1

FISIKA KUANTUM 1

THOMAS YOUNG

ALBERT EINSTEIN

EFEK FOTOELEKTRIK

EFEK COMPTON

MAX PLANCK

2

THOMAS YOUNG

Percobaan Young (1801)Cahaya tampakPola-pola terang gelapPeristiwa interferensiPanjang gelombang dapat diukurCahaya tampak adalah suatu

bentuk gelombang

3

4

21 rrsind

D

ytg

5

,2,1,0m,msind

,2,1,0m,)2

1m(sind

Maksimum :

Minimum :

Panjang gelombang rata-rata cahaya tampak :

570 nm 555 nm

6

ALBERT EINSTEIN

Teori relativitas spesial (1905) Waktu dan ruang (kecepatan)

Technical expert (Swiss Patent Office)Fisika sebagai pekerjaan sambilanMakalah kelas dunia (world-class)

Hipotesis mengenai light quantaHadiah Nobel

7

c

v 21

1

Speed parameter : Faktor Lorentz :

Momentum :

mvp

Energi total :

2cmE

Energi total = Energi diam + Energi kinetik

KcmE 2 )1(cmK 2

Hubungan antara energi dan momentum :

2222 )mc()pc(E

8

Hipotesis Einstein (1905) Kadang-kadang cahaya bertindak seolah-olah

energinya terkonsentrasi pada suatu berkas diskrit yang disebut light quanta

Cahaya tidak hanya sebagai gelombang tetapi juga sebagai partikel

Sekarang light quanta disebut foton Max Plank (1913)

Merekomendasi Einstein menjadi anggauta Royal Prussian Academic of Science

Kadang-kadang Einstein salah dalam berspekulasi

9

fhE

0m

Energi foton :

Kecepatan foton V = c Energi diam = 0

fppchf

hp

Momentum foton :

2222 )mc()pc(E

h = 6,63 x 10-34 J.s = 4,14 x 10-15 eV.s

Konstanta Plank :

10

Panjang gelombang, frekuensi dan energi dari foton

EM Waves Wavelength Frequency Energy

Gamma ray 50 fm 6 x 1021 25 MeV

X ray 50 pm 6 x 1018 25 keV

Ultraviolet 100 nm 3 x 1015 12 eV

Visible 550 nm 5 x 1014 2 eV

Infrared 10 m 3 x 1013 120 meV

Microwave 1 cm 3 x 1010 120 eV

Radio wave 1 km 3 x 105 1,2 neV

11

Contoh Soal 10.1 :

Cahaya kuning dari lampu gas Na mempunyai panjang gelombang sebesar 589 nm. Tentukan energi fotonnya dalam eV.

eV11,2m10x589

)s/m10x3)(s.eV10x14,4(E

hcfhE

9

815

Jawab :

Energi yang akan diperoleh sebuah elektron atau proton bila dipercepat dengan perbedaan tegangan sebesar 2,11 V

12

Contoh Soal 10.2 :

Dalam peluruhan radioaktif, suatu inti atom mengemisikan sinar gamma yang energinya sebesar 1,35 MeV. Tentukan :

a) Panjang gelombang dari foton

b) Momentum dari foton

fm920eV10x35,1

)s/m10x3)(s.eV10x14,4(

E

hchcfhE

6

815

Jawab :

a)

13

b)

s/mkg10x20,7s/m10x3

)eV/J10x6,1)(eV10x35,1(p

c

E

f

hfhp

228

196

c/MeV35,1c

)MeV35,1(p

c

Ep

Berlaku juga untuk partikel-partikel dimana E total >> Energi diam

14

EFEK FOTOELEKTRIK Cahaya dengan frekuensi f

dijatuhkan pada pelat logam P Terjadi tumbukan antara foton dan

elektron-elektron pada pelat logam P Elektron-elektron terlepas dari

atomnya menjadi elektron bebas Terdapat perbedaan potensial Vext

antara pelat P dan cawan kolektor C Elektron akan mengalir (bergerak)

menghasilkan arus i yang melewati pengukur arus A

Beda potensial Vext dapat diubah-ubah dari positip ke negatip

15

Pengamatan I : Stopping Potential Vo

Cahaya a dan b mempunyai intensitas berbeda (b > a)

Vo adalah beda potensial yang diperlukan agar tidak terjadi arus

Energi potensial eVo sama dengan energi kinetik maksimum Km yang diperoleh elektron akibat tumbukan dengan foton

Ternyata Vo sama untuk cahaya a dan cahaya b

Energi kinetik maksimum dari elektron tidak tergantung pada intensitas cahaya

16

Pengamatan II : Frekuensi cutoff fo

Pada frekuensi fo stopping potential Vo = 0

Untuk f < fo, tidak terjadi efek fotoelektrik

17

Analisis I : Stopping Potential Vo

Dalam teori gelombang, intensitas lebih tinggi akan memperbesar amplituda medan listrik E

Gaya eE yang diterimanya akan memperbesar percepatan Energi kinetik lebih besar

Ternyata energi kinetik maksimumnya sama Telah dicoba dengan intensitas sampai 107 kali Stopping potential yang selalu sama pada efek

fotoelektrik tidak dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah gelombang

Cahaya = Gelombang

18

Analisis I : Stopping Potential Vo

Cahaya dengan intensitas lebih tinggi akan mempunyai jumlah foton yang lebih banyak

Tidak memperbesar energi kinetik setiap foton Energi kinetik yang diperoleh elektron dari

tumbukan dengan foton tidak berubah E = h f Stopping potential yang selalu sama pada efek

fotoelektrik dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah partikel

Cahaya = partikel (foton)

19

Analisis II : Frekuensi cutoff fo

Menurut teori gelombang, efek fotoelektrik seharusnya tetap akan terjadi untuk setiap frekuensi asalkan intensitasnya cukup tinggi

Ternyata untuk f < fo, efek fotoelektrik tidak pernah terjadi berapapun intensitasnya

Adanya frekuensi cutoff pada efek fotoelektrik tidak dapat diterangkan dengan menganggap cahaya adalah gelombang

Cahaya = Gelombang

20

Analisis II : Frekuensi cutoff fo

Elektron-elektron terikat pada atom-atomnya Diperlukan energi minimum agar elektron terlepas

dari atomnya yang disebut sebagai Work Function Bila energi foton yang menumbuknya hf > , efek

fotoelektrik akan terjadi Bila frekuensinya terlalu kecil sehingga energi foton

hf < , efek fotoelektrik tidak mungkin terjadi Adanya frekuensi cutoff dapat diterangkan dengan

menganggap cahaya adalah partikel

Cahaya = partikel (foton)

21

Analisis III : Time delay Dalam teori gelombang, elektron memerlukan

waktu menampung/menerima energi dari gelombang cahaya sampai cukup besar agar dapat melepaskan diri dari atomnya

Kenyataannya selang waktu ini tidak pernah teramati dalam percobaan-percobaan

Efek fotoelektrik terjadi seketika, karena terjadinya peristiwa tumbukan antara elektron dan foton

22

Analisis Kuantitatif

hfKKfh mm

ef

e

hVKeV omo

Prinsip Kekekalan Energi pada efek fotoelektrik

Einstein :

Vo linier terhadap frekuensi

23

s.V10x1,4

Hz10x)610(

V)72,035,2(bc

ab

e

h

15

14

s.J10x63,6s.J10x6,6h

)C10x6,1)(s.V10x1,4(h

h)e(e

h

3434

1915

24

ef

e

hVo

Hz10x3,4f

0V14

o

o

ef

e

h0 o

eV8,1J10x9,2

)Hz10x3,4)(s.J10x63,6(hf19

1434o

Contoh Soal 10.3 :

Tentukan besarnya work function dari pengamatan frekuensi cutoff

Jawab :