rangkuman konsep fisika kuantum

KONSEP FISIKA KUANTUM Deni Indra Kistianto Kelas : XII TKR 1 SMK NEGERI 1 BINANGUN TAHUN PELAJARAN 2014/2015 Jl. Lapangan Desa Jati Kec. Binangun Telp. (0282) 5513264 email:smkn1binangun@yahoo.co.id Kabupaten Cilacap DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL 1 DAFTAR ISI 2 DUALISME GELOMBANG-PARTIKEL 3 Radiasi Benda Hitam 3 Hukum Pergeseran Wien 4 TEORI KUANTUM CAHAYA 6 Teori Planck 6 Efek Compton 8 Gelombang de Broglie. 9 Efek Foto Listrik. 10 Teori Foton Einstein 11 DAFTAR PUSTAKA 13 DUALISME GELOMBANG-PARTIKEL Cahaya menunjukan perilaku sebagai gelombang dan juga sebagai partikel. Perilaku cahaya yang demikian inilah yang disebut dengan dualisme gelombang partikel. Radiasi Benda Hitam. Benda hitam adalah objek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang mengenainya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkan dari benda hitam tersebut. Beberapa ilmuwan mendeteksi adanya hubungan antara energi suatu benda dengan suhu mutlaknya, energi ini disebut dengan Energi Thermal. Pengukuran pertama kalor yang dipindahkan oleh radiasi antara suatu benda dengan lingkungannya dilakukan oleh Tyndall. Berdasarkan percobaan ini diambil kesimpulan oleh Stefan, dalam tahun 1879, bahwa kalor yang diradiasi berbanding lurus dengan pangkat empat dari perbedaan temperatur mutlak. Hasil percobaan murni ini kemudian ternyata bisa diturunkan secara termodinamis oleh Boltzmann. Hukum ini dikenal sebagai hukum Stefan-Boltzman, dan σ disebut tetapan Stefan-Boltzmann. Hukum Stefan-Boltzman berbunyi : “Energi yang di pancarkan oleh suatu permukaan benda dalam bentuk radiasi per kalor satuan waktu sebanding dengan luas permukaan dan pangkat empat suhu mutlak”. Keterangan: P = daya kalor radiasi (watt) Q = energi kalor (joule) ∆t = selang waktu (s) A = luas permukaan T = suhu mutlak benda (K) σ = konstanta stefan boltzman 5,67 x〖 10〗^(-8) watt/m²K⁴ e = emisivitas (0 ≤ e ≤ 1) Emisivitas atau koefisien emisi menyatakan mudah tidaknya suatu benda memancarkan atau menyerap kalor. Jadi, Radiasi Benda Hitam adalah radiasi yang dihasilkan oleh sebuah benda hitam sempurna ketika dipanaskan. Sedangkan benda hitam sempurna adalah sebuah benda dapat menyerap semua radiasi yang mengenainya. Hukum pergeseran Wien Seorang fisikawan jerman, wilhelm wien menemukan hubungan empiris sederhana antara panjang gelombang yang di pancarkan pada intensitas maksimum (lm) dengan suhu mutlak (T) benda tersebut. Menurut Wien jika benda hitam dipanaskan terus maka akan memancarkan radiasi kalor, yang puncak spektrumnya akan memberikan warna tertentu. Warna spektrum tergantung panjang gelombang dan panjang gelombang ini akan bergeser sesuai suhu benda. Hukum Wien menyatakan bahwa makin tinggi suhu suatu benda hitam, makin pendek panjang gelombang tempat pancaran maksimum itu terjadi. Hukum Wien dapat digunakan untuk menjelaskan gejala semakin tinggi suhu suatu bintang, makin biru warnanya dan makin rendah suhunya makin merah warnanya. C = tetapan pergeseran wien (2,90 x〖 10〗^(-3) mK) Gambar diatas menunjukan grafik intensitas panjang gelombang radiasi suatu benda hitam sempurna untuk tiga keadaan suhu yang berbeda. Puncak puncak spektrumnya akan bergeser ke arah intensitas maksimum (lm) yang semakin besar dengan berkurangnya suhu. Untuk setiap suhu yang berada, intensitas radiasi total benda hitam juga berubah. Semakin tinggi suhu, maka intensitas radiasi total bergeser ke daerah panjang gelombang pendek. Contoh Soal: Radiasi bintang X pada intensitas maksimum terdeteksi pada panjang gelombang 580 nm. Jika tetapan pergeseran Wien adalah 2,9 × 10– 3 mK maka suhu permukaan bintang X tersebut adalah… Pembahasan: Diketahui = λm = 580 nm = 580 × 10−9 meter Tetapan Wien = 2,9 × 10– 3 mK Ditanya = T .... ? Jawab = λm T = tetapan Wien (580 × 10−9)T = 2,9 × 10– 3 T = 2,9 × 10– 3 : 580 × 10−9 = 5000 K Sebuah bintang dengan temperatur permukaannya 10500 K akan memancarkan spektrum benda hitam yang berpuncak pada panjang gelombang......? Pembahasan: Diketahui: T = 10 500 K Ditanya: λm ....? Jawab: TEORI KUANTUM CAHAYA 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. Energi (E) foton dirumuskan dengan: Energi yang diserap dan dipancarkan dalam bentuk paket (kuanta) yang dinyatakan dalam : Keterangan : E = energi (joule) N = bilangan kuantum (n = 1, 2, 3, ...) H = konstanta Planck (6,63 x 〖10〗^(-34) Js) F = frekuensi getaran (Hz) Molekul-molekul menyerap atau memancarkan energi radiasi dalam paket diskret yang disebut kuantum atau foton. Energi radiasi terkuantisasi, dimana besar energi satu foton sama dengan hf. Contoh soal : Tentukan kuanta energi yang terkandung dalam sinar dengan panjang gelombang 6600 x 〖10〗^(-10)m jika kecepatan cahaya adalah 3 x 〖10〗^8 m/s dan tetapan Planck adalah 6,6 x 〖10〗^(-34) Js ?? Penyelesaian : Diketahui : h = 6,6 x 〖10〗^(-34) Js c = 3 x 〖10〗^8 m/s λ = 6600 x 〖10〗^(-10) Js Ditanya : E ... ? Jawab : E = h . f E = h . □(c/λ) E = 6,6 x 〖10〗^(-34) . 〖3 x 10〗^(-34)/〖6600 x 10〗^(-10) E = 3 x 〖10〗^(-19) Joule Jumlah minimum foton cahaya yang panjang λ = 555 nm menimbulkan rangsangan visual pada mata normal, n = 100 foton per sekon. Jika cepat rambat cahaya c = 3 x 〖10〗^8 m/s dan h = 6,63 x 〖10〗^(-34) Js. Tentukan daya cahaya tersebut ? Penyelesaian : Diketahui : λ = 555 nm n = 100 c = 3 x〖10〗^8 m/s h = 6,63 x 〖10〗^(-34) Js Ditanya : P ... ? Jawab : E = n . h . f = h . c/λ P : E/t = (n . h . c )/λ = (〖100 x 6,63 x 10 〗^(-34 ) x 3 x 〖10〗^8)/〖1 x 555 . 10 〗^(-9) = 3,57 x 〖10〗^(-17)watt. Efek Compton Jika seberkas sinar-X ditembakan ke sebuah elektron bebas yang diam, sinar-X menjadi lebih besar. Gejala ini dikenal sebagai efek Compton, sesuai dengan nama penemunya, yaitu Arthur Holly Compton. Tumbukan antara foton dan elektron memenuhi hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum, yaitu energi sebelum tumbukan sama dengan energi sesudah tumbukan dan jumlah momentum sebelum tumbukan sama dengan jumlah momentum setelah tumbukan. Dengan menggunakan hukum kekekalan energi, maka pada peristiwa tumbukan foton dan elektron berlaku persamaan sebagai berikut : Gelombang de Broglie Tahun 1923, seorang fisikawan perancis, Louis De Broglie mengusulkan bahwa “cahaya selain memiliki sifat sebagai gelombang”. De Broglie menghitung bahwa setiap partikel mempunyai panjang gelombang yang sam dengan konstanta Planck (h) dibagi dengan momentum partikel (P). Dengan : λ = panjang gelombang partikel ( m ) m = massa partikel ( kg ) v = laju partikel ( m/s ) Contoh soal : Hitunglah panjang gelombang De Broglie sebuah benda bermassa 0,20 kg yang bergerak dengan kecepatan 15 m/s ? Penyelesaian : Diketahui : m = 0,20 kg v = 15 m/s Ditanya : λ ....? Jawab : λ = h/(m . v) = (6,63 x 〖10〗^(-34))/(0,20 x 15) = 2,21 x 〖10〗^(-34) m Efek Foto Listrik Efek Foto Listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron-elektron dari permukaan logam (disebut elektron foto) ketika logam tersebut disinari oleh cahaya. Efek ini pertama kali di kemukakan oleh Hertz. Jika seberkas cahaya mengenai plat katoda dalam tabung hampa yang dihubungkan dengan sumber tegangan searah akan nampak adanya arus yang mengalir dalam rangkaian ditandai dengan menyimpangnya jarum Galvanometer ini menunjukan adanya elektron (foto elektron) yang lepas dari permukaan katoda bergerak menuju anoda. Jika nilai tegangan antara anoda dan katoda di ubah-ubah pada nilai tertentu arus listrik tidak terdeteksi. Tegangan yang meniadakan arus listrik akibat foto listrik ini disebut potensial penghenti (stopping potential). Pelepasan elektron dari ikatan katoda dipengaruhi beda potensial dan jenis katoda, kesimpulan tentang foto listrik : Besar energi foto elektron tidak di pengaruhi oleh intensitas cahaya Pada frekuensi yang sama rata-rata energi fiti elektron sama saja antara berkas cahaya kuat maupun lemah. Berkas cahaya yang kuat akan menghasilkan foto elektron lebih banyak dari pada berkas cahaya yang lemah. Semakin besar frekuensi yang mengenai logam katoda, semakin besar pula energi kinetik foto elektronnya. Teori Foton Einstein Salah satu ahli yang mempelajari efek foto listrik yang mengemukakan cahaya yang tidak hanya dipancarkan dalam bentuk kuanta tetapi juga menjalar dalam bentuk kuanta. Einstein juga menjelaskan ketika foton berenergi h . f mengenai permukaan logam foton itu memberikan sebagian energinya sebesar h . f_0 untuk melepaskan elektron (foto elektron) dan sisanya h . f - h .f_0 dikonversikan menjadi energi kinetik foto elektron , gerakan foto elektron ini yang akan menimbulkan arus listrik. Secara matematis di rumuskan sebagai berikut : Dengan : E_k = energi kinetik (joule) h = tetapan Planck c = cepat rambat cahaya di udara ( m/s ) f = frekuensi ( Hz ) λ = panjang gelombang ( meter ) Dari penjelasan diatas dapat di simpulkan : Jika h . f = h . f_0 maka elektron tidak akan lepas dari ikatan ion permukaan logam. Beda potensial antara katoda dengan anoda sebanding dengan energi kinetik elektron yang lepas, sesuai dengan persamaan : Dengan : e = muatan elektron (1,6 x 〖10〗^(-19) C) V = Beda potensial ( volt) E_k = energi kinetik (joule) DAFTAR PUSTAKA http://simakfisika.blogspot.com/2013/03/hukum-stefan-boltzmann.html http://fisikastudycenter.com/astronomi/322-hukum-pergeseran-wien-astronomi-benda-hitam http://devidameriza.blogspot.com/ http://www.scribd.com/doc/177440525/Teori-Kuantum-Planck#scribd