Fisika, SMA, Topik Belajar

Mengenal Fenomena Kuantum, Teori, dan Rumusnya | Fisika Kelas 12

February 21, 2023February 28, 2023 by annisa

Hai, Teman KOCO! Sudah siap menerima materi hari ini? Yap, kali ini Minco akan ajak kamu untuk belajar tentang fenomena kuantum. Sebelumnya kamu sudah tahu belum apa itu fisika kuantum? Buat kamu yang penggemar film Marvel tentu sudah tidak asing lagi dong, hehe… So, fisika kuantum adalah ilmu yang mempelajari tentang perilaku materi dan energi yang ada pada tingkat molekuler, atom, nuklir, hingga mikroskopis. Kalau yang biasa kamu pelajari di kelas 10 atau 11 itu adalah fisika klasik yang mana membahas tentang hukum benda solid di kehidupan sehari-hari, namun pada fisika kuantum akah lebih dibahas tentang benda berukuran sangat kecil. Penasaran apa saja fenomena dari kuantum ini? Yuk, simak langsung penjelasannya di sini!

Fenomena Kuantum

Seperti yang sudah Minco jelaskan di atas, fisika kuantum merupakan sebuah ilmu atau studi yang mempelajari benda yang berukuran sangat kecil dan tidak dapat dilihat oleh kasat mata. Sehingga, fenomena-fenomena yang akan Minco bahas kali ini tentu seputar gelombang elektromagnetik, elektron, radiasi, dan sesuatu hal lainnya yang bersifat mikroskopis atau pada tingkat molekuler.

Fyi, ada beberapa tokoh fisikawan terkenal yang menjelaskan tentang fenomena kuantum di alam lho, di antaranya yaitu Arthur Compton, C. V. Raman, dan Pieter Zeeman. Masing-masing tokoh ini memiliki nama efek kuantum dari namanya sendiri. Namun, sebelum mengetahui apa fenomena yang mereka temukan, kamu harus memahami lebih dahulu tentang teori kuantum!

Teori Kuantum

Tahu nggak sih Teman KOCO, teori fisika kuantum ini muncul karena adanya berbagai fenomena yang tidak sesuai dengan gagasan yang ada pada fisika klasik. Maka dari itu, beberapa ahli fisika kuantum menyimpulkan teori-teori terkait hal ini, empat di antaranya yaitu:

Semua benda yang ada di alam semesta adalah sebuah kumpulan molekul yang terdiri dari kumpulan atom. Semua benda yang dapat dilihat secara fisik ini tidak lain adalah energi yang bergetar. Fenomena itulah yang menyebabkan berbagai benda tersebut seakan nyata, dimana pada kenyataannya hal tersebut tidaklah benar.
Benda yang ada pada alam semesta berasal dari ruang hampa dan merupakan sebuah energi yang tampak dan juga bergetar.
Para ilmuwan fisika kuantum juga telah membuktikan bahwa sebuah benda bisa berada di dalam 2 dimensi berbeda di waktu yang bersamaan.
Seseorang dapat menjadi kekal atau abadi bila dapat melakukan perjalanan melalui kecepatan cahaya. Pada kecepatan cahaya tersebut, baik masa lalu, masa kini, serta masa depan bisa ada di saat yang bersamaan.

Macam-macam Fenomena Kuantum

Okey, akhirnya kita masuk ke pembahasan utama. Fenomena kuantum yang ditemukan oleh para fisikawan adalah sebagai berikut:

Teori Max Planck

Sesuai namanya, teori kuantum yang satu ini dikemukakan oleh Planck terkait dengan cahaya. Planck menjelaskan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik berupa paket-paket energi yang terkuantisi (diskrit) tak bermuatan, sehingga seringkali disebut dengan “foton”. Pada tahun 1900, Planck mencoba membuat suatu anggapan baru mengenai sifat dasar dari getaran molekul-molekul. Salah satu anggapan baru tersebut sangat radikal dan bertentangan dengan fisika klasik, dimana ia menyatakan bahwa:

Radiasi yang dipancarkan oleh getaran molekul-molekul tidaklah kontinu tetapi dalam paket-paket energi diskret, yang disebut kuantum (sekarang disebut foton). Besar energi yang berkaitan dengan tiap foton adalah

Sehingga, untuk sebuah n foton maka energinya dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

h = Tetapan Planck = 6,63 × 10^-34J/s
v/f = Frekuensi getaran molekul (Hz)
λ = Panjang gelombang cahaya (m)
c = Cepat rambat cahaya = 3 × 10⁸ m/s
E = Energi foton (J)
n = Bilangan asli (1, 2, 3, …)

Efek Fotolistrik

Fenomena kuantum selanjutnya yaitu efek fotolistrik dimana terjadi gejala terlepasnya elektron dari permukaan logam ketika dijatuhi gelombang elektromagnetik. Menurut Einstein, elektron-elektron pada permukaan gelombang menyerap energi gelombang elektromagnetik yang memiliki energi ikat sebesar hv₀ dan elektron yang keluar berenergi Ek = 1⁄2 mv².

Di samping itu, syarat elektron bisa keluar dari permukaan logam adalah E > W atau f > f₀. Sedangkan, energi kinetik elektron dan potensial henti dapat dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

E = Energi foton (J)
W = Energi ikat (J)
EK = Energi kinetik elektron (J)
h = Tetapan Planck = 6,63 × 10^-34J/s
m = Massa elektron (kg)
v/f = Frekuensi gelombang elekromagnetik (Hz)
V₀ = Potensial henti (V)
f₀= Frekuensi ambang batas (Hz)

Pada efek fotolistrik, satu elektron hanya menyerap satu foton sehingga intensitas (jumlah foton) akan memperbanyak jumlah elektron yang lepas. Intensitas tidak memengaruhi energi kinetik tiap elektron, yang memengaruhi hanya frekuensi fotonnya.

Efek Compton

Fenomena kuantum lainnya dicetuskan oleh Arthur Compton. Pada percobaan penembakan elektron yang diam oleh foton, ternyata elektron tersebut terpental. Hal ini menyebabkan fotonnya terhambur dengan energi yang lebih kecil karena panjang gelombangnya lebih besar daripada foton yang datang.

Selisih kedua panjang gelombang tersebut dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

𝜆’ = Panjang gelombang foton terhambur (m)
𝜆 = Panjang gelombang datang (m)
m_o = Massa elektron (9,1 x 10^-31kg)
θ = Sudut hamburan

Radiasi Benda Hitam

Bukan berarti benda yang berwarna hitam, benda hitam diartikan sebagai sebuah benda yang menyerap semua radiasi yang datang kepadanya. Dengan kata lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. Maka dari itulah, benda hitam ini memiliki harga absorptansi dan emisivitas yang besarnya sama dengan satu.

Benda hitam ideal digambarkan oleh suatu rongga hitam dengan lubang kecil. Sekali suatu cahaya memasuki rongga itu melalui lubang tersebut, berkas itu akan dipantulkan berkali-kali di dalam rongga tanpa sempat keluar lagi dari lubang tadi. Setiap kali dipantulkan, sinar akan diserap oleh dinding-dinding yang berwarna hitam. Benda hitam akan menyerap cahaya disekitarnya jika suhunya lebih rendah dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi. Hal ini ditunjukkan pada gambar di bawah, dimana benda hitam yang diberikan panas sampai suhu yang cukup tinggi akan tampak membara.

Berdasarkan Hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi, “Jumlah energi yang dipancarkan benda hitam per satuan luas permukaan per satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya“, rumus yang digunakan yaitu:

Keterangan:

I = Intensitas radiasi benda (W/m²)
P = Daya radiasi (W)
A = Luas penampang
e = Emisivitas benda (0<e<1)
σ = Konstanta Stefan Boltzmann (5,67 x 10^-8 W/m²K⁴)
T = Suhu mutlak benda (K)

Hukum Pergeseran Wien

Pada hukum pergeseran Wien, dijelaskan bahwa spektrum radiasi benda hitam pada suhu berapa pun berkorelasi dengan spektrum pada suhu lainnya. Sehingga, jika bentuk spektrum pada suatu suhu diketahui, bentuk spektrum pada suhu lainnya dapat ditentukan. Menurut Wien, jika dipanaskan terus, benda hitam akan memancarkan radiasi kalor yang puncak spektrumnya memberikan warna-warna tertentu. Warna spektrum bergantung pada panjang gelombangnya, dan panjang gelombang ini akan bergeser sesuai suhu benda.

Coba perhatikan kurva di atas! Terlihat bahwa semakin tinggi temperatur dari benda hitam, maka puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih kecil (gambar a) atau bergeser ke arah frekuensi yang semakin besar (gambar b).

Wien sendiri merumuskan bahwa panjang gelombang pada puncak spektrum (λm) berbanding terbalik dengan suhu mutlak benda, sesuai persamaan :

λm = T . C

Keterangan:

λm = Panjang gelombang pada energi pancar maksimum (m)
T = Suhu dalam K
C = Tetapan pergeseran Wien = 2,898 x 10^-3 mK

Contoh Soal

1. Panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh lampu monokromatis 100 watt adalah 5,5.10⁻⁷ m. Cacah foton (partikel cahaya) per sekon yang dipancarkan sekitar….

Jawaban:

P = 100 watt → Energi yang dipancarkan tiap sekon adalah 100 joule.

Energi 1 foton:

2. Radiasi bintang X pada intensitas maksimum terdeteksi pada panjang gelombang 580 nm. Jika tetapan pergeseran Wien adalah 2,9 x 10^-3 mK maka suhu permukaan bintang X tersebut adalah …

Jawaban:

3. Sebuah pelat baja tipis berbentuk persegi panjang dengan sisi 10 cm, dipanaskan dalam suatu tungku sehingga suhunya mencapai 727ºC. Tentukan laju rata-rata energi radiasi dalam satuan watt jika pelat baja dapat dianggap benda hitam!

Jawaban:

Luas permukaan pelat tipis meliputi dua permukaan (atas dan bawah), sehingga