Nota Fizik T5 Bab 7: Fizik Kuantum SPM
Nota lengkap Fizik Kuantum Tingkatan 5 KSSM — teori Max Planck, kuantum tenaga, foton, sifat kedualan gelombang-zarah, panjang gelombang de Broglie, kesan fotoelektrik, teori Einstein, fungsi kerja, frekuensi ambang.
7.1 Teori Kuantum Cahaya
Latar Belakang
Teori klasik tidak dapat menerangkan spektrum sinaran jasad hitam. Max Planck (1900) mencadangkan bahawa tenaga dibebaskan dalam paket diskrit, bukan selanjar.
Kuantum Tenaga dan Foton
Foton ialah kuantum tenaga cahaya yang boleh dipindahkan. Tenaga foton berkadar terus dengan frekuensi:
E = hf = hc/λ
h = Pemalar Planck = 6.63 × 10⁻³⁴ J s
f = frekuensi cahaya (Hz)
c = laju cahaya = 3.00 × 10⁸ m s⁻¹
λ = panjang gelombang (m)
Semakin tinggi frekuensi → semakin tinggi tenaga foton. Semakin pendek λ → semakin tinggi tenaga.
Spektrum Garis
Setiap unsur menghasilkan spektrum garis yang unik (berbeza dengan spektrum selanjar). Hal ini membuktikan bahawa tenaga atom adalah diskrit (berkuantum), bukan selanjar.
Kuasa dan Bilangan Foton
P = nhf/t = nhc/λ (jika n foton dipancarkan per saat)
n = P/hf = Pλ/hc
n = bilangan foton per saat (s⁻¹)
P = kuasa (W)
Sifat Kedualan Gelombang-Zarah
Cahaya bersifat gelombang (pembelauan, interferens) DAN zarah (foton, momentum). Ini dikenali sebagai sifat kedualan gelombang-zarah.
Hipotesis de Broglie
Louis de Broglie (1924) mencadangkan bahawa semua zarah (bukan sahaja cahaya) juga memiliki sifat gelombang:
λ = h/p = h/(mv)
λ = panjang gelombang de Broglie (m)
h = Pemalar Planck = 6.63 × 10⁻³⁴ J s
p = momentum zarah (kg m s⁻¹)
m = jisim zarah (kg)
v = halaju zarah (m s⁻¹)
Semakin besar momentum → semakin pendek λ. Zarah berjisim besar mempunyai λ yang terlalu pendek untuk dikesan (sebab itu benda biasa tidak kelihatan "bergelombang").
Aplikasi Panjang Gelombang de Broglie
Elektron mempunyai λ kira-kira 1,000–10,000 kali lebih pendek daripada cahaya tampak. Ini membolehkan mikroskop elektron menghasilkan pembesaran yang jauh lebih tinggi daripada mikroskop cahaya.
7.2 Kesan Fotoelektrik
Kesan fotoelektrik ialah pemancaran elektron (fotoelektron) daripada permukaan logam apabila disinari dengan cahaya yang berfrekuensi mencukupi.
Empat Ciri Kesan Fotoelektrik
| Ciri | Penerangan |
|---|---|
| 1. Kesan frekuensi | Semakin tinggi frekuensi foton → semakin tinggi K_maks fotoelektron |
| 2. Frekuensi ambang | Hanya frekuensi melebihi f₀ dapat mengeluarkan elektron, tanpa mengira keamatan |
| 3. K_maks bebas daripada keamatan | Keamatan cahaya bertambah → lebih banyak fotoelektron (bukan lebih bertenaga) |
| 4. Serta-merta | Fotoelektron dipancarkan serta-merta (tidak ada kelewatan masa) |
Teori klasik gagal: Teori gelombang klasik meramalkan kesan fotoelektrik boleh berlaku pada sebarang frekuensi dan memerlukan masa. Ini bercanggah dengan eksperimen.
Frekuensi Ambang dan Fungsi Kerja
W = hf₀
W = fungsi kerja (J) — tenaga minimum untuk membebaskan elektron
f₀ = frekuensi ambang (Hz)
h = Pemalar Planck
Setiap logam mempunyai nilai f₀ dan W tersendiri. Semakin tinggi f₀ → semakin sukar mengeluarkan elektron dari logam itu.
7.3 Teori Fotoelektrik Einstein
Albert Einstein (1905) mengaplikasikan idea foton untuk menerangkan semua ciri kesan fotoelektrik:
hf = W + K_maks
hf = tenaga satu foton (J)
W = fungsi kerja logam (J)
K_maks = ½mv² = tenaga kinetik maksimum fotoelektron (J)
Penerangan Teori Einstein
- Satu foton menyerap tenaganya sepenuhnya kepada satu elektron
- Sebahagian tenaga digunakan untuk membebaskan elektron (= W, fungsi kerja)
- Lebihan tenaga menjadi tenaga kinetik fotoelektron: K_maks = hf − W
- Jika hf < W → elektron tidak dapat dibebaskan (walaupun keamatan tinggi)
- Jika hf = W → elektron terlepas tepat pada f₀, K_maks = 0
- Jika hf > W → K_maks = hf − W
Graf K_maks melawan f
- Garis lurus dengan kecerunan = h (Pemalar Planck)
- Pintasan paksi-f = f₀ (frekuensi ambang)
- Logam berbeza mempunyai f₀ berbeza tetapi cerunan sama (= h)
Contoh Pengiraan Lengkap
Cahaya biru f = 6.67 × 10¹⁴ Hz disinari ke cesium (W = 3.43 × 10⁻¹⁹ J):
E_foton = hf = (6.63 × 10⁻³⁴)(6.67 × 10¹⁴) = 4.42 × 10⁻¹⁹ J
K_maks = E − W = 4.42 × 10⁻¹⁹ − 3.43 × 10⁻¹⁹ = 9.92 × 10⁻²⁰ J
Rumus Penting Bab 7
| Kuantiti | Rumus | Unit |
|---|---|---|
| Tenaga foton | E = hf = hc/λ | J |
| Bilangan foton per saat | n = P/hf = Pλ/hc | s⁻¹ |
| Panjang gelombang de Broglie | λ = h/p = h/(mv) | m |
| Fungsi kerja | W = hf₀ | J |
| Persamaan Einstein | hf = W + K_maks | J |
| K_maks | K_maks = hf − W = ½mv² | J |
| Halaju fotoelektron | v = √(2K_maks/m) | m s⁻¹ |
Pemalar Fizik Penting
| Pemalar | Simbol | Nilai |
|---|---|---|
| Pemalar Planck | h | 6.63 × 10⁻³⁴ J s |
| Laju cahaya dalam vakum | c | 3.00 × 10⁸ m s⁻¹ |
| Cas elektron | e | 1.60 × 10⁻¹⁹ C |
| Jisim elektron | mₑ | 9.11 × 10⁻³¹ kg |
Soalan lazim
Mengapa keamatan cahaya tidak mempengaruhi tenaga kinetik fotoelektron?
Menurut teori Einstein, satu foton hanya boleh menyerap tenaganya kepada satu elektron. Keamatan yang lebih tinggi bermaksud lebih banyak foton, bukan foton yang lebih bertenaga. Tenaga setiap foton bergantung pada frekuensi (E = hf), bukan keamatan.
Apakah maksud frekuensi ambang (f₀)?
Frekuensi ambang f₀ ialah frekuensi minimum foton cahaya yang dapat mengeluarkan elektron dari permukaan logam. Di bawah f₀, tiada fotoelektron dibebaskan walau betapa tinggi keamatan cahaya. f₀ berbeza bagi setiap logam.
Apakah bukti eksperimen sifat gelombang elektron?
Eksperimen pembelauan elektron oleh Davisson dan Germer (1927) menunjukkan elektron membentuk corak pembelauan melalui lapisan grafit, serupa dengan corak pembelauan cahaya. Ini membuktikan hipotesis de Broglie bahawa zarah memiliki sifat gelombang.
Bagaimana Teori Einstein menjelaskan kenapa fotoelektron dipancar serta-merta?
Dalam teori Einstein, tenaga cahaya diserap dalam paket diskrit (foton). Apabila satu foton dengan tenaga mencukupi (hf ≥ W) menghentam elektron, tenaganya diserap serta-merta dan elektron dibebaskan seketika. Tidak perlu menunggu tenaga terkumpul seperti dalam teori gelombang klasik.