1

FISIKA MODERNFISIKA MODERNStafStaf PengajarPengajar FisikaFisika

DepartemenDepartemen FisikaFisika, FMIPA, IPB, FMIPA, IPB

2

MANFAAT KULIAHMANFAAT KULIAH

MemberikanMemberikan pemahamanpemahaman tentangtentangfenomenafenomena alamalam yang yang tidaktidak dapatdapatdijelaskandijelaskan melaluimelalui fisikafisika klasikklasik

FenomenaFenomena alamalam yang yang berkaitanberkaitan dengandengankecepatankecepatan yang yang sangatsangat tinggitinggiFenomenaFenomena alamalam yang yang berkaitanberkaitan dengandengankelakuankelakuan cahayacahaya dandan partikelpartikel yang yang sangatsangatkecilkecil ((ukuranukuran mikronmikron dandan yang yang lebihlebih kecilkecil daridariituitu))

3

TUJUAN INSTRUKSIONALTUJUAN INSTRUKSIONAL

SetelahSetelah mengikutimengikuti kuliahkuliah iniini mahasiswamahasiswadiharapkandiharapkan dapatdapat menjelaskanmenjelaskan berbagaiberbagaifenomenafenomena alamalam (yang (yang berkaitanberkaitan dengandengankecepatankecepatan yang yang sangatsangat tinggitinggi dandanfenomenafenomena alamalam yang yang berkaitanberkaitan dengandengansifatsifat cahayacahaya dandan partikelpartikel dengandengan ukuranukuransangatsangat kecilkecil) ) melaluimelalui teoriteori fisikafisika modernmodern

4

POSTULAT RELATIVITAS KHUSUSPOSTULAT RELATIVITAS KHUSUS

oA 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

PenjalaranPenjalaran GelombangGelombang MekanikMekanik dalamdalamMedium yang Medium yang BergerakBergerak

pemantul

pemantul

Sumbergelombang

Detektor

u

Kedatangan pulsa gelombang tidak bersamaan

6

PenjalaranPenjalaran GelombangGelombang MekanikMekanik dalamdalamMedium yang Medium yang BergerakBergerak

pemantul

pemantul

Sumbergelombang

Detektor

u

Kedatangan pulsa gelombang tidak bersamaan

7

PercobaanPercobaan MichelsonMichelson--MorleyMorley

Cermin

Cermin

Setengah cerminSumbercahaya

Layar

u

Kedatangan kedua pulsa cahaya di layar bersamaan!!!

8

POSTULAT RELATIVITAS KHUSUSPOSTULAT RELATIVITAS KHUSUS

HasilHasil percobaanpercobaan MichelsonMichelson--Morley Morley tidaktidak dapatdapatdijelaskandijelaskan melaluimelalui FisikaFisika KlasikKlasik. . MakaMaka Einstein Einstein mengemukakanmengemukakan duadua postulatpostulat relativitasrelativitas khususkhusus: :

PrinsipPrinsip relativitasrelativitas: : hukumhukum fisika fisika dapatdapat dinyatakandinyatakandalamdalam persamaanpersamaan yang yang berbentukberbentuk sama sama dalamdalam semuasemuakerangkakerangka inersialinersial, , yaituyaitu kerangkakerangka--kerangkakerangka yang yang bergerakbergerak dengandengan kecepatankecepatan tetaptetap sama lainsama lainKelajuanKelajuan cahayacahaya dalamdalam ruangruang hampahampa sama sama besarbesaruntukuntuk semuasemua pengamatpengamat dandan tidaktidak tergantungtergantung padapadagerakgerak pengamatpengamat

9

KonsekuensiKonsekuensi daridari PostulatPostulat RelativitasRelativitas KhususKhusus

PemuaianPemuaian waktuwaktu: : selangselang waktuwaktu yang yang diamatidiamati oleholeh pengamatpengamat yang yang bergerakbergerakterhadapterhadap kejadiankejadian lebihlebih besarbesar dibandingkandibandingkanyang yang diamatidiamati pengamatpengamat yang yang diamdiam terhadapterhadapkejadiankejadian

PengerutanPengerutan panjangpanjang: : panjangpanjang bendabenda yang yang diamatidiamati oleholeh pengamatpengamat yang yang bergerakbergerakterhadapterhadap bendabenda tsbtsb lebihlebih kecilkecil dibandingkandibandingkanyang yang diamatidiamati oleholeh orangorang yang yang diamdiamterhadapterhadap bendabenda tersebuttersebut

2

20

1cv

tt−

Δ=Δ

2

2

0 1cvLL −=

ContohContoh SoalSoal: : JarakJarak antaraantara duadua titiktitik A A dandan B B didi permukaanpermukaan bumibumi adalahadalah 600 600 km. km. SebuahSebuah pesawatpesawat super super cepatcepat bergerakbergerak dengandengan kelajuankelajuan 0,8 c 0,8 c melintasimelintasikeduakedua titiktitik tersebuttersebut. (a) . (a) TentukanTentukan jarakjarak A A keke B B menurutmenurut pilot pilot pesawatpesawat. . TentukanTentukan waktuwaktu yang yang diperlukandiperlukan pesawatpesawat untukuntuk melintasimelintasi keduakedua titiktitik tersebuttersebut(b) (b) menurutmenurut orangorang didi bumibumi dandan (c) (c) menurutmenurut pilot pilot pesawatpesawat..JawabJawab: (a) 360 km; (b) 2,5 x 10: (a) 360 km; (b) 2,5 x 10--33 s; (c) 1,5 x 10s; (c) 1,5 x 10--33 ss

10

PenjumlahanPenjumlahan KecepatanKecepatan

oA vA

vBAB 21c

vvvvv

ABA

ABAB

+

+=

Contoh: Sebuah kereta bergerak dengan kelajuan 18 m/s sementara di dalamkereta seorang kondektur berjalan dengan kelajuan 1 m/s. Apakah rumuspenjumlahan kecepatan relativistik berlaku untuk persoalan ini? Jelaskan jawabananda.

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

11

KesetaraanKesetaraan MassaMassa dengandengan EnergiEnergi

MassaMassa relativistikrelativistik: : bendabenda yang yang bergerakbergerak mempunyaimempunyai massamassa yang yang lebihlebih besarbesar dibandingkandibandingkan jikajika diadiadiamdiamKesetaraanKesetaraan massamassa--energienergi: : 2mcE =

2

20

1cv

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 massadiamnya 1 kg jika dia bergerak dengan kelajuan 0,6 c

(Jawab: 1,125 x 1017 J)

12

RadiasiRadiasi BendaBenda HitamHitam

WienWien dengandengan model model fungsifungsi tebakannyatebakannya ((kurvakurva merahmerah) ) mendapatkanmendapatkan hasilhasilsesuaisesuai dengandengan untukuntuk panjangpanjang--gelombanggelombang kecilkecil ((frekuensifrekuensi tinggitinggi))RayleighRayleigh & Jeans & Jeans dengandengan model model fisikafisika klasikklasik ((kurvakurva kuningkuning) ) mendapatkanmendapatkanhasilhasil sesuaisesuai dengandengan panjangpanjang-- gelombanggelombang besarbesar ((frekuensifrekuensi rendahrendah). ). HasilHasiliniini disebutdisebut bencanabencana ultravioletultravioletPlanck (1900) Planck (1900) menemukanmenemukan rumusrumus dengandengan menginterpolasikanmenginterpolasikan rumusrumus WienWiendandan rumusrumus RayleighRayleigh--Jeans Jeans dengandengan mengasumsikanmengasumsikan bahwabahwa terbentuknyaterbentuknyaradiasiradiasi bendabenda hitamhitam adalahadalah dalamdalam paketpaket--paketpaket dengandengan energienergi per per paketpaket : :

E = E = hfhf

panjang gelombang

rapa

t ene

rgi Eksperimen

Wien

Rayleigh-Jeans

13

EFEK FOTOLISTRIKEFEK FOTOLISTRIK

JikaJika logamlogam mengkilatmengkilat didi iradiasiiradiasi, , diadia akanakan memancarkanmemancarkan elektronelektronAdaAda frekuensifrekuensi ambangambang yang yang bervariasibervariasi daridari satusatu logamlogam keke logamlogam yang lain: yang lain: hanyahanya cahayacahaya dengandengan frekuensifrekuensi lebihlebih besarbesar daridari frekuensifrekuensi ambangambang yang yang akanakan menghasilkanmenghasilkan arusarus elektronelektron fotofotoEinstein: Einstein: EfekEfek fotolistrikfotolistrik merupakanmerupakan peristiwaperistiwa tumbukantumbukan antaraantara partikelpartikelradiasiradiasi e.me.m. (. (fotonfoton) ) dengandengan elektronelektron..EnergiEnergi KinetikKinetik MaksimumMaksimum elektronelektron yang yang terlepasterlepas: :

K=K=hfhf -- W W

Radiasi e.m

Elektron foto

14

APAKAH CAHAYA ITU?APAKAH CAHAYA ITU?

20 EcI ε=

νNhI =

CAHAYA

BERSIFAT GELOMBANG

BERSIFAT PARTIKEL

20 Eh

cNν

ε=

15

EFEK COMPTONEFEK COMPTONEfekEfek Compton Compton merupakanmerupakan buktibukti paling paling langsunglangsung daridarisifatsifat partikelpartikel daridari radiasiradiasi e.me.m..

θFotondatang

Fotonhambur

Elektronpental

p

p’

P

16

GELOMBANG DE BROGLIEGELOMBANG DE BROGLIE

FotonFoton berfrekuensiberfrekuensi νν mempunyaimempunyai momentum:momentum:

PanjangPanjang gelombanggelombang fotonfoton::

De De BroglieBroglie mengusulkanmengusulkan agar agar persamaanpersamaan panjangpanjanggelombanggelombang tersebuttersebut berlakuberlaku umumumum, , baikbaik bagibagi fotonfotonmaupunmaupun bagibagi materimateri. . PanjangPanjang gelombanggelombang de de BroglieBroglie::mm adalahadalah massamassa relativistikrelativistik. . UsulanUsulan de de BroglieBroglie iniinidapatdapat dibuktikandibuktikan dengandengan percobaanpercobaan difraksidifraksi elektronelektronoleholeh DavissonDavisson & & GermerGermer

λν hc

hp ==

ph

=λ

mvh

=λ

ContohContoh SoalSoal: : hitunghitung panjangpanjang gelombanggelombang de de BroglieBroglie daridari (a) (a) kelerengkelereng bermassabermassa 10 gram yang 10 gram yang bergerakbergerak dengandengan kelajuankelajuan10 10 m/sm/s (b) (b) elektronelektron yang yang bergerakbergerak dengandengan kelajuankelajuan 107 107 m/sm/s. . BerikanBerikan ulasanulasan daridari hasilhasil perhitunganperhitungan tersebuttersebut

17

Model AtomModel Atom

Thompson: model Thompson: model rotiroti kismiskismis. Model . Model iniini gagalgagal karenakarena tidaktidak sesuaisesuaidengandengan hasilhasil percobaanpercobaan hamburanhamburan Rutherford.Rutherford.

Model Atom Model Atom hasilhasil percobaanpercobaan hamburanhamburan Rutherford:Rutherford:

+−

−

−

−

−

Inti bermuatan positip

elektron

Ruang kosong

Dimensi atom : 10-10 m

Dimensi inti : 10-14 m

18

ORBIT ELEKTRONORBIT ELEKTRON

TinjauTinjau Atom Atom HidrogenHidrogenMekanikaMekanika: : ElektronElektron harusharus dalamdalamkeadaankeadaan bergerakbergerak mengorbitmengorbit agar agar tidaktidak jatuhjatuh keke intiinti (model (model tatatata suryasurya))ListrikListrik Magnet: Magnet: MuatanMuatan yang yang dipercepatdipercepat harusharus memancarkanmemancarkangelombanggelombang elektromagnetikelektromagnetikJikaJika teoriteori klasikklasik ((mekanikamekanika dandanlistriklistrik--magnet) magnet) harusharus dipenuhidipenuhiseharusnyaseharusnya tidaktidak terdapatterdapat atom atom yang yang stabilstabilKenyataanKenyataan: : atomatom--atom atom secarasecaraumumumum beradaberada dalamdalam keadaankeadaan stabilstabil. . KalaupunKalaupun atom atom memancarkanmemancarkangelombanggelombang e.me.m., ., makamaka spektrumnyaspektrumnyaadalahadalah spektrumspektrum diskritdiskrit

+e−e

Fe

Fe

v

TEORI KLASIK GAGAL MENJELASKAN FENOMENA ATOMIK

19

SPEKTRUM ATOMIKSPEKTRUM ATOMIKSetiapSetiap unsurunsur memilikimemiliki spektrumspektrum atomikatomik yang yang unikunik

hidrogen

700 nm 600 nm 500 nm 400 nm

helium

20

SPEKTRUM ATOMIK (SPEKTRUM ATOMIK (lanjutanlanjutan))UntukUntuk HidrogenHidrogen

hidrogen

Deret Balmer: . . . ,5 ,4 ,3 ; 1211

22 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= n

nR

λ

R = 1.097 x 107 m-1

21

ATOM BOHRATOM BOHRPostulatPostulat BohrBohr

ElektronElektron bergerakbergerak mengorbitmengorbit intiinti dalamdalam orbit orbit mantapmantap berupaberupalingkaranlingkaran dengandengan momentum momentum sudutsudut merupakanmerupakan kelipatankelipatan daridari hh/2/2ππPadaPada keadaankeadaan mantapmantap iniini elektronelektron tidaktidak memancarkanmemancarkan radiasiradiasi e.me.m., ., radiasiradiasi barubaru dipancarkan/diserapdipancarkan/diserap jikajika elektronelektron berpindahberpindah daridari satusatuorbit orbit keke orbit yang lain. orbit yang lain. PadaPada perpindahanperpindahan iniini fotonfoton yang yang dipancarkandipancarkan mempunyaimempunyai energienergi::

12 nn EEhf −=

dasar tingkat energimerupakan eV 6,13

;

1

21

−=

=

EnEEn

Untuk atom Hidrogen:

22

PENUTUPPENUTUPRadiasiRadiasi E.M. E.M. dapatdapat bersifatbersifat partikelpartikel ((radiasiradiasi bendabenda hitamhitam, , efekefek fotolistrikfotolistrik, , efekefek Compton)Compton)MateriMateri dapatdapat bersifatbersifat sebagaisebagai gelombanggelombang ((difraksidifraksielektronelektron, , sifatsifat--sifatsifat atom atom dlldll))RadiasiRadiasi E.M. E.M. dandan materimateri mempunyaimempunyai sifatsifat menduamendua, , suatusuatubisabisa bersifatbersifat gelombanggelombang, , tapitapi padapada saatsaat lain lain bersifatbersifatpartikelpartikel. . TeoriTeori KuantumKuantum yang yang dikembangkandikembangkan oleholeh Heisenberg, Heisenberg, SchroedingerSchroedinger, Dirac, , Dirac, dlldll. . telahtelah suksessukses untukuntuk menjelaskanmenjelaskanberbagaiberbagai fenomenafenomena tersebuttersebut dandan dalamdalam terapannyaterapannya telahtelahmemberikanmemberikan sumbangansumbangan yang yang sangatsangat pentingpenting dalamdalamperkembanganperkembangan peradabanperadaban duniadunia..