Upload
awal-rahmat-delf
View
25
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Tugas 1 Fisika Kuantum I
Citation preview
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$u teori kuantum dan teori relativitas, termasuk aplikasi terori ini
untuk memahami stuktur atom, inti atom dan partikel pembuatnya, penyusun atom dalam
molekul dan padatan, dalam skala kosmik, asal usul dan evolusi dari alam semesta.
2. Radiasi Thermal dan Postulat Planck
1
7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum
http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 2/9
%ada waktu berada dekat dengan sebuah benda yang lebih pandas daripada tubuh
kita, kita merasa hangat. &asa hangant ini berasal dari radiasi elektromagnetik yang berasal
dari benda tersebut. &adiasi ini dikenal dengan radiasi thermal.erdasarkan hasil eksperimen para ahli, diperoleh bahwa banyaknya radiasi
thermal yang dipancarkan oleh suatu benda dipengaruhi oleh0
a. uhu benda, benda yang bersuhu tinggi akan memancaran lebih banyak radiasi.
b. ifat permukaan benda, permukaan kasar lebih banyak memancarkan radiasi
dibandingkan dengan permukaan halus.c. entuk benda, permukaan yang lebih luas akan memancarka radiasi yang
lebih banyak d. Jenis material, *ungsten dapat memancarkan radiasi dengan la$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
7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum
http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 3/9
)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, $arum amperemeter
menyimpang 5adanya arus yang mengalir dalam
rangkaian6. :rus in berasal dari eletron yang
terpancar dari emitter dan dikumpulkan ke
collector.
:da dua hasil yang unik pada
percobaan fotolistrik, yaitu0
a. )otolistrik tidak tergantung pada intensitas cahaya datang
b. )otolistrik tergantung pada frekuensi cahaya
3
7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum
http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 4/9
esuksesan teori efek fotolistrik telah dikembangkan oleh :lbert +instein.
erdasarkan teori %lanck, +instein mengemukakan bahwa energi radiasi elektromagnetik
tidak secara terus menerus disalurkan melewati gelombang, tetapi terkonsentrasi pada suatu
quanta. Menurut +instein, cahaya terdiri dari foton-foton yang mempunyai energi sebesar hf .
etika cahaya mengenai permukaan logam, elektron logam menyerap foton sehingga
energinya naik sebesar hf . Jika frekuensicahaya cukup tinggi, maka energi yang diserap akan
mapu mengeluarkan elektron dari permukaan logam.
)rekuensi terkecil cahaya yang dapae melepaskan elektron dari permukaan logam
dinamakan frekuensi ambang,f 0 . edangkan energi terkecil yang harus diberikan agar
elektron terlepas dari permukaan logam disebut energi ambang.
E0=
h f 0
esarnya energi ambang ini harus sama dengan energi ikat elektron pada atom
logam,ϕ
.
ϕ=hf 0
ϕ
sering dinamakan fungsi ker$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
7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum
http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 5/9
)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$ang gelombang sinar-> yang terhambur ini ternyata
5
7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum
http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 6/9
hanya tergantung pada besar sudut hamburan. ama sekali tidak tergantung pada lama
penyinaran.
Menurut teori gelombang, pan$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
7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum
http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 7/9
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
7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum
http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 8/9
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 $auh. (alam praktik, prinsip ketidakpastian ini
mengkhususkan batas-batas teoritis tertentu terhadap keaanggupan dalam melihat hal-hal
ilmiah.
8
7/18/2019 Pendahuluan Fisika Kuantum
http://slidepdf.com/reader/full/pendahuluan-fisika-kuantum 9/9
aftar Pustaka
rane, . /7. Modern Physics third edition. B:0John 3iley C ons, 'nc
urya, Dohanes./9. eri !ahan Persiapan "limpiade #isika, #isika Modern.*angerang0%* andel.
*ipler :. %aul, lewellyn :. &alph. /7. Modern Physics fifth edition.
NewDork03.". )reeman and =ompany.
(uaslisme gelombang cahaya sebagai gelombang dan sebagai partikel. /1A.
http$%%&&&.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