FISIKA MODERN I (Pendekatan Konseptual) Dr. A.Halim, M.Si
Syiah Kuala Univesity Press 2011
FISIKA MODERN I (Pendekatan Konseptual)
Dr. A. HALIM, M.Si Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Syiah Kuala
Penerbit: Syiah Kuala University Press
ii
FISIKA MODERN I (Pendekatan Konseptual)
Penulis
Dr.A.Halim, M.Si
Desain Cover
Khalil
Tata Letak / Layout
Khalil
Dicetak
CV Odaiba
Cetakan Pertama, Juni 2013 Halaman: 226+xi
ISBN: 978-979-8278-84-6
Penerbit
Syiah Kuala University Press Darussalam-Banda Aceh
iii
Daftar Isi
Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Prakata Kata Pengantar
Halaman iii vi vii x xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Pengantar 1.2. Besaran dan sistem Pengukuran 1.3. Ketidakpastian Pengukuran dan Angka Signifikansi 1.4. Sistem Satuan Internasional 1.4.1 Standar Panjang 1.4.2 Standar Massa 1.4.3 Standar waktu 1.5. Dimensi 1.6. Dimensi dan Satu dalam Fisika Modern 1.6.1 Energi 1.6.2 Massa 1.6.3 Momentum 1.6.4 Panjang 1.7. Ruang Lingkup Fisika Modern 1.8. Konsep Fisika Modern 1.9. Penerapan Konsep Fisika Modern Rangkuman Latihan Glossarium Daftar Pustaka
1 2 5 6 7 8 9 10 11 14 14 15 16 16 16 17 19 25 26 27 28
BAB II. RELATIVITAS 2.1. Pengantar 2.2.Pengaruh Kerangka Acuan 2.3.Kerangka Acuan Universal 2.4. Transformasi Galileo 2.5. Percobaan Michelson-Morley 2.6. Prinsip Relativitas Khusus Einstein 2.7. Transformasi Lorentz 2.8. Transformasi Kecepatan 2.9. Konstraksi Lorentz
29 30 31 33 35 39 47 50 57 66
iv
2.10. Dilatasi waktu 2.10.1 Perhitungan dengan metode klasik 2.10.2 Pengamat dalam Moun (kontraksi panjang) 2.10.3 Pengamat di Bumi (efek pemuluran waktu) 2.11. Massa Relativitas 2.12. Momentum dan Energi Relativistik 2.13. Indikasi Baru dalam Relativitas 2.13.1 Kaitan Energi dan Laju 2.13.2 Tachyons 2.13.3 Konsep Simetri Alamiah 2.14. Contoh Soal dan Latihan Rumah Rangkuman Latihan Glossarium Daftar Pustaka
70 76 78 79 80 84 90 91 93 97 100 107 109 111 113
BAB III. FENOMENA KUANTUM 3.1. Pengantar 3.2. Kegagalan Teori gelombang Cahaya 3.3. Radiasi Benda Hitam 3.3.1 Radiasi Thermal 3.3.2 Radiasi Benda Hitam Sempurna 3.4. Definisi Cahaya 3.5. Sifat-Sifat Cahaya 3.6. Contoh Fenomena Cahaya dalam kehidupan 3.6.1 Sel Fotolistrik dan Panel Surya 3.6.2 Pelangi 3.6.3 Bayangan Matahari pada Permukaan Air 3.6.4 Tulisan AMBULANCE 3.6.5 Warna Objek 3.7. Kesalahan Konsep Cahaya Rangkuman Latihan Glossarium Daftar Pustaka
114 115 115 121 121 123 145 146 148 148 152 153 154 155 156 166 171 174 176
BAB IV. STRUKTUR ATOM 4.1. Pengantar 4.2. Pengertian Bentuk dan Model Atom 4.3. Model-Model Atom
177 178 178 179
v
4.3.1 Model Atom Dalton 4.3.2 Model Atom J.J Thomson 4.3.3 Model Atom Rutherford 4.3.4 Model Atom Bohr 4.3.5 Model Atom Sommerfeld 4.3.6 Model atom Teori Kuantum 4.4. Struktur Atom 4.4.1 Elektron 4.4.2 Atom Hidrogen 4.5. Penggambaran distribusi elektron atom hidrogen 4.6. Kesalahan konsep elektron dan model atom Rangkuman Latihan Glossarium Daftar Pustaka Indeks
180 181 182 185 194 195 197 197 199 202 203 215 218 221 222 224
vi
Daftar Tabel No. Tabel 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 3.1
Halaman Orde Panjang hingga Terpendek Orde Massa hingga Terberat Orde Waktu hingga Terlama Bersaran Dasar dan Satuan Internasional Faktor, Awalan, dan Lambang Ukuran Perpaduan warna sesuai dengan filter
8 9 10 11 12 156
vii
Daftar Gambar No. Gambar 1.4 1.5 1.6 1.7 2.1 2.1a 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.7a 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.7a 3.7b 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14
Materi yang dibahas dalam Fisika Modern Perkembangan teknologi komunikasi Perkembangan Mikroskop berdasarkan Resolusinya Karikatur Penerapan Ilmu Fisika Lintasan lemparan bola Kerangka Acuan Transformasi Galileo Illustrasi Gerak Perenang Diagram percobaan Michelson-Morley Eather memenuhi ruang sistem tata surya Ilustrasi Pembetukan pola Interferensi Diagram Postulat Einstein Diagram Postulat Relativitas Khusus Karakteristik nilai k Kecepatan relatif benda B menurut pengamat Perbandingan hasil perhitungan antara Perbandingan hasil pengamat dalam Dua pengamat saling bergerak relatif Efek konstraksi hanya sepanjang gerak Kerdipan cahaya diamati oleh dua pengamat Illustrasi Eksperimen Friseh dan Smith Diagram peluruhan Muon Illustrasi efek relativitas massa Perbandingan energi kinetik klasik dan relatif Kecepatan benda terhadap penambahan energi Karakteristik masa partikel normal dan muon Karakteristik Momentum normal dan muon Konsep simetris dalam relativitas Konsep alam semesta tiga ruang Illutrasi percobaan tetesan minyak A Millikan Perbandingan jumlah ion pada perc.Millikan Model intensitas cahaya kuat dan lemah Daya emisi monokromatik untuk benda hitam Hasil eksperimen Lummer dan Prinsher Pola apmlitudo gelombang berdiri Illustrasi kulit bola Bidang simpul gelombang dalam 3D Illustrasi rapat titik kisi dalam unit sel jari-jari r Perbandingan pola spektrum antara teori dan Spektrum radiasi benda hitam Susunan Percobaan celah ganda Thomas Young Ilustrasi Fenomena efek fotolistrik Salah satu contoh panel surya Panel-panel surya yang dipasang pada atap rumah Contoh panel atau sel surya
Halaman 18 20 21 23 32 35 40 43 46 47 49 53 55 58 61 62 67 69 71 75 76 81 89 92 95 96 97 99 119 120 121 122 124 125 127 134 137 139 144 147 147 149 149 150
viii
3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 4.1 4.2 4.3. 4.4 4.5 4.6 4.6a 4.6b 4.6c 4.7 4.8 4.9 4.9a 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.15a 4.16 4.17
Aplikasi cahaya untuk transportasi Aplikasi cahaya untuk lampu jalan Fenomena difraksi cahaya pada pelangi Bayangan matahari pada permukaan air Dasar pembentukan bayangan matahari Perpaduan berbagai jenis warna Fenomena pembiasan cahaya Fenomena pinsil dalam air Diagram percobaan efek Compton Grafik percobaan efek Compton Model Atom Thomson Perkiraan hasil Percobaan Rutherford dengan Perkiraan hasil Percobaan hamburan alpha Model atom hasil percobaan hamburan Rutherford Bentuk kegagalan Model atom Rutherford Model atom Bohr Model Kulit atom Bohr Proses eksitasi dalam model Bohr untuk atom H Tingkat energi Hidrogen model Bohr Model atom Sommerfeld Kedudukan elektron dalam ruang tiga dimensi Model atom teori kuantum Bentuk atom yang sebenarnya hasil STM Persamaan dan Penggambaran Kerapatan Deret Spektrum atom Hidrogen Model Kuantum atom Hidrogen Distribusi Kerapatan Kemungkinan Elektron Model atom Hidrogen versi Bohr Rapat probabilitas elektron Bentuk atom yang sebenarnya hasil STM Manifestasi gelombang de Broglie pada elektron Model atom yang mewakili simbol energi
150 151 152 153 154 155 158 159 160 162 181 182 183 184 185 186 188 191 192 194 196 196 199 199 200 200 202 207 209 210 211 212
ix
Prakata Alhamdulillah dengan taufik dan hidayah dari Allah swt telah selesai penyusunan buku Fisika Modern edisi pertama pada tahun 2012. Salah satu tujuan penyusunan buku ini adalah untuk mengatasi kekurangan buku teks Fisika Modern berbahasa Indonesia. Tujuan lain agar mahasiswa yang mengikuti mata kuliah Fisika Modern memiliki pengetahuan dan pemahaman yang sama tentang konsep-konsep Fisika Modern. Dengan gaya pembahasan yang mendalam dan sistematis, diharapkan mahasiswa dengan mudah dapat mengikuti uraian konsep-konsep Fisika Modern yang dipaparkan dalam buku ini. Buku ini merupakan bagian keseluruhan Fisika Modern yang diberi nama dengan Fisika Modern I. Bagian yang kedua diberi nama Fisika Moderen II, yang akan diterbikan pada masa yang akan datang. Fisika Modern I berisi materi konsep relativitas sampai dengan struktur atom. Sedangkan Fisika Modern II berisi materi dualisme partikel gelombang sampai dengan Pengantar Zat Padat. Buku yang ada ditangan anda sekarang ini (Fisika Modern I) struktur isinya mencakup; Konsep satuan dalam Fisika Modern, Relativitas, Fenomena Kuantum, dan Struktur Atom. Buku ini diharapkan menjadi buku wajib mahasiswa Jurusan Fisika dan atau Progran Studi Pendidikan Fisika semester V dan mahasiswa yang sedang mengikuti kuliah Fisika Moderen atau Fisika Kuantum. Untuk mahasiswa jurusan elektron, buku ini menjadi dasar pemahaman tentang struktur atom dan prilaku elektron dalam bahan. Metode pengunaan buku ini secara garis besar sama seperti buku-buku teks lainnya, namun ada beberapa tambahan guna untuk memudahkan mahasiswa memahami isinya. Setiap bab dilengkapi dengan Tujuan Umum Pembelajaran dan Tujuan Khusus Pembelajaran yang seharusnya dipahami dan menjadi sasaran bagi mahasiswa agar berhasil memahami isi buku. Diakhir setiap bab disediakan latihan sebagai salah satu cara agar mahasiswa lebih akrab dan dapat menyelesaikan masalah-masalah yang terkait dengan isi dalam bab tersebut. Untuk mengetahui kebenaran jawaban, dibagian akhir buku disediakan kunci jawaban untuk latihan setiap bab. Secara khusus pada Bab III dan Bab IV penulis uraikan topik-topik konsep Cahaya dan Elektron yang sering salah dipahami oleh mahasisiwa dan bahkan oleh staf pengajar fisika. Kepada mahasiswa diharapkan isi bab tersebut diteliti dengan baik, karena setiap dikemukakan konsep yang salah dipahami, juga disertai dengan konsep yang benar atau konsep yang sama seperti pemahaman pakar fisika. Saran dan ide dari teman sejawat, staf lainnya, dan juga ide dari mahasiswa telah mewarnai isi buku ini. Kepada pengguna atau pembaca, khususnya mahasiswa sebagai konsumen utama buku ini, penulis mengharapkan dapat memberikan kritikan yang bersifat membangun demi untuk kesempurnaan buku ini dimasa yang datang. Harapan penulis buku ini bermanfaat kepada pembaca. Darussalam, awal Maret 2012. Penulis,
A.Halim
x
