TEORI KUANTUM RADIASI

TEORI KUANTUM RADIASIBy :Kadek Subagiada, S.Si., M.Si.

FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS MULAWARMANSAMARINDA Introduction

Dalam abad ke-17, Newton dalam teori korpuskular menganggap bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel yang dipancarkan oleh suatu sumber. Sebaliknya teori gelombang dari Huygen menyatakan bahwa cahaya terdiri gelombang-gelombang.

Eksperimen-eksperimen dan teori yang menunjang teori gelombang dari Huygen adalah :

Teori Partikel dari Newton

Teori Kuantum Radiasi

Kuantitas dari RadiasiSemua atom terdiri dari kelipatan dari elektron, proton dan neutron. Semua elektron mempunyai massa yang sama, demikian juga semua proton dan neutron masing-masing mempunyai massa yang sama.Muatan dari suatu atom merupakan kelipatan bulat dari muatan suatu elektron yang disebut muatan elementer, sehingga dapat ditulis,

, dimana n = 1, 2, 3, ....

Teori Kuantum dari Planck

Suatu sistem fisika tersusun dari sejumlah besar dari partikel-partikel yang berosilasi dengan frekuensi berbeda-beda yang disebut osilator.Bila partikel-partikel tersebut bergetar dalam suatu arah dengan frekuensi f, maka energi yang dimiliki adalah : , dengan n = 1, 2, 3, ....

dimana,f adalah frekuensi dari osilatorh = 6,25 x 10-34 joule . detik (konstanta Planck)n adalah bilangan kuantum (bil. bulat)

Berdasarkan Teori Klasik- Rentang energinya kontinu dari 0 dan Emax.

Berdasarkan teori kuantum dari Planck maka :1. Sistem tersebut hanya mungkin berada pada salah satu keadaan (state) dari energi yang diskrit, yang disebut keadaan-keadaan kuantum (quantum states).2. Sistem yang berosilasi dapat memancarkan dan menyerap energi sebesar h f, yang disebut foton.3. Bila energi yang dipancarkan atau diserap sebesar hf, maka radiasi itu dikatakan terkuantisasi.

Sifat-sifat Fotona. Jumlah/besar energi (E)Teori Kuantum :

Mekanika Kuantum : dimana n = 0, 1, 2, 3 ... Bilangan bulat positif atau nol.

Batas minimum dari energi foton :

Energi dari foton tidak bergantung pada intensitas

Energi dari suatu foton ditentukan oleh frekuensi radiasi yaitu :

Menurut mekanika kuantum bahwa intensitas sekedar memberikan jumlah total dari foton-foton dalam sinar.

c. Massa dan momentum dari suatu fotonBila sifat radiasi dari foton berlaku untuk semua spektrum elektromagnetik, maka foton-foton itu harus bergerak dengan kecepatan :

Menurut teori relativitas khusus bila suatu partikel mempunyai massa diam mo bergerak dengan kecepatan v, maka massanya adalah :

untuk foton v = c, maka:

Dari Teori Relativitas khusus, suatu foton yang massanya m akan mempunyai energi sebesar :

Sedangkan menurut Planck :

Sehingga,

Menurut Teori Relativitas khusus,

Gelombang Berkelakuan sebagai Partikel

Efek Fotolistrik Bila sinar atau radiasi elektromagnetik dengan suatu frekuensi tertentu mengenai suatu permukaan logam, maka elektron-elektron akan dikeluarkan dari permukaan logam itu yang disebut fotoelektron dan gejala fisikanya disebut efek fotolistrik.

Percobaan Efek Fotolistrik

Terjadinya Efek FotolistrikJika Sinar monokromatik dengan suatu frekuensi tertentu f yang masuk melaui celah (c) yang disebut jendela Quartz jatuh pada lempeng A. Bila sinar monokromatik mempunyai energi yang cukup (E = hf), maka fotoelektron akan dikeluarkan dari permukaan A, fotoelektron akan ditarik oleh Kolektor K yang mempunyai potensial positif sebesar V terhadap A. Sehingga pada Galvanometer akan terukur arus sebesar ip.

Bila suatu foton menumbuk suatu permukaan dari logam, maka foton tersebut diserap dan energinya digunakan untuk : 1. Membebaskan electron dari ikatan logam dan mengeluarkan dari permukaan logam. Energi tersebut disebut Fungsi Usaha Fotolistrik (Photoelectrik Work Function). 2. Dimiliki oleh fotoelektron sebagai energi kinetis, yaitu : Sehingga ,

(persamaan fotolistrik dari Einstein).

Energi minimal dari foton yang cukup untuk mengeluarkan electron dari logam adalah :

Yaitu : frekuensi minimum yang dapat menyebabkan pemancaran dari fotoelektron.

Sehingga energi fotoelektron yang dipancarkan mempunyai kecepatan tertentu :

Spektrum Sinar-XSinar-X merupakan gelb. Elektromagnetik yang dipancarkan oleh perpindahan elektron dari kulit luar ke kulit yang lebih dalam, akibat tumbukan tak lenting sempurna antara elektron dengan target (logam Anoda) dalam tabung sinar-X.Sinar-X Karakteristik.

Sinar-X Bremsstrahlung.

Dalam sebuah tabung vakum dari sinar-x terdapat Katoda K dan Anoda T. Electron-elektron dipancarkan dari K yang dipanasi oleh filament F dan dipercepat menuju T oleh suatu potensial V, maka energi kinetik dari electron yang menumbuk T adalah :

Dalam tumbukan electron-elektron kehilangan 98% dari energi mereka yang dipakai untuk menghasilkan panas. Kurang lebih hanya 2% dari energi itu digunakan untuk menghasilkan sinar-x. Sinar-x dipancarkan ke semua arah dengan suatu daerah frekuensi yang kontinu sampai suatu harga maksimum fmax. Untuk berbagai target dipenuhi relasi sebagai berikut :

V adalah potensial antara T dan K.

Andaikan electron yang menumbuk kehilangan seluruh energi kinetiknya dalam suatu tumbukan tunggal dan dihasilkan suatu foton dengan energi hfmax, sehingga :

dimana e dan h adalah konstanta sehingga :

mengingat

maka diperoleh :

dengan h = 6,625 x 10-34 J.dt c = 3 x 108 m/dt e = 1,602 x 10-19 C

EFEK COMPTON

EFEK COMPTONMelalui eksperimen hamburan sinar x oleh materi, Compton mengamati ternyata bahwa panjang gelombang sinar x yang terhambur berbeda dengan panjang gelombang sebelum terhambur.

Perubahan panjang gelombang tersebut tergantung pada sudut hamburan.

Dengan mengingat hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum dapat ditunjukkan bahwa:

dimana := Panjang gelombang dari foton yang terhambur = Panjang gelombang dari foton yang datang= Sudut hamburanh= 6,625 x 10-34 J. detikm0= 9,11 x 108 Kg = massa diam dari electron