Gambar ini diambil dari buku Galileo berjudul Dialogue Concerning the Two Chief World Systems, yang diterbitkan pada 1632. Dialognya mengenai perdebatan antara penganut pandangan Bumi berada pada pusat alam semesta (diwakili Aristoteles dan Ptolomeus, pada gambar sebelah kiri), dan penganut pandangan Bumi beredar mengitari matahari (seperti Copernicus, pada gambar sebelah kanan dan Galileo sendiri). Galileo memang telah dilarang oleh pihak Gereja untuk mengajarkan pandangan yang menimbulkan “sengketa” ini, namun dengan mengetengahkan kedua pokok permasalahan ini lewat bukunya, ia mencoba mengelakkan larangan Gereja padanya (yang ternyata tidak berhasil). Galileo berharap bahwa dari bukti-bukti yang dikemukakannya, para pembacanya akan dapat menarik kesimpulan sendiri. Berdasarkan alasan ini, Galileo seringkali dipandang sebagai Bapak ilmu modern.
1
PENDAHULUAN
Pada akhir abad kesembilan belas, sebagian besar hal yang hendak diketahui tentang fisika tampaknya telah tuntas dipelajari. Dinamika Newton telah berulang kali mengalami pengujian ketat, dan keberhasilannya membuat ia diterima sebagai kerangka nalar dasar bagi pemahaman yang mendalam dan taat asas tentang perilaku alam. Keelektikan dan kemagnetan telah berhasil dipadukan lewat karya teoretik Maxwell, dan begitu pula gelombang elektromagnet, yang diramalkan kehadirannya oleh persamaan Maxwell, telah berhasil diamati dan diselidiki sifat-sifatnya lewat berbagai percobaanyang dilakukan Hertz. Hukum-hukum termodinamika dan teori kinetik telah pula memperlihatkan keberhasilannya, terutama dalam memberi penjelasan terpadu tentang berbagai ragam gejala alam. Lebih umum lagi, Revolusi Industri telah melahirkan tingkat kecanggihan teknologi yang bakal berdampak besar pada kehidupan dan tingkat kehidupan umat manusia di mana pun. Setelah periode perluasan perekonomian dan peta bumi, Amerika Serikat mulai menonjolkan perannya sebagai kekuatan dunia. Di Eropa, sejumlah kerajaan yang kuat berhasil menciptakan suasana mantap sehingga industrialisasi berpeluang maju dengan cepat. Namun demikian, dalam suasana yang tampaknya mantap dan menjajikan harapan ini, terpendam dendam ketidakpuasan yang beberapa tahun kemudian menyeret dunia ke kancah peperangan yang kejam, Perang Dunia I. Begitu pula, semakin meningkatnya militerisme, sebagai kekuatan nasionalisme serta revolusi politik, dan penghimpunan kekuatan Marxisme turut serta menumbangkan tatanan yang telah tercipta ini. Seni murni pun telah berada di pertengahan persimpangannya yang revolusioner, sedangkan berbagai gagasan baru mulai menguasai bidang seni lukis, patung, dan musik. Bahkan pemahaman terhadap aspek-aspek yang paling mendasar pada perilaku manusia juga menjadi sasaran perubahan kritis dan serius oleh para ilmuwan psikologi penganut pandangan Freud. Dalam dunia fisika, juga terpendam ketidakpuasan yang segera menimbulkan sejumlah perubahan revolusioner dalam alam pandangan fisikawan yang tampaknya telah mapan itu. Beberapa percobaan baru memberikan hasil pengamatan yang tidak dapat dijelaskan dengan teori-teori mekanika, elektromagnet, dan termodinamika. Meskipun sifat-sifat gelombang elektromagnet (Maxwell dan Hertz) telah dipahami dengan baik, percobaan untuk mempelajari sifat zat perantara yang menjalarkan gelombang ini tidak memberi hasil yang diharapkan. Percobaan untuk mempelajari pemancaran gelombang elektromagnet oleh benda panas yang berpijar memberikan hasil pengamatan yang tidak dapat dipahami dengan menggunakan teori-teori klasik.
Percobaan yang tidak seberapa banyaknya ini mungkin tampaknya tidaklah berarti, terutama ila dibandingkan dengan begitu banyaknya percobaan dalam abad kesembilan belas yang tercatat berhasil dan dapat dipahami. Namun demikian, semua percobaan itu bakal mempunyai pengaruh besar dan abadi, tidak hanya pada alam fisika, tetapi juga pada semua cabang ilmu pengetahuan, struktur politik dunia, serta pada cara memandang diri dan tempat kita dalam alam semesta ini. Ternyata hanya dalam jangka waktu dua dasawarsa yang singkat, hasil berbagai percobaan ini menuntun para fisikawan kepada perumusan teori relativitas khusus dan teori kuantum. Segera setelah gagasan revolusioner yang dikemukakan kedua teori ini diterima berkembanglah bidang studi fisika atom, inti (nuklir), dan zat padat. Ini diikuti dengan penerapan penelitian dalam ketiga bidang tadi yang hasilnya berdampak sangat besar dalam kehidupan sehari-hari kita dewasa ini.
Fisika modern biasanya dikaitkan dengan berbagai perkembangan yang dimulai dengan teori relativitas dan kuantum. Bidang studi ini menyangkut penerapan kedua teori baru tersebut untuk memahami sifat atom, inti atom serta berbagai partikel penyusunnya, kelompok atom dalam berbagai dan zat padat, juga pada skala kosmik (jagad raya), tentang asal mula dan evolusi alam semesta. Bahasan kita tentang fisika modern dalam buku ajar ini akan menyentuh semua bidang studi yang disebutkan tadi. Kita akan mengawali bahasan kita dengan teori relativitas, dengan mempelajari andaian-andaiannya, implikasinya, dan berbagai bukti percobaan yang mendukungnya. Setelah meninjau ulang percobaan yang mengisyaratkan kekurangan konsep fisika klasik tentang partikel dan gelombang, kita akan membahas keberhasilan teori kuantum, atau yang sering dikenal dengan nama mekanika gelombang, dalam menanggulangi kegagalan ini. Oleh karena itu, perkenalan terhadap berbagai teknik dan penerapan mekanika gelombang ini tidak akan kita bahas secara terlalu mendalam. Bagian sisa dari buku ajar ini ditujukan untuk membicarakan berbagai penerapan asas-asas ini; pertama, untuk mempelajari struktur dan sifat atom, inti atom dan partikel elementer. Kemudian akan kita perlihatkan bahwa ternyata asas yang sama dapat diterapkan pula untuk mempelajari berbagai kelompok atom, baik bagi yang sedikit jumlahnya dalam molekul maupun yang banyak jumlahnya dalam zat padat. Pada bagian akhir buku ajar ini, kita akan mengalihkan perhatian dari alam mikroskopik ke alam kosmik dan membahas penerapan fisika modern untuk memahami beberapa persoalan astrofisika dan kosmologi.
Dalam mempelajari buku ajar ini perlu anda camkan bahwa uraian yang terinci tentang fisika modern ditulis dalam abad ini, dan bahwa sebagian besar penelitian dalam bidang ini diperoleh selama masa hidup kita sekarang. Ini berarti bahwa fisika modern belumlah lengkap dan bahkan akan terus berkembang. Kebanyakan teori yang merupakan sebagian dari kegiatan studi fisika modern masih pada tingkat penghampiran (meskipun kadang-kadang sangat baik). Sering kali kita dapati bahwa setiap kali kita melihat lebih mendalam atau memperhalus teknik pengamatan, kita mempelajari sesuatu yang baru dan dipaksa memperbaiki ulang teori-teori kita untuk dapat menerangkan bagaimana penemuan baru. Akibatnya fisika modern tampak seolah-olah mengambil rupa dan struktur seperti sambungan potongan-potongan kecil kain, dengan penjelasan yang berbeda bagi tiap peristiwa yang kita pelajari. Namun dibalik semuanya itu, terdapat mekanika gelombang yang merangkul semua teori yang tampak beragam itu, dan membentuk dasar pembangunannya.
Semua cabang ilmu pengetahuan dibangun berdasarkan hasil karya sebelumnya, dan fisika modern pun tak terkecualikan, tunduk pada asas ini. Karya sebelumnya dalam kasus kita adalah fisika klasik, dan karena itu, sebelum kita mulai mempelajari fisika modern, kita akan meninjau ulang terlebih dahulu tentang beberapa asas fisika klasik yang dibutuhkan.
1.1 Tinjauan Ulang Fisika Klasik
Meskipun kita jumpai banyak bidang yang menunjukkan bahwa konsep fisika modern sangat berbeda dari fisika klasik, kita akan seringkali merasa perlu untuk merujuk kembali konsep fisika klasik. Untuk mengenali hal-hal mendasar fisika klasik yang penting dan untuk mendefinisikan notasi yang akan kita pakai, berikut disajikan suatu tinjauan ulang ringkas mengenai beberapa konsep fisika klasik yang kelak akan kita butuhkan.
Mekanika Sebuah benda bermassa m yang bergerak dengan kecepatan v memiliki energi kinetik yang didefinisikan oleh
1.1
menganalisis tumbukannya dengan menerapkan kedua hukum kekekalan berikut :
I. Kekekalan Energi Energi total sebuah sistem terpisah (resultan gaya luar yang bekerja padanya nol) selalu konstan. Ini berarti (dalam kasus ini) bahwa energi total kedua partikel sebelum tumbukan sama dengan energy total kedua partikel setelah tumbukan.
II. Kekekalan Momentum Linear Momentum linear total sebuah sistem terpisah selalu konstan; artinya, momentum linear total kedua partikel sebelum tumbukan sama dengan momentum linear total kedua partikel setelah tumbukan. Karena momentum linear adalah sebuah vektor, maka penerapan hukum ini biasanya memberikan dua buah persamaan, satu bagi komponen x dan yang lainnya bagi komponen y.
Kedua hukum kekekalan ini sangat penting dan mendasar untuk memahami dan menganalisis beraneka ragam persoalan dalam fisika klasik. Soal 1 hingga 5 pada bagian akhir bab ini meninjau ulang penggunaan kedua hukum ini.
Manfaat kedua hukum kekekalan ini sangat besar dan mendasar, sehingga meskipun dalam Bab 2 kita akan mempelajari bahwa teori relativitas khusus mengubah bentuk matematika Persamaan (1.1) dan (1.2), hukum kekekalan energi dan momentum linear akan tetap berlaku.
Ketika partikel bergerak, K dan V dapat berubah, tetapi E tetap konstan. (Dalam Bab 2 akan kita dapati bahwa teori relativitas khusus memberikan kita suatu definisi baru tentang energi total).
I. Kekekalan Energi Energi total sebuah sistem terpisah (resultan gaya luar yang bekerja padanya nol) selalu konstan. Ini berarti (dalam kasus ini) bahwa energi total kedua partikel sebelum tumbukan sama dengan energy total kedua partikel setelah tumbukan.
II. Kekekalan Momentum Linear Momentum linear total sebuah sistem terpisah selalu konstan; artinya, momentum linear total kedua partikel sebelum tumbukan sama dengan momentum linear total kedua partikel setelah tumbukan. Karena momentum linear adalah sebuah vektor, maka penerapan hukum ini biasanya memberikan dua buah persamaan, satu bagi komponen x dan yang lainnya bagi komponen y.
Kedua hukum kekekalan ini sangat penting dan mendasar untuk memahami dan menganalisis beraneka ragam persoalan dalam fisika klasik. Soal 1 hingga 5 pada bagian akhir bab ini meninjau ulang penggunaan kedua hukum ini.
Manfaat kedua hukum kekekalan ini sangat besar dan mendasar, sehingga meskipun dalam Bab 2 kita akan mempelajari bahwa teori relativitas khusus mengubah bentuk matematika Persamaan (1.1) dan (1.2), hukum kekekalan energi dan momentum linear akan tetap berlaku.
Penerapan lain dari asas kekekalan energi berlaku ketika sebuah partikel bergerak di bawah pengaruh sebuah gaya luar F. Berkaitan dengan gaya luar itu, seringkali terdapat suatu energi potensial V, yang didefinisikan sedemikian rupa sehinnga (untuk gerak satu dimensi) berlaku
F = - dV/dx
1.2
Energi total E adalah jumlah energi kinetik dan potensial :
E =K +V
(1.4)
Ketika partikel bergerak, K dan V dapat berubah, tetapi E tetap konstan. (Dalam Bab 2 akan kita dapati bahwa teori relativitas khusus memberikan kita suatu definisi baru tentang energi total).
Bila sebuah benda yang bergerak dengan momentum linear p berada pada kedudukan r dari titik asal O, maka momentum sudut l-nya terhadap titik O didefinisikan sebagai berikut :
I=r ×p
(1.5)
Seperti halnya momentum linear, maka bagi momentum sudut terdapat pula suatu hukum kekekalan. Dalam praktek, hukum ini ternyata sangat bermanfaat. Sebagai contoh, bila sebuah partikel bermuatan (elektrik) bergerak mendekati sebuah partikel bermuatan lainnya, dan dibelokkan olehnya, maka momentum sudut total sistem (kedua partikel) tetap konstan jika resultan momen-gaya (torque) luar yang bekerja pada sistem adalah nol. Jika berat partikel kedua sangat besar dibandingkan terhadap yang pertama, sehingga geraknya tidak berubah oleh pengaruh partikel pertama, maka momentum sudut partikel pertama tetap konstan (karena partikel kedua tidak memiliki momentum sudut). Keadaan yang sama terjadi ketika sebuah komet bergerak dalam medan gravitasi matahari. Ketika komet mendekati matahari, r berkurang, sehingga dengan demikian p haruslah bertambah jika l tetap konstan; komet dengan demikian bertambah kecepatannya ketika ia mendekati matahari.
Keelektrikan dan kemagnetan Gaya elektrik statik (gaya Coloumb) antara dua partikel bermuatan q1 dan q2 adalah
F = 1/(4πε0 ) . (q1 q2)/r2
(1.6)
Dalam sistem SI, yang akan kita gunakan dalam buku ajar ini, tetapan 1⁄4 πε0 memiliki nilai
Energi potensial yang bersangkutan adalah
Pada semua persamaan yang diturunkan dari Persamaan (1.6) atau (1.7), besaran 1⁄(4πε0) harus muncul. Dalam beberapa buku ajar dan rujukan, anda mungkin mendapati besaran-besaran elektrik statik tanpa tetapan ini. Dalam hal demikian, mungkin telah dipakai sistem satuan sentimeter-gram-sekon (cgs); pada sistem nilai tetapan 1⁄(4πε0) didefinisikan besarnya 1. anda harus selalu berhati-hati dalam membandingkan besaran elektrik statik dari berbagai buku dan harus selalu memeriksa sistem satuan yang dipakai.
Arus elektrik i menimbulkan medan magnet B. Kasus yang akan banyak menarik perhatian kita adalah kasus arus untai (loop) berbentuk lingkaran berjari-jari r; medan magnet pada pusat untai seperti itu adalah
Penting bagi kita untuk memahami sifat momen magnet, karena akan kita dapati bahwa partikel seperti elektron atau proton memiliki momen magnet. Meskipun kita tidak membayangkan partikel-partikel ini berupa untai-untai arus kecil, namun momen-momen magnetnya memenuhi persamaan (1.10) dan (1.11).
Aspek elektromagnet lain yang teristimewa penting adalah gelombang elektromagnet. Dalam Bab 3 kita akan membahas sifat gelombang ini secara terinci; khususnya interferensi dan difraksi akan sangat mendasar bagi bahasan kita dalam buku ajar ini. Gelombang elektromagnet ini menjalar dalam ruang hampa dengan laju c (laju cahaya), yang berkaitan dengan tetapan elektromagnet ε0 dan μ0 melalui hubungan
1/(4πε0 ) =8,998 × 〖10〗9 (N.m2)⁄C2
Energi potensial yang bersangkutan adalah
V = 1/(4πε0 ) . (q1 q2)/r
(1.7)
Pada semua persamaan yang diturunkan dari Persamaan (1.6) atau (1.7), besaran 1⁄(4πε0) harus muncul. Dalam beberapa buku ajar dan rujukan, anda mungkin mendapati besaran-besaran elektrik statik tanpa tetapan ini. Dalam hal demikian, mungkin telah dipakai sistem satuan sentimeter-gram-sekon (cgs); pada sistem nilai tetapan 1⁄(4πε0) didefinisikan besarnya 1. anda harus selalu berhati-hati dalam membandingkan besaran elektrik statik dari berbagai buku dan harus selalu memeriksa sistem satuan yang dipakai.
Arus elektrik i menimbulkan medan magnet B. Kasus yang akan banyak menarik perhatian kita adalah kasus arus untai (loop) berbentuk lingkaran berjari-jari r; medan magnet pada pusat untai seperti itu adalah
B = (μ0 i)/2r
(1.8)
Dalam sistem SI, B diukur dalam satuan tesla (satuan tesla [T] adalah satu newton per ampere-meter). Tetapan μ0 besarnya
Hendaklah selalu diingat bahwa arus i sesuai dengan perjanjian arah (positif) arus, yaitu berlawanan dengan arah sebenarnya dari gerak elektron bermuatan negatif yang membangkitkan arus elektrik. Arah B dipilih sesuai dengan kaidah tangan kanan: jika anda menggenggam kawat dengan tangan kanan dan ibu jari menunjuk arah arus, maka jari-jari anda menunjuk arah medan magnet.
Seringkali memudahkan untuk mendefinisikan momen-magnet μ dari sebuah arus untai sebagai
μ0 =4π ×10 (N.s2)⁄C2
Hendaklah selalu diingat bahwa arus i sesuai dengan perjanjian arah (positif) arus, yaitu berlawanan dengan arah sebenarnya dari gerak elektron bermuatan negatif yang membangkitkan arus elektrik. Arah B dipilih sesuai dengan kaidah tangan kanan: jika anda menggenggam kawat dengan tangan kanan dan ibu jari menunjuk arah arus, maka jari-jari anda menunjuk arah medan magnet.
Seringkali memudahkan untuk mendefinisikan momen-magnet μ dari sebuah arus untai sebagai
|μ| = iA
(1.9)
A adalah luas geometris yang dibatasi untai arus tersebut. Arah μ tegak lurus bidang untai, sesuai dengan kaidah tangan kanan. Apabila sebuah arus untai ditempatkan dalam sebuah medan magnet luar Beks, maka timbul momen gaya τ pada arus untai yang cenderung mengarahkan μ searah dengan Beks:
τ = μ × Beks
(1.10)
Cara lain untuk menafsirkannya adalah dengan menetapkan suatu energi potensial bagi momen magnet μ dalam medan magnet luar Beks, yaitu
V = - μ.Beks
(1.11)
Bila medan Beks dikenakan, maka μ berotasi sedemikian sehingga energinya cenderung menuju suatu nilai minimum, yang terjadi apabila μ dan Beks searah.Penting bagi kita untuk memahami sifat momen magnet, karena akan kita dapati bahwa partikel seperti elektron atau proton memiliki momen magnet. Meskipun kita tidak membayangkan partikel-partikel ini berupa untai-untai arus kecil, namun momen-momen magnetnya memenuhi persamaan (1.10) dan (1.11).
Aspek elektromagnet lain yang teristimewa penting adalah gelombang elektromagnet. Dalam Bab 3 kita akan membahas sifat gelombang ini secara terinci; khususnya interferensi dan difraksi akan sangat mendasar bagi bahasan kita dalam buku ajar ini. Gelombang elektromagnet ini menjalar dalam ruang hampa dengan laju c (laju cahaya), yang berkaitan dengan tetapan elektromagnet ε0 dan μ0 melalui hubungan
c = (ε0 μ0)-1⁄2
(1.12)
Gambar 1.1. Spektrum gelombang elektromagnet
Teori Kinetik Zat Energi kinetik termal rata - rata dari molekul – molekul sebuah gas ideal pada temperatur T adalah
K = 3/2 kT
(1.13)
Dimana k adalah tetapan Boltzmann
K = 1,381 x 〖10〗-23 J/K
Satauan SI suhu adalah Kelvin ( K ), bukan “ derajat kelvin “. Hati – hatilah, jangan mengacaukan symbol K untuk kelvin dengan simbol untuk energi kinetik, juga berhati – hatilah tentang kekaburan kostan Bolztmann k dengan bilangan gelombang k = 2 π /.
Besaran kT sering kali diambil sebagai taksiran kasar bagi energi kintik per partikel dalam suatu sistem partikel yang berada dalam kesetimbangan termal pada suhu T. Sebagai contoh, pada suhu ruang ( 〖20〗0C = 293 K ), energi termal rata –rata adalah sekitar 4,0 x 〖10〗-21 J, sedangkan didalam sebuah bintang bersuhu T 〖10〗7K, enegi termal rata – rata adalah sekitar 〖10〗-16J.
Besaran lainnya yang disebut 1 gram- molekul, atau mole, jumlah zat tersebut dengan nilai massa dalam gram yang sama dengan berat molekulnya. Berat molekul hidrogen adalah sekitar 2, karena tiap molekul hidrogen memiliki dua atom, dan masing – masing bemassa satuan. Oleh karena itu, 1 mol hidrogen massa sekitar 2 g. Berat molekul bsi sekitar 56; karena itu satu mol massa kurang lebih 56 g. Satu mol zat apapun mengandung jumlah molekul yang sama banyak, dan jumlahnya sama dengan bilangan Avogadro, NA yaitu
Besaran lainnya yang disebut 1 gram- molekul, atau mole, jumlah zat tersebut dengan nilai massa dalam gram yang sama dengan berat molekulnya. Berat molekul hidrogen adalah sekitar 2, karena tiap molekul hidrogen memiliki dua atom, dan masing – masing bemassa satuan. Oleh karena itu, 1 mol hidrogen massa sekitar 2 g. Berat molekul bsi sekitar 56; karena itu satu mol massa kurang lebih 56 g. Satu mol zat apapun mengandung jumlah molekul yang sama banyak, dan jumlahnya sama dengan bilangan Avogadro, NA yaitu
NA = 6,002 x 〖10〗23 molekul/mol
1.2 SATUAN DAN DIMENSI
Hampir semua tatapan dan variabel fisika yang akan kita gunakan memiliki satuan dan dimensi. Dimensi sebuah tetapan atau variabel memberitaukan kita tentang jenisnya; sebuah besaran yang dalam satu kerangka acuhan memiliki dimensi panjang, misalnya,akan tetap memiliki dimensi panjang dalm setiap kerangka acuan lainya, walaupun besar dan satuan yang kita gunakan akan berubah. Kadang – kadang memang membantu untuk menyatakan semua besaran ke dimensi dasarnya, yakni massa m, panjang l, dan waktu t, namun biasanya hal ini tidak perlu dilakukan. Yang selalu perlu anda sadari ketika anda mengerjakan suatu soal adalah merasa yakin bahwa persamaan anda taat asas secara dimensional. Misalnya, jika anda mempunyai suatu persamaan yang mengandung suku ( v + m ) dimana v = kecepatan dan m = massa, maka tidaklah disangsikan lagi bahwa anda telah melakukan suatu kesalahan – dua besaran tidak pernah dapat dijumlahkan kecuali jika mereka memiliki dimesi yang sama. [ Namun, jika persamaan anda mengandung suku ( αv + m ) dimana α sebuah tetapan, maka ia mungkin saja benar secara dimensional jika α memiliki dimensi yang sesuai ].
Memeriksa kesesuaian dimensional dari hasil pekerjaan anda merupakan kebiasaan baik yang perlu dimiliki. Ini adalah salah satu teknik yang paling sederhana untuk diterapkan dan hampir selalu dapat dilakukan secara cepat dengan sekedar memandang pernyataanya. Walaupun hasil perhitungan itu benar; tetapi keblikannya adalah benar – ketidaktaatan asas secara dimensional selalu mengisyaratkan adanya keslahan.
Kadang – kadang memang mungkin sebuah besaran untuk memiliki satuan, tetapi tidak berdimensi. Andaikan arloji anda berjalan lambat dan kehilangan 6,0 detik setiap hari. Laju kehilangan setiap hari dengan demikian adalah R = 6,0 detik/hari. R adlah suatu besaran tidak berdimensi – ia memiliki t/t – tetapi ia memiliki satuan, dan nilainya berubah bila satuannya berubah; kita dapat pula menyatakan R sebagai 0,10 menit/hari atau 0,25 detik/jam, atau bahkan dalam bentuk tanpa satuan seperti 6,9 x 〖10〗-5, yang memberikan fraksi kehilangan waktu. Contoh lainya adalah semua faktor konversi ( ubah ) seperti 25,4 mm/mci atau 1000 g/kg tidak berdimensi.
Tahun – tahun belakangan ini telah menyaksikan persetujuan dan penyebarluasan pengguna sistem satuan baru, yakni Sistem internasional, yang disebut “ SI “. Satuan – satuan sistem ini dalam kebanyakan hal mirip dengan sistem mks ( meter – kilogram – sekon ) lama, tetapi banyak satuan yang memudahkan dalam sistem mks lama telah dibuang. Tentu saja sistem inci dan kaki dan pon serta satuan – satuan lainya dalam sistem satuan “ Inggris “ lama tidak mempunyai dalam tempat sistem SI dan kita pula harus memaksa diri untuk menghindari penggunaan satuan – satuan memudahkan yang telah lazim untuk digunakan seperti atsmosfer (atm) sebagai satuan tekanan, gram per sentimeter kubik (g/〖cm〗3) sebagai kerapatan satuan massa, kalori (cal) sebagai satuan panas, dan sebagainya.
Dalam fisika modern kita jumpa pula persoalan yang sama dalam memilih satuan yang akan kita gunakan, tetapi dalam kasus kita ada lagi alasan lain – bagi kebanyakan topik yang kita pelajari, satuan SI terlalu besar untuk digunakan. Sebagai contoh, energi khas yang berkaitan dengan berbagai proses atom atau inti atom adalah sekitar 〖10〗-19 hingga 〖10〗-12 J, dan begitu pula ukuran khas sistem atom dan inti berkisar dari 〖10〗-10 hingga 〖10〗-15 m. Meskipun tidak ada alasan bagi kita untuk menolak menggunakan satuan SI ini bagi studi kita tentang fisika modern, kita akan seringkali mengalah pada kemudahan dan kebiasaan yang telah berlaku, dengan menggunakan sehimpunan satuan yang berbeda. Beberapa tetapan dan variabel yang akan kita pakai di bhas dibawah ini.
Panjang Satuan SI bagi panjang adalah jelas meter (m), tetapi kita akan membutuhkan sejumlah ukuran panjang yang lebih pendek dari pada meter bagi sistem atom dan inti. Kita akan menggunakan beberapa satuan panjang berikut:
Mikrometer = µm = 〖10〗-6 m
Nanometer = nm = 〖10〗-9 m
Femtometer = fm = 〖10〗-15 m
Panjang gelombang elektromagnet biasanya diukur dalam satuan nanometer – cahaya – tampak memiliki panjang gelombang dalam rentang 400 hingga 700 mm. Ukuran atom khasnya 0,1 nm dan inti sekitar 1 hingga 10 fm. ( Satuan fm kadang – kadang disebut dengan fermi untuk menghargai jasa Enrico Fermi, seseorang fisikawan perintis dalam bidang fisika inti eksperimen dan teori ). Dalam pelajaran anda terdahulu,mungkin anda telah menjumpai satuan angstroom A (10-10 m) sebagai satuan panjang gelombang, Ada kasus khusus yang akan kita coba dengan menggunakan satuan SI; kita akan memakai nanometer ketimbangan angstroom untu mengukur kesetimbangan gelombang.
Energi Satuan SI bagi energi adalah jaoule (J),yang masih terlalu besar nilainya bagi fisika atom dan inti.satuan yang sesuai adalah elektron–volt (eV),yang didefinisi sebagei energi yang diperoleh sebuah muatan elektrik sebesar muatan elektron setelah tertarik bebas melewati beda potensial satu volt. (volt adalah satuan SI,jadi kita sebenarnya tidak menyimpang terlalu jauh!) Karena sebuah elektron memiliki muatan elektron sebesar 1,602 x 10-19 C,dan karena 1 V=1 J/C,maka kita peroleh kesetaraan:
1eV=1,602 x 10-19 J
Hampir semua tatapan dan variabel fisika yang akan kita gunakan memiliki satuan dan dimensi. Dimensi sebuah tetapan atau variabel memberitaukan kita tentang jenisnya; sebuah besaran yang dalam satu kerangka acuhan memiliki dimensi panjang, misalnya,akan tetap memiliki dimensi panjang dalm setiap kerangka acuan lainya, walaupun besar dan satuan yang kita gunakan akan berubah. Kadang – kadang memang membantu untuk menyatakan semua besaran ke dimensi dasarnya, yakni massa m, panjang l, dan waktu t, namun biasanya hal ini tidak perlu dilakukan. Yang selalu perlu anda sadari ketika anda mengerjakan suatu soal adalah merasa yakin bahwa persamaan anda taat asas secara dimensional. Misalnya, jika anda mempunyai suatu persamaan yang mengandung suku ( v + m ) dimana v = kecepatan dan m = massa, maka tidaklah disangsikan lagi bahwa anda telah melakukan suatu kesalahan – dua besaran tidak pernah dapat dijumlahkan kecuali jika mereka memiliki dimesi yang sama. [ Namun, jika persamaan anda mengandung suku ( αv + m ) dimana α sebuah tetapan, maka ia mungkin saja benar secara dimensional jika α memiliki dimensi yang sesuai ].
Memeriksa kesesuaian dimensional dari hasil pekerjaan anda merupakan kebiasaan baik yang perlu dimiliki. Ini adalah salah satu teknik yang paling sederhana untuk diterapkan dan hampir selalu dapat dilakukan secara cepat dengan sekedar memandang pernyataanya. Walaupun hasil perhitungan itu benar; tetapi keblikannya adalah benar – ketidaktaatan asas secara dimensional selalu mengisyaratkan adanya keslahan.
Kadang – kadang memang mungkin sebuah besaran untuk memiliki satuan, tetapi tidak berdimensi. Andaikan arloji anda berjalan lambat dan kehilangan 6,0 detik setiap hari. Laju kehilangan setiap hari dengan demikian adalah R = 6,0 detik/hari. R adlah suatu besaran tidak berdimensi – ia memiliki t/t – tetapi ia memiliki satuan, dan nilainya berubah bila satuannya berubah; kita dapat pula menyatakan R sebagai 0,10 menit/hari atau 0,25 detik/jam, atau bahkan dalam bentuk tanpa satuan seperti 6,9 x 〖10〗-5, yang memberikan fraksi kehilangan waktu. Contoh lainya adalah semua faktor konversi ( ubah ) seperti 25,4 mm/mci atau 1000 g/kg tidak berdimensi.
Tahun – tahun belakangan ini telah menyaksikan persetujuan dan penyebarluasan pengguna sistem satuan baru, yakni Sistem internasional, yang disebut “ SI “. Satuan – satuan sistem ini dalam kebanyakan hal mirip dengan sistem mks ( meter – kilogram – sekon ) lama, tetapi banyak satuan yang memudahkan dalam sistem mks lama telah dibuang. Tentu saja sistem inci dan kaki dan pon serta satuan – satuan lainya dalam sistem satuan “ Inggris “ lama tidak mempunyai dalam tempat sistem SI dan kita pula harus memaksa diri untuk menghindari penggunaan satuan – satuan memudahkan yang telah lazim untuk digunakan seperti atsmosfer (atm) sebagai satuan tekanan, gram per sentimeter kubik (g/〖cm〗3) sebagai kerapatan satuan massa, kalori (cal) sebagai satuan panas, dan sebagainya.
Dalam fisika modern kita jumpa pula persoalan yang sama dalam memilih satuan yang akan kita gunakan, tetapi dalam kasus kita ada lagi alasan lain – bagi kebanyakan topik yang kita pelajari, satuan SI terlalu besar untuk digunakan. Sebagai contoh, energi khas yang berkaitan dengan berbagai proses atom atau inti atom adalah sekitar 〖10〗-19 hingga 〖10〗-12 J, dan begitu pula ukuran khas sistem atom dan inti berkisar dari 〖10〗-10 hingga 〖10〗-15 m. Meskipun tidak ada alasan bagi kita untuk menolak menggunakan satuan SI ini bagi studi kita tentang fisika modern, kita akan seringkali mengalah pada kemudahan dan kebiasaan yang telah berlaku, dengan menggunakan sehimpunan satuan yang berbeda. Beberapa tetapan dan variabel yang akan kita pakai di bhas dibawah ini.
Panjang Satuan SI bagi panjang adalah jelas meter (m), tetapi kita akan membutuhkan sejumlah ukuran panjang yang lebih pendek dari pada meter bagi sistem atom dan inti. Kita akan menggunakan beberapa satuan panjang berikut:
Mikrometer = µm = 〖10〗-6 m
Nanometer = nm = 〖10〗-9 m
Femtometer = fm = 〖10〗-15 m
Panjang gelombang elektromagnet biasanya diukur dalam satuan nanometer – cahaya – tampak memiliki panjang gelombang dalam rentang 400 hingga 700 mm. Ukuran atom khasnya 0,1 nm dan inti sekitar 1 hingga 10 fm. ( Satuan fm kadang – kadang disebut dengan fermi untuk menghargai jasa Enrico Fermi, seseorang fisikawan perintis dalam bidang fisika inti eksperimen dan teori ). Dalam pelajaran anda terdahulu,mungkin anda telah menjumpai satuan angstroom A (10-10 m) sebagai satuan panjang gelombang, Ada kasus khusus yang akan kita coba dengan menggunakan satuan SI; kita akan memakai nanometer ketimbangan angstroom untu mengukur kesetimbangan gelombang.
Energi Satuan SI bagi energi adalah jaoule (J),yang masih terlalu besar nilainya bagi fisika atom dan inti.satuan yang sesuai adalah elektron–volt (eV),yang didefinisi sebagei energi yang diperoleh sebuah muatan elektrik sebesar muatan elektron setelah tertarik bebas melewati beda potensial satu volt. (volt adalah satuan SI,jadi kita sebenarnya tidak menyimpang terlalu jauh!) Karena sebuah elektron memiliki muatan elektron sebesar 1,602 x 10-19 C,dan karena 1 V=1 J/C,maka kita peroleh kesetaraan:
1eV=1,602 x 10-19 J
No comments:
Post a Comment