Rencana Program Pembelajaran Semester (RPPS)

Transkripsi

1 Kode Mata : MAP 4108 Nama Mata : Fisika Moderen Sks : 3 SKS Prodi / Semester : S1/3 Pra / Co : Unggul P. Juswono, ( UPJ) Abdurrouf, (AR) PLO 1 Rencana Program Pembelajaran Semester (RPPS) Menguasai konsep-konsep teoritis dan prinsip-prinsip pokok fisika klasik dan fisika modern. SUB PLO (KELOMPOK FIS MODEREN DAN KUANTUM) Mahasiswa dapat menganalisis dan menyelesaikan persoalan sederhana pada kasus yang terkait dengan fisika atom (kulit dan inti) dan kuantum berdasarkan prinsip prinsip fisika moderen dan kuantum. DESKRIPSI SINGKAT : Mata kuliah ini berisikan bahasan tentang konsep dasar teori relativitas, struktur atom, dualisme partikel gelombang, teori kuantum atom hidrogren, dan atom berelektron banyak dan merupakan dasar untuk mengenal bahasan teori fisika moderen lanjutan. Mata kuliah ini juga mendasari matakuliah lanjutan seperti fisika inti dan kuantum CLO: Mahasiswa akan dapat menjelaskan dan menerapkan konsep dasar teori relativitas, struktur atom, dualisme partikel gelombang, teori kuantum atom hidrogren, dan atom berelektron banyak. LLO 1. LLO 1. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep gerak relatif. 2. LLO 2. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep relativitas khusus. 3. LLO 3. Mahasiswa dapat menjelaskan sifat sifat dualisme partikel gelombang.

2 4. LLO 4. Mahasiswa menjelaskan struktur dasar atom. 5. LLO 5. Mahasiswa dapat menentukan konfigurasi elektron yang stabil pada suatu atom. 6. LLO 6. Mahasiswa menjelaskan struktur dan tingkat tingkat energi atom hidrogen dan atom berelektron banyak serta menghitung besar energi transisi antar kulit. 7. LLO 7. Mahasiswa dapat menjelaskan teori dasar radiasi benda hitam. 8. LLO 8. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep dan menentukan arah hambur serta energi partikel pada peristiwa efek compton. 9. LLO 9. Mahasiswa menjelaskan konsep/peristiwa efek fotolistrik dan menghitung / menentukan besar fungsi kerja dari suatu logam. 10. LLO 10. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep/peristiwa produksi pasangan serta menentukan besar energi dari partikel yang terbentuk. 11. LLO 11. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep serapan radiasi dan dapat menghitung besar tebal paruh dari interaksi radiasi dengan materi. 12. LLO 12. Mahasiswa dapat menerapkan konsep prinsip ketidakpastian Heisenberg dan menghitung ketidakpastian dari pengukuran suatu besaran fisis. 13. LLO 13. Mahasiswa dapat menghitung besar energi radiasi hasil transisi elektron efek zeman. 14. LLO 14. Mahasiswa dapat menjelaskan spektrum molekul. Materi: Gerak Relatif: Transformasi Koordinat Galilei. Transformasi Kecepatan Galilei.

3 Transformasi Percepatan Galilei. Relativitas Khusus: Percobaan Michelson-Morley. Pengukuran Panjang Dan Waktu. Postulat Einstein. Transformasi Koordinat Lorentz. Kontraksi Panjang. Dilatasi Waktu. Transformasi Kecepatan Relativistik. Energi dan Momentum Relativistik. Struktur Atom: Sruktur Dasar Atom ( Inti, Kulit, Penyusun Inti). Orbit Elektron ( Kulit, Jari Jari, Energi Dan Hal Hal Yang Mempengaruhinya Serta Bagaimana Suatu Elektron Dapat Stabil Pada Lintasannya). Tingkat Tingkat Energi Elektron Pada Kulit Atom. Eksitasi, Deeksitasi dan Ionisasi. Spektrum Gelombang Elektromagnet Dari Transisi Elektron. Contoh Kasus: Hitung Panjang Gelombang Dari Hasil Transisi Elektron Dari Kulit 3 Ke Kulit 1 Dari Atom Hidrogen. Atom Hidrogen: Jari jari orbit. Kecepatan. Energi kulit. Spektrum / deret transissi (Lyman, Balmer, Paschen, Bracket, P. Fund)

4 Atom Berelektron Banyak: Struktur kulit. Konfigurasi Elektron. Aturan Aufbau, Hund, Larangan Pauli. Sinar X: Proses Terjadinya Sinar X. Anatomi Tabung Penghasil Sinar X. Fungsi Anoda, Katoda Dan Karakteristik Bahan Anoda Dan Katoda. Distribusi Sinar X Yang Dihasilkan Oleh Tabung Pesawat Sinar X. Sinar X Kontinyu Dan Karakteristik. Range Energi Sinar X. Radiasi Benda Hitam. Radiasi benda hitam Teori Releyg Jane Maxwell Efek Compton: Mekanisme Efek Compton. Sudut hambur partikel. Selisih panjang gelombang foton. Efek Fotolistrik: Teori Efek Fotolistrik. Hasil hasil experiment Efek Fotolistrik. Produksi Pasangan:

5 Penciptaan pasangan. Pemusnakhan pasangan. Dualisme Partikel Gelombang (Teori D broglie): Dualisme Gelombang - Partikel Radiasi Em. Dualisme Gelombang Partikel. Difraksi Bragg. Difraksi Elektron. Serapan Radiasi Oleh Materi: Mekanisme serapan radiasi oleh materi. Koefisien serap. Tebal paruh bahan untuk serapan radiasi tertentu. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg: Pengukuran Ketidakpastian Besaran Fisis. Hubungan Ketidakpastian Kedudukan dan Momentum. Hubungan Ketidakpastian Energi dan Waktu. Asas Saling Melengkapi. Efek Zeman: Fenomena Efek Zeeman. Percobaan Efek Zeeman. Kaidah Transisi Pada Efek Zeman. Contoh Contoh Kasus Efek Zeman. Spektrum Molekul: Ikatan Molekul.

6 Eksitasi Molekular Diatomik. Teori Kinetik Strategi Pembelajaran: Tugas terstruktur 3. Tugas mandiri Evaluasi : 1. Ujian Tengah Semester (UTS) 2. Tugas dan Quis 3. Ujian Akhir Semester Pustaka : Arthur Beiser, Concepts of Modern Physics, McGraw-Hill.Inc, Kenneth S. Krane, Modern Physics, John Wiley & Sons.Inc,Canada, 1996.

7 No. Tanggal / ke Tujuan Instruksional Khusus (LLO) Pokok bahasan Sub Pokok Bahasan Est. waktu Bentuk Pengajaran Media Pustaka 1. ke 1 LLO 1. bahasan gerak relatif menjelaskan konsep gerak relatif Gerak Relatif Sistim referensi Transformasi Galileo Kecepatan relatif dan Diskusi 2. ke 2 LLO 2. bahasan konsep relativitas khusus menjelaskan konsep relativitas khusus Relativitas Khusus Percobaan Michelson- Morley. Pengukuran Panjang Dan Waktu. Postulat Einstein. Transformasi Koordinat Lorentz. Kontraksi Panjang. Dilatasi Waktu. dan Diskusi 3. ke 3 LLO 2. bahasan konsep relativitas khusus menjelaskan konsep relativitas khusus Relativitas Khusus Transformasi kecepatan Paradok kembar Momentum, massa relativistik Energi relativistik dan Diskusi 4. ke 4 LLO3. bahasan dualisme partikel gelombang Dualisme Partikel Gelombang (Teori Postulat D Broglie Momentum Panjang gelombang Difraksi Bragg dan Diskusi

8 menjelaskan sifat sifat dualisme partikel gelombang d Broglie) Difraksi elektron Gelombang partikel dalam kotak 5. ke 5 LLO 4. bahasan struktur dasar atom menjelaskan struktur dasar atom Struktur Dasar Atom dan atom Hidrogen Sruktur Dasar Atom ( Inti, Kulit, Penyusun Inti). Orbit Elektron ( Kulit, Jari Jari, Energi Dan Hal Hal Yang Mempengaruhinya Serta Bagaimana Suatu Elektron Dapat Stabil Pada Lintasannya). Tingkat Tingkat Energi Elektron Pada Kulit Atom. Eksitasi, Deeksitasi dan Ionisasi. Spektrum Gelombang Elektromagnet Dari Transisi Elektron. Contoh Kasus: Hitung Panjang Gelombang Dari Hasil Transisi Elektron Dari Kulit 3 Ke Kulit 1 Dari Atom Hidrogen. dan Diskusi 6. ke 6 LLO 5. bahasan konfigurasi elektron mahasiswa dapat menentukan konfigurasi elektron. Konfigurasi Elektron Konfigurasi elektron Aturan aturan konfigurasi aturan Hund, Aufbau, Pauli Bilangan kuantum dan Diskusi

9 7. ke 7 LLO 6. bahasan atom hidrogen dan atom berelektron banyak menjelaskan struktur dan tingkat tingkat energi atom hidrogen dan atom berelektron banyak serta menghitung besar energi transisi antar kulit / sinar X Atom Hidrogen dan Atom Berelektron Banyak Jari jari orbit. Kecepatan. Energi kulit. Spektrum / deret transissi (Lyman, Balmer, Paschen, Bracket, P. Fund) Proses Terjadinya Sinar X. Anatomi Tabung Penghasil Sinar X. Fungsi Anoda, Katoda Dan Karakteristik Bahan Anoda Dan Katoda. Distribusi Sinar X Yang Dihasilkan Oleh Tabung Pesawat Sinar X. Sinar X Kontinyu Dan Karakteristik. Range Energi Sinar X. dan Diskusi 8. ke 8 LLO 7. bahasan radiasi benda hitam menjelaskan teori dasar radiasi benda hitam Radiasi Benda Hitam Radiasi benda hitam Teori Releyg Jane Maxwell dan Diskusi 9. ke 9 Ujian Tengah Semester

10 10. ke 10 LLO 8. bahasan efek compton menjelaskan konsep dan menentukan arah hambur serta energi partikel pada peristiwa efek Compton Efek Compton Proses terjadinya efek Compton Hukum kekekalan yang berlaku Selisih panjang gelombang dan Diskusi 11. ke 11 LLO 9. bahasan efek fotolistrik mahasiswa dapat menjelaskan konsep/peristiwa efek fotolistrik dan menghitung / menentukan besar fungsi kerja dari suatu logam Efek Fotolistrik Teori Efek Fotolistrik. Hasil hasil experiment Efek Fotolistrik dan Diskusi 12. ke 12 LLO 10. bahasan produksi pasangan mahasiswa dapat menjelaskan konsep/peristiwa produksi pasangan serta menentukan besar energi dari Produksi Pasangan Penciptaan pasangan. Pemusnahan pasangan. Energi partikel dan Diskusi

11 partikel yang terbentuk 13. ke 13 LLO 11. bahasan serapan radiasi oleh materi menjelaskan konsep serapan radiasi dan dapat menghitung besar tebal paruh dari interaksi radiasi dengan materi Serapan radiasi oleh materi Mekanisme serapan radiasi oleh materi. Koefisien serap. Tebal paruh bahan untuk serapan radiasi tertentu. dan Diskusi

12 14. ke 14 LLO 12. bahasan prinsip ketidakpastian Heisenberg mahasiswa dapat menerapkan konsep prinsip ketidakpastian Heisenberg dan menghitung ketidakpastian dari pengukuran suatu besaran fisis Prinsip Ketidakpastian Heisenberg Pengukuran Ketidakpastian Besaran Fisis. Hubungan Ketidakpastian Kedudukan dan Momentum. Hubungan Ketidakpastian Energi dan Waktu. Asas Saling Melengkapi. dan Diskusi 15. ke 15 LLO 13. bahasan efek Zeeman menghitung besar energi radiasi hasil transisi elektron efek Zeeman Efek Zeeman Fenomena Efek Zeeman. Percobaan Efek Zeeman. Kaidah Transisi Pada Efek Zeman. Contoh Kasus Efek Zeman dan Diskusi 16. ke16 LLO 14. bahasan spektrum molekul menjelaskan spektrum molekul Spektrum molekul Ikatan Molekul. Eksitasi Molekular Diatomik. Teori Kinetik dan Diskusi 17. Ujian Akhir Semester

13 CONTOH SOAL LLO 1. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep gerak relatif. a) Seorang anak dalam sebuah kereta api melempar sebuah bola kearah depan dengan laju 20 mil/jam. Jika kereta api itu bergerak dengan laju 80 mil/jam, berapakah laju bola itu bila diukur oleh orang yang berada di tanah? b) Seorang kondektur yang berdiri di peron sebuah stasiun kereta api menyinkronkan (synchronize) jamnya dengan teknisi di depan sebuah kereta api yang sedang bergerak dengan laju 60 mil/jam. Panjang kereta api itu ¼ mil. Dua setelah kereta api meninggalkan peron, tukang rem dalam kereta menyalakan rokoknya. Berapakah koordinat-koordinat tukang rem itu menurut teknisi dan kondektur, pada saat rokoknya dinyalakan? c) Seorang yang sedang duduk dalam sebuah kereta api menyalakan dua buah rokok, salah satunya sepuluh setelah yang lainnya. Kereta api sedang bergerak sepanjang garis lurus dengan laju 20 m/det. Berapakah jarak antara kedua penyalaan rokok itu menurut pengamat di tanah? LLO 2. Mahasiswa dapat menerapkan konsep relativitas khusus. a) Pilot sebuah roket yang bergerak dengan kecepatan 0,8c relatif terhadap bumi mengamati bahwa roket kedua yang mendekatinya dalam arah berlawanan bergerak dengan kecepatan 0,7c. Tentukan kecepatan roket kedua menurut pengukuran pengamat di bumi. b) Sebuah tabung pejal dengan massa diam 10 kg, luas penampang 5 cm 2 dan panjang 1m bergerak dengan kecepatan 0,5C searah dengan panjang tabung. Hitung perbedaan massa jenis dari tabung tersebut (antara keadaan diam dan bergerak). c) Sebuah partikel bermassa diam m o dan bergerak dengan kelajuan 0,6c menumbuk dan menempel pada partikel sejenis lainnya yang mula-mula diam. Berapakah massa diam dan kecepatan partikel gabungan itu? d) Seorang astronot pada saat berumur 30 tahun diberi tugas mengemudikan pesawat ruang angkasa berkecepatan 0.5 C selama 1 tahun meng-angkasa. Berapa perbedaan umur yang dirasakan oleh pengamat di bumi dan umur yang dirasakan astronot. LLO 3. Mahasiswa dapat menjelaskan dan menerapkan sifat sifat dualisme partikel gelombang. a) Pada energi kinetik berapakah dari suatu proton sehingga perhitungan nonrelativistik memberikan kesalahan perhitungan sebesar 5%? b) Jelaskan dan rumuskan besarnya tingkat energi dari suatu proton yang terjebak dalam suatu kotak selebar 1A o. c) Hitung berapa besar energi minimum yang dimiliki proton yang terjebak dalam suatu kotak selebar 1A o tersebut? d) Sebuah elektron mempunyai energi kinetik sebesar 1 GeV, hitunglah kecepatan, momentum, massa dan panjang gelombang dari elektron tersebut. e) Suatu partikel dengan massa 0.1 miligram terjebak dalam kotak selebar 20mm. Hitung energi tingkat 3 dari partikel tersebut.

14 LLO 4. Mahasiswa menjelaskan struktur dasar atom. a) Jelaskan tentang struktur dan konfigurasi elektron dalam suatu atom. b) Rumuskan tentang gaya, kecepatan, jari jari orbit dari elektron pada kulit atom dan tentukan bilangan kuantumnya. LLO 5. Mahasiswa dapat menentukan konfigurasi elektron yang stabil pada suatu atom. a) Hitung besarnya energi dan jari jari orbit elektron (ke 2) dari otom oksigen. b) Tuliskan kemungkinan bilangan kuantum dari elektron yang berada pada kulit 3d. LLO 6. Mahasiswa menjelaskan sruktur dan tingkat tingkat energi atom hidrogen dan atom berelektron banyak dan menghitung besar energi transisi antar kulit. a) Sebuah elektron beredar pada suatu kulit atom hidrogen dan mempunyai energi sebesar -13,6 ev, hitunglah jari jari orbit, kecepatan, momentum dan panjang gelombang dari elektron tersebut. b) Besarnya energi yang dihasilkan oleh deeksitasi elektron dari atom hidrogen adalah 1,9 ev. Tentukanlah asal kulit transisinya dan masuk dalam deret apa. LLO 7. Mahasiswa dapat menjelaskan teori dasar radiasi benda hitam. a) Jelaskan konsep dasar dari radiasi benda hitam. LLO 8. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep dan menentukan arah hambur serta energi partikel pada peristiwa efek compton. a) Berapakah perbandingan panjang gelombang Compton dan De Broglie dari sebuah partikel? b) Turunkan persamaan Compton λ λ = (h/m oc)(1-cos θ). c) Dalam hamburan Compton, foton dan elektron yang terhambur diamati. Didapatkan bahwa elektron memiliki energi kinetik 75 kev dan foton memiliki energi 200 kev. Berapakah panjang gelombang awal foton? d) Tentukan sudut hamburan foton dan elektron dari soal di atas!

15 e) Hitunglah energi maksimum dalam elektron volt, yang dialihkan ke sebuah elektron dalam suatu percobaan Compton, apabila kuanta yang datang adalah sinar X dengan panjang gelombang 0,50A o. f) Sebuah elektron yang mengalami tumbukan lurus (head on) dengan sebuah foton sinar X memiliki potensial henti 70 kv. Jika elektron mula-mulanya diam, berapakah panjang gelombang foton sinar X awal dan yang terhambur? LLO 9. Mahasiswa menjelaskan konsep / peristiwa efek fotolistrik dan menghitung / menentukan besar fungsi kerja dari suatu logam. a) Jelaskan syarat syarat terjadinya efek fotolistrik b) Cahaya dengan panjang gelombang 4500A o datang pada dua buah tabung efek fotolistrik. Tabung fotolistrik pertama mempunyai fungsi kerja sepadan dengan energi gelombang 6500A o, sedangkan fungsi kerja dari tabung fotolistrik ke dua besarnya dua kali fungsi kerja tabung fotolistrik pertama. Carilah potensial penghenti untuk masing masing tabung jika disinari cahaya dengan panjang gelombang 4500A o tersebut. c) Bila suatu percobaan fotolistrik dilakukan dengan menggunakan kalsium sebagai emitter, maka didapatkan potensialpotensial henti berikut : d) λ, A o v, Hz x ,18 0,958 0,822 0,741 V s, V 1,95 0,98 0,50 0,14 Tentukan tetapan planck dari data-data ini. d) Andaikan sebuah foton yang panjang gelombangnya 600A o diserap oleh sebuah atom hidrogen yang energi ionisasinya 13,6 ev. Berapakah energi kinetik elektron yang dipancarkan? LLO 10. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep / peristiwa produksi pasangan serta menentukan besar energi dari partikel yang terbentuk.

16 a) Sebuah elektron berkecepatan 0.8 C musnah bersama positron yang awalnya dalam keadaan diam dan menghasilkan dua buah foton. Satu foton teramati bergerak dengan arah tegak lurus dengan arah elektron datang. Tentukan besar energi dari foton foton tersebut b) Sebuah foton 0,0005 angstrom menghasilkan suatu pasangan positron-elektron dan memiliki energi yang sama. Tentukan energi kinetik dari masing masing partikel tersebut. c) Setelah pemusnahan pasangan, dua foton 1 MeV teramati bergerak dalam arah-arah yang berlawanan. Jika electron dan positron kedua-duanya memiliki energi kinetic yang sama, tentukan besarnya. d) Tentukan panjang gelombang ambang dalam penciptaan proton-antiproton. Massa diam proton (atau antiproton) adalah 938 MeV. LLO 11. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep serapan radiasi dan dapat menghitung besar tebal paruh dari interaksi radiasi dengan materi. a) Koefisien serap suatu bahan adalah 0,061 mm -1. Jika intensitas berkas data adalah I0, hitunglah ketebalan bahan yang diperlukan untuk memperkecil berkas menjadi I0/3. b) Berapakah ketebalan bahan A (μ a = 0, 060 mm 1 ) yang setara dengan ketebalan 8 mm bahan B (μ b = 0, 131 mm 1 ). c) Radiasi dengan intensitas sama dari sinar X 0,3A o (μ a = 0, 3 mm 1 ) dan sinar X 0,5A o (μ b = 0, 72 mm 1 ) dijatuhkan pada suatu bahan. Carilah ketebalan bahan, jika pada radiasi yang keluar, sinar X 0,3A o lebih kuat dua kali daripada sinar X 0,5A o. LLO 12. Mahasiswa dapat menerapkan konsep prinsip ketidakpastian Heisenberg dan menghitung ketidakpastian dari pengukuran suatu besaran fisis. a) Kedudukan dan momentum proton dengan energi kinetik 120 KeV ditentukan secara serentak. Jika kedudukan dapat ditentukan dengan ketidakpastian 1 angstrom, berapa persen ketidakpastian momentum dan kecepatannya. b) Untuk objek berukuran 0,5 A o, berapaah panjang gelombang terpanjang foton sehingga dengan foton ini objek ini dapat diamati? c) Untuk objek dari soal di atas, berapakah energi terkecil electron yang dapat digunakan untuk melakukan pengukuran? d) Untuk objek dari soal b, berapakah energi terkecil proton yang dapat digunakan untuk melakukan pengukuran? e) Jika sebuah foton berada dalam inti yang berdiameter m. Berapakah energi minimumnya? LLO 13. Mahasiswa dapat menghitung besar energi radiasi hasil transisi elektron efek zeman.

17 a) Jelaskan tentang efek Zeeman normal dan anomali serta aturan aturan transisinya (berikan contoh contohnya). b) Jelaskan tentang electron spin resonance (ESR) dan bagaimana teori tersebut dapat digunakan untuk menentukan jenis radikal bebas. c) Berapakah lebar pemisahan yang terjadi diantara komponen-komponen Zeeman normal yang berdampingan untuk pancaran radiasi 4500 Å dalam medan magnet 0,4 T? d) Perkirakan besar kuat medan magnet yang ditimbulkan oleh gerak orbital elektron yang menghasilkan garis-garis 7664,1 Å dan 7699,0 Å yang teramati dalam transisi L =1 ke L=0 pada kalium. e) Hitung jari jari lintasan sebuah elektron dengan energi 20 MeV yang bergerak tegak lurus melewati medan magnet B sebesar 5T. f) Transisi 2P ke 1S dalam Na memiliki panjang gelombang 5895, 9 A 0. Hitung perubahan panjang gelombang yang tampak dalam medan magnet 2T LLO 14. Mahasiswa dapat menjelaskan spektrum molekul. a) Jarak pisah frekuensi antara garis-garis berurutan dalam spektrum rotasi 35 Cl 19 F diukur sebesar 11,2 GHz. Tentukan jarak pisah antara atom-atomnya. b) Jarak pisah antar atomik molekul 12 C 16 O adalah 1,13 A o. Tentukan hampiran jarak pisah panjang gelombang antara garisgaris spektrum rotasi berurutan yang muncul sebagai akibat transisi-transisi elektronik dalam daerah tampak (5000A o ). c) Tentukan tingkat-tingkat energi rotasi H2 yang jarak pisah setimbangnya adalah 0,74 A o. d) Molekul-molekul N2 tereksitasi ke tingkat energi vibrasi n=1 dan kemudian ber-deeksitasi dengan memancarkan foton. Tentukan energi foton yang dipancarkan (tinjau saja kelima tingkat energi rotasi yang pertama untuk tiap-tiap tingkat energi vibrasi). Untuk N2, ħ 2 /2I = 2,5 x 10-4 ev, ħω v = 0,29 ev.