DUALISME GELOMBANG PARTIKEL : SIFAT GELOMBANG DARI PARTIKEL (Prinsip Ketidakpastian Heisenberg dan Mikroskop elektron) MAKALAH
(Diajukan Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Listrik Magnet) Dosen Pengampu : Endah Kurnia Yuningsih, M.Pfis
Oleh : Kelompok 9
Devi Yulianti (1132070016 ( 1132070016)) Dina Rohmahani (1142070021) Fitri Sulastri (1142070027)
FAKULTAS TARBIYAH DAN KEGURUAN JURUSAN PENDIDIKAN MIPA PRODI PENDIDIKAN FISIKA UIN SUNAN GUNUNG DJATI BANDUNG 2017
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT atas rahmat dan nikmat-Nya. Shalawat dan salam semoga tetap tercurah limpahkan kepada Nabi Muhammad SAW serta pengikutnya sampai akhir zaman. Alhamdulillah berkat Ridha-Nya, bantuan, bimbingan serta dorongan dari berbagai pihak, kami dapat menyelesaikan penyusunan makalah “Dualisme gelombang Partikel : Sifat gelombang dari Partikel (Prinsip Ketidakpastian Heisenberg dan Mikroskop Elektron)” untuk memenuhi salah satu tugas dari mata kuliah Fisika Modern. Oleh sebab itu, sebagai ungkapan rasa hormat yang tulus, kami menyampaikan ucapan terimakasih sebesar-besarnya kepada pihak yang telah membantu dalam penyelasaian makalah ini. Mengingat kemampuan dan pengetahuan ysng terbatas, maka kami menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, adanya saran dan kritik yang positif dan bersifat membangun akan kami terima dengan terbuka. Akhir kata, besar harapan kami semoga makalah ini dapat memberikan manfaat khususnya bagi kami yang menyusun makalah ini dan umumnya bagi siapa saja yang membacanya.
Bandung, Februari 2017
Penyusun
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .................................................................................... i DAFTAR ISI ................................................................................................... ii BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah ......................................................................... 1 B. Rumusan Masalah ................................................................................... 1 C. Tujuan Masalah ...................................................................................... 1 BAB II PEMBAHASAN
A. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg ......................................................... 2 B. Mikroskop Elektron ................................................................................ 5 C. Contoh soal ............................................................................................. 9 BAB III PENUTUP
A. Kesimpulan ............................................................................................. 10 B. Saran ....................................................................................................... 10 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 11
ii
BAB I PENDAHULUAN A. Latar belakang Masalah
Pada prinsipnya fisika modern sama dengan fisika klasik. Pada fisika modern materi yang dibahas yaitu pada skala atomik atau subatomik dan partikel yang bergerak dalam kecepatan tinggi. Sedangkan fisika klasik kebalikannya. Contoh teori fisika klasik yaitu menganggap bahwa cahaya adalah gelombang. Kemudian awal munculnya fisika modern adalah adanya pernyataan Maxwell yang menyatakan bahwa cahaya (sinar tampak) adalah gelombang elektromagnetik. Setelah teori Maxwell ini barulah muncul teori fisika modern melalui percobaan efek fotoelektrik oleh Albert Einsten pada tahun 1905 dimana cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk melejit keluar dari orbitnya dan pada tahun 1924 percobaan Louis de Broglie menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang. Melalui hasil percobaan Albert Einsten, Louis de Broglie beserta ilmuwan lainnya, sekarang ini diterima bahwa seluruh objek memiliki sifat gelombang dan partikel (meskipun fenomena ini hanya dapat terdeteksi dalam skala kecil, seperti atom). Ada beberapa ilmuwan yang mengemukakan teorinya mengenai fenomena dualisme gelombang-partikel ini, salah satunya yaitu prinsip ketidakpastian Heisenberg. Penggunaan praktisnya dapat dilihat pada peralatan modern seperti mikroskop elektron. Oleh karena itu untuk memahami mengenai dualisme partikel-gelombang maka dalam makalah ini akan dipaparkan mengenai prinsip ketidakpastian Heisenberg dan mikroskop elektron. B. Rumusan Masalah
1. Bagaimana prinsip ketidakpastian Heisenberg? 2. Bagaimana cara kerja mikroskop elektron terkait dualisme gelombang partikel? C. Tujuan
1. Untuk mengetahui prinsip ketidakpastian Heisenberg 2. Untuk mengetahui cara kerja mikroskop elektron terkait dualisme gelombang partikel
1
BAB II PEMBAHASAN
A. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg
Pada perkembangan teori atomik selanjutnya, oleh de Broglie, Schrodinger, dan Heisenberg, baru disadari bahwa hukum klasik mengenai dinamika partikel tidak dapat diterapkan pada partikel fundamental. Dalam dinamika klasik, posisi dan momentum dari suatu partikel harus diketahui dengan pasti. Dalam dinamika atomic, jika hanya satu saja dari posisi atau momentum dari suatu partikel fundamental yang diketahui dengan pasti, maka kuantitas lainnya tidak dapat ditentukan. Bahkan, suatu ketidakpastian harus hadir di dalam pemahaman kita akan posisi dan momentum dari suatu partikel kecil, dan produk dari tingkat ketidakpastian untuk setiap kuantitas terkait dengan nilai konstanta planck. Dalam dunia makroskopik, ketidakpastian fundamental ini terlalu kecil untuk diukur, akan tetapi ketika membahas pergerakan dari elektron yang berevolusi mengelilingi suatu nucleus atomik, penerapan prinsip ketidakpastian Heisenberg menjadi suatu keharusan. Konsekuensi prinsip ini adalah kita tidak dapat lagi menganggap elektron bergerak dengan orbit tetap mengelilingi nucleus melainkan harus memandang pergerakan elektron sebagai suatu fungsi gelombang fungsi ini hanya menyebutkan secara spesifik probabilitas ditemukannya satu elektron dengan energi tertentu di dalam ruang yang mengelilingi nucleus tersebut (Bishop, 2000)
Salah satu aspek paling terkenal dari dunia kuantum adalah prinsip ketidakpastian Heisenberg. Heisenberg menggunakan dualitas gelombang-partikel untuk menunjukkan bahwa kita tidak pernah bisa mengukur dengan cermat posisi dan momentum dari sebuah entitas seperti elektron secara bersamaan. Dengan kata lain, kita tidak bisa mengetahui letak dan arah pergi elektron pada saat bersamaan. Kacaunya lagi, elektron sendiri tidak bisa tahu letak dan arah perginya (secara cermat). (Gribbin, 2005)
2
1.
Pengukuran dan Ketakpastian
Andaikan diinginkan untuk menentukan kedudukan sebuah benda seperti elektron. Untuk dapat mengukur kedudukan benda, maka harus dilakukan suatu percobaan tertentu. Sebagai contoh, kita dapat menempatkan sebuah celah dalam lintasan yang dicurigai dari sebuah partikel yang bergerak sejajar sumbu-y dengan energi tertentu, seperti ditunjukkan gambar berikut
Jika sebuah tanda dibuat partikel pada layar (elektronik) yang ditempatkan di belakangnya, maka akan kita ketahui bahwa partikelnya melalui celah. Jadi, dalam batas lebar celah, d, kita dapat menentukan kedudukan – x partikel. Dengan kata lain, kita dapat mengukur kedudukan – x partikel, pada saat (dan sebelum) memasuki celah, hingga suatu ketakpastian
x
yang diberikan oleh x d .
Semakin kecil lebar celahnya kita buat, maka semakin kecil ketakpastian kedudukan-x benda, dan karena itu semakin tepat diketahui kedudukannya. Karena perilaku gelombang materi, kita tahu bahwa partikel akan didifraksikan begitu ia melewati celah. Tetapi, meskipun kita tidak akan sanggup meramalkan dimana, pada layar, partikel akan menumbuknya; selama partikel pada layar dimana saja kita akan yakin bahwa ia telah melewati celah. Tetapi proses difraksi mempunyai pengaruh pada momentum partikel. Sebelum partikel melewati celah, kedudukannya sama sekali tidak diketahui, tetapi momentumnya diketahui, baik besarnya (karena ia memiliki energi tertentu) maupun arahnya (tegak lurus celah). Ketika partikel melewati celah, karenanya menentukan kedudukannya, komponen-x,
p x
, momentumnya tidak
3
lagi nol, karena partikel akan bergerak ke sebarang titik pada pola difraksi. Karena tidak diketahui di mana partikel akan menumbuk layar, maka terdapat suatu ketakpastian yang bersangkutan
p x
dalam komponen-x momentumnya
ketika pada celah. (Savin, 1995, p. 93) 2.
Hubungan Ketakpastian untuk Kedudukan dan Momentum
Contoh diatas mengilustrasikan asas ketakpastian Heisenberg, yang pertama kali dikemukakan pada tahun 1927 oleh W. Heisenberg. Suatu analisis kuantum menunjukkan bahwa untuk semua tipe eksperimen, ketakpastian
x dan p
akan selalu berkaitan melalui p x x
h 4
Perlu diperhatikan bahwa hubungan ini berlaku baik secara teori maupun secara eksperimen. 3.
Hubungan Ketakpastian untuk Energi dan Waktu
Hubungan ketakpastian Heisenberg dapat pula dirumuskan dalam variabelvariabel konjugat lainnya. Sebagai contoh, untuk dapat mengukur energi E sebuah benda haruslah dilakukan suatu percobaan selama suatu selang waktu
t
. Suatu analisis menunjukkan bahwa ketakpastian dalam energi, E , berkaitan dengan selang waktu
t selama
energi diukur oleh E t
h 4
Jadi, energi sebuah benda dapat diketahui dengan ketelitian sempurna ( E 0 ) hanya jika pengukurannya dilakukan selama suatu selang waktu tak berhingga ( t ).
Asas ketakpastian Heisenberg mempunyai suatu akibat penting bagi sistem seperti atom-atom tereksitasi yang rata-rata hidup selama suatu selang waktu berhingga, yang disebut waktu hidup rerata. Karena waktu hidup rerata membatasi lamanya waktu, maka energi sistem haruslah diukur sebelum ia meluruh, sistem-sistem ini akan memiliki suatu ketakpastian minimum alamiah dalam energinya yang diberikan oleh
E h / 4
4
4.
Asas saling Melengkapi
Asas ketakpastian menunjukkan bahwa tidak mungkin mengukur variabelvariabel sekawan (seperti
px
dan
x
, E dan t) dalam sebuah percobaan tunggal
hingga ketelitian yang tinggi. Hasilnya, aspek partikel dan gelombang keduanya tidak dapat diukur dalam percobaan yang sama. Sebagai contoh, sebuah percobaan yang dirancang untuk mengukur sifat partikel suatu benda. Maka perlu dalam percobaan ini
x dan t sama
dengan nol, karena sebuah partikel,
menurut definisi, dapat ditentukan kedudukannya dengan ketelitian tak hingga pada suatu saat. Momentum dan energi, dank arena itu aspek gelombang (
h / p, v
E / h ), menurut asas ketakpastian, akan sama sekali tak diketahui.
Jadi, apabila aspek partikel materi diperagakan, aspek gelombangnya terpaksa disembunyikan. Begitu pula, jika aspek gelombang diukur secara pasti, sehingga dan v ,
dan karena itu
p dan E ,
nol maka aspek partikelnya akan tak
teramati. Ketakmampuan untuk mengukur aspek gelombang dan partikel materi pada saat bersamaan mengilustrasikan asas saling melengkapi, yang dikemukakan oleh Bohr pada tahun 1928. Aspek gelombang dan partikel saling melengkapi satu dengan lainnya karena kedua gambaran ini diperlukan untuk memahami secara lengkap sifat-sifat materi, namun kedua aspek ini tak dapat diamati secara serempak. (Savin, 1995, p. 94)
B. Mikroskop Elektron
Mikroskop elektron merupakan sebuah mikroskop yang mampu untuk melakukan pembesaran objek sampai 2 juta kali, yang menggunakan elektro statik dan elektro magnetik untuk mengontrol pencahayaan dan tampilan
5
gambar. Serta memiliki kemampuan pembesaran objek yang jauh lebih bagus dari pada mikroskop cahaya. Mikroskop elektron ini menggunakan jauh lebih banyak energi dan radiasi elektromagnetik yang lebih pendek dibanding mikroskop elektron. Ada beberapa macam mikroskop elektron. Berikut adalah jenis mikroskop elektron yang dapat di gunakan saat ini. 1. Mikroskop transmision elektron (TEM)
Mikroskop transmision elektron (TEM) merupakan sebuah mikroskop elektron yang cara kerjanya mirip dengan cara kerja proyektor slide, dimana elektron di tembuskan ke dalam objek pengamatan dan pengamat mengamati hasil tembusan pada layar. TEM mampu menghasilkan resolusi hingga 0,1 nm atau sama dengan pembesaran satu juta kali. Berikut merupakan cara agar preparat dapat teramati dengan baik oleh TEM. 1)
Melakukan fiksasi yang bertujuan untuk mematikan sel yang akan diamati tanpa mengubah struktur sel . fiksasi dapat dilakukan dengan menggunakan senyawa glutaraldehida atau osmium tetroksida
2)
Membuat sayatan dengan setipis mungkin agar mudah diamati di bawah mikroskop. Preparat dilapisi dengan monomer resin melalui proses
pemanasan,
kemudian
dilanjutkan
dengan
memotong
menggunakan mikrotom. Umumnya mata pisau mikrotom terbuat dari berlian karena berlian tersusun dari atom karbon yang padat. Sayatan yang telah terbentuk di letakan di atas cincin berpetak untuk diamati 3)
Pelapisan atau pewarnaan, bertujuan untuk memperbesar kontras antara preparat yang akan diamati dengan lingkungan sekitarnya. Pelapisan atau pewarnaan dapat menggunakan logam berat seperti uranium dan timbal.
2. Mikroskop pemindai elektron (SEM)
Mikroskop pemindai elektron (SEM) di gunakan untuk studi detail arsitektur permukaan sel atau jasad renik lainnya, dan objek diamati secara tiga dimensi.
6
Cara terbentuknya gambar pada SEM berbeda dengan apa yang terjadi pada mikroskop optik dan TEM. Pada SEM gambar di buat berdasarkan deteksi elektron baru (elektron sekunder) atau elektron pantul yang muncul dari permukaan sampel ketika permukaan sampel tersebut di pindai dengan sinar elektron. Elektron sekunder atau elektron pantul yang terdeteksi selanjutnya di perkuat sinyalnya, kemudian di perbesar amplitudonya ditampilkan dalam gradasi gelap- terang pada layar monitor CRT (Catode Ray Tube). Di layar CRT inilah gambar srtuktur objek yang sudah diperbesar dapat terliat. Pada proses operasinya SEM tidak memerlukan sampel yang di tipiskan sehingga bisa digunakan untuk melihat objek dari sudut pandang 3 dimensi Agar pengamat dapat mengamati preparat dengan baik, diperlukan sediaan dengan tahap sebagai berikut: 1)
Melakukan fiksasi yang bertujuan untuk mematikan sel yang akan diamati tanpa mengubah struktur sel . fiksasi dapat dilakukan dengan menggunakan senyawa glutaraldehida atau osmium tetroksida
2)
Dehidrasi yang bertujuan untuk memperendah kadar air dalam sayatan sehingga tidak mengganggu proses pengamatan
3)
Pelapisan atau pewarnaan, bertujuan untuk memperbesar kontras antara preparat yang akan diamati dengan lingkungan sekitarnya. Pelapisan atau pewarnaan dapat menggunakan logam mulia seperti emas dan platina.
3. Mikroskop pemindai transmisi elektron (STEM)
Mikroskop pemindai transmisi elektron (STEM) merupakan salah satu tipe yang merupakan hasil pengembangan dari mikroskop transmisi elektron (TEM). Pada sistem STEM ini, elektron menembus spesimen namun sebagaimana halnya dengan cara kerja SEM, optik elektron terfokus langsung pada sudut sempit dengan memindai objek menggunakan pola pemindaian dimana objek tersebut dipindai dari satu sisi ke sisi lainnya (raser) yang menghasilkan jalur- jalur titik (dots) yang membentuk gambar seperti CRT pada televisi atau monitor. 4. Mikroskop pemindai lingkungan elektron (ESEM)
7
Mikroskop ini merupakan pengembangan dari SEM. Yang dikembangkan guna mengatasi objek pengamatan yang tidak memenuhi syarat sebagai objek TEM maupun SEM. Objek yang tidak memenuhi syarat seperti ini biasanya adalah bahan alami yang ingin diamati secara detail tanpa merusak atau menambah perlakuan yang tidak perlu terhadap objek yang apabila menggunakan SEM konvensional perlu ditambah beberapa trik yang memungkinkan hal tersebut bisa terlaksana. Adapun cara kerjanya pertama- tama dilakukan suatu upaya untuk menghilangkan penumpukan elektron di permukaan objek, dengan membuat suasana dalam ruang sample tidak vakum tetapi di isi dengan sedikit gas yang akan menghantarkan muatan positif ke permukaan objek, sehingga penumpukan elektron dapat dihindari. 5. Mikroskop refleksi elektronn(REM)
REM merupakan mikroskop elektron yang memiliki cara kerja serupa dengan TEM , namun sistem ini menggunakan deteksi pemantulan elektron pada permukaan objek. Teknik ini secara khusus di gunakan dengan menggabungkan denga teknik refleksi difraksi elektron
energi tinggi dan
teknik refleksi pelepasanspektrum energi tinggi. 6. Spin- Polarized Low- Energy Electron Microscopy (SPLEEM)
Spin- Polarized Low- Energy Electron Microscopy (SPLEEM) merupakan variasi lain yang dikembangkan dari teknik yang sudah ada sebelumnya dan digunakan untuk melihat struktur mikro dari medan magnet. Dengan melakukan penambahan peralatan video maka pengamat dapat melakukan pengamatan dengan mikroskop elektron secara terus menerus pada objek yang hidup. (Apit Faturohman. 2015. Optik. https://optikukitasemua.blogspot.com. Diakses tanggal 26 Februari 2017
8
CONTOH SOAL
1.
Berapakah ketakpastian kedudukan foton yang panjang gelombangnya 3000 o
,
jika panjang gelombang ini diketahui hingga ketelitian seperjuta?
Penyelesaian :
Momentum foton diberikan oleh o
12, 4 x 103 eV . A
hc
p
c
o
4,13
eV
(3 x 103 A)c
c
Ketakpastian dalam momentum foton adalah (bekerja dengan besarnya saja) : p
h
2
p
p x 10 6
4,13
x 10
6
eV c
Yang darinya diperoleh x
h 4 p
h 4 cp
o
3
12 x 10 x eV .
4 c(4,13 x 10 6eV / det)
2,39
x 10 6
o
2,39
m
(Savin, 1995, p. 95)
2.
Berapa ketakpastian minimum keadaan suatu atom jika sebuah elektron tetap berada dalam keadaan ini selama
10
8
det?
Penyelesaian :
waktu yang tersedia untuk mengukur energi adalah dari
E t
10
8
det. Oleh karena itu,
h/4 , o
E
h
4t
h
4 ct
12, 4 x 103 x eV.
o
4 c(3 x 108 m/det)(10 8 det)(1010
/
m)
o
0, 329
x 10 7 23,9 m
Ketakpastian minimum energi keadaan itu adalah
h / (4 ), dengan
adalah waktu hidup rerata keadaan tereksitasi, yang disebut lebar alamiah (natural width) keadaan. Untuk persoalan ini waktu hidup reratanya
10
8
det
7 dan lebar alamiahnya 0,329 x 10 eV
(Savin, 1995, p. 95)
9
HASIL DISKUSI
1.
Jadi bagaimana sifat gelombang dari partikel dari prinsip ketidakpastian Heisenberg tentang? Jawab : Sifat gelombang dari partikel dibuktikan oleh de Broglie. Berdasarkan percobaan de brglie dikemukakan bahwa cahaya dapat berkelakuan seperti partikel, maka partikel pun seperti halnya elektron dapat berkelakuan sepe rti gelombang. Sebuah foton dengan frekuensi f memiliki energi sebesar hf dan memiliki momentum p dinyatakan p
h
hf
c
, karena c
f maka momentum foton dapat
. Kemudian Heisenberg menyatakan bahwa keberadaan
elektron dalam lintasan tidak dapat ditentukan dengan.pasti Sekarang kita sudah memandang cahaya dan materi dapat berperilaku sebagai gelombang-partikel. Lalu kita ingin menentukan posisi partikel atau dimana partikel itu berada. Untuk menentukannya, kita harus mengganggu partikel tersebut dengan sesuatu sehingga menghasilkan informasi yang diinginkan, seperti menyinarinya dengan cahaya. Sekarang kita coba untuk menentukan partikel misalnya elektron dengan menginteraksikannya dengan bantuan cahaya. Prinsip ini diterapkan pada mikroskop caha ya dimana foton cahaya akan menumbuk elektron kemudian foton kembali ke mikroskop dengan membawa informasi mengenai posisinya. Ketika foton menumbuk elektron maka akan terjadi perubahan kecepatan baik pada elektron maupun foton atau dengan kata lain terjadi perubahan momentum. Sehingga walaupun posisi elektron dapat diketahui namun momentumnya tidak akan bisa diketahui dengan pasti (sesuai prinsip Heisenberg). Jadi dapat disimpulkan bahwa sifat gelombang dari partikel ini yaitu posisi elektron (sebagai partikel) dan momentum (sebagai gelombang) dimana partikel (elektron) disinari cahaya dengan dengan panjang gelombang tertentu. 2.
Apa yang dimaksud spesimen? Jawab : Spesimen adalah preparat atau objek yang diamati
10
BAB III PENUTUP
A. KESIMPULAN
Prinsip Ketidakpastian Heisenberg terbagi menjadi 4 bagian diantaranya adalah sebagai berikut: 1.
Pengukuran dan Ketakpastian
2.
Hubungan Ketakpastian untuk Kedudukan dan Momentum
3.
Hubungan Ketakpastian untuk Energi dan Waktu
4.
Asas saling Melengkapi Mikroskop elektron merupakan sebuah mikroskop yang mampu untuk
melakukan pembesaran objek sampai 2 juta kali, yang menggunakan elektro statik dan elektro magnetik untuk mengontrol pencahayaan dan tampilan gambar. Serta memiliki kemampuan pembesaran objek yang jauh lebih bagus dari pada mikroskop cahaya. Mikroskop elektron ini menggunakan jauh lebih banyak energi dan radiasi elektromagnetik yang lebih pendek dibanding mikroskop elektron. Ada beberapa macam mikroskop elektron. Berikut adalah jenis mikroskop elektron yang dapat di gunakan saat ini: 1.
Mikroskop transmision elektron (TEM)
2.
Mikroskop pemindai elektron (SEM)
3.
Mikroskop pemindai transmisi elektron (STEM)
4.
Mikroskop pemindai lingkungan elektron (ESEM)
5.
Mikroskop refleksi elektronn(REM)
6.
Spin- Polarized Low- Energy Electron Microscopy (SP LEEM)
B. KRITIK DAN SARAN
Penulis menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu kami sangat membutuhkan saran serta kritik dari pembaca yang bersifat membangun agar penulisan makalah selanjutnya dapat lebih baik lagi.
11
DAFTAR PUSTAKA
Bishop, R. S. (2000). Metalurgi Fisik Modern & Rekayasa Material. Jakarta: Erlangga. Faturohman, Apit. 2015. Optik. http://optikukitasemua.blogspot.com. Diakses tanggal 26 februari 2017. Jam 17. 35 WIB. Gribbin, J. (2005). Fisika Modern. Jakarta: Erlangga. Savin, R. G. (1995). FISIKA MODERN. Jakarta: Erlangga.
12
