kronologis fisika kuantum

24
Kronologis fisika kuantum Kelompok V Sarinah Adelia Alfama Zamista Andi Amir Ika Tusywati Mutiara Arnovi Toni Era Wijaya

Upload: tun2jaya

Post on 30-Jun-2015

231 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Kronologis fisika kuantum

Kronologis fisika kuantum

Kelompok VSarinah

Adelia Alfama ZamistaAndi Amir

Ika TusywatiMutiara ArnoviToni Era Wijaya

Page 2: Kronologis fisika kuantum

Fisika Fisika mempelajari gejala alam yang tidak hidup atau materi

dalam lingkup ruang dan waktu. Para fisikawan atau ahli fisika mempelajari perilaku dan sifat materi dalam bidang yang sangat beragam, mulai dari partikel submikroskopis yang membentuk segala materi (fisika partikel) hingga perilaku

materi alam semesta sebagai satu kesatuan kosmos.

Mekanika klasikHukum gerak newton, mekanika lagrangian

ElektromagnetikElektrostatik, listrik, magnesitas, persamaan

Maxwwell

TermodinamikaMesin panas,Teori kinetis

Mekanika kuantumPersamaan schrodinger,Teori medan kuantum

Teori relativitasRelativitas khususRelativitas umum

Page 3: Kronologis fisika kuantum

Mekanika Klasik

•Dalam perkembangannya sebelum mekanika kuantum dikenal mekanika klasik (Newton, Lagrange, Hamilton dll)

•Mekanika klasik adalah bagian dari ilmu fisika mengenai gaya yang bekerja pada benda. Sering dinamakan "mekanika Newton" dari Newton dan hukum gerak Newton. Mekanika klasik dibagi menjadi sub bagian lagi, yaitu statika (mempelajari benda diam), kinematika (mempelajari benda bergerak), dan dinamika (mempelajari benda yang terpengaruh gaya). Lihat juga mekanika. •Mekanika klasik menggambarkan dinamika partikel atau sistem partikel.

Mekanika klasik sukses menjelaskan gerak dinamis benda-benda makroskopis.

Tentang Mekanika Klasik

Meskipun mekanika klasik hampir cocok dengan teori "klasik" lainnya seperti elektrodinamika dan termodinamika klasik, ada beberapa ketidaksamaan ditemukan di akhir abad 19 yang hanya bisa

diselesaikan dengan fisika modern. Ketika mekanika klasik digabungkan dengan termodinamika klasik, mekanika klasik menuju ke

paradoks Gibbs yang menjelaskan entropi bukan kuantitas yang jelas dan ke penghancuran ultraviolet yang memperkirakan benda hitam mengeluarkan energi yang sangat besar.

Usaha untuk menyelesaikan permasalahan ini menuju ke pengembangan mekanika kuantum.

Page 4: Kronologis fisika kuantum

Sebelum masa mekanika kuantum cahaya dikelompokkan sebagai gelombang elektromagnetik berkat keberhasilan Maxwell memperoleh hasil perhitungan kecepatan gelombang elektromagnetik yang ternayata sama dengan kecepatan cahaya. Cahaya sebagai gelombang sangat berhasil menjelaskan beberapa sifat-sifat cahaya.

hakekat gelombang cahaya yaitu ketika gelombang cahaya ditembakkan pada permukaan logam maka energi yang diterima oleh permukaan sebanding dengan intensitas cahaya, luas permukaan logam yang disinari dan lamanya penyinaran. lni berarti bahwa apabila intensitas cahaya kecil, diperlukan waktu yanglebih lama agar energi yang diserap elektron cukup besar untuk melepaskan dirinya dari permukaan logam.

makin tinggi intensitas cahaya makin banyak pula energi yang diserap oleh elektron pada permukaan logam

Pada akhir abad ke 19 para ilmuwan tertarik pada pembahasan spektrum radiasi termal, yang tidak dapat dijalaskan dengan teori-teori klasik di atas. Akibatnya, dasar-dasar fisika yang ada secara radikal diteliti-ulang, dan dalam perempat pertama abad 20 muncul berbagai pengembangan teori seperti relativitas dan

mekanika kuantum.

Cahaya dalam Pandangan Fisika Klasik

Page 5: Kronologis fisika kuantum

Telah dipaparkan sebelumnya bahwa ada hal-hal yang tidak dapat dikaji dengan fisika klasik, seperti tidak bisa menjelaskan gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskofis dan bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, dan masalah radiasi interaksi radiasi materi. Oleh karena itu, diperlukan cara pandang yang berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut.

Pemikiran, eksperimen dan percobaan yang dilakukan berikutnya akhirnya berujung pada ditemukannya teori

dan mekanika kuantum

Page 6: Kronologis fisika kuantum

Radiasi Termal dan Postulat Planck

pada akhir abad ke 19 Spektrum radiasi thermal

menjadi bahan yang menarik bagi para ilmuwan, dan hal ini tidak dapat dijelaskan

dengan teori klasik.

Radiasi termal adalah pancaran suatu benda yang disebabkan oleh suhunya. Sebaran intensitasnya sebagai fungsi

frekuensi atau fungsi panjang gelombang disebut spektrum radiasi thermal.

*Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk

gelombangelektromagnetik.

Secara umum bentuk terinci dari spectrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu

benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Meskipun demikian hasil eksperimen

menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spectra panas

dengan kalor yang universal. Benda ini disebut benda hitam (black body).

*Sehingga pembahasan radiasi termal dibatasi pada pembahasan benda hitam sempurna

Page 7: Kronologis fisika kuantum

Pada tahun 1859, Gustav Kirchoff membuktikan suatu teorema berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap benda dalam keadaan kesetimbangan termal dengan radiasi daya yang dipancarkan adalah sebanding dengan daya yang diserapnya.

Untuk benda hitam, teorema kirchoff dinyatakan oleh

Dengan J(f,T) adalah suatu fungsi universal (sama untuk semua benda) yang bergantung hanya pada f , frekuensi cahaya, dan T, suhu mutlak benda. Persaman di atas menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan persatuan luas persatuan frekuensi oleh suatu benda hitam bergantung hanya pada suhu dan frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada sifat fisika dan kimia yang menyusun benda hitam,

Radiasi Termal dan Postulat Planck, lagi..

Page 8: Kronologis fisika kuantum

Radiasi Termal dan Postulat Planck, lanjutan..

Radiasi total, yaitu jumlah energi pancaran thermal meliputi semua ferkuensi ataupanjang gelombang, per satuan luas, per satuan waktu yang secara

matematis dapat dituliskan sebagai berikut :

1. Hukum StefanJosef Stefan (1835-1893) pada tahun 1879. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total persatuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas, Itotal (intensitas radiasi total), adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Karena itu, bentuk persamaan empiris hukum Stefan ditulis sebagai berikut :

Beberapa kaidah empirik sebagai hasil pengukuran eksperimental tentang pemancaran radiasi thermal oleh benda-benda sempurna hitam pada berbagai macam suhu T sebagai berikut

Page 9: Kronologis fisika kuantum

2. Hukum Pergeseran WienTerdapat hubungan antara suhu suatu benda sempurna hitam dengan panjang gelomabng maksimum, yaitu panjang gelombang yang menghasilkan RT (γ) bernilai maksimum.Secara matematis dinyatakan dengan :

Yang kemudian dicari adalah suatu landasan atau kerangka teoretik tentang radiasi termal yang dapat menerangkan faktor-faktor eksperimen tersebut….

Page 10: Kronologis fisika kuantum

Lalu Planck yang akhirnya menemukan landasan atau kerangka teoretik tentang radiasi termal yang dapat menerangkan faktor-faktor eksperimen tersebut….

Tentang osilator-osilator yang menjadi sumber energi pancaran thermal Max Planck mengandaikan hal-hal berikut :

1. Energi yang dapat dimiliki osilator tersebut tidak kontinu, melainkan berharga diskrit, yaitu kelipatan dari hν :

dalam ungkapan tersebut h dinamakan tetapan Planck, sedangkan adalah frekuensi geratan

2. Sebaran energi osilator menganut distribusi Boltzmann, yaitu kebolehjadian bahwa osilator mempunyai energi antara ε dan (ε+∆ε) adalah:

Page 11: Kronologis fisika kuantum

Pengandaian yang (1) tidak lazim saat itu, karena teori medan tidak mengenal kuantisasi energi, pengandaian tersebut merupakan suatu konsep baru. Maka digunakan kedua andaian tersebut untuk menentukan menurut Planck.

Dengan manipulasi matematika diperoleh

Sehingga :

Page 12: Kronologis fisika kuantum

Apabila diambil harga rata-rata osilator tersebut, maka rapat energi dalam rongga menjadi :

Atau :

Ungkapan rapat energi radiasi tersebut diturunkan sepenuhnya bersifat teoritik dengan :a. Menentukan jumlah mode getar dalam satuan volum rongga dengan menggunakan teori medan elektromagnetik; khususnya tentang syarat-syarat yang harus dipenuhi suatu gelombang tegak dalam rongga yang berdiding logam.b. Mengandaikan bahwa setiap mode getar dalam ruang rongga, berkaiatan dengan satu osilator yang ada pada permukaan dinding logam.c. Mengandaikan bahwa energi osilator hanya dapat memiliki harga yang diskrit, andaian ini menolak bahwa teori ekipartisi energi berlaku untuk sistem osilator.d. Mengandaikan bahwa sebaran energi osilator mengikuti distribusi Boltzmann.

Page 13: Kronologis fisika kuantum

Perangkat pengandaian tersebut dinamakan postulat Planck yang dirumuskan secara sederhana sebagaiberikut:“Eenergi osilator harmonik dengan frekuensi , terbatas pada harga-harga

yang merupakan kelipatan dari )”

Planck menamakan satuan energi tersebut sebagai “kuantum”. Tetapan Planck h kemudian diukur secara teliti dan menghasilkan harga :

Planck mengajukan konsep kuantisasi energi yang dapat dimiliki oleh osilatorosilator harmonik pada permukaan logam, dengan

tetap menganggap bahwa energi dalam rongga tetap berbentuk gelombang (merupakan teori klasik). Sehingga

teori Planck pun tidak bisa menjelaskan dengan lengkap menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini.

Page 14: Kronologis fisika kuantum

Teori Kuantum Einstein

Albert Einstein berhasil menjelaskan efek foto listrik dengan konsep modern yang didasari oleh pendapat Planck

Efek foto listrik menurut teori klasik :(i) Ketika cahaya ditembakkan pada permukaan logam, maka energi yang diterima

oleh permukaan sebanding dengan intensitas cahaya, luas permukaan logam yang disinari dan lamanya penyinaran. lni berarti bahwa apabila intensitas cahaya kecil, diperlukan waktu yang lebih lama agar energi yang diserap elektron cukup besar untuk melepaskan dirinya dari permukaan logam.

(ii)makin tinggi intensitas cahaya makin banyak pula energi yang diserap oleh elektron pada permukaan logam.

(iii) Seperti halnya dengan butir (i) di atas, besarnya energi yang diterima elektron, secara klasik ditentukan oleh intensitas cahaya dan bukan oleh frekuensinya. Sebab itu adanya potensial henti yang berbeda untuk setiap logam,

(iv) menurut teori klasik energi efektron seharusnya tidak bergantung pada frekuensi.

Efek fotolistrik adalah suatu peristiwa dimana elektron-elektron keluar dari permukaan logam apabila pada logam itu dijatuhkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu.

Page 15: Kronologis fisika kuantum

Teori Kuantum Einstein, lanjutan..

1887, Heinririch Hertz melakukan percobaan tentang gelombang Elektromagnetik.

“lompatan lucutan listrik dapat terjadi antara dua sistem yang beresonansi”

1900, P lenard berhasil membelokkan berkas partikel yang ke luar dari sebuah permukaan dengan menggunakan sebuah medan magnet. Dari percobaan itu ia

mendapatkan perbandingan antara muatan dan massa partiket tersebut yang sama dengan yang diperoleh Thomson dalam percobaannya mengukur e/m dari elektron.

Skema peralatan dasar percobaan Lenard

Cahaya yang dijatuhkan pada katoda C sehingga dari C ke luar elektron. Banyaknya elektron yang mencapai anoda A dapat terlihat pada anis yang diukur oleh, Ammeter. Anoda Adapat dibuat positif atau negatif untuk menarik atau menotak elektron.

Page 16: Kronologis fisika kuantum

Menurut pengamatan Lenard, arus maksimum sebanding dengan intensitas cahaya. Apabila intensitas cahaya atau besarnya energi per satuan waktu yang tiba pada katoda diduakalikan, maka diharapkan arus maksimumnya juga dua kali besarnya. Jika V negatif, elektron-elektron akan ditolak oleh anoda karena muatan elektro negatif. Elektron yang dapat tiba di anoda ialah elektron yang mempunyai energi kinetik awal lebih besar dari pada eV. Jika V lebih kecil dari Vo, tidak ada elektron yang mencapai anoda. Potensial Vo disebut “Stopping Potensial” atau “Potensial Henti”.

Dengan demikian maka berlaku hubungan :

Suatu hal yang mengherankan pada waktu itu ialah hasil eksperimen menunjukkan bahwa Vo ( tidak bergantung kepada intensitas cahaya yang datang. Tampak bahwa bertambahnya energi yang jatuh pada katoda, tidak menambah energi kinetik maksimum yang dipancarkan oleh elektron.

Teori Kuantum Einstein, lanjutan..

Page 17: Kronologis fisika kuantum

penjelasan Albert Einstein tentang efek foto listrik dengan didasari oleh pendapat Planck lima tahun sebelumnya yang mempostulatkan bahwa cahaya atau lebih khususnya radiasi elektromagenetik dapat dibagi dalam paket-paket tertentu yang disebut kuanta dan berada dalam ruang. Berhasil menjelaskan bahwa untuk membuat elektron terpancar dari permukaan logam diperlukan cahaya yang menumbuk. Cahaya tersebut harus memiliki frekuensi melebih frekuensi ambang dari logam tersebut. Efek foto listrik ini tidak bergantung pada intensitas cahaya yang ditembakan seperti pandangan mekanika klasik tetapi hanya bergantung pada frekuensinya saja. Walaupun cahaya lemah ditembakan tetapi memiliki frekuensi yang melebihi frekuensi ambang ternyata ada electron yang dipancarkan.

Pernyataan Einstein bahwa cahaya teradiasikan dalam bentuk paket-paket energi yang kemudian disebut kuanta

Teori kuantum yang menyatakan bahwa cahaya teradiasi dalam bentuk paket-paket energi secara terpisah dan diserap oleh elektron secara individual berhasil menjelaskan efek foto listrik dengan baik yaitu pada intensitas cahaya yang lemah pun bisa terpancarkan elektron dari logam asalkan frekuensi cahaya yang diberikan melebihi frekuensi ambang dari logam yang disinari.

Teori Kuantum Einstein, lanjutan..

Page 18: Kronologis fisika kuantum

Henri Poincare (1912)

Dalam tulisannya yang berjudul Sur la theorie des quanta ia menyatakan bahwa walaupun teori tentang kuantisasi energi (yang dinyatakan Planck) berhasil dan cukup fenomenal, namun pada saat itu tidak ada pertimbangan yang tepat tentang kuantisasi. Oleh karena itu, kemudian teori tersebut disebut dengan teori kuantum lama.

Walau teori mengenai energi yang disebut kuantum oleh Planck, dan teori kkuantisasi energi Einstein yang terinspirasi

dari teori Planck dikatakan sebagai teori kuantum lama, namun dua teori inilah yang mendasari perkembangan fisika

kunatum berikutnya.

Page 19: Kronologis fisika kuantum

Niels Bohr (1913)Bohr mencoba

menjelaskan garis-garis spektrum dari

atom hydrogen dengan

menggunakan teori kuantisasi.

Neils Bohr (1913).pptx

Louis de Broglie (1924)

menyatakan teorinya tentang

gelombang materi dengan

menyatakan bahwa partikel

dapat menunjukan sifat gelombang dan sebalikanya. Teori ini berlaku

utuk partikel tunggal

louis de broglie.pptx

(1925) Werner Heisenberg

dan Max Born mengembangkan mekanika matriks

berdasarkan pemikiran de

Broglie(lahirnya mekanika kuantum modern)

(1926) Erwin Schrodinger Merumuskan

mekanika gelombang dan persamaan non-

relativistik Schrodinger

sebagai pendekatan

terhadap kasus umum dari teori de

Broglie.Persamaan

schrodinger.pptx

Heisenberg (1927)

merumuskan prisip

ketidaktentuannya.

Diracsekitar tahun 1927 Dirac memproses

penyatuan mekanika kuantum dengan relativitas khusus

dengan mengajukan persamaan dirac untuk elektron. Persamaan dirac

mampu menjelaskan gambaran relativistic

dari fungsi gelombang dari sebuah electron yang gagal dijelaskan

oleh Schrodonger

Page 20: Kronologis fisika kuantum

(1927)ilmu kimia kuantum dirintis oleh fisikawan

Walter Heitler dan Fritz London yang mempublikasikan suatu studi tentang ikatan

kovalen dan molekul hydrogen

(1932) Neumann Janosmerumuskan dasar matematika

yang kuat untuk mekanika kuantum sebagai teori operator.

Teori kuantum chromoynamics pertama kali dirumuskan pada awal tahun 1960. Teori

tersebut dirumuskan oleh Politzer, Gross dan Wilczek pada tahun 1975. Pengembangan

awal oleh Schwinger, Peter Higgs, Goldstone dan lain-lain. Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg dan Abdus Salam menunjukan

secara independen bagaimana gaya nuklir lemah dan elektrodinamika kuantum dapat

digabungkan menjadi satu gaya lemah elektro.

Page 21: Kronologis fisika kuantum

dari kronologis fisika kuantum yang dipaparkan sebelumnya berikut merupakan beberapa eksperimen yang mendasari perkembangan fisika kuantum :

Thomas Young dengan eksperimen celah ganda mendemonstrasikan sifat gelombang cahaya pada tahun 1805,

Henri Becquerel menemukan radioaktivitas pada tahun 1896, J.J. Thompson dengan eksperimen sinar katoda menemuka

electron pada tahun 1897, Studi radiasi benda hitam antara 1850 sampai 1900 yang

dijelaskan tanpa menggunakan konsep mekanika kuantum Einstein menjelaskan efek foto listrik pada tahun 1905

dengan menggunakan konsep foton dan partikel cahaya dengan energi terkuantisasi,

Eksperimen yang Mendasari Perkembangan Fisika Kuantum.

Page 22: Kronologis fisika kuantum

Robert Milikan menunjukan bahwa arus listrik bersifat seperti kuanta dengan menggunakan eksperimen tetes minyak pada tahun 1909,

Ernest Rutherford mengungkapkan model atom pudding yaitu massa dan muatan postif dari atom terdistribusi merata dengan percobaan lempengan emas pada tahun 1911,

Otti Stern dan Walther Gerlach mendemonstrasikan sifat terkuantisasinya spin partikel yang dikenal dengan eksperimen Stern-Gerlach pada tahun 1920,

Clinton Davisson dan Lester Germer mendemondtrasikan sifat gelombang dari electron melalui percobaan difraksi electron pada tahun 1927,

Clyde L. Cowan dan Frederick Reines menjelaskan keberadaan neutrino pada tahun 1955,

Clauss Jonsson dengan eksperimen celah ganda menggunakan electron pada tahun 1961,

Efek Hall kuantum yang ditemukan oleh Klaus von Klitzing pada tahun 1980, dan

Eksperimental verivication dan quantum entanglement oleh Alain Aspect pada tahun 1982.

Eksperimen yang Mendasari Perkembangan Fisika Kuantum,

lagi…

Page 23: Kronologis fisika kuantum

Fisika KuantumFisika kuantum seringkali disebut dengan istilah mekanika kuantum atau teori medan kuantum.

Fisika kuantum itu sendiri adalah cabang dasar fisika yang menggantikan mekanika klasik pada tataran atomdan subatom.

Dasar dari mekanika kuantum adalah bahwa energi itu tidak kontinyu, tapi diskrit -- berupa 'paket' atau 'kuanta'

Istilah kuantum itu sendiri adalah bentuk jamak dari kuanta. Kuanta adalah suatu paket atau ‘partikel’ dalam cahaya. Istilah ini diperkenalkan oleh Niels Bohr, awal abad ke-20.

Mekanika kuantum sangat berguna untuk menjelaskan perilaku atom dan partikel sub atomikseperti proton, neutron dan elektronyang tidak mematuhi hukum-hukum fisika klasik.

Menurut mekanika kuantum, ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, energi berupa sebuah partikel cahaya yang disebut foton, dilepaskanEnergi tersebut sebesar : E = hf

Page 24: Kronologis fisika kuantum

GAMSAHAMNIDA