Makalah Gejala Kuantum [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Dasar dimulainya periode fisika kuantum adalah ketika fisika klasik tidak bisa menjelaskan gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskofis dan bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena itu, diperlukan cara pandang yang berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut. Sejarah fisika kuantum dimulai ketika Michael Faraday menemukan sinar katoda. Kemudian pada tahun 1859-1860, Gustav Kirchoff memberikan pernyataan tentang radiasi benda hitam. Pada tahun 1887 Ludwig Boltzman menyatakan bahwa bentuk energi pada sistem fisika berbentuk diskrit. Pada tahun 1900 fisikawan Jerman, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi itu terkuantisasi. Ide ini muncul berkenaan dengan situasi pada saat tersebut yaitu ketika para ilmuan tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi spectrum cahaya yang dipancarkan oleh suatu benda mampat pada temperatur tertentu yang dikenal dengan radiasi benda hitam. Teori fisika klasik pada saat itu tidak bisa menjelaskan kenapa cahaya selain cahaya tampak, cahaya-cahaya lain yang tidak tampak pun dipancarkan. Hal tersebut menunjukan bahwa untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ternyata benda tidak perlu terlalu panas, bahkan pada suhu kamar pun benda tetap bisa memancarkan gelombang elektromagnetik. Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam ini tidak bisa diterangkan oleh teori-teori fisika yang berkembang pada saat itu. Sampai akhirnya Planck menurunkan persamaan yang dapat menerangkan radiasi spectrum ini sebagai fungsi temperatur dari benda yang meradiasikannya dan memandang bahwa radiasi ini dipancarkan tidak dalam bentuk kontinu tapi dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta. Besarnya energi yang diradiasikan itu sebanding dengan frekuensi v. Setiap paket energi tersebut meradiasikan energi sebesar: E = hv



1



Dengan h merupakan konstanta Planck. Planck juga tidak menyangsikan teori klasik yang diterima pada waktu itu yaitu bahwa cahaya diradiasikan dalam bentuk gelombang bukan dalam bentuk partikel yang membuat teori tersebut tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini.



2



BAB II PEMBAHASAN 1. BENDA HITAM Dalam fisika, benda hitam (bahasa Inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluruh



radiasi



elektromagnetik yang jatuh kepadanya.



Tidak



ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur. Meskipun namanya benda hitam, dia tidaklah harus benar-benar hitam karena dia juga memancarkan energi. Jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya bergantung pada suhu benda hitam tersebut. Benda hitam dengan suhu di bawah sekitar 700 Kelvin hampir semua energinya dipancarkan dalam bentuk gelombang inframerah, sangat sedikit dalam panjang gelombang tampak. Semakin tinggi temperatur, semakin banyak energi yang dipancarkan dalam panjang gelombang tampak dimulai dari merah, jingga, kuning dan putih. Istilah "benda hitam" pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam.



Gambar Benda Hitam



2. RADIASI BENDA HITAM Teori kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 3



1862. Dalam Fisika, benda hitam (atau blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energi dari benda tersebut dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak. Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat dipancarkan dengan



pancaran



radiasi



dimulai



dari panjang



gelombang



merah, jingga, kuning hingga putih. Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Dalam percobaan Fisika sederhana, benda atau objek yang paling mirip radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Dengan mengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk, maka selama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang, cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga berulang kali serta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan kembali sebagai radiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga. Lubang pada rongga inilah yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam. Temperatur dari benda itu akan terus naik apabila laju penyerapan energinya lebih besar dari laju pancarannya, sehingga pada akhirnya benda hitam itu mencapai temperatur kesetimbangan. Keadaan ini dinamakam dengan setimbang termal (setimbang termodinamik).



4



Spektrum radiasi benda hitam berupa spektrum kontinu dengan tingkat kebersinaran (intensitas radiasi) dari masing-masing spektral tidak sama kuat. Pada suhu tertentu, intensitas cahaya yang diradiasikan akan terus bertambah hingga mencapai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Hubungan empiris sederhana antara panjang gelombang yang dipancarkan untuk intensitas maksimum (lm) dengan suhu mutlak (T) sebuah benda yang dikenal sebagai hukum pergeseran wien, yaitu :



λmaks T = C dengan T = suhu mutlak benda hitam C = konstanta Wien (2,899 x 10-3 mK) Tahun 1879, seorang ahli fisika Austria, Josef Stefan membuktikan bahwa intensitas radiasi total (P/A) oleh suatu benda hitam panas adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Bentuk persamaan empirisnya adalah sebagai berikut:



P = e σ A T4 dengan P = daya radiasi (watt = W) A = luas permukaan benda T = suhu mutlak benda σ = 5,67 x 10-8 W m-3 K-4 e = emitivitas radiasi ( e=1 untuk benda hitam sempurna) Pada akhir abad 19 Rayleigh – Jeans menerangkan bentuk lengkung radiasi benda hitam dengan menggunakan teori ekipartisi energy untuk menentukan ɛ. Osilator mempunyai 2 derajat kebebasan, oleh karena itu energi rata-rata per osilator adalah:



𝜀 =2𝑥



1 2



𝑘𝐵 𝑇 = 𝑘𝐵 𝑇



Type equation here.



dimana kB = konstanta Boltzmann T = suhu mutlak



5



Setiap osilator berkaitan dengan satu moda getar, oleh karena itu rapat energi adalah: ( formula Rayleigh-Jean untuk radiasi benda hitam)



8𝜋𝑓 2 𝜌𝑇 (𝑓) = 𝜀. 𝑁(𝑓) = 𝑘 𝑇 𝑐3 𝐵 Teori elektromagnetik klasik maupun mekanika statistik tidak dapat menjelaskan spektrum yang teramati pada radiasi benda hitam. Teori tersebut hanya dapat memprediksi intensitas yang tinggi dari panjang gelombang rendah atau dikenal sebagai bencana ultraungu. Namun kemudian, Max Planck berhasil memecahkan



masalah



elektromagnetik



hanya



ini. Max



Planck



dapat



merambat



menjelaskan dalam



bahwa



bentuk



radiasi



paket-paket



energi atau kuanta yang dinamakan foton. Gagasan Planck ini kemudian berkembang menjadi teori baru dalam fisika yang disebut Teori Kuantum. Dengan teori ini, kemudian Einstein berhasil menjelaskan peristiwa yang dikenal dengan nama efek fotolistrik, yakni pemancaran elekton dari permukaan logam karena logam tersebut disinari cahaya. Perkembangan teoritis ini menjadi penyebab digantikannya teori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum. Benda hitam merupakan penyerap radiasi yang baik sekaligus pemancar radiasi yang buruk sedangkan benda putih mengkilap merupakan pemancar radiasi yang baik. Benda dikatakan hitam sempurna bila seluruh radiasi yang datangi kepadanya terserap semuanya tanpa sedikitpun yang terpancar kembali.Kemampuan suatu bahan untuk menyerap radiasi dinamakan sebagai emisivitas (ε). Benda hitam mempunyai emisivitas = 1 sedangkan benda mengkilap mempunyai emisivitas = 0.



3. FOTON  Konsep foton Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik. Biasanya foton dianggap sebagai pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X. Foton berbeda dengan partikel elementer lain seperti elektron dan quark, karena ia tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton



6



selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, c. Foton memiliki baik sifat gelombang maupun partikel ("dualisme gelombang-partikel"). Sebagai gelombang, satu foton tunggal tersebar di seluruh ruang dan menunjukkan fenomena gelombang seperti pembiasan oleh lensa dan interferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain. Sebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah:



E=Nhf=



𝑁ℎ𝑐 𝜆



dimana h adalah konstanta Planck, c adalah laju cahaya, dan λ adalah panjang gelombangnya. Selain



energi



partikel



foton



juga



membawa momentum dan



memilikipolarisasi. Foton mematuhi hukum mekanika kuantum, yang berarti kerap kali besaran-besaran tersebut tidak dapat diukur dengan cermat. Biasanya besaran-besaran tersebut didefinisikan sebagai probabilitas mengukur polarisasi, posisi, atau momentum tertentu. Sebagai contoh, meskipun sebuah foton dapat mengeksitasi satumolekul tertentu, sering tidak mungkin meramalkan sebelumnya molekul yang mana yang akan tereksitasi. Deskripsi foton sebagai pembawa radiasi elektromagnetik biasa digunakan oleh para fisikawan. Namun dalam fisika teoretis sebuah foton dapat dianggap sebagai mediator buat segala jenis interaksi elektromagnetik, seperti medan magnet dan gaya tolak-menolak antara muatan sejenis. Konsep modern foton dikembangkan secara berangsur-angsur antara 1905-1917 oleh Albert Einstein untuk menjelaskan pengamatan eksperimental yang tidak memenuhi model klasik untuk cahaya. Model foton khususnya memperhitungkan ketergantungan energi cahaya terhadap frekuensi, dan menjelaskan kemampuan materidan radiasi elektromagnetik untuk berada dalam kesetimbangan termal. Fisikawan lain mencoba menjelaskan anomali pengamatan ini dengan model semiklasik, yang masih menggunakan persamaan Maxwell untuk mendeskripsikan cahaya. Namun dalam model ini objek material yang mengemisi dan menyerap cahaya dikuantisasi. Meskipun model-model semiklasik ini ikut menyumbang



7



dalam pengembangan mekanika kuantum, percobaan-percobaan lebih lanjut membuktikan hipotesis Einstein bahwa cahaya itu sendirilah yang terkuantisasi. Kuantum cahaya adalah foton. Konsep foton telah membawa kemajuan berarti dalam



fisika



teoretis



dan



eksperimental,



seperti laser, kondensasi



Bose-



Einstein, teori medan kuantum dan interpretasi probabilistik dari mekanika kuantum. Menurut model standar fisika partikel, foton bertanggung jawab dalam memproduksi



semua medan



listrik dan medan



magnet dan



foton



sendiri



merupakan hasil persyaratan bahwa hukum-hukum fisika memiliki kesetangkupan pada tiap titik pada ruang-waktu. Sifat-sifat intrinsik foton seperti muatan listrik, massa dan spin ditentukan dari kesetangkupan gauge ini. Konsep foton diterapkan dalam banyak area seperti fotokimia, mikroskopi resolusi tinggi dan pengukuran



jarak



molekuler.



Baru-baru



ini



foton



dipelajari



sebagai



unsur komputer kuantum dan untuk aplikasi canggih dalam komunikasi optik seperti kriptografi kuantum  Nomenklatur Foton awalnya dinamakan sebagai kuantum cahaya (das Lichtquant) oleh Albert Einstein. Nama modern "photon" berasal dari kata Bahasa Yunani untuk cahaya φῶς, ditransliterasi sebagai phôs, dan ditelurkan oleh kimiawan fisik Gilbert N. Lewis, yang menerbitkan teori spekulatif yang menyebutkan foton sebagai "tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan". Meskipun teori Lewis ini tidak dapat diterima karena bertentangan dengan hasil banyak percobaan, nama barunya ini, photon, segera diadopsi oleh kebanyakan fisikawan. Isaac Asimov menyebut Arthur Compton sebagai orang yang pertama kali mendefinisikan kuantum cahaya sebagai foton pada tahun 1927. Dalam fisika, foton biasanya dilambangkan oleh simbol γ abjad Yunani gamma. Simbol ini kemungkinan berasal dari sinar gamma, yang ditemukan dan dinamakan oleh Villard, dan dibuktikan sebagai salah satu bentuk radiasi elektromagnetik pada



1914



oleh



Ernest



Rutherford



dan



Edward



Andrade.



Dalam kimia dan rekayasa optik, foton biasanya dilambangkan oleh hν, energi foton, h adalah konstanta Planck dan abjad Yunani ν adalah frekuensi foton. Agak



8



jarang ditemukan adalah foton disimbolkan sebagai hf, f di sini melambangkan frekuensi.  Sifat-sifat fisik Foton tidak bermassa, tidak memiliki muatan listrik, dan tidak meluruh secara spontan di ruang hampa. Sebuah foton memiliki dua keadaan polarisasi yang dimungkinkan, dan dapat dideskripsikan dengn tiga parameter kontinu: komponen-komponen vektor



gelombang,



yang



menentukan



panjang



gelombangnya (λ) dan arah perambatannya. Foton adalah boson gauge untuk elektromagnetisme, dan sebab itu semua bilangan kuantum lainnya seperti bilangan lepton, bilangan baryon atau strangeness bernilai persis nol. Foton diemisikan dalam banyak proses alamiah, contohnya ketika muatan dipercepat, saat transisi molekuler, atomik atau nuklir ke tingkat energi yang lebih rendah, atau ketika sebuah partikel dan antipartikelbertumbukan dan saling memusnahkan. Foton diserap dalam proses dengan waktu mundur (time-reversed) yang berkaitan dengan yang sudah disebut di atas: contohnya dalam produksi pasangan partikel-antipartikel, atau dalam transisi molekuler, atomik atau nuklir ke tingkat energi yang lebih tinggi. Dalam ruang hampa



foton



bergerak dengan laju c (laju cahaya).



Energinya E dan momentum p dihubungkan



dalam



persamaan E = pc,



di



mana p merupakan nilai momentum. Sebagai perbandingan, persamaan terkait untuk partikel dengan massa m adalah E2 = c2p2 + m2c4, sesuai dengan teori relativitas khusus



4. EFEK FOTOLISTRIK  Pengertian Efek Fotolistrik Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat (logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam. Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.



9



Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf. Efek fotolistrik ini ditemukan oleh Albert Einstein, yang menganggap bahwa cahaya (foton) yang mengenai logam bersifat sebagai partikel. Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain.



e = W0 + Ek 1



h. f = w0 + me v2 2



W0 = h. f0 =



ℎ .𝑐 𝜆0



Dimana m adalah massa elektron dan ve adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10−19 J. Energi kinetik foto elektron yang terlepas: Ek = h f - h fo Ek maks = e Vo hf



= energi foton yang menyinari logam



h fo



= fo frekuensi ambang = fungsi kerja = energi minimum untuk melepas elektron



E



= muatan elektron = 1.6 x 10-19C



Vo



= potensial penghenti



10



Proses kebalikan foto listrik adalah proses pembentukan sinar X yaitu proses perubahan energi kinetik elektron yang bergerak menjadi gelombang elektromagnetik (disebut juga proses Bremmsstrahlung). Kesimpulan: 1.



Agar elektron dapat lepas dari permukaan logam maka f > fo atau