Upload
nguyendieu
View
226
Download
9
Embed Size (px)
Citation preview
23/08/2011
1
UNIVERSITAS AHMAD DAHLAN
Pendidikan Fisikahttp://pf.uad.ac.id
Kuliah Sejarah Fisika
Rachmad Resmiyantohttp://rachmadresmi.staff.uad.ac.id
Sejarah Teori Kuantum
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 2
Era Perang Fisika 3 dasawarsa
(1900-1930)
Fisika Kuantum vs Fisika Klasik
23/08/2011
2
Perang Fisika 3 Dasawarsa
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 3
Radiasi Benda Hitam
• Radiasi: pemindahan tenaga
lewat pancaran (gelombang
elektromagnetik)
• Tiap benda memancarkan
radiasi termal.
• Radiasi akan kasat mata (4000
Å < λ < 7000 Å) jika suhu benda
> 700o C.
• Jika suhu dinaikkan, frekuensi
radiasi yg dipancarkan ternyata
juga bergeser naik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 4
Frekuensi
Inte
nsita
s r
ad
iasi
23/08/2011
3
Radiasi Benda Hitam
• Benda hitam: benda
yg menyerap seluruh
radiasi elektromagnetik
yg mengenainya
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 5
Tatkala oven
dipanaskan, suatu
saat mata kita melihat
radiasi merah
menyala
Radiasi Benda Hitam
• Kepekaan relatif mata
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 6
Putih jika semua merah
hijau biru ada
inframerah Frekuensi ultravioletM H B
23/08/2011
4
Radiasi Benda Hitam
Pada 1792, seorang tukang bikin
porselen yang masyhur, Josiah
Wedgwood bikin suatu catatan
penting, semua benda yang
memerah ternyata memiliki suhu
yang sama
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 7
Dalam kondisi setimbang, radiasi
tergantung pada suhu saja
Radiasi Benda Hitam
1896
Sejawat Planck di Departemen Fisika Berlin, Wilhelm Wien, melakukan
percobaan radiasi rongga, terbuat dari porselen dan platina
Sejawat Planck yg lain di Technische Hochschule, Berlin, Heinrich
Ruben menggunakan oven
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 8
pemanas
ronggaBukan rongga
Pengukuran frekuensi
radiasi
Pengukuran
intensitas
23/08/2011
5
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 9
Radiasi benda hitam Distribusi kecepatan
Maxwell
Kurva radiasi benda hitam ternyata mirip dengan kurva distribusi
kecepatan Maxwell
Apakah ini merupakan sebuah pertanda, bahwa radiasi benda hitam dapat
dipelajari seperti gas ideal Maxwell
Gelombang elektromagnetik (sesuatu yg berbeda dengan molekul gas) bergetar
disekitar titik setimbang dalam suatu bejana tertutup?
Radiasi Benda Hitam
• Rumusan Wien
hanya sahih pada
frekuensi tinggi
• Rumusan Rayleigh-
Jeans, berdasarkan
teori Maxwell, hanya
sahih pada
frekuensi rendah
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 10
Ultraviolet
(frekuensi tinggi)
Inframerah
(frekuensi rendah)
Hukum Wien
Ramalan Rayleigh-Jeans:
pada daerah ultraviolet, intensitasnya tak
terhingga
Inilah yang masyhur sebagai Ultraviolet
Catasthrope, bencana ultraviolet
(istilah ini berasal dari Paul Ehrenfest, 1911)
23/08/2011
6
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 11
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 12
Jika Rayleigh-Jeans benar, berbahaya lho ya
duduk di dekat perapian ini
23/08/2011
7
Radiasi Benda Hitam
Seperti ekipartisi energi untuk
partikel gas Maxwell, Rayleigh-
Jeans juga menerapkan
ekipartisi energi pada
gelombang.
Namun, jumlah tingkat getaran
yang mungkin dibangkitkan
adalah tak terbatas.
Jadi,
makin tinggi frekuensi,
maka kian banyak
gelombangnya,
kian kuat radiasinya
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 13
Cara Rayleigh-Jeans
menurunkan rumusnya
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 14
Departemen Fisika Institut Kaiser Wilhelm di Berlin
Karir Planck dimulai dari tempat ini
Planck merupakan anggota senior
Akademi Prussia
Sejak disertasi 1879, ia menekuni
termodinamika (saat itu Einstein baru
lahir)
23/08/2011
8
Radiasi Benda Hitam
• Planck yakin dengan percobaan Heinrich Rubens
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 15
Model materi sebelum
era atom
Gagasan awal Planck:
•Ada sekumpulan osilator listrik
dalam dinding rongga yg
bergetar maju mundur karena
rangsangan panas
• Harus ada semua frekuensi yg
mungkin
•Jika suhu makin tinggi maka
osilator bergetar kian cepat
sehingga frekuensi rata-rata naik
sampai tercapai kesetimbangan
termal.
panas kian panas
frekuensi
Frekuensi puncak naik
terhadap kenaikan suhu
en
erg
i
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 16
Model materi sebelum
era atom
Teori elektromagnetik berhasil menjelaskan seluk-beluk
pancaran, serapan dan penjalaran radiasi
Teori elektromagnetik GAGAL menjelaskan distribusi energi
pada kesetimbangan
Planck mengaitkan energi rata-rata osilator dengan entropi.
Jadi Planck menggunakan ungkapan entropi untuk radiasi
23/08/2011
9
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 17
Pada seminar fisika di Univeritas Berlin, 19 Oktober 1900
Radiasi Benda Hitam
• Heinrich Rubens, seusai
seminar segera lembur di
rumah. Ia mencocokkan
rumus Planck dengan data
percobaannya. Sempurna.
Luar biasa.
• Esok paginya, Rubens
menyalami Planck
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 18
Data percobaan
Hukum Wien
Tantangan berikutnya: bagaimana menggunakan rumus ini untuk
menemukan prinsip fisikanya
23/08/2011
10
Radiasi Benda Hitam
• Planck mencoba melihat
hubungan entropi dan
peluang menurut Boltzmann.
“Tapi, Planck menolak
asumsi terjadinya fluktuasi”
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 19
S = k log w
Hukum kedua Termodinamika ala Boltzmann
Selama ini, sampai sebelum 1900, dari sekitar 40-an tulisan
Planck tak ada satupun yang merujuk rumusan Boltzmann ini
Radiasi Benda Hitam
• Gagasan Planck:
1. Persamaan statistik: untuk menghitung entropi
2. Keadaan: entropi harus maksimum
3. Teknik menghitung: untuk menentukan peluang w
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 20
Untuk menghitung peluang variasi susunan yg mungkin, Planck mengiris-iris
energi osilator menjadi keping-keping yg sangat kecil.
Jadi, energi totalnya E = N e,
dengan N banyaknya keping, e keping
energi sebarang
23/08/2011
11
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 21
Untuk menghitung peluang variasi susunan yg mungkin, Planck mengiris-iris
energi osilator menjadi keping-keping yg sangat kecil.
Jadi, energi totalnya E = N e,
dengan N banyaknya keping, e keping energi sebarang
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 22
Pengirisan energi ini menyebabkan energi radiasi harus tidak kontinyu.
Tapi, Planck tak punya alasan teoretis untuk konsep ini. Ya sudah, ini
dianggap sebagai postulat.
Maklumat
Postulat Planck:
Pokoknya ya, nilai
e = h f
harus terbatas
dan nilai h tidak
boleh nol
23/08/2011
12
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 23
Maklumat
Postulat Planck:
Pokoknya ya,
nilai e = h f
harus terbatas
dan nilai h tidak
boleh nol
Jika postulat ini kelak terbukti sahih, maka
osilator menyerap dan memancarkan nergi
secara tidak kontinyu, dalam satuan e=hf.
Ini disebut sebagai kuanta energi.
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 24
Pada f tinggi, kuanta
energinya e=hf sangat
besar, sehingga hanya
sedikit getaran yang
tereksitasi, sehingga
osilator tertekan, sehingga
radiasi turun menuju nol
pada f tinggi
Hore.....
kita selamat dari
bencana ultraviolet
23/08/2011
13
Radiasi Benda Hitam
• Tetapan h punya nilai sangat kecil sekali, tapi tidak nol.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 25
Pada 1901 tetapan ini ditentukan buat pertama kalinya.
Nilainya
h =
0,0 000 000 000 000 000 000
000 000 000 000 006 626
tapi tidak nol
Jika h sama dengan nol maka kita tidak bisa api-api di dekat api unggun.
Maka berterimakasihlah untuk hal-hal kecil dalam hidup kita.
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 26
Max Planck jalan-jalan pagi bersama
anaknya
“Mungkin hari ini bapakmu akan membuat
karya sehebat Newton”
Hari itu juga, Planck memberi paparan
pada Masyarakat Fisika Berlin
Inilah Prasasti
lahirnya teori kuantum
23/08/2011
14
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 27
Radiasi Latar sinar kosmis
Fajar Alaf Baru Telah Menyingsing
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 28
Mekanika
Newton,
Elektromagnetika
Maxwel,...Fisika
Klasik
Aneh, sebuah revolusi besar ternyata dimulai dari sebuah kebetulan belaka