FISIKA KUANTUM Ikwan Wahyudi

Fisika kuantum: “ilmu yang mempelajari kelakukan materi dan energi pada skala molekul, atom, inti dan bahkan pada level mikroskopik lainnya yang lebih kecil.” Kuantum:  Bahasa latin  seberapa banyak. Di dasari pada satuan diskret dari materi dan energi.

Sejarah lahirnya Fisika Kuantum Awal abad 20, fisika kuantum berkembang sebagai cabang baru dalam teori fisika dan digunakan untuk memahami rahasia interaksi antara materi dan radiasi. Ketidakmampuan mekanika klasik dan teori elektromagnetisme dalam menjelaskan efek tertentu dari radiasi  mengembangkan kerangka teori baru. Fisika kuantum dimulai ketika: 1859 – 1960 : Michael Faraday menemukan sinar katoda. Gustav Kirchoff : menyatakan tentang radiasi benda hitam 1887 : Ludwig Boltzman menyatakan bahwa bentuk energi pada sistem fisika berbentuk diskrit. 1900: Max Planck “energi itu terkuantisasi” ( ketika ilmuwan tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi spektrum cahaya yang dipancarkan oleh suatu benda mampat tertentu (benda hitam)) Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam tidak bisa diterangkan dengan teori-teori fisika klasik, sampai akhirnya Planck menurunkan persamaan yang dapat menerangkan radiasi spektrum ini sebagai fungsi temperatur.

Sejarah Perkembangan Fisika Kuantum Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam tidak bisa diterangkan dengan teori-teori fisika klasik, sampai akhirnya Planck menurunkan persamaan yang dapat menerangkan radiasi spektrum ini sebagai fungsi temperatur. 1905 (Albert Einstein)  berhasil menjelaskan efek fotolistrik dengan dasar teori Planck. 1913 (Neils Bohr)  menjelaskan garis-garis spektrum dari atom hidrogen dengan menggunakan teori kuantisasi. Namun teori ini tidak dapat menjelaskan bagaimana interaksi atom-atom penyusun ini bisa menyusun kumpulan makroskopis. 1924 (Louise de Broglie)  menyatakan bahwa partikel dapat menunjukkan sifat gelombang dan sebaliknya. Hanya berlaku untuk partikel tunggal. 1925 (Werner Heisenberg dan Max Born)  mengembangkan mekanika matriks, dimana pada 1927 merumuskan prinsip ketidakpastian. Sejarah Perkembangan Fisika Kuantum

1927 – 1929: Mulai 1927 dilakukan penerapan mekanika kuantum untuk sebuah bidang  teori medan kuantum. (P.A.M. Dirac, W. Pauli, V. Weisskopf, dan P. Jordan) 1940 mencapai puncak penelitian  perumusan elektrodinamika kuantum. (R.P. Feynmen, F. Dyson, J. Schwinger, dan S.I Tomonaga). ...teori kuantum tentang elektron, positron, dan medan elektromagnet. Pada tahun 1975 lahir teori kuantum Chromoynamics oleh Politzer, Gross, dan Wilczek. Kemudian oleh Schwinger, Higgs, dan Goldstone, fisikawan Glashow, Weinberg, dan Salam menunjukkan bagaimana gaya nuklir lemah dan kuantum elektrodinamika dapat disatukan ke dalam gaya listrik lemah.

Simpulan perkembangan fisika kuantum Awal-awal penemuan : Radiasi benda hitam Efek fotolistrik Dualisme gelombang partikel: Eksperimen celah ganda Young Hipotesis de Broglie Efek Compton Ide dan interpretasi penelitian: Interpretasi copenhagen Schrodinger’s cat

RADIASI BENDA HITAM Ikwan Wahyudi

Pendahuluan Pernahkah kalian menggunakan pakaian hitam di siang hari yang panas? Jika pernah, bagaimana rasanya? Pasti sangat panas bukan? Ini karena warna hitam menyerap semua cahaya atau sinar yang jatuh mengenainya sehingga benda tersebut akan menjadi panas. Pernahkah memperhatikan bola lampu yang menyala? Menurut Anda, manakah yang benar dari pernyataan berikut: suatu lampu bola menyala/bercahaya karena filamennya dipanaskan suatu lampu bola menjadi panas karena filamennya menyala.

Pernahkah kalian melihat lampu pijar Pernahkah kalian melihat lampu pijar? Jika kalian perhatikan, pada bagian filamen lampu berwarna kuning keputih-putihan padahal lampu berwarna biru. Mengapa hal ini terjadi? Ini terjadi karena suhu lampu pijar di atas 2.000 K. Semua benda yang berada pada suhu di atas 2.000 K akan memancarkan cahaya putih. Pernahkah kalian melihat proses pembuatan pisau/pedang? Besi yang dipanaskan terlihat berwarna kuning kemerah-merahan bukan? Mengapa demikian? “Setiap benda akan memancarkan cahaya pada saat dipanaskan (radiasi panas), contoh: besi dipanaskan. “ LOH MASAK IYA SIH? YAKIN?

Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1 Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1.000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2.000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini menyebabkan pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menentukan suhu suatu benda. Pertanyaannya sekarang adalah Jika ada besi, perunggu, kuningan, dan baja dipanaskan pada suhu yang sama, apakah warna yang terpancar sama atau berbeda? “warna yang terpancar tidak bergantung pada jenis bahan atau warna asalnya, melainkan pada temperaturnya semata”

Dan semua pembahasan diatas akan dipelajari di BAB ini Ternyata selain cahaya tampak yang diradiasikan suatu benda, suatu benda ketika dipanaskan juga memancarkan radiasi elektromagnetik lainnya. radiasi juga tetap terjadi bila benda yang digunakan berwarna hitam (mis: karbon) radiasi baru melemah jika benda didinginkan sampai mendekati temperatur mutlak (0 kelvin) radiasi cahaya tampak hanya merupakan bagian kecil saja dari radiasi keseluruhan “Pada akhirnya yang dipancarkan adalah radiasi gelombang elektromagnetik” Dan semua pembahasan diatas akan dipelajari di BAB ini

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Gelombang elektromagnetik = gelombang transversal dgn dua arah getar yaitu medan magnet dan medan listrik. Ciri gelombang elektromagnetik: Dapat merambat di ruang hampa Tidak bermuatan listrik Merupakan gelombang transversal Memiliki sifat umum gelombang Tidak dapat dibelokkan arah rambatannya baik medan listrik/magnet. C = 𝜆 f C = cepat rambat gelombang (3 × 108 m/s)

Spektrum gelombang elektromagnetik + fungsinya

Peta Konsep: Radiasi Benda Hitam Radiasi Panas Intensitas Radiasi Hukum Pergeseran Wien Teori Klasik Rayleigh-Jeans Hukum Radiasi Planck

Radiasi Panas Radiasi panas adalah radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya. Setiap benda memancarkan radiasi panas secara kontinu dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tetapi pada umumnya, kalian dapat melihat sebuah benda, karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, bukan karena benda itu memancarkan radiasi panas. (slide 10) Secara umum bentuk terperinci dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Walaupun demikian, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektra panas dengan karakter universal. Benda ini adalah benda hitam atau black body.

Benda Hitam Benda hitam (black body) : benda yang menyerap semua panjang gelombang dari radiasi elektromagnetik. Jadi tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. (nilai absorptansi dan emisivitas = 1) emisivitas (daya pancar) merupakan karakteristik suatu materi, yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama. Sementara itu, absorptansi (daya serap) merupakan perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluks yang tiba pada benda itu. Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya jika suhunya lebih rendah daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi daripada suhu sekitarnya.

Intensitas Radiasi Radiasi benda hitam: radiasi elektromagnetik yang diemisikan oleh sebuah benda hitam. Tahun 1879: Josef Stefan  Mengetahui karakter universal dari radiasi benda hitam Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur.

Daya total per satuan luas (P/A) = intensitas total (I) P/A yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh benda hitam adalah sebanding pangkat empat dari suhu mutlaknya. I : intensitas radiasi (W/m2) 𝜎 : tetapan Stefan-Boltzman (5,67 × 10-8 Wm-2K-4) T : suhu mutlak (K) untuk kasus benda panas tapi bukan benda hitam ideal, maka e : koefisien emisivitas Persamaan-persamaan lain: Beberapa tahun kemudian, Ludwig Boltzman secara teoritis menurunkan hukum Josef Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell.  Hukum Stefan-Boltzman: “Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya”.

Hukum Pergeseran Wien Untuk sebuah benda hitam, berlaku suatu hubungan antara panjang gelombang dengan suhu mutlak yang dinyatakan: C : tetapan pergeseran Wien (2,898 × 10-3 mK) Gambar 8.3 memperlihatkan grafik hubungan antara intensitas radiasi dan panjang gelombang radiasi benda hitam ideal pada tiga temperatur yang berbeda. Grafik ini dikenal sebagai grafik distribusi spektrum. Intensitas merupakan daya yang dipancarkan per satuan panjang gelombang. Ini merupakan fungsi panjang gelombang I maupun temperatur T, dan disebut distribusi spektrum. Dari grafik terlihat bahwa puncak kurva penyebaran energi spektrum bergeser ke arah ujung spektrum panjang gelombang pendek dengan semakin tingginya temperatur.

Pada gelombang pendek, analisis Wien sesuai dengan hasil eksperimen. Pada gelombang panjang, analisis Wien tidak sesuai dengan hasil eksperimen. Pada gelombang pendek, analisis Wien sesuai dengan hasil eksperimen.  lihat: hubungan empiris intensitas dengan panjang gelombang

Teori Klasik Rayleigh-Jeans Secara teoritis, Rayleigh-Jeans menggunakan teori ekipartisi energi fisika klasik (termodinamika klasik) menurunkan fungsi distribusi spektrum. Dia menganggap bahwa gelombang elektromagnetik yang dipancarkan pada radiasi kalor bersifat kontinu. Hasil perhitungan klasik  Hukum Rayleigh-Jeans, yang dinyatakan: P ( λ,T ) = 8 π kTλ-4 dengan k merupakan konstanta Boltzmann. Untuk panjang gelombang panjang, diperoleh analisis yang sesuai dengan hasil eksperimen Untuk panjang gelombang pendek, tidak sesuai. Begitu λ mendekati nol, fungsi P ( λ , T ) yang ditentukan secara percobaan juga mendekati nol, tetapi fungsi yang dihitung mendekati tak terhingga karena sebanding dengan λ−4 . Bencana Ultraviolet

Hukum Radiasi Planck Hukum radiasi Planck menunjukkan distribusi (penyebaran) energi yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam.  energi merupakan suatu besaran yang dipancarkan oleh sebuah benda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putus, bukan dalam bentuk pancaran molar. Paket-paket kecil ini disebut kuanta. Max Planck menyatakan dua asumsi mengenai energi radiasi benda hitam. Radiasi yang dipancarkan oleh getaran molekul-molekul tidak kontinu, tetapi dalam paket-paket energi diskret yang disebut dengan kuantum (foton). Besar energi radiasi  E = hf, jika terdapat n buah foton, maka  E = nhf E = energi radiasi foton (J) h = tetapan Planck (6,63 × 10-34 Js) n = bilangan kuantum utama (1, 2, 3 ....) f = frekuensi getaran molekul (Hz) energi ini terkuantisasi Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi dalam satuan diskret dari energi cahaya yang disebut dengan kuantum (foton). Melakukan hal tersebut dengan melompat dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya.

DUALISME GELOMBANG PARTIKEL Ikwan Wahyudi

Pendahuluan Partikel dan gelombang sejak lama dikenal sebagai dua kuantitas yang berbeda dan sama sekali tidak berhubungan elektron dikenal sebagai partikel bermuatan negatif dan menjadi penghantar listrik dalam logam cahaya dikenal sebagai radiasi gelombang EM dari benda yang dipanaskan

Hipotesis de Broglie Cahaya memiliki 2 sifat, yaitu sebagai partikel dan gelombang. Sebagai gelombang  dinyatakan oleh panjang gelombang Sebagai partikel  dinyatakan dengan besaran momentum Hubungan antara momentum dengan panjang gelombang sebuah foton: 𝜆= ℎ 𝑝 Berdasarkan sifat dualisme cahaya ini  Louis de Broglie mengemukakan teori: “partikel (seperti elektron) yang bergerak ada kemungkinan memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang tertentu”. Mengingat bahwa: p = mv, maka persamaan diatas akan memiliki persamaan panjang gelombang de Broglie sebagai berikut: 𝜆= ℎ 𝑚𝑣

Efek Fotolistrik Efek fotolistrik “peristiwa keluarnya/terlepasnya elektron dari permukaan logam karena radiasi elektromagnetik” 1887: Hertz menemukan efek fotolistrik 1900: Lenard  mengkaji efek fotolistrik yang ditemukan Hertz 1905: Albert Einstein  menggunakan gagasan Max Planck tentang kuantisasi energi untuk menjelaskan efek fotolistrik Salah satu jenis peradiasi elektromagnetik yaitu CAHAYA, dimana cahaya merupakan sebagai bentuk energi.

Alat tersebut merupakan alat untuk menyelidiki efek fotolistrik yang berupa rangkaian yang memiliki tabung kaca hampa udara, pelat logam (elektrode) A (anoda) dan C (katoda), dan terdapat amperemeter + voltmeter. Pada saat tabung di ruang gelap (tidak ada cahaya masuk)  amperemeter tidak menyimpang (di angka nol)  tidak ada arus yang mengalir di rangkaian. (tidak ada elektron yang keluar dari pelat C) Cahaya datang (dengan frekuensi tertentu)  menumbuk pelat C  elektron terpancar dari pelat C  ketika elektron menumbuk anoda A  terjadi aliran elektron di ruang antara C dan A  terjadi aliran arus pada rangkaian luar  amperemeter mencatat arusnya. Jika  tegangan diperkecil hingga polaritas baterai terbalik, pada nilai tegangan kritis –V0 tidak ada arus  tidak ada elektron yang keluar. Potensial ini disebut dengan potensial henti V0. Hanya elektron dengan energi kinetik ½mv2 yang lebih besar daripada eV0 yang dapat mencapai anoda A. Sehingga hubungan antara energi maksimum yang dapat dicapai: Ekmax = 1 2 mv2 = eV0

Hubungan antara I dengan V untuk 2 nilai intensitas yang berbeda Intensitas tinggi Hubungan antara I dengan V untuk 2 nilai intensitas yang berbeda Ketika intensitas meningkat, arus yang mengalir juga meningkat, nilai potensial henti sama. EFEK FOTOLISTRIK DIDASARI DENGAN DUA TEORI, yakni TEORI GELOMBANG dan TEORI FOTON Teori gelombang berorientasi pada dua sifat penting gelombang cahaya, yaitu intensitas dan frekuensi  GAGAL menerangkan sifat penting efek fotolistrik. Teori Foton menyatakan bahwa semua foton memiliki energi, sehingga Intensitas cahaya naik  jumlah foton naik  tetapi tidak menambah energi foton selama frekuensinya tetap. Intensitas rendah f – f0 -V0 V

TEORI GELOMBANG DALAM EFEK FOTOLISTRIK Teori gelombang  energi kinetik fotoelektron bertambah jika intensitas cahaya diperbesar. Nyatanya  besarnya Ek maksimum fotoelektron tidak bergantung pada sifat cahaya. Teori gelombang  efek fotolistrik dapat terjadi pada tiap frekuensi asalkan intensitasnya memenuhi. Nyatanya  hanya dibutuhkan frekuensi ambang f0 untuk menghasilkan fotoelektron. Teori gelombang  dibutuhkan rentang waktu yang cukup lama agar elektron berhasil mengumpulkan energi untuk keluar dari permukaan logam. Nyatanya  elektron lepas dari permukaan logam tanpa selang waktu. Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa Ek maks fotoelektron bertambah jika frekuensi diperbesar.

TEORI FOTON DALAM EFEK FOTOLISTRIK Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, diperlukan kerja minimum yang disebut dengan fungsi kerja atau energi ambang (W0). Intensitas naik  jumlah elektron lepas naik  tidak terjadi perubahan energi elektron  energi kinetik maksimum elektron tidak berubah. Frekuensi naik  energi kinetik naik, dengan persamaan: Ekmaks = hf – W0 Jika fcahaya < fambang  tidak ada elektron keluar dari logam Elektron lepas dari logam sesaat setelah penyinaran terjadi. Hal tersebut karena cahaya bersifat paket energi, sehingga terjadi transfer energi spontan dari foton ke elektron dengan interaksi satu-satu.

Efek Compton Ilmuwan Amerika, Arthur Holy Compton mempelajari gejala tumbukan antara foton elektron. Berdasarkan kesetaraan massa dan energi (E = mc2) dan besarnya energi tiap foton (E = ℎ𝑐 𝜆 ), dapat diperoleh persamaan momentum : p = mc = ℎ 𝜆 Ketika terjadi tumbukan antara foton dan elektron, setelah itu foton aka kehilangan energi sebesar ∆E = hf – hf’, sehingga panjang gelombang setelah bertumbukan akan bertambah besar (𝜆′ > 𝜆). Berdasar hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum, hubungan antara 𝜆′ dengan 𝜆, memenuhi persamaan : λ ′ − λ= h mc (1 −cos θ)

KUANTUM FISIKA Terima Kasih  Ikwan Wahyudi - 2018