Kajian utama dalam Fisika Modern yaitu:
1) Teori Relatifitas Khusus
Jauh sebelum Einstein lahir, Galileo Galilei telah membuat pemikiran tentang relativitas atau yang lebih dikenal dengan transformasi relativitas Galilean. Bahkan Isaac Newton pun mengembangkan hukum-hukum tentang gerak dari transformasi. Galileo berkonsep bahwa tidak ada ruang mutlak, yang ada adalah ruang relatif. Isaac Newton dengan mengacu pada transformasi Galileo, juga menolak adanya ruang mutlak. Menurut Newton, sebuah obyek hanya bisa disebut bergerak jika telah terjadi perubahan jarak dengan obyek lain (sembarang obyek) di dunia ini. Jadi yang ada hanya ruang relatif. Namun baik Galileo maupun Newton tetap meyakini adanya waktu mutlak. Yakni waktu bagi seluruh obyek di alam semesta ini adalah identik, tanpa dipengaruhi kedudukan dan kecepatan setiap obyek. Anggapan tentang waktu mutlak inilah yang direvisi oleh Einstein dengan relativitas khususnya.
Gelombang tali, gelombang bunyi, gelombang permukaan air dan gelombang mekanik lainnya merambat memerlukan medium. Cahaya atau gelombang elektromagnetik lainnya dapat merambat melalui ruang hampa. Pada abad ke-19, digunakan suatu hipotesa tentang eter sebagai medium perambatan gelombang elektromagnetik, yang disebut sebagai teori Huygens.
Hipotesanya sebagai berikut: Alam semesta di jagad raya ini banyak dipenuhi eter yang tidak mempunyai wujud, tetapi dapat menghantarkan perambatan gelombang. Teori gelombang Huygens telah membuat masalah yang harus memperoleh penyelesaian, yakni tentang medium yang merambatkan cahaya yang disebut eter.
Pada tahun 1887 Albert Michelson dan Edward Morley mengadakan percobaan-percobaan yang sangat cermat, hasilnya sangat mengejutkan, karena adanya eter tidak dapat dibuktikan dengan percobaan. Michelson dan Morley, dua orang sarjana fisika berkebangsaan Amerika Serikat, mencoba membuktikan keberadaan eter tersebut. Alat yang digunakan dinamakan Interferometer. Ternyata hasil percobaan Michelson dan Morley menunjukkan kesimpulan bahwa hipotesis adanya eter yang terdapat di setiap tempat adalah salah, atau tegasnya eter tidak ada.
Hasil percobaan Michelson dan Morley dapat disimpulkan sebagai berikut.
1) Teori Relatifitas Khusus
Jauh sebelum Einstein lahir, Galileo Galilei telah membuat pemikiran tentang relativitas atau yang lebih dikenal dengan transformasi relativitas Galilean. Bahkan Isaac Newton pun mengembangkan hukum-hukum tentang gerak dari transformasi. Galileo berkonsep bahwa tidak ada ruang mutlak, yang ada adalah ruang relatif. Isaac Newton dengan mengacu pada transformasi Galileo, juga menolak adanya ruang mutlak. Menurut Newton, sebuah obyek hanya bisa disebut bergerak jika telah terjadi perubahan jarak dengan obyek lain (sembarang obyek) di dunia ini. Jadi yang ada hanya ruang relatif. Namun baik Galileo maupun Newton tetap meyakini adanya waktu mutlak. Yakni waktu bagi seluruh obyek di alam semesta ini adalah identik, tanpa dipengaruhi kedudukan dan kecepatan setiap obyek. Anggapan tentang waktu mutlak inilah yang direvisi oleh Einstein dengan relativitas khususnya.
Gelombang tali, gelombang bunyi, gelombang permukaan air dan gelombang mekanik lainnya merambat memerlukan medium. Cahaya atau gelombang elektromagnetik lainnya dapat merambat melalui ruang hampa. Pada abad ke-19, digunakan suatu hipotesa tentang eter sebagai medium perambatan gelombang elektromagnetik, yang disebut sebagai teori Huygens.
Hipotesanya sebagai berikut: Alam semesta di jagad raya ini banyak dipenuhi eter yang tidak mempunyai wujud, tetapi dapat menghantarkan perambatan gelombang. Teori gelombang Huygens telah membuat masalah yang harus memperoleh penyelesaian, yakni tentang medium yang merambatkan cahaya yang disebut eter.
Pada tahun 1887 Albert Michelson dan Edward Morley mengadakan percobaan-percobaan yang sangat cermat, hasilnya sangat mengejutkan, karena adanya eter tidak dapat dibuktikan dengan percobaan. Michelson dan Morley, dua orang sarjana fisika berkebangsaan Amerika Serikat, mencoba membuktikan keberadaan eter tersebut. Alat yang digunakan dinamakan Interferometer. Ternyata hasil percobaan Michelson dan Morley menunjukkan kesimpulan bahwa hipotesis adanya eter yang terdapat di setiap tempat adalah salah, atau tegasnya eter tidak ada.
Hasil percobaan Michelson dan Morley dapat disimpulkan sebagai berikut.
- Hipotesis tentang keberadaan eter terbukti salah. Eter tidak ada, dan perambatan cahaya tidak memerlukan medium.
- Kecepatan cahaya sama besar ke segala arah, tidak bergantung pada kerangka acuan pengamat.
Pada tahun 1905, Albert Einstein mengemukakan Relativitas Khusus atau Teori Relativitas Khusus. Teori ini menggantikan pendapat Newton tentang ruang dan waktu dan gelombang elektromagnetik sebagaimana tertulis oleh persamaan Maxwell. Teori ini disebut "khusus" karena berlaku terhadap prinsip relativitas pada kasus "tertentu" atau "khusus" dari kerangka acuan inersial dalam ruang waktu datar, di mana efek gravitasi dapat diabaikan .
Dalam teori relativitas khusus, Einstein mengemukakan dua postulat penting sebagai berikut:
Dalam teori relativitas khusus, Einstein mengemukakan dua postulat penting sebagai berikut:
- Hukum fisika dapat dinyatakan dengan formulasi yang sama dalam semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap satu sama lain (prinsip relativitas).
- Laju cahaya dalam ruang hampa adalah c, nilai ini sama untuk semua pengamat, tidak bergantung pada keadaan gerak pengamat (laju cahaya bersifat invariant).
Postulat pertama menepis anggapan tentang kerangka acuan universal. Jika kerangka acuan universal ada, formulasi hukum fisika akan berbeda untuk pengamat yang berbeda dalam keadaan gerak relatif.
Postulat kedua muncul karena bukti empiris berdasarkan hasil dari berbagai eksperimen. Postulat kedua ini sekaligus menyatakan bahwa batas tertinggi kelajuan objek adalah c.
Postulat kedua Einstein dalam teori relativitas itu juga mengakibatkan tak berlakunya transformasi Galileo (khususnya transformasi kecepatan) untuk benda yang kelajuannya mendekati laju cahaya.
Transformasi Lorentz sesuai dengan teori relativitas khusus dan tetap berlaku untuk objek dengan kelajuan mendekati c.
Teori relativitas khusus memiliki beberapa konsekuensi yaitu kontraksi (pengerutan) panjang, dilatasi (pembesaran) waktu, massa, dan momentum relativistik, serta kesetaraan massa dan energi.
Postulat kedua muncul karena bukti empiris berdasarkan hasil dari berbagai eksperimen. Postulat kedua ini sekaligus menyatakan bahwa batas tertinggi kelajuan objek adalah c.
Postulat kedua Einstein dalam teori relativitas itu juga mengakibatkan tak berlakunya transformasi Galileo (khususnya transformasi kecepatan) untuk benda yang kelajuannya mendekati laju cahaya.
Transformasi Lorentz sesuai dengan teori relativitas khusus dan tetap berlaku untuk objek dengan kelajuan mendekati c.
Teori relativitas khusus memiliki beberapa konsekuensi yaitu kontraksi (pengerutan) panjang, dilatasi (pembesaran) waktu, massa, dan momentum relativistik, serta kesetaraan massa dan energi.
- Kontraksi Panjang
Ukuran panjang yang diukur oleh seorang pengamat bergantung dari gerak relatif benda yang diukur dari pengamat.
Ukuran panjang dari suatu benda yang bergerak dengan kecepatan tetap v terhadap pengamat
L=L_(0 ) √(1-v^2/c^2 )
Ukuran panjang dari suatu benda yang bergerak dengan kecepatan tetap v terhadap pengamat
L=L_(0 ) √(1-v^2/c^2 )
- Dilatasi Waktu (Pemuaian waktu)
Selain kontraksi panjang, akibat lain dari perumusan teori relativitas khusus adalah terjadinya dilatasi waktu. Jika ∆t0 adalah selang waktu yang diukur pengamat yang berada dalam kerangka acuan yang sama dengan peristiwa yang terjadi, ∆t adalah selang waktu yang diukur oleh pengamat pada kerangka acuan di luar kerangka acuan tempat peristiwa terjadi, dan v adalah kecepatan relatif pengamat di luar kerangka acuan tempat terjadinya peristiwa terhadap pengamat yang berbeda di dalam kerangka acuan tempat peristiwa terjadi, dilatasi waktu dirumuskan dengan
∆t = γ∆t_0 atau ∆t = (∆t_o)/√(1-v^2/c^2 )
∆t = γ∆t_0 atau ∆t = (∆t_o)/√(1-v^2/c^2 )
- Massa Relativistik
Einstein menyatakan bahwa massa juga merupakan besaran relatif jika bergerak dengan kelajuan mendekati c. Massa suatu benda ketika diam berbeda dengan massanya ketika bergerak dengan kecepatan tinggi. Jika m_0 menyatakan massa suatu benda ketika diam dan m menyatakan massa benda itu ketika bergerak, hubungan keduanya memenuhi persamaan:
m= γm_0 atau m=m_0/√(1-v^2/c^2 )
m= γm_0 atau m=m_0/√(1-v^2/c^2 )
- Kesetaraan Massa dan Energi
Salah satu hal terpenting yang merupakan konsekuensi dari formulasi teori relativitas khusus adalah konsep kesetaraan massa dan energi. Einstein menyatakan bahwa energi bias dihasilkan dari massa. Artinya, sejumlah massa tertentu dapat menghasilkan sejumlah tertentu energi.
Dengan m adalah massa benda, E adalah energy, dan c adalah laju cahaya dalam ruang hampa, konsep kesetaraan massa dan energi dirumuskan dengan sebuah persamaan sederhana
E=mc^2=(m_(0 ∙ ) c^2)/√(1-v^2/c^2 )
Dengan m adalah massa benda, E adalah energy, dan c adalah laju cahaya dalam ruang hampa, konsep kesetaraan massa dan energi dirumuskan dengan sebuah persamaan sederhana
E=mc^2=(m_(0 ∙ ) c^2)/√(1-v^2/c^2 )
- Momentum Relatifstik
Kecepatan cahaya c dalam teori relativitas menyatakan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, yaitu 3 × 108 m/s. Setiap benda bermassa yang bergerak dengan kecepatan v memiliki momentum linier sebesar
p=m ∙v
Jika kecepatan benda v suatu saat mendekati kecepatan cahaya maka massa benda berubah dan saat itu momentum benda disebut momentum relativistik. Dirumuskan:
p=(m_(0 )∙v)/√(1-v^2/c^2 )
2) Fisika Kuantum
p=m ∙v
Jika kecepatan benda v suatu saat mendekati kecepatan cahaya maka massa benda berubah dan saat itu momentum benda disebut momentum relativistik. Dirumuskan:
p=(m_(0 )∙v)/√(1-v^2/c^2 )
2) Fisika Kuantum
- Radiasi Benda Hitam
Pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi menjadi beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus digunakan untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam.
Benda hitam adalah benda ideal yang mampu menyerap atau mengabsorbsi semua radiasi yang mengenainya, serta tidak bergantung pada frekuensi radiasi tersebut. Bisa dikatakan benda hitam merupakan penyerap dan pemancar yang sempurna. Benda hitam pada temperatur tertentu meradiasi energi dengan laju lebih besar dari beanda lain. Model yang dapat digunakan untuk mengamati sifat radiasi benda hitam adalah model rongga.
Reyleigh dan Jeans menggunakan pendekatan fisika klasik untuk menjelaskan spektrum benda hitam, karena pada masa itu fisika kuantum belum diketahui. Mereka meninjau radiasi dalam rongga bertemperatur T yang dindingnya adalah pemantul sempurna sebagai sederetan gelombang elektromagnetik berdiri.
Rumus Rayleigh-Jeans
u(f)df=(8πf^2 kTdf)/c^3
Planck menemukan rumus dengan menginterpolasikan rumus wein dan rumus Rayleigh-Jeans dengan mengasumsikan bahwa terbentuknya radiasi benda hitam adalah dalam paket-paket energi.
E=hf h=6.626×〖10〗^(-23) J/s
Konsep paket energi atau energi terkuantisasi ini merupakan hipotesis Max Planck yang merupakan rumus yang benar tentang kerapatan energi radiasi benda hitam.
Benda hitam adalah benda ideal yang mampu menyerap atau mengabsorbsi semua radiasi yang mengenainya, serta tidak bergantung pada frekuensi radiasi tersebut. Bisa dikatakan benda hitam merupakan penyerap dan pemancar yang sempurna. Benda hitam pada temperatur tertentu meradiasi energi dengan laju lebih besar dari beanda lain. Model yang dapat digunakan untuk mengamati sifat radiasi benda hitam adalah model rongga.
Reyleigh dan Jeans menggunakan pendekatan fisika klasik untuk menjelaskan spektrum benda hitam, karena pada masa itu fisika kuantum belum diketahui. Mereka meninjau radiasi dalam rongga bertemperatur T yang dindingnya adalah pemantul sempurna sebagai sederetan gelombang elektromagnetik berdiri.
Rumus Rayleigh-Jeans
u(f)df=(8πf^2 kTdf)/c^3
Planck menemukan rumus dengan menginterpolasikan rumus wein dan rumus Rayleigh-Jeans dengan mengasumsikan bahwa terbentuknya radiasi benda hitam adalah dalam paket-paket energi.
E=hf h=6.626×〖10〗^(-23) J/s
Konsep paket energi atau energi terkuantisasi ini merupakan hipotesis Max Planck yang merupakan rumus yang benar tentang kerapatan energi radiasi benda hitam.
- Teori Foton
Foton atau kuanta merupakan paket-paket energi diskrit pada radiasi elektromagnetik. Tiap energi pada foton tergantung pada frekuensi f.
Sebuah foton akan bergerak dengan kecepatan cahaya, jika foton bergerak dibawah kecepatan tersebut maka foton tidak ada. Foton hanya memiliki energi kinetik dan massa diamnya adalah nol. Sedangkan momentumnya:
E=hf=hc/λ p=E/C=hf/c=h/λ
Sebuah foton akan bergerak dengan kecepatan cahaya, jika foton bergerak dibawah kecepatan tersebut maka foton tidak ada. Foton hanya memiliki energi kinetik dan massa diamnya adalah nol. Sedangkan momentumnya:
E=hf=hc/λ p=E/C=hf/c=h/λ
- Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika dikenai, dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. Istilah lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi) . Cahaya dengan frekuensi lebih besar dari frekuensi ambang yang akan menghasilkan arus elektron Foton. Energi maksimum yang terlepas dari logam akibat peristiwa fotolistrik adalah K=hf-W.
Efek fotolistrik dijelaskan secara matematis oleh Albert Einstein yang memperluas kuanta yang dikembangkan oleh Max Planck.
Hukum emisi fotolistrik:
Efek fotolistrik dijelaskan secara matematis oleh Albert Einstein yang memperluas kuanta yang dikembangkan oleh Max Planck.
Hukum emisi fotolistrik:
- Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektro yang dikeluarkan berbanding lurus dengan intensitas cahaya yg digunakan.
- Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi. di bawah frekuensi ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan.
- Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.
- Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang dari 〖10〗^(-9) detik.
- Efek Compton
Menurut Compton radiasi yang terhambur mempunyai frekuensi lebih kecil dari pada radiasi yang datang dan juga tergantung pada sudut hamburan.
Dari analisis Compton, hamburan radiasi elektromagnetik dari partikel merupakan suatu tumbukan elastik.
Δλ=λ^'-λ=h/(m_0 c)(1-cosθ)
Dari analisis Compton, hamburan radiasi elektromagnetik dari partikel merupakan suatu tumbukan elastik.
Δλ=λ^'-λ=h/(m_0 c)(1-cosθ)
- Gelombang De Broglie
Louis de Broglie merupakan ilmuwan pertama yang mengajukan hipotesisi bahwa partikel seperti halnya elektron juga dapat berperilaku sebagai gelombang. Sebaliknya, partikel (materi) dapat juga bersifat sebagai gelombang dengan panjang gelombang besar
λ=h/p atau λ=h/mv
Hipotesa de Broglie diuji kebenarannya oleh Davisson dan Germer. Hasil eksperimen Davisson dan Germer menunjukkan bahwa partikel elektron dapat mengalami difraksi. Sifat difraksi hanya dimiliki oleh gelombang sehingga dapat disimpulkan bahwa partikel memilki sifat gelombang.
Postula De Broglie menyatakan dualisme gelombang-materi selain berlaku pada radiasi elektromagnetik, juga berlaku bagi materi.
λ=h/p atau λ=h/mv
Hipotesa de Broglie diuji kebenarannya oleh Davisson dan Germer. Hasil eksperimen Davisson dan Germer menunjukkan bahwa partikel elektron dapat mengalami difraksi. Sifat difraksi hanya dimiliki oleh gelombang sehingga dapat disimpulkan bahwa partikel memilki sifat gelombang.
Postula De Broglie menyatakan dualisme gelombang-materi selain berlaku pada radiasi elektromagnetik, juga berlaku bagi materi.
- Ketidakpastian Heisenberg
Prinsip Ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa adalah (hampir) tidak mungkin untuk mengukur dua besaran secara bersamaan, misalnya posisi dan momentum suatu partikel. Prinsip ini dicetuskan oleh ilmuwan Jerman bernama Werner Heisenberg di tahun 1927 .
Terdapat hubungan timbal balik antara ketidakpastian kedudukan yang inheren dari partikel dan ketidapastian momentumnya yang inheren.
ΔpΔx≥h/4π
Untuk pengukuran energi dan selang waktu
∆E∆t≥h/4π
Terdapat hubungan timbal balik antara ketidakpastian kedudukan yang inheren dari partikel dan ketidapastian momentumnya yang inheren.
ΔpΔx≥h/4π
Untuk pengukuran energi dan selang waktu
∆E∆t≥h/4π
- Persamaan Schrodinger
Persamaan schrodinger merupakan suatu persamaan yang digunakan untu mengetahui perilaku gelombang dari partikel.
Kriteria mendapatkan persamaan yang sesuai dengan fisika kuantum yaitu:
Kriteria mendapatkan persamaan yang sesuai dengan fisika kuantum yaitu:
- Taat terhadap asas kekalan energi.
- Taat terhadap Hipotesa De Broglie.
- Persamaannya harus “berperilaku baik” secara matematik. Persamaan schrodinger waktu bebas satu dimensi: h^2/(8π^2 m) (d^2 ψ)/(dx^2 )+Vψ=Eψ
Tidak ada komentar:
Posting Komentar