Rumus fisika kuantum, lengkap dengan pengertian, teori, dan contoh soal

Brilio.net - Fisika kuantum adalah ilmu yang mempelajari tentang perilaku materi dan energi yang berada di tingkat molekuler, atom, nuklir, tingkat mikroskopis, hingga materi yang lebih kecil lagi. Fisika kuantum berbeda dengan fisika klasik yang lebih memfokuskan pada benda-benda yang dapat dilihat dan dirasakan secara langsung.

Fisika kuantum mengungkapkan fenomena-fenomena yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik, seperti dualisme gelombang-partikel, efek fotolistrik, efek Compton, efek tunel, dan lain-lain. Secara sederhana fisika kuantum merupakan ilmu sains yang mempelajari tentang benda-benda yang mempunyai ukuran sangat kecil atau bahkan tidak bisa dilihat oleh mata telanjang.

Untuk lebih jelaskan, berikut pembahasan tentang rumus fisika kuantum, lengkap dengan pengertian, teori, dan contoh soal. Brilio.net menghimpun dari berbagai sumber pada Senin (25/9).

Pengertian fisika kuantum.

foto: freepik.com

Fisika kuantum merupakan ilmu yang menggali tentang perilaku materi dan energi yang berada pada tingkat molekuler, atom, nuklir, tingkat mikroskopis, hingga materi-materi di alam yang berukuran lebih kecil lagi.

Biasanya, objek penelitian fisika kuantum tidak bisa dilihat dengan kasat mata. Pasalnya materinya hanya bisa dirasakan melalui besaran ukuran yang bida dideteksi saja.

Maka nggak heran jika banyak merasakan kesulitan mempelajari tentang fisika kuantum ini. Perlu diketahui bahwa fisika kuantum dipelopori oleh seorang fisikawan ternama berasal dari Jerman bernama Max Planck Ernst Ludwig Planck.

Max Planck Ernst Ludwig Planck, lahir pada 23 April 1858 dan berperan besar dalam pencetus teori kuantum ini. Pada 1900, Planck mengenalkan konsep kuantum energi. Meski tidak bisa diketahui secara akurat tetapi bisa dinyatakan sebagai diskrit paket energi yang dikenal dengan sebutan quanta.

Rumus fisika kuantum.

foto: freepik.com

Fisika kuantum juga menggunakan konsep dan rumus matematis yang kompleks untuk mendeskripsikan dan memprediksi perilaku benda-benda kuantum. Salah satu rumus dasar fisika kuantum adalah rumus Planck-Einstein yang menyatakan bahwa energi suatu kuantum berbanding lurus dengan frekuensi gelombangnya, dapat digambarkan sebagai berikut:

E = hν

Keterangan:
E adalah energi
h adalah konstanta Planck
ν adalah frekuensi.
Rumus ini menunjukkan bahwa energi tidak kontinu, tetapi diskrit dan terdiri dari unit-unit terkecil yang disebut kuantum.

Fisika kuantum memiliki banyak penerapan dalam bidang-bidang seperti kimia, biologi, elektronika, komputer, nanoteknologi, dan lain-lain. Beberapa contoh penerapan fisika kuantum adalah laser, LED, transistor, superkonduktor, MRI, dan komputer kuantum. Fisika kuantum juga memberikan kontribusi besar dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi modern.

Teori fisika kuantum.

foto: freepik.com

Munculnya teori fisika kuantum disebabkan oleh fenomena-fenomena yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik. Para ahli telah mengembangkan berbagai teori untuk menjelaskan fenomena ini, termasuk:

1. Teori Kuantum Max Planck

Pada awal abad ke-20, Max Planck mengemukakan teori kuantum pertama kali ketika mencoba menjelaskan spektrum radiasi benda hitam. Ia memperkenalkan konsep kuanta energi, yang menyatakan bahwa energi hanya dapat dikeluarkan atau diserap dalam jumlah terkecil yang disebut kuanta.

2. Model Atom Bohr

Niels Bohr mengembangkan model atom pada tahun 1913 yang menggabungkan konsep fisika kuantum dengan perilaku elektron di sekitar inti atom. Model ini berhasil menjelaskan spektrum atom hidrogen dan mengakui bahwa elektron hanya dapat menghuni orbit tertentu dengan energi tertentu.

3. Persamaan Schrödinger

Erwin Schrödinger memperkenalkan persamaan gelombang Schrödinger pada tahun 1926, yang menjadi dasar dari mekanika kuantum modern. Persamaan ini menggambarkan evolusi fungsi gelombang sistem kuantum seiring waktu.

4. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

Werner Heisenberg menyatakan prinsip ketidakpastian pada tahun 1927, yang mengklaim bahwa posisi dan momentum suatu partikel tidak dapat diukur secara simultan dengan presisi yang tak terhingga. Ini mengubah cara kita memahami pengukuran dalam fisika.

5. Interpretasi Kopenhagen

Interpretasi ini, dikembangkan oleh para fisikawan Kopenhagen seperti Niels Bohr dan Werner Heisenberg, menyatakan bahwa fungsi gelombang hanya merupakan deskripsi probabilistik dari sistem kuantum dan bahwa pengukuran mengubah keadaan sistem.

6. Interpretasi Banyak Dunia

Interpretasi ini, yang dikembangkan oleh Hugh Everett pada tahun 1957, mengusulkan bahwa setiap kali pengukuran kuantum dilakukan, alam semesta bercabang menjadi banyak dunia paralel yang mewakili semua hasil yang mungkin.

7. Teori Kuantum Bidang

Teori ini menggabungkan prinsip-prinsip fisika kuantum dengan relativitas khusus dan diterapkan pada medan seperti elektromagnetisme dan gravitasi. Salah satu contoh teori ini adalah elektrodinamika kuantum (QED) dan teori gravitasi kuantum.

Munculnya berbagai teori ini membantu untuk memahami dan menjelaskan fenomena yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik. Fisika kuantum telah menjadi dasar bagi banyak perkembangan teknologi modern dan memainkan peran penting dalam pemahaman tentang alam semesta. Selan pandangan tersebut, ada beberapa teori hal-hal anomali yang dijabarkan oleh ahli fisika kuantum lainnya, yaitu:

- Seluruh benda yang terdapat di alam semesta adalah sekumpulan atom, semua benda yang bisa dilihat secara fisik umumnya adalah energi yang bergetar. fenomena tersebutlah yang membuat beragam benda seperti nyata, walaupun pada kenyataanya hal tersebut tidak tepat.

- Seluruh benda di alam semesta muncul dari ruang hampa dan merupakan sebuah energi yang tampak dan juga bergetar.
Para ahli fisika kuantum menyebutkan bahwa sebuah realitas yang nyata sebenarnya hanya sebuah ilusi saja.

- Para ilmuwan juga mengungkapkan bahwa sebuah benda bisa berada dalam dua dimensi berbeda pada waktu bersamaan.

- Seorang manusia bisa menjadi abadi, jika bisa melakukan perjalanan melalui kecepatan cahaya.

- Interaksi yang dilakukan makhluk hidup sejatinya bisa mempengaruhi semua hal yang terdapat di alam semesta.

Contoh soal tentang fisika kuantum.

foto: freepik.com

1. Sebuah lampu neon berwarna merah mengeluarkan cahaya dengan panjang gelombang 650 nm. Berapakah energi foton yang dipancarkan oleh lampu neon tersebut?

Penyelesaian:

Energi foton dapat dihitung dengan rumus Planck-Einstein, yaitu E = hν

Ket:
E adalah energi
h adalah konstanta Planck
ν adalah frekuensi.

Frekuensi dapat dihitung dengan rumus ν = c/λ

Ket:
c adalah kecepatan cahaya
λ adalah panjang gelombang. Jadi,

E = hν
E = h(c/λ)
E = (6,63 x 10^-34 J.s)(3 x 10^8 m/s)/(650 x 10^-9 m)
E = 3,06 x 10^-19 J

Jawaban: Energi foton yang dipancarkan oleh lampu neon adalah 3,06 x 10^-19 J.

2. Sebuah sinar X memiliki energi 1,2 x 10^-15 J. Berapakah frekuensi dan panjang gelombang sinar X tersebut?

Penyelesaian:
E = hν
ν = E/h
ν = (1,2 x 10^-15 J)/(6,63 x 10^-34 J.s)
ν = 1,81 x 10^18 Hz

Panjang gelombang sinar X dapat dihitung dengan rumus ν = c/λ, di mana ν adalah frekuensi, c adalah kecepatan cahaya, dan λ adalah panjang gelombang. Jadi,

ν = c/λ
λ = c/ν
λ = (3 x 10^8 m/s)/(1,81 x 10^18 Hz)
λ = 1,66 x 10^-10 m

Jawaban: Frekuensi sinar X adalah 1,81 x 10^18 Hz, dan panjang gelombang sinar X adalah 1,66 x 10^-10 m.

3. Sebuah atom hidrogen menyerap sejumlah energi sehingga elektronnya berpindah dari kulit K ke kulit L. Jika energi kulit K adalah -13,6 eV dan energi kulit L adalah -3,4 eV, berapakah energi yang diserap oleh atom hidrogen tersebut?

Penyelesaian:

Energi yang diserap oleh atom hidrogen dapat dihitung dengan rumus ΔE = E2 - E1,

Ket:
ΔE adalah perubahan energi
E2 adalah energi akhir
E1 adalah energi awal.

ΔE = E2 - E1
ΔE = (-3,4 eV) - (-13,6 eV)
ΔE = 10,2 eV

Jawaban: Energi yang diserap oleh atom hidrogen adalah 10,2 eV.

4. Sebuah atom hidrogen memancarkan sejumlah energi sehingga elektronnya berpindah dari kulit M ke kulit K. Jika energi kulit K adalah -13,6 eV dan energi kulit M adalah -0,85 eV, berapakah frekuensi dan panjang gelombang foton yang dipancarkan oleh atom hidrogen tersebut?

Penyelesaian:

Energi yang dipancarkan oleh atom hidrogen dapat dihitung dengan rumus ΔE = E2 - E1

Ket:
ΔE adalah perubahan energi
E2 adalah energi akhir
E1 adalah energi awal.

ΔE = E2 - E1
ΔE = (-13,6 eV) - (-0,85 eV)
ΔE = -12,75 eV

Frekuensi foton yang dipancarkan oleh atom hidrogen dapat dihitung dengan rumus Planck-Einstein, yaitu E = hν

Ket:
E adalah energi
h adalah konstanta Planck
ν adalah frekuensi

E = hν
ν = E/h
ν = (-12,75 eV)(1,6 x 10^-19 J/eV)/(6,63 x 10^-34 J.s)
ν = 3,09 x 10^15 Hz

Panjang gelombang foton yang dipancarkan oleh atom hidrogen dapat dihitung dengan rumus ν = c/λ

Ket:
ν adalah frekuensi
c adalah kecepatan cahaya
λ adalah panjang gelombang

ν = c/λ
λ = c/ν
λ = (3 x 10^8 m/s)/(3,09 x 10^15 Hz)
λ = 9,71 x 10^-8 m

Jawaban: Frekuensi foton yang dipancarkan oleh atom hidrogen adalah 3,09 x 10^15 Hz, dan panjang gelombang foton yang dipancarkan oleh atom hidrogen adalah 9,71 x 10^-8 m.

5. Sebuah foton dengan energi 4,14 x 10^-19 J mengenai sebuah elektron yang terikat pada atom dengan energi pengikatan 2,18 x 10^-19 J. Berapakah energi kinetik dan kecepatan elektron yang terlepas dari atom tersebut?

Penyelesaian:

Energi kinetik elektron yang terlepas dari atom dapat dihitung dengan rumus E = E0 + Ek

Ket:
E adalah energi foton
E0 adalah energi pengikatan
Ek adalah energi kinetik

E = E0 + Ek
Ek = E - E0
Ek = (4,14 x 10^-19 J) - (2,18 x 10^-19 J)
Ek = 1,96 x 10^-19 J

Kecepatan elektron yang terlepas dari atom dapat dihitung dengan rumus Ek = (1/2)mv2

Ket:
Ek adalah energi kinetik
m adalah massa elektron
v adalah kecepatan

Ek = (1/2)mv2
v = √(2Ek/m)
v = √[(2)(1,96 x 10^-19 J)/(9,11 x 10^-31 kg)]
v = 9,28 x 10^5 m/s

Jawaban: Energi kinetik elektron yang terlepas dari atom adalah 1,96 x 10^-19 J, dan kecepatan elektron yang terlepas dari atom adalah 9,28 x 10^5 m/s.