Materi Fisika SMA – Konsep Fisika Kuantum

AhmadDahlan.Net – Fisika merupakan Ilmu yang mempengaruhi tentang gejala alam dan lingkungan sekitarnya. Ilmu Fisika sendiri saat ini sudah melalui banyak perkembangan. Sekitar abad ke 16 Fisika Klasik mulai muncul. Pemahaman klasik ini bertahan hingga abad ke 19. Pada akhir abad ke 19 ditemukan beberapa fenomena yang tidak bisa dijelaskan melalui fisika klasik. Hal ini kemudian menjadi pemicu perkembangan konsep Fisika Modern. Berikut adalah pembahasan mengenai teori Kuantum yang menjadi dasar pengembangan Fisika Modern.

A. Awal Munculnya Konsep Kuantum

Fisika Klasik menganggap cahaya sebagai sebuah gelombang. Pada akhir abad ke -19, para fisikawan menghadapi masalah yang tidak dapat di selesaikan menggunakan pemahaman Fisika Klasik. Masalah yang paling menonjol yang dihadapi para fisikawan adalah :

1. Perhitungan mengenai intensitas cahaya pada panjang gelombang tertentu pada rongga yang di panaskan (benda hitam)
2. Penjelasan mengenai emisi elektron ketika sebuah logam dikenakan cahaya yang memiliki frekuensi tinggi (Efek Fotolistrik)
3. Penjelasan mengenai spektrum garis yang dipancarkan oleh unsur gas

Permasalahan tersebut tidak dapat di jelaskan apabila kita mengikuti pemahaman Fisika Klasik mengenai cahaya. Sehingga, dibutuhkan pemahaman baru mengenai sifat cahaya. Hal ini kemudian mendorong ke perkembangan konsep Fisika mengenai sifat cahaya yang berbentuk partikel (kuanta), atau biasa disebut dengan Teori Kuantum Cahaya.

B. Gejala Kuantum

1. Radiasi Benda Hitam

Benda hitam di definisikan sebagai sebuah benda yang dapat menyerap radiasi elektromagnetik yang diberikan kepadanya. Benda hitam ideal di gambarkan sebagai rongga hitam yang memiliki lubang kecil. Sehingga, cahaya yang masuk melalui lubang tersebut, akan di pantulkan dan di serap di dalam rongga.

Gustav Kirchoff pada tahun 1859 menyatakan bahwa untuk setiap benda yang berada dalam kesetimbangan termal dengan radiasi yang diberikan, akan menyerap daya yang sebanding dengan daya yang di pancarkannya.

a. Hukum Stefan – Boltzman

Hukum Stefan – Boltzman menyatakan bahwa jumlah energi yang di pancarkan per satuan luas permukaan sebuah benda hitam berbanding lurus dengan pangkat empat dari suhu termodinamiknya. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :

\frac{P}{A}=e\sigma T^4

I_{total}=e\sigma T^4

dengan,
P : daya radiasi (watt)
A : luas permukaan benda (m²)
I : intensitas radiasi
e : emisivitas benda
σ : konstanta Stefan – Boltzmann (5,670 x 10^-8 Wm^-2K^-4)
T : suhu benda (K)

b. Hukum Pergeseran Wien

Hubungan antara panjang gelombang dengan suhu mutlak benda hitam, dinyatakan sebagai berikut :

\lambda_{max}\ .\ T=C

dengan,
λ_max : panjang gelombang yang membawa energi maksimum
T : suhu benda (K)
C : konstanta Wien (2,898 x 10^-3 mK)

Persamaan di atas disebut dengan Hukum Pergeseran Wien. Pergeseran yang dimaksud pada hukum ini, adalah pergeseran panjang gelombang maksimum spekturm apabila suhu benda berbeda. Perhatikan grafik berikut :

Terlihat dari grafik di atas, semakin tinggi suhu dari benda maka panjang gelombang maksimum spekturm cahaya juga semakin pendek.

c. Teori Rayleigh – Jeans

Menggunakan pemahaman Klasik, Rayleigh dan Jeans kemudian melakukan perhitungan mengenai fungsi distribusi spektrum P(λ,T). Perhitungan tersebut kemudian di sebut dengan Hukum Rayleigh – Jeans dan dituliskan sebagai berikut :

P(\lambda , T)=8\pi kT\lambda ^{-4}

dengan k merupakan konstanta Boltzman. Hasil perhitungan yang di peroleh sudah sesuai untuk panjang gelombang yang panjang, tetapi terdapat ketidak sesuaian pada perhitungan untuk panjang gelombang yang pendek.

d. Teori Planck

Max Planck dalam menjelaskan mengenai radiasi benda hitam, berpendapat bahwa energi radiasi yang di pancarkan oleh benda hitam bersifat diskontinu. Diskontinu berarti pancaran radiasi nya berbentuk paket – paket energi yang di sebut dengan kuanta cahya. Secara matematis, energi dari kuanta cahaya tersebut di tuliskan sebagai :

E=nhf

dengan,
E : energi radiasi
n : bilangan kuantum (1, 2, 3, …)
h : konstanta Planck (6,63 x 10^-34 JS)
f : frekuensi cahaya

2. Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik adalah peristiwa pelepasan elektron dari sebuah plat logam ketika disinari dengan cahaya. Efek ini pertama kali ditemukan oleh Heinrich Hertz (1887) dan kemudian dijelaskan oleh Einsten pada tahun 1905. Berikut persamaan umum mengenai efek fotolistrik.

1. Energi Foton

Foton merupakan energi cahaya yang datang dalam bentuk paket energi. Adapun persamaan umum untuk menghtung energi foton pada efek fotolistrik adalah :

E=hf

2. Energi Ambang (fungsi kerja logam)

Energi ambang merupakan energi minimum foton yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari plat logam. Secara umum persamaan nya sebagai berikut :

E_0=hf_0

atau

E_0=Φ

3. Energi Kinetik Elektron

Energi kinetik elektron merupakan energi yang dibutuhkan elektron untuk bergerak. Persamaan yang digunakan untuk menghitung energi kinetik adalah :

E_k=E-E_0

E_k=hf-hf_0

selain itu, energi kinetik elektron juga dapat dihitung menggunakan persamaan :

E_k=eV_s

Keterangan,
E : energi foton (J)
h : konstanta Plank (6,63 x 10^-34 Js)
f : frekuensi cahaya (Hz)
E₀ : energi ambang elektron (J)
f₀ : frekuensi ambang elektron (Hz)
Φ : energi ambang atau fungsi kerja logam
E_k : besar energi kinetik elektron
e : besar muatan elektron
V_s : tegangan stop

Bacalah artikel berikut untuk lebih memaham mengenai Efek Fotolistrik.

3. Efek Compton

Efek Compton merupakan peristiwa terhamburnya sinar X atau foton ketika menabrak atau di tembakkan elektron. Efek Compton ini pertama kali ditemukan oleh Compton (1992) yang menembakkan sinar X menuju ke sebuah elektron yang diam. Sinar X yang di tembakkan menuju elektron, membuat foton jadi terhambur. Seperti pada gambar berikut :

Berdasarkan konsep Fisika Klasik, panjang gelombang yang datang sama dengan panjang gelombang setelah ditembakkan. Hal ini tidak sesuai dengan hasil dari Compton yang menemukan panjang gelombang setelah sinar X ditembakkan lebih panjang daripada panjang gelombang sebelum ditembakkan.

Oleh karena itu, Compton menggunakan konsep kuantum dan menganggap bahwa sinar X yang ditembakkan dianggap sebagai gelombang elektromagnetik yang berbentuk materi.

Persamaan umum untuk Efek Compton adalah :

\Delta\lambda=\lambda'-\lambda=\frac{h}{m_0c}(1-\cos\theta)

Keterangan,
λ‘ : panjang gelombang sinar setalah tumbukan
λ : panjang gelombang sinar sebelum tumbukan
h : konstanta Plank (6,63 x 10^-34 Js)
m₀ : massa elektron diam (9,1 x 10^-31 kg)
c : kecepatan cahaya (3 x 10⁸ m/s)

C. Contoh Soal

Suatu benda memancarkan radiasi pada suhu 727 ^oC. Tentukan berapa panjang gelombang yang membawa energi radiasi maksimum? (2,898 x 10^-3 mK)

Pembahasan

Dik :
T = 727 ^oC
C = 2,898 x 10^-3 mK

Dit :
λ_max = ?

Pembahasan :
1. Konversi suhu ke satuan Kelvin

T=727\ ^0C =727+273\ K=1000\ K

2. Mencari panjang gelombang maksimum menggunakan Hukum Pergeseran Wienn

\lambda_{max}\ .\ T=C

\lambda_{max}\ .\ 1000\ K=2,898\ .\ 10^{-3}\ mK

\lambda_{max}=\frac{2,898\ .\ 10^{-3}\ mK}{\ 1000\ K}

\lambda_{max}=2,898\ . \ 10^{-6}\ m

Jadi, panjang gelombang maksimum yang membawa energi maksimum radiasi adalah 2,898 x 10^-6 m