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
Era Perang Fisika 3 dasawarsa (1900-1930) Fisika Kuantum vs Fisika Klasik
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
2
1
23/08/2011
Perang Fisika 3 Dasawarsa
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
3
•
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.
•
Intensitas radiasi
Radiasi Benda Hitam
Frekuensi
Jika suhu dinaikkan, frekuensi radiasi yg dipancarkan ternyata juga bergeser naik
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
4
2
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam • Benda hitam: benda yg menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yg mengenainya
Tatkala oven dipanaskan, suatu saat mata kita melihat radiasi merah menyala 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
5
Radiasi Benda Hitam • Kepekaan relatif mata
inframerah
23/08/2011
M
H
B
ultraviolet Putih jika semua merah hijau biru ada
Rachmad Resmiyanto
Frekuensi
6
3
23/08/2011
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
Dalam kondisi setimbang, radiasi tergantung pada suhu saja
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
7
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 pemanas
radiasi
Pengukuran intensitas
rongga Bukan rongga
Pengukuran frekuensi 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
8
4
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam 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
Distribusi kecepatan Maxwell
Kurva radiasi benda hitam ternyata mirip dengan kurva distribusi kecepatan Maxwell 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
9
Radiasi Benda Hitam
Hukum Wien
• Rumusan Wien hanya sahih pada frekuensi tinggi • Rumusan RayleighJeans, berdasarkan teori Maxwell, hanya sahih pada frekuensi rendah
Ramalan Rayleigh-Jeans: pada daerah ultraviolet, intensitasnya tak terhingga Inframerah (frekuensi rendah)
Inilah yang masyhur sebagai Ultraviolet Ultraviolet (frekuensi tinggi) Catasthrope, bencana ultraviolet (istilah ini berasal dari Paul Ehrenfest, 1911)
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
10
5
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
11
Radiasi Benda Hitam Jika Rayleigh-Jeans benar, berbahaya lho ya duduk di dekat perapian ini
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
12
6
23/08/2011
Cara Rayleigh-Jeans menurunkan rumusnya
Radiasi Benda Hitam
Seperti ekipartisi energi untuk partikel gas Maxwell, RayleighJeans 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
Radiasi Benda Hitam 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
Rachmad Resmiyanto
14
7
23/08/2011
Model materi sebelum era atom
Radiasi Benda Hitam
• Planck yakin dengan percobaan Heinrich Rubens Gagasan awal Planck: •Ada sekumpulan osilator listrik dalam dinding rongga yg bergetar maju mundur karena rangsangan panas
panas
• Harus ada semua frekuensi yg mungkin
Model materi sebelum era atom
energi
Frekuensi puncak naik terhadap kenaikan suhu
•Jika suhu makin tinggi maka osilator bergetar kian cepat sehingga frekuensi rata-rata naik sampai tercapai kesetimbangan termal. 23/08/2011
kian panas
frekuensi
Rachmad Resmiyanto
15
Radiasi Benda Hitam
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
Rachmad Resmiyanto
16
8
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam Pada seminar fisika di Univeritas Berlin, 19 Oktober 1900
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
17
Radiasi Benda Hitam •
•
Heinrich Rubens, seusai seminar segera lembur di rumah. Ia mencocokkan rumus Planck dengan data percobaannya. Sempurna. Luar biasa.
Data percobaan Hukum Wien
Esok paginya, Rubens menyalami Planck
Tantangan berikutnya: bagaimana menggunakan rumus ini untuk menemukan prinsip fisikanya
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
18
9
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam •
Planck mencoba melihat hubungan entropi dan peluang menurut Boltzmann. “Tapi, Planck menolak asumsi terjadinya fluktuasi”
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
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
19
Radiasi Benda Hitam • Gagasan Planck: 1. Persamaan statistik: untuk menghitung entropi 2. Keadaan: entropi harus maksimum 3. Teknik menghitung: untuk menentukan peluang w
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
Rachmad Resmiyanto
20
10
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam
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
Rachmad Resmiyanto
21
Radiasi Benda Hitam Maklumat Postulat Planck: Pokoknya ya, nilai e=hf harus terbatas dan nilai h tidak boleh nol
Pengirisan energi ini menyebabkan energi radiasi harus tidak kontinyu. Tapi, Planck tak punya alasan teoretis untuk konsep ini. Ya sudah, ini dianggap sebagai postulat. 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
22
11
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam Maklumat Postulat Planck: Pokoknya ya, nilai e = h f harus terbatas dan nilai h tidak boleh nol
23/08/2011
Jika postulat ini kelak terbukti sahih, maka osilator menyerap dan memancarkan nergi secara tidak kontinyu, dalam satuan e=hf. Ini disebut sebagai kuanta energi.
Rachmad Resmiyanto
23
Radiasi Benda Hitam Hore..... kita selamat dari bencana ultraviolet
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 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
24
12
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam • Tetapan h punya nilai sangat kecil sekali, tapi tidak nol. 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. 23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
25
Radiasi Benda Hitam
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
Rachmad Resmiyanto
26
13
23/08/2011
Radiasi Benda Hitam Radiasi Latar sinar kosmis
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
27
Fajar Alaf Baru Telah Menyingsing Mekanika Newton, ElektromagnetikaFisika Maxwel,...
Klasik
Aneh, sebuah revolusi besar ternyata dimulai dari sebuah kebetulan belaka
23/08/2011
Rachmad Resmiyanto
28
14
