Dalam kehidupan sehari-hari dapat kita saksikan bahwa permukaan logam yang dipanaskan akan memancarkan cahaya dengan warna yang berubah. Cahaya dikenal sebagai gelombang elektromagnet, karena mempunyai sifat-sifat seperti pemantulan, pembiasan, interferensi dan difraksi. Namun disini akan kita bahas bahwa cahaya juga dapat berkelakuan seperti partikel.
Radiasi benda Hitam
Benda hitam merupakan suatu benda dimana radiasi kalor yang datang akan diserap seluruhnya, lubang kecil pada sebuah dinding yang berongga dapat dianggap sebagai benda hitam yang sempurna.
Intensitas Radiasi Benda Hitam
Gelombang-gelombang elektromagnetik di dalam dinding berongga mempunyai panjang gelombang yang berbeda-beda. Hal ini disebabkan karena molekul-molekul yang memancarkan gelombang ini bergerak dengan percepatan yang berbeda-beda.
Gambar di atas melukiskan grafik distribusi intensitas, Iλ radiasi benda hitam persatuan interval panjang gelombang, sebagai fungsi panjang gelombang. Pada gambar ada 4 buah kurva masing – masing untuk suhu benda hitam: 6000 K, 5.000 K, 4000 K, dan 3000 K.
Baca Juga
Intensitas total yang dipancarkan benda hitam dapat dihitung dengan menghitung luas dibawah Iλ sebagai fungsi λ. Besarnya intensitas total ini diperoleh dari rumus Stefan-Boltzman dengan mengambil e=1, (untuk benda hitam):
I = σT4
Tiap kurva mempunyai satu nilai maksimum yang terjadi pada panjang gelombang yang dinamakan λmaks .
TEORI PLANCK
Untuk menjelaskan formula yang memenuhi semua data percobaan spektrum benda hitam. Planck mengemukakan dua anggapan tentang sifat dasar getaran molekul-molekul dalam dinding-dinding rongga benda hitam.
- Getaran-getaran molekul yang memancarkan radiasi hanya dapat memiliki satuan-satuan energi diskrit dar harga En, yang diberikan oleh:
En = nhf
Keterangan:
N = 1,2,3 … (jumlah kuanta)
h = tetapan Planck (6,626.10-34 Js)
f = frekuensi foton (Hz)
N = 1,2,3 … (jumlah kuanta)
h = tetapan Planck (6,626.10-34 Js)
f = frekuensi foton (Hz)
- Energi tiap-tiap pancaran dinyatakan:
Keterangan:
c = kecepatan cahaya (3.108 m/s)
λ = panjang gelombang (m)
c = kecepatan cahaya (3.108 m/s)
λ = panjang gelombang (m)
Radiasi Kalor
Bila benda menyerap energi radiasi, maka benda itu akan memancarkan energi yang diserap ke lingkungannya. Benda yang mudah menyerap banyak energi radiasi akan mudah pula memancarkan banyak energi radiasi. Stefan-Boltzman menemukan bahwa jumlah energi yang dipancarkan suatu permukaan benda persatuan luas per satuanwaktu sebanding dengan pangkatempatsuhu mutlaknya.
Keterangan:
P = daya (watt)
A = luas permukaan benda (m2)
W = energi persatuan luas persatuan waktu (watt / m2)
e = emisivitas
T = suhu mutlak (K)
σ = tetapan Stefan-Boltzman (5,67 . 10-8 watt m2 K4)
P = daya (watt)
A = luas permukaan benda (m2)
W = energi persatuan luas persatuan waktu (watt / m2)
e = emisivitas
T = suhu mutlak (K)
σ = tetapan Stefan-Boltzman (5,67 . 10-8 watt m2 K4)
Raleigh dan Jeans mempelajari sifat termal dari benda hitam sempurna, untuk memperoleh distribusi energi :ancar untuk berbagai panjang gelombang sebagai fungsi dari suhui mutlak T. Dari hasil eksperimennya tampak bahwa intensitas pancaran maksimum terletak pada daerah infra merah untuk suhu yang tidak terlalu tinggi dan akan menggeser ke daerah cahaya tampak apabiia suhu dinaikkan. Jadi panjang gelombang maksimum berbanding terbalik dengan suhu mutlaknya (Hukum Pergeseran WIEN).
λm . Keterangan T = C
λm = panjang gelombang maksimum (m) C = tetapan WIEN = 2,9 . 10-3 m.k
T = suhu mutlak (K)
Apabila panjang gelombang cahaya bintang atau matahari yang berintensitas maksimum diketahui, maka suhu permukaan matahari atau bintang dapat ditentukan.
T = suhu mutlak (K)
Apabila panjang gelombang cahaya bintang atau matahari yang berintensitas maksimum diketahui, maka suhu permukaan matahari atau bintang dapat ditentukan.
TEORI RELATIVUTAS KHUSUS EINSTEIN
Teori relativitas khusus diterbitkan pada 1905 oleh Albert Einstein seorang ilmuwan fisika modern. Teori ini menggantikan pendapat Newton tentang ruang dan waktu dan memasukan elektromagnetisme pada persamaan Maxwell. Teori ini disebut "khusus" karena berlaku terhadap prinsip relativitas pada kasus "tertentu" atau "khusus" dari kerangka inersia dalam ruang-waktu datar, di mana efek gravitasi dapat diabaikan.
Teori relativitas khusus terdiri dari dua fostulat :
Fostulat I :" Hukum fisika dapat dinyatakan dalam persamaan yang berbentuk sama dalam semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap satu sama lain."
Postulat ini menyatakan ketiadaan kerangka acuan universal. Jika dua pengamat berada dalam kerangka acuan lembam dan bergerak dengan kecepatan sama relatif terhadap pengamat lain, maka kedua pengamat tersebut tidak dapat melakukan percobaan untuk menentukan apakah mereka bergerak atau diam. Bayangkan ini seperti saat kita berada di dalam sebuah kapal selam yang bergerak dengan kecepatan tetap. Kita tidak akan dapat mengatakan apakah kapal selam tengah bergerak atau diam.
Contoh lain, ketika pesawat sedang terbang dengan kecepatan tetap, seorang pramugari dengan santainya membagikan makanan kepada para penumpang karena dia tidak merasakan bahwa pesawat sedang terbang, yang dia rasakan pesawat tersebut sedang diam (coba kalau dia membagikan makanan di dalam metromini..hehehe). Benar atau salahkah jika pramugari tersebut mengatakan bahwa pesawat tersebut diam berdasarkan apa yang dia rasakan? menurut teori ini benar.
Postulat II : Cepat rambat cahaya di dalam ruang hampa ke segala arah adalah sama untuk semua pengamat, tidak tergantung pada gerak sumber cahaya maupun pengamat.
Postulat kedua, adalah sebuah konsekuensi dari foton yang tak bermassa bergerak dengan kecepatan cahaya pada ruang hampa. Eter tidak lagi memiliki peran khusus sebagai kerangka acuan inersia “mutlak” alam semesta, jadi bukan hanya tidak perlu, tetapi juga secara kualitatif tidak berguna di dalam relativitas khusus.
Sebagai contoh pada kasus sederhana misalkan sebuah kereta api sedang bergerak dengan kecepatan 10 km/jam lalu ada seorang pedagang asongan di dalam kereta berjalan ke arah depan dengan kecepatan 2 km/jam. Menurut pengamat yang diam di pinggir rel kereta pedagang asongan tersebut bergerak dengan kecepatan 12 km/jam (10 km/jam + 2 km/jam). Hasil pengamatan Pengamat tersebut sesuai dengan teori gerak Newton.
Bagaimana kalau kereta dan pedagang asongan tersebut bergerak dengan kecepatan mendekati atau sama dengan kecepatan cahaya? Menurut fostulat II teori Newton tidak berlaku. Kecepatan gerak pedagang asong bukanlah hasil penjumlahan seperti di atas karena menurut fostulat II kecepatan cahaya dalam ruang hampa sama besar untuk semua pengamat, tidak bergantung dari gerak pengamat itu.
Untuk menentukan kecepatan benda untuk kasus benda yang bergerak dengan kecepatan cahaya, Einstein memperkenalkan transformasi koordinat baru, dinamakan transformasi Lorentz, antara kerangka acuan inersia. Pada kecepatan lambat, transformasi ini pada dasarnya identik dengan model klasik (teori Newton), tetapi untuk kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, menghasilkan nilai yang berbeda secara radikal.
Penjumlahan kecepatan menurut teori relativitas khusus Einstein :
Konstanta transformasi Laplace :
dengan : u = kecepatan gerak benda
Kontraksi panjang :
Kontraksi panjang :
dengan : Lo = panjang benda menurut pengamat yang diam terhadap benda
L = panjang benda menurut pengamat yang bergerak terhadap benda
L = panjang benda menurut pengamat yang bergerak terhadap benda
dengan : Eo = m c2 = energi diam benda, E = m c2 = energi total benda
Enstein mampu menunjukkan bahwa terdapat hubungan antara massa dan energi, melalui rumus yang sangat terkenal E=mc2. Hubungan ini telah dibuktikan dengan peristiwa yang sangat spektakuler di dunia ketika bom nuklir melepaskan energi dari massa di Hiroshima dan Nagasaki pada akhir perang dunia kedua.
Enstein mampu menunjukkan bahwa terdapat hubungan antara massa dan energi, melalui rumus yang sangat terkenal E=mc2. Hubungan ini telah dibuktikan dengan peristiwa yang sangat spektakuler di dunia ketika bom nuklir melepaskan energi dari massa di Hiroshima dan Nagasaki pada akhir perang dunia kedua.
Tak ada objek bermassa yang dapat bergerak dipercepat menuju kecepatan cahaya. Hanya objek tak bermassa, seperti foton, yang dapat bergerak dengan kecepatan cahaya. (foton tidak bergerak dipercepat menuju kecepatan cahaya, tetapi foton selalu bergerak dengan kecapatan cahaya).
Fenomena yang Mendasari Munculnya Mekanika Kuantum
Dasar dimulainya periode fisika kuantum adalah ketika fisika klasik tidak bisa menjelaskan gejala-gejala fisika yang bersifat mikroskofis dan bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena itu, diperlukan cara pandang yang berbeda dengan sebelumnya dalam menjelaskan gejala fisika tersebut.
Sejarah fisika kuantum dimulai ketika Michael Faraday menemukan sinar katoda. Kemudian pada tahun 1859-1860, Gustav Kirchoff memberikan pernyataan tentang radiasi benda hitam. Pada tahun 1887 Ludwig Boltzman menyatakan bahwa bentuk energi pada sistem fisika berbentuk diskrit.
Pada tahun 1900 fisikawan Jerman, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi itu terkuantisasi. Ide ini muncul berkenaan dengan situasi pada saat tersebut yaitu ketika para ilmuan tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi spectrum cahaya yang dipancarkan oleh suatu benda mampat pada temperatur tertentu yang dikenal dengan radiasi benda hitam. Teori fisika klasik pada saat itu tidak bisa menjelaskan kenapa cahaya selain cahaya tampak, cahaya-cahaya lain yang tidak tampak pun dipancarkan. Hal tersebut menunjukan bahwa untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik ternyata benda tidak perlu terlalu panas, bahkan pada suhu kamar pun benda tetap bisa memancarkan gelombang elektromagnetik.
Sifat yang diamati dari radiasi benda hitam ini tidak bisa diterangkan oleh teori-teori fisika yang berkembang pada saat itu. Sampai akhirnya Planck menurunkan persamaan yang dapat menerangkan radiasi spectrum ini sebagai fungsi temperatur dari benda yang meradiasikannya dan memandang bahwa radiasi ini dipancarkan tidak dalam bentuk kontinu tapi dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta. Besarnya energi yang diradiasikan itu sebanding dengan frekuensi v. Setiap paket energi tersebut meradiasikan energi sebesar:
E = hv
Dengan h merupakan konstanta Planck. Planck juga tidak menyangsikan teori klasik yang diterima pada waktu itu yaitu bahwa cahaya diradiasikan dalam bentuk gelombang bukan dalam bentuk partikel yang membuat teori tersebut tidak bisa menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini.
B. Eksperimen-Eksperimen yang Mendasari Perkembangan Fisika Kuantum
Berikut ini adalah eksperimen – eksperimen yang mendasari perkembangan mekanika kuantum:
1) Thomas Young dengan eksperimen celah ganda mendemonstrasikan sifat gelombang cahaya pada tahun 1805,
2) Henri Becquerel menemukan radioaktivitas pada tahun 1896,
3) J.J. Thompson dengan eksperimen sinar katoda menemuka electron pada tahun 1897,
4) Studi radiasi benda hitam antara 1850 sampai 1900 yang dijelaskan tanpa menggunakan konsep mekanika kuantum,
5) Einstein menjelaskan efek foto listrik pada tahun 1905 dengan menggunakan konsep foton dan partikel cahaya dengan energi terkuantisasi,
6) Robert Milikan menunjukan bahwa arus listrik bersifat seperti kuanta dengan menggunakan eksperimen tetes minyak pada tahun 1909,
7) Ernest Rutherford mengungkapkan model atom pudding yaitu massa dan muatan postif dari atom terdistribusi merata dengan percobaan lempengan emas pada tahun 1911,
8) Otti Stern dan Walther Gerlach mendemonstrasikan sifat terkuantisasinya spin partikel yang dikenal dengan eksperimen Stern-Gerlach pada tahun 1920,
9) Clinton Davisson dan Lester Germer mendemondtrasikan sifat gelombang dari electron melalui percobaan difraksi electron pada tahun 1927,
10) Clyde L. Cowan dan Frederick Reines menjelaskan keberadaan neutrino pada tahun 1955,
11) Clauss Jonsson dengan eksperimen celah ganda menggunakan electron pada tahun 1961,
12) Efek Hall kuantum yang ditemukan oleh Klaus von Klitzing pada tahun 1980, dan
13) Eksperimental verivication dan quantum entanglement oleh Alain Aspect pada tahun 1982.
14) dan Wilczek pada tahun 1975. Kemudian berdasarkan pada hasil dari pekerjaan yang dipelopori oleh Schwinger, Higgs dan Goldstone, fisikawan Glashow, Weinberg dan Salam menunjukan