Gejala Kuantum: Radiasi Benda Hitam

(Pustaka Fisika). Mungkin kita pernah menyaksikan logam yang dipanaskan sampai suhu tertentu terlihat berpijar dan mengeluarkan cahaya. Peristiwa ini menunjukkan bahwa benda pada temperatur tinggi akan memancarkan energi radiasi gelombang elektromagnetik. Pada daerah tampak, radiasi ini sering kita lihat sebagai cahaya. Makin tinggi suhu, makin tinggi frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan. Ini juga menunjukkan makin besar energi kalor yang dipancarkan.

Benda Hitam

Benda hitam adalah benda khayal yang dengan kondisi ideal tertentu yang berusaha diciptakan oleh para ilmuwan fisika untuk menganalisis prilaku radiasi yang terperangkap dalam rongganya. Di anggap sebagai benda khayal karena sulitnya menemukan benda dengan hitam sempurna. Benda yang hampir hitam sempurna adalah jelaga lampu. Jelaga ini memancarkan kira-kira 1% energi radiasi yang mengenainya. Para ilmuwan bersepakat bahwa yang dimaksud dengan benda hitam disini adalah benda dengan ruang tertutup yang terdapat lubang kecil di dindingnya.

Gambar: Radiasi Benda Hitam

Sebagian besar energi radiasi yang masuk melalui lubang ini akan diseraap oleh dinding-dinding bagian dalam. Dari sebagian yang terpantul hanya sebagian kecil yang dapat keluar lewat lubang tersebut. Jadi dapat dianggap bahwa lubang ini berfungsi sebagai penyerap yang sempurna. Benda hitam ini akan memancarkan radiasi lebih banyak jika bendanya memiliki suhu tinggi. Spektrum benda hitam panas mempunyai puncak frekuensi lebih tinggi daripada puncak spektrum benda hitam yang lebih dingin.

Fisika Klasik dan Radiasi Benda Hitam

Terdapat masalah besar yang menarik dan belum terpecahkan oleh para ilmuwan fisika di akhir abad 19. Mengenai penjelasan ilmiah radiasi benda hitam. Ada dua teori klasik yang mencoba menjelaskan spektrum radiasi benda hitam, yaitu teori Wien dan teori Rayleigh-Jeans. Teori Wien menyatakan hubungan antara intensitas radiasi dengan panjang gelombang menggunakan analogi antara radiasi dalam ruangan dan distribusi kelajuan molekul gas. Namun teori Wien gagal menjelaskan panjang gelombang yang panjang.

Berbeda dengan Wien, teori Rayleigh-Jeans menyatakan gubungan antara intensitas dan panjang gelombang radiasi dengan menggunakan penurunan dari teori klasik murni. Namun ternyata, teori ini hanya berhasil menjelaskan radiasi benda hitam untuk panjang gelombang yang panjang. Untuk panjang gelombang yang pendek teori ini tidak dapat dipakai.

Intensitas Radiasi Planck

Teori fisika klasik yang menganggap cahaya sebagai gelombang, ternyata tidak dapat menerangkan spektrum radiasi benda hitam. Kegagalan ini menggugah Max Planck untuk melakukan penyelidikan spektrum radiasi benda hitam. Ia menyatakan suatu anggapan yang sangat radikal kala itu, yaitu cahaya dapat dianggap sebagai partikel yang terdiri atas paket-paket energi yang disebut sebagai kuanta atau foton. Teori ini lantas terbukti dengan adanya fenomena efek fotolistrik dan efek compton yang hanya mampu dijelaskan jika cahaya dianggap sebagai partikel. Mas Planck menggunakan dasar teoritis untuk memperkuat rumus empirisnya dengan membuat beberapa asumsi sebagai berikut:

Energi radiasi yang dipancarkan oleh getaran melekul-molekul benda bersifat diskrit, yang besarnya E = n . h . f. n adalah bilangan kuantum (n = 1, 2, 3, …) dan f adalah frekuensi getaran molekul, sedangkan h adalah konstanta Planck.
Molekul-molekul menyerap atau memancarkan energi radiasi dalam paket diskrit yang disebut kuantum dan foton. Energi radiasi terkuantitasi, dimana energi satu foton sama dengan konstanta Planck dikalikan frekuensi getaran molekulnya (h x f)

Bacaan menarik lainnya: