FISIKA KUANTUM 1.Radiasi Benda Hitam Bendahitam(blackbody)dalambahasafisikaadalahobyekyang menyerapseluruhradiasielektromagnetikyangjatuhkepadanyadantidakada radiasiyangdapatkeluarataudipantulkannya.Istilahbendahitamini,pertama kalidiperkenalkanolehfisikawanBelanda,yangbernamaGustavRobert Kirchhoffpadatahun1862.Istilahbendahitam(blackbody)tidaklahharus merupakanbendayangbenar-benarhitam.Halinidisebabkankarenabenda tersebut juga memancarkan cahaya/gelombangyang warna cahayanya tergantung pada suhu/temperatur benda tersebut. Semakin tinggi suhu benda tersebut, radiasi yangdipancarkannyaakanmendekatiradiasicahayatampak,mulaidarimerah, jingga,kuning,hijau,danseterusnya.Darihasilpercobaantentangbendahitam, didapat kurva seperti berikut. Gambar 1. Kurva Radiasi Benda Hitam Padakurvadiatastampaksuatukurvadarigarishitamyangmerupakan tafsiranRayleigh-Jeansterhadapsuaturadiasielektromagnetikolehsuatubenda hitam.Rayleigh-Jeansmenerapkanhukumhukumfisikaklasikdalam menganalisispancaran/radiasiolehsuatubendahitam,yangmenganggapbahwa pancaranatauserapantersebutmerupakansuatuspektrumyangkontinu.Hasil analisistersebutmenghasilkansuatukurvadengangarishitampadagambar1. JikaditinjaukurvaRayleigh-Jeanstersebut,tampakbahwasemakinpendek panjanggelombang,makaintensitasradiasijugaakansemakinbesar.Halini disebut dengan bencana ultraviolet (Ultraviolet catastrophe).Namun pada kenyataannya, bencana ultraviolet tersebut tidak ada. Hal ini membuktikan bahwa tafsiran Rayleigh-Jeans tentang radiasi benda hitam tidaklah benar.Inimerupakansalahsatukegagalandarifisikaklasikitusendiri.Oleh karenaitu,MaxPlanckberusahamengatasikegagalanini.Planckberasumsi bahwadistribusienergibendahitamharuslahmerupakandistribusiatom-atom yangbergetardisebutdenganosilatorsehinggamerupakansuatuspektrumyang diskrit,dalamartianenergiyangterpancar/terserapsudahterpaket/terkuantisasi dalam bentuk kuanta-kuanta energi dan tidak merupakan spektrum yang kontinu. Berdasarkanpercobaanterhadapenergiradiasibendahitam,MaxPlanck membuat hipotesis seperti berikut: "Radiasihanyadipancarkan(ataudiserap)dalambentuksatuan-satuan/kuantumenergidisebutfotonyangbesarnyaberbandinglurus dengan frekuensi radiasi". Energi total foton (masa diam foton = 0): E = n . h . f = n . h . c/ Dengan: E = energi radiasi (joule) h = konstanta Planck = 6.62 x 10-34 J.det f = frekuensi radiasi (Hz) l = panjang gelombang radiasi (m) n = jumlah foton, jadi energi cahaya adalah terkuantisasi MenurutPlanck,berdasarkankurvahubunganantarapanjanggelombang denganintensitasradiasipadagambar1yangditunjukkanolehgarisyang berwarna(merah,hijau,biru).Darikurvatersebutdapatdisimpulkanbahwa panjanggelombang/frekuensitidakmempengaruhiintensitasradiasi.Akantetapi sangat berpengaruh terhadap energi radiasi.Dalam kurva tersebut juga ditunjukkan bahwa semakin rendah temperatur benda hitam, puncak kurva akan semakin rendah dan mendekat ke daerah panjang gelombang/wavelengthyanglebihbesar,dansebaliknyaapabilasuhu/temperatur bendahitamsemakintinggi,puncakkurvaakansemakintinggi,danlebih mendekati daerah panjang gelombang/wavelength yang lebih kecil. Puncak kurva merupakanintensitasmaksimumyangdapatdicapaiolehsuaturadiasi,dimana intesitasinibergantungpadatemperatur/suhubendahitamtersebut,dantidak bergantungpadapanjanggelombangradiasi.TemuandariMaxPlanckinidalam mengatasi kelemahan fisika klasik merupakan tonggak lahirnya fisika modern. Dalamlaboratorium,bendayangpalingmendekatiradiasibendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Cahaya apa pun yang memasukilubanginiakandipantulkandanenerginyadiserapolehdinding-dindingronggaberulangkali,tanpamempedulikanbahandindingdanpanjang gelombangradiasiyangmasuk(selamapanjanggelombangtersebutlebihkecil dibandingkan dengan diameter lubang). Seperti pada gambar berikut ini. Gambar 2. Arah Cahaya yang Diserap oleh Sebuah Benda Hitam Lubanginiadalahpendekatandarisebuahbendahitam.Jikarongga dipanaskan, spektrum yang dipancarkan lubang akan merupakan spektrumdiskrit dan tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Gambar 3. Radiasi yang Dipancarkan oleh Benda Hitam Saat Rongga Dipanaskan Cahaya datang Pancaranradiasinyamengikutisuatukurvaumumsepertipadagambar1. BerdasarkanhukumradiasitermaldariKirchhoff,kurvainihanyabergantung pada suhu dinding rongga, dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini. Sepertiyangtelahdiketahuibahwasumberradiasi/pancarandaribenda hitamberasaldariosilator-osilatorharmonikdalamrongga.Satuosilatorbisa dianggapsebagaisatumodegetar,dimanauntukmendapatkanrapatenergi osilator ( ) (u T) dalam sebuah benda hitam haruslah dicari terlebih dahulu energi rata-rata masing-masing mode getar ( E ) UntukmendapatkannilaiE ini,adabeberaparumusyangdigunakan adalah sebagai berikut.1.Rumus Rayleigh-Jeans DalammenentukanE ,Rayleigh-Jeansmenggunakanprinsipekipartisi energi.Dikatakanbahwaosilatormemiliki2derajatkebebasan.Sehinggaenergi rata-rata masing-masing mode getar adalah E=T k T k Xb b=212...................................................(1) Dengan: bk = konstanta Boltzmann besarnya 1,38 X 10-23 J. K-1 T = suhu mutlak (kelvin) Jadibesarnyarapatenergiosilator( ) (u T)dalamsebuahbendahitam, diwujudkan oleh persamaan berikut ) (u T=u utuudcT kd EVNb 238 ) (=..............................(2) Persamaaninimemangbenar/sesuaikenyataan,tapihanyaterbataspada frekuensirendah,danmemilikinilaiyangsangatmenyimpangdarisebenarnya pada daerah frekuensi tinggi.2.Rumus Planck DalammenentukanE ,Plancktidakmenggunakanprinsipekipartisi energi.Diaberanggapanbahwaenergiyangdimilikiosilator-osilatortersebut tidak kontinu, melainkan berharga diskrit, yaitu merupakan kelipatan dariu hu u u u nh h h h E ......, , 3 , 2 , , 0 =.........................................(3) h = tetapan Planck besarnya 6,626 X 10-34 J s = =nT k nhT k nhnnT k EnT k Enbbb nb nee nhee EE////uuu.(4) Jikadimisalkan T khbuo = ,makapersamaan(4)akanmenjadisebagai berikut. =nnnnbeeddT k Eoooo) (...........................................(5) Selanjutnyadarihubungan oo=eenn11.....................(6),maka diperoleh:2) 1 ( 11ooooo o ==eee ddeddnn.........................(7) Dengan mensubstitusi persamaan (6) dan (7) ke persamaan (5), maka akan didapat persamaan sebagai berikut 1 =ooeT kEb................................................................(8) Olehkarena T khbuo = ,makaakandidapatsuatupersamaanuntukenergi rata-rata sebuah osilator/mode getar sebagai berikut. 1/=T k hbehEuu.............................................(9) Olehkarenaenergirata-ratasebuahmodegetardiketahui,makarapat energi seluruh osilator dalam benda hitam dapat diukur dengar persamaan berikut ) (u T=uuutuuudehcd EVNT k hb18 ) (/23=.....................(10) Persamaaniniternyatasesuaidengankenyataanyangdiperolehpada eksperimen,sehinggabencanaultravioletyangdiperkirakanakanterjadi, sesungguhnyatidakada.KeberhasilanPlanckinidalammengatasikelemahan fisika klasik merupakan tonggak awal lahirnya fisika modern/Fisika Kuantum. 2.Efek Fotolistrik Sejarah Efek Foto Listrik Penemuanefekfotolistrikmerupakantonggaksejarahperkembangan fisikakuantum.Padasaatituorang-orangdihadapkanpadasituasiyang manapahamklasikyangtelahmerekayakinisebelumnyaterpaksa dirombakmenjadipahambaru.Konsepsiyangadapadapaham sebelumnyayaitumenyatakanbahwacahayatersebutmerupakansebuah gelombang.Pahambaruyangmunculmenyatakanbahwacahayasebagai partikel. Konsepsi cahaya sebagai partikel ini merupakan cikal bakal yang nantinya mampu menjelaskan gejala efek fotolistrik tersebut.Pahambaruyangmunculinitidakditerimabegitusajaolahmasyarakan, tetapimenimbulkansuatupolemikdimanacahayasebagaigelombang telahdibuktikankehandalannyadalammenjelaskandifraksi,interferensi danpolarisasidimanagejala-gejalainitidakmampudijelaskan berdasarkanpahamcahayasebagaipartilel.Olehkarenaituparaahli sepakatbahwacahayatersebutmemilikidualismesifatyaitucahaya sebagai gelombang dan partikel. PenemuangejalaefekfotolistrikinidiawalioleheksperimenHeinrich Hertz melalui percobaan tabung lucutan. Ia mengemukakan bahwa lucutan elektrik akan lebih mudah jika cahaya ultraviolet dijatuhkan pada electron tabung lucutan. Ini membuktikan bahwa cahaya ultraviolet dapat mencabut ataumelepaskanelectrondaripermukaanlogam.Pengamatangejalaefek fotolistrikinikemudiandilanjutkanolehP.Lenarddansecarateoritis dijelaskan oleh Einstein. Proses Terjadinya Efek Fotolistrik. Gambar G V + - Potensiometer a Foton AnodaKatoda Voltmeter Galvanometer Elemen Dari gambar di atas, untuk menghasilkan efek fotolistrik dipelukan sebuah tabungyangdifakumkanyangdiisidenganduaelektroda(katodadan anoda)yangdihubungkandenganrangkaianeksternal.Cahaya monokromatisditembakkanmenujutabungyangkemudianmengenai pelatanodayangpotensialnyadibuatlebihbesardaripotensialkatoda. Untukcahayadenganfrekuensitertentu,ternyatagalvanometerG mendeteksi adanya arus listrik. Hal ini menunjukkan bahwa electron yang dipancarkan pelat A tersebut mampu mencpai pelat K. hal ini juga berarti bahwaketikaterlepasdaripelatAelectronsudahmemilikienergikinetic yangcukupbesaruntukmenembuspotensialpenghalangyangdipasang antara pelat A dan K. untuk menghentikan gerakan electron ini diperlukan suatupotensialpenghalangV.Besarnyapotensialpenghalang(VS)ini dapatdiaturdenganmenggeserkekiriataukekanantitilapada potensiometer.Menggesertitikakekiriberartimemperbesrhambatan potensiometerakibatnyategangan/potensialantaraanodadengankatoda mengecil,dansebaliknyaapabilatitikadigeserkekanan,hambatan potensiometerakanmengecil,akibatanyateganganantaraanodadengan kaotodamembesar.jikaVdiperbesarmakajumlahelectronyang mencapaipelatKakanberkurangsehinggaarusnyamenjadisemakin kecil.Hinggapadabedapotensial(V)tertentuelectron-elektroninitidak bergerak sehingga tidakada arusyang mengalir.Potensial (V) ini disebut potensial pemberhenti yang dilambangkan dengan 0V .Energi kinetic electron-foto ini dapat diketahui dari nilai 0V . Berdasarkan prinsipkekekalanenergidinyatakanbahwaenergikineticelectron-foto tercepat sama dengan 0.V e . Jika dirumuskan secara matematis maka maka energi kinetic maksimum adalah0 max.V e K =(1) Adapunsuatusyaratuntukdapatmewujudkanfenomenaefekfotolistrik adalahbahwafrekuensifotonyangdiberikanpadaplatharuslahlebih besar daripada nilaifrekuensi ambang (0).

Grafikdiatasmenunjukkanbahwajikafrekuensicahayayangdigunakan kurangdari0makatidakdiperlukanpotensialpemberhenti.Tidak diperlukannyapotensialpemberhentiinimenunjukkanbahwatidakada elektronyangdilepaskan.Jikaelectrontidakadayanglepasmakatidak akanterjediefekfotolistrik.Dapatdisimpulkanbahwaagarterjadiefek fotolistrikmakadiperlukanfotondenganfrekuensiyangmelebihinilai frekuensi ambang (0).Dari garif di atas dapat diperoleh hubungan bahwa 0Vsebanding dengan 0.Kesebandinganinidapatdiubahmenjadikesamaandengan menggunakankesebandinganh/edengane menyatakanmuatanelectron danh suatutetapanyangberdimensikanenergikaliwaktu.Secara matematis dapat dirumuskan: K cu0u cs0u k0ucscu0V 0 0. u u h h V e = .(2) Daripersamaan (1) dan (2) maka: 0 maxu u h h K =0 max. u u h K h + = ...(3)