1

FISIKA MODERNFISIKA MODERN

Staf Pengajar FisikaStaf Pengajar Fisika

Departemen Fisika, FMIPA, IPBDepartemen Fisika, FMIPA, IPB

http://bima.ipb.ac.id/~tpb-ipb/http://bima.ipb.ac.id/~tpb-ipb/materimateri

2

MANFAAT KULIAHMANFAAT KULIAH

Memberikan pemahaman tentang Memberikan pemahaman tentang fenomena alam yang tidak dapat fenomena alam yang tidak dapat dijelaskan melalui fisika klasikdijelaskan melalui fisika klasik Fenomena alam yang berkaitan dengan Fenomena alam yang berkaitan dengan

kecepatan yang sangat tinggikecepatan yang sangat tinggi Fenomena alam yang berkaitan dengan Fenomena alam yang berkaitan dengan

kelakuan cahaya dan partikel yang kelakuan cahaya dan partikel yang sangat kecil (ukuran mikron dan yang sangat kecil (ukuran mikron dan yang lebih kecil dari itu)lebih kecil dari itu)

3

TUJUAN INSTRUKSIONALTUJUAN INSTRUKSIONAL

Setelah mengikuti kuliah ini Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa diharapkan dapat mahasiswa diharapkan dapat menjelaskan berbagai fenomena menjelaskan berbagai fenomena alam (yang berkaitan dengan alam (yang berkaitan dengan kecepatan yang sangat tinggi dan kecepatan yang sangat tinggi dan fenomena alam yang berkaitan fenomena alam yang berkaitan dengan sifat cahaya dan partikel dengan sifat cahaya dan partikel dengan ukuran sangat kecil) melalui dengan ukuran sangat kecil) melalui teori fisika modernteori fisika modern

4

POSTULAT RELATIVITAS KHUSUSPOSTULAT RELATIVITAS KHUSUS

o

A vA

Secara klasik: vB = vBA + vA

Berlaku juga untuk penjalaran gelombang mekanik yang menjalar dalam medium yang bergerak:

w = u + v

v : kecepatan gelombang dalam mediumu : kecepatan medium terhadap pengamatw : kecepatan gel. terhadap pengamat

vBAB

5

Penjalaran Gelombang Mekanik dalam Penjalaran Gelombang Mekanik dalam Medium yang BergerakMedium yang Bergerak

pemantul

pemantul

Sumber gelombang

Detektor

u

Kedatangan pulsa gelombang tidak bersamaan

6

Penjalaran Gelombang Mekanik dalam Penjalaran Gelombang Mekanik dalam Medium yang BergerakMedium yang Bergerak

pemantul

pemantul

Sumber gelombang

Detektor

u

Kedatangan pulsa gelombang tidak bersamaan

7

Percobaan Michelson-MorleyPercobaan Michelson-Morley

Cermin

Cermin

Setengah cermin

Sumber cahaya

Layar

u

Kedatangan kedua pulsa cahaya di layar bersamaan!!!

8

POSTULAT RELATIVITAS KHUSUSPOSTULAT RELATIVITAS KHUSUS

Hasil percobaan Michelson-Morley tidak dapat Hasil percobaan Michelson-Morley tidak dapat dijelaskan melalui Fisika Klasik. Maka Einstein dijelaskan melalui Fisika Klasik. Maka Einstein mengemukakan dua postulat relativitas khusus: mengemukakan dua postulat relativitas khusus:

Prinsip relativitas: hukum fisika dapat Prinsip relativitas: hukum fisika dapat dinyatakan dalam persamaan yang berbentuk dinyatakan dalam persamaan yang berbentuk sama dalam semua kerangka inersial, yaitu sama dalam semua kerangka inersial, yaitu kerangka-kerangka yang bergerak dengan kerangka-kerangka yang bergerak dengan kecepatan tetap sama lainkecepatan tetap sama lain

Kelajuan cahaya dalam ruang hampa sama Kelajuan cahaya dalam ruang hampa sama besar untuk semua pengamat dan tidak besar untuk semua pengamat dan tidak tergantung pada gerak pengamattergantung pada gerak pengamat

9

Konsekuensi dari Postulat Relativitas KhususKonsekuensi dari Postulat Relativitas Khusus

Pemuaian waktu: selang waktu yang Pemuaian waktu: selang waktu yang diamati oleh pengamat yang bergerak diamati oleh pengamat yang bergerak terhadap kejadian lebih besar terhadap kejadian lebih besar dibandingkan yang diamati pengamat dibandingkan yang diamati pengamat yang diam terhadap kejadianyang diam terhadap kejadian

Pengerutan panjang: panjang benda Pengerutan panjang: panjang benda yang diamati oleh pengamat yang yang diamati oleh pengamat yang bergerak terhadap benda tsb lebih bergerak terhadap benda tsb lebih kecil dibandingkan yang diamati oleh kecil dibandingkan yang diamati oleh orang yang diam terhadap benda orang yang diam terhadap benda tersebuttersebut

2

2

0

1cv

tt

2

2

0 1c

vLL

Contoh Soal: Jarak antara dua titik A dan B di permukaan bumi Contoh Soal: Jarak antara dua titik A dan B di permukaan bumi adalah 600 km. Sebuah pesawat super cepat bergerak dengan adalah 600 km. Sebuah pesawat super cepat bergerak dengan kelajuan 0,8 c melintasi kedua titik tersebut. (a) Tentukan jarak A ke kelajuan 0,8 c melintasi kedua titik tersebut. (a) Tentukan jarak A ke B menurut pilot pesawat. Tentukan waktu yang diperlukan pesawat B menurut pilot pesawat. Tentukan waktu yang diperlukan pesawat untuk melintasi kedua titik tersebut (b) menurut orang di bumi dan untuk melintasi kedua titik tersebut (b) menurut orang di bumi dan (c) menurut pilot pesawat.(c) menurut pilot pesawat.Jawab: (a) 360 km; (b) 2,5 x 10Jawab: (a) 360 km; (b) 2,5 x 10-3-3 s; (c) 1,5 x 10 s; (c) 1,5 x 10-3-3 s s

10

Penjumlahan KecepatanPenjumlahan Kecepatan

o

A vA

vBAB 21

c

vvvv

vABA

ABAB

Contoh: Sebuah kereta bergerak dengan kelajuan 18 m/s sementara di dalam kereta seorang kondektur berjalan dengan kelajuan 1 m/s. Apakah rumus penjumlahan kecepatan relativistik berlaku untuk persoalan ini? Jelaskan jawaban anda.

Contoh: Sebuah roket bergerak dengan kelajuan 0,8c menuju bumi. Kemudian roket mengirimkan sinyal elektromagnetik ke arah bumi. Tunjukkan melalui rumus penjumlahan relativistik bahwa kelajuan sinyal tersebut bagi orang dibumi adalah c juga.

11

Kesetaraan Massa dengan EnergiKesetaraan Massa dengan Energi

Massa relativistik: benda yang Massa relativistik: benda yang bergerak mempunyai massa bergerak mempunyai massa yang lebih besar dibandingkan yang lebih besar dibandingkan jika dia diam jika dia diam

Kesetaraan massa-energi: Kesetaraan massa-energi: 2mcE

2

2

0

1c

v

mm

Contoh soal: Apakah massa 1 mol es sama dengan massa 1 mol air? Jelaskan jawaban anda!

Tentukan energi total yang terkandung dalam sebongkah batu yang massa diamnya 1 kg jika dia bergerak dengan kelajuan 0,6 c

(Jawab: 1,125 x 1017 J)

12

Radiasi Benda HitamRadiasi Benda Hitam

Wien dengan model fungsi tebakannya (kurva merah) mendapatkan Wien dengan model fungsi tebakannya (kurva merah) mendapatkan hasil sesuai dengan untuk panjang-gelombang kecil (frekuensi hasil sesuai dengan untuk panjang-gelombang kecil (frekuensi tinggi)tinggi)

Rayleigh & Jeans dengan model fisika klasik (kurva kuning) Rayleigh & Jeans dengan model fisika klasik (kurva kuning) mendapatkan hasil sesuai dengan panjang- gelombang besar mendapatkan hasil sesuai dengan panjang- gelombang besar (frekuensi rendah). Hasil ini disebut bencana ultraviolet(frekuensi rendah). Hasil ini disebut bencana ultraviolet

Planck (1900) menemukan rumus dengan menginterpolasikan Planck (1900) menemukan rumus dengan menginterpolasikan rumus Wien dan rumus Rayleigh-Jeans dengan mengasumsikan rumus Wien dan rumus Rayleigh-Jeans dengan mengasumsikan bahwa terbentuknya radiasi benda hitam adalah dalam paket-paket bahwa terbentuknya radiasi benda hitam adalah dalam paket-paket dengan energi per paket : dengan energi per paket :

E = hfE = hf

panjang gelombang

ra

pa

t e

ne

rg

i

Eksperimen

Wien

Rayleigh-Jeans

13

EFEK FOTOLISTRIKEFEK FOTOLISTRIK

Jika logam mengkilat di iradiasi, dia akan memancarkan elektronJika logam mengkilat di iradiasi, dia akan memancarkan elektron Ada frekuensi ambang yang bervariasi dari satu logam ke logam Ada frekuensi ambang yang bervariasi dari satu logam ke logam

yang lain: hanya cahaya dengan frekuensi lebih besar dari yang lain: hanya cahaya dengan frekuensi lebih besar dari frekuensi ambang yang akan menghasilkan arus elektron fotofrekuensi ambang yang akan menghasilkan arus elektron foto

Einstein: Efek fotolistrik merupakan peristiwa tumbukan antara Einstein: Efek fotolistrik merupakan peristiwa tumbukan antara partikel radiasi e.m. (foton) dengan elektron.partikel radiasi e.m. (foton) dengan elektron.

Energi Kinetik Maksimum elektron yang terlepas: Energi Kinetik Maksimum elektron yang terlepas:

K=hf - W K=hf - W

Radiasi e.m

Elektron foto

14

APAKAH CAHAYA ITU?APAKAH CAHAYA ITU?

20 EcI

NhI

CAHAYA

BERSIFAT GELOMBAN

G

BERSIFAT PARTIKEL

20 Eh

cN

15

EFEK COMPTONEFEK COMPTON

Efek Compton merupakan bukti paling langsung Efek Compton merupakan bukti paling langsung dari sifat partikel dari radiasi e.m.dari sifat partikel dari radiasi e.m.

Foton datang

Foton hambur

Elektronpental

p

p’

P

16

GELOMBANG DE BROGLIEGELOMBANG DE BROGLIE

Foton berfrekuensi Foton berfrekuensi mempunyai momentum: mempunyai momentum:

Panjang gelombang foton:Panjang gelombang foton:

De Broglie mengusulkan agar persamaan De Broglie mengusulkan agar persamaan panjang gelombang tersebut berlaku umum, panjang gelombang tersebut berlaku umum, baik bagi foton maupun bagi materi. Panjang baik bagi foton maupun bagi materi. Panjang gelombang de Broglie:gelombang de Broglie:

mm adalah massa relativistik. Usulan de Broglie adalah massa relativistik. Usulan de Broglie ini dapat dibuktikan dengan percobaan difraksi ini dapat dibuktikan dengan percobaan difraksi elektron oleh Davisson & Germerelektron oleh Davisson & Germer

h

c

hp

p

h

mv

h

Contoh Soal: hitung panjang gelombang de Broglie Contoh Soal: hitung panjang gelombang de Broglie dari (a) kelereng bermassa 10 gram yang bergerak dari (a) kelereng bermassa 10 gram yang bergerak dengan kelajuan 10 m/s (b) elektron yang bergerak dengan kelajuan 10 m/s (b) elektron yang bergerak dengan kelajuan 107 m/s. Berikan ulasan dari hasil dengan kelajuan 107 m/s. Berikan ulasan dari hasil perhitungan tersebutperhitungan tersebut

17

Model AtomModel Atom

Thompson: model roti kismis. Model ini gagal karena tidak Thompson: model roti kismis. Model ini gagal karena tidak sesuai dengan hasil percobaan hamburan Rutherford.sesuai dengan hasil percobaan hamburan Rutherford.

Model Atom hasil percobaan hamburan Rutherford:Model Atom hasil percobaan hamburan Rutherford:

+

Inti bermuatan positip

elektron

Ruang kosong

Dimensi atom : 10-10 m

Dimensi inti : 10-14 m

18

ORBIT ELEKTRONORBIT ELEKTRON

Tinjau Atom HidrogenTinjau Atom Hidrogen Mekanika: Elektron harus dalam Mekanika: Elektron harus dalam

keadaan bergerak mengorbit agar keadaan bergerak mengorbit agar tidak jatuh ke inti (model tata tidak jatuh ke inti (model tata surya)surya)

Listrik Magnet: Muatan yang Listrik Magnet: Muatan yang dipercepat harus memancarkan dipercepat harus memancarkan gelombang elektromagnetikgelombang elektromagnetik

Jika teori klasik (mekanika dan Jika teori klasik (mekanika dan listrik-magnet) harus dipenuhi listrik-magnet) harus dipenuhi seharusnya tidak terdapat seharusnya tidak terdapat atom yang stabilatom yang stabil

Kenyataan: Kenyataan: atom-atom secara atom-atom secara umum berada dalam keadaan umum berada dalam keadaan stabil. Kalaupun atom stabil. Kalaupun atom memancarkan gelombang e.m., memancarkan gelombang e.m., maka spektrumnya adalah maka spektrumnya adalah spektrum diskritspektrum diskrit

+ee

Fe

Fe

v

TEORI KLASIK GAGAL MENJELASKAN FENOMENA ATOMIK

19

SPEKTRUM ATOMIKSPEKTRUM ATOMIK

Setiap unsur memiliki spektrum atomik yang unikSetiap unsur memiliki spektrum atomik yang unik

hidrogen

700 nm 600 nm 500 nm 400 nm

helium

20

SPEKTRUM ATOMIK (lanjutan)SPEKTRUM ATOMIK (lanjutan) Untuk HidrogenUntuk Hidrogen

hidrogen

Deret Balmer:

. . . ,5 ,4 ,3 ; 1

2

1122

n

nR

R = 1.097 x 107 m-

1

21

ATOM BOHRATOM BOHR Postulat BohrPostulat Bohr

Elektron bergerak mengorbit inti dalam orbit mantap berupa Elektron bergerak mengorbit inti dalam orbit mantap berupa lingkaran dengan momentum sudut merupakan kelipatan lingkaran dengan momentum sudut merupakan kelipatan dari dari hh/2/2

Pada keadaan mantap ini elektron tidak memancarkan Pada keadaan mantap ini elektron tidak memancarkan radiasi e.m., radiasi baru dipancarkan/diserap jika elektron radiasi e.m., radiasi baru dipancarkan/diserap jika elektron berpindah dari satu orbit ke orbit yang lain. Pada berpindah dari satu orbit ke orbit yang lain. Pada perpindahan ini foton yang dipancarkan mempunyai energi:perpindahan ini foton yang dipancarkan mempunyai energi:

12 nn EEhf

dasar tingkat energimerupakan eV 6,13

;

1

21

En

EEn

Untuk atom Hidrogen:

22

PENUTUPPENUTUP Radiasi E.M. dapat bersifat partikel (radiasi benda Radiasi E.M. dapat bersifat partikel (radiasi benda

hitam, efek fotolistrik, efek Compton)hitam, efek fotolistrik, efek Compton) Materi dapat bersifat sebagai gelombang (difraksi Materi dapat bersifat sebagai gelombang (difraksi

elektron, sifat-sifat atom dll)elektron, sifat-sifat atom dll) Radiasi E.M. dan materi mempunyai sifat Radiasi E.M. dan materi mempunyai sifat

mendua, suatu bisa bersifat gelombang, tapi mendua, suatu bisa bersifat gelombang, tapi pada saat lain bersifat partikel. pada saat lain bersifat partikel.

Teori Kuantum yang dikembangkan oleh Teori Kuantum yang dikembangkan oleh Heisenberg, Schroedinger, Dirac, dll. telah sukses Heisenberg, Schroedinger, Dirac, dll. telah sukses untuk menjelaskan berbagai fenomena tersebut untuk menjelaskan berbagai fenomena tersebut dan dalam terapannya telah memberikan dan dalam terapannya telah memberikan sumbangan yang sangat penting dalam sumbangan yang sangat penting dalam perkembangan peradaban dunia.perkembangan peradaban dunia.