BAB 1 PENDAHULUAN Fisika modern biasanya dikaitkan dengan

BAB 1
PENDAHULUAN
Fisika modern biasanya dikaitkan dengan berbagai perkembangan yang
dimulai dengan teori relativitas khusus dan kuantum. Fisika modern
berkaiatan dengan penerapan teori relativitas khusus dan teori kuantum
untuk
memahami
sifat
atom,
inti
atom
serta
berbagai
partikel
penyusunnya, kelompok atom dalam berbagai molekul zat padat, jiga
pada skala kosmik (jagad raya), tentang asal mula dan evolusi alam
semesta. Pembahasan fisika modern akan diawali dengan kajian teori
relativitas, dengan mempelajari andaian-andaian, implikasi dan berbagai
bukti percobaan yang mendukung.
1.1
TINJAUAN ULANG FISIKA KLASIK
Dalam beberapa fenomena menunjukkan bahwa fisika modern sangat
berbeda dengan fisika klasik. Akan tetapi beberapa konsep fisika klasik
perlu dirujuk dalam mempelajari konsep fisika modern.
Berikut
ini
disajikan
suatu
tinjauan
ulang
ringkasan
mengenai
beberapa konsep fisika klasik yang dibutuhkan dalam konsep fisika
modern.
Mekanika: Sebuah
benda
bermassa
m
yang
bergerak
dengan
kecepatan v memiliki energy kinetic yang didefinisikan oleh:
K=1/2 m v2
(1.1)
Dan momentum linear p yang didefinisikan sebagai:
p=mv
(1.2)
Apabila sebuah benda bertumbukkan dengan benda yang lain, maka
kita akan menganalisis tumbukkannya dengan menerapkan kedua
hukum kekekalan berikut:
KEKEKALAN ENEGI
Dalam kaitan dengan tumbukan partikel, anadaikan terjadi tumbukkan
antara dua buah partikel maka: energi total dua buah partikel sebelum
tumbukan sama dengan total energy kedua partikel setelah terjadi
tumbukan.
KEKEALAN MOMENTUM LINEAR
Momentum linear total sebuah sistem terpisah selalu konstan. Artinya
bahawa momentum linear total kedua partikel sebelum dan sesudah
tumbukkan adalah sama besar.
Kedua hukum kekealan tersebut sangat penting dalam memahami dan
menganalisis beraneka ragam persoalan dalam fisika klasik.
Seringkali terdapat suatu energy potensial V yang disefinisikan
sedemikian rupa sehingga berlaku:
F 
dV
dx
(1.3)
Energi total E adalah jumlah energy kinetik dan dan energy potensial:
E=K+V
(1.4)
E = energi, K= energi kinetik, V= Eenergi potensial (satuannya Joule)
Ketika partikel sedang bergerak, K dan V dapat berubah tetapi E selalu
tetap.
Kita
akan
melihat
bahwa
teori
relativitas
khusus
akan
memberikan definisi baru tentang energy total.
Bila sebuah benda yang bergerak dengan momentum p berada pada
kedudukan r dari titik asal O maka momentum sudut L-nya adalah:
L=rxp
(1.6)
Seperti halnya momentum linear, maka bagi momentum sudut, maka
terdapat pula suatu hukum kekekalan. Dalam praktek, hukum ini
sangat bermanfaat. Sebagai contoh jika sebuah partikel bermuatan
listrik bergerak mendekati sebuah partikel bermuatan lainnya dan
dibelokkan olehnya,
maka momentum sudut total sistem tetap
konstan jika momen gaya luar yang bekerja pada kedua sistem adalah
nol.
Kelistrikan dan Kemagnetan
Gaya listrik statis antara dua muatan q1 dan q2 adalah:
F
1
q1 q 2
(1.6)
4 0 r 2
1
Dalam SI
40
= 8,988 x 109 Nm2/C2
Energi potensial listrik statis adalah:
V=
q1 q 2
4 0 r
1
(1.7)
Dengan r adalah jarak antar muatan.
Arus
listrik
I
yang
mengalir
pada
penghantar
tertentu
akan
menimbulkan medan magnet B. Kasus yang akan banyak menarik
perhatian kita adalah arus listrik yang mengalir pada pengahantar
bebentuk loop, yaitu berbentuk lingkatran dengan jari-jari r. Besar
medan magnet
B
adalah:
0 I
2r
(1.8)
B memilikisatuan Tesla sedangkan  0  4x10 7 N .s 2 / C 2
Perlu diingat lagi bahwa arah arus listrik berlawanan dengan arah
gerak sebenarnya dari elektron. Sedangkan arah medan magnet B
dipilih sesuai dengan kaidah tangan kanan: Jika anda memegang
kawat dengan tangan kanan dan ibu jari menunjuk arah arus maka
jari-jari yang lain menunjukkan arah medan magnet.
Momen magnet didefinisikan sebagai:
  iA
(1.9)
A merupakan luas permukaan yang dibatasi oleh untai arus tersebut.
Apabila ada sebuah arus untai yang ditempatkan pada sebuah medan
magnet luar Beks, maka akan timbul momen gaya  pada arus untai
yang cenderung mengarahkan momen magnet  searah dengan Beks .
   x Bes
(1.10)
Cara lain untuk menafsirkannya adalah dengan menetapkan suatu
energi potensial bagi momen magnet  dalam medan magnet luar Beks
yaitu
V= -  .Beks
(1.11)
Memahami momen magnet merupakan hal yang sangat penting
karena karena akan kita dapati bahwa partikel seperti elektron atau
proton
memiliki
momen
magnet.
Meskipun
kita
sulit
untuk
membayangkan partikel-partikel karena ukurannya yang sangat kecil
akan tetapi momen magnetnya memenuhi persamaan (1.10) dan
(1.11).
Gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa dengan
laju c (laju cahaya), yang berkaitan dengan tetapan elektromagnetik
 0 dan  0 melalui hubungan:
c=
1
(1.12)
 0 0
 0  8,85x10 12 C
Frekuensi
f
2
dan
Nm 2
panjang
gelombang
 dari sebuah gelombang
berkaitan melalui hubungan berikut:
c= f
(1.13)
Teori Kinetik Zat
Energi kinetic rata-rata dari molekul-molekul suatu gas ideal pada
temperature T adalah
K= 3 kT
2
(1.14)
Dimana k merupkan tetapan Boltzman yaitu k = 1,381x10-23 J/K
Besaran lain yang disebut satu gram molekul atau mol adalah jumlah
zat yang dinyatakan dengan massa dalam satuan gram yang sama
dengan berat molekulnya. Contoh berat molekul hydrogen adalah 2
karena tiap molekul hydrogen memiliki 2 atom dan masing-masing
bermassa 1 gram. Oleh karena itu, satu mol hydrogen massanya
sekitar 2 gram. Contoh lain adalah berat molekul besi berkisar 56.
Karena itu massa 1 mol besi kurang lebih 56 gram. 1 mol zat apapun
mengandung jumlah molekul yang sama banyak yaitu sebanyak
bilangan Avogadro, NA yaitu
NA=6,022x1023 molekul/mol
1.2
SATUAN
Panjang
Satuan SI panjang gelombang adalah meter. Panjang gelombang
elektromagnetik biasanya diukur dalam satuan nanometer (pada orde
10-9). Cahaya tampak memiliki panjang gelombang dalam rentang 400
hingga 700 nm. Panjang gelombang juga dapat dinyatakan dalam
satuan angstrom A (10-10) sebagai satuan panjang gelombang.
Energi
Satuan SI untuk energy adalah Joule (J) yang juga masih terlalu besar
nilainya bagi fisika atom dan inti. Oleh karena itu, satuan energy yang
lebih sesuai dengan atom dan inti adalah elektron-volt (eV). Definisi
dari elektron-Volt adalah energy yang dimiliki oleh suatu muatan listrik
sebesar muatan elektron (1,602x10-19C) yang dipengaruhi oleh beda
potensial sebesar 1 Volt. Karena 1 Volt=1 Joule/Coulomb maka
1 elektron Volt = 1,602 x 10-19 Joule
Biasanya untuk memudahkan, kelipatan elektron volt dapat dinyatakan
dalam bentuk seperti berikut ini:
keV=kilo elektron volt= = 103 eV
MeV = mega elektron volt = 106 eV
GeV = giga elektron volt = 109 eV
Muatan Listrik
Satuan baku muatan listrik adalah
Coulomb (C), sedangkan sebagai
satuan dasarnya adalah muatan elektron yakni e = 1,602 x 10-19 C.
Berikut ini adalah contoh menghitung energi potensial dari dua buah
elektron yang berjarak pisah r = 1,00 nm, yaitu:
2
e2
1
V

 8,988 x10 9 Nm
C2
4 0
4 0 r
1
Sehingga:
V
8,988x10
9
Nm 2
1,602x10
C
2
19
C

2
9
1x10 m
 2,307 x10 19 J
Jika dibawa dalam satuan elektron volt akan seperti berikut ini:
Karena 1 eV = 1,6 x 10-19 J maka 2,307x10-19J =
2,307 x10 19
eV  1,44eV
1,602 x10 19
Massa
Dalam SI, massa memiliki satua kilogram tetapi dalam skala atom nilai
kilogram terlalu besar untuk digunakan. Kesulitan lainnya adalah kita
sering kali tertarik untuk menggunakan persamaan Einstein, E=mc2
untuk mengubah massa ke dalam bentuk energi dan sebaliknya.
Karena
c2
adalah
suatu
bilangan
yang
sangat
besar
sehingga
pengubahan ini bukanlah hal yang mudah. Ksulitan ini diatasi dengan
mmbiarkan faktor c2 dalam pernyataan satuan massa. Sebagai contoh
dalam daftar massa partikel elementer ditemukan bahwa elektron
memiliki massa 0,511 MeV/c2. Walaupun pernyataan ini tampaknya
seperti satuan energy, sebenarnya menyatakan suatu satuan massa
dengan c2 sebagai faktor pengubah.
Satuan massa lainnya yang dapat kita jumpai adalah satuan massa
atom atau disingkat dengan u. Satuan ini sangat memudahkan dalam
mempelajari energi ikat atom.
Laju cahaya
Nilai laju cahaya yang sering digunakan dalam fisika modern adalah
3,0 x 108 m/s. Seringkali lebih memudahkan untuk mengungkapkan
laju dalam kelipatan laju cahaya, misalkan 0,6c.
Tetapan Planck
Tetapan
Planck
merupakan
tetapan
alam
mendasar
yang
dilambangkan dengan h yang nilainya adalah:
h= 6,63 x 10-34 J.s
Tetapan Planck akan muncul terutama ketika kita masuk pada fisika
kuantum.
1.3
TEORI, PERCOBAAN DAN HUKUM
Teori merupakan gagasan atau hipotesis yang menjelaskan suatu
fenomena atau gejala yang terjadi. Teori akan diuji kebenarannya
melalui percobaan atau eksperimen. Jika terbukti kebenran teori
melalui eksperimen atau percobaan, maka teori tersebut akan menjadi
hukum. Jadi hukum adalah suatu teori yang sudah dibuktikan
kebenarannya melalui eksperimen.
Fisika modern merupakan contoh perkembangan ilmu fisika yang
membutukna percobaan. Tidak ada satu topik dalam fisika modern
yang menjadi jelas hanya berdasarkan pada nalar belaka. Hanya
melalui percobaan yang sering kali sulit untuk dilakukan namun harus
tepat, barulah efek-efek tak terduga terungkap.
Teori relativitas dan fisika kuantum terkadang dipandang hanya
sebagai hipotesis belaka, dimana bukti-bukti hipotesisnya masih tetap
dihimpun dengan harapan bahwa suatu saat dengan bukti-bukti yang
diperoleh akan diajukan untuk meningkatkan status “teori” menjadi
“hukum”. Akan tetapi kita tidak perlu sampai pada pemikiran tersebut,
karena pada kenyataannyateori relativitas danteori kuantum benar-
benar merupakan suatu kumpulan fakta dan penjelasan , bukanlah
sebuah hipotesis.
Soal-Soal Latihan
1. Sebuah atom bermassa m bergerak dalam arah x positif dengan
laju v. Atom tersebut menumbuk partikel lain bermassa 2m yang
bergerak dengan laju 2v/3 ke arah sumbu y. Jika setelah
tumbukkan atom dan partikel tesebut menyatu dan bergerak
bersama-sama, carialah:
a. Laju resultan keduanya,
b. Arah gerak gabungan
c. Energi kinetik yang hilang dalam tumbukkan tidak elastik ini.
2. Sebuah atom bermassa m yang bergerak dalam arah x dengan laju
v bertumbukkan secara elastik dengan sebuah atom lain yang
bermassa 3m pada keadaan diam. Setelah tumbukkan, atom
pertama bergerak dalam arah sumbu y. carilah arah gerak atom
kedua
dan
tumbukkan.
3.
laju
kedua
atom
(dinyatakan
dalam
v)
setelah