Teori Relativitas Khusus dan Fenomena Kuantum – Fisika Kelas 12

Teori Relativitas

Halo, Quipperian! Gimana, masih semangat belajar enggak, nih? Kali ini Quipper Blog mengajak kamu untuk membahas tentang teori relativitas dan fenomena kuantum. Apa itu teori relativitas?

Teori relativitas umum ialah teori geometri tentang gravitasi yang diperkenalkan Albert Einstein pada 1916. Teori ini menjelaskan gravitasi termutakhir dalam fisika modern. Ia menyatukan teori Einstein sebelumnya, relativitas khusus, dengan hukum gravitasi Newton. Hal ini dilakukan dengan melihat gravitasi bukan sebagai gaya, tapi lebih sebagai manifestasi dari kelengkungan dan waktu. 

Wah, kayaknya seru banget ya membahas tentang gravitasi? Kalau gitu, yuk langsung saja kita simak pembahasannya di bawah ini!

A. Teori Relativitas Khusus

Quipperian, teori relativitas khusus didasarkan pada dua postulat Einstein, yaitu sebagai berikut:

  1. Hukum fisika dapat dinyatakan dalam bentuk matematis yang sama, meskipun diamati dari kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap terhadap kerangka acuan yang lain.
  2. Kelajuan cahaya dalam ruang hampa adalah konstan untuk semua pengamat, tidak bergantung pada gerak sumber cahaya maupun pengamat.

1. Relativitas Kecepatan

Tidak ada kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya. Rumus penjumlahan kecepatan relativitas ialah sebagai berikut.

Relativitas Kecepatan

2. Relativitas Panjang

Menurut teori ini, jika benda bergerak mendekati kecepatan cahaya, maka panjang benda seolah-olah tampak memendek (kontraksi panjang). Apabila diukur oleh pengamat yang diam terhadap benda tersebut, relativitas panjang bisa dirumuskan sebagai berikut:

Relativitas Panjang

3. Relativitas Massa

Jadi, kalau kata Einstein, nih, massa benda yang bergerak (m) akan lebih besar daripada massa benda tersebut saat diam (mo). Rumusnya adalah sebagai berikut:

Relativitas Massa

4. Relativitas Waktu (Dilatasi Waktu)

Merupakan waktu yang diukur oleh sebuah jam yang bergerak terhadap kejadian lebih besar daripada jam yang diam terhadap kejadian. Relativitas waktu bisa dirumuskan sebagai berikut:

Relativitas Waktu (Dilatasi Waktu)

5. Kesetaraan Massa dan Energi

Menurut Einstein, jika terjadi penyusutan massa, maka akan timbul energi. Hal ini menunjukkan adanya kesetaraan massa dan energi. Benda yang diam maupun bergerak memiliki energi.

Energi saat benda diam dan saat bergerak atau energi total dapat dirumuskan sebagai berikut.

Kesetaraan Massa dan Energi

Sementara itu, hubungan antara energi total, energi diam, dan energi kinetik adalah sebagai berikut.

Kesetaraan Massa dan Energi 2

6. Momentum Relativistik

Tiap benda yang bergerak dengan kecepatan v, memiliki momentum linier yang berbanding lurus dengan massa dan kecepatannya. Momentum suatu benda bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya c, akan mengalami perubahan dalam momentum tersebut karena mengalami gejala relativitas. Berikut rumusnya, Quipperian.

Momentum Relativistik

B. Fenomena Kuantum

Quipperian, beberapa tokoh fenomena kuantum di alam adalah Arthur Compton, C. V. Raman, dan Pieter Zeeman. Masing-masing tokoh ini punya nama efek kuantum dari namanya sendiri.

1. Teori Max Planck

Teori kuantum dikemukakan oleh Plank terkait dengan cahaya. Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik berupa paket-paket energi yang terkuantisasi (diskrit) yang tak bermuatan dan disebut dengan “foton”. Energi satu foton dirumuskan sebagai berikut.

Teori Max Planck

Energi n foton dirumuskan sebagai berikut.

Teori Max Planck 2

2. Efek Fotolistrik

Nah, kalau efek fotolistrik ialah gejala terlepasnya elektron dari permukaan logam saat dijatuhi gelombang elektromagnetik. Menurut Einstein, elektron-elektron pada permukaan gelombang menyerap energi gelombang elektromagnetik yang memiliki energi ikat sebesar hfo dan elektron yang keluar berenergi Ek= 12mv2 . Syarat elektron keluar dari permukaan logam adalah sebagai berikut.

Efek Fotolistrik

Sementara energi kinetik elektron dan potensial henti dirumuskan sebagai berikut.

Efek Fotolistrik 2

3. Efek Compton

Quipperian, pada percobaan penembakan elektron yang diam oleh foton, ternyata elektron tersebut terpental. Fotonnya terhambur dengan energi lebih kecil karena panjang gelombangnya lebih besar daripada foton yang datang. Pergeseran panjang gelombang foton dirumuskan sebagai berikut.  

Efek Compton

4. Difraksi Elektron

Menurut teori fisika klasik, elektron punya perilaku seperti partikel. Elektron hanya berpindah pada garis lurus dan tidak membelok, kecuali terdapat faktor luar seperti medan magnet.

Difraksi Elektron

Hasil eksperimen Davisson-Germer menunjukkan bahwa elektron memiliki sifat gelombang. Elektron akan terdifraksi melalui celah sangat sempit dan saling berinteraksi seperti gelombang. Hal ini bersesuaian dengan hipotesis de Broglie, di mana elektron memiliki dualisme sifat gelombang-partikel.

5. Radiasi Benda Hitam

Ayo, siapa yang belum tahu tentang benda hitam? Benda hitam adalah benda yang akan menyerap seluruh radiasi yang mengenainya atau benda yang tidak memantulkan cahaya yang mengenainya. Radiasi yang dipancarkan benda hitam disebut dengan radiasi benda hitam.

Berdasarkan Hukum Stefan-Boltzmann, “Jumlah energi yang dipancarkan benda hitam per satuan luas permukaan per satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya”. Rumusnya dapat dinyatakan sebagai berikut.

Radiasi Benda Hitam

6. Hukum Pergeseran Wien

Hukum pergeseran Wien menjelaskan bahwa spektrum radiasi benda hitam pada suhu berapa pun berkorelasi dengan spektrum pada suhu lainnya. Dengan kata lain, jika bentuk spektrum pada suatu suhu diketahui, bentuk spektrum pada suhu lainnya dapat ditentukan. Menurut Wien, “Panjang gelombang untuk intensitas cahaya maksimum berkurang dengan meningkatnya suhu”. Berikut rumusnya.

Hukum Pergeseran Wien

7. Panjang Gelombang de Broglie

Pada tahun 1924, seorang fisikawan asal Prancis, Louis de Broglie menyatakan hipotesisnya tentang dualisme gelombang-partikel. Menurut de Broglie, semua partikel juga memiliki sifat seperti gelombang. Panjang gelombang de Broglie untuk partikel dirumuskan sebagai berikut.  

Panjang Gelombang de Broglie

Latihan Soal

Quipperian, biar kamu bisa memahami materi ini lebih lanjut, yuk coba kerjakan contoh soal di bawah ini.

Pada acara hari kemerdekaan, diadakan parade pesawat dari pasukan angkatan udara. Dua pilot terbaik melakukan demo akrobatik di udara dengan pesawat khusus. Pilot pertama dengan pesawat A dan pilot kedua dengan pesawat B bergerak dengan kecepatan berturut-turut 0,6 c dan 123c. Diketahui massa diam pesawat A dan B adalah sama. Jika c adalah kelajuan cahaya di udara, maka rasio energi kinetik pesawat A dan B adalah…

  1. 8 : 1
  2. 1 : 4
  3. 2 : 1
  4. 2 : 3
  5. 3 : 4

Jawaban: B

Nah, Quipperian kamu tentu mau tahu kan pembahasan lengkap soal di atas? Cek di video ini saja, ya untuk pembahasan lengkapnya! 

 

Itulah pembahasan kali ini dari Quipper Blog tentang teori relativitas dan fenomena kuantum. Gimana, Quipperian? Sangat memberikan pencerahan, kan? Buat kamu yang masih mau belajar lebih lanjut tentang materi ini atau materi lainnya, yuk langsung saja gabung dengan Quipper Video, ya!