Fix Indo.docx

2.2 ON THE NATURE OF LIGHT Penyelidikan lebih dalam ke dualitas partikel gelombang, kita akan melakukan perjalanan ringan melalui sejarah gagasan manusia yang berkembang tentang sifat radiasi elektromagnetik. Gambaran ini tidak perlu komprehensif; Anda dapat menemukan beberapa catatan sejarah yang sangat bagus dan lebih lengkap di daftar bacaan yang disarankan untuk bab ini.

Teori cahaya Corpuscular, yang memperlakukan cahaya seolah-olah itu terdiri dari partikel, telah batting sekitar sejak zaman newton dan laplace. Tetapi cahaya memiliki kecenderungan yang menjengkelkan untuk menunjukkan perilaku seperti non partikel, seperti difraksi dan interferensi, yang tidak dapat dijelaskan oleh pabrik sel. Begitu Maxwell memperkenalkan teori gelombangnya tentang radiasi elektromagnetik (pada tahun 1870) dan menjadi jelas bahwa teori ini dapat dengan indah menjelaskan fenomena seperti itu, sebagian besar fisikawan meninggalkan teori cahaya sel-sel tubuh.

Menurut Maxwell, semua cahaya radiasi elektromagnetik termasuk terdiri dari gelombang nyata yang merambat melalui ruang, gelombang yang membawa energi yang didistribusikan melalui gelombang kontinu yang tidak terlokalisasi. Pada akhir abad ke-19, tampaknya teori Maxwell dapat menjelaskan fenomena elektromagnetik yang paling rumit; begitu meyakinkan keberhasilannya sehingga pada tahun 1886, fisikawan terkemuka Heinrich Hert (1857-1894) paman Gustav menulis; teori gelombang cahaya adalah, dari sudut pandang manusia, suatu kepastian. "Hertz, seperti yang akan kita lihat, salah"

WALKING THE PLANK Adalah Albert Einstein (1879-1955) yang, pada tahun 1905, membangkitkan gagasan bahwa radiasi elektromagnetik adalah partikel seperti daripada gelombang seperti di alam. Tapi dari mana ide ini berasal? Einstein telah menulis bahwa benih-benih teorinya pada 1905 ditanam oleh penelitian.

Dilakukan pada pergantian abad oleh ahli fisika papan max Jerman (1858-1947). Meskipun didorong oleh guru fisika untuk mengejar karir sebagai dokter gigi. Papan bertahan dalam fisika. Nasihat gurunya sangat malas; studi-studi plankl tentang radiasi mengandung rongga yang dipanaskan, melalui serangkaian alasan yang dia gambarkan sebagai "tindakan keputus-asaan." Dengan konsep kuantisasi energi dan kemudian melahirkan kelahiran fisika kuantum

Plank tidak berangkat untuk merevolusi fisika. Sebagai gantinya, mengikuti jejak gurunya G. R. Kirchhhof (1824-1887), ia berusaha memahami mengapa tubuh yang panas bersinar. Fenomena ini, yang disebut radiaton tubuh hitam, mungkin tidak asing bagi Anda jika Anda memahat. Misalkan Anda telah membuat babi tanah liat. Untuk mengeraskan tanah liat, Anda membakar babi, memasukkannya ke dalam tungku (oven) dan memanaskan sekitar 20000 F selama sekitar 10 hingga 20 jam. Misalkan ada lubang kecil di oven, terlalu kecil mengakui cahaya tetapi cukup besar untuk menembus. Pada awalnya, tentu saja, Anda melihat kegelapan. Tetapi ketika babi semakin panas dan semakin panas, babi mulai bersinar. Saat suhu tungku semakin meningkat, cahaya ini menjadi

oranye, kemudian kuning, lalu putih, dan mengisi oven, menghapus semua detail babi. Mengapa?

Plank merumuskan pertanyaan ini sedikit lebih abstrak, dengan bertanya; apa spektrum, dari radiasi elektromagnetik di dalam rongga yang dipanaskan? Lebih spesifik; bagaimana spektrum ini tergantung pada suhu T rongga. Pada bentuk, ukuran, dan susunan kimiawi, dan pada frekuensi v dari radiasi elektromagnetik di dalamnya? Pada saat vPlamk memasuki permainan, sebagian dari jawabannya sudah diketahui. Kirchhoff dan yang lainnya telah menunjukkan bahwa begitu radiasi di dalam rongga mencapai keseimbangan dengan dinding, energi di lapangan bergantung pada v dan T tetapi, yang mengejutkan, tidak tergantung pada karakteristik fisik rongga seperti ukuran, bentuk, atau komposisi kimianya.

Rongga, tentu saja, menutupi volume yang terbatas. Plank tertarik pada energi radiasi di dalam rongga, bukan pada efek yang bergantung pada volumenya, jadi dia bekerja dalam hal kepadatan energi. Secara khusus, ia mencari ekspresi untuk kepadatan energi radiasi per satuan volume ρ (v, T). jika kita mengalikan kuantitas ini dengan elemen frekuensi yang sangat kecil, kita memperoleh ρ (v, T) dv, energi per satuan volume dalam bidang radiasi dengan frekuensi antara v dan v + dv pada suhu rongga T.

Alih-alih menghadapi kerumitan yang mengganggu dari rongga yang benar-benar dipanaskan, Plank mendasarkan karyanya pada model yang awalnya diperkenalkan oleh mentornya, Kirchhoff. Kirchhoff menyebut modelnya rongga yang dipanaskan dalam kesetimbangan termal sebagai "radiator tubuh-hitam." Tubuh hitam adalah apa saja yang menyerap semua insiden radiasi di dalamnya. Jadi, radiator benda hitam tidak mencerminkan atau mentransmisikan; itu hanya menyerap atau memancarkan.

Dari karya W. Wien (1864-1928), plang tahu bahwa kepadatan energi radiasi ρ (v, T) untuk tubuh hitam sebanding dengan v3 dan, dari karya J. Stefan (1835𝑥 1893), bahwa kepadatan energi terintegrasi ∫0 𝜌(𝑣. 𝑇)𝑑𝑣 sebanding dengan T4. Tetapi informasi ini tidak sepenuhnya menggambarkan ketergantungan ρ (v.T) pada v dan T, bukti eksperimental menyiratkan lebih lanjut, ketergantungan yang tidak diketahui pada v/T. Wien sebenarnya mengusulkan persamaan persamaan untuk kepadatan energi radiator benda hitam, tetapi landasan teoretis teorinya goyah. Selain itu, persamaannya hanya bekerja dalam kondisi tertentu; itu menjelaskan dengan benar ketergantungan v dan T dari ρ (v.T) untuk suhu rendah dan frekuensi tinggi. Tapi itu meramalkan bahwa tubuh hitam yang dipanaskan harus memancarkan cahaya biru di semua suhu prediksi yang dikacaukan oleh babi kita. Plank mengetahui cacat ini dalam teori wien, untuk eksperimen yang diterbitkan pada tahun 1901 oleh H. Rubens dan F. kurlbaum, secara meyakinkan menunjukkan kegagalan pada suhu tinggi dan frekuensi rendah.

2.3 Difraksi, yang pertama kali diamati oleh leonardo da vinci, sering dianggap sebagai tanda gelombang. difraksi terjadi ketika riak-riak di kolam menemukan sepasang batang kayu yang berdekatan. ketika cahaya melewati celah sempit di tempat teduh jendela, atau ketika sinar-X tersebar dari kristal. dalam setiap kasus, kita dapat menjelaskan pola khas yang terbentuk menggunakan teori gelombang klasik. Pahami apa yang terjadi pada gelombang ketika melewati celah kecil, pahami difraksi, dan Anda siap untuk memahami perilaku gelombang dalam situasi yang lebih rumit. di bagian ini, saya akan menyegarkan ingatan Anda tentang fenomena gelombang yang khas ini suatu skema percobaan difraksi celah tunggal dengan cahaya diperlihatkan dalam gambar. 2.1. cahaya monokromatik frekuensi v adalah kejadian pada diafragma di mana ada celah tunggal lebar w. kita akan mengasumsikan bahwa sumber cahaya jauh di sebelah kiri diafragin, sehingga radiasi insiden dapat diwakili oleh gelombang bidang. lebar celah harus kecil dibandingkan dengan panjang gelombang (lambda = c / v) dari radiasi jika celah ingin difraksi lumayan cahaya; misalnya, untuk mendifraksi cahaya tampak cukup atas mengamati fenomena ini, kita memerlukan celah lebar (w = 10-4 cm). cahaya yang tersebar oleh diafragma jatuh pada detektor, seperti pelat foto atau fotosel, yang terletak pada jarak D jauh ke kanan celah. detektor mengukur energi yang dikirimkan oleh gelombang yang tersebar sebagai fungsi jarak x dalam gambar. 2.1. (gambar 2.1) cahaya yang tersebar oleh diafragma celah tunggal membentuk pola difraksi yang indah di detektor. Pola ini ditandai oleh pita pusat yang sangat terang yang terletak tepat di seberang celah, dikelilingi oleh serangkaian daerah cahaya dan gelap yang berselang-seling. Daerah cahaya di kedua sisi band pusat disebut band sekunder, karena mereka jauh lebih menarik daripada band pusat. Memang, intensitas pita sekunder turun secara dramatis di kedua sisi pita pusat sehingga satu pasang pita sekunder terlihat. Band-band sekunder lemah tambahan ada, meskipun, seperti yang Anda lihat dalam gambar. 2.2, yang merupakan grafik dari intensitas yang diukur oleh detektor. Jika kita bermain-main dengan kontrol frekuensi pada sumber cahaya dan mempelajari difraksi yang dihasilkan. (gam,bar 2.2) Pola, kami, menemukan bahwa pemisahan antara pita terang yang berdekatan berbanding lurus dengan panjang gelombang (lambda) dari radiasi kejadian. Seorang fisikawan klasik akan memanggil teori gelombang elektromagnetik maxwell untuk menjelaskan pola dalam gambar. 2.2. untuk memahami secara kualitatif apa yang terjadi ketika gelombang pesawat melewati diafragma, kami menerapkan prinsip Huygen, yang memungkinkan kami mengganti gelombang pesawat dan celah (dalam mata pikiran kami) dengan sejumlah besar jarak, jarak yang terpancar, biaya memancarkan terpisah yang memenuhi wilayah ruang di mana celah berada. Gelombang yang tersebar terpancar oleh fase yang berbeda, sehingga superposisi dari gelombang yang tersebar ini menunjukkan daerah dengan intensitas tinggi dan rendah, seperti pada gambar. 2.2. Untuk menempatkan alasan ini pada pijakan kuantitatif, pertama-tama kita akan menggunakan teori maxwell untuk mengarahkan ezpression untuk medan listrik pada titik (r, theta) pada detektor (lihat gambar 2.1). tetapi kuantitas yang diukur dalam percobaan ini bukan medan listrik; itu adalah intensitas di mana radiasi yang tersebar memberikan energi ke detektor. Kuantitas ini sebanding

dengan fluks energi rata-rata waktu yaitu, dengan rata-rata selama satu periode kuadrat modulus medan listrik. Saya akan menunjukkan dengan (Isingle (theta)) intensitas pada nilai tetap r karena radiasi yang tersebar oleh celah tunggal. Mengabaikan detail derivasi dari (Isingle (theta)), saya hanya akan mengutip hasilnya. Untuk kenyamanan, saya akan menulis intensitas dalam hal nilainya I0 pada maksimum pokok yaitu, pada titik r = D, θ = 0. Di puncak pusat dalam gambar. 2.2. dan kuantitas menengah yang berguna (rumus2.3) Di mana, tentu saja, ℷ adalah panjang gelombang radiasi kejadian. Dengan definisi ini, intensitas celah tunggal pada r tetap adalah (rumus 2.4) Ketakterhinggaan (2.4) digambarkan dalam gambar. 2.2. sebagai fungsi dari dosa θ; diplot dengan cara ini. (Isingle (theta) menunjukkan pola karakteristik mode dengan jarak yang sama (Isingle (θ) = 0). Yang terjadi pada. (2.5a) Maksimum pokok (zeroth-order) dari pola intensitas terjadi pada θ = 0, dan maksimum orde tinggi terjadi (kurang-lebih) pada (2.5b) Persamaan (2.4) sepenuhnya menjelaskan sifat-sifat pola seperti yang ada dalam gambar. 2.2. dengan demikian teori elektromagnetik klasik mengubah tabir misteri dari fenomena difraksi.

2.4 UNDERSTANDING INTERFERENCE Teori difraksi adalah dasar untuk studi percobaan gangguan ganda. Ketika pertama kali dilakukan pada 1800 oleh Thomas young (1773-1829), percobaan ini dianggap sebagai bukti definitif dari sifat cahaya yang aman. Kita dapat memodifikasi peralatan celah tunggal dari gambar. 2.1 agar sesuai dengan eksperimen anak-anak hanya dengan memotong selip kedua di diafragma. Seperti yang ditunjukkan pada gambar. 2.3 lebar celah kedua sama dengan lebar celah pertama. kita harus memposisikan celah kedua sehingga kedua celah itu berdekatan tetapi tidak terlalu dekat; agar gangguan yang dapat diamati terjadi, pemisahan celah harus lebih besar dari w. lagi, kami menyinari seberkas sinar monokromatik frekuensi v pada diafragma dan melihat apa yang terjadi pada detektor, yang jauh di sebelah kanan diafragma. (gambar 2.3) Kali ini, detektor kami menunjukkan pola interferensi seperti yang ada di gambar. 2.4. pada pandangan pertama, gambar ini mungkin terlihat mirip dengan pola difraksi dari gambar. 2.2, tetapi pada pemeriksaan lebih dekat kita melihat perbedaan yang mencolok. Untuk satu hal, pola interferensi menunjukkan pita yang lebih terang daripada pola difraksi. Ini berarti bahwa energi radiasi yang disebarkan oleh diafragma celah ganda adalah distribusi yang lebih merata daripada yang disebarkan oleh celah tunggal. (dalam pola difraksi sekitar 90% dari energi muncul di pusat. Bahasa Finlandia, pita-pita individual dalam derai interferensi, yang disebut pinggiran gangguan, lebih narrover daripada pola difraksi. Jika kita mempelajari bagaimana pola interferensi berubah ketika kita mengutak-atik insiden panjang gelombang ℷ, pemisahan celah, dan lebar geser w. kami menemukan bahwa pemisahan antara pita terang meningkat dengan meningkatnya ℷ seperti yang terjadi pada

pola difraksi, karena pemisahan itu sebanding dengan ℷ / w. tetapi kami juga menemukan perbedaan; pemisahan dalam gambar. 2.4. tidak tergantung dari lebar celah, tetapi berbanding terbalik dengan pemisahan celah.

(gambar 2.4) Kunci untuk memahami gangguan adalah superposisi. Ketika gelombang bidang kejadian bertemu dengan diafragma celah ganda, ia terbelah dan gelombang difraksi muncul dari setiap celah. (dalam arti tertentu, setiap celah menjadi sumber radiasi yang bergerak ke detektor.) Gelombang ini menambah wilayah antara celah dan detektor, dan perangkat ini mengukur intensitas superposisi mereka. Sekarang, pada detektor amplitudo dari medan listrik dari gelombang terdifraksi sama, tetapi fase mereka tidak. secara konsekuen, superposisi mereka memanifestasikan wilayah interferensi konstruktif dan distruktif, seperti terlihat pada gambar. 2.4. Trik untuk menurunkan persamaan untuk intensitas yang diukur dalam percobaan celah ganda yang akan kita sebut Idouble (θ) ada sebelum kita menambahkan medan listrik dari gelombang yang difraksi oleh setiap celah. (langkah ini sah karena persamaan maxwell untuk bidang-bidang ini lebih linier.) Setelah melakukannya, kita dapat menghitung perbedaan fase yang disebutkan di atas dan akan menemukan bidang dari celah yang lebih rendah yang meninggalkan bidang dari celah atas dengan jumlah (2πs / ℷ) dosa θ. Langkah terakhir adalah rata-rata modulus kuadrat dari medan listrik total pada suatu titik (r, θ) pada detektor selama satu periode, yang menghasilkan

(2.6) Sekarang ini, saya berpendapat, adalah hasil yang aneh. Untuk satu hal. I0 dalam persamaan. (2.6) adalah intensitas maksimum yang akan kita peroleh dalam pola difraksi dari celah tunggal lebar dengan jumlah yang sama yang kita gunakan dalam Persamaan (2.4). melihat lebih dalam, kami menemukan burried dalam Persamaan (2,6) intensitas celah tunggal Isingle (θ). untuk menggali fungsi ini, saya akan menggunakan definisi (2.4) dari dan memperkenalkan kuantitas perantara lainnya

(2.7) Dengan definisi ini, intensitas celah ganda (2,6) dinyatakan sebagai

(2.8) Analisis ini menjelaskan osilasi rumit yang kita lihat dalam Idouble (θ) karena θ bervariasi (gambar 2.4) n. struktur ini diperparah dari dua osilasi seprat, satu karena Isingle intensitas celah tunggal (θ) yang tergantung pada lebar celah w tetapi tidak, tentu saja. pada pemisahan yang lain karena faktor cos2 (πn / ℷ sinθ). Pemisahan kedua celah lebih besar dari lebar w, sehingga osilasi yang terakhir lebih cepat dari keduanya. Faktanya, osilasi yang lebih lambat dari intensitas celah tunggal membentuk amplop dari intensitas celah ganda, seperti yang dapat Anda lihat gambar. 2.5.

(gambar 2.5) Pola celah ganda lebih rumit daripada pola celah tunggal. Dan, seperti yang Anda duga, pola interferensi yang lebih rumit dapat dihasilkan dengan menggunakan diafragma dengan lebih dari dua celah. Tetapi tidak peduli seberapa baroknya pola yang dihasilkan, mereka dapat dijelaskan oleh teori gelombang elektromagnetik maxwell. Tapi tunggu! Menurut Einstein, berkas cahaya terdiri dari foton dan karenanya mengangkut energi dalam rumpun yang terlokalisasi secara spasial dengan sifat

seperti partikel. Tetapi tidak ada model yang didasarkan pada dinamika partikel yang dapat menjelaskan interferensi os, dalam hal ini, difraksi. Implikasi dari percobaan celah ganda kami tampaknya bertentangan dengan teori cahaya Einstein.