KEGAGALAN FISIKA KLASIK
1. Fenomena Radiasi Benda Hitam
Kegagalan fisika klasik bermula di akhir abad
ke-19 ketika para ilmuwan tidak mampu menjelaskan fenomena radiasi benda hitam.
Meskipun tidak ada benda yang benar-benar hitam sempurna di dunia ini, secara
teori benda hitam akan menyerap semua cahaya yang datang tanpa memancarkan
radiasi energi berupa panas seperti benda-benda lainnya. Namun faktanya benda
hitam tetap memancarkan radiasi energi dengan tingkatan atau intensitas yang
berbeda. Intensitas ini dapat diprediksi dengan mengetahui temperaturnya
menggunakan Hukum Rayleigh-Jeans.
Hukum Rayleigh-Jeans ditemukan oleh Lord
Rayleigh dan Sir James Jeans, dua ilmuwan asal Inggris tahun 1900. Menurut
hukum tersebut, semakin pendek suatu gelombang, seperti sinar ultraviolet, maka
intensitas radiasi energinya semakin tinggi menuju tak hingga.
Sayangnya, hasil eksperimen menunjukkan bahwa
semakin pendek gelombangnya, intensitas radiasinya justru menurun. Kegagalan
Hukum Rayleigh-Jeans menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini dikenal
sebagai Bencana Ultraviolet atau Ultraviolet Catastrophe.
2. Teori
Kuuantum
Pada tahun 1900, seorang fisikawan
asal Jerman, Max Planck muncul dengan gebrakan baru yang menjadi awal munculnya
fisika modern. Planck mampu menjelaskan permasalahan bencana ultraviolet yang
sebelumnya tidak mampu dijelaskan oleh ilmuwan-ilmuwan lainnya.
Menurut Planck, radiasi
elektromagnetik yang dipancarkan suatu benda terbagi-bagi, atau diskret ke
dalam paket-paket energi yang disebut Kuantum. Besarnya energi ini bergantung
pada besarnya frekuensi gelombang elektromagnetik.
Teori Planck ini mampu menjelaskan bencana ultraviolet. Hasil
perhitungan dengan persamaan Planck ini ternyata sama dengan hasil eksperimen
sebelumnya. Mereka menunjukkan grafik pengamatan benda hitam dengan pola yang
sama.
3. Pemahaman Klasik Cahaya
Sebagai Gelombang
Menurut teori Newton, hanya akan ada dua titik
terang yang terlihat di layar karena partikel bergerak lurus melalui dua celah
yang ada. Namun yang terbentuk di layar adalah pola gelap terang. Pola gelap
terang ini muncul karena adanya fenomena interferensi yang dihasilkan oleh
gelombang. Bagian gelap muncul ketika gelombang cahaya dari kedua celah saling
meniadakan, dan bagian terang muncul ketika keduanya saling menguatkan.
Berdasarkan percobaan tersebut, Young menyimpulkan bahwa cahaya adalah
gelombang. Sayangnya, pemahaman klasik mengenai cahaya ini menemukan
permasalahan ketika dihadapkan pada peristiwa efek fotolistrik.
4. Efek Fotolistrik
Peristiwa efek fotolistrik pertama
kali diamati oleh fisikawan asal Jerman, Heinrich Hertz tahun 1887. Peristiwa
ini berkaitan dengan suatu permukaan logam yang disinari oleh cahaya. Hasil
dari penyinaran ini nantinya akan melepas elektron dari permukaan logam.
Elektron yang lepas ini dapat diketahui karena muncul arus listrik. Munculnya
arus listrik karena cahaya ini kemudian disebut sebagai efek fotolistrik.
Menurut Young, cahaya adalah
gelombang yang mampu melepaskan elektron karena adanya transfer energi dari
cahaya ke elektron. Energi elektron yang lepas dari permukaan logam akan
dipengaruhi oleh intensitas cahaya, yakni seberapa terang cahaya tersebut
menyinari permukaan logam. Semakin terang cahayanya, semakin besar energi
elektronnya.
Namun kenyataannya, energi elektron
yang lepas tidak dipengaruhi oleh intensitas cahaya. Sebanyak apapun cahaya
yang disorot ke permukaan logam, tidak mempengaruhi energi elektron yang lepas,
namun jumlah elektron yang lepas. Ketika permukaan logam disinari cahaya yang
redup, jumlah elektron yang keluar akan sedikit. Sebaliknya, ketika permukaan
logam disinari oleh cahaya yang terang, jumlah elektron yang keluar juga akan
banyak. Namun, tingkat energi yang dikeluarkan akan tetap sama.
Tingkat energi akan berubah jika
frekuensi cahaya berubah. Ini menunjukkan bahwa intensitas cahaya hanya
berpengaruh pada jumlah elektron yang lepas, bukan energinya. Ini bertentangan
dengan teori gelombang cahaya yang menyatakan bahwa intensitas cahaya
berpengaruh pada jumlah energi elektron.
5. Cahaya
Sebagai Partikel
Einstein berpendapat bahwa sifat
cahaya sebagai partikel berperan pada efek fotolistik. Einstein mengatakan
bahwa cahaya adalah partikel yang memiliki massa dan momentum sehingga partikel
bisa bertumbukan. Cahaya sebagai artikel ini dikenal dengan nama foton. Pendapat
Einstein ini menjawab pertanyaan mengapa intensitas cahaya hanya memengaruhi
jumlah elektron yang lepas. Elektron-elektron yang lepas dari logam merupakan
hasil tumbukan elektron dengan foton cahaya. Setelah saling bertumbukan, foton
akan musnah karena menyerahkan energinya kepada elektron yang tertumbuk.
Sebagian energi yang diterima
elektron akan digunakan oleh elektron untuk melepaskan diri dari permukaan
logam, agar bisa lepas dari energi ambangnya. Energi ambang adalah energi batas
yang dimiliki oleh logam untuk melepaskan elektronnya. Elektron baru bisa lepas
dari permukaan logam apabila melewati energi ambangnya. Sisa energi dari foton
tadi menjadi energi kinetik maksimal elektron setelah elektron bebas dari
logam.
Dari penjabaran di atas, dapat disimpulkan bahwa selain
sebagai gelombang, cahaya juga dapat berperilaku sebagai partikel. Dari
simpulan tersebut, muncul gagasan Dualisme Gelombang Partikel di mana cahaya
tidak hanya bisa bersifat sebagai gelombang namun dapat bersifat sebagai
partikel pada situasi tertentu.
Tags:
FISIKA