FISIKA KUANTUM

Fisika kuantum mempelajari struktur dasar materi (fundamental element). Yaitu mempelajari susunan atom dan struktur pembentuk atom. Disebut kuantum karena dari kata dasar quanta/quantised = terukur. Maksudnya mempelajari ukuran-ukuran/nilai-nilai/sifat-sifat dasar dari "bahan" pembentuk "materi". Mulai dari massa atom, proton, neutron, elektron sampai yang dianggap terkecil saat ini adalah quark sebagai "bahan" penyusun proton, neutron maupun elektron. Tidak hanya nilai massanya saja yang dipelajari, tetapi juga orbitnya, spin-nya, weak-force, gravitasi, sifat gelombang elektromagnetnya, dll.

A.    Energi Foton

Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik. Biasanya foton dianggap sebagai pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X. Foton berbeda dengan partikel elementer lain seperti elektron dan quark, karena ia tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, c. Foton memiliki baik sifat gelombang maupun partikel ("dualisme gelombang-partikel").

Sebagai gelombang, satu foton tunggal tersebar di seluruh ruang dan menunjukkan fenomena gelombang seperti pembiasan oleh lensa dan interferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain.

Sebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah:

di mana h adalah konstanta Planck, c adalah laju cahaya, dan λ adalah panjang gelombangnya.

B.     Teori Kuantum

Teori kuantum dari Max Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang dipancarkan oleh benda mampat. Radiasi inilah yang menunjukan sifat partikel dari gelombang. Radiasi yang dipancarkan setiap benda terjadi secara tidak kontinyu (discontinue) dipancarkan dalam satuan kecil yang disebut kuanta (energi kuantum).

1.      Max Planck

Planck berpendapat bahwa kuanta yang berbanding lurus dengan frekuensi tertentu dari cahaya, semuanya harus berenergi sama dan energi ini E berbanding lurus dengan frekuensi.

Jadi : E = h.f

            Dengan :    E = Energi kuantum

h = Tetapan Planck = 6,626 x 10^­34 J.s

f = Frekuensi

Planck menganggap hawa energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda, timbul secara terputus-putus walaupun penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang elektromagnetik yang kontinyu.

Einstein mengusulkan bukan saja cahaya yang dipancarkan menurut suatu kuantum pada saat tertentu tetapi juga menjalar menurut kuanta individual. Hipotesis ini menerangkan efek fotolistrik, yaitu elektron yang terpancar bila frekuensi cahaya cukup tinggi, terjadi dalam daerah cahaya tampak dan ultraungu.

Hipotesa dari Max Planck dan Einstein menghasilkan rumusan empiris tentang efek fotolistrik yaitu :

hf = Kmaks + hfo

hf = Isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang

Kmaks = Energi fotoelektron maksimum

hfo = Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron    dari permukaan logam yang disinari

Tidak semua fotoelektron mempunyai energi yang sama sekalipun frekuensi cahaya yang digunakan sama. Tidak semua energi foton (hv) bisa diberikan pada sebuah elektron. Suatu elektron mungkin akan hilang dari energi awalnya dalam interaksinya dengan elektron lainnya di dalam logam sebelum ia lenyap dari permukaan. Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam biasanya memerlukan separuh dari energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom bebas dari logam yang bersangkutan.

Penafsiran Einstein mengenai fotolistrik dikuatkan dengan emisi termionik. Dalam emisi foto listrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedangkan dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakannya.

Usul Planck bahwa benda memancarkan cahaya dalam bentuk kuanta tidak bertentangan dengan penjalaran cahaya sebagai gelombang. Sementara Einstein menyatakan cahaya bergerak melalui ruang dalam bentuk foton. Kedua hal ini baru dapat diterima setelah eksperimen Compton. Eksperimen ini menunjukan adanya perubahan panjang gelombang dari foton yang terhambur dengan sudut (f) tertentu oleh partikel bermassa diam (m₀). Perubahan ini tidak bergantung dari panjang gelombang foton datang (l).

Hasil pergeseran compton sangat kecil dan tidak terdeteksi. Hal ini terjadi karena sebagian elektron dalam materi terikat lemah pada atom induknya dan sebagian lainnya terikat kuat. Jika elektron d timbulkan oleh foton, seluruh atom bergerak, bukan hanya elektron tunggalnya.

Untuk lebih memahami tinjauan teori kuantum dan teori gelombang yang saling melengkapi, marilah kita amati riak yang menyebar dari permukaan air jika kita menjatuhkan batu ke permukaan air. Pernahkan Anda perhatikan hal ini? Riak yang menyebar pada permukaan air akan hilang dengan masuknya batu ke dasar.

Analogi ini dapat menjelaskan energi yang dibawa cahaya terdistribusi secara kontinyu ke seluruh pola gelombang. Hal ini menurut tinjauan teori gelombang sedangkan menurut teori kuantum, cahaya menyebar dari sumbernya sebagai sederetan konsentrasi energi yang teralokalisasi masing-masing cukup kecil sehingga dapat diserap oleh sebuah elektron.

a)      Teori gelombang cahaya menjelaskan difraksi dan interferensi yang tidak dapat dijelaskan oleh teori kuantum. Sedangkan teori kuantum menjelaskan efek fotolistrik yang tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang.

b)      Teori gelombang cahaya menjelaskan difraksidan interferensi yang tidak dapat dijelaskan oleh teori kuantum.

Teori kuantum menjelaskan efek fotolistrik yang tidak dapat di jelaskan oleh teori gelombang. Bila cahaya melalui celah-celah, cahaya berlalu sebagai gelombang, ketika tiba di layar cahaya berlalu sebagai partikel.

Berdasarkan data tersebut, dilakukan eksperimen lanjutan yang meneliti sifat dualisme gelombang dan partikel.

C.    Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah perambatan secara transversal antara medan listrik dan medan magnet ke segala arah. Konsep yang bisa menjelaskan fenomena ini adalah konsep gelombang elektromagnetik. Dan konsep gelombang elektromagnetik ternyata sangat luas tidak hanya berkaitan dengan TV atau ponsel saja, melainkan banyak aplikasi lain yang bisa sering kita temukan sehari-hari di sekitar kita. Aplikasi tersebut meliputi microwave, radio, radar, atau sinar-x.

Pertama, arus listrik dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Ini dikenal sebagai gejala induksi magnet . Peletak dasar konsep ini adalah Oersted yang telah menemukan gejala ini secara eksperimen dan dirumuskan secara lengkap oleh Ampere. Gejala induksi magnet dikenal sebagai Hukum Ampere. Kedua, medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan listrik dalam bentuk arus listrik. Gejala ini dikenal sebagai gejala induksi elektromagnet. Konsep induksi elektromagnet ditemukan secara eksperimen oleh Michael Faraday dan dirumuskan secara lengkap oleh Joseph Henry. Hukum induksi elektromagnet sendiri kemudian dikenal sebagai Hukum Faraday-Henry.

Yang termasuk gelombang elektromagnetik:

Gelombang	Panjang gelombang λ
gelombang radio	1 mm-10.000 km
infra merah	0,001-1 mm
cahaya tampak	400-720 nm
ultra violet	10-400nm
sinar X	0,01-10 nm
sinar gamma	0,0001-0,1 nm

Sinar kosmis tidak termasuk gelombang elektromagnetik; panjang gelombang lebih kecil dari 0,0001 nm. Sinar dengan panjang gelombang besar, yaitu gelombang radio dan infra merah, mempunyai frekuensi dan tingkat energi yang lebih rendah. Sinar dengan panjang gelombang kecil, ultra violet, sinar x atau sinar rontgen, dan sinar gamma, mempunyai frekuensi dan tingkat energi yang lebih tinggi.

v  Sinar Gamma:

·         frekuensinya: 10²⁰ hz - 10²⁵ hz.

·         mempunyai daya daya tembus sangat besar.

·         dipakai pada bidang industry.

·         alat deteksi: Geiger Muller.

v  Sinar X (=sinar rontgen):

·         frekuensinya: 10¹⁶ hz – 10²⁰ hz.

·         daya tembus besar.

·         dipakai untuk mendeteksi organ organ dalam tubuh (misal: menentukan posisi tulang yang patah).

v  Ultra Violet:

·         frekuensinya: 10¹⁵ hz – 10¹⁶ hz.

·         sumber utamanya matahari.

·         diperlukan pada proses asimilasi tumbuhan.

·         membunuh beberapa jenis kuman penyakit kulit.

v  Cahaya Tampak (=sinar):

·         satu-satunya GEM yang dapat dilihat (teramati mata manusia).

·         panjang gelombangnya: 430 nm - 690 nm (rentang frekuensinya sempit).

·         manfaat/ fungsinya: membuat kita dapat melihat.

v  Infra Merah:

·         frekuensinya: 10¹¹ hz - 10¹⁴ hz.

·         digunakan pada fotografi (pemotretan dari udara atau satelit) untuk pemetaan permukaan bumi dan sumber-sumber alam.

·         dapat juga dipakai pada terapi fisik (physical therapy).

v  Gelombang Radar (Radio Detection and Ranging):

·         untuk mendeteksi pesawat yang bergerak mendekati/menjauhi pangkalan udara.

·         dapat juga dipakai pada sarana komunikasi.

v  Gelombang TV dan Gelombang Radio:

·         penggunaannya sebagian besar untuk pemancar radio dan TV.

D.    Sifat-sifat Gelombang Elektromagnetik

      Dari beberapa percobaan yang telah dilakukan, Hertz berhasil mengukur bahwa radiasi gelombang elektromagnetik frekuensi radio (100 MHz) yang dibangkitkan memiliki kecepatan rambat sesuai dengan nilai yang diramalkan oleh Maxwell. Di samping itu, eksperimen Hertz ini juga menunjukkan sifat-sifat gelombang dari cahaya, yaitu pemantuan, pembiasan, interferensi, difraksi, dan polarisasi. Dengan demikian, hipotesis Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik telah terbukti kebenarannya melalui eksperimen Hertz.

Dari uraian ini, dapat ditulis sifat-sifat gelombang elektromagnetik yaitu:

a.       Dapat merambat dalam ruang hampa,

b.      Merupakan gelombang transversal,

c.       Dapat mengalami polarisasi,

d.      Dapat mengalami pemantulan (refleksi),

e.       Dapat mengalami pembiasan (refraksi),

f.       Dapat mengalami interferensi,

g.      Dapat mengalami lenturan atau hamburan (difraksi),

h.      Merambat dalam arah lurus.Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan Maxwell, kecepatan gelombang elektromagnetik diruang hampa adalah sebesar 3 x 10⁸ m/s yang nilainya sama dengan laju cahaya terukur (Supriyono, 2006).

c = f x λ

Keterangan:     c = laju cahaya (3 x 10⁸)

                        f = frekuensi gelombang (Hz)

                        λ = panjang gelombang (m)

Berdasarkan persamaan tersebut, kita dapat menentukan frekuensi cahaya tampak bernilai antara 4 x 10¹⁴ Hz hingga 7,5 x 10¹⁴ Hz.

E.     Peranan Gelombang Elektromagnetik dalam Kehidupan

Gelombang elektromagnetik banyak dimanfaatkan dalam kehidupan di muka bumi. Pemanfaatan itu ada dalam berbagai bidang, yaitu bidang kedokteran, bidang industri, bidang astronomi, bidang seni, dan bidang sains fisika. Banyak sekali keuntungan yang diperoleh dari pemanfaatan gelombang elektromagnetik ini. Tetapi, gelombang elektromagnetik ini juga dapat memberikan dampak negatif yang dapat mengganggu kehidupan di muka bumi.