7.1 Teori Kuantum Cahaya

FIZIK TINGKATAN 5

FIZIK KUANTUM

7.1 TEORI KUANTUM CAHAYA

BAB 7
FIZIK KUANTUM

Ilmu pengetahuan tentang sifat dan tingkah
laku jirim mengenai atom dan subatom
membolehkan computer kuantum dicipta.
Komputer kuantum merupakan
supercomputer yang mampu melakukan
pemprosesan maklumat yang banyak dalam
masa yang amat singkat.

Antara kegunaannya ialah tindak balas Hal ini kerana mekanisme fenomena semula
kimia yang sangat kompleks dapat jadi yang dikaji dalam bidang astronomi
disimulasikan dengan pantas untuk adalah komples, manakala perubahan
membina model mekanisme tindak balas pasaran saham berlaku dengan pantas.
tersebut. Teknologi ini juga digunakan Oleh itu pembinaan model terperinci
dalam bidang astronomi dan pasaran
saham. melalui supercomputer membolehkan kita
memahami fenomena kompleks dan
membuat keputusan yang wajar..

KEPENTINGAN

Kefahaman fizik kuantum

membantu para penyelidik

mencipta system computer yang

canggih dengan memori yang

besar dan kelajuan pemproses

yang amat pantas.

Perkembangan penciptaan ini

dapat melahirkan pakar computer

dan pakar fizik yang kompeten

serta dinamik demi menyahut

cabaran era kuantum yang

semakin mencabar. LENSA FUTURISTIK: Proses penyulitan (encryption) adalah

mustahak untuk menjamin keselamatan dan kerahsiaan

maklumat sesebuah organisai, institusi kewangan atau

kerajaan. Pengetahuan dalam fizik kuantum membolehkan

perkembangan system alogritma penyulitan dan

tandatangan digital baharu yang lebih selamat.

7.1 Teori
Kuantum Cahaya



STANDARD
PEMBELAJARAN 1

7.1.1 Menjelaskan latar
belakang pencetusan idea
teori kuantum

Panjang gelombang pendek, Panjang gelombang panjang,
Frekeunsi tinggi Frekeunsi rendah

Spektrum electromagnet adalah spektrum selanjar yang terdiri daripada
tujuh jenis gelombang yang mempunyai frekuensi dan panjang gelombang
yang berbeza. Frekuensi berkadar songsang dengan panjang gelombang.

Cahaya tampak terdiri dari 7 warna cahaya.
Cahaya merah frekuensi paling rendah
cahaya ungu frekuensi paling tinggi.

Spektrum Elektromagnet

• Semua objek dapat memancarkan sinaran
elektromagnet.

• Frekuensi sinaran elektromagnet yang
terpancar bergantung pada suhu objek
itu

• Objek yang sejuk memancarkan
gelombang dengan frekuensi yang rendah,
contohnya gelombang radio atau
gelombang mikro.

• Manakala objek yang panas
memancarkan gelombang dengan
frekuensi yang lebih tinggi, contohnya
cahaya tampak dan sinaran ultraungu.

Sinaran EM diserap JASAD HITAM : suatu jasad
oleh jasad hitam unggul yang berupaya menyerap

semua sinaran electromagnet
yang jatuh padanya.

JASAD 1. Menyerap semua sinaran EM
HITAM 2. Memancarkan sinaran termal

berdasarkan suhu jasad hitam

Sinaran termal (EM)
dipancarkan oleh
jasad hitam

• 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.

1. Menyerap semua sinaran EM JASAD HITAM

}2. Memancarkan sinaran termal
berdasarkan suhu jasad hitam

JASAD Pantulan 0% JASAD
HITAM HITAM

Contoh: bintang. Suhu matahari antara 5000 K –
6000 K. Ia akan pancarkan
Apabila dipancarkan cahaya, tiada sinaran disebabkan oleh suhunya.
langsung cahaya dipantulkan.

Cermin bukan jasad hitam, pantul
90 % cahaya.

Jasad hitam

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



• Badan manusia keluarkan radiasi
yang berfrekuensi rendah –
inframerah sebab suhu badan kita
panas.

• Pada suhu rendah (sekitar 300 K,
ia pancarkan semua gelombang
tapi keamatan cahaya memuncak
pada λ inframerah dan menurun.
Tak boleh nampak inframerah
dengan mata.

Jasad hitam akan memancarkan sinaran berdasarkan
suhunya. Suhu yang berlainan akan pancarkan
sinaran yang berlainan panjang gelombang.

Sinaran Jasad Hitam

Bintang merah – 4000 K

Kita nampak warna merah. Bila

suhu semakin tinggi, graf menganjak

ke kiri, puncaknya di kawasan

7000 K (Bintang biru) merah. Lengkung bermaksud ada

5270 K (Bintang putih) juga pancar warna kuning tapi yang
Seperti Matahari banyak ialah merah.

Bintang putih – 5270 K
4000 K (Bintang merah) Semakin panas semakin menganjak

ke arah frekuensi tinggi. Nampak
warna putih – gabungan warna2
hijau kuning dll jadi warna putih.

Bintang biru – 7000 K

• Lazimnya, setiap
lengkungan graf untuk
spektrum jasad hitam
adalah lebih sempit
pada bahagian
sebelah kiri, iaitu
kawasan yang
mempunyai panjang
gelombang pendek
dan frekuensi tinggi

• Pada suhu yang
semakin meningkat,
panjang gelombang
yang mencapai
keamatan sinaran
maksimum juga
semakin pendek.

Kenapa kita perlukan fizik kuantum? Kenapa tak boleh gunakan teori klasik
bagi menerangkan sinaran jasad hitam?

Naik sedikit, kemudian turun semula Gelombang, cahaya, haba dan daya
ke bawah. Tidak melepasi sinar UV adalah contoh2 dalam fizik klasik.

Malapetaka Graf sinaran jasad hitam init telah pun
Ultraungu diketahui sebelum muncul fizik kuantum.
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.

Klasik: semakin bertambah
suhu, semakin bertambah
frekuensi. Keamatan cahaya
pergi ke infiniti.

o Menurut idea klasik: Teori Planck (Moden)
• Sinaran tenaga
elektromagnetik (e.m.) tidak Teori Rayleigh -
bergantung kepada frekuensi Jeans
atau panjang gelombang.
Teori Klasik
• Objek pada sebarang suhu
memancarkan radiasi/sinaran Teori Wien
(tenaga).
Rajah 7.1
• 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.

Pencetusan Idea
Teori Fizik Kuantum

• Cahaya merupakan gelombang
elektromagnet yang terhasil
daripada getaran cas elektrik.

• Dalam suatu objek yang panas,
elektron bergetar pantas pada
sebarang arah secara rawak
dan menghasilkan cahaya

• Semakin panas objek tersebut,
getaran elektron-elektron
menjadi lebih bertenaga dan
lebih banyak cahaya akan
terpancar.

Pencetusan Idea
Teori Fizik Kuantum

• Frekuensi sinaran yang terhasil
selanjar dengan penambahan
suhu.

• semakin tinggi suhu, semakin
tinggi frekuensi getaran cas
electron.

• semakin tinggi frekuensi
getaran cas electron semakin
tinggi frekuensi sinaran yang
dihasilkan ( panjang gelombang
pendek)

Pencetusan Idea
Teori Fizik Kuantum

• Elektron-elektron dalam objek panas akan
bergetar dengan suatu julat frekuensi yang
selanjar

• Menurut teori klasik, elektron yang
bergetar pada frekuensi yang sama harus
mempunyai kandungan tenaga yang sama.

• Frekuensi getaran elektron juga tidak
mempunyai had.

• Oleh itu, tenaga cahaya yang terhasil
daripada getaran elektron boleh mencapai
nilai tinggi yang tidak terbatas.

Pencetusan Idea Teori Fizik Kuantum

Teori Klasik

• Teori Klasik
• Eksperimen dwicelah

cahaya
• Model Atom Dalton
• Penemuan elektron

Sifat zarah cahaya

• Isaac Newton (1643 – 1727)
• Menghuraikan cahaya sebagai satu

aliran zarah atau corpuscles pada
tahun 1704.
• Tidak berjaya menerangkan fenomena
pembiasan cahaya kerana membuat
kesilapan untuk perbandingan
kelajuan cahaya dalam kaca dan
udara.

Eksperimen
dwicelah cahaya

• Thomas Young(1773 – 1829)
• Menjalankan eksperimen

dwicelah cahaya pada
tahun 1801 dan
menunjukkan bahawa
cahaya bersifat gelombang
• Tidak dapat menerangkan
kejadian spektrum sinaran
jasad hitam.

Model Atom Dalton

• Jirim terdiri daripada zarah
asas yang tidak boleh
dibahagi lagi yang dipanggil
atom.

• Unsur yang sama
mempunyai jenis atom yang
sama

• Tidak dapat menerangkan
penghasilan spektrum
cahaya oleh atom bahan.

Penemuan elektron

• Menemui zarah subatom bercas
negatif yang dipanggil elektron
pada tahun 1897

• Mereka bentuk eksperimen
untuk mengkaji kelakuan
elektron.

• Tidak dapat menerangkan
penghasilan spektrum garis
cahaya oleh atom bahan.

STANDARD
PEMBELAJARAN 2

7.1.2 Menyatakan maksud
kuantum tenaga

Teori Kuantum

• Max Planck
• Albert Einstein
• Niels Bohr
• Louis de Broglie

7.1.2: Menyatakan Maksud Kuantum Tenaga

 Mekanik kuantum (bermula pada permulaan abad ke-
20) adalah cabang Fizik yang berurusan dengan
objek submisroskopik (atom, molekul dan lain-lain).

 Mekanik kuantum boleh menerangkan sifat/kelakuan
(behavior) objek mikroskopik.

 Fizik klasik (sehingga abad ke-19) hanya boleh
menerangkan sifat/kelakuan mikroskopik system.

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.

Max Plank yang selesaikan masalah
ini. Dia ditugaskan oleh syarikatnya
di German untuk mencari apakah
mentol yang paling efficien dan
paling cerah. German nak
bangkitkan industri elektrik.

Max Planck
(1858 – 1947)

• Memperkenalkan idea kuantum
(tenaga yang diskrit) pada tahun
1900.

• Gelombang elektromagnet yang
dipancarkan oleh jasad hitam
adalah dalam bentuk yang diskrit
yang dikenali sebagai kuantum
tenaga

• Tenaga dalam setiap kuantum
adalah berkadar terus dengan
frekuensi gelombang.

• Keamatan sinaran adalah rendah
bagi gelombang frekuensi tinggi.

o Pada tahun 1900, Max Planck Teori Kuantum Planck
mencadangkan teorinya yang sesuai
dengan lengkung eksperimen seperti Teori Planck (Moden)
dalam Rajah 7.1 pada semua panjang
gelombang yang dikenali sebagai Teori Teori Rayleigh -
Kuantum Planck. Jeans

 Andaian yang dibuat oleh Planck dalam Teori
teorinya adalah: Klasik
 Sinaran e.m. yang
dipancarkan/diserapkan oleh jasad Teori Wien
hitam bukan dalam arus gelombang
berterusan tetapi dalam bentuk paket- Rajah 7.1
paket tenaga diskret atau kuanta yang
dikenali sebagai foton (photon).
 Tenaga radiasi e.m. adalah dalam
integer kuantiti tenaga (quantized).
 Saiz tenaga radiasi bergantung kepada
frekuensi atau panjang gelombang

Klasik: Tenaga gelombang EM berkadar terus dengan suhu. E α T
dan selanjar.

Max Plank ubah: E α nf n = 0,1, 2, 3, 4 ……

Katakan f = 10, maka tenaga E = 10, 20 , 30 ….
E tak boleh jadi 11, 12, 13 …
Nilai tenaga tidak lagi selanjar.
Max Plank perkenalkan tenaga gelombang
EM adalah diskrit.
Dengan menganggap tenaga adalah diskrit,
maka tenaga purata boleh diterbitkan dengan
menggunakan taburan keberangkalian. Σ

Keberangkalian untuk jasad hitam
mengeluarkan tenaga pada frekuensi yang
tinggi semakin rendah.

Keamatan sinaran adalah rendah bagi
gelombang frekuensi tinggi.

Perbezaan antara Teori Kuantum Planck dan Teori Klasik Tenaga

Teori Klasik Teori Kuantum Planck

Tenaga radiasi elektromagnetik adalah: Satu paket tenaga

1. Selanjar (continuously) Tenaga radiasi elektromagnetik adalah:
2. Tidak bergantung kepada
1. Diskret ATAU kuantum
frekuensi ATAU panjang 2. Bergantung kepada frekuensi
gelombang.
ATAU panjang gelombang.

Anologi air paip yang mengalir Analogi air hujan yang turun
berterusan – tenaga selanjar setitik setitik – tenaga diskrit

Plank kata tenaga yang dipancarkan
oleh jasad hitam adalah diskrit.

Setitik tenaga itu diberi formula E = hf



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

• Kuantum tenaga ialah paket tenaga yang
diskrit dan bukan tenaga selanjar.

• Paket-paket tenaga diskrit bergantung
pada frekuensi gelombang.

• Menurut teori kuantum Max Planck dan
Albert Einstein, tenaga cahaya wujud
dalam bentuk paket tenaga yang
dikenali sebagai foton

• Foton ialah kuantum tenaga cahaya
yang boleh dipindahkan.

• Tenaga foton adalah berkadar terus
dengan frekuensi gelombang cahaya.

• Semakin tinggi frekuensi gelombang
cahaya, semakin tinggi kuantum tenaga.

 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  Oleh kerana kelajuan gelombang
bagi sinaran frekuensi, f, diberikan e.m. dalam vakum adalah c = f 

oleh maka persamaan (1) boleh ditulis

E  hf ..... (1) sebagai

Iaitu E = tenaga foton E  hc Teori Kuantum
h : pemalar Plank = 6.63  1034 J s Planck
f = frekuensi gelombang cahaya 

STANDARD
PEMBELAJARAN 4

7.1.4 Menerangkan konsep
foton

Albert Einstein
(1879 – 1955)

• Memperkenalkan konsep
foton pada tahun 1905

• Tenaga foton adalah
berkadar terus dengan
frekuensi gelombang
cahaya.

• Teori foton Einstein berjaya
menjelaskan ciri-ciri kesan
fotoelektrik yang tidak
dapat diterangkan dengan
teori klasik

• Cahaya sebagai gelombang: mengalami pantulan, pembiasan,
pembelauan dan interferens.

• Cahaya • Foton adalah satu paket
sebagai foton diskrit tenaga (atau
(zarah). Kita kuanta) bagi suatu sinaran
tak akan dapat elektromagnet.
melihat kesan
pembelauan
atau
interferens.

7.1.4: Menerangkan Konsep Foton

FOTON
 Pada tahun 1905, Albert Einstein mencadangkan bahawa cahaya

datang dalam ikatan tenaga (bundle of energy) (cahaya disebarkan
sebagai zarah kecil), dipanggil foton.
 Foton ditakrifkan sebagai zarah dengan jisim sifar yang terdiri
daripada kuantum radiasi elektromagnet di mana tenaganya tertumpu.
 Kuantum bermaksud jumlah tetap.
 Dalam bentuk persamaan, tenaga foton adalah

E  hf  h c



 Unit tenaga foton adalah J atau eV.

 Elektronvolt (eV) adalah satu unit tenaga yang boleh ditakrifkan
sebagai tenaga kinetik yang diperolehi oleh elektron yang dipecut oleh
beza keupayaan (voltan) iaitu 1 volt.

FOTON

 Penukaran Unit: 1 eV  1.60 1019 J

 Foton bergerak dengan kelajuan cahaya dalam vakum.
 Foton perlu menjelaskan kesan fotoelektrik dan fenomena lain

yang memerlukan cahaya untuk memiliki sifat zarah.

 Foton frekuensi tinggi mempunyai lebih banyak tenaga. Foton
cahaya biru lebih bertenaga daripada foton cahaya merah.

fblue  fred ,

 Foton bergerak pada keElabjluuean cEarhedaya (c) dalam vakum

7.1.2: Definisi Teori Kuantum

Kuantum Tenaga

 Tenaga kuantum elektromagnetik (e.m.) ditakrifkan
sebagai jumlah tenaga minimum pada frekuensi tertentu.

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.

Spektrum Garis

• Spektrum garis yang terhasil oleh sesuatu Spektrum pembebasan hidrogen
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