FISIKA KUANTUM

Ikwan Wahyudi

Fisika kuantum:

“ilmu yang mempelajari kelakukan materi dan energi pada skala

molekul, atom, inti dan bahkan pada level mikroskopik lainnya

yang lebih kecil.”

Kuantum:

Bahasa latin seberapa banyak. Di dasari pada satuan diskret

dari materi dan energi.

Sejarah lahirnya Fisika Kuantum

Awal abad 20, fisika kuantum berkembang sebagai cabang baru

dalam teori fisika dan digunakan untuk memahami rahasia

interaksi antara materi dan radiasi. Ketidakmampuan mekanika

klasik dan teori elektromagnetisme dalam menjelaskan efek

tertentu dari radiasi mengembangkan kerangka teori baru.

Fisika kuantum dimulai ketika:

1859 – 1960 : Michael Faraday menemukan sinar katoda.

Gustav Kirchoff : menyatakan tentang radiasi benda hitam

1887 : Ludwig Boltzman menyatakan bahwa bentuk energi pada

sistem fisika berbentuk diskrit.

1900: Max Planck “energi itu terkuantisasi” ( ketika ilmuwan tidak

bisa menjelaskan fenomena radiasi spektrum cahaya yang dipancarkan

oleh suatu benda mampat tertentu (benda hitam))

Sejarah Perkembangan Fisika Kuantum

Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam tidak bisa diterangkan

dengan teori-teori fisika klasik, sampai akhirnya Planck menurunkan

persamaan yang dapat menerangkan radiasi spektrum ini sebagai

fungsi temperatur.

1905 (Albert Einstein) berhasil menjelaskan efek fotolistrik

dengan dasar teori Planck.

1913 (Neils Bohr) menjelaskan garis-garis spektrum dari

atom hidrogen dengan menggunakan teori kuantisasi. Namun

teori ini tidak dapat menjelaskan bagaimana interaksi atom-atom penyusun

ini bisa menyusun kumpulan makroskopis.

1924 (Louise de Broglie) menyatakan bahwa partikel dapat

menunjukkan sifat gelombang dan sebaliknya. Hanya berlaku untuk

partikel tunggal.

1925 (Werner Heisenberg dan Max Born) mengembangkan

mekanika matriks, dimana pada 1927 merumuskan prinsip

ketidakpastian.

1927 – 1929:

Mulai 1927 dilakukan penerapan mekanika kuantum untuk sebuah

bidang teori medan kuantum. (P.A.M. Dirac, W. Pauli, V. Weisskopf,

dan P. Jordan)

1940 mencapai puncak penelitian perumusan elektrodinamika

kuantum. (R.P. Feynmen, F. Dyson, J. Schwinger, dan S.I Tomonaga).

...teori kuantum tentang elektron, positron, dan medan elektromagnet.

Pada tahun 1975 lahir teori kuantum Chromoynamics oleh Politzer,

Gross, dan Wilczek.

Kemudian oleh Schwinger, Higgs, dan Goldstone, fisikawan Glashow,

Weinberg, dan Salam menunjukkan bagaimana gaya nuklir lemah dan

kuantum elektrodinamika dapat disatukan ke dalam gaya listrik lemah.

Simpulan perkembangan fisika kuantum

Awal-awal penemuan :

Radiasi benda hitam

Efek fotolistrik

Dualisme gelombang partikel:

Eksperimen celah ganda Young

Hipotesis de Broglie

Efek Compton

Ide dan interpretasi penelitian:

Interpretasi copenhagen

Schrodinger’s cat

RADIASI BENDA HITAM

Ikwan Wahyudi

Pendahuluan

Pernahkah kalian menggunakan pakaian hitam di siang hari

yang panas? Jika pernah, bagaimana rasanya? Pasti sangat

panas bukan? Ini karena warna hitam menyerap semua cahaya atau sinar

yang jatuh mengenainya sehingga benda tersebut akan menjadi panas.

Pernahkah memperhatikan bola lampu yang menyala?

Menurut Anda, manakah yang benar dari pernyataan

berikut:

suatu lampu bola menyala/bercahaya karena filamennya

dipanaskan

suatu lampu bola menjadi panas karena filamennya menyala.

Pernahkah kalian melihat lampu pijar? Jika kalian perhatikan,

pada bagian filamen lampu berwarna kuning keputih-putihan

padahal lampu berwarna biru. Mengapa hal ini terjadi? Ini terjadi

karena suhu lampu pijar di atas 2.000 K. Semua benda yang berada pada

suhu di atas 2.000 K akan memancarkan cahaya putih.

Pernahkah kalian melihat proses pembuatan pisau/pedang? Besi

yang dipanaskan terlihat berwarna kuning kemerah-merahan

bukan? Mengapa demikian?

“Setiap benda akan memancarkan cahaya pada saat dipanaskan

(radiasi panas), contoh: besi dipanaskan. “

LOH MASAK IYA SIH? YAKIN?

Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi

1.000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah seperti kumparan

pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2.000 K benda

berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti pijar putih dari filamen

lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif

dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini

menyebabkan pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang

dapat digunakan untuk menentukan suhu suatu benda.

Pertanyaannya sekarang adalah

Jika ada besi, perunggu, kuningan, dan baja dipanaskan pada suhu yang

sama, apakah warna yang terpancar sama atau berbeda?

“warna yang terpancar tidak bergantung pada jenis bahan atau warna

asalnya, melainkan pada temperaturnya semata”

Ternyata selain cahaya tampak yang diradiasikan suatu benda,

suatu benda ketika dipanaskan juga memancarkan radiasi

elektromagnetik lainnya.

radiasi juga tetap terjadi bila benda yang digunakan berwarna

hitam (mis: karbon) radiasi baru melemah jika benda didinginkan

sampai mendekati temperatur mutlak (0 kelvin)

radiasi cahaya tampak hanya merupakan bagian kecil saja dari

radiasi keseluruhan

“Pada akhirnya yang dipancarkan adalah radiasi gelombang

elektromagnetik”

Dan semua pembahasan diatas akan dipelajari di BAB ini

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Gelombang elektromagnetik = gelombang transversal dgn dua

arah getar yaitu medan magnet dan medan listrik.

Ciri gelombang elektromagnetik:

Dapat merambat di ruang hampa

Tidak bermuatan listrik

Merupakan gelombang transversal

Memiliki sifat umum gelombang

Tidak dapat dibelokkan arah rambatannya baik medan listrik/magnet.

C = 𝜆 f

C = cepat rambat gelombang (3 × 108 m/s)

Spektrum gelombang elektromagnetik

+ fungsinya

Peta Konsep: Radiasi Benda Hitam

Radiasi Benda Hitam

Radiasi Panas

Intensitas Radiasi

Hukum Pergeseran

Wien

Teori Klasik Rayleigh-Jeans

Hukum Radiasi Planck

Radiasi Panas

Radiasi panas adalah radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya.

Setiap benda memancarkan radiasi panas secara kontinu dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tetapi pada umumnya, kalian dapat melihat sebuah benda, karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, bukan karena benda itu memancarkan radiasi panas. (slide 10)

Secara umum bentuk terperinci dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Walaupun demikian, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektra panas dengan karakter universal. Benda ini adalah benda hitam atau black body.

Benda Hitam

Benda hitam (black body) : benda yang menyerap semua panjang

gelombang dari radiasi elektromagnetik. Jadi tidak ada radiasi

yang dipantulkan keluar dari benda hitam. (nilai absorptansi dan

emisivitas = 1)

emisivitas (daya pancar) merupakan karakteristik suatu materi, yang

menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu

permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama.

Sementara itu, absorptansi (daya serap) merupakan perbandingan fluks pancaran atau

fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluks yang tiba pada benda itu.

Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya

jika suhunya lebih rendah daripada suhu

sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke

sekitarnya jika suhunya lebih tinggi daripada

suhu sekitarnya.

Intensitas Radiasi

Radiasi benda hitam: radiasi elektromagnetik yang diemisikan

oleh sebuah benda hitam.

Tahun 1879: Josef Stefan Mengetahui karakter universal dari

radiasi benda hitam

Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang

gelombang. Distribusi energi pada daerah

panjang gelombang ini memiliki ciri khusus,

yaitu suatu nilai maksimum pada panjang

gelombang tertentu. Letak nilai maksimum

tergantung pada temperatur, yang akan

bergeser ke arah panjang gelombang pendek

seiring dengan meningkatnya temperatur.

Daya total per satuan luas (P/A) = intensitas total (I)

P/A yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh benda hitam adalah

sebanding pangkat empat dari suhu mutlaknya.

I : intensitas radiasi (W/m2)

𝜎 ∶ tetapan Stefan-Boltzman (5,67 × 10-8 Wm-2K-4)

T : suhu mutlak (K)

untuk kasus benda panas tapi bukan benda hitam ideal, maka

e : koefisien emisivitas

Persamaan-persamaan lain:

Beberapa tahun kemudian, Ludwig Boltzman secara teoritis menurunkan

hukum Josef Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan

Maxwell. Hukum Stefan-Boltzman:

“Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam

dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur

termodinamikanya”.

Hukum Pergeseran Wien

Untuk sebuah benda hitam, berlaku suatu hubungan antara panjang

gelombang dengan suhu mutlak yang dinyatakan:

C : tetapan pergeseran Wien (2,898 × 10-3 mK)

Gambar 8.3 memperlihatkan grafik hubungan antara

intensitas radiasi dan panjang gelombang radiasi benda

hitam ideal pada tiga temperatur yang berbeda.

Grafik ini dikenal sebagai grafik distribusi spektrum.

Intensitas merupakan daya yang dipancarkan per

satuan panjang gelombang. Ini merupakan fungsi

panjang gelombang I maupun temperatur T, dan

disebut distribusi spektrum.

Dari grafik terlihat bahwa puncak kurva penyebaran

energi spektrum bergeser ke arah ujung spektrum

panjang gelombang pendek dengan semakin tingginya

temperatur.

Pada gelombang panjang, analisis Wien tidak

sesuai dengan hasil eksperimen.

Pada gelombang pendek, analisis Wien sesuai

dengan hasil eksperimen.

lihat: hubungan empiris intensitas dengan panjang

gelombang

Teori Klasik Rayleigh-Jeans Secara teoritis, Rayleigh-Jeans menggunakan teori ekipartisi energi fisika

klasik (termodinamika klasik) menurunkan fungsi distribusi spektrum. Dia

menganggap bahwa gelombang elektromagnetik yang dipancarkan pada

radiasi kalor bersifat kontinu.

Hasil perhitungan klasik Hukum Rayleigh-Jeans, yang dinyatakan:

P ( λ,T ) = 8 π kTλ-4

dengan k merupakan konstanta Boltzmann.

Untuk panjang gelombang panjang, diperoleh

analisis yang sesuai dengan hasil eksperimen

Untuk panjang gelombang pendek, tidak sesuai.

Begitu λ mendekati nol, fungsi P ( λ , T ) yang

ditentukan secara percobaan juga mendekati nol,

tetapi fungsi yang dihitung mendekati tak

terhingga karena sebanding dengan λ−4 .

Bencana Ultraviolet

Hukum Radiasi Planck

Hukum radiasi Planck menunjukkan distribusi (penyebaran) energi yang

dipancarkan oleh sebuah benda hitam. energi merupakan suatu besaran

yang dipancarkan oleh sebuah benda dalam bentuk paket-paket kecil

terputus-putus, bukan dalam bentuk pancaran molar. Paket-paket kecil ini

disebut kuanta.

Max Planck menyatakan dua asumsi mengenai energi radiasi benda hitam.

Radiasi yang dipancarkan oleh getaran molekul-molekul tidak kontinu, tetapi dalam

paket-paket energi diskret yang disebut dengan kuantum (foton).

Besar energi radiasi E = hf, jika terdapat n buah foton, maka E = nhf

E = energi radiasi foton (J)

h = tetapan Planck (6,63 × 10-34 Js)

n = bilangan kuantum utama (1, 2, 3 ....)

f = frekuensi getaran molekul (Hz) energi ini terkuantisasi

Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi dalam satuan diskret dari

energi cahaya yang disebut dengan kuantum (foton). Melakukan hal tersebut dengan

melompat dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya.

DUALISME GELOMBANG PARTIKEL

Ikwan Wahyudi

Partikel dan gelombang sejak lama dikenal sebagai dua

kuantitas yang berbeda dan sama sekali tidak berhubungan

elektron dikenal sebagai partikel bermuatan negatif dan

menjadi penghantar listrik dalam logam

cahaya dikenal sebagai radiasi gelombang EM dari benda yang

dipanaskan

Pendahuluan

Hipotesis de Broglie

Cahaya memiliki 2 sifat, yaitu sebagai partikel dan gelombang.

Sebagai gelombang dinyatakan oleh panjang gelombang

Sebagai partikel dinyatakan dengan besaran momentum

Hubungan antara momentum dengan panjang gelombang sebuah foton:

𝜆 = ℎ

𝑝

Berdasarkan sifat dualisme cahaya ini Louis de Broglie mengemukakan

teori:

“partikel (seperti elektron) yang bergerak ada kemungkinan memiliki sifat

gelombang dengan panjang gelombang tertentu”.

Mengingat bahwa: p = mv, maka persamaan diatas akan memiliki persamaan

panjang gelombang de Broglie sebagai berikut:

𝜆 = ℎ

𝑚𝑣

Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik “peristiwa keluarnya/terlepasnya elektron dari permukaan

logam karena radiasi elektromagnetik”

1887: Hertz menemukan efek fotolistrik

1900: Lenard mengkaji efek fotolistrik yang ditemukan Hertz

1905: Albert Einstein menggunakan gagasan Max Planck tentang

kuantisasi energi untuk menjelaskan efek fotolistrik

Salah satu jenis peradiasi elektromagnetik yaitu CAHAYA, dimana cahaya

merupakan sebagai bentuk energi.

Alat tersebut merupakan alat untuk menyelidiki efek fotolistrik

yang berupa rangkaian yang memiliki tabung kaca hampa udara,

pelat logam (elektrode) A (anoda) dan C (katoda), dan terdapat

amperemeter + voltmeter.

Pada saat tabung di ruang gelap (tidak ada cahaya masuk)

amperemeter tidak menyimpang (di angka nol) tidak ada arus

yang mengalir di rangkaian. (tidak ada elektron yang keluar dari

pelat C)

Cahaya datang (dengan frekuensi tertentu) menumbuk pelat

C elektron terpancar dari pelat C ketika elektron

menumbuk anoda A terjadi aliran elektron di ruang antara C

dan A terjadi aliran arus pada rangkaian luar amperemeter

mencatat arusnya.

Jika tegangan diperkecil hingga polaritas baterai terbalik, pada

nilai tegangan kritis –V0 tidak ada arus tidak ada elektron

yang keluar. Potensial ini disebut dengan potensial henti V0.

Hanya elektron dengan energi kinetik ½mv2 yang lebih besar

daripada eV0 yang dapat mencapai anoda A.

Sehingga hubungan antara energi maksimum yang dapat dicapai:

Ekmax = 1

2 mv2 = eV0

Hubungan antara I dengan V untuk 2 nilai

intensitas yang berbeda

Ketika intensitas meningkat, arus yang mengalir juga meningkat, nilai

potensial henti sama.

EFEK FOTOLISTRIK DIDASARI DENGAN DUA TEORI, yakni TEORI

GELOMBANG dan TEORI FOTON

Teori gelombang berorientasi pada dua sifat penting gelombang cahaya, yaitu

intensitas dan frekuensi GAGAL menerangkan sifat penting efek

fotolistrik.

Teori Foton menyatakan bahwa semua foton memiliki energi, sehingga

Intensitas cahaya naik jumlah foton naik tetapi tidak menambah energi

foton selama frekuensinya tetap.

-V0 V

f – f0

0

Intensitas rendah

Intensitas tinggi

TEORI GELOMBANG DALAM EFEK FOTOLISTRIK

Teori gelombang energi kinetik fotoelektron bertambah jika intensitas cahaya

diperbesar. Nyatanya besarnya Ek maksimum fotoelektron tidak bergantung

pada sifat cahaya.

Teori gelombang efek fotolistrik dapat terjadi pada tiap frekuensi asalkan

intensitasnya memenuhi. Nyatanya hanya dibutuhkan frekuensi ambang f0

untuk menghasilkan fotoelektron.

Teori gelombang dibutuhkan rentang waktu yang cukup lama agar elektron

berhasil mengumpulkan energi untuk keluar dari permukaan logam. Nyatanya

elektron lepas dari permukaan logam tanpa selang waktu.

Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa Ek maks fotoelektron

bertambah jika frekuensi diperbesar.

TEORI FOTON DALAM EFEK FOTOLISTRIK

Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, diperlukan kerja minimum

yang disebut dengan fungsi kerja atau energi ambang (W0).

Intensitas naik jumlah elektron lepas naik tidak terjadi perubahan energi

elektron energi kinetik maksimum elektron tidak berubah.

Frekuensi naik energi kinetik naik, dengan persamaan:

Ekmaks = hf – W0

Jika fcahaya < fambang tidak ada elektron keluar dari logam

Elektron lepas dari logam sesaat setelah penyinaran terjadi. Hal tersebut karena

cahaya bersifat paket energi, sehingga terjadi transfer energi spontan dari foton

ke elektron dengan interaksi satu-satu.

Efek Compton

Ilmuwan Amerika, Arthur Holy Compton

mempelajari gejala tumbukan antara foton elektron.

Berdasarkan kesetaraan massa dan energi (E = mc2)

dan besarnya energi tiap foton (E = ℎ𝑐

𝜆 ), dapat

diperoleh persamaan momentum :

p = mc = ℎ

𝜆

Ketika terjadi tumbukan antara foton dan elektron,

setelah itu foton aka kehilangan energi sebesar ∆E =

hf – hf’, sehingga panjang gelombang setelah

bertumbukan akan bertambah besar ( 𝜆′ > 𝜆 ).

Berdasar hukum kekekalan energi dan hukum

kekekalan momentum, hubungan antara 𝜆′ dengan 𝜆,

memenuhi persamaan :

λ′ − λ = h

mc(1 − cos θ)

Ikwan Wahyudi - 2018