Fisika (Edisi 5)

KELOMPOK 1
EVALINA HUTABARAT 3215086793
TIO LEONARDY MURIZA 3215086796
YADITH KUSHUMAWARDANI 3215086797
PASKALIS EGOR 3215086804
AGNES NOVITA SARI 3215086811
G166 Teknik Fisika
Fisika Kuantum
Ditetapkan Teks:
ReferensiTeks:
Dipersiapkan oleh:
Fisika untuk Ilmuwan dan
Insinyur dengan Fisika
Modern (Edisi 5)
R. A. Serway & R. Beichner J.
Dasar-dasar Fisika
(Extended) (Edisi 6)
D. Halliday, R. Resnick & J.Walker
Fisika (Edisi 5)
D. C. Giancoli
Assoc. Prof Tjin Swee Chuan
Pengantar
• Mekanika newton dan persamaan Maxwell tentang
elektromagnet merupakan inti dari fisika klasik.
• Aplikasi fisika klasik merrupakan hal penting dalam
perkembangan teknologi peradaban modern.
• Ada banyak masalah di fisika klasik yang tidak bisa memberikan
jawaban teoritis, misalnya radiasi benda hitam, efek fotolistrik
dan emisi spektrum tajam baris dari atom.
• Revolusi baru dalam fisika terjadi di awal 1900 ⇒ teori
fisika kuantum telah berkembang.
• Fisika kuantum adalah sebuah studi tentang dunia mikroskopis.
Fisika kuantum merupakan jawaban pertanyaan
yang fundamental bagi kehidupan:
→ Mengapa bintang bersinar?
→ Mengapa unsur-unsur menunjukkan urutan yang begitu jelas di
tabel periodik?
→ Bagaimana transistor dan mikroelektronik lain dapat bekerja
pada perangkat?
→ Mengapa tembaga dapat menghantarkan listrik tapi gelas tidak?
→ Apakah yang menentukan sifat bahan?
→ Mengapa bahan kimia tertentu lebih reaktif dari yang lain?
• Fisika kuantum menjelaskan perilaku atom, molekul
dan inti pada skala atom.
Radiasi Benda Hitam
• Semua benda pada suhu T > 0 K memancarkan radiasi termal.
• Sebuah objek yang menyerap semua radiasi permukaan disebut
benda hitam.
• Benda hitam juga merupakan emitor sempurna dimana objek
dalam kesetimbangan termal, memancarkan energi sebanyak
energi yang diserap.
• Sebuah pendekatan yang baik mengenai benda hitam adalah
sebuah lubang yang mengarah ke bagian dalam benda berongga.
Gambar 1: Pembukaan rongga dalam
sebuah objek hampa adalah
pendekatan yang baik dari
sebuah benda hitam.
• Sifat dari radiasi melalui rongga tergantung hanya pada suhu
dinding rongga dan bukan pada bahan dindingnya.
Gambar 2: Intensitas benda hitam
terhadap radiasi
panjang gelombang
(spektrum cahaya) pada
tiga suhu. Perhatikan
bahwa jumlah radiasi
yang dipancarkan (Area
di bawah kurva)
meningkat dengan
meningkatnya
suhu.
• Tiga hal yang saling terkait dengan radiasi pada benda
berongga bahwa teori apapun yang terkait tentang radiasi
benda berongga harus menjelaskan.
1. Spektrum seri, R (λ, T)
• Spektrum seri R (λ, T) memberitahu kita bagaimana
intensitas rongga radiasi bervariasi dengan panjang
gelombang untuk diberikan suhu (Gbr. 1).
• R (λ, T) dλ memberikan daya radiasi per satuan luas
yang terletak di panjang gelombang dari λ untuk λ + dλ.
• Radiant intensitas I (T) untuk suhu apapun (luas area di

bawah kurva)
I (T )   R( , T )d
(1)
0
• Radiant intensitas (luas area di bawah kurva) meningkat
untuk T meningkatkan - Hukum Stefan-Boltzmann.
2. Hukum Stefan-Boltzmann
• Daya total radiasi per satuan luas (luas area di bawah kurva)
dari celah rongga, dijumlahkan atas seluruh panjang
gelombang, disebut sebagai intensitas cahaya I (T), berkaitan
dengan suhu dengan
I (T )  T 4
  (5,670 10-8 W
(2)
m2 K 4
) konstanta - Stefan - Boltzmann
• Objek Biasa memancarkan kurang efisien dan persamaan
menjadi
I (T )  T 4
(3)
ε adalah emmisivity dari bahan permukaan (= 1 untuk
rongga
radiator).
3. Wien's Pemindahan Hukum
Gambar 3: Panjang gelombang
λmax dari puncak
kurva bergeser ke
lebih pendek panjang
gelombang pada
suhu yang lebih
tinggi dari λmax
• Dari sinar kurva spektrum ⇒ meningkat λmax sebagai T
meningkat.
max T  2.898 10 3 m.K
(4)
• Wilhelm Wien menyimpulkan bahwa λmax bervariasi sebagai 1
/ T dan λmaxT adalah tetapan umum ⇒ Hukum Pemindahan
Wien.
• Masalah utama yang dihadapi para ilmuwan di tahun 1890-an adalah
untuk menjelaskan radiasi benda hitam
• Pada tahun 1900, Rayleigh dan James Jeans mengembangkan formula
berdasarkan pada model klasik, dengan asumsi bahwa atom
osilator harmonik yang memancarkan gelombang elektromagnetik
sama dengan panjang gelombang.
2ck T
RRJ ( , T ) 

4
B
(5)
• Formula Rayleigh-Jeans cocok dengan kurva baik pada panjang
gelombang yang panjang (> 50 pM) tapi benar-benar gagal pada
panjang gelombang yang pendek ( R ( , T )   sebagai   0).
• Wilheim Wien juga mengungkapkan teori untuk spektrum cahaya
berdasarkan sebuah dugaan ("menebak")
RJ
RW ( , T ) 
a
e
b
T

a dan b adalah konstanta empiris dipilih untuk memberikan
kesesuaian terbaik dengan eksperiment data.
• FormulaWein cocok dengan kurva baik pada panjang
gelombang pendek tapi terlihat pada panjang gelombang
lagi.
5
Gambar 2: Perbandingan teori
Wein dan teori
Rayleigh-Jean dari
teori Planck, yang
erat dengan
eksperiment data.
(6)
• Pada tahun 1900, Max Planck, berusaha untuk menyamakan
kedua teori, dibuat sebuah interpolasi terinspirasi yang sesuai
dengan data di semua panjang gelombang.
a
1
R( , T )  5 b
(7)
 e T  1
• Kedua konstanta disetel kemudian digantikan oleh dua lainnya
konstanta: kB (Boltzmann Constant) dan h baru (Planck
Konstan).
R ( , T ) 
2c 2 h

1
hc
5
e
k B  1.3811023 J
k BT
K
,
(8)
1
h  6.626 1034 J .s
Asumsi Planck
1. Molekul hanya dapat memiliki nilai diskrit energi En,
diberikan oleh
En  nhf
n  0,1,2,3,...
(9)
n disebut bilangan kuantum dan f adalah frekuensi alami
osilasi dari molekul.
⇒ energi terkuantisasi.
Gambar 5: tingkat energi yang
diperbolehkan untuk
molekul yang berosilasi
dengan frekuensi alami f.
2. Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi dalam
paket diskrit (disebut foton) dengan melompat dari satu
keadaan kuantum yang lain.
Transisi ke bawah ⇒ memancarkan energi.
Transisi ke atas ⇒ menyerap energi.
Energi satu foton
E  hf
(10)
Gambar 6: Sebuah representasi
foton. Foton Masingmasing memiliki diskrit
energi hf.
• Poin kunci dalam teori Planck adalah asumsi terkuantisasi
energi.
• Kebanyakan ilmuwan (termasuk Planck) tidak
mempertimbangkan konsep kuantum harus realistis.
• Perkembangan selanjutnya menunjukkan bahwa teori harus
digunakan untuk menjelaskan fenomena lain di tingkat atom.
• Teori klasik adalah kasus membatasi teori kuantum dan yang
dihubungkan oleh dua prinsip korespondensi:
Teori Quantum harus sesuai dengan teori klasik dalam batas teori
klasik yang diketahui sesuai dengan percobaan.
atau
Teori Quantum harus sesuai dengan teori klasik dalam batas
besar kuantum angka.
• Untuk mengetahui apakah kita berada dalam situasi klasik atau
kuantum, kita harus membandingkan kbT (dari perubahan
energi partikel pada suhu T) dengan hf.
• Jika hf << kbT, graininess tidak akan melihat ⇒ di klasik
alam.
Efek fotolistrik
• Di akhir abad ke-19, percobaan menunjukkan bahwa
peristiwa cahaya pada permukaan logam tertentu akan
menyebabkan elektron dipancarkan dari permukaan.
• Fenomena ini disebut efek fotolistrik dan elektron yang
dipancarkan adalah foto elektron.
Gambar 7: Sebuah alat yang
digunakan untuk
mempelajari efek
fotolistrik.
• Ketika cahaya monokromatik dengan panjang gelombang yang
sesuai bersinar pada T target, i saat terdeteksi oleh biaya
ammeter → mengalir di antara celah T dan C.
• Untuk V besar, saat mencapai nilai maksimum.
• ini meningkat sejalan dengan meningkatkan intensitas cahaya.
Gambar 8: arus fotolistrik
terhadap beda
potensial
diterapkan
untuk dua intensitas
cahaya.
• Bila V adalah negatif, saat ini menurun → foto elektron
ditolak oleh potensial negatif dari C.
• Ketika V <VS, tidak ada arus → VS adalah potensial berhenti.
• VS tidak tergantung pada intensitas radiasi dan kinetik
maksimum energi foto elektron adalah
K max  eV s
(11)
• Beberapa fitur efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan
dengan fisika klasik atau dengan teori gelombang.
1. Tidak ada elektron yang dipancarkan jika frekuensi cahaya
jatuh di bawah frekuensi f0 , yang merupakan karakteristik
dari material.
• harusnya, efek harus terjadi pada frekuensi apa pun yang
disediakan dengan intensitas cukup tinggi.
Gambar 9: potensial akhirVstop
sebagai fungsi frekuensi
f kejadian cahaya untuk
target natrium.
2. energi kinetik maksimum Kmax = eVS tidak tergantung
intensitas cahaya.
* harusnya Kmax harus tergantung pada intensitas.
Gambar 10: arus fotolistrik
terhadap beda
potensial
diterapkan
untuk dua
intensitas cahaya.
Pertanyaan
Apakah kegagalan Rayleigh-Jeans dalam menjelaskan
spektrum radiasi benda hitam disebabkan oleh kesalahannya
dalam menerapkan teori-teori yang ada?
2. Sistem fisis yang bagaimana yang tunduk pada postulat
Planck? Besaran apa (yang dimiliki sistem tadi) yang harus
terkuantumkan?
3. Jika ada benda yang bertemperatur 0 K, apakah benda
tersebut meradiasi?
1.