Lompatan Besar Ke Depan


Sesuatu yang serupa dengan teka-teki mengganggu fisikawan selama beberapa tahun. Ia disebut masalah benda hitam. Benda hitam merupakan objek hipotetik yang menyerap semua radiasi elektromagnetik yang jatuh padanya. Radiasi elektromagnetik adalah energi murni, gelombang yang tidak memiliki massa. Jangkauan gelombang elektromagnetik mulai dari sinar gamma berenergi tinggi dan sinar kosmik sampai gelombang radio berenergi rendah. Bagian sinar yang tampak dari spektrum elektromagnetik—dapat dideteksi mata manusia—disebut gelombang cahaya.

 

Gambar 1.2 Warna-warna gelombang spektrum elektromagnetik yang tampak untuk mata manusia

 

Ketika dipanaskan, benda hitam meradiasikan gelombang elektromagnetik. Di bawah beberapa kondisi, benda hitam tidak semuanya hitam. Ketika radiasi yang diemisikan benda hitam memiliki panjang gelombang dalam daerah tampak dari spektrum elektromagnetik, kita melihatnya sebagai cahaya.

Banyak objek—tungku api, misalnya—menyerupai benda hitam. Jika Anda memanaskan tungku, warna awalnya akan sama, tetapi Anda dapat merasakan radiasi panas darinya dalam bentuk radiasi inframerah. Radiasi dari panjang gelombang ini tidak tampak oleh mata tetapi tangan Anda dapat mendeteksinya—karena tangan Anda merasakan panas jika menyentuh tungku. Panaskan tungku sampai suhunya lebih tinggi, dan ia mulai memijar. Ia sekarang mulai mengemisikan gelombang lebih berenergi. Gelombang tersebut tampak sebagai warna merah. Panaskan tunggu lebih tinggi lagi dan ia mulai berwarna putih, karena putih merupakan campuran dari semua warna dalam spektrum tampak, meliputi gelombang berenergi lebih tinggi. Dengan menaikkan suhu lebih tinggi lagi akan menghasilkan energi lebih tinggi, radiasi berintensitas lebih tinggi.

 

Gambar 1.3 Grafik ini memperlihatkan level energi dan intensitas radiasi benda hitam. Peningkatan suhu benda hitam diiringi peningkatan level energi dan intensitas gelombang.

 

Karakteristik spektrum benda hitam berlaku untuk objek selain tungku. Faktanya, spektrum radiasi elektromagnetik yang diemisikan zat hanya tergantung pada suhunya dan tidak tergantung zat itu sendiri.

Karakteristik spektrum benda hitam ditentukan secara eksperimen pada abad sembilanbelas. Tetapi ia tidak dapat dijelaskan berdasarkan fisika Newton dan Maxwell. (Saintis Inggris Isaac Newton merumuskan hukum gerakan dan gravitasi pada tahun 1687; James Clerk Maxwell, fisikawan Skotlandia, mempublikasikan hukumnya mengenai listrik dan magnet pada tahun 1871).

Fisika Newton dan Maxwell memprediksi bahwa benda yang dipanaskan akan mengemisikan jumlah energi radiasi sangat tinggi yang tidak terbatas. Prediksi ini berdasarkan pada gagasan bahwa benda hitam tersusun dari oscillator yang menghasilkan gelombang kontinum, seperti ketika Anda memetik senar violin. Tetapi fisikawan memprediksi spektrum radiasi benda hitam—jumlah radiasi berenergi tinggi tidak terbatas—dan data eksperimennya tidak sesuai. Mereka tidak pernah berhasil. Masalah ini diselesaikan Max Planck pada tahun 1900.

Planck merupakan fisikawan Jerman yang mempelajari sejarah sains dengan komprehensif. Hasilnya menuntun Planck sampai mekanika kuantum, tidak ada seorang pun yang merasa yakin sampai ia menciptakan persamaan yang merevolusi fisika. Setelah menguji berbagai ide, Planck akhirnya mencoba sesuatu yang tidak dapat terpikirkan: Bagaimana jika energi tidak kontinu? Bagaimana jika energi dalam bentuk paket diskrit? Ia kemudian menuliskan persamaannya.

 

E = nhf

 

Dalam persamaan ini, E adalah energi oscilator dalam benda hitam, n adalah jumlah oscilator, f adalah frekuensi oscilator, dan h adalah bilangan sangat kecil. Bilangan ini pada saat sekarang dikenal sebagai konstanta Planck. Ia biasanya direpresentasikan menggunakan notasi ilmiah 6.6 ´ 10-34 joule sekon. (Joule adalah Sistem Internasional (SI) dari satuan kerja. Disingkat J, satu joule sama dengan 0,2388 kalori). Dalam bentuk desimal, konstanta Planck terlihat seperti ini:

 

0.00000000000000000000000000000000066

 

Ketika Planck menggunakan persamaan ini untuk menghitung spektrum radiasi benda hitam, hasilnya sesuai secara sempurna dengan hasil eksperimen. Lebih penting lagi, ia menemukan mekanika kuantum, karena bentuk persamaan sederhana ini merupakan basis teori kuantum. Ketika diaplikasikan kepada fisika benda hitam, ia menyiratkan bahwa energi tidak kontinu tetapi berupa paket, atau kuanta (kata yang dikeluarkan oleh Planck sendiri), yang berbanding lurus dengan frekuensi oscilator.

Planck melaporkan solusinya untuk masalah benda hitam pada pertemuan Ilmuan Fisika di Berlin pada Desember 1900. Pada saat itu, tidak ada seorang pun, termasuk juga Planck sendiri, memahami implikasi persamaan sederhana yang ia gunakan untuk menyelesaikannya. Persamaannya menggunakan trik matematis yang baik tetapi tidak signifikan secara fisik. Ia sangat bermanfaat, tetapi tidak merepresentasikan cara kerja aktual benda hitam.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: