Dualisme partikel gelombang

Pada pekan ke-10 kuliah FI1201 Fisika Dasar IIA, telah ditunjukkan bahwa melalui persamaan Maxwell, dapat diturunkan persamaan gelombang untuk medan listrik dan magnet (digabung menjadi elektromagnetik). Gelombang elektromagnetik merambat di udara dengan laju yang sama dengan cahaya. Dengan kata lain, Maxwell telah menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Pada pekan 11-12, telah dibahas sifat alamiah dari cahaya sebagai gelombang, yaitu mengalami gejala interferensi dan difraksi.

Pada pekan ke 13 ini ditunjukkan bahwa cahaya juga dapat memiliki sifat partikel. Konsep cahaya sebagai partikel ini digunakan untuk menjelaskan efek Fotolistrik (yaitu gejala terlepasnya elektron dari permukaan logam yang disinari cahaya) dan hamburan Compton.

Efek Fotolistrik

Gambar 1: Skema percobaan fotolistrik [Serway-Jewett, 2010

Skema percobaan fotolistrik diberikan pada gambar 1. Saat cahaya mengenai plat E, elektron akan terlepas kemudian menuju plat C (plat C dihubungkan dengan kutub positif baterai V sehingga menarik elektron). Elektron kemudian mengalir melalui amperemeter. Besarnya arus yang melalui amperemeter menunjukkan banyaknya elektron yang berpindah dari E ke C. Energi kinetik elektron yang terlepas diukur dengan cara memberikan potensial penghenti (pada gambar ditandai dengan variable power supply) yang arahnya berlawanan dengan V. Semakin besar energi kinetik (K) elektron yang terpancar dari E maka semakin besar pula nilai potensial penghenti (Vs)  yang diperlukan untuk menghentikannya. Hubungan kedua besaran ini adalah K = e Vs, dengan emuatan elektron.

Hasil percobaan efek Fotolistrik, ternyata berbeda dengan prediksi fisika klasik yang didasarkan pada anggapan bahwa cahaya adalah gelombang. Berikut ringkasannya [Serway, Jewett, 2010]:

  1. Energi kinetik elektron yang terpancar tidak bergantung dengan intensitas yang sinar yang digunakan. Jika cahaya merupakan gelombang, maka semakin tinggi intensitasnya berarti semakin tinggi pula energi cahaya yang ditransfer ke permukaan logam dan akhirnya semakin tinggi pula energi kinetik elektron yang terlepas. Ternyata hasil percobaan menunjukkan bahwa kenaikan intensitas cahaya tidak membuat energi kinetik elektron bertambah.
  2. Selang waktu antara datangnya sinar ke logam dengan terpancarnya elektron sangat singkat (segera). Menurut prediksi klasik, untuk intensitas cahaya yang rendah mestinya diperlukan selang waktu yang cukup (dan terukur) bagi logam untuk menyerap energi yang diberikan oleh cahaya sampai elektron mencapai energi yang diperlukan untuk lepas dari logam. Ternyata, hasil percobaan menunjukkan bahwa pelepasan elektron dapat terjadi segera setelah logam disinari.
  3. Lepasnya elektron bergantung pada frekuensi sinar yang digunakan. Menurut prediksi klasik, elektron dapat terlepas dari logam asal intensitas cahaya yang digunakan cukup, dan tidak bergantung pada frekuensi cahaya (karena energi yang ditransfer ke logam tidak bergantung pada frekuensinya). Nyatanya, ada batas minimum frekuensi cahaya agar efek fotolistrik terjadi (disebut frekuensi ambang atau cut-off frequancy).
  4. Energi kinetik elektron bergantung pada frekuensi sinar yang digunakan. Menurut fisika klasik, mestinya tidak ada hubungan antara frekuensi cahaya yang digunakan dengan energi kinetik elektron yang terpancar. Nyatanya, energi kinetik elektron yang terpancar meningkat jika frekuensi cahaya yang digunakan dinaikkan.

Keempat kontradiksi antara prediksi klasik dengan hasil eksperimen dapat diatasi dengan menganggap cahaya sebagai paket-paket energi yang bersifat seperti partikel. Energi tiap foton (partikel cahaya) adalah E = hf, dengan h konstanta Planck dan f frekuensi cahaya. Setiap satu paket energi tersebut berinteraksi dengan satu elektron dalam logam dan energi satu foton tersebut diserap seluruhnya oleh elektron. Jika energi foton cukup untuk membebaskan elektron, maka elektron akan terlepas dari logam. Energi yang diperlukan untuk membebaskan elektron disebut fungsi kerja φ, dan energi kinetik elektron adalah selisih antara energi foton dengan fungsi kerja,

K = hf – φ.

Nilai fungsi kerja untuk tiap logam berbeda-beda.

Efek Compton

Pembahasan tentang ini dapat dilihat pada artikel berikut.

Sifat gelombang dari partikel

Efek fotolistrik dan hamburan Compton menunjukkan bahwa cahaya (yang sebelumnya dikenal sebagai gelombang) juga dapat memiliki sifat partikel. De Broglie mengusulkan hal kebalikannya, bahwa partikel juga dapat memiliki sifat gelombang. Dari hubungan energi dan momentum relativistik diperoleh hubungan antara panjang gelombang dan momentum foton λ = h/p. Menurut de Broglie persamaan tersebut juga berlaku bagi partikel. Aplikasi dari konsep ini antara lain pada mikroskop elektron (scanning electron microscope). Soal berikut akan memberikan gambaran tentang keunggulan mikroskop elektron dibanding mikroskop cahaya.

SOAL:
Daya pisah suatu mikroskop ditentukan oleh panjang gelombang yang digunakan. Bagian terkecil yang dapat diamati dengan  mikroskop seukuran panjang gelombang yang digunakan. Misal kita ingin melihat ke dalam atom. Anggaplah diameter atom adalah sekitar 100 pm, sehingga untuk mengamati atom kita perlu mikroskop yang mampu mengamati hingga ukuran, katakanlah, 10 pm. (a) Jika digunakan mikroskop elektron, berapakah energi elektron minimum yang diperlukan? (b) Jika digunakan foton, berapakah energi minimum foton yang diperlukan? (c) Mikroskop manakah yang lebih praktis? Mengapa?

SOLUSI:
(a) Jika digunakan mikroskop elektron, panjang gelombang 10 pm dihasilkan oleh elektron dengan momentum p = h/λ = 6,63*10-23 kg.m/s atau energi kinetiknya K = p2/(2me) = 2,41*10-15 J = 1,51104 eV. Sehingga diperlukan tegangan 1,51*104 Volt untuk mempercepat elektron diam sehingga mencapai panjang gelombang tersebut.
(b) Jika digunakan mikroskop foton, panjang gelombang 10 pm dihasilkan oleh foton dengan energi E = hc/λ = 1,99*10-14 J = 1,24*105 eV. Foton tersebut diperoleh dengan mengeksitasi elektron dalam atom dengan energi sebesar 1,24*105 eV.
(c) Dari jawaban sebelumnya, terlihat bahwa mikroskop elektron memerlukan energi lebih kecil dibanding mikroskop foton, sehingga lebih praktis untuk digunakan.

This entry was posted in Fisika Dasar IIA, kuliah and tagged , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>