Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 7: Fizik Kuantum
Bab 7: Fizik Kuantum
Kedualan Zarah-Gelombang & Kesan Fotoelektrik
7.1 Teori Kuantum Cahaya
Fizik Kuantum tercetus apabila teori fizik klasik gagal menjelaskan spektrum sinaran jasad hitam. Max Planck mencadangkan bahawa tenaga dipancarkan secara diskret dalam bentuk “paket tenaga” yang dipanggil Kuantum.
Tenaga Foton
Cahaya terdiri daripada paket tenaga yang dipanggil foton. Tenaga berkadar terus dengan frekuensi.
E = hf atau E = hc
λ
- E = Tenaga Foton (Joule)
- h = Pemalar Planck ($6.63 \times 10^{-34}$ J s)
- f = Frekuensi | λ = Panjang gelombang
Kedualan Gelombang-Zarah
Louis de Broglie menghipotesiskan bahawa zarah seperti elektron juga mempunyai sifat gelombang.
Panjang Gelombang de Broglie:
λ = h
p = h
mv
7.2 Kesan Fotoelektrik
Kesan fotoelektrik ialah fenomena pemancaran elektron daripada permukaan logam apabila ia disinari oleh alur cahaya pada frekuensi tertentu.
Simulasi Pancaran Fotoelektron
Ubah panjang gelombang cahaya. Elektron hanya terpancar jika tenaga foton melebihi nilai ambang logam.
Status Pemerhatian
Frekuensi Ambang ($f_0$)
Frekuensi minimum foton cahaya yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron daripada logam.
Tenaga Kinetik Maksimum
Tidak bergantung pada keamatan (kecerahan) cahaya, tetapi hanya bergantung pada frekuensi cahaya.
7.3 Teori Fotoelektrik Einstein
Albert Einstein mengaplikasikan teori kuantum Planck untuk menerangkan kesan fotoelektrik secara matematik. Beliau mengusulkan prinsip keabadian tenaga ke atas setiap foton yang melanggar elektron.
Persamaan Fotoelektrik Einstein
Graf Kmaks melawan Frekuensi (f)
Pemalar Planck (h)
Kecerunan graf sentiasa sama (nilai $h$) untuk semua jenis logam. Pintasan-x ialah frekuensi ambang ($f_0$) logam tersebut.
Koleksi Latihan
| 1 | 2 |
| 3 | 4 |
| 5 | 6 |
GLOSARI DIGITAL FIZIK KUANTUM
Fizik Kuantum
Ilmu pengetahuan tentang sifat dan tingkah laku jirim mengenai atom dan subatom.
Kuantum Tenaga
Paket tenaga yang diskrit dan bukan tenaga selanjar.
Jasad Hitam
Suatu jasad unggul yang berupaya menyerap semua sinaran elektromagnet yang jatuh padanya.
Sinaran Termal
Sinaran elektromagnet yang dipancarkan oleh jasad hitam, merangkumi sinaran boleh tampak dan tidak boleh tampak.
Pemancar Jasad Hitam
Sebarang objek yang memancarkan sinaran elektromagnet mengikut suhunya.
Foton
Kuantum tenaga cahaya yang boleh dipindahkan; paket tenaga yang diskrit.
Kesan Fotoelektrik
Fenomena pemancaran elektron daripada permukaan logam apabila disinari cahaya berfrekuensi tertentu.
Fotoelektron
Elektron yang dipancarkan dari permukaan logam akibat kesan fotoelektrik.
Frekuensi Ambang ($f_0$)
Frekuensi minimum yang boleh menghasilkan kesan fotoelektrik pada satu jenis logam.
Fungsi Kerja ($W$)
Tenaga minimum yang diperlukan untuk fotoelektron terlepas dari permukaan logam.
Persamaan Einstein
Menghubungkan tenaga foton, fungsi kerja, dan tenaga kinetik maksimum fotoelektron.
Sel Foto
Komponen terdiri daripada katod peka cahaya dan anod di dalam tiub vakum untuk mengkaji fotoelektrik.
Kedualan Gelombang-Zarah
Konsep bahawa cahaya dan zarah subatom boleh menunjukkan sifat gelombang dan sifat zarah.
Hipotesis de Broglie
Menyatakan bahawa semua zarah boleh menunjukkan ciri-ciri gelombang.
Spektrum Garis
Koleksi garis berwarna unik terhasil oleh atom yang teruja, mempunyai panjang gelombang spesifik.
Spektrum Selanjar
Spektrum yang mempunyai julat panjang gelombang yang berterusan tanpa jurang (cth: cahaya putih).
P.Gelombang Ambang ($\lambda_0$)
Panjang gelombang maksimum cahaya yang diperlukan oleh logam untuk memancarkan elektron.
ZON MASTERI KBAT: FIZIK KUANTUM
Uji pemahaman mendalam anda melalui analisis situasi kuantum di bawah. Klik butang untuk mendedahkan huraian pakar.
Analogi Rongga Telinga
Mengapa rongga telinga manusia boleh dianalogikan sebagai sebuah jasad hitam yang hampir sempurna?
Analogi ini sesuai kerana jasad hitam berupaya menyerap semua sinaran yang jatuh padanya. Apabila cahaya memasuki rongga telinga:
- Sinaran mengalami pantulan berulang kali pada dinding dalam rongga.
- Setiap kali pantulan, sebahagian tenaga diserap oleh tisu dinding.
- Proses ini berterusan sehingga seluruh sinaran diserap sepenuhnya tanpa dipantulkan keluar semula.
Keamatan vs Tenaga Kinetik
Jika kecerahan (keamatan) cahaya ditambah, adakah tenaga kinetik fotoelektron akan meningkat? Berikan hujah anda.
Pandangan ini tidak tepat.
Elektron vs Butir Pasir
Mengapa sifat gelombang elektron mudah diperhatikan melalui pembelauan, tetapi sifat gelombang sebutir pasir sukar dikesan?
Fenomena ini dijelaskan oleh Hipotesis de Broglie:
Elektron
Jisim sangat kecil ($m \approx 10^{-31}$ kg). Momentum ($p$) kecil menghasilkan λ yang cukup panjang untuk dibelaukan oleh atom.
Butir Pasir
Jisim makroskopik yang besar menghasilkan momentum tinggi. Maka λ menjadi terlalu pendek untuk dikesan oleh alat eksperimen.
Panel Suria ISS
Wajarkan mengapa bahan semikonduktor pada panel suria ISS mesti mempunyai fungsi kerja yang rendah.
Kesan fotoelektrik hanya berlaku jika tenaga foton ($hf$) $\ge$ Fungsi Kerja ($W$).
- Fungsi Kerja Rendah: Membolehkan foton bertenaga rendah (seperti spektrum merah) membebaskan elektron.
- Kecekapan: Ini membolehkan sel suria menyerap spektrum cahaya matahari yang lebih luas, meningkatkan penjanaan elektrik secara maksima di angkasa lepas.
Kuasa Pembesaran Mikroskop
Bagaimana sifat kedualan gelombang-zarah membolehkan mikroskop elektron mempunyai pembesaran yang jauh lebih tinggi daripada mikroskop cahaya?
Had Cahaya: Mikroskop cahaya dihadkan oleh panjang gelombang cahaya tampak (400-750 nm). Objek lebih kecil dari julat ini tidak akan kelihatan jelas.
Kelebihan Elektron: Elektron yang dipecutkan mempunyai momentum besar, menghasilkan panjang gelombang de Broglie yang 1,000 – 10,000 kali lebih pendek daripada cahaya. Ini membolehkan struktur atom atau virus “dilihat” dengan resolusi ultra-tinggi.