FISIKA KUANTUM 1

1
FISIKA KUANTUM 1

• THOMAS YOUNG
• ALBERT EINSTEIN
• EFEK FOTOELEKTRIK
• EFEK COMPTON
• MAX PLANCK

2
THOMAS YOUNG

• Percobaan Young (1801)
• Cahaya tampak
• Pola-pola terang gelap
• Peristiwa interferensi
• Panjang gelombang dapat diukur
• Cahaya tampak adalah suatu bentuk gelombang

3
(No Transcript)
4
(No Transcript)
5
Maksimum
Minimum
Panjang gelombang rata-rata cahaya tampak
570 nm ? 555 nm
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

7
Speed parameter
Faktor Lorentz
Momentum
Energi total
Energi total Energi diam Energi kinetik
Hubungan antara energi dan momentum
8

• Hipotesis Einstein (1905)
• Kadang-kadang cahaya bertindak seolah-olah
  energinya terkonsentrasi pada suatu berkas
  diskrit yang disebut light quanta
• Cahaya tidak hanya sebagai gelombang tetapi juga
  sebagai partikel
• Sekarang light quanta disebut foton
• Max Plank (1913)
• Merekomendasi Einstein menjadi anggauta Royal
  Prussian Academic of Science
• Kadang-kadang Einstein salah dalam berspekulasi

9
Energi foton
Konstanta Plank
h 6,63 x 10-34 J.s 4,14 x 10-15 eV.s
Kecepatan foton V c
Energi diam 0
Momentum foton
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
11
Contoh 5.1 Cahaya kuning dari lampu gas Na
mempunyai panjang gelombang sebesar 589 nm.
Tentukan energi fotonnya dalam eV.
Jawab
Energi yang akan diperoleh sebuah elektron atau
proton bila dipercepat dengan perbedaan tegangan
sebesar 2,11 V
12

• Contoh 5.2
• Dalam peluruhan radioaktif, suatu inti atom
  mengemisikan sinar gamma yang energinya sebesar
  1,35 MeV. Tentukan
• Panjang gelombang dari foton
• Momentum dari foton

Jawab a)
13
b)
Berlaku juga untuk partikel-partikel dimana E
total gtgt Energi diam
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

15
Pengamatan I Stopping Potential Vo

• Cahaya a dan b mempunyai intensitas berbeda (b gt
  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

16
Pengamatan II Frekuensi cutoff fo

• Pada frekuensi fo stopping potential Vo 0
• Untuk f lt fo, tidak terjadi efek fotoelektrik

17
Analisis I Stopping Potential Vo
Cahaya Gelombang

• Dalam teori gelombang, intensitas lebih tinggi
  akan memperbesar amplituda medan listrik E
• Gaya eE yang diterimanya akan memperbesar
  percepatan ? Energi kinetik lebih besar
• Ternyata energi kinetik maksimumnya sama
• Telah dicoba dengan intensitas sampai 107 kali
• Stopping potential yang selalu sama pada efek
  fotoelektrik tidak dapat diterangkan dengan
  menganggap cahaya adalah gelombang

18
Analisis I Stopping Potential Vo
Cahaya partikel (foton)

• Cahaya dengan intensitas lebih tinggi akan
  mempunyai jumlah foton yang lebih banyak
• Tidak memperbesar energi kinetik setiap foton
• Energi kinetik yang diperoleh elektron dari
  tumbukan dengan foton tidak berubah E h f
• Stopping potential yang selalu sama pada efek
  fotoelektrik dapat diterangkan dengan menganggap
  cahaya adalah partikel

19
Analisis II Frekuensi cutoff fo
Cahaya Gelombang

• Menurut teori gelombang, efek fotoelektrik
  seharusnya tetap akan terjadi untuk setiap
  frekuensi asalkan intensitasnya cukup tinggi
• Ternyata untuk f lt fo, efek fotoelektrik tidak
  pernah terjadi berapapun intensitasnya
• Adanya frekuensi cutoff pada efek fotoelektrik
  tidak dapat diterangkan dengan menganggap cahaya
  adalah gelombang

20
Analisis II Frekuensi cutoff fo
Cahaya partikel (foton)

• 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 gt ?, efek
  fotoelektrik akan terjadi
• Bila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi
  foton hf lt ?, efek fotoelektrik tidak mungkin
  terjadi
• Adanya frekuensi cutoff dapat diterangkan dengan
  menganggap cahaya adalah partikel

21
Analisis III Time delay

• Dalam teori gelombang, elektron memerlukan waktu
  menampung/menerima energi dari gelombang cahaya
  sampai cukup besar agar dapat melepaskan diri
  dari atomnya
• Kenyataannya selang waktu ini tidak pernah
  teramati dalam percobaan-percobaan

• Efek fotoelektrik terjadi seketika, karena
  terjadinya peristiwa tumbukan antara elektron dan
  foton

22

• Analisis Kuantitatif

Prinsip Kekekalan Energi pada efek fotoelektrik
Einstein
Vo linier terhadap frekuensi
23
(No Transcript)
24
Contoh 5.3 Tentukan besarnya work function dari
pengamatan frekuensi cutoff
Jawab
25
EFEK COMPTON (1923)

• Arthur Holly Compton, Washington University
• Sinar-x dengan panjang gelombang ? diradiasikan
  ke target berupa grafit T
• Hamburan yang terjadi pada berbagai arah ? diukur
  intensitasnya sebagai fungsi dari panjang
  gelombang

26
Terdapat dua puncak panjang gelombang

• sinar-x yang datang
• sinar-x yang dihamburkan

Compton shift
27
Cahaya Gelombang

• Elektron-elektron akan berosilasi pada frekuensi
  yang sama dengan frekuensi dari cahaya yang
  mengenainya
• Terjadinya gelombang dengan frekuensi/panjang
  gelombang yang berbeda tidak dapat diterangkan
  bila cahaya dianggap sebagai gelombang

Cahaya partikel

• Foton dengan energi hf yang bertumbukan dengan
  elektron akan kehilangan sebagian energinya (di
  ambil oleh elektron)
• Energi foton setelah tumbukan E hf lt hf
• Panjang gelombangnya akan lebih besar (? gt ?)

28

• Analisis Kuantitatif

Prinsip kekekalan energi
Momentum foton dan momentum elektron
29
Prinsip kekekalan momentum
2,43 pm
Panjang gelombang Compton
30

• Contoh 1.4
• Sinar-x dengan panjang gelombang 22 pm
  dihamburkan oleh target karbon. Bila radiasi yang
  dihamburkan diamati pada sudut 85o, tentukan
• Compton shift yang terjadi
• Persentase energi (fraksi energi) yang hilang

Jawab a)
31
b)
32
MAX PLANCK

• Radiasi obyek yang dipanaskan
• Radiator ideal yang radiasinya hanya tergantung
  pada 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 pengukuran hanya
  pada panjang gelombang ? ?
• Mengusulkan rumus radiasi yang sesuai dengan
  hasil pengukuran untuk semua temperatur dan
  panjang gelombang (1990)

33
Rumus radiasi klasik
k konstanta Boltzmann 1,38x10-23 J/K
8,62x10-5 eV/K
Rumus radiasi Planck
Diturunkan/dibuktikan pada tahun 1917
Einstein
34
Asumsi-asumsi pada rumus radiasi Planck

• Energi radiasi dari rongga terkuantisasi
• Radiasi dalam bentuk foton-foton dengan energi
  sebesar E hf
• Energi atom-atom dari bahan yang membentuk
  dinding rongga terkuantisasi

35
CORESPONDENCE PRINCIPLE
Persamaan Newton relativitas ? berlaku umum
Persamaan Newton klasik ? kecepatan rendah
Semua ?
? besar
36
(No Transcript)
37
Symmetry of Nature

• Faraday
• Medan magnetik berubah menimbulkan medan listrik
• Oursted
• Medan listrik berubah menimbulkan medan magnetik
• Elektron mempunyai suatu antipartikel
• Partikel bermassa sama tapi bermuatan positip
• Proton mempunyai suatu antipartikel
• Partikel bermassa sama tapi bermuatan negatip

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 berlaku baik
  untuk cahaya maupun untuk materi

39
Momentum suatu foton
Panjang gelombang suatu partikel
Panjang gelombang Broglie
40
Contoh Soal 5.4 Berapa panjang gelombang
Broglie dari sebuah elektron yang mempunyai
energi kinetik 120 eV ?
Jawab
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
42

• PEMBUKTIAN HIPOTESA BROGLIE

• Thomas Young (1801)
• Cahaya tampak
• Max von Laue (1912)
• Sinar-x
• Percobaan di laboratorium
• Lubang (pinholes)
• Celah sempit (slits)
• Atom

43
PERCOBAAN DAVISSON - GERMER

• Filamen F dipanaskan sehingga terjadi
  elektron-elektron bebas
• Beda tegangan V memberikan elektron 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 diukur pada berbagai
  sudut ?
• Beda potensial V kemudian diubah-ubah dan arus
  diukur lagi pada berbagai sudut ?

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 difraksi maksimum dan
  minimum
• Bersifat seperti gelombang

45
DIFRAKSI BRAGG

• Difraksi Bragg terjadi bila d sin ? m?, m 0,
  1, 2, 3,
• Kristal nikel d 215 pm
• Untuk m 1

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

47
POLA DIFRAKSI
Sinar-x
Berkas elektron

• Ternyata pola difraksinya sama
• Berkas elektron adalah suatu gelombang

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