DUALISME GELOMBANG PARTIKEL CAHAYA Berdasarkan sifat yang dapat ditampilkan oleh cahaya yaitu dapat mengalami pemantulan, pembiasan, difraksi, interferensi, dan polarisasi, menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang, yang tepatnya adalah gelombang elektromagnetik karena dalam perambatannya tidak memerlukan medium. Di sisi lain ternyata cahaya dapat menunjukkan sifat lain yaitu : a. Radiasi benda b. Effek Fotolistrik c. Effek Compton Jelas sifat di atas tidak dapat dilakukan oleh gelombang. Ini menunjukkan cahaya dapat tampil dalam bentuk selain gelombang, yaitu cahaya dapat menampilkan diri sebagai partikel. Anggapan cahaya sebagai partikel dapat di buktikan dengan baik melalui ketiga sifat di atas yang akan di bahas pada materi berikutnya. Sebagai gelombang energi cahaya yang dirambatkan dipengaruhi oleh amplitudo gelombang. Amplitudo gelombang akan mempengaruhi intensitas gelombang, dimana intensitas/energi berbanding lurus dengan kuadrat amplitudo (A2). Sebagai partikel energi cahaya dirambatkan dalam bentuk paket paket energi yang disebut “Kuantum” kini disebut dengan “Foton”. Layar Layar Lilin Cahaya sebagai gelombang Lilin Cahaya sebagai partikel Untuk menjelaskan tentang radiasi benda Planck menyatakan Postulatnya : “ Besarnya energi radiasi gelombang elektromagnetik dipancarkan atau diserap dalam bentuk paket paket energi yang disebut foton dengan energi sebesar h.f .” Dirumuskan : f = frekuensi gelombang elektromagnetik h = konstanta planck ( 6,626 x 10-34 J.s) E = h.f E = Energi foton ( J ) A. RADIASI BENDA HITAM Radiasi adalah peristiwa perambatan energi kalor (cahaya) dalam bentuk pancaran yang tidak memerlukan medium dalam perambatannya. Benda hitam sempurna adalah benda yang dalam keadaan suhu lebih rendahdari lingkungan dapat menyerap seluruh kalor yang berada disekitarnya yang mengenainya. Benda hitam sempurna dapat didekati dengan sebuah kotak yang tertutup rapat yang di beri lubang kecil di salah satu sisinya. Lubang tersebut jika di lihat dari jarak jauh akan terlihat gelap. Gelap Gelapnya lubang di identikkan dengan hitam sempurna. Menurut Setffan Boltzman : “ Energi radiasi benda hitam tiap satuan waktu yang menembus tegak lurus tiap satuan luas sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya “ Dirumuskan : Q = Energi Radiasi (J) T = Suhu mutlak ( K ) 4 Q e. .T . A.t A = Luas permukaan (m2) t = waktu (s) = Konstanta Steffan – Boltzman ( 5,672 x 10-8 Watt.m-2.K-4) e = Koefisien emisivitas ( 0 ≤ e ≤1 ) e = 1 jika benda hitam sempurna e = 0 jika benda putih sempurna Jika daya adalah energi persatuan waktu, maka : Q = Daya radiasi ( J.s-1) atau (watt) Q 4 t e. .T . A t T = Suhu mutlak ( K ) A = Luas permukaan (m2) = Konstanta Steffan – Boltzman ( 5,672 x 10-8 Watt.m-2.K-4) e = Koefisien emisivitas ( 0 ≤ e ≤1 ) Maka besarnya Intensitas radiasi (Energi tiap satuan waktu tiap satuan luas) adalah : W = Intensitas radiasi ( J.s-1.m-2) atau (watt.m-2) T = Suhu mutlak ( K ) = Konstanta Steffan – Boltzman ( 5,672 x 10-8 Watt.m-2.K-4) W e..T 4 e = Koefisien emisivitas ( 0 ≤ e ≤1 ) e = 1 jika benda hitam sempurna e = 0 jika benda putih sempurna B. Hukum Pergeseran Wien : Jika kita berada di sekitar benda yang bersuhu tinggi (panas) akan terasa adanya pancaran kalor (radiasi). Semakin tinggi suhu benda tersebut semakin terasa efek radiasi infra merah yang kita rasakan. Energi radiasi dari benda yang berpijar di bawa oleh berbagai nilai panjang gelombang, dimana setiap panjang gelombang membawa energi tertentu. Menurut Wien berlaku : “ Panjang gelombang pembawa energi maximum bergeser ke arah yang lebih kecil seiring dengan meningkatnya suhu benda, sehingga hasil kali panjang gelombang pembawa energi maximum dengan suhu mutlaknya selalu konstan.” Dirumuskan : m = Panjang gelombang pembawa energi maximum (m) T = Suhu mutlak benda ( K ) m.T = C C = tetapan Wien (2,90 x 10-3 m.K) Grafik hubungan Energi / Intensitas dengan Grafik hubungan Energi / Intensitas dengan panjang gelombang di nyatakan : frekuensi gelombang di nyatakan : I I T1>T2>T3 T1>T2>T3 T1 T2 T3 m1m2m3 T1 T2 T3 f1 f2 f3 f Hubungan antara Intensitas radiasi benda hitam dengan panjang gelombang di kemukakan oleh : Wien, Releigh – Jeans, dan Planck, dimana Wien dan Releigh – Jeans mendasari teorinya dengan anggapan cahaya sebagai gelombang, yang di kenal dengan pendapat Fisika Kalsik, Dimana menurut Wien besarnya Energi tiap satuan volume (Rapat Energi) tiap satuan panjang gelombang dinyatakan : 5 c / .T u , T c1. .e 2 dengan c1 8. .hc dan c2 ch / k . Jika nilai c1 dan c2 dimasukkan ke dalam persamaan di atas akan diperoleh : 8. .h.c.5 u , T hc / .k .T e Menurut Releigh - Jeans, Energi tiap satuan volume (Rapat Energi) tiap satuan panjang gelombang dinyatakan : u , T 8. .k.T4 Planck mendasari teorinya dengan anggapan cahaya sebagai partikel, yang dikenal dengan Teori Fisika Modern. Menurut Planck, Energi tiap satuan volume (Rapat Energi) tiap satuan panjang gelombang dinyatakan : 5 u , T 8. .h.c. e hc / .k .T 1 Hasil Teori mereka di padukan dengan hasil experimen, sehingga diperoleh grafik di bawah ini : I Releigh – Jeans Planck (Hasil experimen) Wien Dari grafik diperoleh : Wien cocok dengan experimen pada panjang gelombang kecil Planck sesuai dengan hasil experimen Releigh – Jeans cocok dengan experimen pada panjang gelombang besar Ini menunjukkan bahwa Teori klasik gagal menjelaskan tentang Radiasi benda hitam. C. Effek Foto Listrik Effek Foto Listrik merupakan peristiwa terlepasnya elektron dari suatu logam karena disinari gelombang elektromagnetik. Elektron yang terlepas dari logam tersebut disebut dengan “ elektron foto “ atau “ foto elektron “ E = h.f e E0 W Ek A R + - Pada peristiwa Effek Foto Listrik berlaku : 1. Elektron di dalam atom terikat dengan energi tertentu, sehingga untuk melepasnya diperlukan energi yang cukup, yang disebut “Energi Ambang” atau Fungsi Kerja logam. 2. Tidak semua cahaya (GEM) dapat melepaskan elektron dari logam tertentu, meskipun intensitasnya tinggi. V 3. Hanya cahaya dengan frekuensi tertentu dapat melepaskan elektron foto dari suatu logam tertentu. Ini menunjukkan bahwa energi GEM tidak di bawa dalam bentuk gelombang melainkan dalam bentuk paket paket energi yang disebut foton dengan energi : E = h.f Jika energi GEM di bawa dalam bentuk gelombang, maka dengan frekuensi berapapun asal intensitasnya cukup, elektron foto akan terbentuk. 4. Energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom di sebut “ Energi Ambang “ dirumuskan : W0 = h.f0 5. Besarnya energi GEM dengan frekuensi tertentu akan digunakan untuk : Melepaskan elektron dari logam dan lebihnya digunakan untuk gerak elektron dari Katoda (K) ke Anoda (A) sebagai Energi kinetik elektron foto. Hal ini akan terlihat mengalirnya arus listrik pada rangkaian ( Jarum Ampermeter bergerak ), Sehingga berlaku : E = Energi total gelombang cahaya (GEM) E = W0 + Ek W0 = Fungsi kerja logam atau Ek = Energi kinetik foto elektron Ek = E – W0 f = frekuensi gelombang cahaya (GEM) Sehingga : f0 = frekuensi ambang logam ( frekuensi minimum untuk melepaskan elektron dari logam) Ek = h(f – f0) h = konstanta planck ( 6,626 x 10-34 J.s) 6. Jika dinyatakan dalam panjang gelombang, Energi kinetik foto elektron dirumuskan : = Panjang gelombang cahaya (GEM) 1 1 E k h.c 0 = Panjang gelombang ambang logam 0 ( panjang gelombang terbesar yang dapat melepaskan elektron foto) c = kecepatan GEM ( 3 x 108 m/s) 7. Jika frekuensi GEM (Cahaya) di naikkan, akan menaikkan energi kinetik elektron foto 8. Jika intensitas cahaya (GEM) di naikkan, jumlah elektron foto yang terlepas bertambah. Ini menunjukkan bahwa : a. Bertambahnya intensitas menyebabkan bertambahnya jumlah foton b. Setiap satu foton akan melepaskan satu elektron foto c. Kuat arus yang mengalir akan bertambah 9. Jika beda potensial V yang dipasang tersebut di balik maka akan ada aliran elektron dari beda potensial tersebut yang berlawanan dengan arah elektron foto, sehingga dengan mengubah beda potensial pada suatu saat Energi Potensial listrik elektron akan sama dengan energi kinetik maximum elektron foto, sehingga berlaku : e.V E k. max e = muatan elektron ( - 1,6 x 10-19 C ) V = Beda potensial sumebr tegangan (volt) Ek max = Energi kinetik maximum elektron foto, yang besarnya : 1 .m.v 2 e.V Ek = ½.m.v2 2 Diperoleh : Dengan : 2.e.V m = massa elektron ( 9,1 x 10-31 kg) v m v = kecepatan elektron foto ( m/s ) Potensial yang menyebabkan elektron terhenti disebut “ Potensial Penghenti “ (V0) Pada Effek Foto Listrik menunjukkan bahwa Cahaya (GEM) tampil sebagai Partikel, hal ini dapat di buktikan : 1. Tidak semua frekuensi GEM dapat menghasilkan efek foto listrik 2. Bertambahnya intensitas menyebabkan bertambahnya foto elektron, bukan menambah energi kinetik foto elektron. 3. Jika frekuensi GEM di tambah jumlah elektron foto tetap, tetapi energi kinetik foto elektron bertambah. 4. Elektron foto yang terlepas dari logam berlangsung sangat cepat ( dalam orde 10-9 s). Jika cahaya sebagai gelombang selang waktu terlepasnya elektron harus lebih besar, karena energi GEM akan diserap terlebih dahulu sebelum untuk melepaskan elektron foto. 5. Grafik hubungan antara energi kinetik (Ek) denganf rekuensi cahaya berbentuk garis lurus seperti di bawah ini. Jika cahaya sebagai gelombang dengan energi sebanding dengan kuadrat amplitudo (E A2), grafiknya akan berbentuk parabola. Kemiringan grafik tersebut menunjukkan nilai dari konstanta Ek planck (h) Tg = h f0 f - h.f0 D. Effek Compton : Bukti cahaya sebagai partikel teruji kembali saat Compton menembakkan foton pada sebuah partikel (elektron) diam, ternyata elektron terpental dan bergerak dengan arah tertentu. Ini menunjukkan bahwa cahaya tampil sebagai partikel, karena hanya partikel yang dapat bertumbukkan dengan partikel. Besarnya momentum foton dinyatakan dengan menggunakan persamaan kesetaraan massa – Energi menurut Einstein, yang di hubungkan dengan persamaan Planck, sehingga diperoleh : P = momentum foton ( Kg.m.s-1) h.f m.c dengan m.c = P c = kecepatan cahaya (m/s) c f = frekuensi foton (Hz) sehingga : = panjang gelombang foton (m) h.f f 1 P dimana m = massa foton (kg) c c h = tetapan Planck ( 6,626 x 10-34 J.s) maka : h P Peristiwa terhamburnya / menyimpangan gerak elektron karena di tembak dengan foton ini dikenal dengan “ Effek Compton “. Dengan demikian energi foton yang di tembakkan sebagian akan di serap elektron untuk bergerak menjadi Energi Kinetik elektron, sehingga energi foton setelah tumbukan berkurang. Berlaku : arah foton terhambur E' h.c ' E = E’ + Ek h.c , sehingga : Arah foton semula h.c h.c 1 1 Ek ' atau E k h.c h.c E ' dengan Ek arah elektron terpental = panjang gelombang foton sebelum tumbukan ’ = panjang gelombang foton setelah tumbukan Ek = Energi kinetik elektron Hubungan antara panjang gelombang sebelum dan sesudah tumbukan diberikan : m0 = massa diam elektron ( 9,1 x 10-31 kg) h ' 1 Cos. c = kecepatan cahaya ( 3 x 108 m/s) m 0 .c = sudut hamburan Dengan E E. Teori de Broglie : Adanya sifat dualisme cahaya ini Louis de Broglie mengemukakan teorinya : “ Jika gelombang (cahaya) dapat menunjukkan gejala partikel, maka partikel (elektron) juga dapat menunjukkan sifat gelombang dengan panjang gelombang yang sesuai.” Panjang gelombang dari elektron (partikel) dinyatakan dari Momentum cahaya sebagai partikel m = massa partikel (kg) h h P sehingga v = kecepatan partikel (m/s) p = panjang gelombang de Broglie (m) dengan p = m.v ( momentum partikel), maka h = konstanta Planck h m.v Kebenaran Teori de Beroglie ini di uji oleh Davisson dan Germer, dengan cara : Menembakkan elektron (partikel) pada pelat sangat tipis dari nikel, ternyata di belakang pelat yang dipasang layar menunjukkan adanya gejala gelombang yaitu terjadi pola difraksi Ini membuktikan bahwa partikel (elektron) dapat menunjukkan sifat gelombang, dengan panjang gelombang sesuai dengan perkiraan de Broglie. Uji coba yang sama di lakukan oleh Imuwan lain seperti G.P Thomson dengan menembakkan elektron pada foil foil emas sangat tipis. Uji coba berikutnya dilakukan dengan menembakkan atom helium, hidrogen dan netron, dengan hasil yang sangat meyakinkan. Soal soal : 1. Lampu pijar dapat dianggap berbentuk bola. Jari jari kedua adalah 0,4 kali jari-jari lampu pertama dan suhu lampu pertama dan kedua masing-masing 9270C dan 12270 C. Maka nilai perbandingan antara daya kalor radiasi lampu pertama dengan lampu kedua .... 64 25 16 25 625 a. , b. c. d. e. 25 16 256 25 64 2. Sebuah benda hitam memiliki energi terpancar sebesar 1452 J/s.m2, jika benda tersebut memiliki suhu sebesar …. (Konstanta Bolztman = 5,672 x 10-8 watt/m2.K4 ) a. 400o C b. 373o C c. 273o C d. 127o C e. 27o C 3. Sebuah bintang memancarkan cahaya sehingga energi maximum dibawa oleh gelombang dengan frekuensi 8 x 1014 Hz. Suhu permukaan bintang tersebut diperkirakan sebesar …. ( C = 2,9 x 10-3 m.K). a. 7733,33 o K b. 6000 o K c. 5700 o K d. 5333,33 o K e. 4773 o K 4. Sebatang besi pada suhu 1270C memancarkan energi dengan laju 40 Watt. Pada suhu 3270C batang besi yang sama akan memancarkan energi dengan laju .... a. 81 Watt b. 102 watt c. 144 watt d. 203 watt e. 251 watt 5. Energi yang diradiasikan perdetik oleh benda hitam pada suhu T1 besarnya 16 kali energi yang diradiasikan perdetik pada suhu T0, maka T1 = .... a. 2.T0. b. 2,5.T0 c. 3.T0. d. 4.T0 e. 5.T0. 1 6. Logam tipis ukuran 1 cm x 5 cm, dipanaskan sampai 400 K, emisivitas logam = , tetapan Steffan7 Boltzmann= 5,6 x 10-8 Watt.m-2.K-4. Energi yang dipancarkan kepingan logam tiap menit adalah .... a. 12,288 J b. 6,144 J c. 3,072 J d. 0,102 J e. 0,205 J 7. Pada peristiwa effek foto listrik, makin besar intensitas cahaya penyinarannya, maka …. a. makin besar energi kinetik elektron foto b. kecepatan dan jumlah elektron foto berkurang c. makin besar kecepatan elektron foto d. makin banyak elektron foto yang terlepas e. energi yang terserap bahan makin besar 8. Energi foton suatu gelombang elektromagnetik tergantung pada …. a. Kecepatannya c. Intensitasnya e. Amplitudonya b. Suhunya d. Panjang gelombangnya 9. Cahaya ultraviolet yang dipergunakan untuk menyinari permukaan logam memiliki panjang gelombang 2.000 Angstrom. Elektron foto memiliki energi kinetiknya sebesar 5,21 eV, maka fungsi kerja logamnya ….(1 eV = 1,6 x 10-19 C.v (J)) a. 5 eV b.. 4 eV c. 3 eV d. 2 eV e. 1 eV 10. Pada peristiwa effek foto listrik : 1. hanya dapat diterangkan jika cahaya merupakan gelombang elektromagnetik diskontinu 2. dapat terjadi jika panjang gelombang cahaya yang digunakan lebih kecil dari panjang gelombang ambang. 3. Dapat terjadi jika cahaya yang digunakan memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi ambangnya 4. Dapat terjadi jika intensitas cahayanya sangat tinggi Pernyataan yang benar adalah …. a. 1 dan 3 b. 2 dan 4 c. 3 dan 4 d. 2 dan 3 e. semua benar 11. Dua keping logam diberikan beda potensial V. Elektron menumbuk anoda dengan kelajuan v. Bila massa diam elektron m, muatannya e, maka kelajuan elektron dapat dituliskan …. 2.e.v 4.e.v e.v 1 e.v e.v a. b. c. d. . e. 2. m m m 2 m m 12. Permukaan suatu logam saat disinari dengan cahaya dengan frekuensi f ternyata tidak menghasilkan effek foto listrik. Agar terjadi effek foto listrik,maka harus …. a. digunakan cahaya dengan intensitas yang lebih tinggi b. digunakan cahaya dengan intensitas lebih rendah c. digunakan cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek d. digunakan cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang e. digunakan cahaya dengan warna campuran 13. Sebuah effek foto listrik memiliki fungsi kerja logamnya 53 x 10-22 Joulle. Logam disinari dengan cahaya yang frekuensinya sebesar 12 x 1012 Hz. h = 6,625 x 10-34 J.s. Frekuensi ambang dari logam adalah …. a. 5 x 1012 Hz b. 6 x 1012 Hz c. 7 x 1012 Hz d. 8 x 1012 Hz e. 9 x 1012 Hz 14. Sebuah effek foto listrik memiliki fungsi kerja logamnya 53 x 10-22 Joulle. Logam disinari dengan cahaya yang frekuensinya 12 x 1012 Hz. h = 6,625 x 10-34 J.s. Energi kinetik foto elektron …. a. 22,5 x 10-22 J c. 24,5 x 10-22 J e. 26,5 x 10-22 J -22 -22 b. 23,5 x 10 J d. 25,5 x 10 J 15. Sebuah foton dari sinar–x dengan frekeunsi 3 x 1019 Hz, menumbuk elektron yang diam di udara sehingga foton terhambur dengan sudut 90o terhadap arah semula. Frekuensi foton setelah menumbuk elektron adalah …. h = 6,625 x 10-34 J.s dan me = 9 x 10-31 kg 19 a. 2,4 x 10 Hz c. 2,6 x 1019 Hz e. 2,8 x 1019 Hz 19 19 b. 2,5 x 10 Hz d. 2,7 x 10 Hz 16. Energi kinetik sebuah foto elektron sebesar 0,5 eV, dengan fungsi kerja logam 1,5 eV, maka panjang gelombang cahaya yang dipakai adalah …. a. 6,21 x 10-6 m c. 6,21 x 10-8 m e. 6,21 x 10-10 m -7 -9 b. 6,21 x 10 m d. 6,21 x 10 m 17. Energi Kinetik sebuah elektron foto adalah 2 eV, maka elektron foto ini dapat dihentikan oleh beda potensial sebesar …. a. 2 volt b. 2,5 volt c. 3 volt d. 4 volt e. 6 volt 18. Sebuah elektron bergerak dengan kecepatan sebesar 13,25 x 106 m/s. akan memiliki panjang gelombang sebesar …. h = 6,625 x 10-34 J.s dan me = 9 x 10-31 kg a. 1/9 Angstrom c. 3/9 Angstrom e. 5/9 Angstrom b. 2/9 Angstrom d. 4/9 Angstrom 19. Sebuah mikroskop elektron akan dipakai untuk mengamati atom-atom suatu unsur yang satu sama lain berjarak 1 Angstrom. Untuk itu dipergunakan dipergunakan berkas elektron yang mempunyai beda potensial antara katoda dan anodanya sebesar …. a. 500 volt b. 400 volt c. 300 volt d. 200 volt e. 100 volt 20. Panjang gelombang de Broglie dari sebuah elektron dengan kecepatan 0,3.c adalah …. (c = 3 x 108 m/s dan me = 9 x 10-31 kg) a. 0,02 Angstrom c. 0,06 Angstrom e. 0,09 Angstrom b. 0,04 Angstrom d. 0,08 Angstrom 21. Suhu permukaan suatu benda 483 K. Jika tetapan Wien 2,898 x 10-3 m.K, maka panjang gelombang radiasi pada intensitas maximum yang dipancarkan oleh permukaan benda itu adalah .... a. 6 x 102 Angstrom c. 6 x 104 Angstrom e. 6 x 106 Angstrom b. 6 x 103 Angstrom d. 6 x 105 Angstrom 22. Suhu permukaan matahari adalah 5800 K dan puncak panjang gelombang dalam radiasinya adalah 500 nm. Suhu permukaan dari sebuah bintang jauh dimana puncak panjang gelombangnya adalah 475 nm adalah …. a. 5510 K b. 5626 K c. 6105 K d. 6350 K e. 6500 K 23. Elektron di dalam tabung sinar-x diberi beda potensial 10,0 kilovolt. Jika sebuah elektron menghasilkan satu foton pada saat elektron menumbuk logam target, panjang gelombang minimum yang dihasilkan tabung tersebut dalam nm …. (h = 6,6 x 10-34 J.s) a. 0,0124 b. 0,124 c. 1,24 d. 12,4 e. 124 24. Mengubah intensitas cahaya yang menyinari sebuah permukaan pemancar elektron berarti kita .... a. mengubah beda potensial yang diperlukan untuk mengurangi arus menjadi nol b. mengubah fungsi kerja dari permukaan c. mengubah frekuensi minimum di mana elektron dipancarkan d. mengubah arus yang melalui sel e. mengubah kelajuan elektron –elektron. 25. Jika frekuensi cahaya pada peristiwa effek foto listrik diperbesar, maka akan terjadi …. a. makin besar arus listrik yang mengalir b. makin besar energi yang diserap logam c. makin kecil kecepatan elektron foto d. makin kecil energi yang diserap logam e. makin besar energi kinetik elektron foto ***** Jangan engkau remehkan pekerjaan kecil, ***** ***** jika engkau tidak mau dianggap terlalu kecil untuk pekerjaan yang besar ***** : = 1 A = 10-10 m h = 6,6 x 10-34 J.s Hitung : V ..... ? Potensial Jawab : h 2.e.V dan v m.v m Jika digabungkan diperoleh : h2 dan nilai V nya adalah : 2 m.2.e.V 19. Diket V h2 m.2.e.2 6,6.10 34 2 V 31 19 9,1.10 .2.1,6.10 . 10 10 2 43,56 x10 2 1,5 x 10 2 150 Volt 29,12 : V = 10 kVolt = 104 Volt h = 6,6 x 10-34 J.s c = 3 x 108 m.s-1 Hitung : = ... ? Jawab : Energi foton sama dengan energi potensial listrik h.f = e.V h.c h.c e.V maka e.V 34 8 6,6 .10 .3.10 19,8 x1011 12,4 x1011 1,24 x1010 1,24 Angstrom 19 4 1,6.10 .10 1,6 23. Diket 24.