Fisika kuantum adalah salah satu cabang fisika paling menarik yang menjelaskan perilaku materi dan energi pada skala atom dan subatom. Konsep-konsepnya seringkali menantang intuisi klasik, namun sangat fundamental dalam memahami alam semesta dan pengembangan teknologi modern seperti laser, transistor, dan komputasi kuantum. Untuk membantu Anda menguasai materi ini, kami telah menyusun serangkaian contoh soal fisika kuantum yang mencakup berbagai topik penting.
Pilihan Ganda
- Konsep yang menyatakan bahwa energi diradiasikan atau diabsobsi dalam paket-paket diskrit disebut…
- A. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg
- B. Dualisme Gelombang-Partikel
- C. Kuantisasi Energi
- D. Efek Fotolistrik
- E. Radiasi Benda Hitam
- Menurut Planck, energi foton berbanding lurus dengan…
- A. Amplitudo
- B. Panjang gelombang
- C. Frekuensi
- D. Kecepatan cahaya
- E. Massa partikel
- Fungsi gelombang Ψ (psi) dalam mekanika kuantum memberikan informasi tentang…
- A. Posisi pasti partikel
- B. Kecepatan pasti partikel
- C. Probabilitas menemukan partikel
- D. Energi total partikel
- E. Momentum linier partikel
- Efek fotolistrik menunjukkan bahwa cahaya dapat berperilaku sebagai…
- A. Gelombang murni
- B. Partikel murni
- C. Gelombang dan partikel
- D. Medan magnet
- E. Medan listrik
- Elektron dalam atom hidrogen hanya dapat menempati tingkat energi tertentu. Fenomena ini disebut…
- A. Efek Compton
- B. Dualisme gelombang-partikel
- C. Kuantisasi energi
- D. Prinsip Pauli
- E. Efek Zeeman
- Persamaan de Broglie menghubungkan panjang gelombang suatu partikel dengan…
- A. Massanya
- B. Kecepatannya
- C. Momentumnya
- D. Energinya
- E. Frekuensinya
- Prinsip Ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa kita tidak dapat secara bersamaan mengetahui dengan pasti…
- A. Posisi dan kecepatan
- B. Energi dan momentum
- C. Posisi dan momentum
- D. Energi dan waktu
- E. Spin dan muatan
- Jika sebuah elektron bertransisi dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, ia akan…
- A. Mengabsorbsi foton
- B. Mengemisikan foton
- C. Mengubah massanya
- D. Meningkatkan kecepatannya
- E. Mengubah muatannya
- Bilangan kuantum utama (n) dalam model atom Bohr atau mekanika kuantum menentukan…
- A. Bentuk orbital
- B. Orientasi orbital
- C. Ukuran dan energi orbital
- D. Spin elektron
- E. Jumlah elektron dalam orbital
- Efek Compton adalah fenomena hamburan foton oleh elektron yang menghasilkan…
- A. Peningkatan energi foton
- B. Penurunan energi foton
- C. Perubahan muatan foton
- D. Perubahan massa foton
- E. Pembentukan pasangan elektron-positron
- Dualisme gelombang-partikel paling jelas terlihat pada partikel dengan…
- A. Massa sangat besar
- B. Kecepatan sangat rendah
- C. Ukuran makroskopis
- D. Massa sangat kecil dan bergerak cepat
- E. Muatan listrik tinggi
- Model atom Rutherford memiliki kelemahan karena…
- A. Tidak menjelaskan kestabilan atom
- B. Tidak menjelaskan spektrum garis atom
- C. Tidak memperhitungkan inti atom
- D. A dan B benar
- E. Semua benar
- Radiasi benda hitam adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh objek dalam kesetimbangan termal. Spektrum radiasinya bergantung pada…
- A. Ukuran objek
- B. Bentuk objek
- C. Suhu objek
- D. Material objek
- E. Warna objek
- Jika panjang gelombang de Broglie suatu partikel meningkat, ini berarti…
- A. Momentum partikel meningkat
- B. Energi kinetik partikel meningkat
- C. Kecepatan partikel menurun
- D. Massa partikel meningkat
- E. Frekuensi partikel meningkat
- Dalam efek fotolistrik, energi kinetik maksimum elektron yang dikeluarkan bergantung pada…
- A. Intensitas cahaya
- B. Frekuensi cahaya
- C. Waktu penyinaran
- D. Jarak sumber cahaya
- E. Sudut datang cahaya
- Apa yang dimaksud dengan ‘spin’ elektron?
- A. Arah rotasi elektron mengelilingi inti
- B. Gerakan elektron dalam orbital
- C. Sifat intrinsik elektron yang memiliki momentum sudut
- D. Tingkat energi elektron
- E. Muatan listrik elektron
- Persamaan Schrödinger adalah persamaan fundamental dalam mekanika kuantum yang menjelaskan…
- A. Gerak partikel klasik
- B. Perilaku gelombang materi
- C. Gaya gravitasi antar partikel
- D. Radiasi benda hitam
- E. Efek fotolistrik
- Sebuah partikel dalam kotak tak hingga (infinite potential well) memiliki energi yang…
- A. Kontinu
- B. Tidak terkuantisasi
- C. Terkuantisasi
- D. Tak terbatas
- E. Negatif
- Apa yang dimaksud dengan efek terowongan kuantum (quantum tunneling)?
- A. Partikel dapat melewati penghalang energi meskipun energinya tidak cukup
- B. Partikel selalu memantul dari penghalang energi
- C. Partikel hanya dapat melewati penghalang jika energinya sangat tinggi
- D. Fenomena yang hanya terjadi pada skala makroskopis
- E. Interaksi partikel dengan medan gravitasi
- Intensitas cahaya pada efek fotolistrik mempengaruhi…
- A. Energi kinetik elektron yang terlepas
- B. Frekuensi ambang
- C. Jumlah elektron yang terlepas
- D. Fungsi kerja material
- E. Panjang gelombang ambang
Isian Singkat
- Konstanta Planck memiliki nilai sekitar 6,626 x 10⁻³⁴ Js.
- Fenomena ketika foton berinteraksi dengan elektron bebas, menyebabkan foton kehilangan energi dan berubah arah, disebut Efek ____________.
- Dalam model atom Bohr, elektron bergerak mengelilingi inti dalam lintasan ____________ tertentu.
- Jika sebuah partikel memiliki momentum p, maka panjang gelombang de Broglie-nya adalah h/p, di mana h adalah konstanta Planck.
- Probabilitas menemukan partikel pada suatu lokasi diberikan oleh kuadrat ___________ fungsi gelombang.
Uraian
- Jelaskan secara singkat perbedaan utama antara fisika klasik dan fisika kuantum dalam menjelaskan fenomena pada skala atomik. Berikan contoh fenomena yang hanya dapat dijelaskan oleh fisika kuantum.
- Terangkan konsep dualisme gelombang-partikel dan berikan contoh eksperimen yang mendukung konsep ini baik untuk cahaya maupun materi.
- Bagaimana Prinsip Ketidakpastian Heisenberg membatasi kemampuan kita untuk mengukur sifat-sifat partikel secara simultan? Berikan contoh pasangan besaran yang tunduk pada prinsip ini.
- Jelaskan apa yang dimaksud dengan fungsi kerja (work function) dalam efek fotolistrik dan bagaimana hubungannya dengan frekuensi ambang.
- Gambarkan dan jelaskan model atom Bohr, termasuk asumsi-asumsi utamanya dan mengapa model ini merupakan langkah maju dari model Rutherford.
Menjodohkan
Jodohkan pernyataan di kolom kiri dengan konsep yang tepat di kolom kanan.
Soal Menjodohkan 1:
Kolom Kiri
- Energi terkuantisasi
- Probabilitas posisi partikel
- Panjang gelombang materi
- Tidak dapat menentukan posisi dan momentum secara bersamaan
Kolom Kanan
- Fungsi gelombang Ψ²
- Prinsip Ketidakpastian Heisenberg
- Kuantisasi Planck
- De Broglie
Soal Menjodohkan 2:
Kolom Kiri
- Pelepasan elektron akibat cahaya
- Hamburan foton oleh elektron
- Model atom dengan elektron pada orbit stabil
- Sifat intrinsik elektron
Kolom Kanan
- Efek Fotolistrik
- Model Bohr
- Spin
- Efek Compton
Kunci Jawaban
Pilihan Ganda
- Jawaban: C Penjelasan: Kuantisasi energi adalah konsep fundamental dalam fisika kuantum yang menyatakan bahwa energi hanya dapat ada dalam paket-paket diskrit (kuanta).
- Jawaban: C Penjelasan: Menurut persamaan Planck, E = hf, di mana E adalah energi foton, h adalah konstanta Planck, dan f adalah frekuensi. Jadi, energi foton berbanding lurus dengan frekuensinya.
- Jawaban: C Penjelasan: Kuadrat dari amplitudo fungsi gelombang (Ψ²) memberikan probabilitas menemukan partikel pada lokasi tertentu. Fungsi gelombang sendiri tidak memberikan posisi pasti.
- Jawaban: C Penjelasan: Efek fotolistrik menunjukkan perilaku partikel (foton) dari cahaya, sementara fenomena seperti difraksi dan interferensi menunjukkan perilaku gelombang. Ini adalah inti dari dualisme gelombang-partikel.
- Jawaban: C Penjelasan: Kuantisasi energi adalah prinsip bahwa elektron dalam atom hanya dapat memiliki nilai energi diskrit tertentu, bukan nilai kontinu.
- Jawaban: C Penjelasan: Persamaan de Broglie adalah λ = h/p, di mana λ adalah panjang gelombang, h adalah konstanta Planck, dan p adalah momentum partikel.
- Jawaban: C Penjelasan: Prinsip Ketidakpastian Heisenberg secara khusus menyatakan bahwa produk ketidakpastian dalam posisi (Δx) dan momentum (Δp) suatu partikel tidak bisa kurang dari h/4π (ΔxΔp ≥ h/4π).
- Jawaban: B Penjelasan: Ketika elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, kelebihan energi dilepaskan dalam bentuk foton (emisi foton).
- Jawaban: C Penjelasan: Bilangan kuantum utama (n) menentukan tingkat energi utama dan secara kasar ukuran orbital atom.
- Jawaban: B Penjelasan: Dalam efek Compton, foton bertumbukan dengan elektron, mentransfer sebagian energinya ke elektron, sehingga foton yang terhambur memiliki energi yang lebih rendah (panjang gelombang lebih panjang).
- Jawaban: D Penjelasan: Efek kuantum (termasuk dualisme gelombang-partikel) menjadi signifikan pada partikel dengan massa sangat kecil dan bergerak pada kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, seperti elektron atau foton.
- Jawaban: D Penjelasan: Model Rutherford gagal menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke inti (ketidakstabilan atom) dan mengapa atom memancarkan spektrum garis diskrit, bukan spektrum kontinu.
- Jawaban: C Penjelasan: Hukum Wien dan hukum Stefan-Boltzmann menunjukkan bahwa spektrum dan total energi radiasi benda hitam sangat bergantung pada suhunya.
- Jawaban: C Penjelasan: Karena λ = h/p dan p = mv, jika λ meningkat, maka p harus menurun. Jika massa (m) dianggap konstan, maka kecepatan (v) harus menurun.
- Jawaban: B Penjelasan: Menurut persamaan Einstein untuk efek fotolistrik, Ek_max = hf – φ, di mana Ek_max adalah energi kinetik maksimum, hf adalah energi foton, dan φ adalah fungsi kerja. Jadi, Ek_max bergantung pada frekuensi cahaya.
- Jawaban: C Penjelasan: Spin adalah properti kuantum intrinsik dari elektron yang dapat dibayangkan sebagai momentum sudut internal, bukan rotasi fisik.
- Jawaban: B Penjelasan: Persamaan Schrödinger adalah persamaan diferensial yang menjelaskan bagaimana fungsi gelombang suatu sistem kuantum berevolusi dari waktu ke waktu.
- Jawaban: C Penjelasan: Untuk partikel dalam kotak tak hingga, energi partikel hanya dapat mengambil nilai-nilai diskrit tertentu (terkuantisasi), bukan nilai kontinu.
- Jawaban: A Penjelasan: Efek terowongan kuantum adalah fenomena di mana partikel kuantum memiliki probabilitas non-nol untuk menembus penghalang energi, bahkan jika energinya lebih rendah dari tinggi penghalang.
- Jawaban: C Penjelasan: Intensitas cahaya berkaitan dengan jumlah foton per satuan waktu. Semakin tinggi intensitas, semakin banyak foton yang datang, sehingga semakin banyak elektron yang berpotensi terlepas (jika frekuensi di atas ambang). Energi kinetik elektron bergantung pada frekuensi, bukan intensitas.
Isian Singkat
- Efek Compton
- orbit/lintasan
- mutlak
Uraian
- Fisika klasik menjelaskan fenomena pada skala makroskopis dengan hukum-hukum deterministik, di mana posisi dan momentum partikel dapat ditentukan secara tepat. Fisika kuantum menjelaskan fenomena pada skala atomik dan subatomik, di mana perilaku partikel bersifat probabilistik, energi terkuantisasi, dan berlaku dualisme gelombang-partikel serta prinsip ketidakpastian. Contoh fenomena yang hanya dapat dijelaskan fisika kuantum adalah spektrum garis atom, efek fotolistrik, dan radiasi benda hitam.
- Dualisme gelombang-partikel adalah konsep bahwa partikel (seperti elektron) dapat menunjukkan sifat gelombang, dan gelombang (seperti cahaya) dapat menunjukkan sifat partikel. Contoh eksperimen yang mendukung ini adalah:
- Untuk cahaya: Efek fotolistrik (sifat partikel/foton) dan difraksi/interferensi cahaya (sifat gelombang).
- Untuk materi: Difraksi elektron (sifat gelombang partikel) dan tumbukan elektron (sifat partikel).
- Prinsip Ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa tidak mungkin untuk mengetahui secara tepat dan simultan dua sifat komplementer dari suatu partikel, seperti posisi dan momentum, atau energi dan waktu. Jika kita mengukur satu besaran dengan presisi tinggi, ketidakpastian pada besaran pasangannya akan meningkat. Contoh pasangan besaran yang tunduk pada prinsip ini adalah (posisi, momentum) dan (energi, waktu).
- Fungsi kerja (work function, φ) adalah energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari permukaan logam. Dalam efek fotolistrik, elektron hanya akan terlepas jika energi foton (hf) lebih besar dari fungsi kerja. Frekuensi ambang (f₀) adalah frekuensi minimum cahaya yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron. Hubungannya adalah φ = hf₀.
- Model atom Bohr mengemukakan bahwa elektron mengelilingi inti dalam orbit-orbit stabil tertentu tanpa memancarkan energi. Elektron hanya dapat berpindah antar orbit dengan mengabsorbsi atau mengemisikan foton dengan energi spesifik. Asumsi utamanya adalah:
- Elektron bergerak dalam orbit melingkar stabil.
- Elektron pada orbit stabil tidak memancarkan energi.
- Elektron hanya dapat menempati orbit dengan momentum sudut terkuantisasi (L = nħ).
- Radiasi dipancarkan atau diabsobsi ketika elektron melompat antar orbit.
Model ini merupakan langkah maju dari model Rutherford karena berhasil menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen, yang tidak dapat dijelaskan oleh model Rutherford.
Menjodohkan
Soal Menjodohkan 1:
- 1 – C
- 2 – A
- 3 – D
- 4 – B
Soal Menjodohkan 2:
- 1 – A
- 2 – D
- 3 – B
- 4 – C