Berikut ini percobaan yang dapat menjelaskan cahaya bersifat partikel dan gelombang

Sadarkah kamu di dunia ini secara fisika hanya diisi oleh dua jenis benda yakni gelombang dan partikel? Sebuah benda dapat dikatakan gelombang jika memiliki panjang gelombang dan frekuensi. Sedangkan sebuah benda dapat dikatakan partikel jika memiliki massa dan kecepatan atau momentum serta menempati ruang.

Lalu bagaimana dengan cahaya, makhluk halus dan benda lainnya? Apakah ia partikel atau gelombang?

Mari kita simak dalam artikel mengenai dualisme gelombang cahaya berikut ini ya!

Pengertian Dualisme Gelombang Partikel

Dualisme Gelombang Partikel adalah hipotesa yang diungkapkan oleh Louisde Broglie. Sebelum kita membahas lebih jauh mengenai hipotesa de Broglie mari kita jawab terlebih dahulu apakah bentuk dari cahaya?

Baca juga: Gaya Lorentz Serta Contoh Soalnya

Cahaya

Mengenai cahaya awalnya dikemukakan oleh Newton pada abad 17-an bahwa cahaya tersusun atas partikel-partikel, namun teori ini kemudian dipatahkan oleh teori dari Huygen bahwa cahaya terdiri dari gelombang-gelombang. Pendapat huygen kemudian diperkuat oleh temuan bahwa cahaya mampu di dispersi (diuraikan).

Eksperimen celah ganda Thomas young pada 1801 juga semakin membuktikan cahaya merupakan gelombang karena cahaya dapat di belokan (difraksi) dan digabungkan (interferensi). Persamaan gelombang Maxwell pada 1864 mengungkapkan bahwa gelombang cahaya terdiri dari gelombang listrik dan gelombang magnet yang saling tegak lurus. Pada 1887 percobaan Hertz juga membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik cahaya mengalir secara kontinu atau terus menerus.

Semakin berkembangnya ilmu pengetahuan dari waktu ke waktu hingga pada akhir 1860an ditemukan hukum pergeseran wien serta spectrum radiasi benda hitam pada 1900-an, Teori max-planck, efek fotolistrik , spectrum sinar x, hamburan Compton, dan spectrum optic juga ditemukan dari waktu ke waktu. Berbagai hal tersebut kemudian membuktikan kebenaran pendapat Newton. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa cahaya dapat berperilaku sebagai partikel dan gelombang.

Dari sini, kita akan semakin memahami materi mengenai dualisme gelombang-partikel.

Radiasi Hitam

Radiasi adalah istilah lain untuk pancaran. Radiasi benda hitam dimaksudkan jika sebuah benda memiliki suhu lebih besar daripada lingkungannya maka benda itu akan meradiasikan energi, sebaliknya jika suhu benda itu lebih rendah dari lingkungannya maka ia akan menyerap energi. Jika energi yang diradiasikan atau diserap sempurna maka benda nya kemudian disebut benda hitam. Hal inilah yang terjadi diantara matahari dan benda lain di luar angkasa.

Matahari dan benda lain disekitar kita cenderung meradiasikan energi panas. Selain matahari, manusia juga mampu meradiasikan dan menyerap energi. Ini jugalah yang menyebabkan jika banyak orang berkumpul di dalam satu ruangan tertutup, suhu lingkungan akan bertambah dan kamu akan merasakan kepanasan.

Beberapa hal yang mempengaruhi besar energi radiasi dapat dituliskan secara matematis sebagai berikut

Dimana:

e = koefisien emisivitas benda ( 0≤e≤1)

warna permukaan sedikit banyak memengaruhi emisivotas benda. Jika warna benda hitam sempurna e= 1, jika warna benda putih sempurna e=0. Nilai benda disekitar kita saat ini berkisar anatara 0 dan 1. Meski begitu, matahari seringkali dianggap benda hitam.

σ = tetapan Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 w/m²K⁴)

T = suhu mutlak (K)

A = luas permukaan (m²)

t = waktu (s)

W = energi (J)

Sedangkan daya radiasi (P) adalah energi tiap satuan waktu (watt)

Sedangkan Intensitas radiasi (I) dinyatakan dengan (watt/meter persegi)

Baca juga: Arus Listrik Bolak Balik Serta Contoh Soal

Pergeseran Wien

Wilhelm Wien adalah seorang ilmuwan berkebangsaan Rusia yang menemukan hukum radiasi panas hingga mendapat penghargaan nobel pada 1911. Wien mengungkapkan bahwa spektrum cahaya benda berpijar secara kontinyu.Panjang gelombang tersebut kemudian menentukan warna pijar pada benda.

Wien menjelaskan bahwa pada intensitas maksimum, panjang akan bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek atau ke frekuensi yang lebih tinggi apabila suhunya semakin meningkat.

Misalnya pada batang besi yang dipanaskan hingga suhu tertentu, awalnya batang besi akan menyala berwarna kemerahan, karena suhunya terus naik warna batang besi berubah menjadi kuning kemerahan dan akhirnya memijar.

Faktanya panjang gelombang dari cahaya merah lebih besar daripada panjang gelombang cahaya kuning, dengan frekuensi gelombang cahaya merah lebih rendah daripada frekuensi gelombang cahaya kuning. Hukum pergeseran wien juga menjelaskan mengapa kompor dengan nyala api warna biru jauh lebih hemat dan lenih baik untuk memasak.

Perubahan intensitas radiasi benda ditunjukkan oleh perubahan warna benda. Saat suhu benda berubah, maka intensitas benda akan ikut berubah atau terjadi pergeseran, pergeseran ini disebut Pergeseran Wien.

1. Grafik hubungan intensitas dan panjang gelombang

2. Grafik hubungan intensitas dan frekuensi

Secara matematis, grafik ini dapat dinyatakan:

Dimana:

λm = panjang gelombang pada intensitas radiasi maksimum (m)

T = suhu mutlak benda (K)

C = tetapan Wien (2,898 x 10-³ m.T)

Teori Kuantum

Terori kuantum adalah sebutan lain untuk teori fisika modern yang menjelaskan hal-hal yang sebelumnya tidak dapat dijelaskan oleh teori fisika klasik seperti fenomena cahaya, dan hukum relativitas. Perkembangan mengenai teori kuantum ini diawali oleh temuan radiasi benda hitam dan dualisme gelombang partikel seperti telah dibahas diatas. Pembahasan lebih lanjut mengenai teori kuantum kemudian dijelaskan oleh teori max-planck.

Teori Max –Planck menjelaskan bahwa Cahaya merupakan pancaran paket kuanta. Energi yang terkuantisasi setiap diskretnya disebut foton. Foton adalah bentuk cahaya sebagai partikel yang memiliki kecepatan. nilai kecepatan cahaya di ruang hampa selalu konstan, yakni c = 3 x 108 m/s.

Energi yang dibawa tiap satuan foton bergantung pada frekuensinya. Dapat dirumuskan:

dengan

maka

E = energi setiap foton (J)

h = tetapan planck (6,6 x 10-34 Js)

f = frekuensi gelombang (Hz)

λ = panjang gelombang (m)

Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik diungkapkan oleh Albert Einstein. Ia mengungkapkan bahwa logam yang disinari cahaya dengan energi tertentu mengakibatkan tereksitasinya elektron sehingga menimbulkan aruslistrik. Energi minimum yang dibutuhkan untuk menyebabkan satu elektron terlepas disebut energi ambang. Setiap bahan logam memiliki energi ambangnya masing-masing.

Dimana:

Eo = energi ambang (J)

h = tetapan planck

fo = frekuensi ambang (hz)

Jika energi cahaya kurang dari energi ambang ( E < Eo ) maka tidak akan terjadi efek fotolistrik. sedangkan jika energi cahaya sama besar dengan energi ambang ( E = Eo ) maka untuk sesaat akan muncul energi fotolistrik, namun elektron tidak akan memiliki energi kinetik. Dan jika energi cahaya lebih besar dari energi ambang (E > Eo ) maka efek fotolistrik akan terjadi secara kontinu karena elektron juga membawa energi kinetik.

Besar energi kinetik elektron dapat dirumuskan:

Dimana:

Ek = Energi kinetik (J)

E = energi cahaya (J)

Sedangkan untuk membuat elektron yang sedang bergerak menjadi berhenti dibutuhkan potensial henti. Besar nilai potensial henti dapat dinyatakan

Dimana:

V = potensial henti (volt)

Ek = energi kinetik

e = muatan elektron (1,6 x 10-19 C)

Efek Compton

Efek Compton adalah peristiwa menghamburnya foton akibat tumbukan foton dan elektron. Secara sederhana efek Compton memiliki cara kerja yang berkebalikan dengan efek fotolistrik. Namun baik efek fotolistrik maupun efek Compton membuktikan bahwa cahaya merupakan partikel. Ketika foton menumbuk elektron, foton akan memiliki momentum foton sebesar:

Pada efek Compton energi foton dan panjang gelombang foton bertambah sedangkan frekuensi foton berkurang. Akibatnya terjadi Pergeseran Compton, yakni perubahan panjang gelombang yang terjadi akibat tumbukan foton dengan elektron.

Dimana:

Δλ = pergeseran compton (m)

h = tetapan planck (6,6 x 10-34 Js)

mo= massa elektron (9,1 x 10-31 Js)

α = θ = sudut pembelokan terhadap arah awal

Hipotesis De Broglie

Louise de Broglie mengatakan bahwa sebuah partikel seperti elektron yang bergerak dengan kecepatan tertentu akan memiliki sifat gelombang, seperti memiliki panjang gelombang dan frekuensi. Ia kemudian mengembangkan hipotesisnya bahwa partikel dapat berperilaku sebagai gelombang, dan sebuah gelombangpun akan dapat berperilaku seperti partikel pada kondisi tertentu.

Panjang gelombang partikel dapat dirumuskan

Dimana:

λ = panjang gelombang (m)

h = tetapan planck (6,6 x 10-34 Js)

p = momentum benda (kgm/s)

Contoh Soal Dualisme Gelombang Partikel

Sebuah elektron dipercepat oleh beda potensial V. Jika m = massa electron, e = muatan elektron dan h konstanta Planck. Maka panjang gelombang de Broglie untuk electron ini dapat dinyatakan dengan hubungan …

1. UMPTN 1995 Rayon B kode 62

Grafik yang menunjukkan hubungan antara energi kinetik fotoelektron (Ek) dan intensitas foton pada proses fotoelektron adalah …

Apabila cahaya ultraviolet menyinari potassium, elektron akan terpancar dari permukaan logam tersebut. Dalam peristiwa ini maka…

1. energi kinetik elektron adalah hasil energi cahaya dikurangi energi ambang logam (salah).
2. energi cahaya E = hf (benar).
3. Jika cahaya diubah menjadi warna lain, frekuensinya akan berubah, maka energinya juga akan berubah. Maka peristiwa efek fotolistrik tidak akan sama terjadi (salah).
4. energi kinetik maksimum elektron adalah hasil energi cahaya dikurangi energi ambang logam (benar).

Baca juga: Transformator: Pengertian, Komponen, Daya, Jenis dan Contoh Soal

Itu dia pembahasan lengkap mengenai materi dualisme gelombang partikel atau fisika kuantum hingga contoh soal UMPTN & SBMPTN. Ada yang ingin didiskusikan? komen di bawah ya!

sumber:

Maulana, Eka.2014. Dualisme Gelombang Partikel. Universitas Brawijaya.

Materi 78. 2013. Fisika Kuantum. Jakarta : SMAN 78