Fisika Modern: Pengertian, Konsep dan Contoh

Pengertian Fisika Modern

Fisika modern adalah salah satu bagian dari ilmu Fisika yang mendalami mengenai perilaku materi dan energi dalam lingkup atomik dan partikel-partikel subatomik ataupun gelombang. Secara prinsip, fisika modern sama dengan fisika klasik.

Namun, pada fisika klasik membahas mengenai skala atomik dan subatomik, serta partikel yang dapat bergerak dengan kecepatan tinggi. Partikel-partikel tersebut bergerak mendekati atau bahkan sama dengan kecepatan cahaya, begitu tinggi kecepatannya.

Dalam teori relativitas khusus membahas mengenai perilaku kecepatan partikel yang bergerak. Ilmu fisika modern ini untuk pertama kalinya dikembangkan sejak awal abad ke 20, ilmu ini muncul akibat dari kajian ilmu fisika klasik tidak lagi mampu untuk menerangkan fenomena-fenomena pada materi kecil.

Pada mulanya, fisika modern ini muncul karena hipotesa Planck yang menyatakan bahwa ukuran besar energi suatu benda yang berosilasi atau osilator tidak lagi bersifat kontinu, melainkan bersifat diskrit atau kuanta sehingga menciptakan istilah fisika kuantum dan konsep dualisme partikel gelombang.

Tokoh-tokoh dalam ilmu fisika klasik diantaranya Isaac Newton, Galileo, Thomas Yung, Max Planck, Albert Einstein, Louis De Broglie, Paul Dirac, dan lain sebagainya.

Perbedaan Fisika Klasik dan Modern

Berikut terdapat sembilan perbedaan antara fisika klasik dengan fisika modern.

1. Pada fisika klasik menyatakan memiliki energi kontinu, sedangkan dalam fisika modern tidak memiliki energi kontinu melainkan sebuah paket-paket yang disebut dengan kuantum atau diskrit.
2. Pada fisika klasik tidak mampu menjelaskan mengenai skala atomik, sedangkan dalam fisika modern dapat menjelaskan skala atomik.
3. Pada fisika klasik menyatakan bahwa gelombang dengan partikel berlawanan, sedangkan sebaliknya dalam fisika modern gelombang dengan partikel itu tidak berlawanan.
4. Dalam fisika klasik materi yang bergerak tidak dapat dikatakan sebagai gelombang, sedangkan dalam fisika modern materi yang bergerak dapat dinyatakan sebagai gelombang.
5. Dalam fisika klasik menyatakan bahwa energi yang dipancarkan bersifat kontinu serta tergantung dengan amplitudo, berbeda dengan pernyataan fisika modern bahwa energi yang dipancarkan bersifat diskrit tidak tergantung pada amplitudo melainkan tergantung pada frekuensi.
6. Dalam fisika klasik menyatakan bahwa energi kinetik adalah berbanding lurus dengan intensitas cahaya, sedangkan dalam fisika modern menyatakan hal yang berbeda yakni energi kinetik tidak bergantung pada intensitas cahaya.
7. Pernyataan dalam ilmu fisika klasik telah mengatakan bahwa efek fotolistrik terjadi setiap frekuensi namun intensitasnya harus terpenuhi, sedangkan pernyataan pada fisika modern mengatakan bahwa efek fotolistrik dapat terjadi apabila telah memenuhi frekuensi minimum.
8. Pada fisika klasik terbagi menjadi beberapa fase yakni fase padat, cair, dan gas. Sedangkan pada fisika modern fase terbagi menjadi empat yakni plasma, gas, padat, dan cair.
9. Perbedaan terakhir, dalam fisika klasik mengatakan bahwa suatu nilai perhitungan merupakan mutlak atau deterministik, sedangkan dalam fisika modern justru menyatakan bahwa suatu nilai perhitungannya hanya nilai probabilitas atau hanya suatu nilai kemungkinan atau ekspektasi.

Konsep Fisika Modern

Secara umum fisika modern terbagi menjadi dua bagian yaitu teori kuantum lama dan teori kuantum modern. Teori kuantum lama memperkenalkan mengenai besaran-besaran fisika seperti energi. Energi adalah besaran diskrit bukan besaran kontinu yang dibahas dalam mekanik klasik.

Pada mulanya, teori kuantum lama diawali oleh hipotesa Planck yang menyatakan bahwa energi yang terpancar oleh sumber osilator bersifat kuanta atau diskrit sebab hanya bergantung pada frekuensi bukan pada amplitudo seperti dalam mekanika klasik yang mana besaran amplitudo itu kontinu atau tidak memiliki batasan.

Max Planck pada tahun 1900 memperkenalkan mengenai rumus besaran energi yang bersifat diskrit dalam merumuskan energi yang dipancarkan dalam benda hitam. Berikut rumusnya:

E = nhf

Dengan keterangan simbol:

E = Energi

n = 1, 2, 3, dst.

h = 6,626 x 10¯³⁴ Joule/detik (konstanta Planck)

f = frekuensi cahaya foton

Seorang ilmuwan yakni Albert Einstein pada tahun 1905 pernah menggunakan konstanta Planck untuk merumuskan energi yang dipancarkan oleh berkas cahaya atau foton yaitu dalam penemuan efek fotolistrik. Adapun konsep dasar dalam fisika modern adalah konsep dualisme partikel dan gelombang.

Kedua konsep tersebut menjelaskan mengenai perilaku partikel sebagai gelombang dan gelombang berperilaku sebagai partikel. Konsep-konsep ini menjadi sangat penting untuk dikaji sebab perilaku partikel dan gelombang sebelumnya sudah dipelajari dan diteliti dalam fisika klasik.

Konsep dualisme partikel gelombang sudah diamati oleh dua eksperimen yaitu efek fotolistrik oleh Albert Einstein dan eksperimen difraksi partikel atau elektron oleh G.P Thomson dan Davisson Germer. Berikut ini penjelasan mengenai efek fotolistrik dan eksperimen Davisson-Germer.

1. Efek Fotolistrik

Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan bahwa elektron atau partikel dapat menerima energi gelombang elektromagnetik yang berupa cahaya atau foton hanya dalam bentuk kuanta atau diskrit sebesar rumus berikut.

E = hf

Dengan keterangan simbol:

E = Energi

h = 6.626 x 10¯³⁴  Joule/detik (konstanta Planck)

f = frekuensi cahaya foton

Einstein melakukan eksperimen dengan menambahkan cahaya ke arah permukaan logam natrium (sodium) dan mengamati partikel-partikel atau elektron pada permukaan logam berhamburan dengan kecepatan tertentu dengan ilustrasi seperti gambar di bawah ini.

Elektron yang berhamburan tersebut mempunyai energi kinetik sebesar ½ mv² yang mana m merupakan massa elektron dan v merupakan kecepatan elektron yang terhambur. Kejadian pergerakan elektron dengan kecepatan tertentu tersebut adalah sifat dari partikel. Namun hanya cahaya dengan frekuensi atau energi tertentu yang dapat menghamburkan elektron pada permukaan logam natrium.

Hal ini berarti energi foton harus disesuaikan dengan energi yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron atau fungsi kerja logam ditambah dengan energi kinetik dari elektron yang terhambur dengan perhitungan sebagai berikut.

hf = φ + ½ mv²

Dengan keterangan simbol:

φ = energi minimum yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron yang terkait di permukaan logam.

m = massa elektron

v = kecepatan elektron

Berkat jasa dalam menemukan efek fotolistrik maka pada tahun 1921 Albert Einstein diberi penghargaan berupa Hadiah Nobel Fisika.

2. Eksperimen Davisson-Germer

Supaya lebih mudah memahami eksperimen Davisson-Germer, pahami terlebih dahulu mengenai sifat alami partikel. Pada tahun 1942, Louis Victor de Broglie merumuskan secara empiris bahwa seluruh partikel atau materi, bukan hanya cahaya, mempunyai sifat alami seperti gelombang, berikut rumusnya.

Dengan keterangan simbol:

p = momentum

h = 6.626 x 10¯³⁴  Joule/detik (konstanta Planck)

m = massa elektron

v = kecepatan elektron

λ = panjang gelombang

Gelombang dalam mekanika klasik mempunyai sifat-sifat seperti interferensi, difraksi, dan polarisasi. Pada tahun 1927 terdapat hipotesa yang dikeluarkan oleh de Broglie, kemudian hipotesis tersebut dikonfirmasi oleh dua eksperimen yang dilakukan secara terpisah oleh George Paget Thomson.

Eksperimen tersebut dilakukan dengan melewatkan berkas elektron ke dalam film tipis logam dan mengamati pola difraksi atau sifat gelombang dari elektron yang terhambur dari permukaan logam. Dari jasa tersebut pada tahun 1934, G. P. Thomson dianugerahi Nobel Fisika.

Kemudian dalam penelitian yang terpisah dilakukan oleh C. J. Davisson dan L. H. Germer melakukan penembakan elektron-elektron dengan kecepatan rendah ke dalam kristal nikel dan mengukur intensitas elektron-elektron yang terhambur dari permukaan kristal nikel tersebut pada sudut hamburan yang berbeda.

Dari hasil pengukuran tersebut menunjukkan bahwa elektron-elektron yang terhambur memiliki pola difraksi sinar X dari kristal nikel. Berdasarkan hipotesis tersebut pada tahun 1929 de Broglie dianugerahi penghargaan berupa Hadiah Nobel Fisika.Pada tahun 1934 atas penemuan difraksi elektron Davisson dianugerahi penghargaan berupa Hadiah Nobel Fisika.

Teori kuantum modern telah dikembangkan melalui perhitungan energi partikel atau elektron menggunakan persamaan gelombang yang dirumuskan oleh Erwin Schrodinger, sehingga perhitungannya terkenal dengan persamaan Schrodinger.

Dengan keterangan simbol:

Ψ = fungsi gelombang dari partikel atau elektron

m = massa elektron

ħ = h/2π

E = Energi

V = potensial

Melalui persamaan tersebut, yang dibarengi dengan eksklusi Pauli, menyatakan bahwa elektron dan partikel Fermion lain tidak dapat mempunyai keadaan kuantum yang sama seperti energi, orbital, spin, dan lain sebagainya yang merupakan dasar bagi implementasi teori kuantum modern.

Implementasi tersebut dari teori kuantum modern tidak dapat menjelaskan efek Zeeman, atom berelektron banyak, osilator harmonis, dan atom hidrogen. Baik teori kuantum klasik maupun modern terdapat beberapa model atom yang telah dikembangkan oleh Thomson, Rutherford, Bohr, dan Sommerfeld.

Contoh Penerapan Fisika Modern

Adapun contoh penerapan fisika modern yang ada pada kehidupan sehari-hari yang melingkupi berbagai bidang mulai dari telekomunikasi, kedokteran, dunia industri, militer, dan lain sebagainya. Dalam bidang telekomunikasi terdapat contoh penerapan fisika modern sebagai berikut.

Terdapat pengiriman informasi yang dulunya menggunakan asap, kemudian telepon, smartphone, komputer atau PC, serat optik dan lain sebagainya bahkan saat ini sudah banyak yang menerapkan teknologi VoIP atau voice over internet protocol.

Perkembangan implementasi fisika modern juga diawali sejak ditemukannya LASER atau light amplification by stimulated emission of radiation yang banyak digunakan sebagai barcode di tempat perbelanjaan, display, hiburan, telekomunikasi, holografi dalam pembuatan data maupun dalam dunia militer atau persenjataan.

Dalam bidang kedokteran yang memerlukan citra objek lebih kecil menjadikan eksistensi fisika modern semakin berkembang dan bermanfaat sejak diciptakan mikroskop elektron dan mikroskop laser. Melalui kedua jenis mikroskop ini akan mempermudah kegiatan medis dalam penelitiannya.

Kedua jenis mikroskop ini dapat digunakan untuk mengamati objek kecil seperti sel darah manusia, sel-sel dalam organ tubuh baik manusia ataupun hewan dapat dilihat dengan jelas sehingga dapat mempermudah dalam mendiagnosa penyakit. Berikut contoh perkembangan fisika modern dalam bidang kedokteran.

Penutup

Fisika modern dapat dipahami sebagai pengembangan dari fisika klasik dalam objek yang sangat kecil berwujud partikel atau elektron. Perumusan-perumusan yang digunakan dalam fisika modern sama dengan yang dirumuskan dalam fisika klasik.

Namun, perbedaannya adalah pada fisika modern prinsipnya diawali dengan besaran yang bersifat diskrit atau kuanta sehingga sering disebut dengan disikakuantun. Fisika modern juga secara umum terbagi menjadi dua teori yaitu teori kuantum lama dan teori kuantum modern.

Dasar dari teori kuantum modern adalah konsep dualisme partikel sebagai gelombang dan gelombang sebagai partikel. Sedangkan dalam teori kuantum lama didasari oleh persamaan dalam menentukan energi partikel atau elektron.

Contoh penerapan fisika modern tercermin dalam kehidupan di lingkungan sekitar melalui berbagai bidang nilai dari pemanfaatan teknologi laser, telekomunikasi dengan kecepatan tinggi, bidang kedokteran, dan lain sebagainya.