Radiasi Benda Hitam

Radiasi Benda Hitam - Fenomena radiasi benda hitam memperoleh namanya melalui cara yang secara menarik terbalik. Dalam fisika klasik, benda hitam adalah benda yang menyerap semua radiasi elektromagnetik yang jatuh padanya. Akan tetapi, hukum-hukum yang dipatuhi dalam fisika klasik tidak dapat menjelaskan kelakuan alami cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam yang panas. Pada awalnya, hal ini tampak hanya sebagai masalah kecil yang kelak diharapkan dapat dipecahkan, tetapi semakin dalam para fisikawan meneliti, justru permasalahannya tampak semakin besar.

Untuk memahami hal ini, mari kita bayangkan sebuah benda berongga yang memiliki sebuah lubang kecil (lihat Gambar di bawah ini).

Gambar 1. Rongga dengan Satu Celah Kecil

Sembarang radiasi yang masuk ke lubang kecil ini akan dipantulkan dan diserap berkali-kali oleh dinding rongga dan tidak ada atau sangat sedikit radiasi yang keluar dari lubang kecil itu. Jadi seluruh radiasi yang masuk ke lubang kecil itu diserap seperti halnya benda hitam. Banyak benda hitam di dalam eksperimen dibuat seperti ini.

Rongga Dipanaskan

Sekarang bayangkan benda tersebut dipanaskan sampai berkilauan, awalnya berwarna merah menyala, kemudian menjadi biru menyala. Sebagian dari radiasi di dalam rongga dapat keluar dari rongga melalui lubang kecil dan memancarkan radiasi termal. Karena lubang memiliki sifat benda hitam, maka spektrum yang dikeluarkan melalui lubang merupakan spektrum radiasi benda hitam atau disebut juga radiasi rongga. Warna cahaya yang dipancarkan terkait dengan panjang gelombangnya, ini berarti bahwa intensitas radiasi yang dipancarkan setiap panjang gelombang tergantung pada temperatur bendanya. Sehingga spektrum radiasi rongga ini merupakan karakteristik spektrum untuk benda dengan suhu tertentu.

Radiasi di dalam sebuah rongga dengan dinding pada temperatur T mempunyai karateristik yang sama dengan radiasi yang dipancarkan oleh sebuah permukaan benda hitam. Fenomena tersebut ternyata dapat teramati dalam kehidupan sehari-hari. Kita tahu bahwa sebuah obyek seperti radiator pemanas dapat meradiasikan inframerah tanpa terlihat menyala dan bahwa sepotong besi panas yang merah menyala lebih dingin daripada sepotong besi panas yang putih menyala. Banyak benda yang meradiasikan cahaya berkelakuan hampir sama seperti benda hitam, termasuk matahari. Dengan asumsi bahwa matahari adalah benda hitam yang memancarkan radiasi, maka akan dapat diketahui berapa temperatur dari permukaan matahari, yaitu dengan mengamati warna cahaya matahari yang dipancarkan. Hal ini tentu jauh lebih mudah dibandingkan dengan melakukan pengukuran langsung karena temperatur permukaan matahari sangatlah panas (sekitar 6000 K).

Sekitar tahun 1890-an, eksperimen telah menunjukkan secara pasti bagaimana radiasi benda hitam terkait dengan temperaturnya. Ketika spektrum elektromagnet dari radiasi ini diplot sebagai grafik, tampak adanya puncak yang halus, seperti sebuah bukit. Pada temperatur yang sama, puncaknya selalu berada pada spektrum panjang gelombang yang sama. Tetapi ketika benda menjadi bertambah panas, puncaknya bergerak ke arah panjang gelombang yang lebih pendek yaitu dari inframerah, menuju merah, oranye, biru, dan seterusnya (lihat gambar di bawah ini). Hal ini merupakan suatu teka-teki sulit yang tidak dapat dijelaskan dengan fisika klasik.

Gambar 2. Spektrum Radiasi Benda Hitam

Apabila gelombang elektromagnetik diperlakukan secara sama (dalam konteks matematis) seperti gelombang di laut atau seperti pada dawai biola, maka apabila energi panas diberikan padanya, menurut fisika klasik intensitas radiasi yang dihasilkan sebanding dengan frekuensi dari radiasi. Sehingga semakin tinggi frekuensi (yang berarti semakin pendek panjang gelombangnya), semakin besar radiasinya pada temperatur berapapun. Sebagian besar energi yang dipancarkan seharusnya berada di daerah ultraungu dan seharusnya tidak ada bukit dalam grafik tersebut. Namun kenyataannya tidaklah seperti itu. Kegagalan prediksi ini dikenal sebagai ‘bencana ultraungu’ yang menandai awal berakhirnya fisika klasik yang sebelumnya dianggap sebagai konsep lengkap penjelas bagi dunia fisis.

Dihadapkan pada fenomena yang tak terjelaskan ini, pada tahun 1900 seorang fisikawan Jerman yang bernama Max Planck (1858-1947), berusaha dengan keras memecahkan teka-teki benda hitam dengan mengasumsikan bahwa cahaya dapat dibagi menjadi paket-paket kecil yang dinamakan ‘kuanta’ dan tidak berkelakuan sebagai suatu gelombang kontinyu yang halus. Dalam rangka melaksanakan hal ini, dia menetapkan suatu energi (E) kepada setiap kuantum yang terkait dengan frekuensinya (f). Interpretasi ini dapat berhasil asalkan E = hf, dengan h adalah suatu konstanta matematis baru dalam alam, dan sekarang dikenal sebagai konstanta Planck untuk menghormati namanya. Teorinya berfungsi sebagai berikut,

"Dalam sembarang benda, energi benda terdistribusi di antara atom-atomnya. Sebagian memiliki sedikit energi sebagian lainnya memiliki banyak energi, dan kebanyakan memiliki sejumlah energi pertengahan. Tetapi apa yang dimaksud dengan “pertengahan” berubah dengan meningkatnya temperatur. Setiap atom dapat memancarkan radiasi elektromagnetik dalam bentuk kuanta. Untuk frekuensi yang tinggi, energi yang dibutuhkan untuk memancarkan sebuah kuantum amatlah besar, dan hanya beberapa atom yang memiliki energi sebesar itu. Pada frekuensi rendah, lebih mudah untuk memancarkan kuanta karena energi yang diperlukan lebih sedikit. Tetapi setiap kuantumnya memiliki energi yang sangat kecil, bahkan jumlah energi semua kuanta ini tidak memberikan banyak kontribusi pada spektrum. Akan tetapi, di pertengahan terdapat banyak atom yang menghasilkan bukit pada kurva radiasi benda hitam. Segala sesuatunya ternyata sesuai dengan eksperimen, untuk suatu nilai h tertentu."

Berdasarkan penjelasan tersebut, terlihat bahwa Planck tidak memikirkan kuanta seperti partikel kecil, atau peluru yang dilepaskan atom. Dia hanya berpikir bahwa pasti ada suatu mekanisme internal dari atom-atom yang hanya membolehkan mereka memancarkan pulsa cahaya, tetapi cahaya yang dipancarkan masih tetap sebuah gelombang. Ini seperti bekerjanya mesin ATM. Mesin yang hanya memberikan uang dalam pecahan 50.000 rupiah, walaupun jumlah uang lainnya seperti 75.000 rupiah juga ada.