of 14 /14
FISIKA MODEREN FISIKA MODEREN SYIAH KUALA UNIVERSITY PRESS Edisi Ke - 2 Drs . Tarmizi, M.Pd

Edisi Ke - 2 Dr FISIKA MODEREN

  • Author
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Edisi Ke - 2 Dr FISIKA MODEREN

Darussalam, Banda Aceh Telp. (0651) 8012221 Email. [email protected]
SYIAH KUALA UNIVERSITY PRESS
Fisika Moderen
User
Email : [email protected]
1.1. KECEPATAN RELATIVISTIK ........................................................................... 1
1.3.TRANSFORMASI GALILEO............................................................................... 3
DAN WAKTU ........................................................................................... 3
DAN PERCEPATAN ................................................................................. 5
1.4.2. POSTULAT EINSTEIN .................................................................. 12
1.5. TRANSFORMASI LORENTZ ............................................................................ 12
1.7.1. BUKTI PEMULURAN WAKTU ................................................... 20
1.7.2. PARADOKS KEMBAR ................................................................ 21
1.8. RELATIVITAS MASSA .................................................................................... 24
1.9. RELATIVITAS ENERGI ................................................................................... 26
1.10. RELATIVITAS MOMENTUM .......................................................................... 28
2.1. RADIASI BENDA HITAM ................................................................................. 31
2.1.1. PERCOBAAN BENDA HITAM .................................................. 31
2.1.2. LAJU ENERGI RADIASI KALOR .............................................. 33
2.1.3. RUMUS RAYLEIG JEANS ......................................................... 34
2.1.4. HUKUM PERGESERAN WIEN .................................................. 36
2.1.5. TEORI PLANCK .......................................................................... 37
2.2. EFEK FOTOLISTRIK ...................................................................................... 42
2.2.2. HASIL PERCOBAAN EFEK FOTOLISTRIK ............................ 43
2.2.3. GRAFIK HUBUNGAN ANTARA ENERGI KINETIK
ELEKTRON DAN FREKUENSI CAHAYA ............................... 44
2.3.MOMENTUM FOTON DAN EFEK COMPTON ............................................... 48
Fisika Moderen
3.4. MIKROSKOP ELEKTRON............................................................................. 64
4.1 SPEKTRUM ATOM ........................................................................................ 66
4.3 MODEL ATOM ............................................................................................... 71
4.3.4. KELEMAHAN MODEL ATOM RUTHERFORD....................... 73
4.3.5. MODEL ATOM BOHR ................................................................ 73
4.4 EKSPERIMEN FRANCK- HERTZ ................................................................. 78
4.5 SPEKTRUM SINAR – X ................................................................................ 79
BAB V TEORI KUANTUM .................................................................................................. 84
5.1 BENTUK TUNAK PERSAMAAN SCHRODINGER .................................... 84
5.2 PERSAMAAN SCHRODINGER ATOM HIDROGEN ................................. 86
5.3 PEMISAHAN VARIABEL .............................................................................. 89
5.5 BILANGAN KUANTUM ORBITAL.............................................................. 91
5.6 BILANGAN KUANTUM MAGNETIK.......................................................... 93
BAB VI ATOM BERELEKTRON BANYAK ....................................................................... 102
6.1 EFEK ZEEMAN ANOMALOUS .................................................................... 102
6.2 BILANGAN KUANTUM SPIN ...................................................................... 103
6.3 ELEKTRON ..................................................................................................... 105
6.3.2 PENGISIAN ORBITAL ................................................................ 107
Fisika ModerenPage3
6.4.6 UNSUR METALOID .................................................................... 112
6.4.6.1 ATOM SILIKON ............................................................ 112
6.4.6.2 ATOM ARSENIK ........................................................... 113
6.4.6.3 ATOM INDIUM ............................................................. 114
6.5 RESISTIVTAS LISTRIK ................................................................................. 117
6.6 SINAR LASER ................................................................................................ 117
Fisika Moderen
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kepada Allah Shubhanahu Wata’ala atas rahmat dan karuniaNya
lah, penulis telah selesai menyempurnakan isi buku ajar matakuliah Fisika Moderen ini untuk
edisi ke-2. Kemudian selawat dan salam kepada junjungan alam Nabi Muhammad Shallallahu
‘Alaihi Wasallam beserta keluarganya sekaliannya.
Buku Fisika Moderen edisi pertama tahun 2010 telah digunakan dalam perkuliahan mulai
tahun ajaran 2010/2011 sampai dengan 2014/2015. Buku Fisika Moderen edisi ke-2 tahun 2016
ini mulai digunakan dalam perkuliahan tahun ajaran 2015/2016.
Penyajian dan tingkat kedalaman materi dalam buku Fisika Modern ini telah disesuaikan
dengan kebutuhan guru fisika modern di SMA/MA dan kebutuhan calon mahasiswa yang akan
melanjutkan studinya di program magister. Diharapkan kepada mahasiswa calon guru fisika
SMA/MA tidak hanya mempelajari buku Fisika Modern ini, akan tetapi agar mendapatkan
wawasan yang lebih luas lagi, perlu mempelajari melalui buku-buku lain, internet, jurnal dan
lain-lain sebagainya.
Walaupun penulis telah berusaha semaksimal mungkin dalam usaha menyempurnakan isi
buku ini menurut kadar ilmu yang ada pada penulis, namun masih ada kekurangan, kesalahan
ataupun kejanggalannya, baik tentang isi dan susunan materi. Oleh sebab itu penulis masih
sangat mengharapkan adanya kritikan dan saran dari para pakar, pembaca dan pemakai, guna
kesempurnaan isi dan susunan materi pada masa-masa mendatang. Atas saran dan kritikan,
penulis mengucapkan terimakasih.
dapat merambat melalui ruang hampa udara (ruang vakum). Berdasarkan teori gelombang
elektromagnetik, Maxwell telah menghitung besarnya cepat rambat gelombang elektromagnetik
yaitu sebesar c = 2,99792 x 10 8 m/s = 3 x 10
8 m/s. Kenyataannya dalam kehidupan manusia
sehari-hari selalu ditemukan bahwa kecepatan-kecepatan mobil, kereta api, pesawat terbang
merupakan kecepatan-kecepatan rendah, artinya kecepatan - kecepatan tersebut masih jauh lebih
kecil bila dibandingkan dengan cepat rambat gelombang cahaya. Elektron dengan massa 9,11 x
10 -31
kg yang dipercepat melalui beda potensial sekitar 36,5 kV baru dapat bergerak dengan
kelajuan sekitar 1,12 x 10 8 m/s.
Walaupun hukum Newton telah dapat menjelaskan peristiwa yang berhubungan dengan
benda-benda yang bergerak dengan kecepatan rendah, tetapi hukum ini gagal menjelaskan
peristriwa-peristiwa yang berhubungan dengan benda-benda yang bergerak dengan kecepatan
yang mendekati cepat rambat gelombang cahaya. Kecepatan yang mendekati cepat rambat
gelombang cahaya disebut kecepatan relativistik.
Salah satu uji kasus hukum ini adalah pada akselerator, yaitu alat untuk mempercepat
gerak partikel bermuatan listrik, proton, deutron, elektron dan laian-lain sebagainya. Walaupun
beda potensial yang sangat tinggi (sampai jutaan volt) dioperasikan pada akselerator tersebut
untuk mempercepat elektron, akan tetapi kenyataannya diperoleh bahwa kelajuan elektron
tersebut tidak melebihi dari 0,99 c. Sedangkan secara eksperimen hubungan antara beda
potensial dan kelajuan elektron adalah
2. Kelajuan cahaya dalam vakum memiliki nilai sama, yaitu c = 3 x 10 8 m/s dalam semua
kerangka acuan inersial.
Dalam bab ini akan dibahas hanya teori relativitas khusus, meliputi penjumlahan kecepatan
relativistik, penyusutan panjang (kontraksi panjang), pemuluran waktu (dilatasi waktu), massa
relativistik, energi dan momentum relativistik.
eV
Rumus tersebut menunjukkan bahwa apabila besar beda potensial AKV yang dioperasikan pada
2
1 2
AK mv
sebuah akselerator ditingkatkan 4 kali semula, maka energi kinetik elektron juga akan meningkat
menjadi 4 kali semula dan kelajuan elektron akan meningkat mejadi 2 kali semula. Berarti bila
pada suatu saat kecepatan elektron yang dihasilkan oleh sebuah akselerator adalah 0,6 c,
kemudian beda potensial dinaikkan menjadi 4 kali semula, maka kelajuan elektron menjadi 2 x
0,6 c = 1,2 c. Tetapi dalam eksperimen hanya diperoleh kelajuan elektron tetap sebesar 0,99 c.
Ini menunjukkan bahwa hukum mekanika Newton bertentangan dengan hasil percobaan yang
berhubungan dengan kecepatan relativistik.
Pada tahun 1905 Einstein mengemukakan teori relativitas khusus untuk menjelaskan batas
kecepatan suatu partikel. Disebut teori relativitas khusus karena hanya berlaku bagi kerangka
acuan inersial. baru pada tahun 1916 Einstein mengusulkan teori relativita umum yang
digunakan bagi semua kerangka acuan, baik inersial mapun noninersial. Dalam teori ini, Eintein
mengemukakan dua postulat dasar sebagai berikut :
1. Semua hukum fisika memiliki bentuk yang sama pada semua kerangka acuan inersial
Fisika Moderen
BAB II
Sifat khas dari cahaya adalah dapat menunjukkan peristiwa pemantulan, pembiasan,
interferensi dan difraksi. Oleh karena itu teori fisika klasik menganggap cahaya adalah
gelombang. Kemudian teori Maxwell menyatakan bahwa cahaya (sinar tampak) adalah
gelombang elektromagnetik.
Dalam bab yang lalu telah diperoleh fakta bahwa mekanika Newton harus diganti dengan
teori relativitas khusus Einstein, apabila dilakukan pembahasan tentang kecepatan partikel yang
berada dalam orde kecepatan cahaya. Walaupun pada awal abad ke-20 telah banyak
permasalahan yang dapat diterangkan dengan menggunakan teori relativitas, namun masih ada
hasil-hasil percobaan dan persoalan-persoalan teoritis yang belum terjawab. Misalnya fenomena
spektra radiasi benda hitam, efek fotolistrik, radiasi sinar-x dan hamburan Compton, tidak
dapat dijelaskan jika cahaya masih dipandang sebagai gelombang.
Sehubungan dengan fenomena radiasi benda hitam, pada tahun 1990 Max Planck
menyatakan bahwa cahaya dianggap sebagai aliran partikel yang terdiri dari paket-paket energi
yang disebut kuanta atau foton. Jadi cahaya dipandang selain bersifat sebagai gelombang juga
bersifat sebagai partikel. Dapatlah dikatakan bahwa cahaya memiliki sifat dualisme, yaitu dalam
keadaan tertentu sifat gelombang cahaya lebih menonjol daripada sifat partikel cahaya dan dalam
keadaan lainnya sifat partikel cahaya lebih menonjol daripada sifat gelombangnya.
Jika elektron, proton dan neutron yang masing-masing mempunyai massa dan digolongkan
sebagai kelompok partkel, apakah partikel seperti elektron juga memiliki sifat dualisme ? Louis
de Broglie dengan hipotesisnya bahwa partikel seperti elektron yang bergerak dengan kecepatan
tertentu dapat memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang yang sesuai. Berdasarkan
hipotesis ini, maka partikelpun memiliki sifat dualisme (dualisme gelombang partikel). Hipotesis
de Broglie dibuktikan melalui percobaan difraksi elektron yang dilakukan oleh Davisson-
Germer dan G.P.Thomson
Sumber cahaya dapat diperoleh melalui benda-benda padat yang dipanaskan, seperti filamen
lampu pijar ataupun lucutan listrik dalam gas, seperti lampu TL, lampu neon dan helium. Jika
sebuah lampu pijar 100 watt dan 5 watt dinyalakan secara bersama-sama selama selang waktu
tertentu. Lampu 100 watt menyerap 100 joule energi listrik setiap detik, sedangkan lampu 5 watt
menyerap 5 joule energi listrik setiap detik. Berarti energi yang digunakan lampu 100 watt lebih
besar daripada lampu 5 watt. Ternyata suhu lampu 100 watt lebih tinggi daripada lampu 5 watt.
Hal ini menunjukkan bahwa makin besar energi yang diserap oleh suatu benda makin tinggi
kenaikan suhunya dan makin tinggi suhu suatu benda makin besar energi kalor yang dipancarkan
benda tersebut.
Suatu benda hitam adalah permukaan benda hitam atau kusam yang merupakan penyerap
dan sekali gus pemancar radiasi kalor yang baik. Sedangkan permukaan putih atau mengkilat
adalah penyerap dan pemancar radiasi kalor yang buruk.
Sebuah kotak yang permukaan dalamnya dicat warna putih, kotak dilengkapi dengan
tutup dan pada salah satu dindingnya di beri lubang, maka lubang tersebut dapat berfungsi
sebagai benda hitam (Gambar 2.1.1).
Mula-mula ketika tutup kotak dalam keadaan terbuka dan kotak berada di tempat yang
terang (sinar matahari ) ternyata lubang menunjukkan warna putih (terang), akan tetapi ketika
tutup kotak ditutup, lubang menunjukkan warna hitam (gelap). Mengapa demikian ?
Fisika Moderen
BAB III
Jika elektron, proton dan neutron yang masing-masing mempunyai massa dan digolongkan
sebagai kelompok partkel, apakah partikel seperti elektron juga memiliki sifat dualisme ? Louis
de Broglie dengan hipotesisnya bahwa partikel seperti elektron yang bergerak dengan kecepatan
tertentu dapat memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang yang sesuai. Berdasarkan
hipotesis ini, maka partikelpun memiliki sifat dualisme (dualisme gelombang partikel). Hipotesis
de Broglie dibuktikan melalui percobaan difraksi elektron yang dilakukan oleh Davisson-
Germer dan G.P. Thomson
Dalam peristiwa interferensi dan difraksi cahaya, sifat gelombang cahaya lebih menonjol
daripada sifat partikelnya, sedangkan dalam peristiwa efek fotolistrik dan efek Compton, sifat
partikel cahaya lebih menonjol daripada sifat gelombangnya. Sifat partikel dinyatakan oleh
besaran momentum (p), sedangkan besaran gelombang dinyatakan oleh besaran panjang
gelombang (λ).
3.1.TEORI DE BROGLIE
Dalam tahun 1913 Niels Bohr memadukan antara konsep klasik dan kuantum dengan postulat
Bohr pertama, menyatakan bahwa elektron atom dapat mengelilingi inti atom tanpa
memancarkan energy gelombang elektromagnetik. Elektron berada pada orbit yang momentum
angulernya merupakan kelipatan dari
adalah Ln = m v rn
Jika n = 1, maka panjang gelombang elektron menurut postulat Bohr menjadi
Bandingkan rumus postulat Bohr dengan rumus momentum foton p = . ( persamaan ( 2.11).
Berdasarkan kepada sifat dualisme cahaya, maka Louis de Broglie pada tahun 1924
mengemukakan teori yang menyatakan bahwa partikel seperti elektron yang bergerak ada
kemungkinan memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang yang sesuai. Elektron yang
bergerak dengan kecepatan v memiliki momentum p = mv, sehingga panjang gelombang de
Broglie dari elektron tersebut adalah
(3-1)
mv p

Dalam tahun 1896 seorang fisikawan Belanda bernama Pieter Zeeman mengamati spektrum
yang dipancarkan oleh atom-atom gas yang berada di dalam medan magnetik homogen. Hasil
pengamatan Zeeman menjelaskan bahwa sebuah spektral yang dihasilkan oleh suatu atom gas
akan terpecah menjadi tiga garis yang terpisah apabila atom gas tersebut dipengaruhi oleh medan
magnetik luar homogen. Peristiwa ini disebut efek Zeeman Normal.
Terjadinya efek Zeeman tidak dapat dijelaskan oleh orbit lingkaran model atom Bohr, karena
orbit lingkaran hanya memiliki satu orientasi atom atau hanya satu arah momentum sudut.
Vektor momentum sudut L adalah vektor yang melalui inti atom dan tegak lurus bidang orbit.
Arah vektor L dan arah putaran elektron ditunjukkan oleh kaedah tangan kanan. Jika jempol
menyatakan arah vektor L, maka arah putaran empat jari menyatakan arah putaran elektron
dalam orbitnya.
Berdasarkan efek Zeeman, maka Arnold Sommerfeld mengusulkan bahwa orbit elektron
selain berbentuk lingkaran harus ada yang berbentuk ellips. Dengan orbit ellips, orientasi orbit
dapat lebih dari satu. Oleh karena itu untuk menyatakan keadaan kuantum dari elektron
diperlukan dua bilangan kuantum lain yang menyatakan vektor momentum sudut orbital, yaitu
bilangan kuantum orbital dan bilangan kuantum magnetik.
bilangan kuantum yang menentukan besar momentum sudut elektron diberi lambang L,
bulat mulai dari nol sampai dengan (n-1).
Dalam bab ini akan dibahas, bagaimana cara medan magnetik mempengaruhi atom,
sehingga menybabkan terjadinya Efek Zeeman Normal ?
5.1. BENTUK TUNAK PERSAMAAN SCHRODINGER
Letak perbedaan antara mekanika klasik ( mekanika Newton) dan meanika kuantum adalah pada
cara menafsirkannya. Dalam mekanika klasik, kedudukan dan momentum akhir sebuah partikel
dapat ditentukan oleh kedukan dan momentum awal serta gaya-gaya yang beraksi pada partikel
tersebut. Semua besaran tersebut dapat diukur dengan ketelitian yang tinggi, namun dalam
mekanika kuantum kedudukan dan momentumn awal serta gaya-gaya yang beraksi tidak dapat
diukur dengan ketelitian yang tinggi. Misalnya dalam mengukur jari-jari lintasan elektron dalam
atom hidrogen, apakah selalu diperoleh angka tepat sama dengan 5,28 x 10 -11
m. Oleh karena itu
di dalam mekanika kuantum diambil angka peluang terbesarnya. Dalam setiap eksperimen sering
menghasilkan harga-harga yang berbeda, mungkin lebih besar atau lebih kecil, akan tetapi
sebahagian besar berpeluang terbesar diperoleh angka sama dengan 5,28 x 10 -11
m.
Kuantitas yang diperlukan dalam mekanika kuantum adalah fungsi gelombang dari
partikel yang dinyatakan oleh ψ. Dalam penentuan harga fungsi gelombangψ, maka disyaratkan
partikel mempunyai kebebasan bergerak, artinya partikel tidak dipengaruhi oleh gaya eksternal.
Contohnya adalah getaran harmonik, gerak elektron dalam atom dan gerak partikel dalam kotak.
Kerapatan peluang P untuk mendapatkan sebuah partikel pada saat melalui suatu titik tertentu
peluang mempunyai rumus seperti

dalam ruang (x, y, z) pada saat t adalah berbanding lurus dengan ψ 2 . Oleh karena itu kerapatan
Bilangan kuantum orbital disebut bilangan kuantum azimut, diberi lambang l , adalah
sedangkan bilangan kuantum magnetik, diberi lambang lm , adalah bilangan kuantum yang
menentukan arah momentum sudut elektron. Harga l dibatasi oleh harga n, yaitu bilangan
Fisika Moderen
BAB VI
Model Bohr- Sommerfeld yang menyatakan bahwa orbit elektron dalam mengelilingi inti atom
selain berbentuk lingkaran juga harus ada yang berbentuk ellips, ternyata telah berhasil
menjelaskan efek Zeeman normal (NEZ). Dalam model ini keadaan elektron ditetapkan
berdasarkan tiga bilangan kuantum n, l dan ml . Akan tetapi model atom Bohr- Sommerfeld tidak
dapat menjelaskan hasil eksperimen yang menyatakan bahwa sebenarnya garis-garis spektral itu
terpecah lebih dari tiga komponen. Fenomena ini disebut efek Zeeman Anomalous (AEZ).
Dalam tahun 1921, O. Stern dan W.Gerlach melakukan percobaan, yaitu mengarahkan
seberkas atom perak netral ( momentum sudut orbital total nol) yang berasal dari sebuah tungku
(oven) melewati celah kolimator dan kemudian berkas atom masuk kedalam daerah medan
magnetik tak hamogen (Gambar 6.1)
Gambar 6.1 : Diagram eksperimen Stern-Gerlach. Tanpa medan magnetik pada layar fotografik terbentuk garis lurus, tetapi dengan ada medan magnetik
terbentuk pola seperti pada gambar.
Dengan adanya medan magnetiktak homogen, maka pada layar fotografik terbentuk pola
seperti pada gambar. Gejala ini dapat ditafsirkan bahwa berkas atom semula telah dipisahkan
olehmedan magnetik tak homogen menjadi dua bahagian, yaitu berkas atom yang menyimpang
ke arah kutub magnetik U dan berkas atom yang menyimpang ke arah kutub magnetik S. Gaya
yang menyebabkan penyimpangan berkas atom adalah
(6-1)
Karena atom-atom dalam keadaan netral, maka momen magnetik yang berkaitan dengan
gerak orbital elektronnya adalah nol. Oleh karena itu interaksi magnetik yang menghasilkan
penyimpangan berkas atom dari arahnya semula harus berasal dari momen magnetik lainnya.
Fenomena ini membuktikan bahwa elektron-elektron di dalam atom memiliki duakutub magnetik
yang arah momen magnetiknya saling berlawanan. Momen magnetik ini disebut momen
magnetik spin. Di dalam medan magnetik homogen, maka momen magnetik spin hanya
mengalami momen gaya yang mempunyai kecendrungan untuk mensejajarkan dirinya terhadap
S
U
Fisika Moderen
DAFTAR PUSTAKA
Beiser, Arthur (Alih Bahasa : The Houw Liong). (1990), Konsep Fisika Modern, Jakarta :
Erlangga.
Kanginan, Marthen. (2000). Fisika 2000, SMU Kelas 3 jilid 3C, Jakarta : Erlangga
Kaplan, Irving. (1962). Nuclear Physics, Cambridge : Addison Wesley Publishing Company.
Krane, Kenneth. S. (Penerjemah : Hans J) (1992). Fisika Modern, Jakarta : Universitas
Indonesia.
L. A. Littefield & N. Thorley. (1979) Atomic and Nuclear Physics An Introduction, New
York : Van Nostrand Reinhold Company. Ltd.
Fisika Moderen
FISIKA MODEREN
FIS IK
A M
O D
E R
E N
E d
Darussalam, Banda Aceh Telp. (0651) 8012221 Email. [email protected]
SYIAH KUALA UNIVERSITY PRESS
COVER BUKU PAK TARMIZI.pdf (p.1)
GABUNG BUKU FISIKA INTI 24 JAN 2018 - Copy.pdf (p.2-128)
COVER .pdf (p.1)
Barcode1: 1234567890