1. Hukum
Steffan-Boltzmann
Pada tahun 1859, Gustav Kirchhoff membuktikan
teorema yang sama pentingnya dengan teorema rangkaian listrik tertutupnya
ketika ia menunjukkan argument berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap
benda dalam keseimbangan termal dengan radiasi daya yang dipancarkan adalah
sebanding dengan daya yang diserapnya. Untuk benda hitam teorema Kirchhoff
dinyatakan oleh
Dengan J(f,T) adalah suatu fungsi
universal ( sama untuk semua benda ) yang bergantung hanya pada f frekuensi
cahaya, dan T suhu mutlak benda. Persamaan 1.1 menunjukkan
bahwa daya yang dipancarkan per satuan luas per satuan
frekuensi oleh suatu benda hitam berhantung hanya pada suhu dan frekuensi
cahaya dan tidak bergantung pada sifat fisika dan kimia yang menyusun benda
hitam, dan ini sesuai dengan hasil pengamatan.
Perkembangan selanjutnya untuk memahami karakter
universal dari radiasi benda hitam datang dari ahli fisika Austria, Josef
Stefan ( 1835-1893 ) pada tahun 1979. Ia mendapatkan secara eksperimen
bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua
frekuensi oleh suatu benda hitam panas, Itotal ( intensitas radiasi total
) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Karena itu,
bentuk persamaan empiris, hokum Stefan ditulis sebagai dengan I
total adalah intensitas ( daya per satuan luas ) radiasi pada permukaan benda
hitam pada semua frekuensi, adalah intensitas radiasi per
satuan frekuensi yang dipancarkan oleh benda hitam, T adalah suhu mutlak benda,
dan adalah tetapan Stefan-Boltzmann yaitu . Untuk benda panas yang
bukan benda hitam akan mematuhi hokum yang sama, hanya diberi tambahan koefisien
emisivitas e,yang lebih kecil daripada I.
= P/A, sehingga Persamaan 1.3 juga
dapat ditulis sebagai
Dengan
P adaalh daya radiasi ( watt = W )dan A adalah luas permukaan benda ( ).
Lima tahun kemudian konfirmasi mengesankan dari
teori gelombang elektromagnetik cahaya diperoleh ketika Boltzmann menurunkan
hokum Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan
Maxwell. Karena itu, Persamaan 1.3 dikenal juga sebagai Hukum
Stefan-Boltzmann.
2. Hukum
Pergeseran Wien
Jika suatu benda misalnya logam dipanaskan terus
pada suhu tinggi maka warna pijarnya berubah mulai dari pijar merah
( kira-kira C ) sampai ke putih 9 kira-kira C ). Bentuk grafik antara
intensitas radiasi cahaya terhadap panjang gelombangnya dinamakan grafik ,
pada berbagai suhu. Untuk suhu yang lebih tinggi , panjang gelombang untuk
intensitas maksimum bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek.
Wilhelm Wien pada tahun 1896 menyatakan hukumnya
yang dikenal dengan hukum Pergeseran Wien : Panjang
gelombang untuk intensitas cahaya maksimum berkurang dengan meningkatnya suhu. Hukum
ini dinyatakan dengan persamaan:
Dengan adalah panjang delombang yang
berhubungan dnegan intensitas radiasi maksimum benda hitam, T adalah suhu
mutlak dari oermukaan benda yang memancarkan radiasi, dan C adalah tetapan
pergeseran wien.
Konsistensi antara Hukum Pergeseran Wien dengan
Hukum Stefan-Boltzmann dapat diperiksa dengan menghitung kembali suhu mutlak
permuakan matahari. Anggap bahwa puncak kepekaan mata terjadi pada kira-kira
500nm ( cahaya biru kehijauan ) bertepatan dengan untuk Matahari (
benda hitam ), maka suhu matahari menurut hukum pergeseran Wien adalah
3. Teori Planck
Teori Wien cocok dengan spectrum radiasi benda hitam
utuk panjang gelombang yang pendek, dan menyimpang untuk panjang
gelombang yang panjang. Sebaliknya, teori Reyleigh-Jeans cocok dengan spectrum
radiasi benda hitam untuk panjang gelombang yang panjang, dan menyimpang untuk
panjang gelombang yang pendek. Jelas bahwa fisika klasik gagal menjelaskan
radiasi benda hitam. Inilah dilema fisika klasik di mana Max Planck mencurahkan
seluruh perhatiannya.
Pada tahun 1900, Planck memulai pekerjaannya dengan
membuat suatu anggapan baru tentang sifat dasar dari getaran molekul-molekul
dalam dinding-dinding rongga benda hitam. Anggapan lama fisikawan klasik
menganggap bahwa energy gelombang elektromagnetik ( termasuk cahaya )
terpancarkan secara kontinu ( sinambung ) dan besar kecilnya hanya ditentukan
oleh amplitude gelombang. Anggapan baru Planck sangat radikal dan bertentangan
dengan fisika klasik, yaitu dengan berikut.
a. Radiasi
yang dipancarkan oelh getaran molekul-molekul tidaklah kontinu tetapi dalam
paket-paket energy diskret, yang disebut kuantum( disebut foton ). Besar
energy yang berkaitan dengan tiap foton adalahE=hf , sehingga untun n buah
foton maka energinya dinyatakan oleh
dengan n = 1, 2, 3,…( bilangan asli ), dan f adalah
frekuensi getaran molekul-molekul . Energy dari molekul-molekul dikatakanterkuantisasi dan
energy yang diperkenankan disebut tingkat energy.Ini berarti bahwa tingkat
energy bisa hf, 2hf, 3hf,…., sedangkan hdisebut Tetapan
Planck, dengan
b. Molekul-molekul
memancarkan atau menyerap energy dalam satuan diskret dari energy cahaya,
disebut kuantum ( foton ). Molekul-molekul melakukan itu dengan “ melompat “
dari satu tingkat energy ke tingkat energy lainnya. Jika bilangan kuantum n
berubah dengan satu-satuan , Persamaan 1.7 menunjukkan bahwa
jumlah energy yang dipancarkan atau diserap oleh molekul-molekul sama denagn hf .Jadi,
beda energy antara dua tingkat energy yang berdekatann adalah hf.
4. Hukum
Rayleigh-Jeans
Berdasarkan teori kuantum di atas, Planck dapat
menyatukan hokum radiasi Wien dan hukum Rayleigh-Jeans, dan menyatakan hokum
radiasi Wien dan hokum radiasi benda hitamnya yang akan berlaku untuk semua
panjang gelombang. Hukum radiasi Planck tersebut adalah
Dengan adalah Tetapan Planck, adalah
cepat rambat cahaya, adalah tetapan Boltzmann, dan T adalah suhu
mutlak benda hitam.
Fisika klasik
menyatakan bahwa spektra radiasi benda hitam adalah kontinu, dan mereka aggal
menjelaskan radiasi benda hitam. Planck justru mengemukakan gagasan baru yang
radikal dan bertenteangan dengan fisika klasik, dengan menyatakan bahwa energy
radiasi benda hitam adalah terkuantitasi ( diskret ).
Pernyataan
radikal inilah yang menandai lahirnya teori kuantum. Karena itu, teori fisiska
sebelum tahun 1900 disebut fisika kalsik , sedangkan teori fisika
sesudah tahun 1900 disebut fisika modern.