Apa Itu Fisika Kuantum: Pengertian, Teori, dan Rumus-rumusnya

Fisika kuantum adalah salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari perilaku partikel-partikel subatom dan fenomena di tingkat skala atomik. Cabang ilmu ini menggali sifat-sifat misterius dan unik dari dunia subatom yang berbeda dengan fisika klasik yang berlaku pada skala yang lebih besar. 

Fenomena di dunia kuantum seringkali membingungkan dan mengubah paradigma pemahaman kita tentang alam semesta. Untuk itu, artikel ini akan membahas pengertian, teori, rumus, dan fakta menarik tentang fisika kuantum, serta menyajikan contoh soal dan pembahasannya.

Konsep Fisika Kuantum

Fisika kuantum berasal dari kata “kuantum” yang berarti kuantitas diskret atau diskrit. Teori ini pertama kali diusulkan pada awal abad ke-20 sebagai respon terhadap fenomena aneh yang peneliti temukan pada tingkat partikel subatom. 

Teori dalam fisika kuantum menyatakan bahwa partikel-partikel subatom memiliki sifat-sifat ganda, yaitu dapat berperilaku sebagai partikel atau gelombang. Tergantung pada bagaimana mereka diobservasi.

Siapa Pioneer Teori Fisika Kuantum?

Fisika kuantum tidak akan menjadi apa adanya tanpa sumbangan berharga dari para pionir yang menjelajahi dan menggali dunia mikroskopis ini. Di antara para pionirnya, yang paling terkenal adalah:

• Max Planck memperkenalkan konsep kuantum dan memperkenalkan konstanta Planck pada tahun 1900. Teorinya tentang radiasi benda hitam menjadi tonggak awal dalam fisika kuantum.
• Pada tahun 1905, Albert Einstein mengusulkan teori tentang efek fotolistrik yang menjelaskan bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel kecil yang disebut foton.
• Kemudian, Niels Bohr pada tahun 1913 mengusulkan model atom yang menggabungkan teori kuantum dengan teori atom serta menjelaskan orbit elektron di sekitar inti atom.
• Sementara pada tahun 1926, Schrödinger mengembangkan persamaan gelombang yang menyediakan dasar matematis untuk teori gelombang kuantum.

Berbagai Teori dan Fakta Menarik dalam Fisika Kuantum

Teori-teori pada cabang ilmu fisika ini berfokus pada perilaku partikel subatomik, seperti elektron, proton, dan foton, serta interaksi mereka dengan medan dan energi. Berikut adalah beberapa teorinya:

1. Dualisme Materi

Salah satu konsep paling mendasar dalam fisika kuantum adalah dualisme materi. Konsep ini pertama kali diusulkan oleh Louis de Broglie pada tahun 1924, yang menyatakan bahwa partikel bermassa, seperti elektron, memiliki sifat gelombang juga. 

Sehingga, partikel dapat memiliki sifat partikel dan gelombang secara bersamaan. Misalnya, elektron dapat berperilaku seperti partikel dengan posisi dan momentum yang terdefinisi saat diobservasi. Namun juga seperti gelombang yang menyebar dan interferensi saat berinteraksi dengan medan lain. 

2. Prinsip Superposisi dan Interferensi

Sementara prinsip superposisi menyatakan bahwa suatu partikel dapat berada dalam banyak keadaan atau posisi secara bersamaan. Sebagai contoh, sebuah elektron dapat berada di dua tempat sekaligus hingga diobservasi.

Sedangkan interferensi yang merupakan konsekuensi dari prinsip superposisi terjadi ketika dua atau lebih gelombang materi tumpang tindih dan saling mempengaruhi. Interferensi ini dapat menghasilkan pola gelombang yang khas dan telah diamati dalam berbagai eksperimen fisika kuantum.

3. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

Selain itu, Werner Heisenberg memperkenalkan prinsip ketidakpastian pada tahun 1927. Ia menyatakan bahwa kita tidak dapat secara bersamaan mengetahui posisi dan momentum suatu partikel dengan presisi yang mutlak. 

Jika kita mengukur posisi suatu partikel dengan sangat tepat, maka justru semakin tidak pasti momentumnya, begitu juga sebaliknya.

4. Efek Gelombang Materi 

Lalu, konsep de Broglie menyatakan bahwa partikel bermassa seperti elektron memiliki sifat gelombang juga. Efek ini telah diamati dalam eksperimen difraksi elektron, di mana elektron menunjukkan pola difraksi seperti cahaya.

5. Teori Gelombang Elektromagnetik

Teori gelombang elektromagnetik menjelaskan sifat gelombang cahaya, termasuk panjang gelombang dan frekuensi cahaya. Konsep ini juga diperluas untuk menjelaskan gelombang elektromagnetik lainnya, seperti gelombang radio dan gelombang mikro.

Teori gelombang elektromagnetik penting dalam fisika kuantum karena gelombang elektromagnetik juga dapat berperilaku sebagai partikel, yang dikenal sebagai foton.

6. Kuantum Teleportasi 

Dalam fisika kuantum, ada fenomena yang disebut “teleportasi kuantum”, di mana informasi kuantum dapat ditransfer dari satu partikel ke partikel lain tanpa pertukaran materi fisik. 

7. Paksaan Quantum 

Selain itu, terdapat fenomena “paksaan quantum” yang menyatakan bahwa ketika partikel diamati atau diukur, ia akan “paksa” untuk berada dalam satu keadaan tertentu. Ini menunjukkan bahwa pengamatan itu sendiri dapat mempengaruhi perilaku partikel subatomik.

Rumus-Rumus dalam Fisika Kuantum

Persamaan de Broglie merupakan salah satu konsep fundamental dalam fisika kuantum yang menghubungkan sifat partikel materi dengan sifat gelombangnya. Persamaan tersebut menyatakan bahwa setiap partikel bermassa atau partikel subatom lainnya, memiliki sifat gelombang yang terkait dengan momentumnya.

1. Rumus Dasar

Rumus dasar dari persamaan de Broglie adalah sebagai berikut:

λ = h / p

Dalam rumus tersebut, λ (lambda) adalah panjang gelombang partikel, h adalah konstanta Planck, dan p adalah momentum partikel.

Konstanta Planck (h) memiliki nilai sekitar 6,63 x 10^-34 J.s (joule-sekon) dan merupakan konstanta fundamental dalam fisika kuantum yang menghubungkan energi kuantum dan frekuensi gelombang elektromagnetik.

Dengan menggunakan persamaan de Broglie, kita dapat menghitung panjang gelombang suatu partikel berdasarkan momentumnya. Atau bahkan sebaliknya, menghitung momentum partikel berdasarkan panjang gelombangnya.

2. Rumus Menghitung Panjang Gelombang (λ)

Sebagai contoh, untuk menghitung panjang gelombang partikel, kita menggunakan rumus:

λ = h / p

Dalam rumus tersebut, p adalah momentum partikel. Misalnya, jika kita memiliki elektron dengan momentum 2,5 x 10^-24 kg.m/s, maka panjang gelombangnya adalah:

λ = 6,63 x 10^-34 J.s / 2,5 x 10^-24 kg.m/s

λ ≈ 2,65 x 10^-10 m (meter)

3. Rumus Menghitung Momentum (p)

Sebaliknya, jika kita memiliki panjang gelombang partikel dan ingin menghitung momentumnya, kita dapat menggunakan rumus:

p = h / λ 

4. Rumus Turunan dalam Persamaan de Broglie

Selain rumus dasar, persamaan de Broglie juga memiliki beberapa rumus turunan yang sangat berguna dalam fisika kuantum. Beberapa rumus turunan tersebut antara lain:

a. Energi Kinetik (Ekinetik)

Energi kinetik partikel dapat dihitung dengan menggunakan persamaan energi kinetik klasik, tetapi juga dapat dihubungkan dengan panjang gelombang de Broglie. Rumusnya adalah:

Ekinetik = (h² / 2m) * (1 / λ²)

Dalam rumus tersebut, m adalah massa partikel.

b. Kecepatan Partikel (v)

Kecepatan partikel dapat dihitung berdasarkan momentumnya menggunakan rumus:

v = p / m

Dalam rumus tersebut, m adalah massa partikel.

c. Frekuensi (f)

Frekuensi gelombang partikel dapat dihitung berdasarkan kecepatan dan panjang gelombangnya menggunakan rumus:

f = v / λ

d. Energi Total (Etotal)

Energi total partikel, yang terdiri dari energi kinetik dan energi potensialnya, dapat dihitung berdasarkan panjang gelombangnya dengan rumus:

Etotal = hc / λ

Dalam rumus tersebut, c adalah kecepatan cahaya dalam vakum.

Contoh Soal Tentang Fisika Kuantum dan Pembahasan

Simak 3 contoh soal di bawah ini untuk mempelajari lebih dalam mengenai rumus-rumus dalam meteri fisika kuantum:

1. Contoh Soal 1

Sebuah partikel dengan massa 0,1 kg memiliki panjang gelombang 2,5 m. Tentukan nilai momentum partikel tersebut.

Pembahasan: Untuk menghitung momentum partikel, kita menggunakan persamaan De Broglie: λ = h / p

Diketahui:

• Massa partikel (m) = 0,1 kg
• Panjang gelombang (λ) = 2,5 m
• Konstanta Planck (h) = 6,63 x 10^-34 J.s

Momentum (p) dapat dihitung dengan mengubah persamaan De Broglie:

p = h / λ

p = 6,63 x 10^-34 J.s / 2,5 m = 2,65 x 10^-34 J.s.m^-1

Jadi, nilai momentum partikel tersebut adalah 2,65 x 10^-34 J.s.m^-1.

2. Contoh Soal 2 

Sebuah partikel bermassa 2 x 10^-26 kg memiliki energi kinetik sebesar 5 x 10^-19 J. Hitunglah panjang gelombang de Broglie dari partikel tersebut.

Pembahasan: Diketahui:

• Massa partikel (m) = 2 x 10^-26 kg
• Energi kinetik (KE) = 5 x 10^-19 J

Kita akan menggunakan rumus energi kinetik dan panjang gelombang dalam persamaan de Broglie, yaitu KE = (h^2 / 2m) * (1 / λ^2).

5 x 10^-19 J = (6,63 x 10^-34 J.s)² / (2 * 2 x 10^-26 kg * λ²)

λ^2 ≈ ((6,63 x 10^-34 J.s)^2) / (2 * 2 x 10^-26 kg * 5 x 10^-19 J)

λ^2 ≈ 3,306 x 10^-18 m²

λ ≈ √(3,306 x 10^-18 m²)

λ ≈ 5,74 x 10^-9 m (meter)

Jadi, panjang gelombang de Broglie dari partikel tersebut adalah sekitar 5,74 x 10^-9 m.

3. Contoh Soal 3

Sebuah partikel dengan panjang gelombang 2 x 10^-12 m bergerak dengan kecepatan 3 x 10⁶ m/s. Hitunglah momentum partikel tersebut.

Pembahasan: Diketahui:

• Panjang gelombang (λ) = 2 x 10^-12 m
• Kecepatan partikel (v) = 3 x 10⁶ m/s

Kita akan menggunakan rumus frekuensi dan panjang gelombang dalam persamaan de Broglie, yaitu p = h / λ.

p = 6,63 x 10^-34 J.s / 2 x 10^-12 m

p ≈ 3,315 x 10^-22 kg.m/s

Jadi, momentum partikel tersebut adalah sekitar 3,315 x 10^-22 kg.m/s.

Sudah Paham Fisika Kuantum dan Rumusnya? 

Fisika kuantum menawarkan konsep yang menarik dan menantang dalam memahami dunia partikel subatomik. Dengan menggunakan persamaan de Broglie, kita dapat menghubungkan sifat partikel materi dengan sifat gelombangnya. 

Demikianlah, artikel ini telah membahas pengertian fisika kuantum beserta teori, rumus, fakta menarik, contoh soal, dan pembahasannya. Semoga dengan pemahaman yang lebih mendalam tentang materi ini, kita dapat terus mengeksplorasi dan memahami misteri alam semesta yang menakjubkan ini.