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:
|
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:
,
di mana adalah
konstanta Planck, adalah
laju cahaya, dan 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 (laju cahaya). Energinya dan momentum dihubungkan
dalam persamaan
,
di mana merupakan
nilai momentum. Sebagai perbandingan, persamaan terkait untuk partikel dengan
massa adalah
, 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
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
dimana f0 adalah frekuensi ambang batas
untuk logam. Maksimum energi kinetik dari sebuah elektron dikeluarkan kemudian
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:
|
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:
,
di mana adalah konstanta Planck, adalah laju cahaya, dan 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
Dewi.2012. http://dewi-w-h-fst10.web.unair.ac.id/artikel_detail-59103-Kuliah%20kuantum%20-Apa%20Itu%20Kuantum~.html
tersedia online
NN. 2010. http://id.scribd.com/doc/70610175/Mekanika-kuantum-3
tersedia online
Novi. 2012. http://novi-r-r-fst10.web.unair.ac.id/artikel_detail-59187-Umum-sejarah%20fisika%20kuantum.html
tersedia online
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:
Posting Komentar