Dualisme Gelombang Partikel 1n824

DUALISME GELOMBANG-PARTIKEL

Sejauh ini cahaya dipandang sebagai gejala gelombang yang dapat mengalami interferensi, difraksi, dan polarisasi. Pandangan ini telah diterima selama berabadabad lamanya. Efek dan gejala lain yang ditemukan pada akhir abad 19 dan awal abad 20, seperti hukum pergeseran Wien, efek fotolistrik, dan efek compton, hanya dapat dijelaskan jika cahaya dipandang sebagai partikel. Efek dualisme dari cahaya yang dapat berperilaku sebagai gelombang dan juga partikel ini disebut dualisme gelombang-partikel.

Hukum Pergeseran Wien Telah diketahui sebelumnya bahwa sebuah benda yang panas meradiasikan gelombang elektromagnetik berupa gelombang inframerah. Gejala ini disebut radiasi kalor. Jika benda padat dipanaskan sampai suhu yang sangat tinggi, benda akan tampak memijar dan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan berada pada spektrum cahaya tampak. Jika benda terus dipanaskan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkan berubahubah. Intensitas radiasi dan panjang gelombang yang dipancarkan dapat digambarkan dalam grafik I(λ) – λ.

Dualisme Gelombang Partikel

2

I

T1 > T2 > T3 λ1 < λ2 < λ3

T1 T2

T3 λ1

λ2

λ3

λ

Gambar (a) di atas memperlihatkan grafik I(λ) – λ dari radiasi kalor. Dari gambar terlihat bahwa intensitas radiasi tidak tersebar merata pada seluruh panjang gelombang yang dan intensitas radiasi maksimum (berupa puncak kurva) dicapai pada satu nilai panjang gelombang. Ini merupakan nilai yang istimewa karena panjang gelombang ini merupakan panjang gelombang dimana intensitas radiasi maksimum. Gambar (b) di atas menunjukkan grafik I(λ) – λ untuk berbagai suhu yang berbeda. Dari gambar terlihat bahwa untuk suhu yang semakin kecil, panjang gelombang untuk intensitas maksimum bergeser ke kanan atau bertambah besar. Jadi, grafik ini memberi informasi adanya hubungan antara panjang gelombang maksimum dan suhu. Gejala pergeseran nilai panjang gelombang maksimum dengan berkurangnya suhu disebut pergeseran Wien. Penelitian lebih lanjut membuktikan bahwa panjang gelombang berbanding terbalik dengan suhu dan hasil kali antara panjang gelombang (λm) dan suhunya (T) selalu konstan. Jadi, λm T = konstan Konstanta kesebandingan antara panjang gelombang dan suhu dinamakan konstanta pergeseran Wien (C) yang besarnya 2,90 × 10−3 mK. Dengan demikian, λm T = C = 2,9 ×10 −3

Perlu diperhatikan bahwa suhu T adalah suhu mutlak dalam satuan kelvin (K) dan panjang gelombang λm dinyatakan dalam satuan m.

Teori Planck tentang Radiasi Benda Hitam

Dualisme Gelombang Partikel

3

Sebelumnya telah digambarkan intensitas radiasi kalor yang bervariasi terhadap panjang gelombang dalam bentuk grafik I(λ) – λ. Penelitian tentang radiasi kalor dilakukan dengan meninjau benda hitam ideal sebagai pemancar sekaligus penyerap radiasi yang sempurna. Sebuah lubang kecil dari benda berongga yang dipanaskan pada suhu tertentu sehingga memancarkan radiasi dianggap mewakili sebuah benda hitam sempurna. Gambar Radiasi yang dipancarkan benda hitam dianalogikan sebagai radiasi yang keluar melalui lubang kecil ini dan radiasi yang diserap dianalogikan sebagai radiasi dari luar yang masuk ke dalam lubang ini. Radiasi yang masuk melalui lubang tidak akan pernah ke luar dan terperangkap di dalam rongga. Itu sebabnya lubang kecil semacam ini dianggap mewakili benda hitam sempurna yang akan menyerap dengan sempurna radiasi dari luar. Suhu (dan karenanya kalor) berkaitan dengan gerakan internal molekul-molekul atau atom-atom yang terkandung di dalam benda. Karenanya, Tidak salah jika radiasi kalor juga dikaitkan dengan molekul-molekul di dalam benda itu. Untuk suatu benda hitam radiasi berkaitan dengan getaran molekul-molekul dari dinding rongga. Tinjauan seperti inilah yang digunakan oleh Planck untuk menemukan teori yang sesuai dengan grafik I(λ) – λ dari radiasi kalor. Teori yang dikemukakan oleh Planck didasarkan pada dua postulat berikut ini. 1. molekul-molekul yang bergetar pada dinding rongga hanya dapat memiliki energi yang besarnya merupakan kelipatan bulat dari nilai diskrit tertentu. Energi ini dinyatakan sebagai En = nhf Dimana h adalah sebuah konstanta yang mempunyai nilai 6,626 × 10−34 Js yang kemudian dikenal sebagai konstanta Planck, f adalah frekuensi getaran molekul-molekul, dan n adalah bilangan asli (n = 1, 2, 3, …). Jadi, energi yang diperkenankan (atau boleh dimiliki oleh molekul-molekul) membentuk tingkat-tingkat energi dan bukan nilai yang kontinu. Dalam hal ini energi terkuantisasi. 2. molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi radiasi dalam satuan diskrit dari energi radiasi, disebut kuantum, yang dilakukan dengan berpindah dari satu tingkat energi ke

Dualisme Gelombang Partikel

4

tingkat energi yang lain. Beda energi dari dua tingkat energi yang berdekatan adalah E = hf Ini sesuai dengan postulat pertama. Berdasarkan dua postulat ini, Planck berhasil menemukan teori yang memenuhi grafik intensitas radiasi kalor. Teori ini juga menjadi awal dari sebuah era baru dalam fisika dengan gagasan tentang energi diskrit atau energi yang terkuantisasi.

Efek Fotolistrik Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik. Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut. 1. hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam itu. 2. ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar. 3. ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu

Dualisme Gelombang Partikel

5

elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya. Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu. Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf. (Ek)maks

tan θ = h

fo

f

−W Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron E = W0 + Ekm hf = hf0 + Ekm Ekm = hf – hf0 Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekm adalah energi kinetik maksimum elektron

Dualisme Gelombang Partikel

6

yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai 1 mv e2 = hf − hf 0 2

Dimana m adalah massa elektron dan ve adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10−19 J.

Potensial Penghenti Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol. Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (stopping potential). Jika V0 adalah potensial penghenti, maka Ekm = eV0 1 mv e2 = eV 0 2

Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V).

Efek Compton Pada efek fotolistrik, cahaya dapat dipandang sebagai kuantum energi dengan energi yang diskrit. Kuantum energi tidak dapat digambarkan sebagai gelombang tetapi lebih mendekati bentuk partikel. Partikel cahaya dalam bentuk kuantum dikenal dengan sebutan foton. Pandangan cahaya sebagai foton diperkuat lagi melalui gejala yang dikenal sebagai efek Compton.

Dualisme Gelombang Partikel

7

Jika seberkas sinar-X ditembakkan ke sebuah elektron bebas yang diam, sinar-X akan mengalami perubahan panjang gelombang dimana panjang gelombang sinar-X menjadi lebih besar. Gejala ini dikenal sebagai efek Compton, sesuai dengan nama penemunya, yaitu Arthur Holly Compton. Sinar-X digambarkan sebagai foton yang bertumbukan dengan elektron (seperti halnya dua bola bilyar yang bertumbukan). Elektron bebas yang diam menyerap sebagian energi foton sehingga bergerak ke arah membentuk sudut terhadap arah foton mula-mula. Foton yang menumbuk elektron pun terhambur dengan sudut θ terhadap arah semula dan panjang gelombangnya menjadi lebih besar. foton terhambur

θ foton datang

θ = sudut hambur

φ elektron terpental

Perubahan panjang gelombang foton setelah terhambur dinyatakan sebagai ∆λ = λ'−λ =

h (1 − cos θ ) mc

Dimana m adalah massa diam elektron, c adalah kecepatan cahaya, dan h adalah konstanta Planck.

Sifat Gelombang Dari Partikel Untuk menjelaskan dan menemukan teori yang sesuai dengan spektrum radiasi kalor benda hitam, efek fotolistrik, dan efek Compton, maka cahaya yang sebelumnya diyakini sebagai gejala gelombang dipandang sebagai partikel. Ini menunjukkan cahaya memiliki sifat dualisme, yaitu dapat dipandang sebagai gelombang dan juga partikel. Secara umum, sifat gelombang dicirikan dengan frekuensi dan panjang gelombang sedangkan sifat partikel dicirikan dengan kecepatan gerak. Jika cahaya dapat dipandang sebagai partikel, maka

Dualisme Gelombang Partikel

8

seharusnya partikel pun (misalnya, elektron) dapat dipandang sebagai gelombang. Kaidah ini disebut dualisme gelombang-partikel. Partikel yang dapat dipandang memiliki sifat gelombang dianggap memiliki suatu panjang gelombang. Panjang gelombang ini disebut panjang gelombang de Broglie, sesuai dengan nama pencetus gagasan ini, yaitu Louis de Broglie. Menurut de Broglie, sebuah partikel yang bergerak dapat dianggap memiliki sifat gelombang yang terkait dengan kecepatan geraknya. Secara matematis dapat dituliskan bahwa jika sebuah partikel dengan massa m bergerak dengan kecepatan v, panjang gelombang de Broglie dari partikel itu adalah λ=

h mv

Teori de Broglie terbukti keabsahannya dengan teramatinya gejala difraksi elektron pada kisi kristal. Ini membuktikan bahwa elektron dapat juga berperilaku sebagai gelombang yang dapat mengalami difraksi. Dengan demikian, dualisme gelombang-partikel merupakan sebuah gejala alam.