8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 1/16

Gejala-gejala kuantum

Benda hitamDalam fisika, benda hitam (bahasa Inggris black body ) adalah obyek yang

menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yangdapat keluar atau dipantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik,secarateori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi yangmungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.

Meskipun namanya benda hitam, dia tidaklah harus benar benar hitam karena dia juga memancarkan energi. !umlah dan jenis radiasi elektromagnetik yangdipancarkannya bergantung pada suhu benda hitam tersebut. "enda hitam dengan suhudi ba#ah sekitar $%% &el'in hampir semua energinya dipancarkan dalam bentukgelombanginframerah , sangat sedikit dalam panjang gelombang tampak. emakin

tinggi temperatur , semakin banyak energi yang dipancarkan dalam panjang gelombangtampak dimulai dari merah, jingga, kuning dan putih.Istilah benda hitam pertama kali diperkenalkan oleh *usta' +obert

&irchhoffpada tahun - / . 0ahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasibenda hitam

Radiasi Benda HitamTeori kuantum dia#ali oleh fenomena radiasi benda hitam . Istilah “benda

hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun - /.

Dalam 1isika,benda hitam (atau blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampumenyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. +adiasi termal yang diserap akandipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik , sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya . 2ntuk 3atpadat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupaspektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam 1isika klasik , benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energidari benda tersebut dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruhterhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di ba#ah $%% &el'in dapat memancarkan hampir semua energi termaldalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak . !adi, semakin tinggi suhu benda hitam , semakin banyak energi yang dapatdipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah , jingga , kuning hingga putih .

Meskipun namanyabenda hitam , objek tersebut tidak harus selalu ber#arnahitam. ebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga #arnanya bisa

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 2/16

lebih terang, #alaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya.edangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan

jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya.Dalam percobaan 1isika sederhana, benda atau objek yang paling mirip radiasi

benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Denganmengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk, makaselama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang,cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga berulang kaliserta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan kembali sebagairadiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga. 4ubang pada rongga inilah

yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam . Temperatur dari benda itu akanterus naik apabila laju penyerapan energinya lebih besar dari laju pancarannya, sehinggapada akhirnya benda hitam itu mencapai temperatur kesetimbangan. &eadaan inidinamakam dengansetimbang termal (setimbang termodinamik) .

spektrum radiasi benda hitam berupa spektrum kontinu dengan tingkat kebersinaran (intensitas radiasi) dari masing masing spektral tidak sama kuat. 5adasuhu tertentu, intensitas cahaya yang diradiasikan akan terus bertambah hinggamencapai maksimum pada panjang gelombang tertentu.

hubungan empiris sederhana antara panjang gelombang yang dipancarkan untukintensitas maksimum (l m ) dengan suhu mutlak (T ) sebuah benda yang dikenalsebagaihukum pergeseran ien , yaitu 6

dengan 0 7 konstanta 8ien (/,-99 : % ; m&)Tahun -$9, seorang ahli fisika <ustria, !osef "tefan membuktikan bah#a

intensitas radiasi total (5=<) oleh suatu benda hitam panas adalah sebanding denganpangkat empat dari suhu mutlaknya. "entuk persamaan empirisnya adalah sebagaiberikut6

5 adalah daya radiasi (#att 7 8), < adalah luas permukaan benda, T adalah suhu mutlakbenda, σ 7 >, $ : % - 8 m ; & ?

Teori elektromagnetik klasik maupunmekanika statistik tidak dapat menjelaskanspektrum yang teramati pada radiasi benda hitam . Teori tersebut hanya dapatmemprediksi intensitas yang tinggi dari panjang gelombang rendah atau dikenal

sebagai bencana ultraungu . Namun kemudian,#a$ %lanck berhasil memecahkan masalahini. #a$ %lanck menjelaskan bah#a radiasi elektromagnetik hanya dapat merambatdalam bentuk paket&paket energi atau kuanta yang dinamakanfoton . *agasan 5lanckini kemudian berkembang menjadi teori baru dalam fisika yang disebut Teori Kuantum .Dengan teori ini, kemudian 'instein berhasil menjelaskan peristi#a yang dikenal dengannama efek foto listrik , yakni pemancaran elekton dari permukaan logam karena logam

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 3/16

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 4/16

'fek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam)ketika dikenai, dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahayatampakdan radiasi ultraungu) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada

jenis permukaan. Istilah lama untuk efek fotolistrik adalah efek (ert) (yangsaat ini tidak digunakan lagi). @ert3 mengamati dan kemudian menunjukkanbah#a elektroda diterangi dengan sinar ultra'iolet menciptakan bunga api listriklebih mudah.

Afek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa electron'oltssampai lebih dari MeB unsur yang nomor atomnya tinggi. tudi efek fotolistrikmenyebabkan langkah langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya,elektron dan mempengaruhi pembentukan konsep Dualitas gelombang partikel.fenomena di mana cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efekfotokonduktif (juga dikenal sebagai fotokondukti'itas atau photoresisti'ity ),efek foto'oltaik , dan efek fotoelektrokimia .

MEKANISME EMISI

1oton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensicahaya. Dalam proses photoemission, jika elektron dalam beberapa bahanmenyerap energi dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyakenergi daripada fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan.!ika energi foton terlalu rendah, elektron tidak bisa keluar dari materi.5eningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya,

dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron, tetapi tidak meningkatkanenergi setiap elektron yang dimemiliki. Anergi dari elektron yang dipancarkantidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energiatau frekuensi foton indi'idual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektronterluar.

Alektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari, tetapi mereka biasanyamengikuti prinsip semua atau tidak . emua energi dari satu foton harusdiserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari atom yangmengikat, atau energi dipancarkan kembali. !ika energi foton diserap, sebagianenergi membebaskan elektron dari atom, dan sisanya dikontribusi untuk energi

kinetik elektron sebagai partikel bebas.Tidak ada elektron yang dilepaskan oleh radiasi di ba#ah frekuensi ambang, karena

elektron tidak mendapatkan energi yang cukup untuk mengatasi ikatan atom.Alektron yang dipancarkan biasanya disebut fotoelektron dalam banyak bukupelajaran.

Afek fotolistrik banyak membantu penduaan gelombang partikel, dimana sistemfisika (seperti foton dalam kasus ini) dapat menunjukkan kedua sifat dan

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 5/16

kelakuan seperti gelombang dan seperti partikel, sebuah konsep yang banyakdigunakan oleh pencipta mekanika kuantum. Afek fotolistrik dijelaskan secaramatematis oleh <lbert Ainstein yang memperluas kuanta yang dikembangkanoleh Ma: 5lanck.

@ukum emisi fotolistrik61. Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektro yang dikeluarkanberbanding lurus dengan intensitas cahaya yg digunakan.

2. Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi. di bawahfrekuensi ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan.

3. Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkanfotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantungpada frekuensi cahaya.

4. Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangatkecil, kurang dari ! "#detik.

'fek *otolistrik&etika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari

permukaan logam. *ejala ini disebut efek fotolistrik. Afek fotolistrik diamatimelalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis)

yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung keduapelat ini dihubungkan satu sama lain dengan ka#at. Mula mula tidak ada arus yangmengalir karena kedua plat terpisah. &etika cahaya yang sesuai dikenakan kepadasalah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada ka#at. Ini terjadi akibat adanyaelektron elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara

bersama sama membentuk arus listrik.@asil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta

yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. &arakteristik itu adalahsebagai berikut.1. hanya cahaya yang sesuai $yang memiliki frekuensi yang lebih besardari frekuensi tertentu saja% yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelatlogam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik $yang ditandai denganterdeteksinya arus listrik pada kawat%. &rekuensi tertentu dari cahaya dimanaelektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam.&rekuensi ini berbeda"beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristikdari logam itu.

2. ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik,penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlahelektron yang terlepas dari pelat logam $yang ditandai dengan arus listrikyang bertambah besar%. 'etapi, (fek fotolistrik tidak terjadi untuk cahayadengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitascahaya diperbesar.

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 6/16

3. ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaiankawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. )niberarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaanlogam setelah logam disinari cahaya.

&arakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teorigelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimanacahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinumelainkan cahaya sebagai partikel.

5erangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersediamelalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh 5lanckdan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam.&onsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Ainstein untuk menjelaskanterjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi

yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakansebagai A 7 hf .

&onsep penting yang dikemukakan Ainstein sebagai latar belakang terjadinya efekfotolistrik adalah bah#a satu elektron menyerap satu kuantum energi. atukuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam danuntuk bergerak ke pelat logam yang lain. @al ini dapat dituliskan sebagai

Anergi cahaya 7 Anergi ambang C Anergi kinetik maksimum elektronA 7 8 % CA km

hf 7 hf % CA km

A km 7 hf hf %5ersamaan ini disebut

persamaan efek fotolistrik 'instein. 5erlu diperhatikan

bah#a 8 % adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f % adalahfrekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan,dan A km adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam danbergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek fotolistrikdapat ditulis sebagai

Dimanam adalah massa elektron dan ' e adalah dan kecepatan elektron. atuanenergi dalam I adalah joule (!) dan frekuensi adalah hert3 (@3). Tetapi, fungsikerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron 'olt (eB) sehingga perludiingat bah#a eB 7 , E %F 9 !.

%otensial %enghenti*erakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik

dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. !ikapada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritasterbalik (kutub positif sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnyaelektron dan kutub negatif sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 7/16

satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadinol.

<rus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas daripermukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkanelektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebuttegangan atau potensial penghenti ( stopping potential ). !ika B % adalah potensialpenghenti, maka

A km 7 eB %5ersamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. 5erlu diperhatikan

bah#a e adalah muatan elektron yang besarnya , E %F 9 0 dan tegangandinyatakan dalam satuan 'olt (B).

+plikasi 'fek fotolistrikAfek fotolistrik merupakan prinsip dasar dari berbagai piranti fotonik ( photonic

de'ice ) seperti lampu 4AD (light emitting de'ice ) dan piranti detektor cahaya

(photo detector ).

'fek comptonmassa diam elektron, c adalah 5ada efek fotolistrik, cahaya dapat dipandang sebagaikuantum energi dengan energi yang diskrit. &uantum energi tidak dapat digambarkansebagai gelombang tetapi lebih mendekati bentuk partikel. 5artikel cahaya dalambentuk kuantum dikenal dengan sebutan foton. 5andangan cahaya sebagai fotondiperkuat lagi melalui gejala yang dikenal sebagai efek Compton .!ika seberkas sinar G ditembakkan ke sebuah elektron bebas yang diam, sinar G akanmengalami perubahan panjang gelombang dimana panjang gelombang sinar G menjadilebih besar. *ejala ini dikenal sebagai efek Compton , sesuai dengan nama penemunya,

yaitu <rthur @olly 0ompton.inar G digambarkan sebagai foton yang bertumbukan dengan elektron (seperti halnya

dua bola bilyar yang bertumbukan). Alektron bebas yang diam menyerap sebagian energifoton sehingga bergerak ke arah membentuk sudut terhadap arah foton mula mula.1oton yang menumbuk elektron pun terhambur dengan sudut θ terhadap arah semula danpanjang gelombangnya menjadi lebih besar. 5erubahan panjang gelombang foton setelahterhambur dinyatakan sebagai

Dimanam adalah kecepatan cahaya, dan h adalah konstanta 5lanck.

Penyebaran Compton5enyebaran 0ompton adalah suatu efek yang merupakan bagian interaksi sebuahpenyinaran terhadap suatu materi. Afek 0ompton adalah salah satu dari ; proses yang

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 8/16

melemahkan energi suatu sinar ionisasi. "ila suatu sinar jatuh pada permukaan suatumateri sebagian daripada energinya akan diberikan kepada materi tersebut, sedangkansinar itu sendiri akan di sebarkan. ebagai contoh 6 Alement dalam sistem periodikdengan nomer atom yang besar seperti timbal akan meyerap energi sinar ionisasi efekfotoelektrik , sedangkan element yang bernomer atom kecil akan menyebarkan sinarionisasi tersebut. 5enyebaran sinar +ontgen pada dasarnya lebih kuat darisinar cahaya yang dapat dilihat polychromatik. "ahkan sinar rontgen normal padaperjalanannya di udara mengalami penyebaran, ini juga yang menjadi sumber bahaya

yang serius di dalam penggunaan sinar rontgen di kedokteran tanpa pakaian khusus.5ada penyebaran secara normal energi sinar rontgen tidak berubah, yang berubahadalah arah begeraknya.Apabila foton dianggap sebagai suatu zarah, bagaimanakah diperoleh momentum linearnya?

Berpijak dari teori kuantum instein, bah!a energi foton bergantung pada frekuensi radiasi

sebagai berikut "

# h$ %&.1'

nergi relati$istik total suatu zarah yang bergerak dengan ke(epatan $ adalah "

)arena ke(epatan foton adalah (, dan

energinya maka m * harus sama dengan nol. +adi foton harus dianggap sebagai zarah

dengan massa diam sama dengan nol. nerginya hanya energi kinetik saja, sehingga ungkapan

umum untuk energi total adalah "

untuk sebuah foton diperoleh "

# p( %&. '

dari ungkapan tersebut diperoleh "

-ubungan ini dipergunakan untuk menelaah tumbukan antara foton dengan elektron.

injau sebuah foton sinar / yang melakukan tumbukan dengan sebuah elektron dari

bahan penghambur. )arena energi foton sangat besar dibandingkan dengan tenaga ikat elektron

dalam bahan maka se(ara praktis elektron dapat dianggap sebagai elektron bebas.

Konsep foton*oton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik . "iasanya foton

dianggap sebagai pemba#a radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombangradio, dan inar G. 1oton berbeda dengan partikel elementer lainseperti elektron dan Huark, karena ia tidak bermassa dan dalam ruang 'akumfoton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, c . 1oton memiliki baik sifatgelombang maupun partikel ( dualisme gelombang partikel ).

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 9/16

ebagai gelombang, satu foton tunggal tersebar di seluruh ruang dan menunjukkanfenomena gelombang seperti pembiasan oleh lensa dan interferensi destruktifketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain.

ebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi denganmemindahkan energi sejumlah6,

di mana h adalah konstanta 5lanck, c adalah laju cahaya, dan 0 adalah panjanggelombangnya.

elain energi partikel foton juga memba#a momentum dan memilikipolarisasi. 1otonmematuhi hukummekanika kuantum, yang berarti kerap kali besaran besarantersebut tidak dapat diukur dengan cermat. "iasanya besaran besaran tersebutdidefinisikan sebagai probabilitas mengukur polarisasi, posisi, atau momentumtertentu.

ebagai contoh, meskipun sebuah foton dapat mengeksitasisatu molekul tertentu, sering tidak mungkin meramalkan sebelumnya molekul

yang mana yang akan tereksitasi.Deskripsi foton sebagai pemba#a radiasi elektromagnetik biasa digunakan olehpara fisika#an. Namun dalam fisika teoretis sebuah foton dapat dianggapsebagai mediator buat segala jenis interaksi elektromagnetik, seperti medanmagnet dangaya tolak menolak antara muatan sejenis.&onsep modern foton dikembangkan secara berangsur angsur antara 9%> 9 $oleh <lbert Ainstein J /J ;J ?J untuk menjelaskan pengamatan eksperimental yangtidak memenuhi model klasik untuk cahaya. Model foton khususnyamemperhitungkan ketergantungan energi cahaya terhadap frekuensi, danmenjelaskan kemampuanmateri dan radiasi elektromagnetik untuk beradadalamkesetimbangan termal . 1isika#an lain mencoba menjelaskan anomalipengamatan ini dengan model semiklasik , yang masih menggunakanpersamaanMa:#ell untuk mendeskripsikan cahaya. Namun dalam model ini objek material

yang mengemisi dan menyerap cahaya dikuantisasi. Meskipun model modelsemiklasik ini ikut menyumbang dalam pengembanganmekanika kuantum,percobaan percobaan lebih lanjut membuktikan hipotesis Ainstein bah#a cahayaitu sendirilah yang terkuantisasi. &uantum cahaya adalah foton .&onsep foton telah memba#a kemajuan berarti dalam fisika teoretis daneksperimental, seperti laser , kondensasi "ose Ainstein, teori medan kuantum dan

interpretasi probabilistik dari mekanika kuantum. Menurut model standar fisikapartikel, foton bertanggung ja#ab dalam memproduksi semua medanlistrik danmedan magnet dan foton sendiri merupakan hasil persyaratan bah#ahukum hukum fisika memiliki kesetangkupan pada tiap titik padaruang #aktu.

ifat sifat intrinsik foton seperti muatan listrik , massa dan spin ditentukan darikesetangkupan gauge ini.&onsep foton diterapkan dalam banyak area seperti fotokimia, mikroskopi

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 10/16

resolusi tinggi dan pengukuran jarak molekuler. "aru baru ini foton dipelajarisebagai unsurkomputer kuantum dan untuk aplikasi canggih dalam komunikasioptik seperti kriptografi kuantum

NOMENKLATUR

1oton a#alnya dinamakan sebagai kuantum cahaya (das 4ichtHuant ) oleh <lbertAinstein. J. Nama modern photon berasal dari kata "ahasa Kunani untukcahayaφ ςῶ , ditransliterasi sebagai phLs , dan ditelurkan oleh kimia#anfisik *ilbert N. 4e#is , yang menerbitkan teori spekulatif >J yang menyebutkanfoton sebagai tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan . Meskipun teori 4e#isini tidak dapat diterima karena bertentangan dengan hasil banyak percobaan,nama barunya ini,photon , segera diadopsi oleh kebanyakan fisika#an. Isaac

<simo' menyebut <rthur 0ompton sebagai orang yang pertama kalimendefinisikan kuantum cahaya sebagai foton pada tahun 9/$ J$J

Dalam fisika, foton biasanya dilambangkan oleh simbol abjad Kunani gamma.imbol ini kemungkinan berasal darisinar gamma, yang ditemukan dan dinamakan

oleh Billard -J 9J, dan dibuktikan sebagai salah satu bentuk radiasielektromagnetik pada 9 ? oleh Arnest +utherford dan Ad#ard <ndrade . %J

Dalamkimia dan rekayasa optik , foton biasanya dilambangkan oleh h 2, energifoton, h adalah konstanta 5lanck dan abjad Kunani 2 adalah frekuensi foton. <gak

jarang ditemukan adalah foton disimbolkan sebagai hf , f di sini melambangkanfrekuensi.

SIFAT-SIFAT FISIK

1oton tidak bermassa, J tidak memiliki muatan listrik , /J dan tidak meluruh secaraspontan di ruang hampa. ebuah foton memiliki dua keadaan polarisasi yangdimungkinkan, dan dapat dideskripsikan dengn tiga parameter kontinu6 komponen

komponen'ektor gelombang , yang menentukan panjang gelombangnya (0 ) dan arahperambatannya. 1oton adalah boson gauge untuk elektromagnetisme , dan sebab itusemua bilangan kuantum lainnya seperti bilangan lepton, bilanganbaryon atau strangeness bernilai persis nol.1oton diemisikan dalam banyak proses alamiah, contohnya ketika muatan dipercepat,saat transisi molekuler, atomik atau nuklir ke tingkat energi yang lebih rendah, atau

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 11/16

ketika sebuah partikel dan antipartikel bertumbukan dan saling memusnahkan. 1otondiserap dalam proses dengan #aktu mundur (time re'ersed) yang berkaitan dengan

yang sudah disebut di atas6 contohnya dalam produksi pasangan partikel antipartikel,atau dalam transisi molekuler, atomik atau nuklir ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Dalam ruang hampa foton bergerak dengan laju c (laju cahaya).AnerginyaA danmomentum p dihubungkan dalam persamaanA 7 pc , di mana p merupakannilai momentum. ebagai perbandingan, persamaan terkait untuk partikeldengan massa m adalah A / 7 c / p / Cm / c ?, sesuai dengan teori relati'itas khusus .

Gelombang de’ BroglieSifat Dualisme Gelombang Materi3ada tahun 145 , Louis de Broglie , seorang ahli fisika dari pran(is mengemukakan hipotesistentang gelombang materi. 6agasan ini adalh timbale balik daripada gagasab partikel (ahayayang dikemukakan 7a/ 3lan(k. 8ouis de Broglie meneliti keberadaan gelombang melaluieksperimen difraksi berkas elektron. 9ari hasil penelitiannya inilah diusulkan :materimempunyai sifat gelombang di samping partikel;, yang dikenal dengan prinsip dualitas.<ifat partikel dan gelombang suatu materi tidak tampak sekaligus, sifat yang tampak jelastergantung pada perbandingan panjang gelombang de Broglie dengan dimensinya serta dimensisesuatu yang berinteraksi dengannya. 3ertikel yang bergerak memiliki sifat gelombang. =aktayang mendukung teori ini adalah petir dan kilat. )ilat akan lebih dulu terjadi daripada petir. )ilatmenunjukan sifat gelombang berbentuk (ahaya, sedangkan petir menunjukan sifat pertikel

berbentuk suara.Gelombang #ateri@ipotesis tentang gelombang materi berasal dari gagasan foton Ainstein. &emudianditerapkan 4ouis de "roglie pada 9//, sebelum 0ompton membuktikannya, untukmenurunkan @ukum 8ien ( -9 ). Ini menyatakan bah#a bagian tenaga elektromagnet

yang paling banyak dipancarkan benda (hitam) panas adalah yang frekuensinya sekitar%% milyar kali suhu mutlak (/$; C suhu 0elsius) benda itu . 5ekerjaan ini ternyata

memberi dampak yang berkesan bagi de "roglie.5ada musim panas 9/;, de "roglie menyatakan, secara tiba tiba muncul gagasan untukmemperluas perilaku rangkap (dual) cahaya mencangkup pula alam partikel . Ia kemudianmemberanikan diri dengan mengemukakan bah#a partikel, seperti elektron juga

berperilaku sebagai gelombang . *agasannya ini ia tuangkan dalam tiga makalah ringkas yang diterbitkan pada 9/? salah satunya dalam jurnal 'ak fisika 5erancis, 0omptes+endus.5enyajiannya secara terinci dan lebih luas kemudian menjadi bahan tesis doktoralnya

yang ia pertahankan pada No'ember 9/? di orbonne, 5aris. Tesis ini berangkat daridua persamaan yang telah dirumuskan Ainstein untuk foton, A7hf dan p7h=. Dalam keduapersamaan ini, perilaku yang berkaitan dengan partikel (energi A dan momentum p)

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 12/16

muncul di ruas kiri, sedangkan ruas kanan dengan gelombang (frekuensi f dan panjanggelombang , baca6 lambda). "esaran h adalah tetapan alam yang ditemukan 5lanck,tetapan 5lanck.

ecara tegas, de "roglie mengatakan bah#a hubungan di atas juga berlaku untukpartikel. Ini merupakan maklumat teori yang melahirkan gelombang partikel atau de"roglie. 2ntuk partikel, seperti elektron, momentum p adalah hasilkali massa(sebandingdengan berat) dan lajunya. &arena itu, panjang gelombang de "roglie berbandingterbalik dengan massa dan laju partikel. ebagai contoh, elektron dengan laju %% cmper detik, panjang gelombangnya sekitar %,$ mm.Menurut de "roglie, partikel yang bergerak sangat cepat, mempunyai cirri cirigelombang. ifat sifat gelombang dari partikel dinyatakan dalam persamaan6λ , h-mv dimana. λ , pan/ang gelombangm , massa partikel

v , kecepatanh , tetapan %lanckpersamaan diatas dikenal dengan nama persamaan de "roglie dimana persamaan inidapat dipergunakan untuk menghitung besarnya panjang gelombang dari suatu partikel

yang bergerak dengan kecepatan '.0ouis&1ictor&%ierre&Raymond2duc de Broglie (banyak dikenal sebagai 0ouis deBroglie lahir diDieppe, eine Maritime, 5erancis, > <gustus -9/ meninggaldi4ou'eciennes , 5erancis, 9 Maret 9-$ pada umur 9? tahun)ialah fisika#an 5erancis dan pemenang @adiah Nobel.4ouis berasal dari keluarga 5erancis yang dikenal memiliki diplomasi dan kemiliteran

yang baik. 5ada mulanya ia adalah sis#a sejarah , namun akhirnya ia mengikuti jejak kakaknya Maurice de "roglie untuk membina karier dalam fisika.5ada 9/? , tesis doktoralnya mengemukakan usulan bah#a benda yang bergerakmemiliki sifat gelombang yang melengkapi sifat partikelnya. / tahun kemudian Ar#in

chrodinger menggunakan konsepgelombang de "roglie untuk mengembangkan teoriumum yang dipakai olehnya bersama denganilmu#an lain untuk menjelaskan berbagaigejala atomik. &eberadaan gelombang de "roglie dibuktikandalameksperimen difraksi berkas elektron pada 9/$ dan pada 9/9 iamenerima @adiah Nobel 1isika.

3ifraksi elektron'lektron adalah partikel subatom yang bermuatan negatif dan umumnya ditulissebaga e&. Alektron tidak memiliki komponen dasar ataupun substruktur apapun yangdiketahui, sehingga ia dipercayai sebagai partikel elementer . /J Alektronmemilikimassa sekitar = -; massa proton. ;J Momentum sudut (spin) instrinsik

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 13/16

elektron adalah setengah nilai integer dalam satuan ħ, yang berarti bah#a iatermasuk fermion. <ntipartikel elektron disebut sebagai positron, yang identik denganelektron, tapi bermuatan positif. &etika sebuah elektron bertumbukan dengan positron,keduanya kemungkinan dapat salingberhambur ataupun musnahtotal, menghasilansepasang (atau lebih) foton sinar gama.Alektron, yang termasuk ke dalam generasi keluarga partikel lepton pertama,

?Jberpartisipasi dalam interaksi gra'itasi , interaksi elektromagnetik dan interaksilemah. >J ama seperti semua materi, elektron memiliki sifat bak partikel maupun bakgelombang (dualitas gelombang partikel), sehingga ia dapat bertumbukan denganpartikel lain dan ber difraksi seperti cahaya. leh karena elektron termasuk fermion,dua elektron berbeda tidak dapat menduduki keadaan kuantum yang sama sesuaidengan asas pengecualian 5auli. ?J

&onsep muatan listrik yang tidak dapat dibagi bagi lagi diteorikan untuk menjelaskansifat sifat kimia#i atom oleh filsuf alam +ichard 4aming pada a#al tahun -;-

J nama electron diperkenalkan untuk menamakan muatan ini pada tahun -9? olehfisika#an Irlandia *eorge !ohnstone toney . Alektron berhasil diidentifikasikansebagai partikel pada tahun -9$ oleh !. !. Thomson . J$J

Dalam banyak fenomena fisika, seperti listrik , magnetisme dan kondukti'itas termal ,elektron memainkan peran yang sangat penting. uatu elektron yang bergerak relatifterhadap pengamat akan menghasilkan medan magnetik dan lintasan elektron tersebut

juga akan dilengkungkan oleh medan magnetik eksternal. &etika sebuah elektrondipercepat, ia dapat menyerap ataupun memancarkan energi dalam bentuk foton.Alektron bersama sama dengan inti atom yang terdiri dari proton dan neutron ,membentuk atom. Namun, elektron hanya mengambil %,% Omassa totalatom. *aya tarik 0oulomb antara elektron dengan proton menyebabkan elektron terikatdalam atom. 5ertukaran ataupun perkongsian elektron antara dua atau lebih atommerupakan sebab utama terjadinya ikatan kimia. -J

Menurut teorinya, kebanyakan elektron dalam alam semesta diciptakan padaperisti#a "ig "ang (ledakan besar), namun ia juga dapat diciptakan melalui peluruhanbeta isotop radioaktif maupun dalam tumbukan berenergi tinggi, misalnya padasaat sinar kosmis memasuki atmosfer. Alektron dapat dihancurkan melalui pemusnahandengan positron, maupun dapat diserap semasa nukleosintesis bintang . 5eralatanperalatan laboratorium modern dapat digunakan untuk memuat ataupun memantau

elektron indi'idual. Alektron memiliki banyak kegunaan dalam teknologi modern,misalnya dalammikroskop elektron, terapi radiasi , dan pemercepat partikel .

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 14/16

Prinsip KetidakpastianHeisenberg

9alam fisika klasik terdapat anggapan bah!a setiap $ariabel dinamis dapat diukur dengan

ketelitian sekehendak. Anggapan ini tidak menyadari bah!a pada prinsipnya terdapat suatu batasketelitian dalam pengukuran. Werner Heisenberg pada tahun 145> mengemukakan bah!a

perkalian ketidakpastian kedudukan benda / pada suatu saat dengan ketidakpastian dalam pengukuran momentum p / $komponen ke arah /' pada saat itu, lebih besar atau sama dengantetapan 3lan(k dibagi dengan @ . 3ernyataan ini dapat ditulis"

* p * ≥€ h+4@ ...%1'

ni berarti bah!a kedudukan benda dan momentumnya tidak dapat ditentukan se(arasekehendak. 9engan kata lain fungsi distribusi untuk posisi dan momentum keduanya tidak dapat dibuat sesempit mungkin tetapi dibatasi oleh relasi seperti pada persamaan %1'.

)etidakpastian ini bukan disebabkan oleh alat ukur atau masalah statistik, melainkan timbul dansifat ketidakpastian alami yang disebabkan oleh sifat partikel dan gelombang dari materi dan(ahaya. ertihat bah!a dalam keterbatasan ketelitian inipun yang digambarkan oleh prinsipketidakpastian, tetapan 3lan(k memegang peranan yang penting.

ketidakpastian momentum dan posisi suatu zarah tidak dapat lepas satu dari lainnya.Apabila dituntut ketakpastian yang tak berhingga bagi harga posisi elektron % ∆ /#*', maka tidak

akan diperoleh sama sekali informasi mengenai besarnya momentum linear elektron % ∆ p / # ',

dan sebaliknya.

)etidakpastian bukan lagi bergantung dari ketelitian alat, akan tetapi merupakan sesuatuyang fundamental, sesuatu yang hakiki dengan dunia fisika pada tingkat atom.

Fungsi gelombang

Fungsi gelombang dan probabilitasmenemukan partikel5ada efek fotolistrik, intensitas cahaya (kuadrat dari amplitude gelombangelektromagnetik) yang semakin meningkat akan semakin meningkatkan jumlah fotonsecara linier. Dinyatakan kemudian bah#a jumlah foton adalah sebanding dengankuadrat dari amplitude. 5ada tahun 9/ , "orn memperluas ide ini dengan mengusulkanbah#a kuadrat dari nilai absolut dari fungsi gelombang adalah sebanding denganprobabilitas untuk mendapatkan partikel tersebut. Nilai absolut harus digunakan untuk

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 15/16

persamaan gelombang karena gelombang dapat berupa sebuah fungsi kompleks danbukan hanya sebuah fungsi yang riil.Dengan P sebagai konjugat kompleks dari dan ini diberikan melalui penggantian yangsederhana dari setiap unit imajiner i yang terdapat pada ekspresi matematik denganFi.5robabilitas untuk menemukan sebuah partikel yang bergerak sepanjang sumbu : padasuatu daerah tertentu antara : dan : C d: dinyatakan sebagai Q (:,t )Q/ d: denganmenggunakan fungsi gelombang (:,t ). &arena probabilitas untuk menemukan partikelpada daerah antara : 7 R hingga : 7 CR adalah sama dengan , maka integral berikutharus sama dengan .Ini disebut sebagai kondisi renormalisasi dari sebuah fungsi gelombang. !ika kondisi inidipenuhi, maka fungsi gelombang tersebut dikatakan ternormalisasi.&etika sebuah fungsi gelombang merupakan solusi dari persamaan ( .;>), setiapperkalian dari fungsi gelombang tersebut dengan konstanta yang sembarang juga akan

menghasilkan fungsi gelombang yang menjadi solusi dari persamaan ( .;>). olusi solusidari persamaan gelombang karenanya dikatakan bersifat sembarang terhadapkonstanta. &ondisi renormalisasi menghilangkan sifat kesembarangan dari fungsigelombang kecuali terhadap tandanya. Dalam kasus fungsi gelombang kompleks, maknaganda terhadap faktor fasa dengan e i θ tidak akan berubah. <kan tetapi, faktor fasatidak akan merubah kuadrat dari nilai absolut dan arti fisis dari persamaan gelombangtidak rele'an dengan faktor fasa. Dengan demikian. &ita boleh memilih nilai secarasembarang nilai D dari faktor fasa, sebagai contoh D dapat dipilih sama dengan %.&arena turunan pertama dari fungsi gelombang ini berhubungan dengan energi A danmomentum p menurut persamaan ( ./-)F( ./9), fungsi gelombang yang menyatakansebuah keadaan dengan energi yang finit dan momentum yang harus bersifat kontinyuterhadap #aktu dan posisi. Ini adalah sifat yang penting dari fungsi gelombang yangdapat diterima dan tidak dapat diabaikan ketika kita memerlukan untuk mendapatkansebuah fungsi gelombang dengan memecahkan persamaan gelombang.

ebelum mengakhiri bagian ini, adalah penting untuk mencatat bah#a pentingnyapersamaan gelombang pada mekanika kuantum.

1. )eadaan dari sebuah sistem dinyatakan dengan fungsi gelombang.

5. 3robabilitas sebuah partikel akan ditemukan pada sebuah posisi adalah sebandingdengan kuadrat dari nilai absolut persamaan gelombang.

E. =ungsi gelombang akan memiliki perubahan terhadap !aktu mengikuti persamaan.

8/17/2019 Gejala mekanika kuantum

http://slidepdf.com/reader/full/gejala-mekanika-kuantum 16/16

%ersamaan schrodinger dalam potensialsatu dimensi

. ecara umum, fungsi gelombang (notasi6F ) adalah elemen paling dasar yang menyusunseluruh dunia mekanika kuantum. 1ungsi ini bisa dibilang sebagai fungsi yang palingultimate S partikel apapun, seperti apa keadaannya dan propertinya, dapat di#akili olehsebuah fungsi gelombang F .