Download - Bab 5 Fisika Kuantum
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
1/48
1
FISIKA KUANTUM 1
THOMAS YOUNG
ALBERT EINSTEINEFEK FOTOELEKTRIK
EFEK COMPTON
MAX PLANCK
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
2/48
2
THOMAS YOUNG
Percobaan Young (1801)Cahaya tampak
Pola-pola terang gelap
Peristiwa interferensi
Panjang gelombang dapat diukur
Cahaya tampak adalah suatubentuk gelombang
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
3/48
3
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
4/48
4
21 rrsind
Dytg
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
5/48
5
,2,1,0m,msind
,2,1,0m,)2
1m(sind
Maksimum :
Minimum :
Panjang gelombang rata-rata cahaya tampak :
570 nm 555 nm
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
6/48
6
ALBERT EINSTEIN
Teori relativitas spesial (1905)
Waktu dan ruang (kecepatan)
Technical expert (Swiss Patent Office)Fisika sebagai pekerjaan sambilan
Makalah kelas dunia (world-class)
Hipotesis mengenai light quanta
Hadiah Nobel
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
7/48
7
c
v
21
1
Speed parameter : Faktor Lorentz :
Momentum :
mvp
Energi total :
2cmE
Energi total = Energi diam + Energi kinetik
KcmE 2 )1(cmK 2
Hubungan antara energi dan momentum :
2222
)mc()pc(E
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
8/48
8
Hipotesis Einstein (1905)
Kadang-kadang cahaya bertindak seolah-olah
energinya terkonsentrasi pada suatu berkasdiskrit yang disebut light quanta
Cahaya tidak hanya sebagai gelombang
tetapi juga sebagai partikel Sekarang light quanta disebut foton
Max Plank (1913)
Merekomendasi Einstein menjadi anggautaRoyal Prussian Academic of Science
Kadang-kadang Einstein salah dalam
berspekulasi
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
9/48
9
fhE
0m
Energi foton :
Kecepatan foton V = c Energi diam = 0
fppchf
h
p
Momentum foton :
2222
)mc()pc(E
h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s
Konstanta Plank :
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
10/48
10
Panjang gelombang, frekuensi dan energi dari foton
EM Waves Wavelength Frequency Energy
Gamma ray 50 fm 6 x 1021 25 MeV
X ray 50 pm 6 x 1018 25 keV
Ultraviolet 100 nm 3 x 1015 12 eV
Visible 550 nm 5 x 1014 2 eV
Infrared 10 m 3 x 1013 120 meV
Microwave 1 cm 3 x 1010 120 eV
Radio wave 1 km 3 x 105 1,2 neV
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
11/48
11
Contoh 5.1 :
Cahaya kuning dari lampu gas Na mempunyai panjang gelombang
sebesar 589 nm. Tentukan energi fotonnya dalam eV.
eV11,2m10x589
)s/m10x3)(s.eV10x14,4(E
hc
fhE
9
815
Jawab :
Energi yang akan diperoleh sebuah elektron atau proton bila
dipercepat dengan perbedaan tegangan sebesar 2,11 V
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
12/48
12
Contoh 5.2 :
Dalam peluruhan radioaktif, suatu inti atom mengemisikan sinar
gamma yang energinya sebesar 1,35 MeV. Tentukan :a) Panjang gelombang dari foton
b) Momentum dari foton
fm920eV10x35,1
)s/m10x3)(s.eV10x14,4(
E
hchc
fhE
6
815
Jawab :
a)
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
13/48
13
b)
s/mkg10x20,7s/m10x3
)eV/J10x6,1)(eV10x35,1(p
c
E
f
hfhp
22
8
196
c/MeV35,1c
)MeV35,1(p
c
Ep
Berlaku juga untuk partikel-partikel dimana E total >> Energi diam
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
14/48
14
EFEK FOTOELEKTRIK
Cahaya dengan frekuensi f
dijatuhkan pada pelat logam P
Terjadi tumbukan antara foton dan
elektron-elektron pada pelat logam P
Elektron-elektron terlepas dari
atomnya menjadi elektron bebas
Terdapat perbedaan potensial Vext
antara pelat P dan cawan kolektor C
Elektron akan mengalir (bergerak)
menghasilkan arus i yang melewati
pengukur arus A
Beda potensial Vext dapat diubah-
ubah dari positip ke negatip
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
15/48
15
Pengamatan I : Stopping PotentialVo
Cahaya a dan b mempunyai
intensitas berbeda (b > a)
Vo adalah beda potensial yang
diperlukan agar tidak terjadi arus
Energi potensial eVo sama dengan
energi kinetik maksimum Km yang
diperoleh elektron akibat tumbukan
dengan foton
Ternyata Vo sama untuk cahaya a
dan cahaya b
Energi kinetik maksimum dari
elektron tidak tergantung pada
intensitas cahaya
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
16/48
16
Pengamatan II : Frekuensi cutofffo
Pada frekuensi fo stopping potential Vo = 0
Untuk f < fo, tidak terjadi efek fotoelektrik
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
17/48
17
Analisis I : Stopping PotentialVo
Dalam teori gelombang, intensitas lebih tinggi akanmemperbesar amplituda medan listrik E
Gaya eE yang diterimanya akan memperbesarpercepatan Energi kinetik lebih besar
Ternyata energi kinetik maksimumnya sama
Telah dicoba dengan intensitas sampai 107 kali
Stopping potential yang selalu sama pada efekfotoelektrik tidak dapat diterangkan denganmenganggap cahaya adalah gelombang
Cahaya = Gelombang
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
18/48
18
Analisis I : Stopping PotentialVo
Cahaya dengan intensitas lebih tinggi akan
mempunyai jumlah foton yang lebih banyak Tidak memperbesar energi kinetik setiap foton
Energi kinetik yang diperoleh elektron daritumbukan dengan foton tidak berubah E = h f
Stopping potential yang selalu sama pada efekfotoelektrik dapat diterangkan denganmenganggap cahaya adalah partikel
Cahaya = partikel (foton)
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
19/48
19
Analisis II : Frekuensi cutofffo
Menurut teori gelombang, efek fotoelektrikseharusnya tetap akan terjadi untuk setiap
frekuensi asalkan intensitasnya cukup tinggi Ternyata untuk f < fo, efek fotoelektrik tidak
pernah terjadi berapapun intensitasnya
Adanya frekuensi cutoff pada efek fotoelektrik
tidak dapat diterangkan dengan menganggapcahaya adalah gelombang
Cahaya = Gelombang
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
20/48
20
Analisis II : Frekuensi cutofffo
Elektron-elektron terikat pada atom-atomnya
Diperlukan energi minimum agar elektron terlepas
dari atomnya yang disebut sebagai Work Function Bila energi foton yang menumbuknya hf > , efek
fotoelektrik akan terjadi
Bila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi fotonhf < , efek fotoelektrik tidak mungkin terjadi
Adanya frekuensi cutoff dapat diterangkan denganmenganggap cahaya adalah partikel
Cahaya = partikel (foton)
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
21/48
21
Analisis III : Time delay
Dalam teori gelombang, elektron memerlukanwaktu menampung/menerima energi darigelombang cahaya sampai cukup besar agar dapatmelepaskan diri dari atomnya
Kenyataannya selang waktu ini tidak pernahteramati dalam percobaan-percobaan
Efek fotoelektrik terjadi seketika, karena
terjadinya peristiwa tumbukan antara elektron danfoton
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
22/48
22
Analisis Kuantitatif
hfKKfhmm
ef
e
hVKeV omo
Prinsip Kekekalan Energi pada efek fotoelektrik
Einstein :
Vo linier terhadap frekuensi
bh
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
23/48
23
s.V10x1,4
Hz10x)610(
V)72,035,2(
bc
ab
e
h
15
14
s.J10x63,6s.J10x6,6h
)C10x6,1)(s.V10x1,4(h
h)e(eh
3434
1915
C t h 5 3
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
24/48
24
ef
e
hVo
Hz10x3,4f
0V
14
o
o
ef
e
h0
o
eV8,1J10x9,2
)Hz10x3,4)(s.J10x63,6(hf
19
1434
o
Contoh 5.3 :
Tentukan besarnya work function dari pengamatan frekuensi cutoff
Jawab :
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
25/48
25
EFEK COMPTON (1923)
Arthur Holly Compton, Washington University
Sinar-x dengan panjang gelombang diradiasikan ketarget berupa grafit T
Hamburan yang terjadi pada berbagai arah diukurintensitasnya sebagai fungsi dari panjang gelombang
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
26/48
26
'
'
Compton shift
Terdapat dua puncak panjang
gelombang :
= sinar-x yang datang
= sinar-x yang dihamburkan
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
27/48
27
Elektron-elektron akan berosilasi pada frekuensi
yang sama dengan frekuensi dari cahaya yangmengenainya
Terjadinya gelombang dengan frekuensi/panjanggelombang yang berbeda tidak dapat diterangkan
bila cahaya dianggap sebagai gelombang
Cahaya = Gelombang
Cahaya = partikel
Foton dengan energi hf yang bertumbukan dengan
elektron akan kehilangan sebagian energinya (diambil oleh elektron)
Energi foton setelah tumbukan E = hf < hf
Panjang gelombangnya akan lebih besar ( > )
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
28/48
28
Analisis Kuantitatif
)1(mcK'hf'EhfE 2
Prinsip kekekalan energi :
)1(mc'hfhfK'EE 2
)1(mc'
hh)1(mc
'
ch
ch 2
Momentum foton dan momentum elektron :
mvp'
hp
hp e
Prinsip kekekalan momentum :
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
29/48
29
Prinsip kekekalan momentum :
2e
c
v
1
mvmvp
'
hp
hp
cos
c
v1
mvcos
'
hh
2
sin
c
v1
mvsin
'
h0
2
)cos1(mc
h'
Panjang gelombang Compton 2,43 pm
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
30/48
30
Contoh 1.4 :
Sinar-x dengan panjang gelombang 22 pm dihamburkan oleh target
karbon. Bila radiasi yang dihamburkan diamati pada sudut 85o
,tentukan :
a) Compton shift yang terjadi
b) Persentase energi (fraksi energi) yang hilang
pm21,2)85cos1)(pm43,2()cos1(mch o
Jawab :
a)
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
31/48
31
b)
f
'ff
hf
'hfhf
E
'EE
frac
'
'
c
'
cc
frac
%1,9091,021,222
21,2frac
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
32/48
32
MAX PLANCK
Radiasi obyek yang dipanaskan
Radiator ideal yang radiasinya hanya tergantungpada temperatur
Benda berongga yang dindingnya bertemperatur
konstan dan diberi lubang kecil Radiasi yang keluar dari lubang berwarna lebih
terang/putih (semua panjang gelombang ada)
Teori klasik sesuai dengan hasil pengukuranhanya pada panjang gelombang
Mengusulkan rumus radiasi yang sesuai denganhasil pengukuran untuk semua temperatur dan
panjang gelombang (1990)
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
33/48
33
4
ckT2)(S
k = konstanta Boltzmann
= 1,38x10-23 J/K
= 8,62x10-5 eV/K
Rumus radiasi klasik
Rumus radiasi Planck
1e
1hc2)(S
kT
hc5
2
Diturunkan/dibuktikanpada tahun 1917
Einstein
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
34/48
34
Energi radiasi dari rongga terkuantisasi Radiasi dalam bentuk foton-foton dengan
energi sebesar E = hf
Energi atom-atom dari bahan yangmembentuk dinding rongga terkuantisasi
Asumsi-asumsi pada rumus radiasi Planck
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
35/48
35
CORESPONDENCE PRINCIPLE
Persamaan Newton relativitas berlaku umumPersamaan Newton klasik kecepatan rendah
4
ckT2)(S
1e
1hc2)(S
kT
hc5
2
Semua
besar
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
36/48
36
1e
1hc2
1e
1hc2)(S
kT
hcx
x5
2
kT
hc5
2
0kT
hcx
6x
2
x
x1e0x
32x
kT
hcx1e
x
45
2
5
2 ckT2
hc
kThc2
x
1hc2)(S
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
37/48
37
Faraday : Medan magnetik berubah menimbulkan medan listrik
Oursted :
Medan listrik berubah menimbulkan medan magnetikElektron mempunyai suatu antipartikel
Partikel bermassa sama tapi bermuatan positip
Proton mempunyai suatu antipartikel Partikel bermassa sama tapi bermuatan negatip
Symmetry of Nature
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
38/48
38
LOUIS VICTOR DE BROGLIE
Einsten : Cahaya tidak hanya merupakan suatu gelombang
tetapi juga merupakan suatu partikel
De Broglie : Materi tidak hanya merupakan suatu partikel
tetapi juga merupakan suatu gelombang
Hipotesa de Broglie (1924) :
Mengusulkan bahwa formula : p = h berlakubaik untuk cahaya maupun untuk materi
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
39/48
39
hp
h
pMomentum suatu foton :
Panjang gelombang suatu partikel :p
h
Panjang gelombang Broglie
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
40/48
40
Contoh Soal 5.4 :
Berapa panjang gelombang Broglie dari sebuah elektron yang
mempunyai energi kinetik 120 eV ?
Jawab :
mK2pmvpmv2
1
K
2
s/mkg10x91,5p
)eV/J10x6,1)(eV120)(kg10x1,9(2mK2p
24
1931
pm112m10x12,1s/m.kg10x91,5
s.J10x63,6
p
h 1024
34
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
41/48
41
Contoh Soal 5.5 :
Berapa panjang gelombang Broglie dari sebuah baseball
bermassa 150 g yang sedang bergerak dengan kecepatan sebesar
35 m/s ?
Jawab :
m10x26,1)s/m35)(kg15,0(
s.J10x63,6
mvh
ph
3434
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
42/48
42
PEMBUKTIAN HIPOTESA BROGLIE
Thomas Young (1801) : Cahaya tampak
Max von Laue (1912) :
Sinar-xPercobaan di laboratorium
Lubang (pinholes)
Celah sempit (slits) Atom
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
43/48
43
PERCOBAAN DAVISSON - GERMER
Filamen F dipanaskan sehingga
terjadi elektron-elektron bebas
Beda tegangan V memberikanelektron energi kinetik sebesar eV
Elektron bergerak menuju kristal C
berupa bahan nikel Elektron yang dipantulkan diterima
oleh detektor D sebagai arus listrik I
Untuk harga V tertentu, arus diukurpada berbagai sudut
Beda potensial V kemudian diubah-ubah dan arus diukur lagi padaberbagai sudut
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
44/48
44
PENGAMATAN HASIL PERCOBAAN
Beda tegangan sebesar 54 V
Terjadi arus (pantulan elektron)
maksimum pada sudut 50o
Bila beda tegangan diperbesar atau
diperkecil sedikit, arus listriknya
berkurang dengan drastis
Bila Bila sudutnya diubah sedikit,
arus listriknya juga berkurang
dengan drastis
Sepertinya telah terjadi difraksimaksimum dan minimum
Bersifat seperti gelombang
DIFRAKSI BRAGG
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
45/48
45
DIFRAKSI BRAGG
Difraksi Bragg terjadi bila d sin = m, m = 0, 1, 2, 3,
Kristal nikel : d = 215 pm
Untuk m = 1 :
pm1651
)50)(sinpm215(
m
sind
o
pm167eV54K
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
46/48
46
PERCOBAAN G. P. THOMSON (1927)
Target bukan kristal tetapi pelat logam tipis yang
ditaburi serbuk alumunium secara acak Digunakan elektron yang dipercepat dan sinar-x
Pola difraksinya diamati baik untuk elektron
maupun untuk sinar-x
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
47/48
47
POLA DIFRAKSI
Ternyata pola difraksinya sama
Berkas elektron adalah suatu gelombang
Sinar-x Berkas elektron
-
8/2/2019 Bab 5 Fisika Kuantum
48/48
48
J.J. Thomson :
Hadiah Nobel 1906
Penemuan elektron (sebagai partikel)
G.P. Thomson :
Hadiah Nobel 1937 (bersama Davisson)
Elektron sebagai gelombang
G.P. Thomson adalah anak dari J.J. Thomson