Fisika Modern: Radiasi Benda Hitam, Pergeseran Wien, dan Teori Kuantum Planck
Mengapa logam berpijar tampak merah saat dipanaskan? Mengapa matahari memancarkan cahaya putih kekuningan, sedangkan kompor listrik berpijar merah? Jawabannya terletak pada fenomena radiasi benda hitam dan pemahaman mendalam dari fisika modern.
1. Radiasi Benda Hitam
Benda hitam adalah objek ideal yang menyerap semua radiasi elektromagnetik yang datang padanya dan memancarkan radiasi sesuai suhunya.
Masalah klasik:
Teori fisika klasik (hukum Rayleigh-Jeans) memprediksi bahwa energi radiasi meningkat tak terbatas pada panjang gelombang pendek (ultraviolet) — ini dikenal sebagai “ultraviolet catastrophe”. Padahal, eksperimen menunjukkan grafik intensitas justru turun pada panjang gelombang pendek.
Grafik radiasi benda hitam:
- Memiliki puncak intensitas tertentu
- Semakin panas benda, puncaknya bergeser ke panjang gelombang lebih pendek
Contoh Soal:
Jelaskan mengapa besi yang dipanaskan terus-menerus berubah warna dari merah → oranye → putih kekuningan.
Jawaban:
Karena suhu meningkat, puncak distribusi radiasi bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek, dari cahaya merah menuju cahaya tampak yang lebih terang. Ini sesuai dengan hukum Wien.
2. Hukum Pergeseran Wien
Hukum ini menyatakan bahwa panjang gelombang maksimum (\( \lambda_{\text{maks}} \)) radiasi benda hitam berbanding terbalik dengan suhunya.
dengan:
- \( C = \text{tetapan yang bernilai } 2{,}898 \times 10^{-3} \, \text{m} \cdot \text{K} \)
- \( T \) = suhu mutlak dalam Kelvin
Contoh Soal:
Sebuah benda bersuhu \( T = 2900 \, \text{K} \). Berapa panjang gelombang maksimum yang dipancarkannya?
Penyelesaian:
\[\lambda_{\text{maks}} = \frac{2{,}898 \times 10^{-3}}{2900}\]
\[= 1{,}0 \times 10^{-6} \, \text{m} = 1000 \, \text{nm}\]
Jawaban:\( 1000 \, \text{nm} \) (infrared)
3. Teori Kuantum Planck
Untuk mengatasi kegagalan teori klasik dalam menjelaskan radiasi benda hitam, Max Planck mengusulkan bahwa:
Energi tidak dipancarkan secara terus-menerus, tapi dalam paket-paket diskrit yang disebut kuanta.
dengan:
- \( E \) = energi kuantum (Joule)
- \( h = 6{,}626 \times 10^{-34} \, \text{Js} \) = konstanta Planck
- \( f \) = frekuensi gelombang
Highlight penting:
Teori ini tidak dapat dijelaskan oleh teori klasik karena fisika klasik menganggap energi bersifat kontinu.
Planck menyadari bahwa hanya dengan pendekatan kuantum (diskrit), grafik radiasi benda hitam sesuai dengan eksperimen—mengatasi masalah ultraviolet catastrophe.
Hitung energi satu kuantum cahaya dengan frekuensi \( f = 6 \times 10^{14} \, \text{Hz} \)
Penyelesaian:
\[E = h \cdot f = (6{,}626 \times 10^{-34}) \times (6 \times 10^{14}) \]
\[= 3{,}976 \times 10^{-19} \, \text{J}\]
Jawaban:\( 3{,}976 \times 10^{-19} \, \text{J} \)
Radiasi benda hitam adalah fenomena dasar yang membuka pintu menuju mekanika kuantum. Ketika teori klasik gagal menjelaskan perilaku cahaya pada suhu tinggi, Planck memberikan solusi revolusioner: energi datang dalam kuanta. Inilah awal dari era fisika modern yang mengubah pemahaman kita tentang alam semesta.