1.Teori Kuantum, Kesan Fotoelektrik & Dualiti
Teori kuantum Planck menyatakan tenaga dipancar dan diserap dalam paket diskret yang dipanggil kuantum atau foton, dengan tenaga E = hf, di mana h ialah pemalar Planck.
Sinaran jasad hitam menunjukkan bahawa apabila suhu meningkat, keamatan bertambah dan panjang gelombang puncak beralih ke arah lebih pendek — pemerhatian yang tidak dapat diterangkan oleh fizik klasik.
Kesan fotoelektrik ialah pemancaran elektron apabila cahaya mengenai permukaan logam:
- Elektron hanya terpancar jika frekuensi cahaya melebihi frekuensi ambang, tidak kira berapa terang cahaya itu.
- Fungsi kerja W ialah tenaga minimum untuk membebaskan elektron, dan tenaga kinetik maksimum elektron KEmaks = hf − W.
- Bilangan elektron terpancar bergantung pada keamatan cahaya, tetapi tenaga kinetiknya bergantung pada frekuensi.
Dualiti gelombang-zarah bermaksud cahaya dan jirim menunjukkan sifat gelombang dan zarah. Panjang gelombang de Broglie λ = h/mv menunjukkan zarah bergerak juga mempunyai sifat gelombang.
2.Tenaga Foton, Persamaan Einstein & Aplikasi
Foton ialah paket tenaga cahaya yang diskret, dan tenaga setiap foton bergantung pada frekuensinya sahaja, iaitu E = hf = hc/λ.
- Pemalar Planck h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s. Cahaya berpanjang gelombang pendek seperti ultraungu mempunyai foton yang lebih bertenaga daripada cahaya merah.
- Kuasa sumber cahaya P = nhf, dengan n bilangan foton dipancarkan per saat. Sumber yang lebih terang memancarkan lebih banyak foton, bukan foton yang lebih bertenaga.
- Persamaan fotoelektrik Einstein hf = W + ½mv²maks menyatakan tenaga foton digunakan untuk membebaskan elektron (fungsi kerja W), dan bakinya menjadi tenaga kinetik maksimum elektron.
- Frekuensi ambang f₀ = W/h. Jika f < f₀, tiada elektron dipancarkan walau sekuat mana pun cahaya.
- Pemancaran serta-merta — elektron dipancarkan sebaik sahaja cahaya berfrekuensi cukup tinggi mengenai logam, tanpa lengah masa. Hal ini tidak dapat diterangkan oleh teori gelombang cahaya.
- Elektronvolt — 1 eV = 1.60 × 10⁻¹⁹ J, unit tenaga yang mudah bagi elektron dan foton.
Aplikasi fizik kuantum:
- Sel fotovolta (sel suria) menukarkan tenaga cahaya kepada tenaga elektrik.
- Mikroskop elektron memanfaatkan sifat gelombang elektron; panjang gelombang de Broglie elektron yang sangat pendek memberi resolusi jauh lebih tinggi daripada mikroskop cahaya.
- Belauan elektron melalui kristal menjadi bukti bahawa zarah mempunyai sifat gelombang.
3.Contoh & Kesilapan Lazim: Fizik Kuantum
- Keamatan dan tenaga kinetik — keamatan cahaya yang lebih tinggi hanya menambah bilangan fotoelektron; tenaga kinetik maksimum bergantung pada frekuensi cahaya.
- Unit panjang gelombang — tukar nm kepada m (1 nm = 10⁻⁹ m) sebelum menggunakan E = hc/λ.
- Mencampur eV dan J — dalam persamaan Einstein, tukar semua sebutan kepada unit yang sama sebelum menolak.
- Panjang gelombang de Broglie — zarah yang lebih berat atau lebih laju mempunyai momentum lebih besar, jadi panjang gelombangnya lebih pendek.
Contoh 1Sebuah laser berkuasa 2.0 mW memancarkan cahaya berpanjang gelombang 500 nm. Diberi h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s dan c = 3.0 × 10⁸ m s⁻¹. Hitung (a) tenaga satu foton, (b) bilangan foton yang dipancarkan per saat.Lihat jalan kerjaTutup
(a) E = hc ÷ λ = (6.63 × 10⁻³⁴)(3.0 × 10⁸) ÷ (5.0 × 10⁻⁷) = 3.98 × 10⁻¹⁹ J. (b) n = P ÷ E = (2.0 × 10⁻³) ÷ (3.98 × 10⁻¹⁹) = 5.03 × 10¹⁵ foton per saat.
Contoh 2Fungsi kerja suatu logam ialah 3.2 × 10⁻¹⁹ J. Cahaya berpanjang gelombang 400 nm disinarkan pada logam itu. Hitung (a) tenaga foton, (b) tenaga kinetik maksimum fotoelektron, (c) frekuensi ambang logam. Diberi h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s dan c = 3.0 × 10⁸ m s⁻¹.Lihat jalan kerjaTutup
(a) E = hc ÷ λ = (6.63 × 10⁻³⁴)(3.0 × 10⁸) ÷ (4.0 × 10⁻⁷) = 4.97 × 10⁻¹⁹ J. (b) ½mv²maks = hf − W = 4.97 × 10⁻¹⁹ − 3.2 × 10⁻¹⁹ = 1.77 × 10⁻¹⁹ J. (c) f₀ = W ÷ h = (3.2 × 10⁻¹⁹) ÷ (6.63 × 10⁻³⁴) = 4.83 × 10¹⁴ Hz.