Rabu, 21 November 2012

teori kuantum cahaya


BAB I
PENDAHULUAN
1.1.  Latar Belakang
Pada akhir abad ke-19, para ilmuan meyakini bahwa mereka telah mempelajari sebagian besar dari apa yang ada yang harus diketahui dari fisika seperti: hukum-hukum gerak Newton dan teori gravitasi umum, teori Maxwell: penggabungan kelistrikkan dan kemagnetan, hukum termodinamika dan teori kinetic.
Pada abad ke-20 terjadi revolusi besaryang mengejutkan dunia fisika. Tahun 1990 Planck mengusulkan pemikiran mendasar yang mengarah pada formulasi teori kuantum. Pada tahun 1905 Einstein memformulasikan teori relativitas yang sangat brilian. Keduan pemikiran tersebut telah membawa pengaruh yang besar tehadap pemahaman kita tentang alam. Selama beberapa dekade  teori-teori tersebut telah memberi inspirasi bagi perkembangan teori-teori baru dalam bidang fisika atom, fisika nuklir, dan fisika zat padat. Meskipun fisika modern telah dikembangkan selama abad ini dan telah membawa kemajuan dalam perkembangan teknologi penting namun tidak selesai sampai disitu, penemuan-penemuan baru akan berlanjut selama kehidupan kita sehingga akan lebih memperdalam atau memeperbaiki kembali pemahaman kita tentang  alam dan dunia disekitar kita.
1.2.  Rumusan Masalah
Dalam penulisan makalah ini, penulis membatasi pembahasan meliputi:
1.      Apa itu teori Planck?
2.      Apa yang dimaksud dengan teori Foton?
3.      Bagaimana efek fotolistrik pada cahaya?
4.      Apa yang dimaksud efek Compton?
5.      Apa isi dari Hipotesis de Broglie?
6.      Bagaimana hukum Stefan-Boltzmann tentang radiasi benda hitam?
7.      Bagaimana  hubungan warna spectrum radiasi benda hitam dengan panjang gelombangnya sesuai pergeseran Wien?
8.      Bagaimana dualisme gelombang-partikel?

1.3.  Tujuan
Setelah membaca makalah ini, pembaca diharapkan dapat:
1.      mengerti tentang teori Planck
2.      memahami tentang teori foton
3.      mengetahui bagai mana efek fotolistrik
4.      mengetahui tentang efek Compton
5.      mengerti tentang Hipotesis de Broglie
6.      memahami hokum Stefan-Boltzmann tenteng radiasi benda hitam
7.      mampu menjelaskan bagaimana hubungan warna spectrum radiasi benda hitam dengan panjang gelombangnya sesuai dengan pergeseran Wien.
8.      mengetahui tentang dualisme gelombang-partikel

























BAB II
TEORI KUANTUM CAHAYA
2.1. Teori Planck
Max Planck mempelajari energi radiasi termal dan menemukan rumus perhitungan yang menyempurnakan perhitungan Rayleigh-Jeans sekaligus mengatasi kebutuhan adanya ultraviolet catastrope.
Max Planck mengemukakan hipotesis yang menyatakan bahwa
Energi gelombang elektromagnetik dipancarkan dan diserap oleh bahan dalam bentuk satuan-satuan energi yang disebut foton.
Planck menyatakan bahwa kunci utama pembahasan radiasi benda hitam adalah bahwa energi dpancarkan atau diserap dalam bentuk paket (kuata). Jadi, energi bersifat disktri (tidak kontinu).
Energi (E) foton dirumuskan dengan:

E = hf
 
                                                             
Dengan h = tetapan Planck (6,63 x 10-34 J.s) dan f = frekuensi foton

2.2. Teori 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 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=\frac{hc}{\lambda},
di mana h adalah konstanta Planck, c adalah laju cahaya, dan \lambda adalah panjang gelombangnya.
Selain energi partikel foton juga membawa momentum dan memiliki polarisasi. 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.
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 materi dan 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 dalam pengembangan mekanika kuantum, percobaan-percobaan lebih lanjut membuktikan hipotesis Einstein bahwa cahaya itu sendirilah yang terkuantisasi. Kuantum cahaya adalah foton.
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.
Dalam ruang hampa foton bergerak dengan laju c (laju cahaya). Energinya Edan momentum p dihubungkan dalam persamaan
E=p c,


di mana p merupakan nilai momentum. Sebagai perbandingan, persamaan terkait untuk partikel dengan massa m adalah E^{2}=c^{2} p^{2} + m^{2} c^{4}, sesuai dengan teori relativitas khusus.

2.3. Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika dikenai, dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. Istilah lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi). Hertz mengamati dan kemudian menunjukkan bahwa elektrode diterangi dengan sinar ultraviolet menciptakan bunga api listrik lebih mudah.
Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa electronvolts sampai lebih dari 1 MeV unsur yang nomor atomnya tinggi. Studi efek fotolistrik menyebabkan langkah-langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron dan mempengaruhi pembentukan konsep Dualitas gelombang-partikel. fenomena di mana cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal sebagai fotokonduktivitas atau photoresistivity ), efek fotovoltaik , dan efek fotoelektrokimia.
Foton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya. Dalam proses photoemission, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak bisa keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron, tetapi tidak meningkatkan energi setiap elektron yang dimemiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau frekuensi foton individual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar.
                                                                                                       
Tidak ada elektron yang dilepaskan oleh radiasi di bawah frekuensi ambang, karena elektron tidak mendapatkan energi yang cukup untuk mengatasi ikatan atom. Elektron yang dipancarkan biasanya disebut fotoelektron.
Awalnya hasil eksperimen efek fotolistrik mengundang keheranan banyak fisikawan, karena sulit diterima dengan pemahaman fisika saat itu. Ada beberapa fakta yang belum bisa dijelaskan alasannya, antara lain:
a.       besar energi foto elektron tidak dipengaruhi oleh intensitas cahaya
b.      pada frekuensi cahaya yang sama, rata-rata energi kinetik fotoelektron sama saja pada berkas cahaya lemah maupun kuat. Berkas cahaya yang kuat hanya menghasilkan fotoelektron lebih banyak daripada berkas cahaya lemah
c.       semakin besar frekuensi cahaya yang mengenai logam, semakin besar pula energi fotoelektronnya.
Efek fotolistrik banyak membantu penduaan gelombang-partikel, dimana sistem fisika (seperti foton dalam kasus ini) dapat menunjukkan kedua sifat dan kelakuan seperti-gelombang dan seperti-partikel, sebuah konsep yang banyak digunakan oleh pencipta mekanika kuantum. Efek fotolistrik dijelaskan secara matematis oleh Albert Einstein yang memperluas kuanta yang dikembangkan oleh Max Planck.
Hukum emisi fotolistrik:
1.      Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektro yang dikeluarkan berbanding lurus dengan intensitas cahaya yg digunakan.
2.      Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi. di bawah frekuensi ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan.
3.      Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.
4.      Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang dari 10-9 detik.
Maksimum energi kinetik K maks dari sebuah elektron yang dikeluarkan dituliskan sebagai berikut
                         K_{\mathrm{max}} = hf - \varphi,
di mana h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi foton. Lambang φ adalah fungsi kerja (kadang dilambangkan W), yang memberikan energi minimum yang diperlukan untuk memindahkan elektron terdelokalisasi dari permukaan logam. Fungsi kerja memenuhi
\varphi = hf_0,
dimana f0 adalah frekuensi ambang batas untuk logam. Maksimum energi kinetik dari sebuah elektron dikeluarkan kemudian
K_{\mathrm{max}} = h \left(f - f_0\right).
Energi kinetik adalah positif, jadi kita harus memiliki f> f 0 untuk efek fotolistrik terjadi.
2.4.    Efek Compton
Pada tahun 1923, A.H.Compton mencoba membuktikan kebenaran teori foton yang menyatakan sifat partikel dari gelombang, Jika Teori itu benar, peristiwa tumbukan yang terjadi antara foton dengan partikel lain dapat dianalisis seperti tumbukan bola biliar.
Dalam eksperimennya Compton menembakkan foton sinar-x pada sebuah target grafit. Sejumlah detector dipasang diberbagai sudut untuk mengamati adanya hamaburan partikel. Dalam eksperimen itu ternyata dihasilkan hamburan pasangan electron foton.

Sumber: http://bukanisapanjempol.blogspot.com/2011/05/sifat-partikel-dari-cahaya-efek.html
Foton yang menumbuk electron akan kehilangan sebagian energinya. Setelah menumbuk electron, foton datang dengan energi E =hf akan terhambur dengan energi hf’ dengan f’ < f. frekuensinya berkurang sama artinya dengan bertambah panjang gelombangnya. Foton datang dengan panjang gelombang l, sedangkan foton terhambur memiliki panjang gelombang l’ dengan l’ > l.

2.5.    Hipotesis de Broglie
Louis de Broglie merupakan ilmuan pertama yang mengajukan hipotesis bahwa partikel seperti halnya electron juga dapat berperilaku sebagai gelombang. Sebaliknya, partikel (materi) dapat juga bersifat sebagai gelombang dengan panjang gelombang sebesar
Dengan
l = panjang gelombang partikel menurut de Broglie
m = massa pertikel
u = laju partikel
Hipotesis de Broglie diuji kebenarannya oleh Davisson dan Germer.
Mereka melakukan eksperimen dengan menembakkan electron dengan dipercepat oleh suatu medan listrik ke permukaan kristal tunggal. Hasil eksperimen merekan menunjukkan bahwa partikel electron dapat mengalami difraksi. Sifat difraksi hanya dimiliki oleh gelombang sehingga dapat disimpulakn bahwa partikel memiliki sifat gelombang.

2.6.    Hukum Stefan-Boltzmann
Beberapa ilmuan mendeteksi adanya hubungan antara energi suatu benda dengan suhu mutlak benda itu. Energi yang dimiliki suau benda yang berhubungan dengan suhu mutlaknya disebut energi radiasi kalor atar energi radiasi termal atau disingkat sebagai energi termal.
Pada tahun 1879 Joseph Stefan menyatakan bahwa daya total yang dipancarkan sebuah benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Selanjutnya, Ludwig Boltzmann berhasil menurunkan perhitungan daya radiasi benda hitam yang ditemukan oleh Stefan.
Hasil penemuan kedua ilmuan ini dikenal sebagai hukum Stefan-Boltzmann yang menyatakan bahwa:
Energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda hitam sebanding dengan luas permukaannya serta pangkat empat suhu mutlaknya.
Berdasarkan formulasi Stefan-Boltzmann, benda hitam yang luas permukaannya A dan suhu mutlaknya T (dalam satuan kelvin) akan memancarkan radiasi dengan daya (P) sebesar
P =AesT4
Dengan
e = emisivitas
s = konstanta Stefan-Boltzmann = 5.67 x 10-8 W/m2.K4
Emisivitas merupakan koefisien yang besarnya tergantung pada keadaan permukaan benda. Untuk benda mengkilat, harga e mendekati nol, sedangkan untuk benda hitam sempurna e bernilai 1.
Benda hitam merupakan benda yang mampu menyerap atau memancarkan energi radiasi. Kemampuan menyerap atau memancarkan energi radiasi yang dimiliki sebuah benda hitam dapat diperkirakan berdasarkan nilai emisivitasnya. Nilai emisivitas berkiasar antara 0 dan 1 atau ditulis 0 ≤ e ≤ 1.
Benda dengan emisivitas nol merupakan pemantulan sempurna. Sebaliknya, benda dengan emisivitas 1 merupakan penyerap atau pemancar sempurna. Benda dengan emisivitas 1 disebut benda hitam sempurna.

2.7.    Hukum Pergeseran Wien
Spectrum radiasi benda hitam diselidiki oleh Wien. Menurut Wien, jika dipanaskan terus, benda hitam akan memancarkan radiasi kalor puncak yang spektrumnya memberikan warna-warna tertentu. Warna spectrum bergantung panjang gelombangnya, dan panjang gelombang ini akan bergeser sesuia suhu benda.
Sumber:http://www.google.co.id/imgres?q=pergeseran+wien&hl=en&client=firefox-a&sa=G&rls=org.mozilla:en-
Wien merumuskan bahwa panjang gelombang pada puncak spectrum (lm) berbanding terbalik dengn suhu mutlak benda, semuai persamaan:
lm T = C
dengan C adalah tetapan pergeseran Wien sebesar 2,90 x 10-3 m.K.
Perhitungan energi radiasi Wien berlaku untuk gelombang pendek. Teori ini selanjutnya dikembangkan oleh Rayleigh dan Jeans yang berlaku untuk panjang gelombang yang lebih panjang. Namun perhitungan energi radiasi oleh Rayleigh dan Jeans tidak mampu menjelaskan terjadinya ultraviolet catastrope, yaitu kesalahan perhitungan pada panjang gelombang uultraviolet dimana energi radiasi mencapai nilai tak terhingga.

2.8. Dualisme Gelombang-Partikel
Hasil-hasil eksperimen interferensi dan difraksi membuktikan bahwa teori tentang cahaya sebagai gelombang telah mantap pada penghujung abad 19, terlebih lagi karena keberhasilan teori elektromagnetik Maxwell.
Einstein (1905) menolak teori tersebut berdasarkan fenomena efek foto-listrik dimana permukaan logam melepaskan elektron jika disinari dengan cahaya berfrekuensi.
ν W / h     W adalah fungsi kerja logam (=energi ikat elektron dipermukaan logam).

Menurut Einstein, dalam fenomena tersebut cahaya harus dipandang sebagai kuanta yang disebut foton, yakni partikel cahaya dengan energi kuantum E=hν. Dalam teori relativitas khususnya (1905), hubungan energi dan momentum suatu partikel diungkapkan sebagai berikut:
 



















BAB III
PENUTUP
3.1. Kesimpulan
Planck menyatakan bahwa kunci utama pembahasan radiasi benda hitam adalah bahwa energi dpancarkan atau diserap dalam bentuk paket (kuata). Jadi, energi bersifat disktri (tidak kontinu).
Energi (E) foton dirumuskan dengan:

E = hf
 
                                                             
Dengan h = tetapan Planck (6,63 x 10-34 J.s) dan f = frekuensi foton

Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik. Biasanya foton dianggap sebagai pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X.
Sebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah:
E=\frac{hc}{\lambda},
di mana h adalah konstanta Planck, c adalah laju cahaya, dan \lambda adalah panjang gelombangnya.
Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika dikenai, dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan.
Foton yang menumbuk electron akan kehilangan sebagian energinya. Setelah menumbuk electron, foton datang dengan energi E =hf akan terhambur dengan energi hf’ dengan f’ < f. frekuensinya berkurang sama artinya dengan bertambah panjang gelombangnya. Foton datang dengan panjang gelombang l, sedangkan foton terhambur memiliki panjang gelombang l’ dengan l’ > l.
Dengan
l = panjang gelombang partikel menurut de Broglie
m = massa pertikel
u = laju partikel
Hasil penemuan kedua ilmuan ini dikenal sebagai hukum Stefan-Boltzmann yang menyatakan bahwa:
Energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda hitam sebanding dengan luas permukaannya serta pangkat empat suhu mutlaknya
P =AesT4
Dengan
e = emisivitas
s = konstanta Stefan-Boltzmann = 5.67 x 10-8 W/m2.K4
Wien merumuskan bahwa panjang gelombang pada puncak spectrum (lm) berbanding terbalik dengn suhu mutlak benda, semuai persamaan:
lm T = C
dengan C adalah tetapan pergeseran Wien sebesar 2,90 x 10-3 m.K.
Dalam teori relativitas khususnya (1905), hubungan energi dan momentum suatu partikel diungkapkan sebagai berikut:
 

3.2. Saran
Dalam penulisan makalah ini, penulis membatasi pembahasan hanya tentang teori Planck, teori foton, efek fotolistrik, efek Compton, hipotesis de Broglie, hukum Stefan-Boltzmann dan pergeseran Wien secara ris besarnya saja. Untuk lebih memperluas wawasan pembaca bisa merujuk pada sumber-sumber lain yang menjelaskan tentang isi makalah ini secra lebih rinci.

Daftar Pustaka

Purwoko.2009.Physics 3 For Senior High School Year XII. Jakarta: Yudhistira

NN.2011.http://www.google.co.id/imgres?q=pergeseran+wien&hl=en&client=fire fox-a&sa=G&rls=org.mozilla:en-

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar