Eksperimen dan Solusi Max Planck untuk Radiasi Benda Hitam menjadi salah satu tonggak revolusioner dalam fisika. Meskipun Planck sendiri tidak langsung melakukan eksperimen, ia memberikan solusi teoretis untuk menjelaskan hasil eksperimen radiasi benda hitam yang dilakukan oleh para fisikawan sebelumnya, seperti Wilhelm Wien dan Heinrich Rubens. Berikut adalah penjelasan lebih mendalam:
Eksperimen Radiasi Benda Hitam
Eksperimen benda hitam dilakukan dengan menggunakan perangkat berupa rongga dengan lubang kecil. Berikut langkah dan prinsip dasar eksperimen:
- Desain Rongga Benda Hitam:
- Sebuah rongga dengan dinding yang terbuat dari material penyerap sempurna digunakan.
- Radiasi masuk melalui lubang kecil, terpantul-pantul di dalam rongga, dan sebagian besar diserap oleh dinding. Radiasi yang keluar dari lubang kecil dianggap sebagai radiasi benda hitam.
- Pengukuran Spektrum:
- Rongga dipanaskan ke berbagai suhu.
- Radiasi yang keluar diukur intensitasnya pada berbagai panjang gelombang menggunakan spektrometer.
- Spektrum intensitas radiasi pada suhu tertentu (kurva radiasi) kemudian diplotkan.
- Hasil Eksperimen:
- Intensitas radiasi meningkat dengan suhu.
- Spektrum menunjukkan puncak intensitas pada panjang gelombang tertentu, yang bergeser ke panjang gelombang lebih pendek saat suhu meningkat (Hukum Pergeseran Wien).
Kegagalan Teori Klasik
Sebelum Planck, dua teori utama digunakan untuk mencoba menjelaskan hasil ini:
- Hukum Wien:
- Wien menemukan secara empiris bahwa spektrum benda hitam dapat dijelaskan untuk panjang gelombang pendek (λ\lambdaλ kecil).
- Rumusnya: I(λ,T)∝1λ5e−bλTI(\lambda, T) \propto \frac{1}{\lambda^5} e^{-\frac{b}{\lambda T}}I(λ,T)∝λ51e−λTb
- Gagal menjelaskan spektrum pada panjang gelombang panjang (λ\lambdaλ besar).
- Hukum Rayleigh-Jeans:
- Berdasarkan teori gelombang elektromagnetik klasik: I(λ,T)∝1λ4TI(\lambda, T) \propto \frac{1}{\lambda^4} TI(λ,T)∝λ41T
- Ini sesuai pada panjang gelombang panjang (λ\lambdaλ besar) tetapi gagal total untuk panjang gelombang pendek (λ\lambdaλ kecil), menghasilkan prediksi intensitas tak terbatas (bencana ultraviolet).
- Berdasarkan teori gelombang elektromagnetik klasik: I(λ,T)∝1λ4TI(\lambda, T) \propto \frac{1}{\lambda^4} TI(λ,T)∝λ41T
Solusi Max Planck (1900)
Planck mengembangkan model matematis berdasarkan gagasan baru: Energi radiasi tidak kontinu, tetapi terkuantisasi.
- Hipotesis Planck:
- Energi radiasi elektromagnetik pada frekuensi tertentu (ν\nuν) hanya dapat dipancarkan atau diserap dalam paket-paket energi kecil (kuanta): E=nhνE = n h \nuE=nhν
- EEE: Energi radiasi.
- nnn: Bilangan bulat (1, 2, 3, …).
- hhh: Konstanta Planck (6.626×10−34 Js6.626 \times 10^{-34} \, \text{Js}6.626×10−34Js).
- ν\nuν: Frekuensi radiasi.
- Energi radiasi elektromagnetik pada frekuensi tertentu (ν\nuν) hanya dapat dipancarkan atau diserap dalam paket-paket energi kecil (kuanta): E=nhνE = n h \nuE=nhν
- Distribusi Energi Planck:
- Planck menghitung distribusi energi radiasi dalam rongga menggunakan gagasan kuantisasi: I(λ,T)=2hc2λ5⋅1ehcλkBT−1I(\lambda, T) = \frac{2hc^2}{\lambda^5} \cdot \frac{1}{e^{\frac{hc}{\lambda k_B T}} – 1}I(λ,T)=λ52hc2⋅eλkBThc−11
- I(λ,T)I(\lambda, T)I(λ,T): Intensitas radiasi pada panjang gelombang λ\lambdaλ dan suhu TTT.
- ccc: Kecepatan cahaya.
- kBk_BkB: Konstanta Boltzmann.
- Planck menghitung distribusi energi radiasi dalam rongga menggunakan gagasan kuantisasi: I(λ,T)=2hc2λ5⋅1ehcλkBT−1I(\lambda, T) = \frac{2hc^2}{\lambda^5} \cdot \frac{1}{e^{\frac{hc}{\lambda k_B T}} – 1}I(λ,T)=λ52hc2⋅eλkBThc−11
- Kesesuaian dengan Eksperimen:
- Rumus Planck secara sempurna menjelaskan hasil eksperimen pada semua panjang gelombang.
- Pada panjang gelombang pendek, rumus ini mendekati hukum Wien.
- Pada panjang gelombang panjang, rumus ini mendekati hukum Rayleigh-Jeans.
Makna Revolusioner
Gagasan Planck membawa implikasi mendalam:
- Kuantisasi Energi:
- Energi tidak kontinu seperti yang diasumsikan fisika klasik.
- Ini menjadi dasar teori kuantum.
- Foton:
- Albert Einstein (1905) mengembangkan ide Planck lebih jauh untuk menjelaskan efek fotoelektrik, menyebut kuanta cahaya sebagai “foton.”
- Prinsip Probabilitas:
- Teori klasik bergantung pada determinisme. Teori kuantum (berawal dari Planck) memperkenalkan elemen probabilistik dalam deskripsi alam.
Eksperimen Terkait
- Spektrometer Radiasi:
- Digunakan untuk mengukur intensitas radiasi benda hitam pada berbagai panjang gelombang.
- Membuktikan bahwa spektrum sesuai dengan distribusi Planck.
- Lampu Filamen Tungsten:
- Contoh benda hitam praktis. Spektrum radiasinya pada berbagai suhu sesuai dengan prediksi Planck.
Planck sendiri awalnya menganggap gagasannya sebagai “trik matematika,” tetapi fisikawan lain (termasuk Einstein) segera menyadari bahwa ini adalah awal dari revolusi kuantum. Planck dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1918 untuk kontribusinya ini.
