Maka agar 3He berdegenerasi, suhunya harus jauh di bawah 4.5 K. Pada suhu

di bawah 1mK, dua atom 3He yang berpasangan membentuk molekul diatomik yang

dapat dipandang sebagai sebuah boson, sehingga bersifat superfluid. Elektron-

elektron adalah juga fermion, sehingga sifat superfluid dalam 3He merupakan

analogi dengan elektron. Analogi elektronik dari superfluid 3He dikenal sebagai

superkonduktivitas yang ditemukan oleh Komerlingh-Onnes pada tahun 1911.

Teori superkonduktivitas baru muncul pada tahun 1957 oleh Bardeen,

Cooper dan Schrieffer (BCS). Superkonduktivitas diartikan sebagai superfluiditas

fermion dari elektron. Persis sama dengan 3He, di bawah suhu transisi ada suatu

mekanisme yang menciptakan gaya tarik netto antara pasangan-pasangan elektron

dengan energi sekitar energi Fermi. Muatan listrik suatu elektron menginduksikan

suatu kerapatan muatan di sekitarnya, dan kerapatan muatan itu akan menarik

elektron lain sehingga terbentuk pasangan elektron yang disebut pasangan Cooper.

Elektron-elektron dalam pasangan itu bergerak dengan cara terkorelasi,

bahkan jika jarak antara keduanya cukup besar sekalipun dan diantaranya ada

elektron-elektron lain. Karena gerakan yang terkorelasi itu, maka pada keadaan

dasar elektron-elektron itu sulit untuk bisa tereksitasi sehingga pasangan-pasangan

elektron bergerak tanpa gesekan sebagaimana superfluid boson. Karena muatan satu

pasangan Cooper adalah 2e, maka gerakan pasangan itu merupakan arus listrik, dan

aliran superfluidnya adalah suatu arus listrik tanpa resistivitas (superkonduktor).

Page 192: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

187

Apendiks 1

KONSTANTA FUNDAMENTAL

Besaran Simbol Nilai numerik Unit

Konstanta Boltzmann kB 1,3806503 10-23 JK

-1

8,617342 10-23

eVK-1

Konstanta Stefan-

Boltzmann

σ 5,6703 x 10-8 W/m2K

4

Bilangan Avogadro

NA 6,022 x 1023

1/mole

Konstanta gas universal

Kecapatan cahaya

R= NA kB

c

8,314

2,99792458 108

J/mole K

ms-1

Permeabiltas ruang hampa µ0 4 107 NA

-2

Permittivitas ruang hampa 0=1/ µ0c2

8,854187817 10-12

Fm-1

Konstanta Planck h 6,62606876 10-34

Js

Konstanta Planck/2 2/h 1,054571596 10-34

Js

Muatan elementer e 1,602176462 C

Massa diam elektron me 9,10938188 kg

mec2 0,510998902 MeV

Massa diam proton mp 1,67262158 Kg

mpc2 938,271998 MeV

Massa diam neutron

mn

mnc2

1,675 x 10-27

939,57

kg

MeV

Satuan massa atom mu=m(12

C)/12 1,66053873 kg

muc2 931,494013 MeV

8,617342 10-23

eVK-1

Inversi struktur halus -1

137,03599976

Jari-jari Bohr a0 0,5291770282 10-10

0,529

m

Å

Unit energi atom e2/40a0 27,2113834 eV

Page 193: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

188

Magneton Bohr µB 9,27400899 10-24

JT-1

Magneton inti µN 5,05078317 10-27

JT-1

Nilai-g elektron

ge 2,002319

Nilai-g proton

gN 5,585695

Elektron volt

eV 1,6022 x 10-19

J

Angstrom

Å 10-10

m

Page 194: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

189

Apendiks 2

TURUNAN DARI PERSAMAAN KEADAAN

Tinjaulah tiga besaran X, Y, Z dalam suatu persamaan keadaan F(X, Y, Z)=konstan.

Misalkan X, Y sebagai variabel- variabel bebas sementara Z=Z(X, Y). Maka

dYY

ZdX

X

ZdZ

XY

(A2.1)

Jika Y, Z dinyatakan sebagai variabel- variabel bebas, maka

dZZ

XdY

Y

XdX

YZ

(A2.2)

Jika persamaan (A2.1) dikali ZY

X

dan persamaan (A2.2) dikali

XY

Z

lalu

diperkurangkan, hasilnya adalah

dZY

Z

Z

X

Y

XdX

Y

Z

Y

X

X

Z

XYZXZY

`Karena dX dan dY bebas satu sama lain, persamaan di atas kompatibel jika

0

XZY Y

Z

Y

X

X

Z

0

XYZ Y

Z

Z

X

Y

X

atau

1

ZZXXYY X

Y

Y

X

Y

Z

Z

Y

X

Z

Z

X (A2.3)

1

YXZ X

Z

Z

Y

Y

X (A2.4)

Sekarang tinjau besaran R(X, Y); diferensialnya adalah

dYY

RdX

X

RdR

XY

Jika Y=konstan, dY=0, maka

Page 195: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

190

YYY Z

X

X

R

Z

R

(A2.5)

Selain itu diperoleh juga hubungan

ZXYZ X

Y

Y

R

X

R

X

R

(A2.6)

Persamaan (A2.5), (A2.6) bersama dengan (A2.3) dan (A2.4) dan hbungan Maxwell

biasa digunakan untuk transformasi dan komputasi turunan-turunan dari persamaan

keadaan.

Page 196: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

191

Apendiks 3

BEBERAPA INTEGRAL

1. bxb

xbx

bdxbxx cossin

1sin

2

2. )2sin(4

1

2sin 2 bx

b

xdxbx

3. )2cos(8

1)2sin(

44sin

2

22 bx

bbx

b

xxdxbxx

4. )2cos(4

)2sin(8

1

46sin

23

322 bx

b

xbx

bb

xxdxbxx

5. )1(1

2 bxe

bdxxe bxbx

6.

32

22 22

bb

x

b

xedxex bxbx

7. 0;!

1

0

aa

ndxxe

n

nax

8. 2

1

0

2

dxex x

9. a

dxe ax

2

1

0

2

10. ,...3,2,1,0,0;2

!1

0

12

0

12 22

naa

ndxex

a

ndxex

n

axnaxn

11. ...3,21,0,0;2!

)!2(

2

121212

0

)1(2

0

2 22

naan

ndxex

a

ndxex

nn

axnaxn

12. 61

2

0

dxe

xx

Page 197: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

192

13. 40,2)3(21

0

2

dxe

xx

14.

0 )1(

1)(

knk

n disebut fungsi zeta Riemann

15. 151

4

0

3

dxe

xx

16.

Gammafungsi);(0

1 2

zdxex axz

Page 198: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

193

Apendiks 4

RUMUS STIRLING

Karena N!=1 2 3 ......... N, maka

1ln

lnln

ln........3ln2ln1ln!ln

1

1

NNN

xxxdxx

NN

NN

(A4.1)

Jika N>>1, maka

NNNN ln!ln (A4.2)

Pendekatan yang lebih teliti untuk N! Bisa dperoleh dari ungkapan integral

xNexdxN

0

! (A4.3)

Dalam integran xNexxf )( , xN adalah fungsi yang cepat bertambah untuk N besar,

dan e-x

adalah fungsi yang menurun terhadap x. Maka f(x) memperlihatkan suatu

maksimum yang tajam untuk beberapa nilai x. Untuk itu misalkan z=x/N, zN=e

Nlnz

sehingga

)ln( zzNNzNNxN eNezNexf (A4.4)

Karena maksimu z-ln z adalah di z=1, maka tuliskan z=1+t dan

))1ln(())1ln(1( ttNNNttNN eeNeNf (A4.5)

Karena ln(t+1)t-t2/2 maka

2/2NtNN eeNf (A4.6)

Jadi untuk N besar fungsi f mempunyai harga maksimum di t=0, sehingga

Page 199: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

194

2/1

2/1

1

2/

0

2

!

2

2

NeN

edteN

eNdteNfdxN

NN

NtNN

NtNN

(A4.7)

dan akhirnya,

)2ln(2

1ln!ln NNNNN . (A4.8)

Ini adalah bentuk lebih kuat dari aproksimasi Stirling.

Page 200: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

195

Apendiks 5

FUNGSI GAMMA

Fungsi Gamma didefenisikan seperti

0

1)( dxxen nx

(A5.1)

dan berlaku

!)()1( nnnn ; n bulat positif (A5.2)

1!0!1 dan 1)2()1( . (A5.3)

Untuk pecahan

2/)1(2

!)!2()2/(

n

nn

(A5.4)

di mana

24.....)2(!! nnn ; jika n genap (A5.5)

13.....)2(!! nnn ; jika n ganjil (A5.6)

dan berlaku

1!!0!!1 dan 2

)2/3()2/1(

. (A5.7)

Page 201: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

196

Apendiks 6

INTEGRAL FERMI

Integral yang sering terjadi dalam kaitannya dengan gas ideal Fermi mempunyai

bentuk

)()21(!

1

1

02

nndxxe

eI nn

x

x

n

(A6.1)

di mana fungsi zeta Riemann didefenisikan sepert

0 )1(

1)(

knk

n (A6.2)

Harga-harga beberapa fungsi itu adalah

612,2)2/3(

645,16

)2(2

341,1)2/5(

202,1)3(

082,190

)4(4

014,1945

)6(6

Page 202: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

197

Apendiks 7

INTEGRAL BOSE

Dalam gas ideal boson ditemukan integral sebagai berikut.

001

0 0

)1(

0 0

)1(

0 0

)1(

1

11

1)(

dyyek

dxxe

dxxe

dxxe

edxx

enI

ny

kn

n

k

xk

n

k

xk

n

x

xn

xB

(A7.1)

Jika digunakan defenisi fungsi zeta Riemann

0 )1(

1)(

knk

n (A7.2)

dan defenisi funghsi gamma

0

1)( dxxen nx (A7.3)

maka diperoleh

)1()1()( nnnI B (A7.4)

Jika n adalah suatu bilangan bulat maka berlaku

)1(!)( nnnI B

(A7.5)

Page 204: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

199

Daftar Bacaan

1. R. Feynman, R. Leighton, and M. Sands, The Feynman Lectures on Physics, Volume I,

Addison Wesley 1963

2. C. Kittel, Elementary Statistical Physics, John Wiley & Son 1967

3. M. Alonso and E. J. Finn, Fundamental Unversity Physics, Volume III, Quantum and

Statistical Physics, Addison Wesley 1968

4. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Statistical Physics, Pergamon Press, 1971

5. K. Huang, Statistical Mechanics, John Wiley & Son 1987

6. D. J. Amit and Y. Verbin, Statistical Physics, World Scientific 2006

Page 205: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

200

INDEKS

aproksimasi Hartree-Fock, 180

aproksimasi mean-field, 149, 151

aproksimasi Sterling, 31, 34

atom 4He, 181

availabilitas, 12, 13, 21

bahan paramagnet, 122, 125, 131

benda hitam, 67, 160, 162, 172, 175

Bobot statistik, 27

boson, 48, 99, 158, 159, 162, 163,

165, 166, 167, 169, 170, 171, 175,

176, 177, 178, 180, 181, 184, 186,

187, 198

Diamagnetisme Landau, 132

dinding domain, 143, 144, 145

distribusi Bose-Einstein, 159, 160

distribusi energi molekul, 59, 60

distribusi Fermi, 100, 104

distribusi Maxwell-Boltzmann, 37, 59,

112

doping akseptor, 114

doping donor, 114

efek kuantum, 57

effek Doppler, 184

effek Zeeman, 184

Ekspansi Virial, 75

emisi termionik, 110

energi bebas Gibbs, 4, 15, 16, 19, 20,

49, 90, 92

energi bebas Helmholtz, 4, 14, 24, 38,

39, 83, 121, 150

energi dalam, 2, 3, 4, 13, 16, 33, 34,

54, 57, 63, 65, 74, 100, 146, 174

energi Fermi, 100, 101, 102, 103, 106,

109, 114, 115, 116, 117, 118, 119,

130, 187

energi internal molekul, 61

ensembel kanonik besar, 45, 56, 99,

158, 163

ensemble kanonik, 33, 48

ensemble mikrokanonik, 33

entalpi, 4, 14, 18, 49

entropi, 1, 2, 3, 4, 8, 9, 10, 11, 12, 13,

14, 18, 19, 25, 30, 31, 32, 34, 36,

39, 40, 41, 42, 46, 47, 48, 50, 54,

55, 56, 66, 68, 80, 81, 84, 90, 94,

107, 144, 154, 175

fermion, 48, 98, 99, 100, 101, 107,

108, 109, 117, 133, 186, 187

feromagnet, 90, 143

frekuensi siklotron, 133

fungsi distribusi dua partikel, 73

fungsi distribusi Fermi, 112, 119

fungsi distribusi radial, 73, 75

fungsi gamma, 164

fungsi korelasi, 73, 138, 139, 157

fungsi korelasi pasangan, 73

fungsi Langevin, 121, 122

fungsi partisi, 37, 39, 40, 41, 42, 44,

46, 47, 48, 49, 51, 53, 54, 55, 59,

62, 63, 71, 72, 73, 79, 99, 117, 120,

Page 206: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

201

121, 133, 138, 149, 152, 156, 158,

175

fungsi zeta dari Riemann, 164

garis binodal, 85, 86, 87, 88, 89

garis spinodal, 85, 86, 87, 88, 89

garis-garis vortex, 183

gas 3He, 186

gas ideal, 2, 6, 19, 20, 50, 51, 52, 53,

54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 63,

66, 67, 68, 80, 84, 86, 101, 102,

162, 167, 168, 171, 176, 197, 198

gas van der Waals, 17, 24, 79

harga efektif koefisien virial kedua, 84

hubungan Maxwell, 7, 24

Hukum Boyle, 79

hukum Curie, 122, 151

integral eliptik lengkap jenis kedua,

147

Keadaan makro, 27

keadaan mikro, 27, 28, 29, 30, 31, 32,

33, 34, 36, 37, 98, 99, 100, 131,

136, 158, 159

kondensasi Bose-Einstein, 90, 165,

171, 175, 176, 177, 181, 184, 185,

186

kondensat Bose-Einstein, 180, 185,

186

laser atom, 185, 186

magnetisasi, 22, 23, 44, 121, 122, 123,

126, 128, 129, 130, 131, 134, 135,

143, 144, 145, 147, 148, 149, 150,

151, 156

model Ising dalam kisi satu-dimensi,

135

model Ising dua-dimensi, 145

momen dipol magnet, 22, 120

momentum Fermi, 101

panjang gelombang de Broglie, 53

panjang gelombang termal, 53, 57, 58,

71, 105, 166, 167

panjang korelasi, 139, 140

Paramagnetik Pauli, 127

parameter order, 90, 92, 93, 94, 151,

153, 155

pelambat Zeeman, 184

pendinginan atom-atom, 184

penjebak magneto-optiks, 184, 185

penjumlahan Euler sebagai, 134

permukaan Fermi, 101, 130

persamaan Clausius-Clapeyron, 19

persamaan Gibbs-Duhem, 4, 17

persamaan Ginzburg–Landau, 180

persamaan Gross–Pitaevskii, 180

persamaan Richardson-Dushman, 110

persamaan Sackur-Tetrode, 55, 57

Potensial besar, 5, 71, 107

potensial kimia, 3, 5, 17, 45, 48, 50,

101, 102, 106, 117, 169, 176

potensial kimiawi, 2, 16, 17, 19, 20,

47, 57, 106, 159, 163, 164, 165,

167, 168, 171

potensial Lennard-Jones, 70

potensial pasangan, 72

potensial termodinamika, 4

prinsip eksklusi Pauli, 98

rapat effektif elektron, 113

Page 207: FISIKA STATISTIK - Universitas Padjadjaran...Fisika Statistik diawali oleh Daniel Bernoulli (1700-1792), dilanjutkan oleh Rudolf Clausius (1822–1888), James Clerk Maxwell (1831–1879)

202

rapat effektif hole, 113

semikonduktor, 111, 113, 114, 115,

116, 118, 119

semikonduktor intrinsik, 115

silikon tipe-n, 116

Sistem Partikel Berinteraksi, 70

statistik Bose-Einstein, 98, 172

statistik Fermi-Dirac, 98, 108, 118

Suhu Debey, 173

suhu Fermi, 103, 187

suhu karakteristik rotasi, 62

suhu karakteristik vibrasi, 63

suhu kritis, 80, 91, 95, 145, 149, 153,

164, 165, 176, 177, 182, 186

superfluid, 182, 183, 187

superkonduktivitas, 187

suseptibilitas magnet, 122, 123, 129,

131

Tekanan osmosis, 83

teori Landau, 94, 153

Transisi Fasa Order Kedua, 90

Transisi Fasa Order Pertama, 87

vibrasi pada satu molekul diatomik,

63