OLEH Hadma Yuliani,S.Pd, M.Pd,M.Si FISIKA KUANTUM OLEH Hadma Yuliani,S.Pd, M.Pd,M.Si

PENDAHULUAN MEKANIKA KUANTUM Pada akhir abad ke 19 dan awal abad ke 20 terjadi krisis dalam fisika. Teori radiasi yang diusulkan Wien hanya mampu menjelaskan radiasi benda hitam pada energi tinggi Rayleigh-Jeans hanya mampu menjelaskan radiasi benda hitam pada energi yang rendah. Konsep energi yang bersifat kontinyu pada mekanika klasik tidak mampu menjelaskan gejala efek foto listrik dan efek Compton (hamburan Compton) yang teramati pada saat radiasi elektromagnetik berinteraksi dengan materi.

Mengapa kuantum diawali dengan teori “radiasi benda hitam? Mengapa fisika klasik gagal? Mengapa fisika kuantum berhasil menjelaskan teori radiasi benda hitam?

Mengapa kuantum diawali dengan teori “radiasi benda hitam? Karena fisika klasik tidak bisa menjelaskan radiasi benda hitam tetapi fisika kuantum yang bisa menjelaskannya

Mengapa fisika klasik gagal? Karena menganggap energi berharga kontinu.

Mengapa fisika kuantum berhasil menjelaskan teori radiasi benda hitam? Karena fisika kuantum menganggap besar energi GEM berharga diskrit

Fisika klasik gagal menjelaskan teori radiasi benda hitam (Rayleigh Jeans) karena mengganggap energi GEM adalah kontinu. Berhasil menjelaskan teori radiasi benda hitam Max Plank mengasumsikan bahwa GEM bersifat diskrit (tertentu) yaitu kelipatan dari hv.

Mekanika Newton bekerja dengan baik apabila Medan gravitasi tidak terlalu kuat Kelajuan partikel tak terlalu besar Jarak yang diamati tidak terlalu besar dan juga tak terlalu kecil, misalnya lebih besar dari pada 10-6m. Mekanika klasik yang berkembang berdasarkan hukum-hukum Newton , mendiskripsikan dinamika partikel yang mencakup salah satunya gerak keplanetan, gerak benda tegar.

Dalam mekanika klasik, keadaan partikel dicirikan dengan posisi dan momentum secara spesifik, berhubungan dengan kehidupan sehari- hari, posisi dan momentum dapat diukur secara serentak dengan akurasi tertentu. Kejadian dalam Fisika klasik bersifat pasti (deterministik), pengukuran dapat dilakukan berulang kali sehingga hasil pengukuran dinyatakan dalam bentuk rerata dan simpangan baku. Perumusan konsep, prinsip, hukum, atau teori pada Mekanika klasik didasarkan pada data hasil pengukuran secara langsung dengan seperangkat alat eksperimen yang sangat terkontrol, dan dinyatakan dalam bentuk persamaan matematik.

Sebaliknya untuk benda-benda mikroskopik, tidak berhubungan dengan pengalaman sehari-hari, tidak dapat diamati secara langsung, pendiskripsiannya hanya bisa dilakukan dengan menggunakan persamaan matematik sebagai hasil dari pemodelan dan asumsi-asumsi. Karena tidak dapat diamati secara langsung maka hasil pengukuranyya hanya bersifat kebolehjadian sehingga posisi dan momentum tidak bisa dispesifikasi (diukur) secara serentak dengan derajat akurasi tertentu.

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa konsep mekanika Klasik tidak dapat diaplikasikan pada benda-benda mikroskopik karena tak dapat diamati secara langsung. Namun dengan keterbatasannya, masih ada bagian Mekanika Klasik yang mendasari teori baru yang disebut Mekanika Kuantum yang digunakan untuk menjelaskan perilaku benda-benda mikroskopik

Radiasi termal adalah Radiasi elektromagnetik yang barasal dari benda memancar panas. Radiasi termal yang dipancarkan oleh benda yang dipengaruhi oleh suhu benda, sifat permukaan benda, bentuk benda, dan jenis material. Tahun 1879, Josef Stefan melakukan pengamatan serta menyimpulkan besar intensitas (I) sebanding dengan pangkat empat suhu (T)

Daya yang dipancarkan oleh benda dapat menggunakan persamaan: Persamaan di atas merupakan persamaan Stefan-Boltzman.

Radiasi benda hitam Benda hitam didefinisikan benda yang akan menyerap seluruh radiasi yang jatuh kepada benda tersebut (tidak ada yang dipantulkan). Solusi praktis untuk keperluan ini dipilih benda berongga yang pada bagian dindingnya dilubangi dengan ukuran yang sangat kecil dan seluruh permukaan dindingnya dicat hitam.

Apabila ada seberkas cahaya yang masuk lubang sebuah benda berongga Apabila ada seberkas cahaya yang masuk lubang sebuah benda berongga. Cahaya ini akan dipantulkan berkali-kali oleh dinding rongga. Setiap kali dipantulkan intensitasnya semakin berkurang(karena cahaya diserap oleh dinding) hingga intensitas cahaya ini nol. Sehingga tidak mungkin keluar dari rongga lagi. Itulah sebabnya lubang benda berongga dinamakan benda hitam. Semakin kecil lubang pada benda berongga, semakin mirip dengan benda hitam sempurna.

Cara benda hitam memancarkan radiasi yaitu: Radiasi akan keluar dari lubang kecil tersebut bila benda berongga tersebut dipanaskan pada suhu T. Ketika benda berongga dipanaskan dengan suhu T, elektron-elektron atau molekul- molekul pada dinding rongga mendapatkan tambahan energi sehingga bergerak dipercepat. Menurut teori elektromagnetik muatan yang dipercepat akan memancarkan radiasi. Selain memancarkan radiasi, dinding akan menyerap dan memantulkan sebagian radiasi yang menimpanya.

Penyerapan, pemantulan, dan pemancaran oleh dinding benda berongga akan terus berlangsung sehingga mencapai keseimbangan termal. Pada saat keseimbangan termal suhu tiap bagian dindig sama. Dalam keadaan rongga-rongga dipenuhi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan/dipantulkan, maka keluarlah radiasi melalui lubang yang sangat kecil yang disebut radiasi benda hitam.

Teori Spektrum Radiasi benda Hitam Teori Rayleigh-Jeans Teori spektrum radiasi benda hitam pada permualaan abad ke-20. Mereka membuat teori untuk menerangkan radiasi ini. Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan model sederhana untuk bentuk spektrum ini. Mereka menganggap molekul/muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan oleh semacam pegas. Ketika suhu benda dinaikkan, muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetik tambahan untuk bergetar. Dengan bergetar, berarti kecepatan muatan berubah-ubah (positif-nol-negatif-nol-positif dst) Dengan kata lain muatan mendapatkan percepatan setiap saat. Muatan yang dipercepat inilaih yang menimbulkan radiasi benda hitam.

Teori Rayleigh-Jeans berhasil menerangkan spektrum energi untuk panjang gelombang yang besar (energi yang rendah), tetapi gagal untuk panjang gelombang yang kecil. Rayleigh-Jeans menurunkan distribusi intensitas yaitu:

Teori Wilhelm Wien Pada tahun 1900 berhasil menerangkan spektrum energi untuk panjang gelombang yang pendek (energi yang tinggi), tetapi gagal untuk panjang gelombang yang besar. Wein mengitung distribusi intensitas sebagai fungsi panjang gelombang untuk suhu tertentu yaitu: A dan C adalah konstanta

Teori Max Planck Dua asumsi yang dipakai Planck yaitu: 1. Energi yang dimiliki molekul yang berosilasi bersifat diskrit (tidak kontinu)/terkuantisasi. Besar energinya adalah 2. Setiap molekul memancarkan atau menyerap energi yang diskrit disebut kuanta/foton. Tiap foton memiliki energi

Efek fotolistrik Terlemparnya elektron dari permukaan logam yang disinari dengan cahaya disebut efek fotolistrik. Eksperimen yang dilakukan oleh Philipp Lenard menunjukkan bahwa energi elektron yang terlempar dari permukaan logam ditentukan oleh frekuensi radiasi yang jatuh ke logam

Bila cahaya monokromatik diradiasikan kepermukaan logam, maka permukaan logam melepaskan elektron-elektron bebas dengan energi kinetik tertentu. Dengan naiknya intensitas radiasi yang jatuh pada permukaan logam menyebabkan naiknya emisi elektron yang dibebaskan dan tak mengubah energi elektron.

Hasil mengejutkan dari percobaan efek fotolistrik yaitu: Fotolistrik tidak tergantung pada intensitas cahaya yang datang. Fotolistrik tergantung pada frekuensi cahaya yang datang Fotolistrik menurut einstein adalah cahaya terdiri dari foton-foton yang mempunyai energi hf. Ketika cahaya mengenai permukaan logam, elektron logam akan menyerap foton sehingga energinya akan naik. Jika frekuensi cahaya cukup tinggi dari energi ambang maka energi yang diserap akan mampu mengeluarkan elektron dari permukaan

Dari percobaan didapatkan kesimpulan frekuensi batas (ambang) tergantung pada jenis logam yang disinari. Cahaya yang diradiasikan ke permukaan logam dengan frekuensi lebih rendah dari frekuensi ambang tidak menyebabkan elektron terbebas dari permukaan logam. Dengan demikian diperlukan foton dengan energi tertentu terkecil yang dapat membebaskan elektron. Energi terkecil dari foton disebut energi ambang. Kuantum cahaya yang dipostulatkan untuk memahami fenomena efek fotolistrik bergerak dengan kecepatan cahaya menggunakan teori relativitas enstein.

Frekuensi ambang adalah frekuensi terkecil cahaya dapat melepaskan elektron dari permukaan logam. = fungsi kerja (energi ikat elektron pada logam. = energi ambang (energi terkecil yang diberikan agar elektron terlepas dari permukaan logam

Efek Compton Efek Compton diamati oleh Athur Holy Compton dan temannya Peter Debye pada tahun 1923. Hamburan foton dari sinar- X oleh elektron hanya mampu dijelaskan dengan menganggap foton sebagai partikel dengan energi hf dan momentum momentum hf/c. Percobaan Compton sangat sederhana yaitu elektron disinari dengan sinar – X. Sinar – X akan dihamburkan oleh elektron. panjang gelombang sinar – X yang terhambur ternyata hanya bergantung pada sudut hamburan dan tidak bergantung pada lamanya penyinaran.

Rumus panjang gelombang yang terhambur:

Sifat gelombang dari partikel Pada tahun 1923, Louis de Broglie membuat suatu postulat yaitu bahwa semua materi termasuk elektron mempunyai sifat gelombang. Pada mulanya postulat ini ditentang habis- habisan karena waktu itu belum ada eksperimen yang mendukungnya.tapi, 3 tahun kemudian C.J. Davisson dan L.H.Gremer berhasil menghitung panjang gelombang elektron.

Penurunan yang dilakukan de Broglie sbb: jika E = hf = hc/lamda persamaan momentum foton yaitu: p = E/c = h/lamda De Broglie mengusulkan bahwa ini tidak hanya berlaku untuk foton, tetapi berlaku untuk semua partikel.jadi lamda = h/p Persamaan di atas adalah rumus panjang gelombang de Broglie untuk semua partikel bermassa m yang bergerak dengan kecepan v.

De Broglie juga menyatakan bahwa frekuensi materi mempunyai energi E adalah: f = E/h Untuk menguji partikel de Broglie, C.J. Davisson dan L.H. Germer melakukan eksperimen dengan mengarahkan elektron berenergi rendah (54 eV) pada suatu target nikel dalam suatu ruang hampa. Elektron-elektron yang terhambur ketika diamati ternyata dapat menunjukkan gejala interferensi dan difraksi. Dengan mengamati pola difraksi dann interferensi ini, Davisson dan Germer mampu menghitung panjang gelombang elektron. Hasil eksperimen diperoleh untuk mendukung postulat de Broglie.

d = 0,9 A; sudut difraksi 650 dan n = 1 sehingga diperoleleh nilai panjang gelombang 1,65 A

Selain itu, pada tahun yang sama G Selain itu, pada tahun yang sama G.P Thomson menunjukkan bahwa elektron- elektron yang ditembakkan pada lempengan emas yan tipis juga menunjukkan pola-pola difraksi. Pola-pola difraksi ini juga terjadi pada target atom Helium, atom Hidrogen dan Neutron.

Model Atom Bohr Pada tahun 1908 Geiger dan Marsden melakukan percobaan hamburan partikel x oleh foil tipis menunjukkan sudut hamburan yang besar, yang mana eksperimen ini berlawanan dengan model atom Thompson, dan elektron tertanam secara homogen dalam distribusi muatan positif yang kontinyu. Rutherford mengusulkan model atom bahwa muatan positif terkonsentrasi pada pusat atom dan ukurannya sangat kecil dibandingkan dengan dimensi atom disebut inti.

Elektron ditarik oleh inti dengan gaya sebanding dengan 1/r2 dan bergerak dalam lintasan seperti lintasan planet-planet yang mengitari matahari dan bergerak atau getar secara periodik. Moodel atom Rutherford ini tidak dapat menjelaskan adanya spektrum yang dipancarkan oleh atom yang panas yaitu: