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
Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 2
Philip Lenard (1862-1947)
Menyelidiki berkas sinar katoda
(10 th sebelumnya, Heinrich Hertz
Sudah mengamatinya)
23/08/2011
2
• cdf
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 3
Philip Lenard (1862-1947)
Heinrich Hertz (1857-1894)
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 4
23/08/2011
3
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 5
Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 6
10-9 s
i i
i e V0
t Intensitas I
f dan v tetap
I1
V0
I2
I3
ff0f0
CuCs K
f0
Grafik Data
23/08/2011
4
Efek Fotolistrik
Pandangan klasik:
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 7
Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik
Energi bersifat kontinyu
Energi tidak gayut pada frekuensi
Intensitas merupakan energi cahaya yg jatuh pada suatu
permukaan tiap satuan luas tiap satuan waktu
Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 8
Tafsiran klasik: gelombang laut [gelombang cahaya] menghempaskan koral
[elektron] ke pantai. Maknanya, semakin tinggi intensitas pancaran semakin
banyak energi yang diberikan kepada elektron.
23/08/2011
5
Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 9
Tafsiran klasik: gelombang laut [gelombang cahaya] menghempaskan koral
[elektron] ke pantai. Maknanya, semakin tinggi intensitas pancaran semakin
banyak energi yang diberikan kepada elektron.
i
Intensitas I
f dan v tetap
Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 10
Tetapi, kenapa ada frekuensi ambang?
Sekuat apapun intensitas cahaya yang datang, jika frekuensinya di bawah
frekuensi ambang maka tak ada elektron yang terlempar. Ini sangat aneh...
23/08/2011
6
Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 11
Tetapi, kenapa ada frekuensi ambang?
Sekuat apapun intensitas cahaya yang datang, jika frekuensinya di bawah
frekuensi ambang maka tak ada elektron yang terlempar. Ini sangat aneh...
e V0
ff0f0
CuCs K
f0
Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 12
10-9 s
i i
i e V0
t Intensitas I
f dan v tetap
I1
V0
I2
I3
ff0f0
CuCs K
f0
Pandangan
Klasik
berhasil
gagal
23/08/2011
7
Efek Fotolistrik: siapa pahlawannya?
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 13
Dia adalah seorang kerani
rendahan dari kantor Paten Swiss
di Bern
Namanya Albert Einstein bin
Hermann Einstein
Efek Fotolistrik diselesaikan oleh seorang kerani rendahan
Tahun 1905, usia Einstein baru 26 tahun.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 14
23/08/2011
8
Efek Fotolistrik diselesaikan oleh seorang kerani rendahan
Tahun 1905, usia Einstein baru 26 tahun.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 15
Efek Fotolistrik diselesaikan dari sebuah rumah kecil
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 16
23/08/2011
9
Efek Fotolistrik diselesaikan dari sebuah rumah kecil
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 17
Jurnal Annalen der Physik
Jurnal fisika Jerman, 1905
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 18
23/08/2011
10
Teknik Jitu ala Einstein
• Einstein akrab dengan soal fotolistrik dan sudah
mengetahui hukum radiasi Planck
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 19
Perlu diingat,
Pendekatan Max Planck dalam radiasi benda hitam
bersifat pribadi. Ia berdasarkan pada pendekatan
statistiknya sendiri dan rumus entropi Boltzmann untuk
kumpulan partikel
Teknik Jitu ala Einstein
• Planck membenci persamaan Boltzmann (hukum entropi untuk
untuk sistem partikel), S = k log w, namun digunakan juga untuk
menyelesaikan radiasi benda hitam
• Rumus radiasi Wilhelm Wien (teman Planck di Berlin) sahih untuk
bagian frekuensi tinggi dari kurva radiasi benda hitam. Rumus
radiasi Planck bisa diturunkan menjadi rumus Wien untuk f tinggi.
• Rumus Planck merupakan rumus teoretik, rumus Wien merupakan
rumus empirik
• Einstein lebih menyukai metode fenomenologi ketimbang teori murni
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 20
23/08/2011
11
Teknik Jitu ala Einstein
• Einstein menggunakan
metode fluktuasi untuk
menghitung perubahan
entropi sistem termampatkan
(artinya volumenya menjadi
lebih kecil dari semula)
• Rumus Wien digunakan
untuk menghitung penurunan
entropi radiasi monokromatik
termampatkan. Ini mirip sekali
dengan partikel gas ideal.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 21
Partikel Gelombang
Teknik Jitu ala Einstein
• Einstein tidak menggunakan anggapan apapun ttg struktur
partikel atau hukum gerak.
• Einstein hanya menggunakan hukum entropi Boltzmann, S =
k log W
• Hasilnya, untuk radiasi ternyata mirip rumus gas
termampatkan
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 22
Jadi Einstein punya hipotesis: “pada f tinggi, radiasi berkelakuan
seolah-olah terdiri dari paket energi yang berdiri sendiri dan tak
bergantung besaran k β f. Berarti radiasi itu seperti partikel cahaya”
23/08/2011
12
Teknik Jitu ala Einstein
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 23
= h / k
E = n h f
Jadi, energi radiasi = banyaknya partikel kali hf. Dan hf merupakan kuantum
radiasi.
ARTINYA, SEMUA CAHAYA & RADIASI ELEKTROMAGNETIK berupa
paket energi hf. (Ini jauh lebih umum dari gagasan PLanck)
Teknik Jitu ala Einstein
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 24
Lalu, apakah Einstein yakin dan percaya diri
dengan hasil analisisnya?
23/08/2011
13
Teknik Jitu ala Einstein
• Einstein ragu jurnal Annalen der Physik tidak akan
menerbitkan tulisannya. Einstein sadar, ia tidak memberi
bukti apapun.
• Istrinya, Mileva Maric, menyarankan untuk
menggunakan terminologi “HEURISTIK” dalam judul
tulisannya[Heuristik menunjukkan bahwa itu bukan penyelesaian tegas,
seolah digarap tidak terlalu serius dan butuh penelitian lanjutan]
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 25
SUDUT PANDANG HEURISTIK TERHADAP WATAK CAHAYA
Penjelasan Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 26
Ternyata, persoalan efek fotolistrik menjadi sangat sederhana ketika
radiasi pancaran dipandang sebagai kumpulan partikel atau foton
dengan paket energi sebesar hf
23/08/2011
14
Penjelasan Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 27
Foton yang datang memberikan energinya pada
elektron (untuk melepaskan diri dari ikatan logam),
sisa energi digunakan elektron untuk bergerak di
ruang bebas
Energi foton = energi
kinetik + kerja untuk
melepaskan diri
Penjelasan Efek Fotolistrik
• Kalau pada lempengan logam dipasang tegangan
penghenti, V0, maka tegangan itu dapat mengimbangi K
elektron & menghentikan arus elektron
q = muatan elektron
• Persamaan ini begitu sederhana, mudah diuji di lab.
Fungsinya hanya V0(f), fungsi linear.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 28
q V0 = h f -
23/08/2011
15
Penjelasan Efek Fotolistrik
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 29
Sinar terang
(banyak foton)
Sinar redup
(sedikit foton)
e V0
ff0f0
CuCs K
f0
Intensitas sinar berkaitan dengan
jumlah foton, sehingga mempengaruhi
jumlah arus elektron, tapi tidak
mempengaruhi tegangan penghenti V0
yang hanya gayut frekuensi.
Upaya menyanggah Einstein
• Robert A Milikan (1868 - 1953)
merupakan salah satu fisikawan
klasik yang keras kepala
• Selama 5 tahun, 1912-1917, ia
menguji linearitas persamaan Einstein
di Lab. Ryerson Univ. Chicago.
• Ia menggunakan berbagai logam
(bahkan Na yg sangat reaktif), cahaya
berbagai frekuensi, dengan teknik yg
canggih, logam itu ditaruh di ruang
hampa.
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 30
23/08/2011
16
Upaya menyanggah Einstein
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 31
Upaya menyanggah Einstein
• Alih-alih meruntuhkan, Milikkan justru menguatkan
Einstein. BAYANGKAN SELAMA 5 TAHUN !
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 32
23/08/2011
17
Upaya menyanggah Einstein
• Milikkan masih percaya bahwa persamaan radiasi
kuantum bukan kemenangan terbesar Planck dan
Einstein. (Ini merupakan sentimen)
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 33
Tanggapan Planck
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 34
Ya ampun Planck, ternyata selama
ini temuan kita diabaikan
23/08/2011
18
Tanggapan Planck
23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 35
Anehnya, Planck juga turut menolak penjelasan Einstein.
Bahkan Planck juga menolak kuantum cahayanya sendiri
Planck menganggap Einstein melakukan spekulasi ngawur dngan hipotesis
kuantum cahayanya