Guys, kali ini kita akan membahas tentang bagaimana sifat - sifat logam secara fisika. Tentunya pada pembahasan ini, kita mulai dengan landasan teori kuantum ya guys ^_^, jangan capek dengan fisika kuantum karena fisika kuantum sebenarnya fun dan bermanfaat untuk teknologi. Let's check it out 😎.
Logam sebagaimana yang kita ketahui memiliki sifat konduktivitas yang sangat baik untuk listrik dan kalor. Namun mengapa ya itu bisa terjadi? sebelum itu mari kita bahas dahulu secara umum. Logam adalah susunan dari atom-atom yang termasuk dalam golongan zat padat (solid state) yang mana memiliki elektron-elektron terluar (valensi) yang cukup lemah sehingga bisa dipandang sebagai free-electron. Sehingga apabila ada sebuah picuan (trigger) dari luar berupa tegangan listrik maka elektron tersebut mudah mobile sehingga listrik dapat dihantarkan dengan baik. Namun perlulah kita memahami bagaimana pandangan teori kuantum mengenai fenomena ini.
 |
| Elektron terluar dari atom atom dalam logam [dilansir dari : http://www.bbc.co.uk] |
Menurut teori kuantum, semua permasalahan (sifat sistem) dapat ditentukan dari pemecahan solusi persamaan schrodinger yang termaktub pada fungsi gelombang sistem.
Jika elektron diasumsikan bebas karena lemah terikat, maka V = 0, sehingga akan diperoleh solusi fungsi gelombang umum untuk free particle dan memiliki energi sebagai berikut :
| Fermi k-sphere : Dilansir dari : qph.ec.quoracdn.net |
Karena keadaan k yang dimiliki oleh elektron dalam logam sangat banyak, maka timbul konsep density of states (DOS) (Rapat Keadaan) yang dituliskan dalam bentuk di bawah ini dan dapat diperoleh dari konsep fermi-k sphere di atas serta memberikan konsep spin (dengan faktor 2s+1) :
Elektron adalah fermion dengan spin 1/2 sehingga diperoleh :
Untuk menentukan jumlah elektron pada tiap keadaan tentunya harus mengingat bahwa elektron tunduk pada distribusi Fermi-Dirac dan sehingga :
Kemudian setelah itu, untuk T = 0, distribusi fermi-dirac akan mendekati 1, sehingga akan diperoleh untuk T = 0 maka : n = No dengan No adalah jumlah elektron dalam keadaan awal pada suhu 0 K akan dibatasi oleh suatu rentang energi yang disebut sebagai energi fermi :
Ketika pada suhu 0 K, elektron dalam logam berada dalam keadaan penuh, tetapi jika diberikan energi dari luar (tegangan ataupun termal) maka elektron tersebut akan tereksitasi dari keadaan awalnya melewati energi fermi seperti ilustrasi berikut ini :
 | |||
| Fungsi distribusi elektron logam (dilansir dari : www.wikipedia.org) |
Pada kasus contoh di atas, energi fermi berada pada E = miu, jika energi yang diberikan dari luar lebih besar dari miu, maka elektron dari energi fermi akan tereksitasi, sehingga elektron di dalam energi fermi akan berkurang (ditandai oleh lengsernya kurva) dan memenuhi atau mengisi bagian diluar energi fermi. Keadaan di mana elektron mengisi energi di atas energi fermi disebut sebagai keadaan eksitasi dan bagian yang tersisa dari dalam energi fermi disebut sebagai hole. (Catatan : Miu = Potensial Kimia = Energi yang ditambahkan per partikel).
Energi elektron di atas energi fermi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Dari teori ini kita bisa memahami bagaimana elektron dalam logam bisa terkonduksi jika diberikan tegangan atau termal serta bagaimana energinya dalam keadaan ketika terkonduksi.
Surabaya, 13 Januari 2017
Deriyan Senjaya, S.Si.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar