THE OLD QUANTUM THEORY T. Hidayat KK Astronomi - ITB PROSES ASTROFISIKA II THE OLD QUANTUM THEORY T. Hidayat KK Astronomi - ITB

Fisika Kuantum Memahami struktur atom Dunia dalam skala yang sangat kecil, kurang dari 10-10 m

Krisis dalam fisika akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20 Banyak hasil eksperimen brilian yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik Perlu conjecture yang radikal

Menyangkut… Radiasi yang bersifat partikel Partikel yang bersifat gelombang Kuantisasi berbagai kuantitas fisis

Radiasi Benda Hitam Radiasi Termal Suatu benda pada temperatur sebarang memancarkan radiasi elektromagnetik yang disebut radiasi termal. Spektrum radiasinya bergantung pada temperatur dan sifat-sifat benda. Dari sudut pandang klasik, radiasi termal berasal dari partikel bermuatan yang dipercepat di dekat permukaan benda. Benda Hitam merupakan sistem ideal yang menyerap seluruh radiasi yang datang padanya. placed in Kamera lubang jarum merupakan contoh yang mendekati sistem ideal tersebut.

Radiasi Benda Hitam Radiasi benda hitam Sifat radiasi benda hitam hanya bergantung pada temperatur benda, bukan pada komposisi material penyusun benda. Distribusi energi dalam radiasi benda hitam bervariasi dengan panjang gelombang dan temp. Jumlah energi total (luas di bawah kurva) yang dipancarkan meningkat dengan temperatur. Puncak distribusi bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek, memenuhi hukum pergeseran Wien: Teori klasik tentang radiasi termal pada akhir abad ke-19 gagal menjelaskan distribusi energi Radiasi benda hitam.

Hukum Rayleigh-Jeans: dE kerapatan energi antara λ dan dλ

Pokok-Pokok Penting P. Ehrenfest: Bencana Ultra Violet (ultraviolet catastrophe) Asumsi ad-hoc Planck tentang “kuanta energy” energi Equantum = h show that for small frequencies, Planck’s average oscillator energy yields classical equipartition result <Eosc> = kT show that for standing waves on a string, number of waves in band between  and + is n = (2L/2)  Opens path to further developments

Hipotesis Planck Tahun1900, Planck membangun suatu formula untuk spektrum yang mampu menjelaskan perilaku spektrum yang diamati. Hipotesis Planck: - Radiasi Benda Hitam dihasilkan oleh osilasi radiasi elektromagnetik (resonator). - Resonator tersebut hanya diperkenankan memiliki energi diskrit tertentu yang diberikan oleh: n= quantum number (positive integer) f = frequency of vibration of the resonators h= Planck’s constant 6.626 x 10-34 J s Energy is quantized. each discrete energy value represents a different quantum state, where the quantum number n specifies the quantum state.

Distribusi Planck (Hukum Planck): Mulainya Era Kuantum!

Penemuan Elektron Sinar Katoda (Cathode rays): Selama paruh kedua abad ke-19, banyak fisikawan melakukan eksperimen menggunakan “discharge tubes”, yaitu tabung vakum yang diberi elektroda di ujung-ujungnya, dan terdapat medan listrik di antranya. (High Voltage) 1869: “discharge” terjadi melalui munculnya suatu berkas yang terpancar dari elektroda negatif (“cathode”) Berkas itu disebut “cathode rays” studi sinar katoda menunjukkan bahwa: Berkelakuan seperti partikel Dibelokkan oleh medan magnetik Bermuatan negatif Akhirnya disadari sinar katoda adalah partikel – disebut elektron

Penemuan Elektron 1897: tiga eksperimen mengukur e/m, dalam kondisi vacuum yang lebih baik: Emil Wiechert (1861-1928) (Königsberg) Mengukur e/m – nilainya sama dengan yang didapatkan oleh Lorentz Asumsi nilai muatan = ion H, menyimpulkan bahwa “entitas pembawa muatan tersebut kira-kira 2000 kali lebih kecil daripada atom H” Sinar Katoda bagian dari atom? Walther Kaufmann (1871-1947) (Berlin) Mendapatkan nilai e/m yang sama, tanpa penjelasan J. J. Thomson

1897: Joseph John Thomson (1856-1940) (Cambridge) Menyimpulkan bahwa sinar katoda adalah “corpuscles” yang bermuatan negatif Kemudian mendesain tabung lain dengan plat defleksi listrik di dalam tabung untuk pengukuran e/m Hasilnya (e/m) sesuai dengan Lorentz, Wiechert, Kaufmann Kesimpulan penting: “we have in the cathode rays matter in a new state, a state in which the subdivision of matter is carried very much further than in the ordinary gaseous state: a state in which all matter... is of one and the same kind; this matter being the substance from which all the chemical elements are built up.“

Identifikasi Partikel yang dipancarkan dalam Efek Fotolistrik 1899, J.J. Thomson: Memodifikasi tabung sinar katoda dengan suatu permukaan logam yang diekspos oleh cahaya Mendapati partikel yang dipancarakan akibat adanya cahaya sama dengan sinar katoda (e/m yang sama)

Efek Fotolistrik dan Teori Partikel Cahaya Cahaya datang pada permukaan logam tertentu menyebabkan emisi elektron dari permukaan. Fenomena ini disebut efek fotolistrik dan elektron yang dipancar disebut fotoelektron. Untuk sebuah elektron yang mencapai Plate C apabila DV<0, energi kinetiknya haruslah setidaknya eDV. Bila DV sama dengan atau lebih negatif dari –DVs, potensial stopping, tidak ada elektron yang mencapai C dan arusnya nol. Energi kinetik maksimum fotoelektron: Potensial stopping tidak bergantung pada intensitas radiasi. DV=VC-VE

Efek Fotolistrik dan Teori Partikel Cahaya Photoelectric effect (cont’d) Observations Predictions by wave theory No electrons are emitted if the incident light frequency falls below a cutoff freq. fc. Wave theory predicts that this effect should occur at any frequency, provided the intensity is enough. The max. kinetic energy of the photoelectrons is independent of light intensity. Light of higher intensity carries more energy into the metal per unit time and eject photoelectrons with higher energies. The max. kinetic energy of the photoelectrons increases with light frequency. No relation between photoelectron energy and incident light frequency is predicted. Electrons are emitted from the surface almost instantaneously even at low intensities (10-9 s) . It is expected that the photoelectrons need some time to absorb the incident radiation before they acquire enough kinetic energy to escape.

Efek Fotolistrik dan Teori Partikel Cahaya Einstein’s particle theory of light Einstein successfully resolve the mystery in 1905 by extending Planck’s idea of quantization to electromagnetic waves. Einstein’s theory: - A localized packet of light energy (photon) would be emitted when a quantized oscillator made a jump from an energy state En=nhf to the next lower state En-1=(n-1)hf. - From conservation of energy, the photon’s energy is E=hf. - A well localized photon can give all its energy hf to a single electron in the metal. - An electron in the metal is bound by electromagnetic force and it needs to gain a certain energy (work function f ) to be liberated:

Efek Fotolistrik dan Teori Partikel Cahaya Einstein’s particle theory of light Predictions of Einstein’s theory: Cutoff frequency Photoelectrons are created by absorption of a single photon that has enough energy to overcome the work function. Independence of KEmax of light intensity KEmax depends on only the frequency of light and the work function. Linear dependence of KEmax on light frequency KEmax=hf-f explains it. Instantaneous production of photoelectrons The light energy is concentrated in packets. If the light has enough energy (frequency), no time is need to knock-off a photoelectron.

Efek Compton (Hamburan Compton) Sifat cahaya dari Foton: Eksperimen Compton: Sinar-X dengan panjang gelombang l0 diarahkan ke suatu grafit. Compton mengamati bahwa sinar-X mengalami hamburan dengan l sedikit lebih panjang (berenergi lebih rendah): Pengurangan energi bergantung pada sudut hamburan sinar-X Pergeseran Compton: Penjelasan Compton: Jika foton berkelakuan seperti partikel, tumbukan dengan partikel lain sama seperti tumbukan antara dua bola biliar. Foton menumbuk elektron yang diam dan mentransfer sebagian energi dan momentumnya ke elektron. Dari kekekalan energi dan momentum didapat rumus: me: massa elektron q : sudut hamburan h/mec = 0.00243 nm panjang gelombang Compton

SUMMARY (Sampai sejauh ini): Adanya “Kuanta Energi” menurut Planck (radiasi benda hitam); energi merupakan suatu besaran yang mengalami kuantisisasi; diskrit; tidak kontinu Atom disusun oleh partikel-partikel elementer (atom bukan lagi struktur terkecil dari materi). Elektron pembawa muatan listrik negatif. Muatan listrik merupakan kelipatan dari muatan elektron! Gelombang berkelakuan sebagai partikel (foton): efek fotolistrik, hamburan Compton