A. Teori Klasik Gagal Menerangkan Spektrum Radiasi Benda Hitam
Persoalan utama yang dihadapi para ilmuwan pada tahun 1890 adalah bagaimana menerangkan spektrum radiasi benda hitam. Menurut teori elektromagnetik, radiasi yang dipancarkan oleh benda panas bisa saja berhubungan dengan getaran-getaran dari muatan listrik dalam molekul-molekul zat. Walaupun teori klasik ini dapat menerangkan asal dari reaksi radiasi kalor, tetapi teori ini tidak secara tepat menerangkan spektrum radiasi benda hitam yang diamati. Dua buah grafik penting berdasarkan teori klasik yang menyatakan tentang hubungan intensitas radiasi kalor dan panjang gelombangnya, diusulkan oleh Wiem (1896) dan Reyleigh-Jeans (1900). Sebuah plot grafik dari Planck yang sangat dekat dengan data percobaan bersamaan dengan grafik yang diperoleh dari formulasi Wien dan formulasi Reyleigh-Jeans ditunjukkan pada grafik berikut. Tampak bahwa baik formulasi Wien maupun formulasi Reyleigh-Jeans tidak sesuai dengan data percobaan. Kedua formulasi itu memiliki keterbatasan. Teori Wien dapat menerangkan spektrum pada panjang gelombang yang pendek, tetapi menyimpang ketika menerangkan panjang gelombang yang panjang (λm . T = C). Sebaliknya Teori Reylaigh-Jeans dapat menerangkan spectrum panjang gelombang yang panjang tetapi menyimpang ketika menerangkan panjang gelombang yang pendek (μ(λ,T) = 8πkTλ-4). Kegagalan Hukum Rayleigh-Jeans menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini dikenal sebagai Bencana Ultraviolet atau Ultraviolet Catastrophe.
|
|
|
B. Teori Planck
Pada tahun 1900 Max Planck melaporkan penemuan formulanya yang secara teliti menerangkan bentuk grafik spektrum radiasi benda hitam untuk semua panjang gelombang dan suhu yang menunjukkan bahwa formula dari Planck sesuai dengan seluruh data spektrum radiasi benda hitam yang diperoleh dari percobaan. Ia kemudian mencoba suatu basis teori untuk formula dan menemukan bahwa ia bisa memperoleh formula yang memenuhi semua data percobaan dengan membuat suatu anggapan baru dan radikal (tidak dikenal pada saat itu) mengenai sifat dasar dari getaran molekul-molekul dalam dinding-dinding rongga benda hitam, sebagai berikut.
Menurut Max Planck bahwa energi radiasi benda hitam dipancarkan tidak secara kontinu tetapi secara diskontinu, yaitu pancaran radiasi benda hitam dipancarkan dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta atau kemudian lebih dikenal dengan sebutan foton.
Max Planck menggunakan dasar teoritis untuk memperkuat rumus empirisnya dengan membuat asumsi berikut.
- Getaran molekul-molekul yang memancarkan radiasi hanya dapat memiliki satuan-satuan diskrit (diskontinyu) dari energi (E) yang diberikan sebagai:
Dengan n adalah bilangan asli (1,2,3……), yang disebut bilangan kuantum dan f adalah frekwuensi getaran molekul-molekul. Energi dari molekul-molekul dikatakan terkuantisasi, dan energi yang diperkenankan disebut tingkat energi. Disini h disebut tetapan Planck, dan nilai h yang diterima sampai saat ini ialah h = 6,626× 10-34 Js = 4,136× 10-34eVsEn = nhf
- Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi dalam satuan diskrit dari energi cahaya, disebut kuantum (atau sekarang disebut foton). Molekul-molekul malakukan itu dengan cara melompat dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Jika bilangan kuantum n berubah dengan satu satuan. Persamaan ini menunjukkan bahwa jumlah energi yang dipancarkan atau diserap oleh molekul-molekul sama dengan hf. Jadi, energi sebuah foton karena beda energi yang berdekatan, diberikan oleh persamaan:
E = hf
E = Energi yang di radiasikan (J)
n = Jumlah foton (n = bilangan kuantum (1,2,3,.....))
h = Konstanta Planck (h = 6,626× 10-34 Js)
f = Frekuensi foton (Hz)
Molekul akan memancarkan atau menyerap energi hanya ketika molekul merubah tingkat energinya. Jika molekul tetap tinggal dalam suatu tingkat energi tertentu, maka tidak ada energi yang diserap atau dipancarkan molekul.
Jadi, dengan mengambil nilai yang diskrit (tidak kontinu) itu, kebolehjadian nilai energi yang dapat dimiliki oleh gelombang dengan frekuensi tinggi dapat diperkecil. Dengan pendekatan itu Planck dapat menurunkan persamaan yang sesuai dengan kenyataan empiris. Langkah Planck adalah anggapan radikalnya tentang keadaan energi terkuantisasi. Pengembangan inilah yang menandai lahirnya teori kuantum. Karena itu, teori fisika sebelum tahun 1900 disebut dengan fisika klasik, sedangkan teori fisika sesudah tahun 1900 (diawali oleh teori Planck) disebut fisika modern. Ternyata teori Planck tentang foton mampu menjelaskan secara tepat untuk seluruh spektrum tradisi benda hitam. Dari teori yang dikemukakan oleh Planck dapat disimpulkan bahwa kegagalan dari teori sebelumnya yaitu teori Wien dan Releigh-Jeans karena menggunakan teori klasik untuk menerangkan spektrum benda hitam.
