Dualisme Gelombang dan Partikel

1. Radiasi benda hitam

a. Energi radiasi

Benda yang mempunyai sifat menyerap semua energi yang mengenainya disebut benda hitam. Benda hitam jika dipanaskan akan memancarkan energi radiasi. Energi radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam.

Ekperimen tentangradiasi kalor benda pertama kali dilakukan oleh Joseph Stefan dan Ludwig Boltzmann, diperoleh kesimpulan yang dinyatakan dalam rumus :

dengan:

W = intensitas radiasi kalor yang dipancarkan benda tiap detiknya (watt)

e = emisivitas benda

σ = kontante Stefans – Boltzmann (5,670 x 10^-8Wm^-2K^-4)

A = luas permukaan benda (m²)

T = suhu benda (K)

Persamaan diatas  disebut dengan Hukum Stefan – Boltzmann. Emisivitas adalah konstanta yang besarnya tergantung pada sifat permukaan benda yang mempunyai nilai antara 0 hingga 1.

Untuk benda yang mempunyai emisivitas 1 dinamakan benda hitam, yaitu suatu benda yang mempunyai sifat menyerap semua kalor. Benda hitam diidentikkan dengan benda berongga yang memiliki lubang kecil.

Model radiasi benda hitam dapat ditampilkan pada gambar berikut.

b. Hukum pergeseran Wien

Seorang fisikawan dari bangsa Jerman,berhasil menemukan suatu hubungan empiris sederhanabahwa radiasi benda hitam selalu terdapat panjang gelombangyang membawa energi paling besar (intensitas maksimum),dan panjang gelombang yang membawa intensitas paling besar(maksimum) selalu bergeser terus ke arah panjang gelombanglebih kecil ketika suhu benda tersebut bertambah. Pernyataan ini dikenal dengan hukum pergeseran Wienyang dirumuskan

dengan:

T         = suhu mutlak ( K )

λm        = intensitas maksimum ( MW/m² )

C         = suatu konstanta tetapan pergeseran Wien = 2,898 x 10^-3  mK.

c. Teori klasik dan teori Planck

Pada tahun 1901, Planck mengetengahkan hipotesa bahwa cahaya (gelombang elektromagnetik) harus dianggap sebagai paket-paket energi yang disebut foton. Besar paket energi tiap foton dirumuskan sebagai :

dengan:

E   = Energi tiap foton dalam Joule.

f    = Frekwensi cahaya.

h   = Tetapan Planck yang besarnya h = 6,625 .10 –34 J.det

2. Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik yaitu terlepasnya elektron dari permukaan logam karena logam tersebut disinari cahaya. Untuk menguji teori kuantum yang dikemukakan oleh Max Planck, kemudian Albert Einstein mengadakan suatu penelitian yang bertujuan untuk menyelidiki bahwa cahaya merupakan pancaran paket-paket energi yang kemudian disebut foton yang memiliki energi sebesar hf. Percobaan yang dilakukan Einstein lebih dikenal dengan sebutan efek fotolistrik. Skema percobaan efek fotolistrik dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar berikut merupakan grafik hubungan antara intensitas dengan potensial henti.

dengan :

Ek = energi kinetik elektron foto (J atau eV)

m = massa elektron (kg)

v = kecepatan elektron (m/s)

e = muatan elektron (C)

Vo = potensial henti (volt)

3. Efek Compton

Efek compton ditemukan oleh Arthur Holy Compton pada tahun 1923. Menurut teori kuantum cahaya, foton berlaku sebagai partikel, hanya foton tidak memiliki massa diam. Jika pendapat ini benar, maka berdasarkan peristiwa efek fotolistrik yang dikemukakan oleh Einstein, Arthur Holy Compton pada tahun 1923 telah mengamati gejala-gejala tumbukan antara foton yang berasal dari sinar X dengan elektron. Compton mengamati hamburan foton dari sinar X oleh elektron dapat diterangkan dengan menganggap bahwa foton seperti partikel dengan energi hf dan momentum hf/c cocok seperti yang diusulkan oleh Einstein. Skema percobaan efek compton dapat dilihat pada gambar berikut.

Dengan menggunakan hukum kekekalan momentum dan kekekalan energi Compton berhasil menunjukkan bahwa perubahan panjang gelombang foton terhambur dengan panjang gelombang semula, yang memenuhi persamaan :

dengan: 

λ = panjang gelombang sinar X sebelum tumbukan (m)

λ’ = panjang gelombang sinar X setelah tumbukan (m)

h = konstanta Planck (6,625 × 10-34 Js)

mo = massa diam elektron (9,1 × 10-31 kg)

c = kecepatan cahaya (3 × 108 ms-1)

θ = sudut hamburan sinar X terhadap arah semula (derajat atau radian)

Besaran 

sering disebut dengan panjang gelombang Compton. Jadi jelaslah sudah bahwa dengan hasil pengamatan Compton tentang hamburan foton dari sinar X menunjukkan bahwa foton dapat dipandang sebagai partikel, sehingga memperkuat teori kuantum yang mengatakan bahwa cahaya mempunyai dua sifat, yaitu cahaya dapat sebagai gelombang dan cahaya dapat bersifat sebagai partikel yang sering disebut sebagai dualime gelombang cahaya.

4. Teori De Broglie

Pada tahun 1924 Louise de Broglie mengemukakan pendapatnya bahwa cahaya dapat berkelakuan seperti partikel, maka partikel pun seperti halnya elektron dapat berkelakuan seperti gelombang. Sebuah foton dengan frekuensi f memiliki energi sebesar hf dan memiliki momentum 

 karena c = fλ, maka momentum foton dapat dinyatakan 

 sehingga panjang gelombang foton dapat dinyatakan 

 untuk benda yang bermassa m bergerak dengan kecepatan memilki momentum linier sebesar mv maka panjang gelombang de Broglie dari benda itu dinyatakan dengan persamaan :

Untuk menguji hipotesis yang dilakukan oleh Louise de Broglie pada tahun 1927, Davisson dan Germer di Amerika Serikat dan G.P. Thomson di Inggris secara bebas meyakinkan hipotesis Louise de Broglie dengan menunjukkan berkas elektron yang terdifraksi bila berkas ini terhambur oleh kisi atom yang teratur dari suatu kristal. Davisson dan Germer melakukan suatu eksperimen dengan menembakkan elektron berenergi rendah yang telah diketahui tingkat energinya kemudian ditembakkan pada atom dari nikel yang diletakkan dalam ruang hampa. Berdasarkan hasil pengamatan Davisson dan Germer terhadap elektron-elektron yang terhambur ternyata dapat menunjukkan adanya gejala interferensi dan difraksi. Dengan demikian hipotesis Louise de Broglie yang menyatakan partikel dapat berkelakuan sebagai gelombang adalah benar.

Dari hasil percobaan tentang efek fotolistrik, efek Compton dan difraksi elektron menunjukkan adanya dualisme sifat cahaya yaitu cahaya dapat bersifat sebagai gelombang dan di sisi lain cahaya dapat bersifat partikel.

CONTOH SOAL

1. Dua buah bola sejenis tapi berbeda ukuran memancarkan energi radiasi yang sama besar ke sekitarnya. Jika bola A berjari-jari r bersuhu T, maka bola B yang berjari-jari 2r akan bersuhu…

A. 0,3 T

B. 0,5 T

C. 0,7 T

D. 0,9 T

E. 1,1 T

Pembahasan

2. Permukaan matahari didominasi warna kuning yang memiliki panjang

gelombang 5800 ? . Dengan konstanta Wien 2,9.10^-3 mK suhu permukaan

matahari sekitar .....

A. 4000 K

B. 5000 K

C. 6000 K

D. 7000 K

E. 8000 K

Pembahasan :

Hukum pergeseran Wien

5800.10-10 .T = 2,9.10-3

T = 5000 K

Jawaban : B

3. Grafik di bawah adalah grafik hubungan Ek (energi kinetik maksimum) foto elektron terhadap frekuensi sinar yang digunakan pada efek foto listrik. Nilai P pada grafik tersebut adalah :

A. 2,64 x 10-33 J

B. 3,3 x 10-33 J

C. 6,6 x 10-20 J

D. 2,64 x 10-19 J

E. 3,3 x 10-19 J

Pembahasan :

Jawaban : C

4. Foton menumbuk electron di udara. Jika massa electron m, konstanta

Plank h dan kecepatan cahaya C maka penambahan panjang gelombang

terbesar foton yang mungkin adalah ….

Pembahasan :

Besar penambahan panjang gelombang :

λmak jika (1-cosθ) maksimum = 2

Θ = 1800 (foton berbalik arah)

Jawaban : D

5. Sebuah partikel memiliki energi kinetic Ek panjang gelombang De Broghlie

nya λ . Jika kemudian energi kinetiknya turun menjadi 0,25 Ek panjang

gelombang De Broghlie nya menjadi …

A. 0,25 λ

B. 0,5 λ

C. λ

D. 2 λ

E. 4 λ

Pembahasan :

Sumber : https://primemobile.co.id/materi/konten_teks/1402