Sejarah Teori Kuantum Efek Fotolistrik

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