FISIKA DASAR II

BUKU AJAR UNTUK MAHASISWA TEKNIK

OLEH :DRA. DWI PURWANTI, MS

NIP.195910201990022001

1

1

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

2010

DAFTAR ISI

PENDAHULUAN

BAB I. RELATIVITAS

A. TEORI RELATIVITAS KHUSUS

B. PENJUMLAHAN KECEPATAN SECARA RELATIVISTIK

C. PEMUAIAN WAKTU

D. KONTRAKSI LORENTZ

E. MASSA DAN MOMENTUM RELATIVISTIK

F. ENERGI RELATIVISTIK

BAB II. GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

A. TEORI MAXWELL TENTANG TIMBULNYA GELOMBANG

ELEKTROMAGNETIK.

B. SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

C. APLIKASI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM

KEHIDUPAN SEHARI-HARI.

BAB III. ATOM

A. MODEL ATOM THOMSON DAN MASSA ELEKTRON

B. PERCOBAAN MILLIKAN DAN MUATAN ELEKTRON

C. MODEL ATOM RUTHERFORD

D. MASSA DAN MUATAN PROTON

E. MODEL ATOM NIELS BOHR

BAB IV. SIFAT CAHAYA

A. DUALISME SIFAT CAHAYA

B. RADIASI BENDA HITAM

C. EFEK FOTOLISTRIK

D. EFEK COMPTON

2

2

BAB V. SIFAT GELOMBANG DARI PARTIKEL

A. HIPOTESA DE BROGLIE

B. PRINSIP KETIDAKPASTIAN HEISENBERG

C. MODEL ATOM BARU

BAB VI. TEORI KUANTUM ATOM HIDROGEN

A. KELEMAHAN MODEL ATOM BOHR

B. BILANGAN KUANTUM

C. TRANSISI RADIAKTIF

BAB VII. INTI ATOM

A. BILANGAN ATOM DAN BILANGAN MASSA

B. ISOTOP

1. GAYA NUKLIR

2. PERANAN NEUTRON

C. RADIOAKTIVITAS

D. ALAT-ALAT PENDETEKSI RADIOAKTIVITAS

BAB VIII. REAKSI INTI

A. UMUR PARO

B. REAKSI INTI

C. PERUBAHAN MASSA DALAM REAKSI INTI

D. PERISTIWA REAKSI FUSI DAN FISI

3

3

PENDAHULUAN

Perbedaan fisika modern yang mulai diperkenalkan pada awal abad ke 20 dengan

fisika klasik yaitu fisika modern menyelidiki gejala-gejala pada skala ukuran yang

sangat kecil ( kira-kira 10-10 m ) dan pada skala kecepatan yang sangat tinggi yaitu

mendekati kecepatan cahaya c = 3 x 108 m/s atau disebut juga pada kecepatan

relativistik. Ternyata gejala-gejala pada skala atom tersebut dan penemuan tentang

gelombang elektromagnetik serta sifat dualisme dari cahaya dapat dimanfaatkan untuk

mengembangkan berbagai bentuk teknologi baru seperti televisi, komputer,

pengendali jarak jauh ( remote control ). sel fotolistrik, laser, mesin roentgen, energi

nuklir dan sebagainya yang kesemuanya tidak mungkin dapat ditemukan dan

dibayangkan tanpa fisika modern.

Perkembangan fisika modern akan berlanjut terus dan bahkan akan semakin

kompleks, yang menuntut alternatif cara berpikir baru pula. Hal-hal baru tersebut

khususnya mekanika kuantum maupun teori relativitas agak sukar dipahami karena

pada umumnya siswa berkembang berdasarkan pengalaman sehari-hari yang

menggunakan paradigma fisika klasik.

Pada umumnya para mahasiswa, khususnya mahasiswa teknik, mengalami

kesulitan dalam mempelajari materi fisika modern karena pada pembelajaran sains

yang selama ini diberikan konsep-konsep yang diajarkan diperoleh melalui

pengalaman empiris sehari-hari, sementara konsep-konsep fisika modern tampak

seolah-olah bertentangan dengan pengalaman sehari-hari para mahasiswa. Faktor lain

yang juga menjadikan para mahasiswa sulit mempelajari fisika modern adalah sifat

konsep-konsep fisika modern yang didominasi oleh konsep-konsep abstrak. Untuk

memahami konsep-konsep abstrak tersebut tentu dibutuhkan penalaran yang tinggi. .

Untuk dapat mencapai penalaran yang tinggi mahasiswa perlu dibiasakan dengan

cara belajar yang menuntut penggunaan penalaran. Agar para mahasiswa memiliki

pengalaman belajar seperti yang diharapkan, tentu diperlukan guru yang tidak hanya

4

4

memahami materi fisika secara baik tetapi juga guru dituntut memahami dan mampu

mengaplikasikan teori-teori pembelajaran yang sesuai dengan karakteristik ilmu

fisika. Karena itu untuk menunjang pembelajaran sains para mahasiswa khususnya

sebagai calon guru perlu mempelajari dan menguasai tidak hanya fisika klasik tetapi

juga fisika modern.

BAB I

RELATIVITAS

A. TEORI RELATIVITAS KHUSUS

Kejadian-kejadian yang terjadi sehari-hari di sekitar kita pada umumnya

berhubungan dengan kecepatan yang jauh lebih kecil dari kecepatan cahaya. Karena

itu sampai awal abad ke-20 ide awal tentang ruang dan waktu dijelaskan berdasarkan

kecepatan ini dan hukum-hukum mekanika mengacu pada hukum Newton yang saat

itu sangat diakui kebenarannya. Tetapi ternyata pada percobaan gerak partikel yang

menggunakan kecepatan mendekati kecepatan cahaya ( disebut kecepatan

relativistik) hukum Newton gagal diterapkan. Contoh kegagalan hukum Newton ini

adalah pada saat dilakukan percobaan pemercepat partikel, yaitu elektron dalam suatu

akselerator yang diberi potensial sangat tinggi ( sampai jutaan Volt ) sehingga

mempunyai kecepatan sampai kira-kira 0,99 c. Menurut hukum energi Newton

berlaku rumus Ek = ½ mv2, untuk massa ( m ) elektron yang tetap jika energi

akselerator ditingkatkan menjadi 4 kali dengan cara diberi beda potensial listrik yang

lebih tinggi maka seharusnya kecepatan elektron akan menjadi 1,98 c ( 2 kali

kecepatan semula ). Tapi hasil percobaan menunjukkan bahwa kecepatan elektron

hampir tetap yaitu sebesar 0,99 c. Dari hasil percobaan ini terbukti bahwa Hukum

Newton tidak berlaku karena ternyata kecepatan partikel mempunyai batasan

tertentu.

Pada tahun 1905, Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) seorang pegawai jawatan paten

Swiss mengemukakan teori relativitas khusus untuk menjelaskan batas kecepatan

suatu partikel. Teori ini memberi penjelasan untuk benda – benda yang bergerak

dalam kecepatan tetap . Kedua postulat yang dikemukakan oleh Einstein adalah

sebagai berikut :

5

5

1. Hukum fisika adalah sama untuk semua kerangka acuan inersial, yaitu suatu

kerangka acuan yang berada dalam keadaan diam atau bergerak terhadap

acuan lainnya dengan kecepatan konstan pada suatu garis lurus. Semua gerak

adalah relatif. Kecepatan obyek hanya dapat dinyatakan secara relatif terhadap

obyek lainnya dan tidak mungkin dinyatakan secara mutlak.

2. Kelajuan cahaya dalam vakum memiliki nilai yang sama dalam semua

kerangka acuan inersial yaitu sebesar c = 3 x 108 m/s

Karya besar Einstein inilah yang merupakan tonggak dari fisika modern, dan

disebut teori relativitas khusus karena teori relativitas ini hanya berlaku bagi kerangka

acuan inersial. Selanjutnya baru pada tahun 1916 Einstein mengusulkan teori

relativitas umum yang berlaku bagi semua kerangka acuan baik inersial maupun non

inersial. Dalam hal ini hanya akan dibahas mengenai teori relativitas khusus yang

akan menghasilkan ramalan-ramalan mengenai kecepatan relativistik, penyusutan

panjang , pemuluran waktu serta rumus spektakuler yang dikemukakan Einstein

tentang energi relativistik.

B. PENJUMLAHAN KECEPATAN SECARA RELATIVISTIK

Pada fisika klasik, Newton telah menyatakan bahwa semua gerak adalah relatif.

Sebagai gambaran jika seorang Pengamat diam di tepi jalan dilewati oleh sebuah bus

yang melaju ke Utara dengan kelajuan 80 km/jam, maka Pengamat akan mengatakan

bahwa bus bergerak menjauh dengan kelajuan 80 km/jam arah ke Utara. Tetapi orang

yang ada di dalam bus akan mengatakan Pengamatlah yang bergerak ke Selatan

dengan kelajuan 80 km/jam. Jika selanjutnya orang yang di dalam bus berjalan searah

dengan arah gerak bus dengan kelajuan 60 km/jam maka akan diperoleh penjumlahan

kecepatan relatif menurut relativitas Newton dan Pengamat akan mengatakan bahwa

laju orang di dalam bus tersebut menjadi 80 km/jam + 60 km/jam = 140 km/jam ke

arah Utara. Demikian pula sebaliknya orang tersebut menganggap Pengamat bergerak

ke arah Selatan dengan laju sebesar laju dirinya ditambah laju bus yaitu 140 km/jam.

Akan tetapi penjumlahan kecepatan relatif menurut Newton seperti contoh di atas

tidak akan berlaku jika kecepatannya adalah mendekati kecepatan cahaya c. Sebagai

contoh dari kasus di atas jika kelajuan bus dimisalkan adalah 0,8 c dan laju orang di

dalam bus adalah 0,6 c keduanya searah ke Utara maka seharusnya menurut

relativitas Newton akan diperoleh penjumlahan kecepatan relatif sebesar 0,8 c + 0,6 c

6

6

= 1,4 c. Perolehan hasil penjumlahan kecepatan yang melebihi kecepatan mutlak c

jelas tidak mungkin karena ini menyalahi kenyataan yang telah diperoleh dari hasil

eksperimen Einstein yang menyatakan bahwa kecepatan suatu partikel tidak mungkin

melebihi kecepatan mutlak cahaya yaitu sebesar c.

Oleh karena itu berdasarkan transformasi Lorentzs tentang kecepatan, Einstein

mengoreksi kesalahan penjumlahan kecepatan relatif tersebut dengan memberikan

persamaan yang berlaku untuk penjumlahan kecepatan relativistik

v = m/s ( 1 )

Keterangan :

v = kecepatan relativitas khusus ( m/s )

v1 = kecepatan benda/partikel pertama terhadap pengamat ( m/s )

v2 = kecepatan benda/partikel kedua terhadap benda/partikel pertama ( m/s )

c = kecepatan cahaya = 3 x 108 m/s

Jika rumus ini diterapkan pada contoh kasus di atas maka akan diperoleh

kecepatan relatif dari orang yang di dalam bus terhadap Pengamat yang diam adalah

sebesar

v = = = 0,946 c m/s

Dari hasil tersebut nampak bahwa dengan menggunakan rumus ( 1 ) yaitu rumus

penjumlahan untuk kecepatan relativistik maka kecepatan relatif yang diperoleh

harganya tidak akan mungkin melebihi kecepatan mutlak c.

C. PEMUAIAN WAKTU

Dua buah jam yang identik jika sebelumnya sudah dicocokkan dan diletakkan

diam bersebelahan akan selalu menunjukkan waktu yang sama. Akan tetapi kalau

salah satu jam tadi diberi percepatan sehingga mempunyai kecepatan v yang sangat

tinggi yang bahkan mendekati kecepatan cahaya c, maka menurut pengamat yang

diam, jam yang bergerak ini akan tampak berjalan lebih lambat dibanding jam yang

diam bersama pengamat. Waktu yang diukur oleh jam yang ada di tangan pengamat,

7

7

jadi berada dalam keadaan diam terhadap pengamat, disebut waktu benar ( proper

time). Dapat disimpulkan bahwa waktu yang diukur oleh sebuah jam dalam kerangka

bergerak menjadi mulur bila diamati dari kerangka diam, peristiwa ini disebut

dilatasi waktu atau pemuaian waktu

Berdasarkan penjelasan tersebut terbukti bahwa waktu juga bersifat relatif. Untuk

mengukur selang waktu relatif antara dua kejadian yang terjadi pada tempat yang

sama dan diukur oleh pengamat yang diam serta oleh pengamat yang bergerak dengan

kecepatan relativistik maka digunakan rumus :

sekon ( 2 )

Keterangan :

∆t = selang waktu relativistik ( sekon )

∆t0 = selang waktu sejati ( sekon )

> 1 = tetapan transformasi

Selang waktu sejati adalah selang waktu yang diukur oleh jam atau pengamat yang

diam terhadap kejadian sedangkan selang waktu relativistik adalah selang waktu

yang diukur oleh jam atau pengamat yang bergerak terhadap kejadian. Faktor pengali

disebut tetapan transformasi dan harganya selalu lebih besar dari 1. Akibatnya

pada rumus (2) di atas akan berlaku ∆t selalu lebih besar daripada ∆t0 atau dapat

dikatakan bahwa selang waktu relativistik selalu lebih lama daripada selang waktu

sejati.

Contoh soal :

Sebuah kincir angin ketika diamati oleh seorang pengamat yang diam di bumi, untuk

berputar satu kali membutuhkan waktu 5,00 sekon. Berapakah waktu yang dibutuhkan

oleh kincir angin tersebut untuk berputar satu kali menurut seorang pengamat yang

bergerak relatif terhadap bumi dengan kecepatan 0,96 c ?

8

8

Jawab :

Waktu yang dibutuhkan oleh kincir angin untuk berputar satu kali atau periode kincir

angin adalah periode sejati ∆t0 = 5,00 sekon Sedangkan periode kincir angin yang

diamati oleh pengamat yang bergerak adalah periode relativistik ∆t

Kecepatan pengamat v = 0,96 c

selanjutnya dengan menggunakan rumus (2) diperoleh waktu relativistik :

∆t = γ ∆t0 = 5,00 detik = 17,857 sekon

Dari hasil tersebut terlihat bahwa periode relativistik akan lebih besar dari periode

sejati.

D. KONTRAKSI LORENTZ

Jika seorang pengamat dalam keadaan diam mengukur panjang suatu benda

dalam komponen x dan mendapatkan panjang benda tersebut adalah Lo maka Lo

disebut panjang sejati benda tersebut. Selanjutnya jika benda tersebut kemudian

diberi kecepatan v dalam arah x atau sejajar terhadap arah memanjang benda , maka

menurut pengamat yang diam, komponen x benda panjangnya akan tampak berubah

dan disebut panjang relativistik L ( Perhatikan, hanya komponen x saja yang tampak

berubah sedangkan komponen y dan z yang tegak lurus terhadap arah gerak tidak

mengalami perubahan ). Harga panjang relativistik ini dirumuskan sebagai :

L = Lo = Lo. ( m ) ( 3 )

9

9

Keterangan :

L = panjang relativistik ( m )

Lo = panjang sejati ( diam ) ( m )

v = kecepatan relativistik benda ( m/s )

c = kelajuan cahaya dalam vakum = 3 x 108 m/s

Karena tetapan transformasi γ harganya selalu lebih besar dari 1 ( γ > 1 ), maka

sebagai akibatnya harga relativistik L akan selalu lebih kecil dari harga sejati Lo,

atau dapat dinyatakan panjang relativistik selalu lebih pendek daripada panjang

sejati ( L < Lo ). Efek berkurangnya panjang benda jika bergerak sejajar terhadap

arah memanjang benda ini disebut penyusutan panjang atau kontraksi panjang.

Peristiwa ini pertama kali diramalkan oleh Hendrik Anton Lorentz, seorang fisikawan

Belanda, karena itu peristiwa penyusutan panjang ini disebut juga kontraksi Lorentz

Contoh soal :

Sebuah pesawat ruang angkasa ketika diam di bumi menurut seorang pengamat

panjangnya adalah 100 m. Berapakah panjang pesawat tersebut ketika bergerak

dengan kecepatan 0,85 c menurut pengamat yang diam di bumi ?

Jawab :

Panjang pesawat ketika diam di bumi adalah panjang sejati, berarti Lo = 100 m

Kecepatan pesawat terhadap bumi adalah v = 0,85 c, maka panjang pesawat ketika

bergerak adalah panjang relativistik L. Dengan menggunakan rumus ( 3 ) akan

diperoleh :

L = Lo = 100 m = 100 m

= 100 m = 52, 678 m

Dari hasil tersebut terbukti bahwa pesawat dalam keadaan bergerak dengan kecepatan

relativistik akan tampak lebih pendek dari panjang sejatinya.

E. MASSA DAN MOMENTUM RELATIVISTIK

10

10

Dalam mekanika ada tiga buah besaran yang selalu digunakan yaitu besaran

panjang, selang waktu dan massa. Menurut pemahaman fisika klasik yang sebelumnya

selalu dianut, massa adalah besaran yang bersifat mutlak, demikian pula dengan

panjang dan selang waktu. Tetapi dengan teori relativitas khusus telah dibuktikan

bahwa panjang dan selang waktu ternyata bersifat relatif, sehingga menimbulkan

pertanyaan mungkinkah massa juga bersifat relatif.

Berdasarkan hukum kekekalan momentum akhirnya Einstein kembali dapat

membuktikan bahwa massa suatu benda yang bergerak dengan kecepatan relativistik

akan bertambah besar dan berarti bersifat relativistik pula. Besarnya massa relativistik

ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

m = mo kg ( 4 )

Keterangan :

m = massa relativistik ( diukur terhadap kerangka acuan yang bergerak

terhadap benda ) dalam kg

mo = massa diam benda ( diukur terhadap kerangka acuan yang diam terhadap

benda ) dalam kg

v = kelajuan relativistik benda ( m/s )

c = kelajuan cahaya dalam vakum = 3 x 108 m/s

γ = tetapan transformasi > 1

Berdasarkan rumus ( 4 ) di atas, jika kecepatan benda v ditambah terus hingga

harganya sama dengan kecepatan cahaya c ( v = c ) maka massa benda akan menjadi

tak terhingga ( m ), dan ini berarti dibutuhkan gaya-gaya yang tak terhingga pula

besarnya agar benda dapat mencapai kecepatan cahaya c. Dari keadaan ini dapat

disimpulkan bahwa tidaklah mungkin suatu benda diberi kecepatan sebesar c,

sehingga c adalah batas maksimum kecepatan semua benda.

Contoh soal

Sebuah elektron mempunyai massa diam 9,11 x 10-31 kg. Berapakah massanya saat

bergerak dengan kelajuan :

11

11

a. 0,05 c ?

b. 0,92 c ?

Jawab :

a. Massa relativistik elektron saat bergerak dengan kelajuan v = 0,05 c adalah

m =

terlihat bahwa walaupun kecepatan elektron sudah cukup tinggi yaitu 0,05 c tetapi

kenaikan massa elektron hanya kecil sekali yaitu 0,01 x 10-31 kg atau sekitar 0,12%

dari massa diamnya

b. Massa relativistik elektron saat bergerak dengan kelajuan v = 0,92 c adalah

m =

ternyata untuk elektron yang bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan

cahaya akan terjadi kenaikan massa sebesar 2,55 kali massa diamnya. .

Sebelumnya pada fisika klasik sudah dijelaskan bahwa jika suatu benda yang

bermassa m bergerak dengan kecepatan v maka benda akan mempunyai momentum

sebesar :

p = m v

Pada relativitas khusus, karena benda bergerak dengan kecepatan relativistik maka

momentum yang timbul disebut momentum relativistik. Besarnya momentum

relativistik ini juga merupakan hasil kali antara massa dengan kecepatan, tetapi massa

dalam hal ini adalah massa relativistik, sehingga :

12

12

p = m v = γ m0 v = kgm/s ( 5 )

Keterangan :

p = momentum relativistik benda ( kgm/s )

m = massa relativistik ( kg )

v = kecepatan relativistik ( m/s )

mo = massa diam benda ( kg )

c = kecepatan cahaya. ( m/s )

Contoh soal

Berapakah momentum dari proton yang bergerak dengan kecepatan 0,96 c jika massa

diam proton adalah 1,6 x 10-27 kg ?

Jawab :

Dengan menggunakan rumus (5) maka akan diperoleh :

p = =

F. ENERGI RELATIVISTIK

Hubungan yang paling terkenal yang diperoleh Einstein dari postulat relativitas

khusus adalah mengenai massa dan energi. Berdasarkan hukum II Newton tentang

gaya dan rumus usaha yang merupakan hasil kali antara gaya dengan lintasan

perpindahan maka Einstein berhasil menurunkan rumus energi relativistik yaitu :

Ek = E – Eo = m c2 - mo c2 Joule ( 6 )

Keterangan :

Ek = energi kinetik relativistik ( J )

13

13

E = energi total ( J )

Eo = energi diam ( J )

Dari persamaan di atas nampak bahwa energi merupakan hasil perkalian antara massa

dengan kuadrat kecepatan mutlak, sehingga ada kesetaraan antara massa dan energi.

Jika suatu partikel memiliki massa sebesar m maka partikel ini akan memiliki energi

sebesar :

E = m c2 Joule ( 7 )

Keterangan :

E = Energi total partikel ( J )

m = massa partikel ( kg )

c = Kelajuan cahaya = 3 x 108 m/s

Hubungan kesetaraan antara massa dan energi ini pertama kali dikemukakan oleh

Einstein sehingga persamaan ( 7 ) yang sangat terkenal disebut sebagai hukum

kesetaraan massa – energi Einstein.

Contoh soal :

Sebuah proton yang massa diamnya adalah 1,67 x 10-27 kg mempunyai energi total

tiga kali energi diamnya. Tentukan berapa energi kinetik proton dalam satuan eV jika

1 eV = 1,6 x 10-19 J.

Jawab :

E = 3 Eo

Eo = mo c2 = 1,67 x 10-27 kg x ( 3 x 108 )2 m2/s2 = 15,03 x 10-11 kg m2/s2

= 15,03 x 10-11 J

Ek = E – Eo = 3 Eo – Eo = 2 Eo = 2 x 15,03 x 10-11 J =

30,06 x 10-11 J

Ek =

14

14

BAB II

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

A. TEORI MAXWELL TENTANG TIMBULNYA GELOMBANG

ELEKTROMAGNETIK

James Clark Maxwell ( 1831 – 1875 ) adalah ilmuwan Skotlandia yang pertama

kali mengemukakan hipotesa tentang adanya hubungan antara medanlistrik dan medan

magnet. Keyakinan Maxwell ini dikemukakan pada tahun 1964 sebagai hipotesa

karena saat itu memang tidak mudah membuktikan pendapatnya ini melalui

percobaan. Didasari oleh hukum-hukum yang dikemukakan tiga pakar sebelumnya

yaitu :

1. Hukum Coulomb yang menyatakan bahwa suatu medan listrik akan

ditimbulkan di sekitar muatan listrik.

2. Selanjutnya menurut hukum Biot Savart, jika muatan listrik bergerak dengan

kecepatan tetap misalnya di dalam suatu kawat konduktor maka akan

timbullah medan magnetik yang tetap berbentuk lingkaran-lingkaran

konsentris di sekitar kawat konduktor tersebut. Jelas jika muatan listrik yang

mengalir ini berubah-ubah besarnya maka medan magnet yang

ditimbulkannya pun akan berubah-ubah besarnya. Demikian pula jika muatan

listrik bergerak dengan kecepatan yang tidak tetap, maka besarnya medan

magnet yang ditimbulkan akan berubah-ubah pula.

3. Teori faraday menyatakan bahwa jika ada medan magnetik yang berubah-ubah

maka akan dihasilkan medan listrik yang berubah-ubah pula.

Berdasarkan ketiga hukum tersebut maka Maxwell mengemukakan

pemikirannya bahwa jika medan magnetik yang berubah dapat menimbulkan medan

listrik yang berubah, maka pastilah ada kemungkinan sebaliknya yaitu medan listrik

yang berubah akan menimbulkan medan magnetik yang berubah pula. Dengan

pemikiran ini berarti teori Maxwell menyatakan bahwa ada hubungan timbal balik

yang sangat berkaitan erat antara medan magnet dan medan listrik. Keempat hal di

atas selanjutnya dirumuskan secara matematis sehingga dikenal sebagai persamaan-

persamaan Maxwell. Dalam teorinya ini Maxwell menunjukkan bahwa gelombang

elektromagnetik memenuhi keempat persamaan dasar tersebut.

15

15

Sebagai sumber medan listrik adalah muatan listrik. Jika muatan listrik ini tidak

tetap dan berubah secara sinusoidal maka medan listrik yang ditimbulkan juga akan

berubah-ubah terhadap waktu membentuk sinusoidal, demikian pula medan magnetik

yang ditimbulkan juga tidak tetap besarnya ( sinusoidal ). Perubahan medan magnetik

yang sinusoidal menimbulkan medan listrik sinusoidal, demikian proses ini

berlangsung terus saling timbal balik sehingga diperoleh proses berantai dari

pembentukan medan magnetik dan medan listrik yang merambat ke segala arah.

Karena perubahan yang merambat biasanya disebut gelombang , maka gejala ini

disebut gelombang elektromagnetik. Medan listrik E dan medan magnetik B

yang timbul ini saling tegak lurus, dan keduanya tegak lurus terhadap arah

perambatan gelombang, sehingga gelombang elektromagnetik merupakan

gelombang transversal. Gelombang elektromagnetik ini juga membawa energi dan

memberikan energi ini kepada benda-benda yang dilewatinya. Hubungan antara kuat

medan magnet B dan kuat medan listrik E oleh teori Maxwell dinyatakan sebagai

E = c B .

Satu hal lagi yang diformulasikan oleh Maxwell adalah mengenai kecepatan

gelombang elektromagnetik yang diperkirakan sebesar kecepatan cahaya c, dan

ternyata dengan menggunakan dua buah dari keempat persamaan dasar matematis

yang dirumuskannya Maxwell menemukan bahwa cepat rambat gelombang

elektromagnetik adalah sebesar c yang diperoleh dari :

c = ( 8 )

dengan

c = cepat rambat gelombang elektromagnetik ( m/s )

μo = permeabilitas magnetik dalam hampa udara = 4π x 10-7 Wb A-1 m-1

εo = permitivitas listrik dalam hampa udara = 8,85418 x 10-12 C2 N-1 m-2

dengan memasukkan nilai μo dan εo maka akan diperoleh :

c =

16

16

Dari perhitungan di atas terlihat bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik

adalah sama dengan cepat rambat cahaya yaitu sebesar c, sehingga dapat

disimpulkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Berdasar

persamaan tersebut juga dapat ditunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik terdiri

dari komponen medan magnet yang diwakili oleh sifat magnetis permeabilitas μo dan

medan listrik yang diwakili oleh permitivitas εo

Untuk membuktikan hipotesa Maxwell ini, pada tahun 1887 Heinrich Hertz

melakukan percobaan dan berhasil membangkitkan dan mendeteksi adanya

gelombang elektromagnetik. Dalam percobaannya tersebut Hertz juga dapat

menunjukkan bahwa radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dibangkitkan

mempunyai sifat-sifat gelombang cahaya yaitu interferensi, difraksi, pemantulan,

pembiasan dan polarisasi gelombang, dan Hertz juga dapat menghitung bahwa cepat

rambat gelombang elektromagnetik yang dibangkitkan ternyata tepat sama dengan

kecepatan cahaya yaitu sebesar c = 3 x 108 m/s. Dari kenyataan ini terbukti bahwa

cahaya adalah gelombang elektromagnetik dan panjang gelombang dari gelombang

elektromagnetik dirumuskan sebagai :

( 9 )

dengan :

λ = panjang gelombang elektromagnetik ( m )

f = frekuensi gelombang elektromagnetik ( Hz )

c = cepat rambat gelombang elektromagnetik = kelajuan cahaya 3 x 108 m/s

Dari percobaannya ini pula Hertz memperoleh hasil bahwa radiasi gelombang

frekuensi radio yang berhasil dibangkitkan juga memiliki sifat-sifat seperti gelombang

cahaya, yang membedakan hanya frekuensinya. Sehingga dapat disimpulkan bahwa

gelombang frekuensi radio adalah gelombang elektromagnetik juga. Lebih jauh

Maxwell dapat membuktikan bahwa ada berbagai jenis gelombang elektromagnetik

lainnya yang berbeda-beda frekuensinya tetapi kesemuanya menunjukkan sifat-sifat

gelombang cahaya.

B. SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Gelombang elektromagnetik ternyata tidak hanya berupa cahaya atau radiasi

gelombang radio saja. Ada beberapa jenis gelombang lain yang kesemuanya adalah

17

17

gelombang elektromagnetik tetapi dengan frekuensi yang berbeda-beda. Untuk setiap

rentang frekuensi yang berbeda atau panjang gelombang yang berbeda akan

mempunyai energi yang berbeda pula sehingga dapat dikategorikan pada spektrum

gelombang elektromagnetik tertentu dengan fungsi yang tertentu pula. Rentang

spekrum gelombang elektromagnetik ini sangat besar, mulai dari 101 sampai 1022 Hz

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 1 : Spektrum Gelombang Elektromagnetik.

No Daerah Frekuensi Jenis Gelombang Elektromagnetik

1 100 Hz s.d 109 Hz Gelombang radio dan TV

2 109 Hz s.d 3 x 1011 Hz Gelombang mikro ( micro wave )

3 3 x 1011 Hz s.d 4 x 1014 Hz Sinar infra merah

4 3,9 x 1014 Hz s.d 7,8 x 1014 Hz Cahaya tampak, terdiri dari warna-

warna ( mulai frekuensi rendah ):

- merah

- jingga

- kuning

- hijau

- biru

- ungu

5 8 x 1014 Hz s.d 3 x 1017 Hz Sinar ultraviolet

6 5 x 1017 Hz s.d 3 x 1020 Hz Sinar X

7 1020 Hz s.d 1025 Hz Sinar gamma

18

18

C. APLIKASI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM KEHIDUPAN

SEHARI-HARI.

1. GELOMBANG RADIO

Gelombang radio biasanya dihasilkan oleh muatan-muatan listrik yang dipercepat

melalui konduktor-konduktor dan muatan tersebut dibangkitkan oleh suatu rangkaian

elektronik yang disebut osilator. Gelombang radio ini akan dipancarkan melalui

antenna dan akan diterima oleh antenna pula. Gelombang radio ini dikelompokkan

menurut frekuensinya atau menurut panjang gelombangnya dan mempunyai

penggunaan yang berbeda-beda seperti yang terangkum pada tabel 2 berikut :

Tabel 2 : Pengelompokan Gelombang Radio Sesuai Penggunaannya

No Lebar frekuensi Panjang Gelombang Penggunaan

1 30 kHz – 300 kHz

( Low Freq )

1500 m ( long wave ) Komunikasi jarak jauh

dengan radio gelombang

panjang

2 300 kHz – 3 MHz

( Medium Freq )

300 m ( medium wave ) Radio jarak jauh dan

gelombang medium local

3 3 MHz – 30 MHz

( High Freq )

30 m ( short wave ) Komunikasi radio amatir,

CB, radio gelombang

pendek

4 30 MHz – 300 MHz

( Very High Freq )

3 m ( very short wave ) Radio FM, polisi dan

pelayanan darurat

5 300 MHz – 3 GHz

Ultra High Freq )

30 cm ( ultra short

wave )

TV

2. GELOMBANG MIKRO ( MICRO WAVE )

Gelombang mikro mempunyai daerah frekuensi di atas 3 GHz atau disebut

Super High Frequence dengan panjang gelombang sekitar 3 cm sehingga disebut

gelombang pendek atau micro wave. Sifat dari gelombang mikro ini jika diserap oleh

benda maka akan menimbulkan efek pemanasan pada benda tersebut. Karena itu

gelombang mikro ini sekarang dimanfaatkan dalam rumah tangga sebagai oven micro

19

19

wave yang mampu memasak makanan dalam waktu yang singkat sehingga praktis dan

ekonomis.

Selain itu, karena panjang gelombangnya yang hanya beberapa sentimeter maka

gelombang mikro akan dengan mudah dipantulkan oleh benda-benda dengan ukuran

yang jauh lebih besar atau yang seukuran dengan panjang gelombang ini. Dengan

memanfaatkan sifat pemantulan ini maka gelombang mikro dipergunakan sebagai alat

pendeteksi dan pencari jejak/ lokasi sebuah benda atau biasa dikenal sebagai RADAR

(Radio Detection and Ranging ) yang selalu dibutuhkan pada sistem navigasi.

Gelombang mikro juga dipergunakan dalam rangkaian televisi tertutup untuk

mengirim sistem audio-video dari kendaraan-kendaraan penyiar yang berada di

lapangan ke studio atau untuk siaran langsung. Selain itu juga digunakan untuk

komunikasi satelit, telepon dan sebagainya.

3. SINAR INFRA MERAH

Gelombang infra merah dihasilkan oleh elektron-elektron dalam molekul-

molekul yang bergetar karena benda dipanaskan, sehingga setiap benda panas pasti

memancarkan sinar infra merah. Penggunaan gelombang ini banyak dipergunakan di

industri, untuk penentuan struktur molekul, dalam astronomi, pemotretan bumi, untuk

diagnonis kesehatan juga dipakai untuk mengeringkan cat mobil pada industri mobil.

Penggunaan yang paling marak akhir-akhir ini adalah sebagai pengendali jarak

jauh (remote control ) untuk mengendalikan peralatan-peralatan elektronik seperti

televisi, AC ( Air Conditioning ), atau bahkan sebagai pengendali pintu mobil, pagar

halaman dan sebagainya.

4. SINAR X ( SINAR RONTGEN )

Sinar X pertama kali diketemukan oleh Wilhelm K. Rontgen ( 1845 – 1923 )

pada bulan November tahun 1895 ketika sedang mempelajari sinar katoda. Sinar ini

dihasilkan oleh elektron-elektron yang terletak di bagian dalam kulit elektron atom.

Selain itu sinar X juga akan dipancarkan jika electron dengan kecepatan yang tinggi

ditumbukkan pada logam. Cara inilah yang digunakan pada tabung sinar X yang

merupakan sumber sinar X yang dipergunakan sehari-hari.

Sinar X mempunyai daya tembus yang kuat, tetapi daya tembusnya juga

bergantung pada jenis bahan yang ditembusnya. Misalnya sinar X mampu menembus

20

20

buku tebal, kayu setebal beberapa sentimeter dan pelat aluminimum setebal 1

sentimeter, tetapi samasekali tidak mampu menembus timbal, tembaga dan lapisan

besi. Sinar X dapat menimbulkan akibat drastis pada atom atau molekul bahan yang

ditembusnya seperti disosiasi atau ionisasi. Pada umumnya sinar X dipergunakan pada

diagnosa kedokteran karena absorbsi oleh tulang lebih besar daripada jaringan lunak,

sehingga dapat memberikan gambaran yang agak terang tentang bentuk tulang di

dalam badan. selain itu sinar X juga lazim digunakan untuk analisa struktur bahan.

21

21

BAB III

MODEL ATOM

A. MODEL ATOM DALTON

Pada tahun 1803, John Dalton mengemukakan pendapatnaya tentang atom. Teori

atom Dalton didasarkan pada dua hukum, yaitu hukum kekekalan massa (hukum

Lavoisier) dan hukum susunan tetap (hukum prouts). Lavosier menyatakan bahwa

"Massa total zat-zat sebelum reaksi akan selalu sama dengan massa total zat-zat hasil

reaksi". Sedangkan Prouts menyatakan bahwa "Perbandingan massa unsur-unsur

dalam suatu senyawa selalu tetap". Dari kedua hukum tersebut Dalton mengemukakan

pendapatnya tentang atom sebagai berikut:

Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi lagi

Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-

atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda

Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat

dan sederhana. Misalnya air terdiri atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen

Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari

atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Hipotesa Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti pada

tolak peluru. Seperti gambar berikut ini:

B. MODEL ATOM THOMSON

Sir Joseph John Thomson atau lebih dikenal sebagai J.J Thomson (1856-1940)

seorang Fisikawan Inggris telah berhasil memperoleh hadiah Nobel Fisika pada tahun

1906 atas penemuan elektron. Dalam penelitiannya dia mempelajari bahwa tabung

katoda pada kondisi vakum parsial (hampir vakum) yang diberi tegangan tinggi akan

22

22

mengeluarkan “berkas sinar” dimana Thomson menyebut sinar ini sebagai “berkas

sinar katoda” disebabkan berkas sinar ini berasal dari katoda (elektroda negative).

Berkas sinar katoda ini apabila didekatkan dengan medan listrik negative maka

akan dibelokan (berkas sinar katoda ini tertolak oleh medan negative), berdasarkan hal

ini maka Thomson menyatakan bahwa berkas sinar katoda itu adalah partikel-partikel

yang bermuatan negative yang ia sebut sebagai “corpuscle”.

Dia juga meyakini bahwa corpuscle itu berasal dari atom-atom logam yang

dipakai sebagai elektroda pada tabung katoda. Dengan menggunakan jenis logam

yang berbeda-beda sebagai elektroda yang dia gunakan pada tabung katoda maka

percobaan Thomson tetap menghasilkan berkas sinar katoda yang sama.

Akhirnya Thomson menyimpulkan bahwa setiap atom pasti tersusun atas

corpuscle. Corpuscle yang ditemukan oleh Thomson ini kemudian disebut sebagai

“electron” oleh G. Johnstone Stoney. Dari asumsi tersebut dia akhirnya meyakini

bahwa atom sebenarnya tidak berbentuk masiv (berbentuk bulatan yang pejal) akan

tetapi tersusun atas komponen-komponen penyususn atom.

Di alam atom berada dalam keadaan yang stabil dan memiliki muatan yang

netral, dengan demikian Thomson lebih lanjut mengasumsikan bahwa didalam atom

itu sendiri pasti terdapat bagian yang bermuatan positif. Dari asumsi tersebut maka

Thomson mengajukan struktur atom sebagai bulatan awan bermuatan posistif dengan

elektron yang terdistribusi random di dalamnya. (lihat gambar)

Model atom Thomson ini lebih dikenal sebagai “plum pudding model” atau dalam

bahasa Indonesia dikenal sebagai “model roti kismis”. Untuk memudahkan

membayangkan model atom ini maka Anda harus membayangkan sebuah roti dalam

bentuk bola yang didalamnya terdapat kismis yang menyebar merata secara random.

23

23

Kelebihan dan Kelemahan Model Atom Thomson

Kelebihan

Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom

bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.

Kelemahan

Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif

dalam bola atom tersebut.

C. MODEL ATOM RUTHERFORD

Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners

Masreden)melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ)

terhadap lempeng tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu

partikel yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga

dapat menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk

menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal

yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Dari

pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada

lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada

penyimpangan sudut kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan Marsden diperoleh fakta

bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan lebih.

Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesipulan beberapa

berikut:

Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan

Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisanatom-atom emas, maka

didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif.

Partikel tersebut merupakan partikelyang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta

bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000

merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira

10.000 lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan.

24

24

Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford

mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang

menyatakan bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan

positif, dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif. Rutherford menduga bahwa

didalam inti atom terdapat partikel netral yang berfungsi mengikat partikel-partikel

positif agar tidak saling tolak menolak.

Model atom Rutherford dapat digambarkan sebagai beriukut:

Kelebihan

Membuat hipotesa bahwa atom tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilingi

inti

Kelemahan

Tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom.

Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengitari inti ini disertai pemancaran

energi sehingga lama - kelamaan energi elektron akan berkurang dan lintasannya

makin lama akan mendekati inti dan jatuh ke dalam inti Ambilah seutas tali dan salah

satu ujungnya Anda ikatkan sepotong kayu sedangkan ujung yang lain Anda pegang.

Putarkan tali tersebut di atas kepala Anda. Apa yang terjadi? Benar. Lama kelamaan

putarannya akan pelan dan akan mengenai kepala Anda karena putarannya lemah dan

Anda pegal memegang tali tersebut. Karena Rutherford adalah telah dikenalkan

lintasan/kedudukan elektron yang nanti disebut dengan kulit.

25

25

D. MODEL ATOM NIELS BOHR

Pada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki

kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen.

Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati

daerah disekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen melibatkan

gabungan antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Planck,

diungkapkan dengan empat postulat, sebagai berikut:

- Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu elektron

dalam atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner

(menetap) elektron dan merupakan lintasan melingkar disekeliling inti.

- Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap

sehingga tidak ada energi dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun

diserap.

- Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan

stasioner lain. Pada peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat, besarnya

sesuai dengan persamaan planck, ΔE = hv.

Lintasan stasioner yang dibolehkan memilki besaran dengan sifat-sifat tertentu,

terutama sifat yang disebut momentum sudut. Besarnya momentum sudut merupakan

kelipatan dari h/2∏ atau nh/2∏, dengan n adalah bilangan bulat dan h tetapan planck.

Menurut model atom bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasan-

lintasan tertentu yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Tingkat energi paling

rendah adalah kulit elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar

nomor kulitnya dan semakin tinggi tingkat energinya.

26

26

Berdasarkan model atom Rutherford dan teori kuantum, Neils Bohr mengemukakan

teorinya:

Elektron hanya dapat mengelilingi inti atom melalui lintasan-lintasan tertentu saja,

tanpa membebaskan energi. Masing-masing lintasan hanya dapat dilalui elektron yang

memiliki momentum anguler kelipatan bulat dari h/2p.

m . v . r = n . h/2p

Elektron akan mengalami eksitasi (pindah ke lintasan yang lebih tinggi) atau ionisasi

jika menyerap energi, dan transisi ke lintasan yang lebih rendah jika memancarkan

energi foton.

Jari-jari lintasan elektron:

rn = 5.28 x 10-11 n2 meter

n = 1, 2, 3, .............. = bilangan kuantum utama

Tingkat-tingkat energi (energi kulit ke-n):

En = - (k e2/2 r n2)= (-13.6/n2) ev

1 eV= 1.6 x 10-19 joule

27

27

Kelemahan Model Atom Bohr:

Tidak dapat menerangkan atom berelektron banyak

Tidak dapat menerangkan pengaruh medan magnet terhadap spektrum atom

(kelemahan ini dapat diperbaiki oleh Zeeman, yaitu setiap garis pada spektrum

memiliki intensitas dan panjang gelombang yang berbeda)

Tidak dapat menerangkan kejadian ikatan kimia

E.SPEKTRUM ATOM HIDROGEN (SPEKTRUM GARIS)

Menurut Neils Bohr :

1/l = R [ (1/nA2) - (1/nB2) ]

DE = EB - EA = h . c/l

EB = energi pada kulit n

EA = energi pada kulit nA

R = konstanta Rydberg = 1.097 x 107 m-1

DE = energi yang diserap/dipancarkan pada saat elektron pindah

28

28

Gambar . Model Atom Hidrogen.

I.Deret Lyman

terletak pada daerah ultra ungu

nA = 1 ; nB = 2, 3, 4, .......

II.Deret Balmer

terletak pada daerah cahaya tampak

nA = 2 ; nB = 3, 4, 5. ... ...

III.Deret Paschen

terletak pada daerah infra merah 1

nA=3 ; nB = 4, 5, 6,.....

29

29

IV.Deret Bracket

terletak pada daerah infra merah 2

nA = 4 ; nB = 5, 6, 7,.......

V.Deret Pfund

terletak pada daerah infra merah 3

nA = 5 ; nB = 6, 7, 8, ...

F.LUCUTAN GAS

Lucutan gas adalah peristiwa mengalirnya muatan listrik di dalam tabung lucutan

gas (tabung Crookes) pada tekanan gas sangat kecil ® menghasilkan berkas sinar

katoda

PERBANDINGAN MASSA DAN MUATAN ELEKTRON (e/m)

Dihitung oleh JJ Thomson:

e/m= 1,7588 x 1011 coul/kg

R.A. Milikan menghitung besarnya muatan elektron:

e = 1,6021 x 10-19 coulomb

Sehingga massa elektron dapat ditentukan:

me = 9,1091 x 10-31

Kelebihan

Bahwa atom ini terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya electron

Kelebihan

Tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack

30

30

BAB IV

SIFAT CAHAYA

A. DUALISME CAHAYA

"Cahaya dapat bersifat sebagai gelombang dan dapat juga bersifat sebagai materi

(partikel)".

Cahaya dapat didefinisikan dalam dua pengertian yaitu :

- Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata

dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm.[1] Pada bidang fisika, cahaya

adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata

maupun yang tidak.

- Cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.

Kedua definisi di atas adalah sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan

sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum

kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang

studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada

fisika modern.

Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang

mempelajari besaran optik seperti: intensitas, frekuensi atau panjang gelombang,

polarisasi dan fasa cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar

dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan refraksi, dan

pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi.

Masing-masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris

(en:geometrical optics) dan optika fisis (en:physical optics).

Pada puncak optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang

elektromagnetik dan memicu serangkaian penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838

oleh Michael Faraday dengan penemuan sinar katoda, tahun 1859 dengan teori radiasi

massa hitam oleh Gustav Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig Boltzmann mengatakan

bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantum sebagai model

dari teori radiasi massa hitam oleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa

bahwa energi yang teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang

disebut elemen energi, E. Pada tahun 1905, Albert Einstein membuat percobaan efek

fotoelektrik, cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk melejit keluar

31

31

dari orbitnya. Pada pada tahun 1924 percobaan oleh Louis de Broglie menunjukkan

elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang, hingga tercetus teori dualitas

partikel-gelombang. Albert Einstein kemudian pada tahun 1926 membuat postulat

berdasarkan efek fotolistrik, bahwa cahaya tersusun dari kuanta yang disebut foton

yang mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert Einstein dan Max Planck

mendapatkan penghargaan Nobel masing-masing pada tahun 1921 dan 1918 dan

menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh banyak ilmuwan,

termasuk Werner Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von

Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert, Roy J. Glauber dan lain-lain.

Era ini kemudian disebut era optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai

dualisme gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut

foton. Pengembangan lebih lanjut terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya sinar

maser, dan sinar laser pada tahun 1960.

Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi

memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang lain yaitu difusi dan hamburan.

B.RADIASI BENDA HITAM

Hipotesis Planck

Berdasarkan percobaan terhadap energi radiasi benda hitam, Max Planck membuat

hipotesis:

"Radiasi hanya dipancarkan (atau diserap) dalam bentuk satuan-satuan/kuantum

energi disebut foton yang besarnya berbanding lurus dengan frekuensi radiasi".

Energi total foton (masa foton = 0):

E = n . h . f = n . h . c/l

E = energi radiasi (joule)

h = konstanta Planck = 6.62 x 10-34 J.det

f = frekuensi radiasi (Hz)

l = panjang gelombang radiasi (m)

n = jumlah foton, jadi energi cahaya adalah terkuantisasi

32

32

Jadi dapat disimpulkan dari hipotesis Planck, bahwa cahaya adalah partikel sedangkan

Maxwell menyatakan bahwa cahaya adalah gelombang, disebut dualisme cahaya.

C. EFEK FOTOLISTRIK

Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat

(logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi

lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam. Efek fotolistrik ini ditemukan

oleh Albert Einstein, yang menganggap bahwa cahaya (foton) yang mengenai logam

bersifat sebagai partikel.

Energi kinetik foto elektron yang terlepas:

Ek = h f - h fo

Ek maks = e Voh f = energi foton yang menyinari logam

h fo = Fo frekuensi ambang = fungsi kerja

= energi minimum untuk melepas elektron

e = muatan elektron = 1.6 x 10-19C

Vo = potensial penghenti

Proses kebalikan foto listrik adalah proses pembentukan sinar X yaitu proses

perubahan energi kinetik elektron yang bergerak menjadi gelombang elektromagnetik

(disebut juga proses Bremmsstrahlung).

Kesimpulan:

Agar elektron dapat lepas dari permukaan logam maka f > fo atau l < lo

Ek maksimum elektron yang terlepas tidak tergantung pada intensitas cahaya yang

digunakan, hanya tergantung pada energi atau frekuensi cahaya. Tetapi intensitas

cahaya yang datang sebanding dengan jumlah elektron yang terlepas dari logam.

33

33

D.EFEK COMPTON

Konsep foton dikembangkan oleh Compton, yang menunjukkan bahwa foton memiliki

momentum (p) yang besarnya:

p = E/c - h f/c = h/l

Hal ini menunjukkan bahwa foton dapat berkelakuan sebagai partikel (materi), dengan

massa (m):

m = p/c karena m = E/c² = hf/c² = h/c l

Pada gejala Compton,foton (sinar X) yang menumbuk elektron atom suatu zat

dihamburkan dengan panjang gelombang lebih besar.

Selisih panjang gelombang foton yang dihamburkan:

l' - l = h/moc (1 - cos q)

34

34

BAB V

SIFAT GELOMBANG DARI PARTIKEL

A.HIPOTESIS de BROGLIE

Louis de Broglie mengemukakan hipotesis:

- “Cahaya selain memiliki sifat sebagai partikel, juga memiliki sifat sebagai

gelombang".

Panjang gelombang de Broglie:

ldB = h/m v = h/p

h = konstanta Planck

m = massa partikel

v = kecepatan partikel

B. PRINSIP KETIDAKPASTIAN HEISENBERG

Prinsip ini dikemukakan oleh Heisenberg, karena adanya sifat dualisme cahaya.

- "Pengukuran posisi dan momentum partikel secara serentak, selalu

menghasilkan ketidakpastian yang lebih besar dari konstanta Planck".

Dx . Dp = h

Dx = ketidakpastian posisi partikel

Dp = ketidakpastian momentum partikel

Contoh:

Tentukan panjang gelombang sinar elektron pada mikroskop elektron !

Jawab:

Elektron bergerak di dalam beda potensial mikroskop elektron, sehingga:

35

35

Ek = Elistrik

½ m v² = e Vo ® v = Ö(2 e Vo / m)

Panjang gelombang elektron (partikel) yang bergerak mengikuti rumusan de Broglie,

yaitu:

l = h/mv = h/Ö(2 e m Vo)

Jadi panjang gelombang elektron di dalam mikroskop elektron berbanding terbalik

dengan akar tegangan (Ö(Vo) yang dipakai..

C.MODEL ATOM MODERN

Model atom mekanika kuantum dikembangkan oleh Erwin Schrodinger

(1926).Sebelum Erwin Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg

mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian

yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara

seksama pada saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian

menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti atom”.

Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan elektron

disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin

Schrodinger.Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan

fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron

dalam tiga dimensi.

Persamaan Schrodinger

x,y dan z = Posisi dalam tiga dimensi

Y = Fungsi gelombang

m = massa

36

36

ђ = h/2p dimana h = konstanta plank dan p = 3,14

E = Energi total

V = Energi potensial

Model atom dengan orbital lintasan elektron ini disebut model atom modern atau

model atom mekanika kuantum yang berlaku sampai saat ini, seperti terlihat pada

gambar berikut ini.

Model atom mutakhir atau model atom mekanika gelombang

Awan elektron disekitar inti menunjukan tempat kebolehjadian elektron. Orbital

menggambarkan tingkat energi elektron. Orbital-orbital dengan tingkat energi yang

sama atau hampir sama akan membentuk sub kulit. Beberapa sub kulit bergabung

membentuk kulit.Dengan demikian kulit terdiri dari beberapa sub kulit dan subkulit

terdiri dari beberapa orbital. Walaupun posisi kulitnya sama tetapi posisi orbitalnya

belum tentu sama.

D.CIRI KHAS MODEL ATOM MEKANIKA GELOMBANG

Gerakan elektron memiliki sifat gelombang, sehingga lintasannya (orbitnya) tidak

stasioner seperti model Bohr, tetapi mengikuti penyelesaian kuadrat fungsi gelombang

yang disebut orbital (bentuk tiga dimensi darikebolehjadian paling besar

ditemukannya elektron dengan keadaan tertentu dalam suatu atom)

Bentuk dan ukuran orbital bergantung pada harga dari ketiga bilangan kuantumnya.

(Elektron yang menempati orbital dinyatakan dalam bilangan kuantum tersebut)

Posisi elektron sejauh 0,529 Amstrong dari inti H menurut Bohr bukannya sesuatu

yang pasti, tetapi bolehjadi merupakan peluang terbesar ditemukannya elektron

Kelemahan Model Atom Modern

37

37

Persamaan gelombang Schrodinger hanya dapat diterapkan secara eksak untuk

partikel dalam kotak dan atom dengan elektron tunggal

38

38

BAB VI

MEKANIKA KUANTUM

Mekanika kuantum adalah cabang dasar fisika yang menggantikan mekanika

klasik pada tataran atom dan subatom. Ilmu ini memberikan kerangka matematika

untuk berbagai cabang fisika dan kimia, termasuk fisika atom, fisika molekular, kimia

komputasi, kimia kuantum, fisika partikel, dan fisika nuklir. Mekanika kuantum

adalah bagian dari teori medan kuantum dan fisika kuantum umumnya, yang, bersama

relativitas umum, merupakan salah satu pilar fisika modern. Dasar dari mekanika

kuantum adalah bahwa energi itu tidak kontinyu, tapi diskrit -- berupa 'paket' atau

'kuanta'. Konsep ini cukup revolusioner, karena bertentangan dengan fisika klasik

yang berasumsi bahwa energi itu berkesinambungan.

A.SEJARAH

Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-

bagi menjadi beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus digunakan untuk

menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam. Pada tahun

1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan menyimpulkan bahwa

energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton. Pada tahun 1913, Niels

Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom hidrogen, lagi dengan menggunakan

kuantisasi. Pada tahun 1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang

gelombang benda.

Teori-teori di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal: tidak ada

penjelasan jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal sebagai teori kuantum lama.Frase

"Fisika kuantum" pertama kali digunakan oleh Johnston dalam tulisannya Planck's

Universe in Light of Modern Physics (Alam Planck dalam cahaya Fisika Modern).

Mekanika kuantum modern lahir pada tahun 1925, ketika Werner Karl Heisenberg

mengembangkan mekanika matriks dan Erwin Schrödinger menemukan mekanika

gelombang dan persamaan Schrödinger. Schrödinger beberapa kali menunjukkan

bahwa kedua pendekatan tersebut sama.

Heisenberg merumuskan prinsip ketidakpastiannya pada tahun 1927, dan

interpretasi Kopenhagen terbentuk dalam waktu yang hampir bersamaan. Pada 1927,

Paul Dirac menggabungkan mekanika kuantum dengan relativitas khusus. Dia juga

39

39

membuka penggunaan teori operator, termasuk notasi bra-ket yang berpengaruh. Pada

tahun 1932, Neumann Janos merumuskan dasar matematika yang kuat untuk

mekanika kuantum sebagai teori operator.

Bidang kimia kuantum dibuka oleh Walter Heitler dan Fritz London, yang

mempublikasikan penelitian ikatan kovalen dari molekul hidrogen pada tahun 1927.

Kimia kuantum beberapa kali dikembangkan oleh pekerja dalam jumlah besar,

termasuk kimiawan Amerika Linus Pauling.

Berawal pada 1927, percobaan dimulai untuk menggunakan mekanika kuantum

ke dalam bidang di luar partikel satuan, yang menghasilkan teori medan kuantum.

Pekerja awal dalam bidang ini termasuk Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf dan

Pascaul Jordan. Bidang riset area ini dikembangkan dalam formulasi elektrodinamika

kuantum oleh Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, dan Tomonaga

Shin'ichirō pada tahun 1940-an. Elektrodinamika kuantum adalah teori kuantum

elektron, positron, dan Medan elektromagnetik, dan berlaku sebagai contoh untuk

teori kuantum berikutnya.

Interpretasi banyak dunia diformulasikan oleh Hugh Everett pada tahun 1956.

Teori Kromodinamika kuantum diformulasikan pada awal 1960an. Teori yang kita

kenal sekarang ini diformulasikan oleh Polizter, Gross and Wilzcek pada tahun 1975.

Pengembangan awal oleh Schwinger, Peter Higgs, Goldstone dan lain-lain. Sheldon

Lee Glashow, Steven Weinberg dan Abdus Salam menunjukan secara independen

bagaimana gaya nuklir lemah dan elektrodinamika kuantum dapat digabungkan

menjadi satu gaya lemah elektro.

40

40

DAFTAR PUSTAKA

Beiser, Arthur. 1990. Konsep Fisika Modern. Edisi keempat. Terjemahan The Houw Liong. Jakarta : Erlangga. .

Bueche, J. Frederick. 1989. Fisika. Edisi kedelapan. Terjemahan Darmawan, B Jakarta : Erlangga.

Brotosiswojo, B. S. 2000. Hakikat Pembelajaran Fisika di Perguruan Tinggi. Proyek Pengembangan Universitas Terbuka Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Depdiknas.

Depdikbud. 1990. Kurikulum Pendidikan MIPA LPTK Program Strata1 (S1). Jakarta : Depdikbud.

Gerry van Klinken. 1991. Pengantar Fisika Modern. Semarang : Satya Wacana.

Halliday & Resnick. 1990. Fisika Modern. Edisi ketiga. Jakarta : Erlangga.

Hartono. 2006. Pembelajaran Fisika Modern Bagi Mahasiswa Calon Guru. Disertasi S3. Bandung : PPS UPI. Tidak dipublikasikan.

Krane, K.S. 1992. Fisika Modern. Terjemahan Hans J.Wospakrik. Jakarta : UI-Press.

Marthen Kanginan. 2003. Fisika 2000. Jilid 3B. Jakarta : Erlangga.

McDermott, L.C., Shaffer, P.S., and Constantinous, C.P. 2000. "Preparing teachers to teach physics and physical science by inquiry". Physics Education 35 (6) November 2000.

McDermott, L.C. 1990. " Perspective on tescher preparation in physics and other sciences : The need for special science courses for teachers", The American Journal of Physics Volume 58. Number 8, August 1990. McEvoy, J.P., Zarate, Oscar. 2000. Mengenal Teori Kuantum For Beginners. Terjemahan Ahmad Baiquni. Bandung : Mizan.

Reif, F . 1995. " Millikan Lecture 1994 : Understanding and teaching important scientific thought processes". American Journal Physics, Volume 63. Number 1. January 1995.

Supangkat, H. 1991. Fisika Modern. Bandung : ITB.

Sutrisno. 1979. Fisika Dasar : Gelombang dan Optik. Bandung : ITB

--------. 1979. Fisika Dasar : Fisika Modern. Bandung : ITB

Yohanes Surya. 1996. Olimpiade Fisika. Jakarta : Primatika Cipta Ilmu

41

41

42

42