23/08/2011
UNIVERSITAS AHMAD DAHLAN
Pendidikan Fisika http://pf.uad.ac.id
Sejarah Teori Kuantum Kuliah Sejarah Fisika
Rachmad Resmiyanto http://rachmadresmi.staff.uad.ac.id
Garis terang pada spektrum cahaya • Selama 150 tahun percobaan emisi cahaya dari gas banyak dilakukan di lab-lab fisika di Eropa. • Beberapa fisikawan percaya, percobaan macam ini akan menyingkap rahasia atom. Tantangannya: bagaimana melihat keteraturan dalam kekacauan dari limpahan informasi yang luas ini
• 1752, Thomas Melvill, fisikawan Skotlandia, meneliti emisi cahaya dari berbagai pijaran gas “spektrum cahaya dari gas panas yang terlihat melalui prisma berbeda sekali dengan spektrum cahaya padatan berpijar” 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
2
1
23/08/2011
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
3
• Ternyata pola spektrum tiap unsur memiliki karakater berbeda, ukurannya sangat pasti • Tidak ada 2 unsur yang memiliki pola garis yang sama • Jadi spektrum dapat digunakan untuk mengenali gas yang tak diketahui.
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
4
2
23/08/2011
Spektrum Pancaran - Serapan
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
5
Ternyata pola spektrum garis gelap tepat bersesuaian dengan pola garis terang
Kesimpulan: untuk gas yang sama, frekuensi serapan = frekuensi pancaran. Jadi ada karakteristik tigkat energi dalam gas yang bisa berubah-ubah. Artinya, gas bisa menerima dan melepas energi. INI SESUATU YANG MENARIK. 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
6
3
23/08/2011
Spektrum Fraunhofer 1814, Joseph von Fraunhofer (1787-1826) bikin spektroskop. Ia memperoleh spektrum matahari. Garis-garis gelap spektrum matahari dikenal sebagai garisgaris Fraunhofer dan menjadi dasar spektroskopi astronomi.
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
7
Helium • Gustav Kirchoff (1824-1887) menyelidiki garis-garis gelap spektrum matahari beberapa tahun kemudian. • Ia mencocokkan spektrum terang gas natrium (dari cairan garam yg diuapkan) dengan spektrum matahari Fraunhofer. Kesimpulannya, garis-garis gelap disebabkan kehadiran gas dingin natrium di atmosfer matahari. • Dalam pengamatan itu, ditemukan pola spektrum asing. Dideteksi suatu unsur yg sukar dikenali (tak berbau, tak berwarna, sukar bereaksi). Unsur itu dinamai HELIUM. (helios = matahari) 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
8
4
23/08/2011
Hidrogen • Spektrum garis pasti mengandung info mendasar ttg struktur atom • Dipilih hidrogen: unsur paling sederhana
• 4 garis hidrogen yg paling penting, semuanya dalam cahaya tampak, diukur secara teliti pada awal 1862 oleh astronom Swedia A.J. Angstrom (1814-1874)
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
9
JJ Balmer • 1885, Johann Jacob Balmer (1825-1898) menerbitkan tulisannya seusai berbulanbulan memanipulasi angka nilai frekuensi garis spektrum hidrogen pada cahaya tampak. • Balmer hanya mengolah data mentah, tidak melibatkan teori fisika apapun, , murni manipulasi numerik. • Ajaib. Balmer bisa menyusun rumus untuk menghitung nilai frekuensi 4 garis hidrogen • nf =2; ni=3,4,5,6 • R = 3,29163 x 1015 put/detik
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
10
5
23/08/2011
Percobaan vs Rumus Balmer Panjang gelombang (nm = 10-9 m)
Frekuensi (106 MHz) PERCOBAAN
Frekuensi (106 Nilai ni MHz) (nf = 2) RUMUS BALMER
656,210 (merah)
457,170
457,171
3
486,074 (hijau)
617,190
617,181
4
434,01 (biru)
691,228
691,242
5
410,12 (ungu)
731,493
731,473
6
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
11
• Persamaan Balmer terlalu sayang untuk diabaikan. Mesti ada sesuatu yang fundamental yang melandasi persamaan Balmer • Garis-garis lain perkiraan Balmer [dengan nilai nf berbeda] – daerah ultraviolet & inframerah – belum bisa diamati waktu itu.
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
12
6
23/08/2011
N akhir
Nf = 1
Nf = 2
Nf = 3
Nf = 4
N awal
Ni = 2,3,4,...
Ni = 3,4,5,...
Ni = 4,5,6,...
Ni = 5,6,7,...
Garis terang
Ultraviolet
Cahaya tampak
Inframerah
inframerah
Tahun dirumuskan
1906-14
1885
1908
1922
Perumus
Lyman
Balmer
Paschen
Bracket
Deret-deret ini menyiratkan bahwa berbagai diagarm pancaran/serapan cahaya Harus berkaitan dengn penurunan/kenaikan energi atom
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
13
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
14
7
23/08/2011
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
15
INGAT ! Sampai 1890-an belum ada gagasan ttg susunan atom.
Jadi, teori atom [yang powerfull yang hendak disusun] harus memperhitungkan rumus ajaib JJ Balmer
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
16
8
23/08/2011
lalu...
Lalu, bagaimana kisahnya para fisikawan sampai pada teori atom? 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
17
Elektron Atom mulai di bedah dari tempat ini
Lab. Cavendish Univ. Cambridge 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
18
9
23/08/2011
Elektron Atom mulai di bedah dari tempat ini
Lab. Cavendish Univ. Cambridge 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
19
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
20
10
23/08/2011
Elektron J.J. Thomson (1856-1940)
Fisikawan Besar klasik
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
21
Elektron J.J. Thomson (1856-1940)
Hasil saya, elektron punya nisbah muatan terhadap massa. Ini artinya elektron itu partikel, bukan sinar katoda.
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
22
11
23/08/2011
Model Atom Roti Kismis
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
23
Model Atom Roti Kismis
MODEL BENAR
23/08/2011
MODEL SALAH
Rachmad Resmiyanto
24
12
23/08/2011
Model Atom Roti Kismis
MODEL BENAR
23/08/2011
MODEL SALAH
Rachmad Resmiyanto
25
Model Atom Roti Kismis
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
26
13
23/08/2011
Model Atom Roti Kismis
Radiasi Atom diterangkan dengan teori elektromagnetika Maxwell
Dinamika atom mengikuti Mekanika Newton Asumsi klasik masih dipakai di sini 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
27
Model Atom Roti Kismis
Model ini tersiar luas, tetapi model ini tidak stabil dan juga tidak memberi petunjuk Apa-apa
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
28
14
23/08/2011
datanglah seorang profesor dari Univ Victoria Manchester
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
29
dari Thomson ke muridnya, Rutherford JJ Thomson Rutherford
Rutherford, seorang pejuang di bidang fisika eksperimental 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
30
15
23/08/2011
Patung Rutherford di Selandia Baru, kampung halamannya
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
31
Murid Rutherford
Hans Geiger 23/08/2011
Ernest Marsden Rachmad Resmiyanto
32
16
23/08/2011
• Ernest Marsden, with his wife Joyce and a friend, at Manchester University in 1961., Lady Marsden Collection, Alexander Turnbull Library
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
33
Rutherford, fisikawan nyentrik Perkenalkan Saya Rutherford
Saya Geiger
Pada 1907, Ernest Rutherford (1871-1937), murid Thomson di Cambridge, profesor fisika di Univ. Manchester, tampil ke permukaan. Pada 1908, Rutherford dapat ilham: penembakan muatan positif. 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
34
17
23/08/2011
Rutherford, fisikawan nyentrik
Ernest Rutherford mengobarkan semangat “perjuangan fisika” kepada muridmuridnya dengan menyanyi lagu Onward Christian Soldiers 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
35
Kristus, Tuan yang mulia, Memimpin melawan musuh; Maju berperang, Lihat kemana panjinya pergi! Majulah hai kawan, Bergabung dalam barisan kami; Bergabung bersama kami suaramu Dalam sebuah nyanyian kemenangan; “Kemuliaan, pujian, dan hormat kepada Kristus sang Raja!” Sekarang dan sampai selamalamanya Manusia dan para malaikat menyanyi… Dengan salib Yesus Majulah seperti sebelumnya. 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
36
18
23/08/2011
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
37
Ini betul-betul tidak masuk akal. Itu sperti menembakkan peluru 15 inchi ke selembar kertas tisu, tapi peluru itu malah terpantul. 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
38
19
23/08/2011
Pantulan balik pasti karena tumbukan tunggal... Ini atom pastilah sangat kecil, masif dan memiliki muatan positif yang sangat besar.. 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
39
Pada percobaan hamburan kedua, hasilnya ternyata lain: tentang prediksi ukuran inti . Kalau partikel alfa bergerak lurus mendekati inti, energi kinetiknya diubah menjadi energi potensial listrik shg geraknya melambat dan akhirnya berhenti. Jarak terdekat antara partikel dan inti bisa dihitung dg hukum kelestarian tenaga.
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
40
20
23/08/2011
Bagaimana susunan elektron di sekitar inti?
Inti atom terdiri dari apa? Apa yang mempertahankannya dari tolakan muatan-muatan positifnya?
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
Mengapa elektron (yg negatif ) tidak jatuh ke inti (yg positif) oleh gaya tarik listrik?
41
Bagaimana susunan elektron di sekitar inti?
Inti atom terdiri dari apa? Apa yang mempertahankannya dari tolakan muatan-muatan positifnya?
Mengapa elektron (yg negatif ) tidak jatuh ke inti (yg positif) oleh gaya tarik listrik? Rutherford mengajukan model atom planet. Elektron mengitari inti. Tarikan listrik menimbulkan gaya sentripetal yg bikin elektron tetap mengorbit 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
42
21
23/08/2011
Model atom Rutherford bisa menjelaskan apa yg ia temui pada hamburannya
Tapi, muncul persoalan baru... APA ITU? Jika elektron bergerak melingkar di sekitar inti (berarti ada percepatan), mengapa atom tidak memancarkan radiasi kontinyu seperti diperkirakan oleh elektromagnetika klasik?
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
43
Hikmah: sesuatu yg bisa menyelesaikan persoalan tertentu, jangan harap ia juga bisa menangani segala persoalan
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
44
22
23/08/2011
Komisi energi atom USA
Bendera IAEA
Simbol kepahlawanan
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
45
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
46
23
23/08/2011
Niels Hendrik David Bohr (1885 - 1962) Nasab: Ayah: Christian Harald Lauritz Peter Emil Bohr
Ibu : Ellen Bohr (Ellen Adler) 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
47
Uang Denmark bergambar Niels Bohr dengan cangklongnya 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
48
24
23/08/2011
Niels Bohr & Max Planck
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
49
Datangnya Niels Bohr... Tiba di Inggris 1911. Awalnya ia bekerja di Lab Cavendish dibawah asuhan Thomson, tapi kemudian ia berhenti setelah bertemu Rutherford. [Cambridge] Bohr punya keterbatasan bahasa. Ia selalu menenteng kamus besar dan karya-karya Charles Dickens Di Lab Rutherford, 1912, Niels Bohr mengawali penyelidikannya.. [Manchester] Niels Bohr, Orang besar dari Denmark “Ki Ageng Denmark” 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
50
25
23/08/2011
Datangnya Niels Bohr... Tiba di Inggris 1911. Awalnya ia bekerja di Lab Cavendish dibawah asuhan Thomson, tapi kemudian ia berhenti setelah bertemu Rutherford. [Cambridge] Bohr punya keterbatasan bahasa. Ia selalu menenteng kamus besar dan karya-karya Charles Dickens Di Lab Rutherford, 1912, Niels Bohr mengawali penyelidikannya.. [Manchester] Niels Bohr, Orang besar dari Denmark “Ki Ageng Denmark” 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
51
Awal kemarau 1912 Bohr menyerahkan makalah “Susunan Atom & Molekul” kpd Rutherford. Bohr bikin dugaan, “mungkin ada orbit yang stabil berkaitan dengan rumus Planck-Einstein, E = h f ” Pada 1912, J.W. Nicholson (1881-1955) (kenalan Bohr di Cambridge) memberi batasan nilai momentum sudut elektron dalam atom hidrogen, L = mvR = n(h/2) . Dan saat itu, Bohr merasa gagasan Nicholson tidak penting. 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
52
26
23/08/2011
Apa itu momentum?
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
53
Momentum Momentum linier p=mv “selagi tak ada gangguan luar, sekali benda bergerak, benda akan tetap bergerak” (prinsip kelestarian momentum)
Momentum sudut L=mvr “selagi tak ada gangguan luar, sekali berputar dalam orbit tertutup, benda akan begerak dengan momentum sudut tetap” (prinsip kelestarian momentum sudut)
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
54
27
23/08/2011
Momentum sudut L=mvr “selagi tak ada gangguan luar, sekali berputar dalam orbit tertutup, benda akan begerak dengan momentum sudut tetap” (prinsip kelestarian momentum sudut)
Perpindahan orbit elektron hanya diperbolehkan kalau momentum sudut berubah dalam kelipatan h/2
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
55
Postulat Bohr Untuk keluar dari kemelut orbit elektron yg tak stabil, Bohr bikin 2 postulat. Gitu aja kok repot...
.:: Postulat 1 Elektron dapat berada di suatu orbit tanpa memancarkan radiasi. Ini orbit stasioner, nilai momentum sudutnya L = m v r = n (h/2 ) (prit...pritt... Bohr, ini pelanggaran terhadap fisika klasik lho)
.:: Postulat 2 Transisi elektron antar orbit akan menghasilkan pancaran/serapan radiasi, dengan frekuensi dari rumus Planck-Einstein hf = Ei - Ef (prit...pritt... Bohr, ini sudah mengacak-acak fisika klasik lho)
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
56
28
23/08/2011
Akibat Postulat Bohr .:: Postulat 1 Elektron dapat berada di suatu orbit tanpa memancarkan radiasi. Ini orbit stasioner, nilai momentum sudutnya L = m v r = n (h/2 ) (prit...pritt... Bohr, ini pelanggaran terhadap fisika klasik lho) Nilai momentum sudut terkuantisasi Jejari dan energi atom dapat dihitung
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
57
Akibat Postulat Bohr .:: Postulat 2 Transisi elektron antar orbit akan menghasilkan pancaran/serapan radiasi, dengan frekuensi dari rumus Planck-Einstein hf = Ei - Ef (prit...pritt... Bohr, ini sudah mengacak-acak fisika klasik lho)
Deret Balmer dapat diturunkan . Ini sungguh ajaib.
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
58
29
23/08/2011
Rahasia spektrum atom terkuak sudah.
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
59
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
60
30
23/08/2011
Model Bohr ternyata bungkam ketika spektrum garis-garis lain ditemukan. Arnold Sommerfeld (1868-1951) teoretikus besar dari Munich, menyempurnakan orbit elips. Meski PD I, ia tetap mengirimkan tulisannya dari Munich ke Copenhagen. Model Bohr-Sommerfeld sukses menjelaskan Efek Zeeman (diamati 1894). Bil. Kuantum n, k, m. (ukuran orbit, bentuk orbit, arah orbit) 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
61
Ternyata ada lebih banyak garis karena medan magnet. Kalng kabut lagi. Anomali Efek Zeeman. 1924-1925 Wolfgang Pauli (1900-1958, murid Sommerfeld), teoretikus Swiss sukses menyelesaikannya: bil. Kuantum spin.
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
62
31
23/08/2011
Teka-teki awal struktur atom mengapa tidak semua eektron jatuh ke tingkat dasar, dijawab oleh Pauli. “tiap keadaan atom (himp 3 bil kuantum n,k,m) mengandung 2 elektron yg masing-masing memiliki orbit sendiri.” Nama yg indah buat ini: kuantisasi ruang. Prinsip Larangan Pauli (1925) Tabel Periodik Unsur dapat dijelaskan
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
63
32
