pendahuluan fisika kuantum

7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 1/9

1. PengantarJika kita berada pada abad ke-19, mungkin kita hanya akan paham tentang proses

fisika yang di lakukan oleh alam. Mekanika hukum Newton, termasuk hukum gravitasi,

telah di buktikan secara terperinci, dan kesuksesannya telah membuktikan dalam

pemahaman pada interaksi diantara benda-benda. elistrikan dan magnet telah di kemukaan

oleh teori Ma!well dan gelombang elektroagnetik yang si asumsikan oleh persamaan

Ma!well telah ditemukan dan di teliti pada eksperimen konduktifitas oleh "ert#. "ukum

termodinamika dan teori kinetik telah berhasil membuktikan tentang pen$elasan dari banyak

fenomena yang berhubungan dengan panas dan suhu. etiga teori mekanika yang sukses itu-

mekanika, kelistrikan,dan termodinamika-secara umumnya dapat disebut fisika klasik.

%ada masa pertengahan abad ke-19, dunia sudah mulai mengalami perubahan.

&evolusi 'ndustri membuat laboratorium dapat digunakan untuk pabrik dan mempercepat

perpindahan dari agraria menu$u sosial yang terpusat. %ara peker$a membentuk inti dari

kemunculan kelas menengah dan sistem ekonomi yang baru. (unia perpolitikan sudah

berubah, pengertian setiap aspek fundamental dari kebiasaan manusia adalah pilihan untuk mengubah lebih kritis oleh pisikolog )reudian.

(alam dunia fisika, ada kepastian bahwa efek dari revolusi industri akan

didampak dunia fisika. Meskipun banyak eksperimen yang membuktikan kebenaran fisika

klasik, beberapa eksperimen memberikan hasil yang tidak dapat di$elaskan secara tepat oleh

teori fisika klasik. *eori elektromagnetik klasik menyatakan bahwa media diperlukan untuk

merambatkan gelombang elektromagnetik, tetapi dalam eksperimen medium yang di

perlukan tidak ditemukan. +ksperimen untuk mempela$ari emisi dari gelombang

elektromagnetik dengan panas, memberikan hasil yang tidak dapat di$elaskan oleh teori

fisika klasik dari termodinamika dan ekeltromagnetik.

eberapa eksperimen tersebut mungkin tidak terlalu bersignifikan, terutamaketika dilihat dari kesuksesan masa lalu dan kemengeritan dengan baik dalam eksperiment

di abad ke-19. agaimanapun, eksperimen itu setidaknya memiliki pengaruh, tidak hanya

dunia fisika, namun semua sains, dalam stuktur politik dunia, dan cara kita melihat diri

sendiri dan tempat kita di tata surya. %ada masa dua dekade, antara 19 dan 19/,

kekurangan dari fisika klasik akan membawa kita ke teori umum dan spesial dari teori

relativitas dan teori kuantum.(esain dari fisika modern biasanya berdasarkan pengembangan yang dimulai

pada tahun 19 dan menu$u teori kuantum dan teori relativitas, termasuk aplikasi terori ini

untuk memahami stuktur atom, inti atom dan partikel pembuatnya, penyusun atom dalam

molekul dan padatan, dalam skala kosmik, asal usul dan evolusi dari alam semesta.

2. Radiasi Thermal dan Postulat Planck

1



%ada waktu berada dekat dengan sebuah benda yang lebih pandas daripada tubuh

kita, kita merasa hangat. &asa hangant ini berasal dari radiasi elektromagnetik yang berasal

dari benda tersebut. &adiasi ini dikenal dengan radiasi thermal.erdasarkan hasil eksperimen para ahli, diperoleh bahwa banyaknya radiasi

thermal yang dipancarkan oleh suatu benda dipengaruhi oleh0

a. uhu benda, benda yang bersuhu tinggi akan memancaran lebih banyak radiasi.

b. ifat permukaan benda, permukaan kasar lebih banyak memancarkan radiasi

dibandingkan dengan permukaan halus.c. entuk benda, permukaan yang lebih luas akan memancarka radiasi yang

lebih banyak d. Jenis material, *ungsten dapat memancarkan radiasi dengan la$u /2, 34cm/

sedangkan molybdenum 5dengan ukuran dan bentuk yang sama6 hanya

meradiasikan 19,/ 34cm/.

%ada tahun 1789, berdasarkan hasil eksperimen Josef tefan, ia merumuskan besarnya intensitas radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda. Menurut pengamatannya,

besar intensitas 5 I 6 ini sebanding dengan pangkat empat suhu 5T 6.

I = K T 4

K merupakan suatu konstanta yang tergantung pada sifat benda dan sering di

tuliskan sebagai K =eσ

. ilangan e dinamakan emisivitas benda yang besarnya antara

sampai 1 5tanpa satuan6, sedangkan σ dinamakan tetapan tefan-olt#man yang

besarnya,

σ =5,67 x10−8 W

(m2 K

4 )

I =eσ T 4

(aya P yang dipancarkan oleh benda, dihitung dengan mengalikan intensitas

dengan luas permukaan benda A,

P=eσ AT 4

&umus tersebut dinamakan rumus tefan-olt#man, karena tefan

menemukannya bedarsarkan eksperimen dan konfirmasi melalui perhitungan teori

termodinamika oleh udwig olt#man.

2



)ormula fisika baru yang memberikan interpretasi yang tepat dari radiasi thermal

telah dikemukaan oleh fisikawan Jerman Ma! %lanck pada tahun 19. &adiasi ultraviolet

ter$adi karena perkiraan rumusan &ayleigh-Jeans terlalu intensif pada pan$ang gelombang

yang singkat. :pa yang dibutuhkan adalah cara untuk membuat u→0 sebagai λ→0

atau sebagai

f → ∞

.%lanck mencoba menemukan cara untuk mengurangi $umlah frekuensi tinggi

gelombang tegak dengan mengurangi osilasi dari frekuensi tinggi tersebut. erdasarkan

teorinya, didapatlah teori versi baru dari versi mekanika yang telah diketahui, yang

kemudian diketahui sebagai mekanika kuantum.

(alam teori %lanck, setiap osilator dapat memancarkan atau menyerap energi

hanya dalam $umlah yang merupakan kelipatan bilangan bulat dari kuantitas dasar energi

ε tertentu.

En=nε n=1,2,3,… .

dimana n adalah nomor ;uanta. elan$utnya energi setiap ;uanta ditentukan oleh frekuensi.

ε=hf

dimana h adalah konstanta proporsionalitas, atau bisa $uga disebut konstanta %lanck.

3. Efek Fotolistrik teori dan Teori Kuantum Einstein)otolistrik merupakan peristiwa dipancarkannya elektron ketika permukaan suatu

logam disinari cahaya. +lektron yang terlepas dinamakan fotoelektron.<ambar disamping adalah diagram percobaan fotolistrik. etika tabung

ditempatkan di tempat gelap, $arum amperemeter

menun$ukkan angka nol 5tidak ada arus yang

mengalir dalam rangkaian6. *etapi ketika cahaya

monokromatik denga pan$ang gelombang tertentu

menyinari keping, $arum amperemeter

menyimpang 5adanya arus yang mengalir dalam

rangkaian6. :rus in berasal dari eletron yang

terpancar dari emitter dan dikumpulkan ke

collector.

:da dua hasil yang unik pada

percobaan fotolistrik, yaitu0

a. )otolistrik tidak tergantung pada intensitas cahaya datang

b. )otolistrik tergantung pada frekuensi cahaya

3



esuksesan teori efek fotolistrik telah dikembangkan oleh :lbert +instein.

erdasarkan teori %lanck, +instein mengemukakan bahwa energi radiasi elektromagnetik

tidak secara terus menerus disalurkan melewati gelombang, tetapi terkonsentrasi pada suatu

quanta. Menurut +instein, cahaya terdiri dari foton-foton yang mempunyai energi sebesar hf .

etika cahaya mengenai permukaan logam, elektron logam menyerap foton sehingga

energinya naik sebesar hf . Jika frekuensicahaya cukup tinggi, maka energi yang diserap akan

mapu mengeluarkan elektron dari permukaan logam.

)rekuensi terkecil cahaya yang dapae melepaskan elektron dari permukaan logam

dinamakan frekuensi ambang,f 0 . edangkan energi terkecil yang harus diberikan agar

elektron terlepas dari permukaan logam disebut energi ambang.

E0=

h f 0

esarnya energi ambang ini harus sama dengan energi ikat elektron pada atom

logam,ϕ

.

ϕ=hf 0

ϕ

sering dinamakan fungsi ker$a.

etika energi foton lebih besar dari fungsi ker$a logam,kelebihan energi akan

digunakan sebagai energi kinetik elektron. +nergi kinetik ini dinamakan ( E

K )maks .

ehingga hubungan antara energi kinetik maksimum elektron dengan frekuensi. f cahaya

yang akan datang adalah

hf =ϕ+ ( E K )maks

etikaf =f

0 makah f

0=ϕ+( E K )maks atau ( E K )maks

=0 5elektron baru akan

terlepas dari inti atom6.

4



)otolistrik sebagai fungsi beda

potensial Δ V

. Menurut +instein, ketika

permukaan logam diberi cahaya dengan

frekuensi f, elektron mendapat energi kinetik

maksimum sebesar ( E K )maks=hf −hf

0 .

:rus mencapai maksimum ketika

semua elektron yang terpancar mencapai

collector. :rus akan sama sekali not ketika

energi potensial elektron akibat energi

potensial ini sama dengan atau lebih besar

dari energi kinetik maksimum elektroneV s=( E K )maks

arena nilai ( E K )maks hanya bergantung pada hf dan ϕ , maka nilaiV s

$uga hanya tergantung ada hf dan ϕ , tidak tergantung pada intensitas cahaya yang datang.

ehingga nilaiV s sama untuk semua intensitas.

+instein berpendapat bahwa intensitas cahaya berhubungan dengan $umlah foton.

*iap foton berhubungan dengan 1 elektron. emakin banyak $umlah foton, makan semakin

banyak elektron yang menyerap foton. emakin besar intensitas, maka semakin besar arus

yang dihasilkan.

anyaknya $umlah foton tidak berpengaruh pada energi kinetik elektron sehinggaintensitas cahaya tidak akan berpengaruh pada besar beda potensial penghenti. %eristiwa

fotolistrik berlangsung sangat cepat. +lektron dapat terpancar hanya dalam waktu yang

sangan singkat sekali, yaitu sekitar 1-9 detik setelah penyinaran,

+instein menganggap bahwa ketika permukaan logam disinari, $utaan foton secara

serentak diserap oleh $utaan elektron sehingga dalam waktu singkat akan terdeteksi arus.

ehingga cahaya dapat berkelakuan sebagai partikel.

4. Efek Compton dan efraksi !inar"#:rthur "olly =ompton dan temannya %eter (ebye terobsesi oleh iden +instein

tentang foton. Mereka menemukan bahwa hamburan foton dari sinar-> oleh elektron hanyadapat di$elaskan dengan menganggap foton sebagai partikel dengan energi hf dan

momentumh f

c , cocok seperti yang diusulkan +instein.

%ercobaan =ompton cukup sederhana. +lektron disinari dengan sinar->. inar->

akan dihamburkan oleh elektron. %an$ang gelombang sinar-> yang terhambur ini ternyata

5



hanya tergantung pada besar sudut hamburan. ama sekali tidak tergantung pada lama

penyinaran.

Menurut teori gelombang, pan$ang gelombang sinar-> terhambur seharusnya

tergantung pada lama penyinaran. emakin lama penyinaran, semakin banyak sinar-> yang

diserap elektron sehingga ketika sinar-> ini dipancarkan kembali, tentu pan$ang

gelombangnya akan semakin pendek. Maka dari itu sinar ?> atau cahaya tidak selalu

berkelakuan sebagai gelombang.

<abar disamping menggambarkan

proses ter$adinya hamburan sinar-> oleh elektron

5hamburan =ompton6. Mula-mula, foton

mempunyai energi E dan momentum linear % yang

di berikan oleh

E=h f =h

λ dan p=

E

c

+lektron yang awalnya diam memiliki

energi diam mec2

, setelah berhambur, foton

memiliki energi E' =hc / λ

'

dan momentumnya p' = E

' /c dan bergerak pada pada arah

yang memiliki sudut θ dari titik ter$adinya hamburan. +lektron memiliki energi akhir

total Ee dan momentum

pe dan bergerak dalam arah pada sudut @ dari titik ter$adinya

hamburan. ehingga didapat0

(ifraksi sinar

> atau >-ray diffraction 5>&(6 adalah suatu metode analisa yang digunakan untuk

mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur

kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. %rofil >&( $uga dapat memberikan data

kualitatif dan semi kuantitatif pada padatan atau sampel. (ifraksi sinar > ini digunakan

untuk beberapa hal, diantaranya0a. %engukuran $arak rata-rata antara lapisan atau baris atom

b. %enentuan kristal tunggal

c. %enentuan struktur kristal dari material yang tidak diketahuid. Mengukur bentuk, ukuran, dan tegangan dalam dari kristal kecil

(ifraksi sinar-> ter$adi karena pada hamburan elastis foton-foton sinar-> oleh

atom dalam sebuah kisi periodik. "amburan monokromatis sinar-> dalam fasa tersebut

6



memberikan interferensi yang konstruktif. %enggunaan difraksi sinar-> untuk mempela$ari

kisi kristal adalah berdasarkan persamaan ragg berikut ini.nλ=2d sinθ

(imana λ adalah pan$ang gelombang sinar-> yang digunakan, d adalah $arak

antara dua bidang kisi. θ adalah sudut antara sinar datang denga bidang normal, dan n

adalah bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan.

Jika seberkas sinar-> di $atuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal itu

akan membiaskan sinar-> yang memiliki pan$ang gelombang sama dengan $arak antar kisi

dalam kristal tersebut. %roses difraksi sinar-> seperti disa$ikan pada <ambar. inar->

dibiaskan dan ditangkap oleh detektor kemudian diter$emahkan sebagai sebuah puncak

difraksi. emakin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, semakin kuat intensitas

pembiasan yang dihasilkan. *iap puncak yang muncul pada pola difraktogram mewakili satu

bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. %uncak-puncak

yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difr aksi

sinar-> untuk semua $enis material.

$. ualisme Partikel %elom&ang dan Prinsip Ketidakpastian 'eins&erg

(alam kehidupan sehari-hari konsep gelombang dan konsep partikel merupakan

dua konsep yang berbeda yang tidak ada hubungannya sama sekali. Partikl bukan

gelombang dan gelombang bukan partikel . alah satu perbedaan menyolok antara

partikeldan gelombang adalah ketika dua gelombang atau dua partikel bertemu.

etika dua partikel bertemu, ter$adi tumbukan. ecepatan dan bentuk 5keadaan

molekul-molekul6 kedua partikel tidak sama sebelum dan sesudah tumbukan. *etapi ketika

dua gelombang bertemu, kedua gelombang bersatu dan ter$adi interferensi. ecepatan dan

bentuk masing-masing gelombang sebelum dan sesudah pertemuan tetap sama. Namun dalam dunia atom., konsep partikel dan konsep gelombang men$adi baur.

<elombang dapat mempunyai sifat partikel dan partikel dapat mempunyai sifat gelombang

5dualisme partikel gemolbang6. Misalnya cahaya dikenal sebagai gelombang

elektromagnetik, karena mempunyai sifat-sifat seperti pemantulan, pembiasan, intererensi,

7



dan difraksi. Namun cahya $uga dapet berkelakuan seperti partikel, misalnya ketika

bertumbukan dengan atom.

ukan hanya gelombang yang dapat berkelakuan seperti partikel, partikel pun

dapat berkelakuan seperti gelombang. epertipada percobaan (avisson dan <ermer.

%ada tahun 19/8 (avisson dan <ermer memilih elektron sebagai partikel untuk

mengu$i hipotesa de roglie, elektron-elektron diperoleh dari filamen yang di pi$arkan,kemudian elektron-elektron itu dipercepat dalam medan listrik yang tegangannya A volt.

etelah dipercepat, elektron memiliki energi kinetik.

Ek =54eV =54 1,6 x 10−19

!"u#e

Momentum elektron 0

p=m$=√2m1

2m$

2

p=√ 2mE k

p=√ 2 9,1 x10−31 54 16 x10−19

p=4 x10−24

k%m

s

%ada tahun 19/ 3erner "einsberg menga$ukan rumus baru dibidang fisika.

uaturumus yang sangat radikal, $auh berbeda dengan rumus klasik Newton. *eori rumus

baru ini sudah mengalami beberapa perbaikan oleh orang-orang sesudah heisenberg dan

berhasil. "ingga kini rumus tersebut diterima dan digunakan dalam semua sistem fisika.

%rinsip ketidakpasstian menyatakan bahwa hampir tidak mungkin untuk

mengukur dua besaran secara bersamaan, misalnya posisis dan momentum suat partikel.

%rinsip ketidakpastian ini men$amin bahwa tidak mungkin membuat lebih dari sekedar

dugaan-dugaaan statistik. %rinsip ini merupakan prinsip yang mendalam dibidang ilmiah dan

paling punya daya $angau lebih $auh. (alam praktik, prinsip ketidakpastian ini

mengkhususkan batas-batas teoritis tertentu terhadap keaanggupan dalam melihat hal-hal

ilmiah.

8



aftar Pustaka

rane, . /7. Modern Physics third edition. B:0John 3iley C ons, 'nc

urya, Dohanes./9. eri !ahan Persiapan "limpiade #isika, #isika Modern.*angerang0%* andel.

*ipler :. %aul, lewellyn :. &alph. /7. Modern Physics fifth edition.

NewDork03.". )reeman and =ompany.

(uaslisme gelombang cahaya sebagai gelombang dan sebagai partikel. /1A.

http$%%&&&.onfisika.com%'()*%()%dualisme+gelombang+cahaya+

sebagai.html 5diakses pukul 1A.A 3' tanggal / eptember /16.

(ifraksi inar->. /12. http$%%labterpadu.undip.ac.id%blog%'()*%()%'%difraksi+sinar+

-% 5diakses pukul 12.1/ 3' tanggal / eptember /16.

9

http://www.onfisika.com/2013/01/dualisme-gelombang-cahaya-sebagai.html



http://labterpadu.undip.ac.id/blog/2013/01/28/difraksi-sinar-x/







pendahuluan fisika kuantum

Documents