Konsep dan Fenomena Kuantum

Kalian pasti pernah kan mecahin atau matahin barang? Potongan tersebut ada yang kecil, sedang, sampe yang paling besar. Kalau kita mengamati potongan yang paling kecil, saya yakin insting kalian mengatakan kalau ditumbuk/ditekan/diketok lagi (misal pake palu), pasti si paling kecil itu bakal terbagi lagi.

Pertanyaannya apakah ada mentoknya? Jawabannya ada, mereka adalah partikel elementer (dasar). Hmmm, ((mereka))? Berarti ada banyak dong?

Ya betul, jadi sebenarnya ada beberapa partikel elementer, namun yang paling sering dikenal itu ada quarks, leptons, antiquarks, dan antileptons.

Tapi di sini kita gak bakal bahas tentang itu, kita akan membatasi topiknya hingga atom dan isinya. Kenapa kita bisa mencapai suatu pembahasan mengenai atom karena, kerangka berpikirnya mirip seperti ilustrasi sebelumnya, orang-orang jaman dahulu percaya bahwa ada bagian yang tidak bisa terbagi lagi.

Dahulu, atom dianggap sebagai partikel yang tidak bisa dibagi lagi.

Filosofi suatu benda tidak bisa dibagi muncul di negara Yunani. Dan dari pemikiran tersebut munculah istilah atomos dari bahasa Yunani yang berarti tidak bisa terbagi lagi. Dan sampai sekitar tahun 1800an mulai gencar penelitian tentang atom, dan pada akhirnya mencapai kesimpulan bahwa atom masih bisa terbagi lagi. Salah satunya yaitu melalui eksperimen sinar alpha.

Pengamatan lebih lanjut mengenai atom membawa kita semua pada suatu prinsip yang dinamakan kuantum alias terkuantisasi atau tidak kontinyu. Memang apanya yang tidak kontinyu? Yakni energinya!

Hal ini terjadi karena energi yang dimiliki oleh suatu atom dan isinya selalu kelipatan dar besar energi dasarnya.

Energi di dalam atom nilainya terkuantsasi.

Jika dimisalkan energi dasar suatu partikel adalah , maka energinya hanya kelipatan dari tersebut, seperti , , , dan seterusnya. Nilainya tidak bisa menjadi, misal, .

Kalau ditanya definisinya setiap orang past bisa jawab, foton adalah salah satu partikel elementer, foton adalah paket energi yang dibawa oleh cahaya, foton adalah ... dan masih banyak lagi. Namun, pernah gak terpikir, bagaimana wujud asli dari si foton ini?

Begini, konsepnya mirip medan magnet dan listrik, kita tidak bisa melihat, tapi dengan adanya konsep yang abstrak ini kita bisa menjelaskan fenomena di alam ini. Dan konsep ini muncul ketika ilmuwan Jerman, Bapak Max Planck, mengamati bahwa energi yang dibawa oleh cahaya itu diradiasikan atau diserap secara terkuantisasi alias diskrit.

Energi dasar yang dimiliki suatu cahaya tersebut bergantung pada frekuensi serta suatu konstanta yang dinamakan konstanta Planck . Energi tersebut diekspresikan ke dalam bentuk matematis sebagai berikut.

Konstanta tersebut bernilai .

Lebih jauh lagi, ada usulan dari Pak Einstein yang mengatakan foton ini diemisikan oleh atom, dan dapat juga diserap oleh atom. Ketika foton diemisikan yang berasal dari suatu atom, maka atom tersebut kehilangan energinya. Lalu, apabila foton diserap oleh suatu atom, maka atom tersebut memiliki energi dan foton tersebut hilang.

Kita telah melihat pada pembahasan mengenai gelombang cahaya, cahaya terdiri dari dua medan, yaitu medan magnet dan medan listrik yang berosilasi secara tegak lurus. Pesat osilasi pada kedua medan tersebut, kalau berdasarkan persamaaan sebelumnya, menentukan besar energi yang dimiliki oleh suatu cahaya, karena berkaitan dengan frekuensinya.

Ketika cahaya ditembakkan pada suatu permukaan logam, maka dari logam tersebut akan mengemisikan elektronnya karena menyerap energi dari foton. Dapat kalian amati dengan susunan rangkaian seperti berikut.

Namun hal tersebut tidak selalu terjadi, ada batas energi yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron dari logam. Dan yang menarik adalah, besarnya intensitas cahaya yang mengarah ke logam itu gak berpengaruh pada keluarnya elektron dari material tersebut.

Mungkin di antara kalian berpikir bahwa, intensitas itu berhubungan dengan daya yang mana berhubungan dengan energi per satuan waktu. Kalau dari tim ISENG alasannya sederhana, ingat bahwa energinya terkuantisasi, artinya satu foton hanya akan berinteraksi oleh satu elektron saja. Kalau terbagi jadi dua elektron, apakah mungkin menjadi kelipatan setengah dari energi foton?

Masih bisa dipertanyakan lagi, kan bisa saja satu elektron menerima misal, buah foton?

Nah, sekarang kasusnya bakal jadi kompleks, karena akan melibatkan probabilitas atau peluang, yaitu peluang foton mana yang akan berinteraksi dengan elektron.

Jadi bisa diartikan kalau peningkatan intensitas hanya akan memperbanyak jumlah foton aja, tapi gak meningkatkan energi foton itu sendiri. Sekarang, untuk melepas elektron pada logam, kita perlu meningkatkan energi untuk satu foton.

Karena energi suatu foton adalah , dan adalah konstanta, maka satu-satunya cara adalah meningkatkan frekuensi cahaya.

Di samping itu, ada batas minimal energi yang diperlukan supaya elektron dapat terlepas, yang disebut sebagai work function, disimbolkan .

Apabila energi foton melebihi work function, sebagian energi tersebut akan diberikan kepada elektron menjadi energi kinetik . Hal tersebut diusulkan oleh Einstein melalui persamaan mengenai efek fotolistrik ini.

Satu lagi yang perlu diketahui, setiap material logam membutuhkan work function yang berbeda-beda.

Ketika energi foton bernilai sama dengan work function-nya, artinya tidak ada energi kinetik yang diberikan kepada elektron. Frekuensi pada kondisi tersebut dinamakan frekuensi cut-off, apabila frekuensi cahaya dibawah ini, maka jangan harap elektron bisa lepas.

Untuk melepas elektron, diperlukan energi foton yang melebihi work function-nya.

Meskipun foton tidak memiliki massa, namun bukan berarti foton tidak memiliki momentum. Dengan demikian kita perlu makna momentum yang lebih luas, bukan hanya . Bentuk lainnya adalah.

Dan konsep momentum ini akan membantu kita dalam menjelaskan fenomena penghamburan yang terjadi pada suatu sinar yang menabrak material.

Fenomena penghamburan cahaya ditemukan ole Arthur Compton sekitar tahun 1920an, beliau menggunakan sinar-x, dan mengarahkannya menuju suatu material berbahan karbon.

Dan apa yang terjadi? Beliau memindahkan detektor sinar-x, pada sudut yang berbeda-beda, dan alhasil sinar-x masih terdeteksi meskipun panjang gelombangnya yang berbeda-beda. Alasan kenapa panjang gelombangnya bisa berubah, jawabannya mudah, coba ingat lagi hukum kekekalan energi.

Apabila kita anggap sistem tertutup, artinya kita hanya memperhatikan interaksi foton dengan elektron pada material. Maka energi foton akan diubah menjadi energi foton lagi (yang dihamburkan) dan sisanya menjadi energi kinetik elektron .

Elektron kemungkinan besar akan memiliki kelajuan mendekati kelajuan cahaya, sangat mungkin ada faktor Lorentz yang terlibat, sehingga untuk mendeskripsikannya energi kinetik tersebut kita gunakan

Kita substitusikan persamaan energi kinetik tersebut.

Kemudian kita manfaat juga prinsip kekekalan momentum, misal setelah tumbukkan foton terpantul dengan membentuk sudut . Kemudian elektron dari sinar-x membentuk sudut , maka untuk sumbu-x yaitu.

Lalu momentum untuk sumbu-y.

Nah, tadi dijelaskan bahwa ada perbedaan panjang gelombang ketika detektor dipindah-pindahkan dengan sudut tertentu. Perbedaan panjang gelombang tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan informasi sebelumnya.

Buat kalian yang "iseng" bisa didapat, perbedaan tersebut adalah.

Perbedaan panjang gelombang tersebut disebut sebagai pergeseran Compton, dan konstanta dinamakan sebagai panjang gelombang Compton.