MENGENALI FOTON DAN PENGQUANTUMAN TENAGA

Transcript

1 MENGENALI FOTON DAN PENGQUANTUMAN TENAGA Oleh Mohd Hafizudin Kamal Sebelum wujudnya teori gelombang membujur oleh Huygens pada tahun 1678, cahaya dianggap sebagai satu aliran zarah-zarah atau disebut juga sebagai korpuskel. Walaupun teori gelombang membujur yang dikemukan oleh Huygen dapat menerangkan beberapa fenomena fizik seperti pantulan dan pembiasan cahaya, tetapi secara umumnya ia masih tidak boleh diterima sehinggalah pada awal abad ke-19, selepas penemuan fenomena belauan dan pengutuban cahaya. Fenomenafenomena tersebut tidak dapat diterangkan dengan menggunakan teori gelombang cahaya. Dalam hal ini, cahaya dianggap sebagai gelombang mekanikal yang merambat dalam medium yang dilaluinya. Pada tahun 1864 James Clark Maxwell telah merumuskan satu set persamaan yang mengaitkan antara keamatan elektrik dan magnet yang memberikan keputusan bahawa medan elektrik dan magnet merambat dalam ruang bebas sebagai gelombang elektromagnet. Selain itu, kelajuan gelombang ini boleh dikira menggunakan pengukuran elektrik dan magnet yang memberikan halaju gelombang tersebut sama dengan halaju cahaya. Pendapat Maxwell mengenai gelombang elektromagnet ini telah dibuktikan kebenarannya oleh Frank Hertz pada tahun Beliau telah berjaya menghasilkan dan mengesan gelombang elektromagnet melalui litar elektrik yang bergetar dan telah juga membuktikan gelombang elektromagnet yang dihasilkan itu merambat dengan halaju cahaya sama seperti yang diramalkan oleh Maxwell. Oleh yang demikian, teori elekromagnet Maxwell ini mampu menerangkan perambatan gelombang elektromagnet yang merangkumi semua panjang gelombang yang terdapat dalam spektrum elektromagnet. Sifat gelombang elektromagnet bergantung kepada panjang gelombang yang dimilikinya namun kesemuanya bergerak dalam ruang bebas dengan halaju yang sama dengan halaju cahaya, c. Halaju

2 rambatan gelombang tersebut merupakan hasil darab frekuensi, v dengan panjang gelombang iaitu c = vλ = x 10 8 ms 2 SINARAN JASAD HITAM Ujikaji yang telah dijalankan oleh Frank Hertz menguatkan lagi fakta bahawa cahaya terdiri daripada gelombang elektromagnet berdasarkan teori Maxwell. Pendapat ini bertahan lama sehinggalah kajian mengenai sinaran yang dipancarkan oleh suatu jasad panas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori yang sedia ada. Dikatakan juga bahawa semua jasad memancarkan sinaran elektromagnet. Kuantiti dan jenis sinaran yang dipancarkan oleh suatu jasad bergantung kepada jenis bahan dan suhu di permukaan jasad tersebut. Sebagai contoh, apabila sekeping logam dipanaskan, cahaya dengan warna yang berbeza akan dipancarkan bergantung kepada suhu logam tersebut. Warna cahaya tersebut berubah daripada merah kepada kuning seterusnya menjadi putih apabila suhu logam tersebut bertambah. Hakikatnya, semua jasad akan memancarkan sinaran walaupun suhunya tidak berapa panas, Cuma sinaran yang dipancarkan itu tidak dapat dilihat oleh mata. Pada suhu bilik kebanyakkan sinaran yang dipancarkan adalah dalam kawasan infra merah dan tidak dapat dilihat oleh mata kasar kita. Kebolehan suatu jasad memancarkan sinaran adalah berkait rapat dengan keupayaan jasad tersebut menyerap sinaran. Suatu jasad pada suhu tertentu akan mengalami keseimbangan terma dengan keadaan sekelilingnya. Dalam keadaan ini, kadar sinaran yang diserap oleh jasad itu adalah sama dengan kadar sinaran yang dipancarkan. Permukaan jasad yang berkilat merupakan pemancar dan penyerap sinaran yang lemah sementara permukaan yang kasar dan gelap merupakan pemancar dan penyerap sinaran yang baik. Jasad yang boleh menterap semua sinaran yang mengenainya tanpa mengira frekuensi sinaran tersebut pada sebarang suhu dinamkan sebagai jasad hitam. Jasad hitam juga dapat memancarkan sinaran 100% pada sebarang suhu.

3 Ujikaji yang menggunakan suatu kotak berongga yang mempunyai celah kecil di salah satu permukaannya seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.1, bolehlah sekiranya diandaikan sebagai suatu jasad hitam. Apabila sinaran elektromagnet dipancarkan menuju celah kotak tersebut, ia akan diserap dan terperangkap di dalam rongga kotak hitam. Sinaran tersebut akan dipantulkan oleh dinding kotak hitam dan akhirnya akan terpancar keluar melalui celah-celah kotak hitam tersebut. Sinaran yang keluar dari celah tersebut dikatakan dipancarkan oleh jasad hitam. Beberapa keputusan menarik telah diperolehi hasil daripada ujikaji tersebut. Salah satunya ialah hukum Stefan-Botzmann. Hukum ini menyatakan bahawa kadar tenaga sinaran yang dipancarkan oleh jasad hitam per unit luas adalah berkadar terus dengan kuasa empat suhu mutlak. Dalam ungkapan matematik ia dapat dinyatakan seperti berikut R = eσt 4 dengan T ialah suhu mutlak dalam unit Kelvin, e pekali pancaran dan σ ialah pemalar Stefan Boltzmann yang bernilai 5.67 x 10 8 Wm 2 K 4. Pekali pancaran, e bernilai antara 1 hingga 0. Bagi jasad hitam, e = 1 manakalan bagi jasad lain e kurang dari 1. Sinaran cahaya tuju Kotak hitam Rajah 1.1 Ujikaji menggunakan kotak hitam bagi mengkaji sinaran jasad hitam,

4 Menurut teori klasik apabila suhu jasad bertambah, atom-atom dalam jasad tersebut akan bergetar. Atom yang bergetar akan memancarkan sinaran. Jika frekuensi bertambah atau panjang gelombang sinaran berkurang, maka keamatan sinaran juga akan bertambah. Ramalan ini tidak sesuai dengan ciri-ciri spektrum yang diperolehi daripada ujikaji menggunakan kotak hitam, di mana keamatan sinaran tidak terus menerus bertambah tetapi akan berkurang pada frekuensi yang lebih tinggi. Beberapa saintis terkemuka pada masa itu telah mengemukakan beberapa model bagi menjelaskan perkara tersebut. Walaubagaimanapun penjelasan menggunakan teori gelombang elektromagnet klasik akhirnya terbukti tidak Berjaya menghuraikan masalah tersebut. Penjelasan yang tepat bagi menghuraikan ciri-ciri spektrum yang dipancarkan oleh jasad hitam telah dapat dihuraikan dengan jayanya menggunakan teori kuantum yang telah dikemukakan oleh Max Planck pada tahun Planck menganggap sinaran yang dipancarkan oleh jasad hitam adalah tidak selanjar tetapi dipancarkan dalam bentuk kuantum iaitu merupakan bingkisan-bingkisan tenaga yang mempunyai tenaga tertentu yang diberikan oleh persamaan berikut E = hv dengan E ialah tenaga dalam setiap kuantum, v merupakan frekuensi sinaran dan h merupakan pemalar Planck dengan nilainya h = 6.63x10 34 Js. Pada tahun 1905, Einstein menggunakan konsep ini dengan mengusulkan teori pengkuantuman cahaya yang menyatakan bahawa semua sinaran elektromagnet wujud dalam bentuk bingkisanbingkisan tenaga yang dinamakan foton. Konsep ini telah Berjaya menerangkan proses fotoelektrik iaitu suatu proses pemancaran elektron apabila permukaan suatu logam disinari oleh cahaya. Rajah 1.2 menunjukkan proses fotoelektrik yang berlaku pada permukaan logam.

5 Sinaran Cahaya Tuju Elektron yang terbebas keluar dari permukaan Rajah 1.2 Kesan Fotoelektrik terhadap permukaan logam