1. Jasad hitam menyerap semua sinaran elektromagnetik dan memancarkan sinaran termal berdasarkan suhunya. 2. Teori kuantum diperlukan kerana teori klasik tidak dapat menerangkan graf sinaran jasad hitam yang menunjukkan keamatan sinaran tidak meningkat secara berterusan dengan peningkatan frekuensi. 3. Menurut teori kuantum, tenaga elektromagnetik adalah diskret dan bergantung kepada frekuens

1. BAB 7
FIZIK KUANTUM

2. JASAD HITAM : suatu jasad unggul
yang berupaya menyerap semua
sinaran electromagnet yang jatuh
padanya.
JASAD
HITAM
Sinaran EM diserap
oleh jasad hitam
Sinaran termal (EM)
dipancarkan oleh jasad
hitam
1. Menyerap semua sinaran EM
2. Memancarkan sinaran termal
berdasarkan suhu jasad hitam

3. • Sinaran termal merupakan sinaran
elektromagnet yang merangkumi sinaran
boleh tampak dan sinaran yang tidak
boleh dilihat oleh mata manusia seperti
sinaran inframerah.
• Sinaran cahaya yang memasuki rongga
telinga akan mengalami proses pantulan
berulang-ulang pada dinding dalam
rongga telinga.
• Setiap kali pantulan berlaku, sinaran
akan diserap oleh dinding dalam rongga
telinga sehingga semua sinaran diserap.
• Oleh itu, rongga telinga seolah-olah
bertindak sebagai jasad hitam.

4. JASAD
HITAM
1. Menyerap semua sinaran EM
2. Memancarkan sinaran termal
berdasarkan suhu jasad hitam
} JASAD HITAM
Contoh: bintang.
Pantulan 0%
Apabila dipancarkan cahaya, tiada
langsung cahaya dipantulkan.
Cermin bukan jasad hitam, pantul 90 %
cahaya.
Suhu matahari antara 5000 K – 6000 K.
Ia akan pancarkan sinaran disebabkan
oleh suhunya.
JASAD
HITAM

5. Jasad hitam
• Apabila suhu suatu objek meningkat, objek
tersebut bertindak sebagai pemancar jasad hitam
dengan memancarkan sinaran termal pada
semua panjang gelombang.

6. Kenapa kita perlukan fizik kuantum?
Kenapa tak boleh gunakan teori klasik bagi
menerangkan sinaran jasad hitam?
Gelombang, cahaya, haba dan daya adalah
contoh2 dalam fizik klasik.
Graf sinaran jasad hitam init telah pun diketahui
sebelum muncul fizik kuantum.
Naik sedikit, kemudian turun semula ke
bawah. Tidak melepasi sinar UV
Bila ahli fizik guna teori ini, hasil yang mereka
dapat adalah graf ini.
Di bahagian λ yang tinggi (radio, inframerah),
keputusan sama dengan data
Fizik klasik ramalkan keamatan semakin tinggi bila λ
semain pendek (frekuensi tinggi)
Maksudnya ia akan hasilkan cahaya yang sangat
cerah di sinar x dan sinar gama.
Semakin panas ia tak lepasi sinar UV dan turun
semula.
Malapetaka
Ultraungu
Klasik: semakin bertambah suhu,
semakin bertambah frekuensi.
Keamatan cahaya pergi ke infiniti.

7. o Menurut idea klasik:
• Sinaran tenaga elektromagnetik
(e.m.) tidak bergantung kepada
frekuensi atau panjang gelombang.
• Objek pada sebarang suhu
memancarkan radiasi/sinaran
(tenaga).
• Tenaga radiasi elektromagnetik
(e.m.) adalah berterusan.
o Kegagalan fizik klasik bagi menerangkan
ciri-ciri spektrum yang dipancarkan oleh
jasad hitam dikenali sebagai malapetaka
ultra ungu.
Rajah 7.1
Teori Planck (Moden)
Teori Rayleigh -
Jeans
Teori Wien
Teori Klasik

8. Pencetusan Idea Teori Fizik Kuantum
• Walau bagaimanapun, keputusan eksperimen
yang melibatkan sinaran jasad hitam telah
menunjukkan percanggahan dengan teori fizik
klasik.
• Berdasarkan graf keamatan sinaran melawan
panjang gelombang bagi sinaran jasad hitam,
keamatan cahaya adalah tidak selanjar dengan
pertambahan frekuensi gelombang seperti yang
diramalkan oleh teori klasik.
• Percanggahan konsep tenaga cahaya ini telah
mencetuskan teori fizik kuantum.

9. Perbezaan antara Teori Kuantum Planck dan Teori Klasik
Tenaga
Teori Klasik Teori Kuantum Planck
Tenaga radiasi elektromagnetik adalah:
1. Selanjar (continuously)
2. Tidak bergantung kepada frekuensi
ATAU panjang gelombang.
Tenaga radiasi elektromagnetik adalah:
1. Diskret ATAU kuantum
2. Bergantung kepada frekuensi ATAU
panjang gelombang.
Satu paket tenaga

10. Bila bola jatuh bergolek di atas
landasan, ia bebaskan tenaga yang
selanjar (berterusan)
Bila bola jatuh bergolek di atas
landasan, ia bebaskan tenaga yang
diskrit. Bila turun ke satu tingkat ia
bebaskan satu tenaga dan seterusnya
sampai ke bawah
Bila bola turun ia sentiasa keluarkan
tenaga yang selanjar.

11.  Tenaga kuantum adalah berkadar langsung dengan frekuensi radiasi (E  f ).
 Frekuensi meningkat, tenaga kuantum juga akan meningkat ( f ↑, E ↑ ).
 Setiap nilai tenaga diskret mewakili kuantum yang berbeza bagi setiap molekul.
 Apabila molekul adalah n = 1 aras kuantum, tenaganya adalah hf.
 Apabila molekul adalah n = 2 aras kuantum, tenaganya adalah 2hf.
 n boleh dianalogi dengan tingkat anak tangga.
 Menurut andaian, tenaga kuantum bagi
sinaran frekuensi, f, diberikan oleh
 Oleh kerana kelajuan gelombang e.m.
dalam vakum adalah c = f  maka
persamaan (1) boleh ditulis sebagai
hf
E  ..... (1)

hc
E 
Teori Kuantum
Planck
Iaitu E = tenaga foton
h : pemalar Plank = 6.63  1034 J s
f = frekuensi gelombang cahaya

12. 7.1.2: Definisi Teori Kuantum
Kuantum Tenaga
 Tenaga kuantum elektromagnetik (e.m.) ditakrifkan sebagai jumlah
tenaga minimum pada frekuensi tertentu.

13. Spektrum Selanjar
• Spektrum selanjar boleh dihasilkan melalui
penyerakan cahaya putih oleh prisma kepada
spektrum yang terdiri daripada tujuh warna cahaya
tampak.
• Spektrum tersebut mempunyai julat panjang
gelombang 400 nm hingga 750 nm.
• Spektrum cahaya tampak dikatakan bersifat
selanjar kerana tiada jurang pemisahan di antara
setiap jenis warna cahaya di spektrum tersebut.

14. Spektrum Garis
• Spektrum garis yang terhasil oleh sesuatu atom
yang teruja merupakan koleksi garis-garis
berwarna dengan panjang gelombang dan
frekuensi yang unik.
• Setiap unsur menghasilkan siri spektrum garis
yang tersendiri. Oleh itu spektrum garis boleh
digunakan sebagai penunjuk bagi mengenal pasti
kewujudan sesuatu unsur. Contoh kandungan
hydrogen di Matahari didapati dengan mencerap
Matahari
Spektrum pembebasan hidrogen

15. Menurut Teori Kuantum, sinaran
elektromagnetik foton bagi panjang
gelombang, λ, mempunyai tenaga:

c
h
E
hf
E


….(1)
h : pemalar Planck
c : halaju cahaya dalam vakum
Menurut Teori Einstein tentang relativiti khas,
kesetaraan (equivalent) tenaga, E, bagi suatu
jisim, m, diberi oleh:
)
2
(
2

c
m
E 
Menyamakan (1) & (2):
2
c
m
c
h



h
c
m 

16. 16
 Maka, momentum, p, bagi foton dengan panjang gelombang, λ,
diberi oleh:

h
mc
p 
 dan
p
h


Panjang gelombang
de Broglie
Bersifat
Gelombang
Bersifat Zarah

 
,
v
Oleh itu, foton bersifat seperti zarah
yang mempunyai momentum,
1
α


zarah
untuk

h
mv
p 


17. 1. Hitung tenaga foton bagi cahaya biru, apabila λ = 450 nm.

c
h
hf
E 

E = (6.63 x 10-34)(3.0 x 108)
450 x 10-9
E = 4.42 x 10-19 J

18. 2. (a) Apakah tenaga foton bagi cahaya merah
apabila panjang gelombang 7.0  107 m?
b) Jika bilangan foton dihasilkan per saat adalah 1.77  1020 s1, kirakan
kuasa foton tersebut?

c
h
hf
E 

E = (6.63 x 10-34)(3.0 x 108)
7.0 x 10-7
E = 2.84 x 10-19 J
Tenaga untuk satu foton, E = hf. Andaikan sebanyak n foton
dipancarkan dalam sesaat, maka kuasa foton, P = jumlah
tenaga yang dipindahkan dalam masa sesaat:
P = nhf = nhc/λ n = bilangan foton dipancarkan sesaat
P = nhc/λ = nE
= 1.77 x 1020 x 2.84 x 10-19
P = 50.268 W

19. 3. Foton mempunyai tenaga sebanyak 3.2 eV. Kirakan frekuensi, panjang
gelombang vakum dan tenaga dalam Joule bagi foton.
Diberi:
c = 3.00 x 108 m s-1, h = 6.63 x 10-34 J s
1 eV=1.60 x 10-19 J, me = 9.11 x 10-31 kg,
e = 1.60 x 10-19 C

c
h
hf
E 

E = 3.2 eV x 1.60 x 10-19
E = 5.12 x 10-19 J
f = E/h = 5.12 x 10-19
6.63 x 10-34
f = 7.722 x 1014 Hz
λ = hc = (6.63 x 10-34)(3.0 x 108)
E 5.12 x 10-19
= 3.88 x 10-7 m

20. 4.Jika momentum foton adalah 3.4 x 10-28 kg ms-1 hitungkan panjang
gelombang.
[c = 3.00 x 108 m s-1, h = 6.63 x 10-34 J s]
λ = h = (6.63 x 10-34)
p 3.4 x 10-28 
h
mv
p 

λ = 1.95 x 10-6 m

21. 5.Sinar laser mempunyai 7.0 mW dengan menggunakan elektromagnet
panjang gelombang 650 nm. Kirakan bilangan foton yang dihasilkan setiap
saat.
E = 6.63 x 10-34 x 3.0 x 108
650 x 10-9
E = 3.1 x 10-19 J

c
h
hf
E 

P = nE = nhf = nhc
λ
n = Pλ = P = 7.0 x 10-3
hc E 3.1 x 10-19
n = 2.3 x 1016 s-1

22. 6.Sinar laser dipancarkan ke atas kepingan logam dengan luas keratan rentas, 2.0 x
10-4 m2 dan kuasa 4.5 mW. Jika frekuensi gelombangnya adalah 4.3 x 1014 Hz,
hitungkan
(a) bilangan foton yang terkena permukaan logam dalam 1 saat.
(b) perubahan momentum bagi foton.
E = hf = 6.63 x 10-34 x 4.3 x 1014

h
mv
p 

E = 2.9 x 10-19 J 
c
h
hf
E 

P = nE = nhf = nhc
λ
n = P = 4.5 x 10-3
E 2.9 x 10-19 n = 1.6 x 1016 s-1
(b) Gelombang bersifat zarah: momentum, p =
h/ untuk satu foton
p = hf = 6.63 x 10-34 x 4.3 x 1014
c 3.0 x 108
p = 9.5 x 10-28 kg m s-1

23. 7.Sebatang pen laser merah mengeluarkan cahaya dengan panjang
gelombang 670 nm. Jika bilangan foton yang terpancar ialah 3.37 x 1018
sesaat, berapakah kuasa output pen laser tersebut?
P = 3.37 x 1018 x 6.63 x 10-34 x 3.0 x 108
670 x 10-9
P = 1.00 W
P = nE = nhf = nhc
λ

24. 8.Andaikan 10% daripada kuasa output mentol 100 W digunakan untuk
memancarkan 2.92 x 1019 foton per saat, berapakah panjang gelombang
purata cahaya tersebut dalam nm?
Kuasa output foton yang dipancarkan = 10% x 100 W =
10 W
λ = nhc = 2.92 x 10-19 x 6.63 x 10-34 x 3.0 x 108
P 10
P = nE = nhf = nhc
λ
λ = 5.81 x 10-7 m = 581 nm

25. 9. Diberi jisim elektron ialah 9.11 x 10-31 kg:
(a) Berapakah panjang gelombang de Broglie bagi satu alur elektron yang
mempunyai tenaga kinetik 50 eV?
(b) Namakan satu fenomena yang menunjukkan sifat gelombang bagi
elektron.
λ = h = 6.63 x 10-34
mv 9.11 x 10-31 x 4.19 x 105
λ = 1.7 x 10-9 m
E = ½ mv2
50 x 1.6 x 10-19 = ½ x 9.11 x 10-31 x v2
v = 4.19 x 105

26. Rajah eksperimen yang digunakan untuk menunjukkan kesan fotoelektrik
Ciri-ciri kesan fotoelektrik boleh dikaji dengan susunan litar yang menggunakan sel
foto.
Apabila permukaan logam yang peka cahaya
(katod) disinari dengan alur cahaya tertentu,
electron akan dipancarkan dari permukaan
logam. Elektron ini dinamakan fotoelektron.
1
Fotoelektron yang terpancar itu akan ditarik
ke anod yang berkeupayaan positif.
2
Pergerakan fotoelektron dari katod ke anod
akan menghasilkan arus di dalam litar.
Miliammeter akan menunjukkan nilai arus.
3

27. Aktiviti 3 Tujuan: Empat ciri kesan fotoelektrik
Semakin tinggi frekuensi foton cahaya,
semakin tinggi tenaga kinetik fotoelektron
yang dipancarkan daripada permukaan
logam.
1
Frekuensi minimum yang dapat
mengeluarkan electron dikenali sebagai
frekuensi ambang, fo bagi suatu logam.
2
Tenaga kinetik fotoelektron tidak
bergantung pada keamatan cahaya.
Keamatan cahaya yang bertambah tidak
menghasilkan fotoelektron yang lebih
bertenaga kinetik.
3
Fotoelektron dipancar secara serta-merta
apabila permukaan logam disinar dengan
cahaya.
 Pengeluaran electron dari permukaan logam
melalui pancaran termion mengambil masa
yang lama.
 Pengeluaran electron dari permukaan logam
melalui kesan fotoelektrik berlaku secara
serta-merta.
4
Frekuensi ambang, fo ialah frekuensi minimum yang boleh
menghasilkan kesan fotoelektrik pada satu jenis logam.

28. 1. Adakah cahaya terang akan memancarkan lebih banyak fotoelektron daripada
permukaan logam berbanding dengan cahaya malap yanf berfrekuensi sama?
2. Mengapakah fotoelektron dipancar serta merta dari permukaan logam apabila disinari
dengan cahaya yang berfrekuensi tertentu?
3. Mengapakah keamatan cahaya yang bertambah tidak meningkatkan tenaga kinetik
fotoelektron?
Ya. Cahaya terang mempunyai lebih banyak photon. Oleh itu lebih banyak photon hentam
permukaan logam dan bebaskan lebih banyak electron.
Pemancaran fotoelektron hanya berlaku pada frekuensi gelombang cahaya yang melebihi
frekuensi ambang. Apabila capai frekuensi ambang, electron terus dipancarkan serta merta.
Tenaga kinetik fotoelektron bergantung kepada frekuensi sinar cahaya dan tidak bergantung
kepada keamatan cahaya. Keamatan cahaya mempengaruhi bilangan electron yang
dibebaskan.

29. 4.Suatu sinar gelombang elektromagnet ditujukan ke atas dua jenis permukaan logam iaitu
A dan B. Jika panjang gelombang ambang logam A, 450 nm dan logam B, 688 nm serta
frekuensi sinar gelombang adalah 5.0 x 1014 Hz, adakah elektron dapat dibebaskan
daripada kedua-dua logam tersebut? Jelaskan.
Syarat untuk electron dipancarkan dari permukaan logam:
• Frekuensi sinar gelombang > frekuensi ambang logam @
• Panjang gelombang < panjang gelombang ambang logam
f < fo
Tiada pancaran elektron
Logam A:
fo = c = (3.0 x 108) = 6.67 x 1014 Hz
λo 4.5 x 10-7
Logam B:
fo = c = (3.0 x 108) = 4.36 x 1014 Hz
λo 6.88 x 10-7
f > fo
Ada pancaran elektron

31. Bagi electron yang terletak pada permukaan logam,
Tenaga
foton =
Tenaga minimum yang
diperlukan untuk
membebaskan
fotoelektron
+
Tenaga kinetik
maksimum
fotoelektron
E = W + Kmaks
hf = W + ½ mv2
maks
½ mv2
maks = hf - W
Persamaan fotoelektrik Einstein untuk kesan fotoelektrik adalah selaras
dengan Prinsip Keabadian Tenaga

32. Graf tenaga kinetik maksimum fotoelektron, Kmaks
melawan frekuensi cahaya, f.
 Pintasan paksi frekuensi = ..................
 Pintasan paksi-y = ...............................
 Kecerunan graf = .................................
 Fotoelektron akan memperoleh tenaga kinetik
apabila frekuensi cahaya melebihi frekuensi
....................
Tenaga kinetik maksimum
meningkat apabila frekuensi
meningkat.
Frekuensi ambang, fO
Fungsi kerja, W
Pemalar Planck, h
ambang, fO