KONSEP DAN FENOMENA KUANTUM
OLEH:
GABRIELA LAHEMA
XII MIA 1
SMA N 9 BINSUS MANADO
KATA PENGANTAR Terimakasih kepada Tuhan Yesus Kristus karena atas anugerah-Nya saya bisa menyelesaikan makalah “Fenomena dan Konsep Kuantum” ini. Saya juga berterimakasih kepada seluruh pihak yang terlibat dalam pembuatan makalan ini. Kiranya isi dari makalah ini bisa bermanfaat bagi kita semua. Saya menyadari bahwa sesungguhnnya makalah ini jauh dari kata sempurna. Untuk itu, saya meminta kritik dan saran dari semua pembaca yang terlibat.
Manado, 29 Januari 2016
Penulis
BAB 1 PENDAHULUAN A. Latar Belakang Dasar dimulaianya periode mekanika kuantum adalah ketika mekanika klasik tidak bisamenjelaskan gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskofis dan bergerak dengankecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena itu, diperlukan cara pandangyang berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut.Teori atom mengalami perkembangan mulai dari teori atom John Dalton, Joseph JohnThomson, Ernest Rutherford, dan Niels Henrik David Bohr. Perkembangan teori atommenunjukkan adanya perubahan konsep susunan atom dan reaksi kimia antaratom. Kelemahan model atom yang dikemukakan Rutherford disempurnakan oleh Niels Henrik David Bohr. Bohr mengemukakan gagasannya tentang penggunaan tingkat energielektron pada struktur atom. Model ini kemudian dikenal dengan model atomRutherfordBohr. Tingkat energy elektron digunakan untuk menerangkan terjadinyaspektrum atom yang dihasilkan oleh atom yang mengeluarkan energi berupa radiasi cahaya. B. Rumusan Masalah 1. Apakah yang dimaksud dengan Radiasi Benda Hitam? 2. Apakah yang dimaksud dengan dualisme cahaya? C. Tujuan Mengetahui tentang Radiasi Benda Hitam dan Dualisme Cahaya
BAB II ISI A. Radiasi Benda Hitam Teori kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Dalam Fisika, benda hitam (atau blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energi dari benda tersebut dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak. Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat dipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah, jingga, kuning hingga putih. Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Dalam percobaan Fisika sederhana, benda atau objek yang paling mirip radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Dengan mengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk, maka selama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang, cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga berulang kali serta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan kembali sebagai radiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga. Lubang pada rongga inilah yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam. Temperatur dari benda itu akan terus naik apabila laju penyerapan energinya lebih besar dari laju pancarannya, sehingga pada akhirnya benda hitam itu mencapai temperatur kesetimbangan. Keadaan ini dinamakam dengan setimbang termal (setimbang termodinamik).
1. Intensitas Radiasi Gustav Kirchoff (1859) mengemukakan teorema termodinamika sebagai berikut ini “ Jika suatu benda berada dalam kesetimbangan termal, maka daya radiasi yang dipancarkan akan sebanding dengan daya radiasi yang diserapnya”. Besarnya daya radiasi per satuan luas disebut intensitas radiasi, yang sesuai dengan pernyataan hukum Stefan Boltzman “daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya”. Berdasarkan hukum Stefan Boltzman tersebut maka dapat dirumuskan sebagai berikut.
Daya adalah energi kalor yang dipancarkan tiap satuan waktu P = Qt, sehingga besarnya daya radiasi atau energi radiasi kalor tiap satuan waktu adalah sebagai berikut.
Keterangan: I = Intensitas radiasi (W/m2); Q = Energi kalor yang diradiasikan (J); e = Koefisien emisivitas benda; σ = Tetapan Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W.m-2.K-4); P = daya radiasi (W atau J/s); t = waktu pemancaran (s); A = Luas permukaan benda (m2); dan T = Suhu mutlak benda (K). Emisivitas benda adalah kemampuan benda untuk memancarkan energi (gelombang elektromagnetik). Harga koefisien emisivitas benda hitam sempurna adalah 1 karena benda hitam sempurna adalah pemancar dan penyerap kalor paling baik, sedangkan untuk benda putih sempurna emisivitasnya adalah 0 karena benda putih sempurna merupakan pemancar dan penyerap kalor paling buruk. Fenomena di awal menunjukkan bahwa, warna hitam memiliki emisivitas yang lebih besar dibandingkan warna putih, sehingga daya radiasi yang diserap oleh warna hitam akan bernilai lebih besar. Berdasarkan teori tersebut, jika kita menjemur pakaian berwarna hitam, maka akan lebih cepat kering dibandingkan baju berwarna putih.
2. Hukum Pergeseran Wien Bila suhu suatu benda terus dinaikkan , intensitas relative dari spectrum cahaya yang dpancarkannya berubah ini menyebabkan pergeseran dalam warna – warni spectrum cahaya yang yang teramati yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda. Juga pergeseran panjang gelombang maksimum (lmaks). Semakin tinggi suhu suatu benda lmaks semakin bergeser kea rah panjang ggelombang yang lebih pendek. Panjang gelombang intensitas maksimum benda yang suhunya tinggi lebih pendek dari panjang gelombang intensitas benda yang suhunya rendah. Gejala pergeseran lmaks pada radiasi benda hitam disebut hukum Pergeseran Wien. Hukum pergeseran Wien menyatakan hubungan antara panjang gelombang pada intensitas pancaran maksimum dan Suhu mutlak benda.
3. Pendekatan Teori Rayleigh – Jeans Berdasarkan pendekatan yang dilakukan oleh Rayleigh – Jeans memperoleh perumusan bahwa intensitas radiasi berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang (l). Untuk l yang besar , intensitas akan semakin kecil. Jika l mendekati tak hingga maka intensitas men dekati nol. Tetapi ketika l mendekati nol maka intensitas mendekati nol. Ini merupakan penyimpangan yang dinamakan penyimpangan Rayleigh – jeans yang sangat jauh ini dinamakan bencana Ultra violet karena l yang kecil berada pada gelombang ultra violet.
4. Teori Planck Max Planck, ahli fisika dari Jerman, pada tahun 1900 mengemukakan teori kuantum. Planck menyimpulkan bahwa atom-atom dan molekul dapat memancarkan atau menyerap energi hanya dalam jumlah tertentu. Jumlah atau paket energi terkecil yang dapat dipancarkan atau diserap oleh atom atau molekul dalam bentuk radiasi elektromagnetik disebut kuantum. Tokoh Fisika Max Planck Seorang ahli fisika Jerman, Max Planck, mengumumkan bahwa dia mempunyai hipotesa yang berani. Max Planck mengemukakan radiant energi (energi gelombang cahaya) tidaklah mengalir dalam arus yang kontinyu, tetapi terdiri dari potongan-potongan yang disebutnya quanta. Hipotesa Planck yang bertentangan dengan teori klasik tentang cahaya dan elektro magnetik ini merupakan titik mula dari teori kuantum yang sejak itu merevolusionerkan bidang fisika dan menyuguhkan kita pengertian yang lebih mendalam tentang alam benda dan radiasi. Teori Kuantum Max Planck Planck menemukan bahwa energi foton (kuantum) berbanding lurus dengan frekuensi cahaya. E=h.ν dengan: E=energi (J) h=konstantaPlanck6,626 × 10–34J. s ν = frekuensi radiasi (s–1) Salah satu fakta yang mendukung kebenaran dari teori kuantum Max Planck adalah efek fotolistrik, yang dikemukakan oleh Albert Einstein pada tahun 1905. Efek fotolistrikadalah keadaan di mana cahaya mampu mengeluarkan elektron dari permukaan beberapa logam (yang paling terlihat adalah logam alkali) (James E. Brady, 1990). Susunan alat yang dapat menunjukkan efek fotolistrik ada pada gambar percobaan efek fotolistrik. Elektrode negatif (katode) yang ditempatkan dalam tabung vakum terbuat dari suatu logam murni, misalnya sesium. Cahaya dengan energi yang cukup dapat menyebabkan elektron terlempar dari permukaan logam. Elektron tersebut akan tertarik ke kutub positif (anode) dan menyebabkan aliran listrik melalui rangkaian tersebut.
Percobaan Efek Fotolistrik
Memperlihatkan susunan alat yang menunjukkan efek fotolistrik, Seberkas cahaya yang ditembakkan pada permukaan pelat logam akan menyebabkan logam tersebut melepaskan elektronnya. Elektron tersebut akan tertarik ke kutub positif dan menyebabkan aliran listrik melalui rangkaian tersebut.
Teori Einstein Tentang Energi Foton
Einstein menerangkan bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel foton yang energinya sebanding dengan frekuensi cahaya. Jika frekuensinya rendah, setiap foton mempunyai jumlah energi yang sangat sedikit dan tidak mampu memukul elektron agar dapat keluar dari permukaan logam. Jika frekuensi (dan energi) bertambah, maka foton memperoleh energi yang cukup untuk melepaskan elektron (James E. Brady, 1990). Hal ini menyebabkan kuat arus juga akan meningkat. Energi foton bergantung pada frekuensinya. E = h . ν atau E = h . (c/λ) dengan: h = tetapan Planck (6,626 × 10–34J dt) ν = frekuensi (Hz) c = kecepatan cahaya dalam vakum (3 × 108 m det–1) λ = panjang gelombang (m) Teori efek fotolistrik yang dikemukakan Einsten tersebut membuktikan kebenaran dari teori kuantum max planck.
B. Dualisme Cahaya Pada mulanya , banyak fisikawan yang menganggap cahaya sebagai gelombang . hal ini diperkuat adanya difraksi, polarisasi, refraksi, refleksi dan interferensi yang sesuai dengan sifat umum gelombang. Akan tetapi ketika para fisikawan menemukan radiasi benda hitam, efek foto listrik dan efek Compton, asumsi cahaya sebagai gelombang tidak dapat menjelaskan fenomenafenomena tersebut . Kemudian muncullah pandangan bahwa cahaya sebagai partikel. Sebagai analoginya, anda bias memeprhatikan gambar , perbedaan cahaya jika diasumsikan sebagai gelombang dan sebagai partikel . Dengan asumsi sebagai gelombang , cahaya dipancarkan sebagai rambatan gelombang yang kontinu. Adapaun dengan asumsi sebagai partikel , cahaya dipancarkan dalam bentuk paket-paket energy yang disebut foton.
Efek foto listrik Gejala terlepasnya electron electron dari permukaan plat logam ketika disinari dengan frekuensi tertentu disebut efek fotolistrik. Electron yang terlepas dari permukaan plat logam tersebut disebut electron foto. Peristiwa ini pertama kali ditemukan oleh Hertz. Perangkat percobaan untuk mengamati efek fotolistrik terdiri atas tabung kaca hampa udara dan plat logam yang disebut sebagai katoda. Ketika katoda disinari dengan ulatraviolet , electron akan terlepas dari katoda dan bergerak menuju anoda sehingga arus mengalir pada rangkaian. Banyaknya electron yang terlepas dapat dilihat dari indicator kuat arus yang ditunjukkan oleh ampermeter. Energi kinetic yang dimiliki elektron dapat ditentukan dengan cara memperbesar beda potensial antara katoda dan anoda sehingga beda potensial bersifat menahan laju electron. Bersamaan dengan kenaikan beda potensial , penunjukan jarum ampermeter akan mengecil, . Jika pada suatu ketika jarum ampermeter menunjuk angka nol, besarnya energy potensial sama dengan besar energy kinetikyang dimiliki electron. Nilai beda potensial saat itu disebut potensial henti. Energi potensial yang diberikan dapat diprediksikan sebagai sebuah bukit yang harus dilewati electron seperti gambar :
Apabila bukit potensila dipertinggi , suatu saat ampermeter yang dipasang dibalik bukit menunjukkan angka nol. Ini berarti energy electron tidak cukup lagi untuk melewati bukit potensial sehingga besarnya potensial henti V0 bersesuaian dengan energy kinetiknya electron Ek = e. V0 ½ m v2 = e. V0 Hasil-hasil percobaan yang seksama menunjukkan bahwa : 1. Makin besar intensitas cahaya, semakin banyak elektron-elektron yang diemisikan. 2. Kecepatan elektron-elektron yang diemisikan hanya bergantung kepada frekwensi cahaya, makin besar frekwensi cahaya makin besar pula kecepatan elektron yang diemisikan. 3. Pada frekwensi cahaya yang tertentu (frekwensi batas) emisi elektron dari logam tertentu sama. Pada tahun 1901, Planck mengetengahkan hipotesa bahwa cahaya (gelombang elektromagnetik) harus dianggap sebagai paket-paket energi yang disebut foton. Besar paket energi tiap foton dirumuskan sebagai : E=h.f E = Energi tiap foton dalam Joule. f = Frekwensi cahaya. h = Tetapan Planck yang besarnya h = 6,625 .10 –34 J.det Cahaya yang intensitasnya besar memiliki foton dalam jumlah yang sangat banyak. Tiap-tiap foton hanya melepaskan satu elektron. Kiranya mudah dipahami bahwa semakin besar intensitas cahaya semakin banyak pula elektron-elektron yang diemisikan. Tiap foton yang datang pada logam, sebagian energinya digunakan untuk melepaskan elektron dan sebagian menjadi energi kinetik elektron. Jika energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron sebesar W0 dan energi yang menjadi energi kinetik sebesar Ek maka dapat ditulis persamaan : E = W0 + Ek
h . f = W0 + mv2 Dari persamaan nampak jelas, makin besar frekwensi cahaya, makin besar kecepatan yang diperoleh elektron. Bila frekuensi cahaya sedemikian sehingga h.f = W0, maka foton itu hanya mampu melepaskan elektron tanpa memberi energi kinetik pada elektron. Penyinaran dengan cahaya yang frekuensi lebih kecil tidak akan menunjukkan gejala foto listrik. Sifat Gelombang Materi Hipotesa de Brogile menunjukan bahwa partikel mempunyai sifat gelombang, sehingga setiap materi yang bergerak akan bersifat sebagai gelombang dan disebut gelombang de Brogile Gelombang de Brogile dinyatakan dengan persamaan:
Efek Compton atau Hamburan Compton Dalam peristiwa efek foto listrik , cahaya yang dijatuhkan pada keeping logam diperlakukan sebagai paket energy yang disebut foton . Foton itu mengalami peristiwa tumbukan dengan electron . Biasanya tumbukan selalu dikaitkan dengan momentum. Pada peristiwa tersebut akan berlaku Hukum Kekelan Momentum dan Hukum Kekekalan Energi. Penelitian hamburan sinar-X yang dilakukan Arthur H. Compton ( 1892 – 1962 ) menghasilkan fenomena baru, yaitu pergesaran panjang gelombang atau perubahan frekuensi sebelum dan sesudah tumbukan . Gejala ini dijelaskan oleh Compton dengan menganggap bahwa yang terjadi adalah tumbukan anatara kuantum cahaya ( foton ) dan electron bebas. “ Ketika foton menumbuk electron , sebagian energy foton akan diberikan kepada electron sehingga electron memiliki energy kinetic” Adapun energi foton setelah tumbukan akan berkurang. Menurut teori klasik , penguranga energi tidak akan diikuti oleh perubahan frekuensi dan panjang gelombang. Namun menurut teori kuantum, perubahan energy berarti akan terjadi perubahan frekuensi dan perubahan panjang gelombang. Ini dibuktikan dengan hasil pengamatan yang menunjukkan bahwa setelah tumbukan , panjang gelombang foton bertambah besar ( lamda’ > lamda ) . Oleh karena energo foton
dirumuskan sebagai h c/ lamda , jelaslah bahwa energy foton setelah tumbukan akan berkurang. Didapat dengan hasil perhitungan persamaan hamburan foton :
Efek Compton menyatakan bahwa foton dapat dianggap sebagai partikel yang bergerak sehingga mempunyai momentum sebesar:
Tumbukan foton dengan elektron berdasarkan percobaan compton, dapat disimpulkan bahwa setelah tumbukan:
Besar pergeseran compton:
Sifat Partikel Cahaya
hipotesa max planck : cahaya adalah pancaran gelombang elektromagnetik berupa paket paket energi yang terkuantisasi yang disebut kuanta (kuantum).
kuantum yang bergerak sama dengan kecepatan cahaya disebut foton. besar energi foton sebanding dengan frekuensi foton yang dinyatakan dengan persamaan:
Sinar X Terjadinya sinar X merupakan kebalikan dari efek fotolistrik dan memenuhi persamaan:
1. 2. 3.
Sifat-sifat sinar X: Tidak dibelokan oleh medan magnet maupun medan listrik. mempunyai daya tembus sangat tinggi. Dapat menghitamkan pelat foto. Persamaan :
BAB III PENUTUP Demikianlah makalah tentang Fenomena dan Konsep Kuantum yang telah penulis buat. Kiranya isi dari makalah ini dapat bermanfaat serta menambah wawasan penulis maupun pembaca. Penulis menyadari bahwa isi dari makalah ini tidaklah sempurna dikarenakan terbatasnya sumber informasi. Untuk itu, penulis mengharapkan saran dari semua pembaca demi melengkapi kekurangan yang ada di makalah ini.
Daftar Pustaka http://www.rumus-fisika.com/2015/06/fenomena-radiasi-benda-hitam.html https://tvbelajar.wordpress.com/radiasi-benda-hitam/ http://www.onfisika.com/2013/01/dualisme-gelombang-cahaya-sebagai.html http://novhietadrisfisikawalisongo.blogspot.co.id/2012/06/dualisme-gelombang-partikel.html
