Sejarah Teori Kuantum

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

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 2

Era Perang Fisika 3 dasawarsa

(1900-1930)

Fisika Kuantum vs Fisika Klasik

23/08/2011

2

Perang Fisika 3 Dasawarsa

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 3

Radiasi Benda Hitam

• Radiasi: pemindahan tenaga

lewat pancaran (gelombang

elektromagnetik)

• Tiap benda memancarkan

radiasi termal.

• Radiasi akan kasat mata (4000

Å < λ < 7000 Å) jika suhu benda

> 700o C.

• Jika suhu dinaikkan, frekuensi

radiasi yg dipancarkan ternyata

juga bergeser naik

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 4

Frekuensi

Inte

nsita

s r

ad

iasi

23/08/2011

3

Radiasi Benda Hitam

• Benda hitam: benda

yg menyerap seluruh

radiasi elektromagnetik

yg mengenainya

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 5

Tatkala oven

dipanaskan, suatu

saat mata kita melihat

radiasi merah

menyala

Radiasi Benda Hitam

• Kepekaan relatif mata

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 6

Putih jika semua merah

hijau biru ada

inframerah Frekuensi ultravioletM H B

23/08/2011

4

Radiasi Benda Hitam

Pada 1792, seorang tukang bikin

porselen yang masyhur, Josiah

Wedgwood bikin suatu catatan

penting, semua benda yang

memerah ternyata memiliki suhu

yang sama

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 7

Dalam kondisi setimbang, radiasi

tergantung pada suhu saja

Radiasi Benda Hitam

1896

Sejawat Planck di Departemen Fisika Berlin, Wilhelm Wien, melakukan

percobaan radiasi rongga, terbuat dari porselen dan platina

Sejawat Planck yg lain di Technische Hochschule, Berlin, Heinrich

Ruben menggunakan oven

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 8

pemanas

ronggaBukan rongga

Pengukuran frekuensi

radiasi

Pengukuran

intensitas

23/08/2011

5

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 9

Radiasi benda hitam Distribusi kecepatan

Maxwell

Kurva radiasi benda hitam ternyata mirip dengan kurva distribusi

kecepatan Maxwell

Apakah ini merupakan sebuah pertanda, bahwa radiasi benda hitam dapat

dipelajari seperti gas ideal Maxwell

Gelombang elektromagnetik (sesuatu yg berbeda dengan molekul gas) bergetar

disekitar titik setimbang dalam suatu bejana tertutup?

Radiasi Benda Hitam

• Rumusan Wien

hanya sahih pada

frekuensi tinggi

• Rumusan Rayleigh-

Jeans, berdasarkan

teori Maxwell, hanya

sahih pada

frekuensi rendah

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 10

Ultraviolet

(frekuensi tinggi)

Inframerah

(frekuensi rendah)

Hukum Wien

Ramalan Rayleigh-Jeans:

pada daerah ultraviolet, intensitasnya tak

terhingga

Inilah yang masyhur sebagai Ultraviolet

Catasthrope, bencana ultraviolet

(istilah ini berasal dari Paul Ehrenfest, 1911)

23/08/2011

6

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 11

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 12

Jika Rayleigh-Jeans benar, berbahaya lho ya

duduk di dekat perapian ini

23/08/2011

7

Radiasi Benda Hitam

Seperti ekipartisi energi untuk

partikel gas Maxwell, Rayleigh-

Jeans juga menerapkan

ekipartisi energi pada

gelombang.

Namun, jumlah tingkat getaran

yang mungkin dibangkitkan

adalah tak terbatas.

Jadi,

makin tinggi frekuensi,

maka kian banyak

gelombangnya,

kian kuat radiasinya

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 13

Cara Rayleigh-Jeans

menurunkan rumusnya

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 14

Departemen Fisika Institut Kaiser Wilhelm di Berlin

Karir Planck dimulai dari tempat ini

Planck merupakan anggota senior

Akademi Prussia

Sejak disertasi 1879, ia menekuni

termodinamika (saat itu Einstein baru

lahir)

23/08/2011

8

Radiasi Benda Hitam

• Planck yakin dengan percobaan Heinrich Rubens

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 15

Model materi sebelum

era atom

Gagasan awal Planck:

•Ada sekumpulan osilator listrik

dalam dinding rongga yg

bergetar maju mundur karena

rangsangan panas

• Harus ada semua frekuensi yg

mungkin

•Jika suhu makin tinggi maka

osilator bergetar kian cepat

sehingga frekuensi rata-rata naik

sampai tercapai kesetimbangan

termal.

panas kian panas

frekuensi

Frekuensi puncak naik

terhadap kenaikan suhu

en

erg

i

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 16

Model materi sebelum

era atom

Teori elektromagnetik berhasil menjelaskan seluk-beluk

pancaran, serapan dan penjalaran radiasi

Teori elektromagnetik GAGAL menjelaskan distribusi energi

pada kesetimbangan

Planck mengaitkan energi rata-rata osilator dengan entropi.

Jadi Planck menggunakan ungkapan entropi untuk radiasi

23/08/2011

9

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 17

Pada seminar fisika di Univeritas Berlin, 19 Oktober 1900

Radiasi Benda Hitam

• Heinrich Rubens, seusai

seminar segera lembur di

rumah. Ia mencocokkan

rumus Planck dengan data

percobaannya. Sempurna.

Luar biasa.

• Esok paginya, Rubens

menyalami Planck

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 18

Data percobaan

Hukum Wien

Tantangan berikutnya: bagaimana menggunakan rumus ini untuk

menemukan prinsip fisikanya

23/08/2011

10

Radiasi Benda Hitam

• Planck mencoba melihat

hubungan entropi dan

peluang menurut Boltzmann.

“Tapi, Planck menolak

asumsi terjadinya fluktuasi”

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 19

S = k log w

Hukum kedua Termodinamika ala Boltzmann

Selama ini, sampai sebelum 1900, dari sekitar 40-an tulisan

Planck tak ada satupun yang merujuk rumusan Boltzmann ini

Radiasi Benda Hitam

• Gagasan Planck:

1. Persamaan statistik: untuk menghitung entropi

2. Keadaan: entropi harus maksimum

3. Teknik menghitung: untuk menentukan peluang w

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 20

Untuk menghitung peluang variasi susunan yg mungkin, Planck mengiris-iris

energi osilator menjadi keping-keping yg sangat kecil.

Jadi, energi totalnya E = N e,

dengan N banyaknya keping, e keping

energi sebarang

23/08/2011

11

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 21

Untuk menghitung peluang variasi susunan yg mungkin, Planck mengiris-iris

energi osilator menjadi keping-keping yg sangat kecil.

Jadi, energi totalnya E = N e,

dengan N banyaknya keping, e keping energi sebarang

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 22

Pengirisan energi ini menyebabkan energi radiasi harus tidak kontinyu.

Tapi, Planck tak punya alasan teoretis untuk konsep ini. Ya sudah, ini

dianggap sebagai postulat.

Maklumat

Postulat Planck:

Pokoknya ya, nilai

e = h f

harus terbatas

dan nilai h tidak

boleh nol

23/08/2011

12

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 23

Maklumat

Postulat Planck:

Pokoknya ya,

nilai e = h f

harus terbatas

dan nilai h tidak

boleh nol

Jika postulat ini kelak terbukti sahih, maka

osilator menyerap dan memancarkan nergi

secara tidak kontinyu, dalam satuan e=hf.

Ini disebut sebagai kuanta energi.

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 24

Pada f tinggi, kuanta

energinya e=hf sangat

besar, sehingga hanya

sedikit getaran yang

tereksitasi, sehingga

osilator tertekan, sehingga

radiasi turun menuju nol

pada f tinggi

Hore.....

kita selamat dari

bencana ultraviolet

23/08/2011

13

Radiasi Benda Hitam

• Tetapan h punya nilai sangat kecil sekali, tapi tidak nol.

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 25

Pada 1901 tetapan ini ditentukan buat pertama kalinya.

Nilainya

h =

0,0 000 000 000 000 000 000

000 000 000 000 006 626

tapi tidak nol

Jika h sama dengan nol maka kita tidak bisa api-api di dekat api unggun.

Maka berterimakasihlah untuk hal-hal kecil dalam hidup kita.

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 26

Max Planck jalan-jalan pagi bersama

anaknya

“Mungkin hari ini bapakmu akan membuat

karya sehebat Newton”

Hari itu juga, Planck memberi paparan

pada Masyarakat Fisika Berlin

Inilah Prasasti

lahirnya teori kuantum

23/08/2011

14

Radiasi Benda Hitam

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 27

Radiasi Latar sinar kosmis

Fajar Alaf Baru Telah Menyingsing

23/08/2011 Rachmad Resmiyanto 28

Mekanika

Newton,

Elektromagnetika

Maxwel,...Fisika

Klasik

Aneh, sebuah revolusi besar ternyata dimulai dari sebuah kebetulan belaka