Fisika Modern: Efek Fotolistrik, Hipotesis de Broglie, dan Prinsip Ketidakpastian Heisenberg
Mengapa kamera ponsel bisa mengenali wajah dalam sekejap? Mengapa panel surya bisa mengubah cahaya jadi listrik? Teknologi ini lahir dari penemuan-penemuan besar di dunia fisika modern, seperti efek fotolistrik, hipotesis de Broglie, dan prinsip ketidakpastian Heisenberg.
.png)
1. Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik terjadi ketika cahaya mengenai permukaan logam dan menyebabkan elektron terlepas dari permukaan tersebut.
Fenomena ini tidak bisa dijelaskan oleh teori gelombang klasik, karena intensitas cahaya yang lebih besar tidak selalu membuat elektron keluar. Einstein menjelaskan efek ini dengan teori kuantum Planck: cahaya terdiri dari foton, dan satu foton mentransfer energinya ke satu elektron.
\[E_{\text{foton}} = h f = W + E_k\]
Keterangan:
- \( h \) = konstanta Planck
- \( f \) = frekuensi cahaya
- \( W \) = fungsi kerja logam (energi minimum untuk melepas elektron)
- \( E_k \) = energi kinetik maksimum elektron yang keluar
Cahaya dengan frekuensi \( f = 8 \times 10^{14} \, \text{Hz} \) mengenai logam dengan fungsi kerja \( W = 3{,}2 \times 10^{-19} \, \text{J} \). Hitung energi kinetik maksimum elektron.
Penyelesaian:
\[E_{\text{foton}} = h f = 6{,}626 \times 10^{-34} \times 8 \times 10^{14} = 5{,}3008 \times 10^{-19} \, \text{J}\]
\[E_k = E_{\text{foton}} - W = 5{,}3008 \times 10^{-19} - 3{,}2 \times 10^{-19} = 2{,}1008 \times 10^{-19} \, \text{J}\]
2. Hipotesis de Broglie: Materi juga Gelombang
Louis de Broglie menyatakan bahwa partikel seperti elektron juga memiliki sifat gelombang, yang disebut gelombang materi.
\[\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}\]
Keterangan:
- \( \lambda \) = panjang gelombang de Broglie
- \( h \) = konstanta Planck
- \( m \) = massa partikel
- \( v \) = kecepatan partikel
Contoh Soal:
Hitung panjang gelombang de Broglie dari elektron bermassa \( 9{,}11 \times 10^{-31} \, \text{kg} \) yang bergerak dengan kecepatan \( 2 \times 10^6 \, \text{m/s} \)
Penyelesaian:
\[\lambda = \frac{6{,}626 \times 10^{-34}}{9{,}11 \times 10^{-31} \times 2 \times 10^6}\]
\[ = \frac{6{,}626 \times 10^{-34}}{1{,}822 \times 10^{-24}} \approx 3{,}64 \times 10^{-10} \, \text{m}\]
3. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg
Werner Heisenberg menyatakan bahwa tidak mungkin mengetahui secara pasti posisi dan momentum suatu partikel secara bersamaan.
Persamaan ketidakpastian:
\[\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{h}{4\pi}\]
Keterangan:
- \( \Delta x \) = ketidakpastian posisi
- \( \Delta p \) = ketidakpastian momentum
Prinsip ini bukan karena keterbatasan alat, tapi merupakan sifat alami partikel kuantum.
Contoh Soal:
Jika ketidakpastian momentum elektron adalah \( \Delta p = 1 \times 10^{-24} \, \text{kg m/s} \), berapa ketidakpastian posisi minimum?
Penyelesaian:
\[\Delta x \geq \frac{h}{4\pi \cdot \Delta p} =\]
\[ \frac{6{,}626 \times 10^{-34}}{4\pi \times 1 \times 10^{-24}} \approx \frac{6{,}626 \times 10^{-34}}{1{,}256 \times 10^{-23}} \approx 5{,}27 \times 10^{-11} \, \text{m}\]
Jawaban: \( \Delta x \geq 5{,}27 \times 10^{-11} \, \text{m} \)
Ketiga konsep ini—efek fotolistrik, gelombang materi, dan ketidakpastian Heisenberg—mengubah cara kita memahami partikel subatomik. Mereka menjadi fondasi dari mekanika kuantum, dunia tempat cahaya bisa jadi partikel, dan elektron bisa bersifat seperti gelombang.