Fisika Kuantum_Debie Mukti Rahayu
description
Transcript of Fisika Kuantum_Debie Mukti Rahayu
Nama : Debie Mukti Rahayu
NIM : 1205035012
Prodi : Pendidikan Fisika
Kelas : 2012 Pagi
Kpd Yth.
Bapak Dr. Riskan Qadar, M.Si
Assalamualaikum Wr. Wb.
Sehubungan dengan tugas penurunan rumus fisika kuantum yang bapak tawarkan kepada
kami, saya atas nama Debie Mukti Rahayu ingin mencoba menjawab soal yang bapak
berikan, yaitu sebagai berikut:
1.
a) Jika z sangat besar, persimpangan yang terjadi hanya sedikit dibawah Zn=nπ/2
dengan nilai n adalah ganjil.
𝐸𝑛 + 𝑉0 ≅𝑛2𝜋2ℏ2
2𝑚(2𝑎)
b) Jika Z0 menurun, maka terdapat lebih sedikit keadaan yang terikat (Z0< π/2). Yang
perlu diperhatikan adalah selalu terdapat satu keadaan yang terikat meskipun Z0
bernilai sangat rendah.
𝜓 𝑥 = 𝐴𝑒𝑖𝑘𝑥 + 𝐵𝑒−𝑖𝑘𝑥 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 (𝑥 < −𝑎)
𝜓 𝑥 = 𝐶𝑠𝑖𝑛 𝑙𝑥 + 𝐷𝑐𝑜𝑠 𝑙𝑥 , 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 (−𝑎 < 𝑥 < 𝑎)
Untuk 𝜓 𝑥 pada –a :
𝐴𝑒𝑖𝑘𝑎 + 𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 = −𝐶𝑠𝑖𝑛 𝑙𝑎 + 𝐷𝑐𝑜𝑠 𝑙𝑎 … … …… . . (1)
Untuk 𝑑𝜓
𝑑𝑥 pada –𝑎 :
𝑖𝑘 𝐴𝑒𝑖𝑘𝑎 − 𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 = 𝑙 𝐶 cos 𝑙𝑎 + 𝐷 sin(𝑙𝑎) … … …… (2)
Untuk 𝜓 𝑥 pada +a :
𝐶 sin 𝑙𝑎 + 𝐷 cos 𝑙𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 … … … … … … … (3)
Untuk 𝑑𝜓
𝑑𝑥 pada –𝑎 :
𝑙 𝐶 cos 𝑙𝑎 − 𝐷 sin(𝑙𝑎) = 𝑖𝑘𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 … … … … . (4)
Persamaan (3) dikalikan dengan sin la, maka diperoleh:
𝐶 sin2 𝑙𝑎 + 𝐷 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 … … … 5
Nama : Debie Mukti Rahayu
NIM : 1205035012
Prodi : Pendidikan Fisika
Kelas : 2012 Pagi
𝐷 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 − 𝐶 𝑠𝑖𝑛2𝑙𝑎
𝐷 =𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 − 𝐶𝑠𝑖𝑛2𝑙𝑎
sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 … … … …… . (6)
Persamaan (4) dikalikan dengan 1
𝑙cos 𝑙𝑎, maka diperoleh:
𝐶 cos2 𝑙𝑎 − 𝐷 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 =𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 … … . . (7)
Disubstitusikan persamaan (6) ke dalam persamaan (7):
𝐶 cos2 𝑙𝑎 − 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 − 𝐶𝑠𝑖𝑛2𝑙𝑎
sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 =
𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎
𝐶 cos2 𝑙𝑎 − 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 + 𝐶 sin2 𝑙𝑎 =𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎
𝐶(cos2 𝑙𝑎 + sin2 𝑙𝑎) =𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 + 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎
Karena cos2x + sin
2x = 1, maka:
𝐶 =𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 + 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 …… … . . (8)
Persamaan (3) dikalikan dengan cos la, diperoleh:
𝐶 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 + 𝐷 cos2 𝑙𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 … … . 9
𝐶 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 − 𝐷𝑐𝑜𝑠2𝑙𝑎
𝐶 =𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 − 𝐷 cos2 𝑙𝑎
sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎… … … … (10)
Persamaan (4) dikalikan dengan 1
𝑙sin 𝑙𝑎, maka:
𝐶 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 − 𝐷 sin2 𝑙𝑎 =𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 … . . (11)
Disubstitusikan persamaan (10) ke dalam persamaan (11):
𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 − 𝐷 cos2 𝑙𝑎
sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 − 𝐷 sin2 𝑙𝑎 =
𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎
𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 − 𝐷 cos2 𝑙𝑎 − 𝐷 sin2 𝑙𝑎 =𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎
𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 −𝑖𝑘
𝑙𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 = 𝐷 cos2 𝑙𝑎 + 𝐷 sin2 𝑙𝑎
𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 (cos 𝑙𝑎 −𝑖𝑘
𝑙sin 𝑙𝑎) = 𝐷(cos2 𝑙𝑎 + 𝐷 sin2 𝑙𝑎)
Karena cos2x + sin
2x = 1, maka:
𝐷 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 (cos 𝑙𝑎 −𝑖𝑘
𝑙sin 𝑙𝑎) … … … … (12)
Disubstitusikan persamaan (10) dan (12) ke dalam persamaan (1), maka diperoleh:
𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 + 𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 = −𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 +𝑖𝑘
𝑙cos 𝑙𝑎 sin 𝑙𝑎 + 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 𝑙𝑎 −
𝑖𝑘
𝑙sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎
= 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos2 𝑙𝑎 −𝑖𝑘
𝑙sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 − sin2 𝑙𝑎 −
𝑖𝑘
𝑙sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎
𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 + 𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos(2𝑙𝑎) −𝑖𝑘
𝑙sin(2𝑙𝑎) … … … (13)
Nama : Debie Mukti Rahayu
NIM : 1205035012
Prodi : Pendidikan Fisika
Kelas : 2012 Pagi
Disubstitusikan persamaan (10) dan (12) ke dalam persamaan (2), maka:
𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 − 𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 = −𝑖𝑙
𝑘𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 +
𝑖𝑘
𝑙cos 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 + cos 𝑙𝑎 −
𝑖𝑘
𝑙sin 𝑙𝑎 sin 𝑙𝑎
= −𝑖𝑙
𝑘𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 +
𝑖𝑘
𝑙cos2 𝑙𝑎 + sin 𝑙𝑎 cos 𝑙𝑎 −
𝑖𝑘
𝑙sin2 𝑙𝑎
= −𝑖𝑙
𝑘𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 sin 2𝑙𝑎 +
𝑖𝑘
𝑙cos 2𝑙𝑎
𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 − 𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 2𝑙𝑎 −𝑖𝑙
𝑘sin(2𝑙𝑎) … … … … (14)
𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 = −𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 2𝑙𝑎 −𝑖𝑙
𝑘sin 2𝑙𝑎 + 𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 … … . . (15)
Disubstitusikan persamaan (15) kedalam persamaan (13), maka:
𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 − 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 2𝑙𝑎 −𝑖𝑙
𝑘sin 2𝑙𝑎 + 𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos(2𝑙𝑎) −
𝑖𝑘
𝑙sin(2𝑙𝑎)
2𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos(2𝑙𝑎) −𝑖𝑘
𝑙sin(2𝑙𝑎) + 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos 2𝑙𝑎 −
𝑖𝑙
𝑘sin 2𝑙𝑎
2𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cos(2𝑙𝑎) −𝑖𝑘
𝑙sin(2𝑙𝑎) + cos 2𝑙𝑎 −
𝑖𝑙
𝑘sin 2𝑙𝑎
2𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 2 cos 2𝑙𝑎 − 𝑖 𝑘
𝑙+
𝑙
𝑘 sin 2𝑙𝑎
𝐹 =𝑒−2𝑖𝑘𝑎 𝐴
cos 2𝑙𝑎 −𝑖 sin 2𝑙𝑎
2𝑘𝑙(𝑘2 + 𝑙2)
… … … … (16)
𝑇−1 = 𝐴
𝐹
2
= cos(2𝑙𝑎) − 𝑖sin 2𝑙𝑎
2𝑘𝑙(𝑘2 + 𝑙2)
2
= cos2 2𝑙𝑎 +sin2 2𝑙𝑎
2𝑙𝑘 2 𝑘2 + 𝑙2 2
Karena cos2 2𝑙𝑎 = 1 − sin2 2𝑙𝑎 , maka:
𝑇−1 = 1 − 𝑠𝑖𝑛2 2𝑙𝑎 +sin2 2𝑙𝑎
2𝑙𝑘 2 𝑘2 + 𝑙2 2
𝑇−1 = 1 + 𝑠𝑖𝑛2(2𝑙𝑎) 𝑘2 + 𝑙2 2
2𝑙𝑘 2− 1
Karena 1
2𝑘𝑙 2 𝑘4 + 2𝑘2𝑙2 + 𝑙4 − 4𝑘2𝑙2 =
1
2𝑘𝑙 2 𝑘4 − 2𝑘2𝑙2 + 𝑙4 =
𝑘2−𝑙2 2
2𝑘𝑙 2 , maka:
𝑇−1 = 1 + 𝑘2 − 𝑙2 2
2𝑘𝑙 2sin2 2𝑙𝑎 … … … 17
Karena 𝑘 = 2𝑚𝐸
ℏ , 𝑙 =
2𝑚(𝐸+𝑉0)
ℏ, maka:
2𝑙𝑎 =2𝑎
ℏ 2𝑚 𝐸 + 𝑉0 … …… … 18
Dan
𝑘2 − 𝑙2 = −2𝑚𝑉0
ℏ2… … … … …… . (19)
Nama : Debie Mukti Rahayu
NIM : 1205035012
Prodi : Pendidikan Fisika
Kelas : 2012 Pagi
𝑘2 − 𝑙2 2
2𝑘𝑙 2=
2𝑚ℏ2
2
𝑉02
4 2𝑚ℏ2
2
𝐸(𝐸 + 𝑉0)
=𝑉0
2
4𝐸(𝐸 + 𝑉0)… …… (20)
Disubstitusikan persamaan (18) dan (20) ke dalam persamaan (17), diperoleh:
𝑇−1 = 1 +𝑉0
2
4𝐸(𝐸 + 𝑉0)sin2
2𝑎
ℏ 2𝑚 𝐸 + 𝑉0
𝑇 = 1 +𝑉0
2
4𝐸 𝐸 + 𝑉0 sin2
2𝑎
ℏ 2𝑚 𝐸 + 𝑉0
−1
2. E<V0
𝜓 =
𝐴𝑒𝑖𝑘𝑥 + 𝐵𝑒−𝑖𝑘𝑥 (𝑥 < −𝑎)
𝐶𝑒𝜅𝑥 + 𝐷𝑒−𝜅𝑥 (−𝑎 < 𝑥 < 𝑎)
𝐹𝑒𝑖𝜅𝑥 (𝑥 > 𝑎)
𝑘 = 2𝑚𝐸
ℏ; 𝜅 =
2𝑚(𝑉0 − 𝐸)
ℏ
Untuk 𝜓 pada – 𝑎 : 𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 + 𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 = 𝐶𝑒−𝜅𝑎 + 𝐷𝑒𝜅𝑎
Untuk 𝜓′ pada – 𝑎 : 𝑖𝑘(𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 + 𝐵𝑒𝑖𝑘𝑎 ) = 𝜅(𝐶𝑒−𝜅𝑎 + 𝐷𝑒𝜅𝑎 )
2𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 = 1 − 𝑖𝜅
𝑘 𝐶𝑒−𝜅𝑎 + 1 + 𝑖
𝜅
𝑘 𝐷𝑒𝜅𝑎
Untuk 𝜓 pada + 𝑎 : 𝐶𝑒𝜅𝑎 + 𝐷𝑒−𝜅𝑎 = 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
Untuk 𝜓′ pada + 𝑎 : 𝜅(𝐶𝑒−𝜅𝑎 + 𝐷𝑒𝜅𝑎 ) = 𝑖𝑘𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
2𝐶𝑒𝜅𝑎 = 1 +𝑖𝑘
𝜅 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
2𝐷𝑒−𝜅𝑎 = 1 −𝑖𝑘
𝜅 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
2𝐴𝑒−𝑖𝑘𝑎 = 1 −𝑖𝜅
𝑘 1 +
𝑖𝑘
𝜅 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
𝑒−2𝜅𝑎
2+ 1 +
𝑖𝜅
𝑘 1 −
𝑖𝑘
𝜅 𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
𝑒2𝜅𝑎
2
=𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
2 1 + 𝑖
𝑘
𝜅−
𝜅
𝑘 + 1 𝑒−2𝜅𝑎 + 1 + 𝑖
𝜅
𝑘−
𝑘
𝜅 + 1 𝑒2𝜅𝑎
=𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
2 2 𝑒−2𝜅𝑎 + 𝑒2𝜅𝑎 + 𝑖
𝜅2 − 𝑘2
𝑘𝜅(𝑒2𝜅𝑎 − 𝑒−2𝜅𝑎 )
Karena sinh 𝑥 ≡𝑒𝑥−𝑒−𝑥
2 , cosh 𝑥 ≡
𝑒𝑥 +𝑒−𝑥
2 , maka:
=𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎
2 4 cosh 2𝜅𝑎 + 𝑖
(𝜅2 − 𝑘2)
𝑘𝜅2sinh(2𝜅𝑎)
= 2𝐹𝑒𝑖𝑘𝑎 cosh 2𝜅𝑎 + 𝑖(𝜅2 − 𝑘2)
2𝑘𝜅sinh(2𝜅𝑎)
𝑇−1 = 𝐴
𝐹
2
= cosh2( 2𝜅𝑎) + 𝜅2 − 𝑘2 2
2𝜅𝑘 2sinh2 2𝜅𝑎
Karena cosh2=1+sinh
2, maka:
𝑇−1 = 1 + 1 + 𝜅2 − 𝑘2 2
2𝜅𝑘 2sinh2 2𝜅𝑎
Nama : Debie Mukti Rahayu
NIM : 1205035012
Prodi : Pendidikan Fisika
Kelas : 2012 Pagi
𝑇−1 = 1 +𝑉0
2
4𝐸(𝑉0 − 𝐸)sinh2
2𝑎
ℏ 2𝑚 𝑉0 − 𝐸
𝑇 = 1 +𝑉0
2
4𝐸(𝑉0 − 𝐸)sinh2
2𝑎
ℏ 2𝑚 𝑉0 − 𝐸
−1
3. 𝛾 =1
ℏ 𝑝(𝑥) 𝑑𝑥 =
1
ℏ 2𝑚(𝑉0 − 𝐸)𝑑𝑥 =
2𝑎
ℏ 2𝑚(𝑉0 − 𝐸)
2𝑎
0
𝑇 = 1 +𝑉0
2
4𝐸(𝑉0 − 𝐸)sinh2
2𝑎
ℏ 2𝑚 𝑉0 − 𝐸
−1
𝑇 =1
1 +𝑉0
2
4𝐸(𝑉0 − 𝐸)sinh2
2𝑎ℏ
2𝑚 𝑉0 − 𝐸
𝑇 =1
1 +𝑉0
2
4𝐸(𝑉0 − 𝐸)sinh2 𝛾
Pada aproksimasi WKB diasumsikan jika probabilitas tunnelingnya kecil, pada kasus
tersebut: sinh 𝛾 =1
2(𝑒𝛾 − 𝑒−𝛾) ≈
1
2𝑒𝛾 dan sinh2 𝛾 ≈
1
4𝑒2𝛾 , maka diperoleh
persamaan sebagai berikut:
𝑇 =1
1 +𝑉0
2
4𝐸(𝑉0 − 𝐸)sinh2 𝛾
𝑇 ≈1
1 +𝑉0
2
4𝐸 𝑉0 − 𝐸
14 𝑒2𝛾
𝑇 ≈1
1 +𝑉0
2
16𝐸 𝑉0 − 𝐸 𝑒2𝛾
𝑇 ≈16𝐸 𝑉0 − 𝐸
𝑉02𝑒2𝛾
𝑇 ≈ 16𝐸 𝑉0 − 𝐸
𝑉02 𝑒−2𝛾
Demikian penurunan rumus yang saya lampirkan. Atas perhatian bapak, saya ucapkan
terima kasih.
Wassalamualaikum Wr. Wb.