Pahami lebih dalam konsep dualisme gelombang-partikel melalui kumpulan latihan soal fisika ini. Materi dualisme gelombang-partikel merupakan salah satu pilar penting dalam fisika modern yang menjelaskan bahwa cahaya dan materi dapat menunjukkan sifat gelombang sekaligus sifat partikel. Topik ini mencakup efek fotolistrik, efek Compton, teori foton Planck dan Einstein, serta hipotesis de Broglie tentang gelombang materi. Latihan soal ini dirancang untuk menguji pemahaman Anda mulai dari konsep dasar hingga perhitungan, mencakup berbagai jenis pertanyaan seperti pilihan ganda, isian singkat, uraian, dan menjodohkan. Dengan mengerjakan soal-soal ini, Anda akan semakin siap menghadapi ujian fisika dan memiliki pemahaman yang kuat tentang bagaimana cahaya dan materi berinteraksi di tingkat kuantum. Tingkatkan kompetensi Anda dalam fisika modern sekarang juga!
Contoh Soal soal fisika materi dualisme
A. Pilihan Ganda
1. Manakah pernyataan yang paling tepat mengenai konsep dualisme gelombang-partikel?
- A. Cahaya hanya dapat berperilaku sebagai gelombang.
- B. Materi hanya dapat berperilaku sebagai partikel.
- C. Cahaya dan materi dapat menunjukkan sifat gelombang dan partikel.
- D. Dualisme gelombang-partikel hanya berlaku untuk elektron.
- E. Hanya partikel yang bergerak cepat yang menunjukkan sifat gelombang.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Konsep dualisme gelombang-partikel menyatakan bahwa cahaya dan materi memiliki sifat gelombang dan partikel secara bersamaan, tergantung bagaimana mereka diamati.
2. Penemu konsep kuantisasi energi yang menjadi dasar teori foton adalah…
- A. Max Planck
- B. Albert Einstein
- C. Louis de Broglie
- D. Arthur Compton
- E. J.J. Thomson
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Max Planck adalah ilmuwan pertama yang mengemukakan ide kuantisasi energi untuk menjelaskan radiasi benda hitam, yang kemudian dikembangkan oleh Einstein menjadi konsep foton.
3. Fenomena yang menunjukkan bahwa cahaya berperilaku sebagai partikel adalah…
- A. Interferensi
- B. Efek fotolistrik
- C. Difraksi
- D. Polarisasi
- E. Refraksi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Efek fotolistrik adalah fenomena di mana elektron-elektron terlepas dari permukaan logam ketika disinari cahaya dengan frekuensi tertentu, menunjukkan bahwa cahaya membawa energi dalam paket-paket diskrit (foton).
4. Rumus energi foton adalah…
- A. E = hf
- B. E = mc²
- C. E = p/λ
- D. E = 1/2 mv²
- E. E = h/λ
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Energi foton (E) dihitung dengan mengalikan konstanta Planck (h) dengan frekuensi cahaya (f).
5. Dalam efek fotolistrik, jika intensitas cahaya diperbesar tetapi frekuensinya di bawah frekuensi ambang, apa yang akan terjadi?
- A. Jumlah elektron yang terlepas akan bertambah.
- B. Energi kinetik elektron yang terlepas akan bertambah.
- C. Elektron akan terlepas dengan energi kinetik yang lebih rendah.
- D. Tidak ada elektron yang terlepas.
- E. Frekuensi ambang akan menurun.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Efek fotolistrik hanya terjadi jika frekuensi cahaya lebih besar atau sama dengan frekuensi ambang. Peningkatan intensitas cahaya hanya akan menambah jumlah foton, tetapi jika energi per foton (yang ditentukan oleh frekuensi) tidak cukup untuk melepaskan elektron, tidak akan ada elektron yang terlepas.
6. Konstanta Planck memiliki satuan…
- A. Joule (J)
- B. Watt (W)
- C. Joule sekon (J·s)
- D. Newton meter (N·m)
- E. Volt (V)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Dari rumus E = hf, maka h = E/f. Satuan energi adalah Joule (J) dan satuan frekuensi adalah Hertz (Hz) atau 1/sekon (s⁻¹). Jadi, satuan h adalah J·s.
7. Fungsi kerja (work function) suatu logam adalah…
- A. Energi kinetik maksimum elektron yang terlepas.
- B. Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam.
- C. Energi foton yang jatuh pada permukaan logam.
- D. Energi ambang yang menyebabkan logam memancarkan cahaya.
- E. Energi potensial elektron dalam atom.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Fungsi kerja adalah energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari permukaan logam.
8. Hipotesis de Broglie menyatakan bahwa…
- A. Partikel materi memiliki sifat gelombang.
- B. Cahaya hanya memiliki sifat partikel.
- C. Energi kinetik elektron berbanding lurus dengan frekuensi cahaya.
- D. Kecepatan cahaya adalah konstanta universal.
- E. Gaya gravitasi menarik semua benda.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Louis de Broglie mengemukakan bahwa partikel materi, seperti elektron, juga memiliki sifat gelombang, dengan panjang gelombang yang berbanding terbalik dengan momentumnya.
9. Panjang gelombang de Broglie untuk sebuah partikel dengan momentum p adalah…
- A. λ = hf
- B. λ = h/p
- C. λ = E/c
- D. λ = mv
- E. λ = c/f
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Menurut hipotesis de Broglie, panjang gelombang (λ) partikel adalah konstanta Planck (h) dibagi momentum (p) partikel tersebut.
10. Efek Compton menunjukkan bahwa foton memiliki…
- A. Massa diam yang signifikan.
- B. Muatan listrik.
- C. Kecepatan yang bervariasi.
- D. Momentum.
- E. Sifat gelombang murni.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Dalam efek Compton, foton bertumbukan dengan elektron dan kehilangan sebagian energinya, yang mengakibatkan perubahan panjang gelombang foton. Ini menunjukkan bahwa foton memiliki momentum dan berperilaku seperti partikel.
11. Pergeseran panjang gelombang sinar-X setelah menumbuk elektron bebas dinamakan…
- A. Efek Compton
- B. Efek fotolistrik
- C. Efek Doppler
- D. Interferensi
- E. Difraksi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Pergeseran panjang gelombang sinar-X setelah bertumbukan dengan elektron bebas adalah ciri khas dari efek Compton.
12. Sebuah foton memiliki energi 6,6 × 10⁻¹⁹ J. Jika konstanta Planck (h) = 6,6 × 10⁻³⁴ J·s, maka frekuensi foton tersebut adalah…
- A. 1 × 10¹⁴ Hz
- B. 1 × 10¹⁵ Hz
- C. 1 × 10¹⁶ Hz
- D. 6,6 × 10¹⁵ Hz
- E. 6,6 × 10¹⁶ Hz
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Menggunakan rumus E = hf, maka f = E/h = (6,6 × 10⁻¹⁹ J) / (6,6 × 10⁻³⁴ J·s) = 1 × 10¹⁵ Hz.
13. Jika frekuensi ambang suatu logam adalah f₀ dan disinari cahaya dengan frekuensi f (f > f₀), maka energi kinetik elektron yang terlepas adalah…
- A. hf₀
- B. hf
- C. h(f – f₀)
- D. h(f + f₀)
- E. 1/2 mv²
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Energi kinetik elektron yang terlepas (Ek) adalah selisih antara energi foton yang datang (hf) dan fungsi kerja logam (hf₀).
14. Intensitas cahaya dalam efek fotolistrik berbanding lurus dengan…
- A. Jumlah foton yang datang per satuan waktu.
- B. Energi setiap foton.
- C. Frekuensi cahaya.
- D. Kecepatan elektron yang terlepas.
- E. Fungsi kerja logam.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Intensitas cahaya berbanding lurus dengan jumlah foton per satuan luas per satuan waktu. Semakin banyak foton, semakin banyak elektron yang berpotensi terlepas, sehingga arus fotolistrik meningkat.
15. Mengapa efek fotolistrik tidak terjadi jika frekuensi cahaya di bawah frekuensi ambang, meskipun intensitasnya sangat besar?
- A. Karena elektron tidak dapat menyerap energi secara kolektif.
- B. Karena intensitas cahaya tidak mempengaruhi pelepasan elektron.
- C. Karena jumlah foton terlalu sedikit.
- D. Karena energi setiap foton tidak cukup untuk melepaskan elektron.
- E. Karena logam menjadi terlalu panas.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Energi yang dibawa oleh setiap foton bergantung pada frekuensinya (E=hf). Jika frekuensi di bawah ambang, energi setiap foton tidak cukup untuk melepaskan elektron, tidak peduli berapa banyak foton yang datang (intensitas besar).
16. Seorang elektron dipercepat melalui beda potensial V. Panjang gelombang de Broglie-nya akan…
- A. Berbanding terbalik dengan akar kuadrat V.
- B. Berbanding lurus dengan V.
- C. Berbanding lurus dengan akar kuadrat V.
- D. Tidak bergantung pada V.
- E. Berbanding terbalik dengan V².
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Energi kinetik elektron adalah Ek = eV. Karena Ek = 1/2 mv², maka v = √(2Ek/m) = √(2eV/m). Momentum p = mv = m√(2eV/m) = √(2meV). Panjang gelombang de Broglie λ = h/p = h/√(2meV). Jadi, λ berbanding terbalik dengan akar kuadrat V.
17. Manakah dari pernyataan berikut yang BENAR mengenai foton?
- A. Foton memiliki massa diam yang kecil.
- B. Foton tidak memiliki massa diam.
- C. Foton memiliki muatan positif.
- D. Foton bergerak lebih lambat dari kecepatan cahaya.
- E. Foton dapat diam.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Foton adalah paket energi cahaya yang tidak memiliki massa diam dan bergerak dengan kecepatan cahaya di ruang hampa.
18. Jika panjang gelombang de Broglie dari sebuah partikel diperkecil, maka momentum partikel tersebut…
- A. Membesar
- B. Mengecil
- C. Tetap
- D. Berbanding lurus dengan energi kinetiknya.
- E. Berbanding terbalik dengan massa partikel.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Dari rumus λ = h/p, panjang gelombang (λ) berbanding terbalik dengan momentum (p). Jadi, jika λ diperkecil, p akan membesar.
19. Dalam efek Compton, foton sinar-X yang terhambur memiliki panjang gelombang yang lebih panjang dibandingkan foton datang. Ini menunjukkan…
- A. Foton telah mendapatkan energi.
- B. Foton telah berubah menjadi elektron.
- C. Foton tidak kehilangan energi.
- D. Foton telah kehilangan sebagian energinya.
- E. Elektron telah kehilangan massa.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Panjang gelombang yang lebih panjang berarti energi foton yang terhambur lebih kecil (E = hc/λ). Selisih energi ini diberikan kepada elektron yang ditumbuk. Ini membuktikan bahwa foton berperilaku seperti partikel yang kehilangan energi dalam tumbukan.
20. Fenomena difraksi elektron oleh kristal menunjukkan sifat…
- A. Partikel elektron
- B. Gelombang elektron
- C. Partikel cahaya
- D. Gelombang cahaya
- E. Interferensi partikel
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Difraksi adalah fenomena gelombang. Jika elektron dapat berdifraksi, itu menunjukkan bahwa elektron memiliki sifat gelombang, sesuai dengan hipotesis de Broglie.
B. Isian Singkat
1. Nama fenomena yang menunjukkan cahaya bersifat partikel dan menyebabkan elektron terlepas dari permukaan logam adalah Efek ____.
Jawaban: Fotolistrik
2. Partikel fundamental pembawa energi cahaya yang tidak bermassa diam disebut ____.
Jawaban: Foton
3. Menurut hipotesis de Broglie, panjang gelombang suatu partikel berbanding terbalik dengan ____ partikel tersebut.
Jawaban: Momentum
4. Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam disebut ____.
Jawaban: Fungsi Kerja
5. Pada efek Compton, jika sudut hambur foton adalah 0°, maka pergeseran panjang gelombang foton adalah ____.
Jawaban: Nol (0)
C. Menjodohkan
1. Jodohkan konsep di sebelah kiri dengan deskripsi atau penemu yang tepat di sebelah kanan.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Foton | Paket energi cahaya |
| Fungsi Kerja | Energi minimum untuk melepas elektron |
| Efek Compton | Pergeseran panjang gelombang sinar-X |
| Panjang Gelombang de Broglie | Sifat gelombang materi |
2. Jodohkan ilmuwan di sebelah kiri dengan kontribusi utamanya di sebelah kanan terkait dualisme gelombang-partikel.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Max Planck | Kuantisasi energi |
| Albert Einstein | Penjelasan efek fotolistrik |
| Louis de Broglie | Hipotesis gelombang materi |
| Arthur Compton | Penjelasan pergeseran panjang gelombang sinar-X |
D. Uraian
1. Jelaskan konsep dualisme gelombang-partikel secara rinci, berikan contoh fenomena yang mendukung sifat gelombang dan sifat partikel.
Dualisme gelombang-partikel adalah konsep dalam fisika kuantum yang menyatakan bahwa cahaya dan materi dapat menunjukkan sifat gelombang sekaligus sifat partikel, tergantung pada bagaimana mereka diamati atau diukur. Ini berarti tidak ada satu pun deskripsi (hanya gelombang atau hanya partikel) yang sepenuhnya menangkap perilaku entitas kuantum. Contoh fenomena yang mendukung sifat gelombang cahaya adalah difraksi dan interferensi (misalnya percobaan celah ganda Young). Contoh fenomena yang mendukung sifat partikel cahaya adalah efek fotolistrik dan efek Compton. Sementara itu, untuk materi seperti elektron, difraksi elektron oleh kristal (percobaan Davisson-Germer) membuktikan sifat gelombangnya, sedangkan tumbukan elektron dengan partikel lain menunjukkan sifat partikelnya.
2. Bedakan antara efek fotolistrik dan efek Compton, jelaskan perbedaan utama dalam objek yang berinteraksi dan hasil interaksinya.
Efek fotolistrik adalah fenomena di mana elektron terlepas dari permukaan logam ketika disinari cahaya dengan frekuensi di atas frekuensi ambang. Dalam efek ini, foton mentransfer seluruh energinya kepada elektron, dan elektron tersebut terlepas dari logam. Interaksi ini terjadi antara foton dan elektron terikat pada atom logam. Hasilnya adalah pelepasan elektron dari logam tanpa perubahan panjang gelombang foton yang datang (fotonnya diserap).
Efek Compton adalah fenomena hamburan foton oleh elektron bebas (atau elektron yang terikat lemah). Dalam interaksi ini, foton bertumbukan dengan elektron seperti dua bola biliar, mentransfer sebagian energinya kepada elektron, dan foton terhambur dengan energi yang lebih rendah (panjang gelombang yang lebih panjang). Interaksi ini terjadi antara foton dan elektron yang dianggap bebas. Hasilnya adalah foton terhambur dengan panjang gelombang yang lebih besar dan elektron terpental.
3. Sebuah permukaan logam memiliki fungsi kerja 2,5 eV. Jika permukaan tersebut disinari cahaya dengan panjang gelombang 400 nm, hitunglah energi kinetik maksimum elektron yang terlepas. (h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s, c = 3 × 10⁸ m/s, 1 eV = 1,6 × 10⁻¹⁹ J)
Langkah-langkah:
1. Ubah fungsi kerja dari eV ke Joule: W₀ = 2,5 eV × 1,6 × 10⁻¹⁹ J/eV = 4 × 10⁻¹⁹ J.
2. Hitung energi foton (E) dari panjang gelombang (λ): E = hc/λ.
E = (6,626 × 10⁻³⁴ J·s × 3 × 10⁸ m/s) / (400 × 10⁻⁹ m)
E = (19,878 × 10⁻²⁶) / (4 × 10⁻⁷) J
E = 4,9695 × 10⁻¹⁹ J.
3. Hitung energi kinetik maksimum elektron (Ek): Ek = E – W₀.
Ek = 4,9695 × 10⁻¹⁹ J – 4 × 10⁻¹⁹ J
Ek = 0,9695 × 10⁻¹⁹ J.
Jadi, energi kinetik maksimum elektron yang terlepas adalah 0,9695 × 10⁻¹⁹ J.
4. Jelaskan bagaimana hipotesis de Broglie dapat menjelaskan mengapa elektron dalam atom Bohr hanya dapat berada pada orbit-orbit tertentu.
Hipotesis de Broglie menyatakan bahwa partikel materi, termasuk elektron, memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang λ = h/mv. Dalam model atom Bohr, elektron bergerak mengelilingi inti pada orbit-orbit stabil tertentu. De Broglie mengusulkan bahwa orbit-orbit stabil ini adalah orbit di mana gelombang elektron membentuk gelombang berdiri (stasioner). Agar gelombang berdiri terbentuk, keliling orbit (2πr) harus merupakan kelipatan bulat dari panjang gelombang de Broglie elektron (nλ, di mana n adalah bilangan bulat positif).
Jadi, 2πr = nλ = n(h/mv).
Dari sini didapatkan mvr = nh/2π. Ini adalah postulat kuantisasi momentum sudut Bohr, yang sebelumnya hanya diasumsikan. Dengan demikian, hipotesis de Broglie memberikan dasar fisik untuk kuantisasi orbit elektron dalam atom Bohr, menjelaskan mengapa elektron tidak memancarkan energi saat berada di orbit stabil dan mengapa hanya orbit-orbit tertentu yang diizinkan.
5. Bagaimana pengaruh peningkatan frekuensi cahaya terhadap energi kinetik elektron yang terlepas pada efek fotolistrik, dengan asumsi frekuensi awal sudah di atas frekuensi ambang? Jelaskan dengan menggunakan persamaan yang relevan.
Dalam efek fotolistrik, energi kinetik maksimum elektron yang terlepas (Ek_maks) diberikan oleh persamaan Einstein: Ek_maks = hf – W₀, di mana h adalah konstanta Planck, f adalah frekuensi cahaya yang datang, dan W₀ adalah fungsi kerja logam.
Jika frekuensi cahaya (f) ditingkatkan, sementara h dan W₀ adalah konstanta untuk logam tertentu, maka nilai hf akan meningkat. Akibatnya, selisih antara hf dan W₀ juga akan meningkat. Ini berarti energi kinetik maksimum elektron yang terlepas (Ek_maks) akan bertambah. Setiap foton yang datang membawa energi yang lebih besar, dan setelah sebagian energi digunakan untuk mengatasi fungsi kerja, sisa energi akan menjadi energi kinetik elektron yang terlepas. Jadi, peningkatan frekuensi cahaya secara langsung meningkatkan energi kinetik elektron yang terlepas, asalkan frekuensi tetap di atas frekuensi ambang.