Download ppt - p13 Fisika Modern

Transcript

1

FISIKA MODERN

Staf Pengajar Fisika

Departemen Fisika, FMIPA, IPB

2

MANFAAT KULIAH

Memberikan pemahaman tentangfenomena alam yang tidak dapatdijelaskan melalui fisika klasik

Fenomena alam yang berkaitan dengankecepatan yang sangat tinggiFenomena alam yang berkaitan dengankelakuan cahaya dan partikel yang sangatkecil (ukuran mikron dan yang lebih kecil dariitu)

3

TUJUAN INSTRUKSIONAL

Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswadiharapkan dapat menjelaskan berbagaifenomena alam (yang berkaitan dengankecepatan yang sangat tinggi danfenomena alam yang berkaitan dengansifat cahaya dan partikel dengan ukuransangat kecil) melalui teori fisika modern

POSTULAT RELATIVITAS KHUSUS

o

A vA

Secara klasik: vB = vBA + vA

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

w=u+v

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

4

vBAB

pemantulSumbergelombang

Penjalaran Gelombang Mekanik dalamMedium yang Bergerak

pemantul

u

Detektor

Kedatangan pulsa gelombang tidak bersamaan

5

pemantulSumbergelombang

Penjalaran Gelombang Mekanik dalamMedium yang Bergerak

pemantul

u

Detektor

Kedatangan pulsa gelombang tidak bersamaan

6

7

CerminSumbercahaya Setengah cermin

Layar

Percobaan Michelson-Morley

Cermin

u

Kedatangan kedua pulsa cahaya di layar bersamaan!!!

8

POSTULAT RELATIVITAS KHUSUS

Hasil percobaan Michelson-Morley tidak dapatdijelaskan melalui Fisika Klasik. Maka Einsteinmengemukakan dua postulat relativitas khusus:

Prinsip relativitas: hukum fisika dapat dinyatakandalam persamaan yang berbentuk sama dalam semuakerangka inersial, yaitu kerangka-kerangka yangbergerak dengan kecepatan tetap sama lainKelajuan cahaya dalam ruang hampa sama besaruntuk semua pengamat dan tidak tergantung padagerak pengamat

1 −2

9

Konsekuensi dari Postulat Relativitas Khusus

Pemuaian waktu: selang waktu yangdiamati oleh pengamat yang bergerakterhadap kejadian lebih besar dibandingkanyang diamati pengamat yang diam terhadapkejadian

Pengerutan panjang: panjang benda yangdiamati oleh pengamat yang bergerakterhadap benda tsb lebih kecil dibandingkanyang diamati oleh orang yang diamterhadap benda tersebut

Δt0

v 2

c

Δt

v 2

c 2L L0 1 −

Contoh Soal: Jarak antara dua titik A dan B di permukaan bumi adalah 600km. Sebuah pesawat super cepat bergerak dengan kelajuan 0,8 c melintasikedua titik tersebut. (a) Tentukan jarak A ke B menurut pilot pesawat.Tentukan waktu yang diperlukan pesawat untuk melintasi kedua titik tersebut(b) menurut orang di bumi dan (c) menurut pilot pesawat.

Jawab: (a) 360 km; (b) 2,5 x 10-3 s; (c) 1,5 x 10-3 s

1

10

Penjumlahan Kecepatan

o

A vA

vBAB

vBA v AvBAv A

c 2

vB

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 cjuga.

m

1 −

E mc

Kesetaraan Massa dengan Energi

Massa relativistik: benda yangbergerak mempunyai massa yanglebih besar dibandingkan jika diadiamKesetaraan massa-energi:

m 0

v 2

c 2

2

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)

11

rapa

t en

ergi

12

Radiasi Benda Hitam

Wien dengan model fungsi tebakannya (kurva merah) mendapatkan hasilsesuai dengan untuk panjang-gelombang kecil (frekuensi tinggi)Rayleigh & Jeans dengan model fisika klasik (kurva kuning) mendapatkanhasil sesuai dengan panjang- gelombang besar (frekuensi rendah). Hasilini disebut bencana ultravioletPlanck (1900) menemukan rumus dengan menginterpolasikan rumus Wiendan rumus Rayleigh-Jeans dengan mengasumsikan bahwa terbentuknyaradiasi benda hitam adalah dalam paket-paket dengan energi per paket :

E = hf

panjang gelombang

Eks perim en

Wien

Rayleigh-Jeans

13

EFEK FOTOLISTRIK

Jika logam mengkilat di iradiasi, dia akan memancarkan elektronAda frekuensi ambang yang bervariasi dari satu logam ke logam yang lain:hanya cahaya dengan frekuensi lebih besar dari frekuensi ambang yangakan menghasilkan arus elektron fotoEinstein: Efek fotolistrik merupakan peristiwa tumbukan antara partikelradiasi e.m. (foton) dengan elektron.

Energi Kinetik Maksimum elektron yang terlepas:

K=hf - W

Radiasi e.m

Elektron foto

ε 0 c 2

14

APAKAH CAHAYA ITU?

I ε 0 c E 2

I Nhν

CAHAYA

BERSIFATGELOMBANG

BERSIFATPARTIKEL

EN

15

EFEK COMPTON

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

θFotondatang

Fotonhambur

Elektronpental

p

p’

P

GELOMBANG DE BROGLIE

Foton berfrekuensi ν mempunyai momentum:

Panjang gelombang foton:

De Broglie mengusulkan agar persamaan panjanggelombang tersebut berlaku umum, baik bagi fotonmaupun bagi materi. Panjang gelombang de Broglie:

h

λp c

h

p

h

mv

λ =

λ =

m adalah massa relativistik. Usulan de Broglie inidapat dibuktikan dengan percobaan difraksi elektronoleh Davisson & Germer

Contoh Soal: hitung panjang gelombang de Broglie dari (a)kelereng bermassa 10 gram yang bergerak dengan kelajuan10 m/s (b) elektron yang bergerak dengan kelajuan 107 m/s.Berikan ulasan dari hasil perhitungan tersebut

16

17

+−

Model Atom

Thompson: model roti kismis. Model ini gagal karena tidak sesuaidengan 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 ELEKTRON

Tinjau Atom HidrogenMekanika: Elektron harus dalamkeadaan bergerak mengorbit agartidak jatuh ke inti (model tata surya)Listrik Magnet: Muatan yangdipercepat harus memancarkangelombang elektromagnetikJika teori klasik (mekanika danlistrik-magnet) harus dipenuhiseharusnya tidak terdapat atomyang stabilKenyataan: atom-atom secaraumum berada dalam keadaan stabil.Kalaupun atom memancarkangelombang e.m., maka spektrumnyaadalah spektrum diskrit

+e

Fe

Fe

v

−e

TEORI KLASIK GAGAL MENJELASKAN FENOMENA ATOMIK

19

700 nm 600 nm 500 nm 400 nm

SPEKTRUM ATOMIK

Setiap unsur memiliki spektrum atomik yang unik

hidrogen

helium

R ⎜ 2 2 ⎟ ; n 3, 4, 5, . . .−

SPEKTRUM ATOMIK (lanjutan)

Untuk Hidrogen

hidrogen

Deret Balmer:⎛ 1 1 ⎞

⎝ 2 n ⎠

1

λ

R = 1.097 x 107 m-1

20

n

ATOM BOHR

Postulat BohrElektron bergerak mengorbit inti dalam orbit mantap berupalingkaran dengan momentum sudut merupakan kelipatan dari h/2πPada keadaan mantap ini elektron tidak memancarkan radiasi e.m.,radiasi baru dipancarkan/diserap jika elektron berpindah dari satuorbit ke orbit yang lain. Pada perpindahan ini foton yangdipancarkan mempunyai energi:

hf En2 −En1

;

E1 −13,6 eV merupakan energi tingkat dasar21

E12En

Untuk atom Hidrogen:

22

PENUTUP

Radiasi E.M. dapat bersifat partikel (radiasi benda hitam,efek fotolistrik, efek Compton)Materi dapat bersifat sebagai gelombang (difraksielektron, sifat-sifat atom dll)Radiasi E.M. dan materi mempunyai sifat mendua, suatubisa bersifat gelombang, tapi pada saat lain bersifatpartikel.Teori Kuantum yang dikembangkan oleh Heisenberg,Schroedinger, Dirac, dll. telah sukses untuk menjelaskanberbagai fenomena tersebut dan dalam terapannya telahmemberikan sumbangan yang sangat penting dalamperkembangan peradaban dunia.