Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Radiasi Benda Hitam

Pada akhir abad ke-19 fisikawan secara umum menerima teori gelombang cahaya; cahaya sebagai gelombang. Meskipun pada saat itu fisika klasik berhasil menjelaskan fenomena-fenomena perambatan cahaya, namun belum memperhitungkan penyerapan dan emisi (pancaran) cahaya.

Suatu benda jika dipanaskan akan memancarkan radiasi panas yang disebut sebagai energi elektromagnetik pada frekuensi tertentu, tergantung pada suhu benda tersebut. Sebagai contoh, ketika sebuah logam dipanaskan, logam tersebut akan memancarkan energi radiasi elektromagnetik di ujung kiri spektrum cahaya tampak (visible light) yang akan membuatnya ‘berwarna’ merah. Semakin dipanaskan spektrum gelombang elektromagnetik (cahaya) akan bergeser ke arah kanan (lihat gambar) sehingga warnanya akan berubah dari merah menjadi kuning dan seterusnya.

Diagram spectrum elektromagnetik

Dalam ilmu fisika, benda atau objek ideal yang dapat menyerap seluruh radiasi elektromagnetik disebut benda hitam. Karena seluruh radiasi elektromagnetik diserap maka tidak ada radiasi yang keluar atau dipantulkan oleh objek ini. Karena hal ini, maka pada suhu kamar atau suhu normal, benda hitam akan ‘terlihat’ hitam. Istilah benda hitam sendiri diperkenalkan pertama kali oleh Gustav Kirchoff pada tahun 1860.

Meski demikian, setiap benda juga memiliki radiasi termal atau radiasi panas-nya sendiri, yaitu radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dari permukaan suatu benda karena energi termal (panas) benda tersebut. Sehingga walaupun benda hitam menyerap semua cahaya (gelombang elektromagnetik) dan tidak memantulkan-nya, benda hitam tetap memiliki radiasi termal dari diri-nya sendiri yang dipancarkan. Selain sebagai penyerap sempurna, benda hitam juga dapat menjadi objek yang mampu memancarkan seluruh energi panas-nya sendiri secara sempurna.

Dalam suhu kamar, energi yang dipancarkan benda hitam berada dalam bentuk gelombang inframerah yang tidak dapat dideteksi oleh mata manusia. Oleh karena itu, walaupun benda hitam meradiasikan gelombang elektromagnetik inframerah, benda ini tetap terlihat hitam pada suhu kamar. Sebaliknya, dalam suhu yang sangat ekstrim, benda hitam akan meradiasikan gelombang elektromagnetik (cahaya) pada ujung spektrum warna sehingga akan terlihat berwarna putih. Radiasi dari benda hitam ini disebut sebagai radiasi benda hitam.

Benda hitam hanya merupakan ‘benda ideal’ secara teori, karena di alam hampir tidak ditemukan benda hitam sempurna yang dapat menyerap semua cahaya yang diterimanya secara sempurna. Sejauh ini lubang hitam (black hole) dianggap sebagai penyerap (benda hitam) yang mendekati sempurna karena dapat menyerap semua cahaya yang melalui-nya, serta memancarkan gelombang elektromagnetik dalam bentuk radiasi yang disebut radiasi Hawking.

Untuk mengakali-nya dalam laboratorium, maka untuk mengamati radiasi benda hitam ilmuwan menggunakan radiasi dari lubang kecil pada sebuah kotak berongga. Cahaya yang memasuki lubang kecil ini akan dipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali, sehingga cahaya terperangkap di dalam rongga tersebut. Akibatnya, lubang kecil akan terlihat hitam.

Untuk mengamati radiasi benda hitam dari lubang kecil tersebut maka rongga dipanaskan. Seperti dijelaskan sebelumnya, pada kondisi normal atau pada suhu kamar benda hitam hanya meradiasikan gelombang elektromagnetik (cahaya) inframerah, namun ketika suhu atau temperatur-nya terus dinaikkan maka pada suhu tertentu (melebihi 500 derajat celcius) benda hitam mulai melepas cahaya pada frekuensi yang lebih tinggi sehingga dapat terlihat oleh mata manusia.

Ketika suhu dinaikkan maka benda hitam yang pada awalnya terlihat hitam mulai berubah warna menjadi abu-abu. Jika suhu terus dinaikkan maka akan berubah lagi menjadi merah gelap, kemudian merah cerah, jingga, kuning, biru hingga putih sesuai urutan warna pada spektrum cahaya - ini adalah hasil eksperimen atau pengamatan. Ketika terlihat putih, benda melepaskan sebagian energinya sebagai radiasi ultraviolet. Matahari dapat menjadi contoh radiasi benda hitam atau sebagai pemancar sempurna, yang dapat memancarkan seluruh energi cahaya-nya pada puncak spektrum cahaya dan menghasilkan radiasi ultraviolet.

Masalah datang ketika ilmuwan menghitung secara teori hasil eksperimen benda hitam menggunakan rumus (persamaan) fisika. Pada masa itu, perhitungan penyebaran energi radiasi pada benda masih menggunakan ide-ide klasik; teori termodinamika klasik dan elektrodinamika Maxwell. Jadi, ketika ilmuwan menggunakan rumus yang didasarkan pada teori klasik, mereka gagal mencocokkan hasil perhitungan dengan data hasil eksperimen.

Rumus (persamaan) yang umum berlaku saat itu adalah persamaan Wien dan Persamaan Rayleigh-Jeans. Persamaan yang diusulkan oleh Wilhelm Wien tidak sesuai dengan pengamatan atau eksperimen pada frekuensi rendah dan hanya cocok dengan hasil eksperimen pada frekuensi tinggi. Sebaliknya, rumus yang diusulkan oleh Lord Rayleigh dan James Jeans malah hanya sesuai untuk frekuensi rendah, sedangkan ketika diterapkan pada frekuensi tinggi menghasilkan energi radiasi elektromagnetik yang tak terhingga – sesuatu yang mustahil. Hasil perhitungan teoritik Rayleigh-Jeans yang menghasilkan jumlah energi tak terhingga pada frekuensi tinggi ini kemudian dikenal sebagai bencana ultraungu (ultra-violet).

Usaha pertama yang berhasil dalam memecahkan masalah ini datang dari Max Planck pada tahun 1900. Agar rumus fisika bisa sesuai dengan data hasil eksperimen, Planck mengambil suatu asumsi radikal bahwa energi radiasi yang dipancarkan benda hitam tidak terus menerus atau kontinu layaknya gelombang, melainkan dalam jumlah tertentu atau dalam paket-paket diskrit yang disebut kuanta. Jadi, cahaya atau gelombang elektromagnetik bersifat sebagai partikel, atau dengan kata lain gelombang cahaya adalah kumpulan partikel dengan paket-paket energi tertentu.

Nilai Energi diskrit dari cahaya atau gelombang elektromagnetik diperoleh dengan mengalikan frekuensi dari gelombang elektromagnetik dengan sebuah konstanta baru yang diperkenalkan oleh Planck – konstanta ini kemudian disebut sebagai konstanta Planck. Konstanta ini muncul dalam semua perhitungan yang berhubungan dengan fisika kuantum dan menjadi salah satu konstanta paling fundamental dalam ilmu fisika.

Menurut Planck, energi yang dipancarkan benda sebanding dengan frekuensi benda tersebut yang juga sebanding dengan suhunya. Untuk mengubah warna benda yang memancarkan energi elektromagnetik (cahaya), maka diubah suhunya. Meningkatkan suhu benda tersebut akan memungkinkannya memancarkan energi dengan frekuensi yang lebih tinggi. Planck menunjukkan bahwa spektrum energi yang dihitung secara teori berdasarkan rumus yang diusulkannya dapat sesuai dengan data hasil pengamatan pada seluruh rentang frekuensi.

Terlepas dari keberhasilannya ini, Planck menganggap bahwa hasil pekerjaannya hanya merupakan sebuah trik atau gimmick matematika sebagai tindakan putus asa dalam upaya menjelaskan fenomena radiasi benda hitam. Itu artinya Planck sendiri belum yakin bahwa temuan kuanta energinya benar-benar sesuatu yang memiliki makna fisis, melainkan hanya sebuah gagasan teori perhitungan.

Lima tahun berselang Einstein menunjukkan bahwa kuanta energi yang diusulkan Planck adalah sesuatu yang nyata lewat keberhasilan Einstein memecahkan fenomena efek fotolistrik. Atas jasa-nya dalam penemuan kuanta energi, Planck dianugerahi hadiah Nobel pada tahun 1918.

Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013