Spektrum Pergeseran Wien dan Pendekatan Klasik Rayleigh–Jeans

Pada akhir abad ke-19, para fisikawan berusaha menjelaskan bentuk kurva spektrum radiasi termal dari benda hitam. Salah satunya adalah Wilhelm Wien yang berhasil menemukan hubungan sederhana antara panjang gelombang radiasi maksimum dan suhu benda hitam.

Hukum ini menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu suatu benda, puncak radiasinya akan bergeser menuju panjang gelombang yang lebih pendek. Misalnya, saat suhu meningkat, cahaya yang dipancarkan akan bergeser dari daerah inframerah ke cahaya tampak, lalu ke arah ultraviolet. Oleh karena itu, bintang yang bersuhu tinggi tampak berwarna putih kebiruan, sedangkan bintang bersuhu rendah cenderung berwarna merah.

Namun, formulasi Wien hanya sesuai untuk radiasi pada panjang gelombang pendek (frekuensi tinggi). Ketika diaplikasikan pada panjang gelombang besar (frekuensi rendah), hukum ini tidak lagi sesuai dengan data eksperimen.

Pendekatan Klasik Rayleigh–Jeans

Keterbatasan hukum Wien mendorong fisikawan lain, yaitu Lord Rayleigh dan Sir James Jeans, untuk mengembangkan pendekatan baru pada awal abad ke-20. Mereka menjelaskan radiasi benda hitam menggunakan hukum-hukum mekanika klasik.

Rayleigh dan Jeans menganggap bahwa radiasi dalam rongga benda hitam berbentuk gelombang berdiri (stasioner) yang dipantulkan secara terus-menerus oleh dinding-dinding rongga. Dengan menggunakan teorema ekvipartisi energi, mereka menurunkan persamaan rapat energi radiasi sebagai berikut:

Persamaan ini sesuai dengan hasil percobaan pada daerah panjang gelombang besar (frekuensi rendah). Akan tetapi, ketika diterapkan pada panjang gelombang kecil (frekuensi tinggi), persamaan ini menghasilkan nilai energi yang sangat besar, bahkan tak terhingga. Fenomena ini dikenal dengan istilah bencana ultraviolet (ultraviolet catastrophe).

Perbandingan Hukum Wien dan Rayleigh–Jeans

Kedua teori ini, meskipun memiliki kelemahan, menjadi pijakan penting dalam perkembangan fisika modern. Ketidaksesuaian prediksi dengan eksperimen inilah yang akhirnya mendorong Max Planck memperkenalkan konsep kuantisasi energi, yang menjadi dasar teori kuantum.

Spektrum Pergeseran Wien menjelaskan hubungan suhu dengan panjang gelombang radiasi maksimum, tetapi hanya tepat untuk panjang gelombang pendek. Sementara itu, Pendekatan Klasik Rayleigh–Jeans mencoba menjelaskan distribusi energi radiasi dengan hukum mekanika klasik, namun gagal pada panjang gelombang pendek. Keterbatasan kedua teori ini akhirnya membuka jalan lahirnya fisika kuantum.