Dasar Teori Kuantum Planck

Pendekatan fisika klasik yang digunakan Wien maupun Rayleigh–Jeans terbukti tidak mampu menjelaskan spektrum radiasi benda hitam pada semua rentang panjang gelombang. Hukum Wien hanya sesuai pada panjang gelombang pendek, sedangkan teori Rayleigh–Jeans hanya cocok pada panjang gelombang panjang. Kesenjangan inilah yang akhirnya diatasi oleh Max Planck pada awal abad ke-20 dengan memperkenalkan konsep baru yang sangat revolusioner, yaitu teori kuantum.

Planck mengusulkan bahwa energi radiasi tidak dipancarkan secara kontinu, melainkan dalam paket-paket diskrit yang disebut kuanta energi. Pandangan ini benar-benar berbeda dengan teori klasik dan menjadi dasar kelahiran fisika kuantum.

Hipotesis Kuantum Planck

Planck mengajukan beberapa gagasan pokok:

Secara matematis:

Jika terdapat n foton, maka total energinya menjadi:

Distribusi Energi Radiasi Menurut Planck

Planck berhasil menurunkan rumus rapat energi radiasi yang berlaku pada semua panjang gelombang:

Persamaan ini mampu menjelaskan keseluruhan spektrum radiasi benda hitam:

Untuk kecil (frekuensi tinggi), hasilnya sesuai dengan hukum Wien.

Untuk besar (frekuensi rendah), hasilnya mendekati persamaan Rayleigh–Jeans.

Dengan demikian, teori Planck menutup kekurangan kedua teori sebelumnya.

Sifat Foton dan Intensitas Radiasi

Foton memiliki sifat khusus, yaitu ketika berinteraksi ia akan menyerahkan seluruh energinya sekaligus. Karena foton bergerak dengan kecepatan cahaya, menurut teori relativitas ia memiliki massa diam nol. Energi total foton berasal dari energi kinetiknya.

Menurut teori kuantum, energi radiasi dalam suatu berkas cahaya merupakan energi total dari seluruh foton yang dikandungnya. Intensitas radiasi cahaya berbanding lurus dengan jumlah foton yang menembus satuan luas dalam selang waktu tertentu.

Secara matematis:

Apabila terdapat dua berkas cahaya tampak dengan panjang gelombang dan frekuensi sama, maka energi tiap fotonnya sama. Namun, berkas cahaya yang lebih terang memiliki intensitas radiasi lebih tinggi karena jumlah fotonnya lebih banyak dibandingkan cahaya yang lebih redup. Dasar Teori Kuantum Planck menyatakan bahwa energi radiasi tidak kontinu, tetapi dipancarkan dalam kuanta energi (foton). Dengan hipotesis ini, Planck berhasil menjelaskan distribusi radiasi benda hitam pada semua panjang gelombang. Teori ini sekaligus menjadi dasar perkembangan fisika kuantum yang kemudian melahirkan penjelasan penting lain, seperti efek fotolistrik dan model atom modern.