DUALISME PARTIKEL-GELOMBANG

Transkripsi

1 FISIKA MODERN DUALISME PARTIKEL-GELOMBANG Muchammad Chusnan Aprianto STT Dr.KHEZ Muttaqien Purwakarta

2 DUALISME PARTIKEL - GELOMBANG Bukti dualisme partikel-gelombang: Efek fotolistrik Efek Compton Partikel Difraksi elektron Interferensi materigelombang Gelombang Konsekuensi: Ketidakpastian Heisenberg

3 Efek Fotolistrik Hertz J.J. Thomson Ketika sinar-uv menamrak logam dlm ruang hampa, ia mengemisikan partikel bermuatan (Hertz 1887), yg kemudian diketahui sbg elektron oleh J.J. Thomson (1899). Ruang hampa Potentiometer Plat logam cahaya, frekuensi ν I Ammeter Plat pengumpul Dugaan Klasik Medan listrik E menghasilkan gaya F =-ee pada 1 elektron. Intensitas cahaya meningkat, maka Ek seharusnya meningkat. Selama nilai E tinggi, elektron selalu diemisikan berapun frekuensi cahaya (v) yang dipancarkan Untuk intensitas sangat rendah, mungkin ada rentang waktu antara paparan cahaya dan emisi, dikarenakan elektron harus menyerap energi yg cukup untuk keluar dari bahan (plat logam)

4 Efek Fotolistrik (Cont d) Hasil pengamatan: Ek maksimum yg dihasilkan elektron tdk tergantung dari intensitas, tp tergantung v v < v o (frekuensi dibawah frekuensi batas) tidak ada elektron yg diemisikan tidak ada rentang waktu, krn rerata emisi elektron tergantung dari intensitas cahaya Interpretasi Einstein: Cahaya datang dari paket energi (foton) E = h Sebuah elektron menyerap 1 foton diperlukan untuk meninggalkan bahan (plat logam). Einstein Ek maksimum yang diemisikan elektron dirumuskan: K h W max Konstanta Planck, konstanta universal pada alam h Js Fungsi kerja: energi minimum yg dibutuhkan elektron untuk teremisikan (tergantung bahan, biasanya 2-5eV) Milikan menferivikasi ini melalui eksperimen

5 Ringkasan Sifat-Sifat Foton Hubungan antara sifat partikel dan gelombang dari cahaya Energi dan frekuensi E h Juga ada hubungan antara momentum and panjang gelombang E Rumusan relativistik untuk momentum dan energi Untuk cahaya E p k p pc Sering pula ditulis dengan h dan h c 2 c Frekunsi sudut E p c m c k Vektorgelombang 2 hbar h 2

6 Akhir pertemuan 4

7 HAMBURAN COMPTON Compton Compton (1923) mengukur intensitas hamburan sinarx dari target padat sebagai fungsi panjang gelombang dari berbagai sudut. Ia memenangkan hadiah Nobel tahun Sumber sinar-x Kolimator (Pengatur sudut) kristal (mengukur panjang gelombang) Target θ Hasil: Puncak dari radiasi yang dihamburkan bergeser ke arah Detektor panjang gelombang yang lebih panjang dibandingkan dgn sumber. Semua tergantung θ (bukan dari target). A.H. Compton, Phys. Rev (1923)

8 HAMBURAN COMPTON (cont) Ilustrasi klasik: osilasi medan GEM menyebabkan osilasi posisi partikel bermuatan, yang mana meradiasikan kembali frekuensi dan panjang gelombang yang sama dengan radiasi datang. Perubahan panjang gelombang radiasi yang diteruskan tidak dapat dijelaskan oleh konsep klasik ini Gel.cahaya datang Elektron berosilasi Gel.cahaya yg diemisikan Penjelasan Compton: bola bilyard tumbukan antara partikel cahaya (sinar-x) dan elektron di dalam material Sebelum Foton datang Sesudah p Hamburan foton p Elektron p e Hamburan elektron θ

9 Hamburan Compton (cont) Sebelum Foton datang Sesudah p Hamburan foton p Electro n p e θ Hamburan elektron Kekekalam energi Kekekalan momentum / 2 h h mec h pe c me c p ˆ i p pe Compton kemudian menurunkan perubahan panjang gelombang h 1 cos mc e 1 cos 0 h c mc c 12 Compton wavelength m e

10 Hamburan Compton (cont) Catatan, pada semua sudut pasti ada puncak yang tak tergeser Ini berasal dari tumbukan antara sinar-x dengan inti dari atom h 1 cos > 0 mc N karena m > m N e

11 Dualisme Partikel-Gelombang dari Cahaya Tahun 1924 Einstein menulis:- There are therefore now two theories of light, both indispensable, and without any logical connection. Evidence sifat gelombang cahaya Diffraction dan interference Evidence sifat partikel cahaya Efek fotolistrik Hamburan Compton

12 Sifat Gelombang De Broglie Pada efek fotolistrik, paket energi cahaya yang datang sangat bergantung pada frekuensi atau panjang gelombang Tahun 1923 Louis de Broglie mempostulatkan bahwa benda biasa dapat memiliki sifat seperti gelombang, dengan panjang gelombang berkaitan dengan momentum p dari cahaya. Rumusan de Broglie Panjang gel. de Broglie h p konstanta Planck s h Js Panjang gelombang tergantung momentum, bukan ukuran partikel Prediksi: Kita harus melihat adanya diffraksi dan interferensi dari gelombang materi ini

13 Estimasi beberapa panjang gelombang de Broglie Panjang gelombang elektron dgn energi kinetik 50eV K 2 2 p h h m 2 me me mk e Panjang gel. molekul nitrogen pada temp ruangan 3kT K, Mass 28m 2 h 3MkT u m Panjang gel atom Rubidium (87) pada 50 o K h 3MkT m

14 Diffraksi Elektron Percobaan Davisson-Germer (1927) θ i Percobaan Davisson-Germer: hamburan elektron dari sebuah kristal Ni. Davisson mendapatkan Nobel tahun 1937 Davisson G.P. Thomson θ i Pada tegangan tertentu (energi elektron tertentu) diperoleh pola tajam dari pantulan elektron Pada sudut tertentu, diperoleh puncak intensitas yang tajam sbg fungsi dari energi elektron Davisson, C. J., "Are Electrons Waves?," Franklin Institute Journal 205, 597 (1928) G.P. Thomson melalukan percobaan yang mirip menggunakan sampel film tipis.

15 Diffraksi Elektron (cont) Interpretasi: sama seperti hamburan sinar-x dari sebuah kristal θ i acos i Beda lintasan: a(cos cos ) r i θ r a Interferensi konstruksif ketika: a(cos cos ) n r i Hamburan elektron didominasi oleh lapisan permukaan acos r Cttn: θ i dan θ r tdk harus sama

16 Percobaan Celah Ganda Young (1801) mendemonstrasikan sifat gelombang dari cahaya. Partikel koheren (atau cahaya) d d sin θ y Layar Alternatif deteksi: scan detektor pada setiap bidang (y) dan catat semua titik yg muncul D detektor Untuk partikel diharapkan ada 2 puncak, untuk gelombang ada pola interferensi

17 Hasil Eksperimen Neutrons, A Zeilinger et al Reviews of Modern Physics Molekul C 60 : M Arndt et al Nature Dengan celah banyak Tanpa celah banyak Atom He: O Carnal and J Mlynek 1991 Physical Review Letters Fringe visibility decreases as molecules are heated. L. Hackermülle r et al Nature

18 Eksperimen Celah Ganda dengan Atom Helium (Carnal & Mlynek, 1991,Phys.Rev.Lett.,66,p2689) Beda lintasan: d sin Interferensi konstruktif: Jarak antara titik maksimal: (proof following) Experimen: atom He pada 83 o K, dengan d=8μm and D=64cm Hasil pengukuran: dsin n y y8.2m D d d θ d sin y Prediksi oleh panjang gel de Broglie: 3kT K, Mass 4m 2 h 3MkT u m Hasil prediksi: D y m Mendekati hasil eksperimen

19 HEISENBERG MICROSCOPE DAN PRINSIP KETIDAKPASTIAN (juga sering disebut dgn Bohr mikroskop, tapi eksperimen dilakukan oleh Heisenberg). Mikroskop adalah perangkat citra untuk melihat posisi (y) dan momentum (p) dari suatu partikel. Heisenberg Sumber cahaya, panjang gel λ y Partikel θ/2 Lensa, dengan diameter sudut θ menghasilkan: y

20 HEISENBERG MICROSCOPE (cont) Foton mentransfer momentum ke partikel ketika dihamburkan. Magnitude p selalu sama sebelum dan sesudah tumbukan. Why? Ketidakpastian momentum foton y = ketidakpastian momentum partikel y psin / 2 p psin / 2 Pendekatan untuk sudut kecil p 2psin / 2 p y Rumusan de Broglie y p h/ dan shg p y p h θ/2 p dari sebelumnya y sehingga p y h y PRINSIP KETIDAKPASTIAN HEISENBERG

21 PRINSIP KETIDAKPASTIAN HEISENBERG xp yp zp x y z /2 /2 /2 PRINSIP KETIDAKPASTIAN: kita tidak bisa memiliki pengetahuan variabel simultan seperti momentum dan posisi. Ctt, bagaimanapun, xp y 0 etc

22 Intensitas KETIDAKPASTIAN ENERGI-WAKTU Hubungan ketidakpastian energi-waktu Et /2 Transisi antar tingkat energi atom tidaklah begitu tajam. E h 32 n = 3 n = 2 Elektron pada n = 3 secara spontan akan meluruh ke aras di bawahnya saat waktu paruh t 10-8 s n = Frekuensi

23 KESIMPULAN Cahaya dan partikel memiliki dualisme sifat partikel dan gelombang Hubungan keduaya dituangkan dlm perumusan de Broglie, Bukti sifat partikel dari cahaya: Efek fotolistrik dan Hamburan Compton E h p h Bukti sifat gelombang dari cahaya: Difraksi elektron, interferensi gelombang materi (electrons, neutrons, He atoms, C60 molecules) Sifat dualisme ini menghasilkan konsekuensi Prinsip ketidakpastian Heisenberg xp yp zp x y z /2 /2 /2

24 TERIMA KASIH