Selami dunia fisika modern dengan kumpulan latihan soal materi gelombang partikel ini. Topik dualisme gelombang-partikel merupakan salah satu pilar utama fisika kuantum, menjelaskan bagaimana cahaya dan materi dapat menunjukkan sifat gelombang dan partikel secara bersamaan. Dari hipotesis de Broglie tentang panjang gelombang materi hingga efek fotolistrik yang diperkenalkan oleh Einstein, serta prinsip kuantisasi energi oleh Planck, materi ini menantang pemahaman klasik kita tentang alam semesta. Soal-soal ini dirancang untuk membantu Anda menguasai konsep-konsep kunci seperti energi foton, fungsi kerja, frekuensi ambang, dan prinsip ketidakpastian Heisenberg. Persiapkan diri Anda untuk menghadapi ujian dan perdalam wawasan Anda tentang perilaku partikel subatomik yang menakjubkan.
Contoh Soal soal fisika materi gelombang partikel
A. Pilihan Ganda
1. Konsep dualisme gelombang-partikel menyatakan bahwa:
- A. Cahaya hanya memiliki sifat gelombang.
- B. Materi hanya memiliki sifat partikel.
- C. Cahaya dan materi selalu berperilaku sebagai partikel.
- D. Cahaya dan materi dapat menunjukkan sifat gelombang dan sifat partikel.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Dualisme gelombang-partikel adalah konsep fundamental dalam mekanika kuantum yang menyatakan bahwa setiap partikel atau kuanta entitas dapat menunjukkan sifat gelombang maupun sifat partikel.
2. Siapakah ilmuwan yang pertama kali mengemukakan hipotesis bahwa partikel materi juga memiliki sifat gelombang?
- A. Max Planck
- B. Albert Einstein
- C. Louis de Broglie
- D. Werner Heisenberg
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Louis de Broglie adalah ilmuwan yang mengemukakan hipotesis bahwa partikel-partikel seperti elektron juga memiliki panjang gelombang yang terkait dengan momentumnya.
3. Panjang gelombang de Broglie (λ) untuk suatu partikel dengan momentum (p) dan konstanta Planck (h) dirumuskan sebagai:
- A. λ = h/p
- B. λ = p/h
- C. λ = h × p
- D. λ = h/m
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Rumus panjang gelombang de Broglie adalah λ = h/p, di mana p adalah momentum partikel (m × v).
4. Jika sebuah elektron bergerak dengan kecepatan v, maka panjang gelombang de Broglie-nya akan:
- A. Berbanding lurus dengan v.
- B. Berbanding terbalik dengan v.
- C. Tidak bergantung pada v.
- D. Berbanding lurus dengan v².
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Panjang gelombang de Broglie berbanding terbalik dengan momentum (m × v). Jadi, jika kecepatan (v) meningkat, panjang gelombang (λ) akan menurun.
5. Fenomena efek fotolistrik adalah bukti bahwa cahaya memiliki sifat:
- A. Partikel
- B. Gelombang
- C. Keduanya
- D. Tidak ada yang benar
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Efek fotolistrik, di mana elektron dipancarkan dari permukaan logam saat disinari cahaya dengan frekuensi tertentu, menunjukkan bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel energi diskrit yang disebut foton.
6. Dalam efek fotolistrik, energi kinetik maksimum elektron yang terpancar bergantung pada:
- A. Intensitas cahaya
- B. Jumlah foton yang datang
- C. Frekuensi cahaya dan fungsi kerja logam
- D. Panjang gelombang cahaya dan luas permukaan logam
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Energi kinetik maksimum elektron (Ek_max) pada efek fotolistrik dirumuskan sebagai Ek_max = hf – W₀. Ini menunjukkan bahwa Ek_max bergantung pada frekuensi cahaya yang datang (f) dan fungsi kerja logam (W₀).
7. Foton adalah partikel cahaya yang memiliki:
- A. Massa diam yang besar
- B. Kecepatan yang bervariasi
- C. Muatan listrik negatif
- D. Energi dan momentum, tetapi massa diam nol
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Foton adalah kuanta energi elektromagnetik. Mereka memiliki energi E = hf, momentum, dan bergerak dengan kecepatan cahaya (c) di ruang hampa. Massa diam foton adalah nol.
8. Jika frekuensi cahaya yang mengenai permukaan logam lebih rendah dari frekuensi ambang (f₀), maka:
- A. Elektron akan terpancar dengan energi kinetik tinggi.
- B. Tidak ada elektron yang akan terpancar.
- C. Elektron akan terpancar dengan jumlah yang sedikit.
- D. Elektron akan terpancar jika intensitas cahaya sangat tinggi.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Agar efek fotolistrik terjadi, energi foton (hf) harus lebih besar dari fungsi kerja (W₀ = hf₀). Jika frekuensi cahaya di bawah frekuensi ambang, energi foton tidak cukup untuk melepaskan elektron, tidak peduli seberapa intens cahayanya.
9. Konstanta Planck (h) memiliki dimensi yang sama dengan:
- A. Energi
- B. Momentum sudut
- C. Daya
- D. Gaya
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Konstanta Planck memiliki satuan Joule-sekon (J·s), yang merupakan satuan untuk momentum sudut atau aksi.
10. Sebuah foton memiliki energi 6,6 × 10⁻¹⁹ J. Jika konstanta Planck adalah 6,6 × 10⁻³⁴ J·s, berapakah frekuensi foton tersebut?
- A. 1 × 10¹⁵ Hz
- B. 1 × 10⁻¹⁵ Hz
- C. 4,356 × 10⁻⁵³ Hz
- D. 10 Hz
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Menggunakan rumus E = hf, maka f = E/h = (6,6 × 10⁻¹⁹ J) / (6,6 × 10⁻³⁴ J·s) = 1 × 10¹⁵ Hz.
11. Panjang gelombang de Broglie sebuah partikel akan semakin pendek jika:
- A. Massa partikel berkurang.
- B. Kecepatan partikel berkurang.
- C. Momentum partikel meningkat.
- D. Energi kinetik partikel berkurang.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: λ = h/mv. Jika massa (m) atau kecepatan (v) meningkat, momentum (mv) akan meningkat, sehingga panjang gelombang de Broglie (λ) akan semakin pendek.
12. Bukti eksperimen paling kuat yang mendukung hipotesis de Broglie tentang sifat gelombang elektron adalah:
- A. Efek Compton
- B. Efek fotolistrik
- C. Radiasi benda hitam
- D. Difraksi elektron
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Eksperimen difraksi elektron oleh Davisson dan Germer, serta G.P. Thomson, menunjukkan pola difraksi yang khas gelombang, membuktikan bahwa elektron memang memiliki sifat gelombang.
13. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa kita tidak dapat secara bersamaan mengetahui secara pasti:
- A. Energi dan massa partikel.
- B. Posisi dan momentum partikel.
- C. Kecepatan dan arah gerak partikel.
- D. Muatan dan spin partikel.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Prinsip Ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa ada batasan fundamental terhadap akurasi pengukuran pasangan besaran fisika tertentu, seperti posisi dan momentum, atau energi dan waktu.
14. Mikroskop elektron memanfaatkan sifat gelombang elektron untuk mendapatkan resolusi yang sangat tinggi. Hal ini karena:
- A. Panjang gelombang de Broglie elektron jauh lebih pendek daripada panjang gelombang cahaya tampak.
- B. Elektron memiliki massa yang jauh lebih besar daripada foton.
- C. Elektron dapat dipercepat hingga kecepatan cahaya.
- D. Elektron tidak berinteraksi dengan materi.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Resolusi mikroskop berbanding terbalik dengan panjang gelombang yang digunakan. Elektron dengan kecepatan tinggi memiliki panjang gelombang de Broglie yang sangat pendek, memungkinkan resolusi yang jauh lebih tinggi daripada mikroskop cahaya yang menggunakan panjang gelombang cahaya tampak.
15. Sebuah partikel bermassa m dan bergerak dengan kecepatan v memiliki panjang gelombang de Broglie λ. Jika partikel tersebut dipercepat sehingga kecepatannya menjadi 2v, maka panjang gelombang de Broglie-nya akan menjadi:
- A. 2λ
- B. λ
- C. √2λ
- D. λ/2
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: λ = h/(mv). Jika v menjadi 2v, maka momentum menjadi m(2v) = 2mv. Jadi, panjang gelombang baru λ’ = h/(2mv) = (1/2) × (h/mv) = λ/2.
16. Intensitas cahaya pada efek fotolistrik menentukan:
- A. Energi kinetik maksimum elektron yang terpancar.
- B. Jumlah elektron yang terpancar per satuan waktu (arus fotolistrik).
- C. Frekuensi ambang logam.
- D. Fungsi kerja logam.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Intensitas cahaya berbanding lurus dengan jumlah foton yang datang per satuan waktu. Semakin banyak foton, semakin banyak elektron yang berpotensi terlepas, sehingga arus fotolistrik meningkat. Namun, energi kinetik elektron bergantung pada frekuensi, bukan intensitas.
17. Pernyataan yang benar tentang fungsi kerja (W₀) pada efek fotolistrik adalah:
- A. Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam.
- B. Energi kinetik maksimum elektron yang terpancar.
- C. Energi foton yang datang.
- D. Energi ambang untuk cahaya tampak.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Fungsi kerja adalah energi minimum yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Ini adalah karakteristik spesifik dari setiap jenis logam.
18. Jika sebuah foton memiliki panjang gelombang λ, maka momentum foton (p) dirumuskan sebagai:
- A. p = h/λ
- B. p = λ/h
- C. p = h × λ
- D. p = c/λ
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Untuk foton, E = hf = hc/λ dan p = E/c = (hc/λ)/c = h/λ.
19. Apa yang dimaksud dengan kuantisasi energi menurut Max Planck?
- A. Energi dapat memiliki nilai berapapun secara kontinu.
- B. Energi hanya dapat dipancarkan dalam bentuk gelombang.
- C. Energi dipancarkan atau diserap dalam paket-paket diskrit (kuanta).
- D. Energi selalu berbanding lurus dengan panjang gelombang.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Max Planck mengemukakan bahwa energi tidak dipancarkan atau diserap secara kontinu, tetapi dalam paket-paket diskrit yang disebut kuanta, dengan energi E = nhf, di mana n adalah bilangan bulat.
20. Perbedaan mendasar antara gelombang elektromagnetik (seperti cahaya) dan gelombang materi (seperti elektron) adalah:
- A. Gelombang elektromagnetik memiliki massa, sedangkan gelombang materi tidak.
- B. Gelombang elektromagnetik dapat merambat di ruang hampa, sedangkan gelombang materi adalah sifat partikel bermassa.
- C. Gelombang elektromagnetik memiliki panjang gelombang, sedangkan gelombang materi tidak.
- D. Gelombang elektromagnetik tidak dapat mengalami difraksi, sedangkan gelombang materi dapat.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Gelombang elektromagnetik dapat merambat di ruang hampa tanpa medium, sedangkan gelombang materi adalah manifestasi sifat gelombang dari partikel bermassa yang bergerak.
B. Isian Singkat
1. Hipotesis bahwa setiap partikel materi juga memiliki sifat gelombang dikenal sebagai hipotesis ______.
Jawaban: de Broglie
2. Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam dalam efek fotolistrik disebut ______.
Jawaban: Fungsi kerja
3. Satuan dari konstanta Planck (h) dalam Sistem Internasional (SI) adalah ______.
Jawaban: Joule-sekon (J·s)
4. Fenomena ______ menjelaskan bahwa cahaya datang sebagai paket-paket energi diskrit yang disebut foton, yang dapat melepaskan elektron dari permukaan logam.
Jawaban: Efek fotolistrik
5. Alat yang memanfaatkan sifat gelombang elektron untuk melihat objek dengan resolusi tinggi adalah ______.
Jawaban: Mikroskop elektron
C. Menjodohkan
1. Jodohkan ilmuwan berikut dengan kontribusi utamanya dalam fisika kuantum.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Louis de Broglie | Hipotesis gelombang materi |
| Albert Einstein | Efek fotolistrik |
| Max Planck | Kuantisasi energi |
| Werner Heisenberg | Prinsip ketidakpastian |
2. Jodohkan istilah atau rumus berikut dengan definisi atau konsep yang tepat.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Panjang gelombang de Broglie | λ = h/mv |
| Energi foton | E = hf |
| Fungsi kerja | Energi minimum untuk melepaskan elektron |
| Difraksi elektron | Bukti sifat gelombang elektron |
D. Uraian
1. Jelaskan konsep dualisme gelombang-partikel secara rinci. Berikan contoh fenomena yang mendukung sifat gelombang dan sifat partikel dari cahaya.
Dualisme gelombang-partikel adalah konsep fundamental dalam fisika kuantum yang menyatakan bahwa cahaya dan materi dapat menunjukkan sifat gelombang (seperti difraksi dan interferensi) dan sifat partikel (seperti momentum dan energi terlokalisasi) secara bersamaan, tergantung pada bagaimana mereka diamati atau berinteraksi. Contoh untuk cahaya: Sifat gelombang cahaya didukung oleh fenomena difraksi (pembelokan gelombang saat melewati celah sempit) dan interferensi (penggabungan dua gelombang atau lebih yang menghasilkan pola terang dan gelap). Sifat partikel cahaya didukung oleh fenomena efek fotolistrik (pelepasan elektron dari logam saat disinari cahaya dengan frekuensi tertentu) dan efek Compton (perubahan panjang gelombang sinar-X setelah bertumbukan dengan elektron).
2. Mengapa efek gelombang dari benda-benda makroskopis (seperti bola basket yang dilempar) tidak mudah diamati dalam kehidupan sehari-hari? Berikan perhitungan sederhana sebagai ilustrasi.
Efek gelombang de Broglie tidak mudah diamati pada benda-benda makroskopis karena panjang gelombang de Broglie mereka sangat kecil. Rumus panjang gelombang de Broglie adalah λ = h/mv. Konstanta Planck (h) memiliki nilai yang sangat kecil (6,626 × 10⁻³⁴ J·s). Untuk benda makroskopis, massa (m) dan kecepatan (v) relatif besar, sehingga nilai momentum (mv) akan sangat besar dibandingkan dengan h. Ini menghasilkan nilai λ yang sangat, sangat kecil, jauh lebih kecil dari ukuran atom, sehingga efek gelombangnya (seperti difraksi) tidak dapat terdeteksi oleh instrumen biasa. Contoh: Sebuah bola basket bermassa 0,6 kg bergerak dengan kecepatan 10 m/s. Momentumnya p = 0,6 kg × 10 m/s = 6 kg·m/s. Maka, λ = (6,626 × 10⁻³⁴ J·s) / (6 kg·m/s) ≈ 1,1 × 10⁻³⁴ m. Panjang gelombang ini terlalu kecil untuk diamati.
3. Jelaskan fenomena efek fotolistrik, termasuk peran frekuensi ambang dan fungsi kerja dalam proses tersebut.
Efek fotolistrik adalah fenomena pelepasan elektron dari permukaan logam ketika disinari oleh cahaya dengan frekuensi tertentu. Fenomena ini menunjukkan sifat partikel cahaya (foton). Ketika foton menumbuk elektron pada permukaan logam, foton menyerahkan seluruh energinya (E = hf) kepada elektron. Sebagian energi ini digunakan untuk melepaskan elektron dari ikatan atomnya dalam logam, yang disebut fungsi kerja (W₀). Sisa energi menjadi energi kinetik (Ek) elektron yang terpancar. Hubungannya adalah Ek = hf – W₀. Frekuensi ambang (f₀) adalah frekuensi minimum cahaya yang diperlukan agar efek fotolistrik terjadi. Jika frekuensi cahaya yang datang (f) lebih kecil dari f₀, maka energi foton (hf) tidak cukup untuk mengatasi fungsi kerja (W₀ = hf₀), sehingga tidak ada elektron yang akan terpancar, tidak peduli seberapa intens cahaya tersebut.
4. Bagaimana Prinsip Ketidakpastian Heisenberg memengaruhi pemahaman kita tentang perilaku partikel subatomik?
Prinsip Ketidakpastian Heisenberg adalah salah satu pilar mekanika kuantum yang menyatakan bahwa ada batasan fundamental terhadap akurasi pengukuran pasangan besaran fisika tertentu secara bersamaan, seperti posisi (Δx) dan momentum (Δp), atau energi (ΔE) dan waktu (Δt). Secara matematis, ΔxΔp ≥ h/(4π) dan ΔEΔt ≥ h/(4π). Ini berarti, semakin akurat kita mengetahui posisi suatu partikel subatomik, semakin tidak akurat kita dapat mengetahui momentumnya, dan sebaliknya. Prinsip ini mengubah pemahaman klasik kita tentang determinisme, di mana kita berasumsi dapat mengetahui semua sifat partikel dengan presisi. Dalam dunia kuantum, ada ketidakpastian inheren yang tidak disebabkan oleh keterbatasan alat ukur, melainkan sifat dasar alam semesta. Ini menunjukkan bahwa pada skala subatomik, partikel tidak memiliki posisi dan momentum yang terdefinisi dengan tepat secara bersamaan, melainkan ‘kabur’ atau probabilistik.
5. Bandingkan dan kontraskan sifat foton dengan partikel bermassa seperti elektron, terutama terkait dengan massa diam dan kecepatan.
Foton adalah kuanta energi elektromagnetik, sedangkan elektron adalah partikel materi bermassa. Perbandingan dan kontrasnya adalah: 1. Massa Diam: Foton memiliki massa diam nol (m₀ = 0). Ini berarti foton tidak dapat berada dalam keadaan diam; ia selalu bergerak. Elektron memiliki massa diam yang terdefinisi (sekitar 9,11 × 10⁻³¹ kg). 2. Kecepatan: Foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya (c) di ruang hampa. Elektron, sebagai partikel bermassa, tidak dapat mencapai kecepatan cahaya. Kecepatannya selalu kurang dari c. 3. Energi dan Momentum: Keduanya memiliki energi dan momentum. Energi foton E = hf = hc/λ, dan momentum p = h/λ. Energi elektron bergantung pada kecepatan dan massanya (misalnya, energi kinetik Ek = ½mv² atau energi total relativistik). Momentum elektron p = mv. 4. Sifat Gelombang-Partikel: Keduanya menunjukkan dualisme. Foton adalah ‘partikel’ dari gelombang elektromagnetik. Elektron, sebagai partikel materi, menunjukkan sifat gelombang (panjang gelombang de Broglie λ = h/mv) saat bergerak.