Sifat Partikel dari Gelombang

Sifat Partikel dari GelombangTeori Kuantum Cahaya

Pengamatan pada sifat radiasi radiasi benda hitam*) oleh Max Planck, didapat fenomena bahwaRadiasi spektrum merupakan fungsi suhu dari benda yang meradiasi. Hal ini dapat dijelaskan bila radiasi yang dipancarkan dari benda yang meradiasi terjadi secara diskontinu dalam catuan kecil yang disebut kuanta.*) Proses terjadinya benda hitamSeberkas sinar yang masuk ke dalam lubang akan dipantulkan berkali-kali sehingga intensitas sinar makin berkurang. Sampai suatu saat energinya menjadi nol. Inilah yang disebut benda hitam.Proses Radiasi Benda HitamKetika sebuah lubang hitam di panaskan dengan suhu T, maka semua dinding memancarkan radiasi secara merata pada saat suhunya merata pada semua bagian dinding. Sehingga timbul radiasi, yag akan keluar bila ada lubang. Radiasi ini yang disebut dengan radiasi benda hitam.10/03/20155Intensitas Radiasi Benda HitamSpektrum radiasi bervariasi tergantung temperatur kotak-hitam. Semakin tinggi temperatur kotak-hitam, semakin tinggi energi radiasi yang dipancarkan (energi radiasi berbanding terbalik dengan panjang gelombang).

Teori Klasik Radiasi Benda Hitam

Teori Hukum Pergeseran WienTeori Rayleig-Jeans

Kedua model di atas hanya mampu menerangkan kurva spektrum intensitas radiasi benda hitam dengan panjang gelombang besar saja. Tetapi tidak cocok untuk panjang gelombang lebih kecilTeori Planck

Molekul-molekul yang bersosialisasi akan memancarkan energi diskret, E = nhf

Molekul memancar atau menyerap energi dalam satuan-satuan energi yang diskrit yang dinamakan foton E = hf

Planck memperoleh bahwa kuanta bersesuaian dengan frekuensi tertentu dari cahaya semuanya harus berenergi sama, dan energi berbanding lurus dengan .

Jadi energi kuantum dapat dinyatakan sebagai

dengan h = 6,626 x 10-34 J.s adalah tetapan Planck.

Ketika Planck mengganggap energi EM yang diaradiasikan dari suatu benda timbul secara diskontinu, ia tidak pernah menyangsikan bahwa penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang EM yang kontinu.

Einsten mengusulkan bukan saja cahaya dipancarkan secara kuantum pada suatu saat, tetapi juga menjalar menurut kuanta individual Hipotesis ini dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena efek Fotolistrik2. Efek FotolistrikEfek fotolistrik adalah merupakan eksperimen yang pertama kali dilakukan oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887.Pada eksperimen ini dilakukan penyinaran pelat katoda dengan berbagai cahaya sehingga elektron-elektron dipancarkan dari pelat katoda.

Dalam fisika klasik, terjadinya efek fotolistrik dapat dijelaskan bahwa energi dari gelombang cahaya diserap oleh logam yang sebagian terkonsentrasi pada elektron tertentu dan muncul kembali sebagai energi kinetik.

Hasil pengamatan lebih lanjut didapat hal-hal yang tidak dapat diterangkan oleh fisika klasik,

Distribusi energi elektron terpancar (fotoelektron) tidak tergantung pada intensitas cahaya. Artinya berkas cahaya yang kuat menghasilkan fotoelektron lebih banyak dibandingkan dengan cahaya intensitas rendah yang berfrekuensi sama tetapi energi rata-rata elektronnya sama.Tidak adanya keterlambatan waktu antara datangnya cahaya pada permukaan logam dengan waktu terpan-carnya elektron.

Energi elektron terpancar bergantung pada frekuensi cahaya datang dan di bawah frekuensi tertentu tidak elektron yang terpancar dari permukaan logam walaupun intensitas cahaya diperbesar.

Dengan hipotesis Einstein efek fotolistrik dapat diterangkan dari rumusan empiris berikut :

dengan :h : energi dari masing-masing kuantum cahaya datangho: energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron dari permukaan yang disinari.Km: energi fotoelektron maksimum

Harus ada energi minimum yang diperlukan oleh elektron untuk melepaskan diri dari permukaan logam, jika tidak demikian elektron akan terlepas walaupun tidak ada cahaya datang.

Jadi bila frekuensi cahaya menghasilkan energi di bawah energi minimum untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, maka penambahan intensitas cahaya tetap tidak dapat menyebabkan elektron terlepas dari permukaan logam

Energi merupakan karakteristik dari permukaan suatu logam disebut dengan fungsi kerja.

= +Energi KuantumEnergi elekton maksimumFungsi kerja permukaan3. Dualisme Pertikel Gelombang

Teori Gelombang CahayaTeori KuantumCahaya merambat secara kontinuCahaya menyebar sumber yang terdistribusi kontinuTidak dapat mene-rangkan fenomena efek fotolistrikCahaya merambat dalam sederetan paket energiCahaya menyebar sumber sebagai sederetan konsentrasi energi kecil yang terlokalisasi yang dapat diserap elektron.Cahaya dapat dipandang sebagai partikelDapat menerangkan efek fotolistrik

15Berbeda dengan teori relativitas yang merupakan aproksi-masi dari mekanika Newton, teori kuantum cahaya tidak dapat diturunkan dari teori gelombang cahaya atau sebalik-nya, walapun ada kaitan antar keduanya.

Untuk melihat kaitannya tinjau gelombang EM berfrekuensi yang jatuh pada sebuah layar.

Intensitas gelombang pada layar menurut gambaran gelombang

Intensitas gelombang pada layar menurut gambaran foton

Bila N cukup besar, pada layar akan terlihat distribusi cahaya yang kontinu dan polanya bersesuaian dengan rata-rata kuadrat besaran sesaat E2 dari gelombang listrik dalam satu siklus.

Bila N kecil, pada layar akan terlihat distribusi cahaya yang diskontinu yang menunjukkan bahwa cahaya merupakan gejala kuantum

Jadi cahaya mepunyai sifat dual; teori gelombang cahaya dan teori kuantum cahaya yang saling berkomplemen. Masing-masing teori menjelaskan sebagian sifat cahaya dan hanya dapat menerangkan efek tertentu saja 174.Sinar-X

Efek fotolistrik memberikan bukti bahwa foton cahaya dapat mentransfer energi pada elektron.

Apakah proses sebaliknya dapat terjadi (yaitu seluruh atau sebagian energi kinetik elektron yang bergerak menjadi foton) ?

Kenyataanya efek fotolistrik-balik telah ditemukan sebelum adanya teori Planck dan Einstein.

Adanya radiasi yang kemampuan tembusnya sangat besar, ditimbulkan bila elektron cepat menumbuk materi (Sinar-X, Wilhem Roentgen 1895)5.Difraksi Sinar-X

Tinjau berkas sinar-x yang jatuh pada kristal. Karena keteraturan letak atom-atom pada kristal maka berkas sinar-x pada arah tertentu akan berinterferensi konstruktif dan pada arah lainnya berinterferensi destruktif.

rk19Berkas sinar-x yang panjang gelombangnya jatuh pada kristal dengan sudut terhadap permukaan bidang Bragg yang jarak antar lapisannya d.

Berkas sinar-x yang mengenai atom A pada lapisan pertama dan atom B pada lapisan kedua masing-masing dihamburkan secara rambang. Konstruksi positif terjadi antar dua sinar terhambur yang sejajar dan beda jarak jalnnya , 2, 3 dst. Jadi beda jarak jalan harus n, dengan n menyatakan bilangan bulat.

Syarat Bragg yang harus dipenuhi :

Berkas cahaya yang dihambur oleh atom A dan atom B adalah sudut hambur sama dengan sudut jatuh ari berkas semula.

Syarat kedua adalah :

dengan n = 1, 2, 3, yaitu orde berkas uang dihambur.

21

6. Efek Compton

Teori kuantum cahaya, menyatakan bahwa foton berlaku sebagai partikel yang tidak mempunyai massa diam.

Dapat dianalisis tumbukan antara foton dengan elektron.

Percobaan yang dilakukan oleh Arthur COMPTON adalah menembakkan foton sinar-x terhadap elektron (mula-mula dalam keadaan diam terhadap koordinat laboratorium). Akibatnya foton akan terhambur dari arah semula dan elektron menerima impuls dan mulai bergerak.Foton dianggap sebagai partikel yang kehilangan energi yang besarnya sama dengan energi kinetik yang diterima elektron.

Dari ungkapan foton sebagai partikel tak bermassa diam didapat hubungan :

dan dari konsep kuanta Planck E = h diperoleh besarnya momentum foton adalah :

Menggunakan asumsi di atas , Compton menjelaskan dari hasil eksperimennya adanya selisih panjang gelombang

yang dikenal sebagai efek Compton

Demonstrasi percobaan efek Compton dapat diperlihat-kan pada gambar berikut :

Berkas sinar-x dengan panjang gelombang tunggal diarah-kan pada target. Panjang gelombang sinar-x hambur diten-tukan untuk berbagai sudut hambur .

Hasil gelombang sinar-x hambur untuk berbagai sudut hambur ( pada gambar) diperlihatkan pada gambar berikut :

Hasil gelombang sinar-x hambur terlihat adanya pergeser-an panjang gelombang yang sesuai dengan prediksi persa-maan efek Compton.

Hal ini dapat dijelaskan dengan anggapan bahwa partikel hambur dapat berrgerak bebas dikarenakan banyaknya elektron yang terikat lemah pada atom induknya,

Namun demikian, ada pula elektron yang terikat kuat yang bila tertumbuk oleh foton seluruh atom bergerak. Dalam kejadian ini massa besar mo merupakan massa seluruh atom yang besarnya beberapa ribu kali besar massa elektron, sehingga hasil pergeseran Compton tak terdeteksi karena kecil.297. Produksi Pasangan

Pada waktu foton menembus materi dan mendekati inti atom, karena pengaruh medan listrik yang kuat dari inti atom, foton berubah dan membentuk satu pasangan yaitu positron dan elektron yang masing-masing berenergi sebesar 0,51 MeV.

Peristiwa ini disebut produksi pasangan.

Sehingga produksi pasangan memerlukan lebih ddari 1,02 MeV. Energi sebesar 1,02 MeV ini disebut nilai batas ambang produksi pasangan. Setiap tambahan energi foton akan menjadi energi kinetik elektron dan proton.30Panjang gelombang foton yang bersesuaian adalah 0,012 angstrom.

Gelombang EM dengan panjang gelombang tersebut adalah sinar gamma yang diperoleh dalam alam dari pancaran inti radioaktif dan dalam sinar kosmik.

Kebalikan dari produksi pasangan adalah proses anhilasi (pemusnahan), yaitu bertemunya elektron dengan positron dan musnah serta diikuti terbentuknya foton. Arah foton sedemkian sehingga energi dan momentum linearnya kekal dan tidak perlu ada inti atau partikel lain supaya terjadinya proses tersebut.

8.Foton dan Gravitasi

Dari dualitas partikel-gelombang diperoleh pemahaman bahwa foton berlaku serupa dengan partikel biasa dalam situasi tertentu.

Konsekuensinya apakah foton dipengaruhi oleh gravitasi ?Penjelasannya perlu dipahami mengenai teori relativiatas :

Prinsip ekuivalensi (Einstein, 1907), Publikasi efek gravi-tasi pada cahaya dibawah relativitas khusus.

Menurut prinsip ekuivalensi, kejadian yang terjadi dalam laboratorium tertutup dipercepat (non-inersia) tidak bisa dibedakan dari kejadian dalam medan gravitasi

Relativitas Umum (Einsten, 1915)

Relativitas umum Einstein menggambarkan alam semesta sebagai suatu sistem geometris tiga ruang dan satu dimensi waktu.

Kehadiran massa, energi, dan momentum (kuantutasi secara kolektif sebagai kepadatan massa-energi atau tekanan-energi) yang dihasilkan dalam tekukan sistem koordinat ruang-waktu. Gravitasi, oleh karena itu, merupakan sebuah pergerakan sepanjang sederhana atau paling tidak rute energetik sepanjang lengkungan ruang-waktu.

Dari kedua pemahaman tersebut disimpulkan bahwa cahaya mengalami efek gravitasi. (kelengkungan cahaya).

Kelengkungan dari cahaya bukan karena beratnya, tetapi kelengkungan yang diciptakan oleh benda berat lain yang membuat kita tetap melayang di luar angkasa.

Beberapa temuan mendukung prediksi unik dari relaivitas umum :Presisi dari perihelion MerkuriusPembelokan gravitasi cahaya bintangPelebaran alam semesta (dalam bentuk konstanta kosmologis)Delay dari gema radarRadiasi Hawking dari black hole

Walaupun foton tidak mempunyai massa diam, tetapi saat bertumbukan seakan-akan mempunyai massa kelembaman (inersia) besar, sehingga massa foton dapat dihitung dari persamaan :

dengan v = c untuk foton.

.

Karena massa gravitasi tdak dapat dibedakan dari massa inersia maka cahaya dipengaruhi gravitasi Kita dapat mengamati cahaya yang melintasi sebuah laboratorium yang dipercepat.

Berkas cahaya yang melengkung terhadap laboratorium haruslah sama seperti cahaya yang mengalami medan gravitasi yang besar percepatan medannya setara dengan percepatan laboratorium tersebut .