Teori Dasar Fisika Modern — Materi Fisika SMA

Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › F.9 Fisika modern

Pada akhir abad ke-19, fisika klasik tampak hampir lengkap — sampai sejumlah eksperimen tentang cahaya tidak dapat dijelaskan. Jawabannya mengubah cara kita memandang alam: cahaya adalah gelombang sekaligus partikel, energi datang dalam paket, dan waktu ternyata tidak mutlak. Dari sini lahir sel surya, semikonduktor, GPS, dan kedokteran nuklir.

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: menganalisis teori dasar fisika modern dan pengaruhnya terhadap perkembangan teknologi. Inti materinya adalah sifat dan perilaku cahaya ditinjau dari dualisme gelombang-partikel (radiasi benda hitam, efek fotolistrik). Teori relativitas khusus serta inti atom dan radioaktivitas adalah materi pilihan. Panduan menargetkan murid mampu menganalisis setidaknya satu topik secara utuh.

🎯Yang perlu kamu kuasai

Menjelaskan radiasi benda hitam, Hukum Pergeseran Wien, dan gagasan kuanta Planck.
Menganalisis efek fotolistrik dan menghitung energi foton, fungsi kerja, dan energi kinetik elektron.
Menjelaskan dualisme gelombang-partikel dan panjang gelombang de Broglie.
Menjelaskan model atom Bohr dan spektrum garis hidrogen.
Menerapkan dilatasi waktu, kontraksi panjang, dan kesetaraan massa-energi.
Menjelaskan jenis radiasi, waktu paruh, dan pemanfaatan radioisotop.

📚Materi

1. Radiasi benda hitam

Benda yang dipanaskan memancarkan radiasi pada semua panjang gelombang, dengan puncak intensitas yang bergeser ke panjang gelombang lebih pendek saat suhunya naik (besi membara: merah → jingga → putih):

\[ \lambda_{\text{maks}} T = 2{,}9 \times 10^{-3}\ \text{m K} \]

Teori klasik meramalkan intensitas tak hingga pada panjang gelombang pendek (“bencana ultraungu”). Planck memecahkannya dengan mengandaikan energi dipancarkan dalam paket diskret (kuanta): \( E = nhf \), dengan \( h = 6{,}63 \times 10^{-34} \) J s.

2. Efek fotolistrik

Cahaya yang menyinari logam dapat melepaskan elektron. Hasil eksperimennya tidak cocok dengan teori gelombang:

Elektron hanya lepas jika frekuensi cahaya melebihi frekuensi ambang \( f_0 \), berapa pun intensitasnya.
Energi kinetik elektron bergantung pada frekuensi, bukan intensitas. Intensitas hanya menentukan jumlah elektron.
Elektron lepas seketika, tanpa jeda waktu.

Einstein menjelaskan bahwa cahaya terdiri atas foton berenergi \( E = hf = hc/\lambda \), dan satu foton diserap satu elektron:

\[ E_{k,\text{maks}} = hf - \phi, \qquad \phi = hf_0 \]

Grafik energi kinetik maksimum elektron terhadap frekuensi cahaya. Garis lurus memotong sumbu frekuensi di f nol dan perpanjangannya memotong sumbu tegak di minus phi. — Grafik Ek maks–f: kemiringannya tetapan Planck h, titik potong sumbu f adalah frekuensi ambang f₀.

Penerapan: sel surya, sensor cahaya, kamera digital. Dualisme: cahaya berperilaku sebagai gelombang (interferensi, difraksi) dan sebagai partikel (efek fotolistrik, efek Compton). Sebaliknya, partikel juga berperilaku sebagai gelombang dengan \( \lambda = h/(mv) \) (de Broglie) — dasar mikroskop elektron.

3. Model atom dan spektrum

Bohr mengusulkan elektron hanya berada pada lintasan dengan energi tertentu. Untuk hidrogen, \( E_n = -\dfrac{13{,}6}{n^2} \) eV. Elektron yang turun dari tingkat \( n_2 \) ke \( n_1 \) memancarkan foton berenergi \( E_{n_2} - E_{n_1} \), sehingga spektrum gas berupa garis-garis warna tertentu — “sidik jari” unsur yang dipakai astronom. Sinar-X dihasilkan saat elektron berenergi tinggi menumbuk logam.

4. Relativitas khusus (materi pilihan)

Dua postulat Einstein: hukum fisika sama untuk semua pengamat yang bergerak dengan kecepatan tetap, dan kelajuan cahaya di ruang hampa sama untuk semua pengamat. Akibatnya, dengan \( \gamma = 1/\sqrt{1 - v^2/c^2} \):

\[ \Delta t = \gamma \Delta t_0, \qquad L = \frac{L_0}{\gamma}, \qquad E = mc^2 \]

Jam yang bergerak berjalan lebih lambat (dilatasi waktu), benda yang bergerak memendek searah gerak (kontraksi panjang), dan massa setara dengan energi. Satelit GPS harus mengoreksi efek relativistik agar posisi di ponsel tidak meleset beberapa kilometer per hari.

5. Inti atom dan radioaktivitas (materi pilihan)

Inti tidak stabil meluruh dengan memancarkan sinar alfa (inti helium, daya tembus kecil), beta (elektron), atau gamma (gelombang elektromagnetik, daya tembus besar). Jumlah inti yang tersisa setelah waktu \( t \):

\[ N = N_0 \left(\tfrac12\right)^{t/T_{1/2}} \]

Defek massa \( \Delta m \) menghasilkan energi ikat \( \Delta m \times 931 \) MeV (Δm dalam sma). Pemanfaatan radioisotop: C-14 untuk penanggalan fosil, I-131 untuk diagnosis kelenjar tiroid, Co-60 untuk radioterapi dan sterilisasi alat medis, serta PLTN yang memakai reaksi fisi.

✏️Contoh soal

Cahaya dengan panjang gelombang 400 nm menyinari logam yang fungsi kerjanya 2,0 eV. Tentukan energi kinetik maksimum elektron dalam eV. (hc = 1.240 eV nm)

\[ E_{\text{foton}} = \frac{hc}{\lambda} = \frac{1.240}{400} = 3{,}1\ \text{eV} \]

\[ E_{k,\text{maks}} = 3{,}1 - 2{,}0 = 1{,}1\ \text{eV} \]

Periksa. Energi foton lebih besar daripada fungsi kerja, jadi elektron memang lepas. Jika intensitas dijadikan dua kali, energi kinetik maksimum tetap 1,1 eV — hanya jumlah elektronnya yang bertambah.

Jebakan. Menganggap cahaya yang lebih terang selalu melepaskan elektron. Cahaya merah seterang apa pun tidak melepaskan elektron jika frekuensinya di bawah frekuensi ambang.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Permukaan sebuah bintang memiliki puncak radiasi pada 500 nm. Berapa suhunya?

\( T = \dfrac{2{,}9 \times 10^{-3}}{5 \times 10^{-7}} = 5.800 \) K.

2. Hitung energi satu foton cahaya hijau 550 nm dalam joule.

\( E = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{5{,}5 \times 10^{-7}} \approx 3{,}6 \times 10^{-19} \) J.

3. Elektron hidrogen turun dari n = 3 ke n = 2. Berapa energi foton yang dipancarkan?

\( -13{,}6/9 - (-13{,}6/4) = -1{,}51 + 3{,}40 = 1{,}89 \) eV (garis merah deret Balmer).

4. Partikel bergerak dengan 0,6c. Waktu hidupnya dalam kerangka diamnya 2 μs. Berapa waktu hidupnya menurut pengamat di laboratorium?

\( \gamma = 1/\sqrt{1 - 0{,}36} = 1{,}25 \); \( \Delta t = 1{,}25 \times 2 = 2{,}5 \) μs.

5. Waktu paruh suatu radioisotop 8 hari. Berapa bagian yang tersisa setelah 24 hari?

24 hari = 3 waktu paruh, sisa \( (1/2)^3 = 1/8 \).

6. Mengapa teori gelombang klasik gagal menjelaskan efek fotolistrik?

Teori gelombang meramalkan cahaya yang cukup terang (berapa pun frekuensinya) pada akhirnya akan melepaskan elektron setelah energinya terkumpul, dan energi elektron bergantung pada intensitas. Eksperimen menunjukkan ada frekuensi ambang, energi bergantung pada frekuensi, dan pelepasan terjadi seketika.

🎯Latihan TKA

Belum ada soal latihan TKA yang khusus untuk topik ini. Kerjakan paket lengkapnya: TKA Fisika Paket 1 dan Paket 2.