TEORI RELATIVITAS
Relativitas merupakan objek penting yang berkaitan dengan pengukuran (pengamatan) tentang dimana dan kapan suatu kejadian terjadi dan bagaimana kejadian tersebut dianalisa (diukur) menurut suatu kerangka acuan yang bergerak relatif terhadap kerangka yang lain.
• Relativitas khusus
Dalam teori relativitas khusus subjek yang menjadi fokus adalah kerangka acuan yang inersial (kerangka acuan yang berlaku hukum gerak Newton). Dua postulat Einstein:
1. Postulat Relativitas
Hukum-hukum fisika yang berlaku sama untuk setiap kerangka acuan yang inersial. Galileo mengasumsikan bahwa yang berlaku sama adalah hukum-hukum mekanika. Postulat Einstein memperluas cakupan termasuk hukum-hukum elektromagnetik dan optik. Yang sama bukan hasil pengukuran, melainkan hukum-hukum fisikanya.
2. Postulat Kelajuan Cahaya
Laju cahaya dalam vakum adalah c dalam segala arah dan dalam semua kerangka acuan yang inersial. Ini berarti terdapat nilai batas alami laju benda.
Eksperimen oleh Bertozzi tahun 1964 tentang elektron yang dipercepat menunjukkan bahwa jika lajunya mendekati c maka energi kinetiknya menuju . Batas laju pada kurva tersebut adalah laju rambat cahaya c = 299792458 m/s.
Teori Relativitas Einstein adalah teori yang sangat terkenal, tetapi sangat sedikit yang kita pahami. Utamanya, teori relativitas ini merujuk pada dua elemen berbeda yang bersatu ke dalam sebuah teori yang sama: relativitas umum dan relativitas khusus. Teori relativitas khusus telah diperkenalkan dulu, dan kemudian berdasar atas kasus-kasus yang lebih luas diperkenalkan teori relativitas umum.
Konsep teori relativitas
• Teori relativitas khusus Einstein - tingkah laku benda yang terlokalisasi dalam kerangka acuan inersia, umumnya hanya berlaku pada kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya.
• Transformasi Lorentz - persamaan transformasi yang digunakan untuk menghitung perubahan koordinat benda pada kasus relativitas khusus.
• Teori relativitas umum Einstein - Teori yang lebih luas, dengan memasukkan graviti sebagai fenomena geometris dalam sistem koordinat ruang dan waktu yang melengkung, juga dimasukkan kerangka acuan non inersia (misalnya, percepatan).
A. KEGAGALAN RELATIVITAS KLASIK
Relativitas klasik (yang diperkenalkan pertama kali oleh Galileo Galilei dan didefinisikan ulang oleh Sir Isaac Newton) mencakup transformasi sederhana diantara benda yang bergerak dan seorang pengamat pada kerangka acuan lain yang diam (inersia). Jika kamu berjalan di dalam sebuah kereta yang bergerak, dan seseorang yang diam diatas tanah (di luar kereta) memperhatikanmu, kecepatanmu relatif terhadap pengamat adalah total dari kecepatanmu bergerak relatif terhadap kereta dengan kecepatan kereta relatif terhadap pengamat. Jika kamu berada dalam kerangka acuan diam, dan kereta (dan seseorang yang duduk dalam kereta) berada dalam kerangka acuan lain, maka pengamat adalah orang yang duduk dalam kereta tersebut.
Permasalahan dengan relatifitas ini terjadi ketika diaplikasikan pada cahaya, pada akhir 1800-an, untuk merambatkan gelombang melalui alam semesta terdapat substansi yang dikenal dengan eter, yang mempunyai kerangka acuan(sama seperti pada kereta pada contoh di atas). Eksperimen Michelson-Morley, bagaimanapun juga telah gagal untuk mendeteksi gerak bumi relatif terhadap eter, dan tak ada seorangpun yang bisa menjelaskan fenomena ini. Ada sesuatu yang salah dalam interpretasi klasik dari relatifitas jika diaplikasikan pada cahaya dan kemudian munculah pemahaman baru yang lebih matang setelah Einstein datang untuk menjelaskan fenomena ini.
B. POSTULAT EINSTEIN
Prinsip relativtas (postulat pertama): Hukum-hukum fisika adalah sama untuk setiap kerangka acuan
Prinsip kekonstanan kecepatan cahaya (postulat kedua): Cahaya dapat merambat dalam vakum (misalnya, ruang vakum, atau “ruang bebas”), kecepatan cahaya dinotasikan dengan c, yang konstan terhadap gerak benda yang meiliki radiasi.
Sebenarnya, makalah tersebut menyajikan lebih formal, formulasi matematika dari postulat tersebut. Bentuk dari postulat mungkin sedikit berbeda dari buku teks yang satu dengan yang lain karena translasi dari bentuk matematika Jerman dengan bentuk Inggris yang selama ini sering kita lihat.
Postulat kedua sering ditulis sembarangan dengan memasukkan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah c untuk setiap kerangka acuan. Sebenarnya postulat ini adalah berasal dari dua postulat, bukan dari postulat kedua itu sendiri.
Postulat pertama kelihatan lebih masuk akal, tetapi bagaimanapun juga postulat kedua merupakan revolusi besar dalam ilmu fisika. Einstein sudah memperkenalkan teori foton cahaya dalam makalahnya pada efek fotolistrik (yang menghasilkan kesimpulan ketidakperluan eter). Postulat kedua, adalah sebuah konsekuensi dari foton yang tak bermassa bergerak dengan kecepatan c 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.
Adapun makalah tersebut adalah untuk menggabungkan persamaan Maxwell untuk listrik dan magnet dengan gerak elektron dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Hasil dari makalah Einstein adalah memperkenalkan transformasi koordinat baru, dinamakan transformasi Lorentz, antara kerangka acuan inersia. Pada kecepatan lambat, transformasi ini pada dasarnya identik dengan moel klasik, untuk kecepetan yang mendekati kecepatan cahaya, menghasilkan nilai yang berbeda secara radikal.
C. AKIBAT POSTULAT EINSTEIN
Ada dua postulat dalam teori relativitas khusus ini. Yang pertama menyatakan bahwa semua hukum fisika yang berlaku di bumi, berlaku juga di seluruh jagad raya. Yang kedua menyatakan bahwa kecepatan cahaya di ruang hampa selalu konstan (sekitar tiga ratus juta meter per detik (3.108 meter per detik). Postulat yang kedua ini menunjukkan bahwa bagaimanapun cara kita mengukurnya, kecepatan cahaya tidak pernah berubah. Di mana pun posisi kita saat mengukur, dan berapa pun kecepatan kita (apakah kita sedang bergerak atau sedang duduk diam) saat mengukur, kecepatan cahaya selalu konstan. Ini menunjukkan bahwa kecepatan cahaya merupakan satu-satunya yang bersifat absolut (mutlak). Postulat yang pertama pun menyatakan bahwa kondisi ini selalu berlaku di mana pun. Ini berarti, jika kita mengukur kecepatan cahaya di galaksi lain, kita tetap mendapatkan hasil yang sama, yaitu tiga ratus juta meter per detik.
Postulat-postulat Einstein ini ternyata memberi dampak besar bagi dunia. Ia pernah mencoba menjelaskan efek yang dihasilkan dari teorinya ini dalam perumpamaan berikut. Misalnya ada sebuah kereta yang sedang meluncur cepat. Si A sedang duduk dengan tenang dalam salah satu gerbong kereta itu. Si B sedang berdiri diam di luar kereta dan mengamati kereta yang meluncur di depannya itu. Sewaktu gerbong kereta yang dinaiki si A meluncur tepat di depannya, tiba-tiba ada kilat menyambar di dua tempat yang berbeda. Kilat pertama menyambar 100 meter di sebelah kanan B, sedangkan kilat yang satunya lagi menyambar 100 meter di sebelah kiri B. Saat kedua kilat menyambar, posisi A tepat di depan B. Karena si B sedang berdiri diam di luar kereta yang sedang meluncur, si B melihat kedua kilat itu menyambar pada saat yang bersamaan. Tetapi lain halnya dengan si A. Si A yang sedang berada di dalam kereta yang meluncur cepat (ke arah kanan si B) melihat kedua kilat menyambar satu per satu. Kilat yang pertama terlihat lebih dulu, beberapa saat kemudian baru kilat yang kedua terlihat oleh A. Padahal jarak A terhadap kilat pertama dan kedua sama dengan jarak B terhadap kedua kilat itu. Perbedaan ini disebabkan bedanya kerangka acuan A dan B (frame of reference). Si A sedang ‘meluncur’, sedangkan si B sedang berdiri ‘diam’. Karena si A sedang bergerak menuju kilat yang pertama, tentu saja kilat yang pertama itu terlihat lebih dulu. A bergerak menjauhi kilat yang kedua, sehingga kilat yang kedua tampak menyambar sesudah kilat yang pertama. Bagi si B yang sedang diam dan tidak mendekati maupun menjauhi kedua kilat itu, keduanya tampak menyambar pada waktu yang bersamaan.
1. Pemuluran Waktu (time dilation) adalah waktu yang diamati oleh pengamat yang bergerak terhadap kejadian, seolah-olah mulur. Artinya, waktu yang diamati oleh pengamat yang bergerak relatif terhadap kejadian akan lebih lama dibandingkan oleh pengamat yang diam.
Dimana :
= selang waktu kejadian menurut pengamat yang bergerak
= selang waktu kejadian menurut pengamat yang diam
= kecepatan pengamat yang bergerak
= kecepatan cahaya
Seorang pengamat O’ yang bergerak dengan laju u terhadap pengamat O akan mengukur waktu yang lebih lama daripada pengamat O yang diam. Semua jam akan berjalan lambat menurut seorang pengamat yang bergerak relatif, termasuk jam biologis, pertumbuhan usia karena efek pemuluran waktu.
2. Penyusutan Panjang (length contraction) adalah Panjang benda yang diam akan tampak lebih panjang bila diukur oleh pengamat yang diam terhadap benda. Sedangkan panjang benda yang diamati oleh pengamat yang bergerak relatif terhadap benda akan tampak lebih pendek. Peristiwa inilah yang disebut kontraksi panjang atau kontraksi Lorentz. Kontraksi Lorentz adalah perubahan panjang suatu benda akibat gerakan relatif pengamat/benda, yang dinyatakan:
Dimana:
= panjang benda yang diamati oleh pengamat yang bergerak
= panjang benda yang diamati oleh pengamat yang diam
= kecepatan pengamat yang bergerak
= kecepatan cahaya
Penyusutan panjang terjadi hanya sepanjang arah gerak, semua komponen panjang lainnya (tegak lurus arah gerak) tidak terpengaruh.
3. Massa relativistik
Dimana:
= massa benda yang bergerak dengan laju u
= massa benda dalam keadaan diam
= kecepatan benda
= kecepatan cahaya
Efek dari Relativitas Khusus
Relativitas khusus menghasilkan beberapa konsekuensi dari penggunaan transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya adalah :
• Dilatasi waktu (termasuk “paradok kembar” yang terkenal)
• Konstraksi panjang
• Transformasi kecepatan
• Efek doppler relativistk
• Simultanitas dan sinkronisasi waktu
• Momentum relativistik
• Energi kinetik relativistik
• Massa relativistik
• Energi total relativistik
Selain itu, manipulasi aljabar sederhana dari konsep-konsep di atas menghasilkan dua hasil signifikan yang pantas dijelaskan sendiri.
Hubungan Massa-Energi
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 dramatis di dunia, ketika bom nuklir melepaskan energi dari massa di Hiroshima dan Nagasaki pada akhir perang dunia kedua.
Kecepatan Cahaya
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). Tetapi bagi objek fisis, kecepatan cahaya adalah terbatas. Energi kinetik pada kecepatan cahaya menjadi tak terbatas, jadi tidak pernah dapat dicapai dengan percepatan. Beberapa telah menunjukkan bahwa sebuah objek secara teori dapat bergerak melebihi kecepatan cahaya, tetapi sejauh ini tidak ada entitas fisik yang dapat menujukkan itu.
Adopsi Relativitas Khusus
Pada 1908, Max Plank mengaplikasikan bentuk “teori relativitas” untuk menjelaskan konsep relativitas khusus, karena aturan kunci dari relativitas memainkan peran dalam konsep tersebut. Pada waktu itu, tentunya bentuk yang diaplikasikan hanya pada relativitas khusus, karena memang belum terdapat relativitas umum. Relativitas Einstein tidak segera diterima oleh fisikawan secara keseluruhan, karena kelihatan sangat teoretis dan conterintuitif. Kemudian Einstein menerima penghargaan Nobel pada 1921, khususnya penyelesaiannya untuk efek fotolistrik dan kontribusinya pada fisika teori. Tetapi Relativitas masih menjadi kontroversi untuk menjadi referensi spesifik.
Seiring berjalannya waktu, bagaimanapun juga, presiksinya terhadap relativitas khusus akhirya menjadi kenyataan. Misalkan, jam terbang di selruh dunia telah menunjukkan adanya perlambatan dengan durasi yang diprediksi oleh teori relativitas. Albert Einstein tidak menciptakan sendiri transformasi koordinat yang dibutuhkan untuk relativitas khusus. Dia tidak harus melakukannya, karena transformasi yang dibutukan telah ada sebelumnya. Einstein menjadi seorang yang ahli dalam pekerjaannya yang terdahulu dan menyesuaikan diri pada situasi yang baru, dan juga dengan transformasi Lorentz seperti yang telah Planck gunakan pada 1900 untuk menyelesaikan permasalahan bencana ultraviolet pada radiasi benda hitam, Einstein merancang solusi untuk efek fotolistrik, dan dengan demikian dia telah mengembangkan teori foton untuk cahaya.
D. TRANSFORMASI LORENTZ
Transformasi Lorentz sebenarnya pertama kali telah diperkenalkan oleh Joseph Larmor pada 1897. Versi yang sedikit berbeda telah diperkenalkan pada beberapa dekade sebelumnya oleh Woldemar Voigt, tetapi versinya memiliki bentuk kuadrat pada persamaan dilatasi waktu. Tetapi, persamaan dilatasi waktu kedua versi tersebut dapat ditunjukkan sebagai invarian dalam persamaan Maxwell. Seorang Matematikawan dan fisikawan Hendrik Antoon Lorentz mengusulkan gagasan “waktu lokal” untuk menjelaskan relatif simultanitas pada 1895, walaupun dia juga bekerja secara terpisah pada transformasi yang sama untuk menjelaskan hasil “nol” pada percobaan Michelson dan Morley. Dia mengenalkan transformasi koordinatnya pada 1899, dan menambahkan dilatasi waktu pada 1904.
Pada 1905, Henri Poincare memodifikasi formulasi aljabar dan menyumbangkannya kepada Lorentz dengan nama “Transformasi Lorentz,” formulasi Poincare pada transformasi tersebut pada dasarnya identik dengan apa yang digunakan Einstein. Transformasi Lorentz tersebut menggunakan sistem koordinat empat dimensi, yaitu tiga koordinat ruang (x, y, dan z) dan satu koordinat waktu (t). Koordinat baru ditandai dengan tanda apostrof diucapkan “abstain,” seperti x’ dibaca “x-abstain.” Pada contoh dibawah ini, kecepatan adalah dalam arah x’, dengan besar u:
Transformasi tersebut hanya untuk demonstrasi. Aplikasi dari persamaan tersebut akan ditangani secara terpisah. Bentuk √((1-u2/c2) sering muncul dalam relativitas sehingga dilambangkan dengan simbol yunani γ (dibaca gamma) dalam beberapa penyajian. Perlu diingat bahwa pada kasus u << c (u jauh lebih kecil dibandingkan c), maka u2/c2 akan menjadi sangat kecil sehingga di dalam bentuk akar akan menghasilkan nilai satu, maka nilai γ akan menjadi satu. Oleh karena itu, dilatasi ruang dan waktu menjadi sangat tidak berpengaruh untuk benda yang bergerak jauh dibawah kecepatan cahaya.
Konsekuensi dari Transformasi Lorentz
Relativitas khusus menghasilkan beberapa konsekuensi dari penggunaan Transformasi Lorentz pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Diantaranya adalah :
• Dilatasi waktu (termasuk “paradok kembar” yang terkenal)
• Konstraksi panjang
• Transformasi kecepatan
• Efek doppler relativistk
• Simultanitas dan sinkronisasi waktu
• Momentum relativistik
• Energi kinetik relativistik
• Massa relativistik
• Energi total relativistik
Kontroversi Lorenz dan Einstein
Beberapa orang mengatakan bahwa sebenarnya sebagian besar pekerjaan dari relativitas khusus yang telah dikerjakan einstein telah ada dalam transformasi Lorentz. Konsep dilatasi dan simultanitas untuk pergerakan benda telah disebutkan dan secara matematis telah dikembangkan oleh Lorentz dan Poincare. Beberapa orang mengganggap bahwa Einstein adalah seorang plagiator.
Tentunya terdapat validitas untuk tuduhan tersebut. Tentu saja, revolusi besar Einstein dibangun berdasarkan pekerjaan-pekerjaan orang lain, dan Einstein mendapatkan banyak hasil atas apa yang telah mereka hasilkan secara kasar.
Pada waktu yang sama, tetapi harus dipertimbankan bahwa Einstein mengambi konsep-konsep dasar ini dan memebangunnya menjadi sebuah kerangka teori yang menjadikan konsep-konsep tersebut untuk bukan hanya sekedar trik matematis untuk menyelamatkan dying teori (teori sekarat) seperti teori eter, melainkan menggunakan aspek-aspek fundamental alam pada tempatnya. Terdapat ketidakjelasan bahwa Larmor, Lorentz, atau Poincare yang dimaksudkan agar berani bergerak, namun sejaraha telah memberikan penghargaan kepada Einstein atas wawasan dan keberainannya.
Pada 1905, Teori Einstein (relativitas khusus), dia menunujukkan bahwa diantara kerangka acuan inersia tidak terdapat kerangka acuan “utama.” Perkembangan dari relativitas umum terjadi, sebagian sebagai upaya untuk menunjukkan bahwa ini benar di antara non-inersia (yaitu mempercepat) kerangka acuan juga.
DUALISME GELOMBANG PARTIKEL
Gejala Foto Listrik.
Yang dimaksud dengan gejala foto listrik adalah emisi (pancaran) elektron dari logam sebagai akibat penyinaran gelombang elektromagnetik (cahaya) pada logam tersebut.
1. EFEK FOTO LISTRIK
Jika seberkas cahaya dengan frekuensi f jatuh pada permukaan sebuah pelat logam , ternyata amperemeter mendeteksi adanya aruslistrik. Oleh Albert Einstein hal ini dijelaskan sebagai berikut :
2. Teori Kuantum Cahaya
Cahaya yang jatuh pada permukaan pelat logam dipandang terdiri dari paket-paket energi (foton) yang besarnya E = hf
Energi foton yang jatuh akan diserap seluruhnya oleh elektron pada logam yang berinteraksi dengannya.
Energi yang diserap, digunakan oleh elektron (disebut fotoelektron) untuk :
melepaskan diri dari ikatan ion logam, sebesar W. Dimana W adalah fungsi kerja logam.
Jika ada sisa energi, (yaitu hf-W), akan digunakan untuk bergerak (sebagai energi kinetik = Ek).
Hubungan antara hf, W dan Ek dapat dirumuskan dalam persamaan efek FOTOLISTRIK.
dimana :
hf = energi foton yang datang
W =energi ambang (batas energi) untuk melepas satu elektron dari logam
EK = energi kinetik fotoelektron
Jika energi yang datang harganya persis sama dengan W, maka dinamakan energi ambang. Frekuensi yang berhubungan dengan energi ambang tersebut, dinamakan frekuensi ambang (f0). Dimana :
Dengan demikian persamaan fotolistrik dapat diubah menjadi
atau
Jika f < f0, tidak ada fotoelektron yang keluar dari permukaan logam (=arus tidak akan ada), walaupun intensitas cahaya yang datang diperbesar.
Jika f = f0, fotoelektron lepas dari ikatan logam tetapi tidak keluar dari permukaan logam
Jika f > f0, fotoelektron lepas dari ikatan logam dan bergerak keluar dari permukaan logam dengan energi kinetik EK
Potensial Penghenti (Stopping Potensial)
Arus listrik (aliran elektron) yang timbul dari percobaan di atas (akibat keluarnya fotoelektron dari permukaan logam) dapat dihentikan oleh tegangan negatif yang nilainya diatur sehingga energi potensial listrik yang dihasilkan sama dengan energi kinetik fotoelektron.
Tegangan yang diberikan dinamakan potensial penghenti (stopping potensial), yang besarnya dapat dituliskan sebagai :
dengan :
e = muatan elektron
V0 = potensial penghenti (stopping potensial)
3. EFEK COMPTON
Distribusi intensitas pancaran benda hitam hanya dapat diterangkan jika kita menganggap energi gelombang elektromagnetik berada dalam bentuk diskrit, atau dalam bentuk paket-paket energi, yang disebut foton. Untuk gelombang dengan frekuensi f, besar satuan paket energinya atau energi 1 foton adalah :
dimana :
E = Energi tiap foton dalam Joule.
f = Frekwensi cahaya.
h = Tetapan Planck yang besarnya h = 6,625 .10 –34 J.det
Jika seberkas gelombang elektromagnetik terdiri dari N buah foton, maka energi berkas gelombang tersebut adalah :
Ide bahwa gelombang elektromagnetik dapat dipandang terdiri dari kumpulan paket-paket energi atau foton inilah (yang merupakan ide dari Max Planck) yang sebenarnya merupakan titik awal dari Fisika Modern.
Sebuah foton memiliki energi E = hf. Sedang menurut Einstein energi akan setara dengan massa dengan rumus E = mc2. Maka dapat dirumuskan :
mc2 = hf → mc = h
Momentum dari sebuah foton adalah p = mc, maka :
p = h atau
berdasarkan hal ini, A.H. Compton melakukan percobaan dengan menumbukkan foton pada sebuah elektron.
Dari percobaan ini diperoleh data bahwa foton yang menumbuk elektron akan dihamburkan dengan panjang gelombang yang lebih besar daripada panjang gelombang semula. Dengan menggunakan hukum kekekalan energi dan kekekalan momentum pada tumbukan di atas, akan diperoleh hubungan :
dimana :
λ’ = panjang gelombang foton setelah tumbukan
λ = panjang gelombang foton sebelum tumbukan
m0 = massa diam elektron = 9.1 X 10-31
h = konstanta Planck = 6.63 X 10 -34 J.s
c = kecepatan cahaya = 3 X 108
Efek Compton juga memperlihatkan bahwa cahaya memiliki sifat seperti partikeL
4. PEMBENTUKAN SINAR – X
Sinar-X dapat terbentuk dari dua macam caaara, yaitu :
• Brem β trahlung
Proses terbentuknya sinar-X adalah kebalikan dari efek fotolistrik. Jika elektron yang bergerak sangat cepat menumbuk sasaran logam maka ia akan mengalami perlambatan yang besar. Elekton akan kehilangan energi kinetik. Energi kinetik yang hilang berubah menjadi energi foton sinar-X.
Efek ini disebit Brem β trahlung, berasal dari bahasa Jerman yang artinya radiasi pengereman. Sinar-X jenis ini spektrumnya kontinu.
→ hf = EK1 – EK2
Jika elektron berhenti sama sekali, maka EK2 = 0,
→ h fmaks = EK1
→ h = mv2
→ h = eV
Sehingga λmin =
• Sinar-X karakteristik
Apabila elektron yang dipercepat di atas (yang memiliki energi cukup tinggi) mampu masuk ke kulit terdalam dari atom logam dan menyebabkan transisi elektron-elektron logam dari tingkat energi ke tingkat energi rendah, maka akan dipancarkan sinar-X karakteristik. Spektrum yang dihasilkan dari peristiwa ini adalah spektrum garis (diskrit).
Cahaya biasa mampu melepaskan elektron dari logam-logam alkali.
Hasil-hasil percobaan yang seksama menunjukkan bahwa :
a. Makin besar intensitas cahaya, semakin banyak elektron-elektron yang diemisikan.
b. Kecepatan elektron-elektron yang diemisikan hanya bergantung kepada frekwensi cahaya, makin besar frekwensi cahaya makin besar pula kecepatan elektron yang diemisikan.
c. Pada frekwensi cahaya yang tertentu (frekwensi batas) emisi elektron dari logam tertentu sama.
Peristiwa-peristiwa di atas tidak dapat diungkap dengan teori cahaya Huygens.
Pada tahun 1901, Planck mengetengahkan hipotesa bahwa cahaya (gelombang elektromagnetik) harus dianggap sebagai paket-paket energi yang disebut foton.
Cahaya yang intensitasnya besar memiliki foton dalam jumlah yang sangat banyak. Tiap-tiap foton hanya melepaskan satu elektron. Kiranya mudah dipahami bahwa semakin besar intensitas cahaya semakin banyak pula elektron-elektron yang diemisikan.
Tiap foton yang datang pada logam, sebagian energinya digunakan untuk melepaskan elektron dan sebagian menjadi energi kinetik elektron. Jika energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron sebesar a dan energi yang menjadi energi kinetik sebesar Ek maka dapat ditulis persamaan :
Dari persamaan nampak jelas, makin besar frekwensi cahaya, makin besar kecepatan yang diperoleh elektron.
Bila frekwensi cahaya sedemikian sehingga h.f = a, maka foton itu hanya mampu melepaskan elektron tanpa memberi energi kinetik pada elektron. Penyinaran dengan cahaya yang frekwensi lebih kecil tidak akan menunjukkan gejala foto listrik.
Sifat Kembar Cahaya.
Gejala-gejala interferensi dan difraksi memperlihatkan sifat gelombang yang dimiliki cahaya, dilain pihak cahaya memperlihatkan sifat sebagai paket-paket energi (foton).
Timbul suatu gagasan apakah foton itu dapat diartikan sebagai partikel-partikel.
Untuk menjawab pertanyaan ini A.H. Compton mempelajari tumbukan-tumbukan antara foton dengan elektron.
Kesimpulan yang diperolehnya menunjukkan bahwa foton dapat berlaku sebagai partikel dengan momentum.
Tidak ada keraguan lagi bahwa cahaya memiliki sifat kembar, sebagai gelombang dan sebagai partikel.
LATIHAN SOAL
1. Berapa joule energi foton yang panjang gelombangnya 6000 Angstrom. Tetapan Planck = 6,6 .10 –34 joule . det.
2. Berkas cahaya 5000 Angstrom didatangkan pada logam Kalium. Untuk melepaskan elektron dari logam tersebut dipergunakan energi 2 eV. Berapa energi kinetik elektron yang dibebaskan ?
3. Untuk membebaskan elektron dari Natrium diperlukan tenaga 2,14 eV.
a. Berapakah panjang gelombang cahaya yang dapat melepaskan elektron dari logam Natrium.
b. Dapatkah sinar-sinar yang panjang gelombangnya 0,4 digunakan untuk membebaskan elektron dari logam tersebut ?
4. Berapakah panjang gelombang elektron yang bergerak dengan kecepatan 9 .107 m/det.
5. Berapa energi foton sinar X yang panjang gelombangnya 1 h = 6,6 .10-34 joule.det
6. Berapa panjang gelombang-gelombang elektromagnetik yang energi fotonnya 2,8 .10 –19 joule.
7. Sebuah partikel dengan muatan q dan massa m dipercepat dari keadaan diam melalui beda potensial V.
a. Tentukan panjang gelombang de Broglie.
b. Hitung jika partikel adalah sebuah elektron dan V = 50 Volt.
==========O0O==========
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Gelombang Elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat walau tidak ada medium. Energi elektromagnetik merambat dalam gelombang dengan beberapa karakter yang bisa diukur, yaitu: panjang gelombang/wavelength, frekuensi, amplitude/amplitude, kecepatan. Amplitudo adalah tinggi gelombang, sedangkan panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak. Frekuensi adalah jumlah gelombang yang melalui suatu titik dalam satu satuan waktu. Frekuensi tergantung dari kecepatan merambatnya gelombang. Karena kecepatan energi elektromagnetik adalah konstan (kecepatan cahaya), panjang gelombang dan frekuensi berbanding terbalik. Semakin panjang suatu gelombang, semakin rendah frekuensinya, dan semakin pendek suatu gelombang semakin tinggi frekuensinya.
Energi elektromagnetik dipancarkan, atau dilepaskan, oleh semua masa di alam semesta pada level yang berbedabeda. Semakin tinggi level energi dalam suatu sumber energi, semakin rendah panjang gelombang dari energi yang dihasilkan, dan semakin tinggi frekuensinya. Perbedaan karakteristik energi gelombang digunakan untuk mengelompokkan energi elektromagnetik.
Ciri-ciri gelombang elektromagnetik :
Dari uraian tersebut diatas dapat disimpulkan beberapa ciri gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut:
1. Perubahan medan listrik dan medan magnetik terjadi pada saat yang bersamaan, sehingga kedua medan memiliki harga maksimum dan minimum pada saat yang sama dan pada tempat yang sama.
2. Arah medan listrik dan medan magnetik saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.
3. Dari ciri no 2 diperoleh bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal.
4. Seperti halnya gelombang pada umumnya, gelombang elektromagnetik mengalami peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, dan difraksi. Juga mengalami peristiwa polarisasi karena termasuk gelombang transversal.
5. Cepat rambat gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada sifat-sifat listrik dan magnetik medium yang ditempuhnya.
Cahaya yang tampak oleh mata bukan semata jenis yang memungkinkan radiasi elektromagnetik. Pendapat James Clerk Maxwell menunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik lain, berbeda dengan cahaya yang tampak oleh mata dalam dia punya panjang gelombang dan frekuensi, bisa saja ada. Kesimpulan teoritis ini secara mengagumkan diperkuat oleh Heinrich Hertz, yang sanggup menghasilkan dan menemui kedua gelombang yang tampak oleh mata yang diramalkan oleh Maxwell itu. Beberapa tahun kemudian Guglielmo Marconi memperagakan bahwa gelombang yang tak terlihat mata itu dapat digunakan buat komunikasi tanpa kawat sehingga menjelmalah apa yang namanya radio itu. Kini, kita gunakan juga buat televisi, sinar X, sinar gamma, sinar infra, sinar ultraviolet adalah contoh-contoh dari radiasi elektromagnetik. Semuanya bisa dipelajari lewat hasil pemikiran Maxwell.
SUMBER GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
1. Osilasi listrik.
2. Sinar matahari menghasilkan sinar infra merah.
3. Lampu merkuri menghasilkan ultra violet.
4. Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam menghasilkan sinar X (digunakan untuk rontgen).
Inti atom yang tidak stabil menghasilkan sinar gamma.
SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar spectrum elektromagnetik di bawah disusun berdasarkan panjang gelombang (diukur dalam satuan _m) mencakup kisaran energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang gelombang rendah dan frekuensi tinggi seperti radiasi X-ray dan Gamma Ray.
Contoh spektrum elektromagnetik
Gelombang Radio
Gelombang radio dikelompokkan menurut panjang gelombang atau frekuensinya. Jika panjang gelombang tinggi, maka pasti frekuensinya rendah atau sebaliknya. Frekuensi gelombang radio mulai dari 30 kHz ke atas dan dikelompokkan berdasarkan lebar frekuensinya. Gelombang radio dihasilkan oleh muatan-muatan listrik yang dipercepat melalui kawat-kawat penghantar. Muatan-muatan ini dibangkitkan oleh rangkaian elektronika yang disebut osilator. Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh antena pula. Kamu tidak dapat mendengar radio secara langsung, tetapi penerima radio akan mengubah terlebih dahulu energi gelombang menjadi energi bunyi.
Gelombang mikro
Gelombang mikro (mikrowaves) adalah gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi yaitu diatas 3 GHz. Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Jika makanan menyerap radiasi gelombang mikro, maka makanan menjadi panas dalam selang waktu yang sangat singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak makanan dengan cepat dan ekonomis.
Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada pesawat RADAR (Radio Detection and Ranging) RADAR berarti mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan menggunakan gelombang mikro. Pesawat radar memanfaatkan sifat pemantulan gelombang mikro. Karena cepat rambat glombang elektromagnetik c = 3 X 108 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan penerimaan.
Sinar Inframerah
Sinar inframerah meliputi daerah frekuensi 1011Hz sampai 1014 Hz atau daerah panjang gelombang 10-4 cm sampai 10-1 cm. jika kamu memeriksa spektrum yang dihasilkan oleh sebuah lampu pijar dengan detektor yang dihubungkan pada miliampermeter, maka jarum ampermeter sedikit diatas ujung spektrum merah. Sinar yang tidak dilihat tetapi dapat dideteksi di atas spektrum merah itu disebut radiasi inframerah. Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda diipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar inframerah. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda.
Cahaya tampak
Cahaya tampak sebagai radiasi elektromagnetik yang paling dikenal oleh kita dapat didefinisikan sebagai bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Panjang gelombang tampak nervariasi tergantung warnanya mulai dari panjang gelombang kira-kira 4 x 10-7 m untuk cahaya violet (ungu) sampai 7x 10-7 m untuk cahaya merah. Kegunaan cahaya salah satunya adlah penggunaan laser dalam serat optik pada bidang telekomunikasi dan kedokteran.
Sinar ultraviolet
Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam daerah 1015 Hz sampai 1016 Hz atau dalam daerah panjang gelombagn 10-8 m 10-7 m. gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listrik. Matahari adalah sumber utama yang memancarkan sinar ultraviolet dipermukaan bumi,lapisan ozon yang ada dalam lapisan atas atmosferlah yang berfungsi menyerap sinar ultraviolet dan meneruskan sinar ultraviolet yang tidak membahayakan kehidupan makluk hidup di bumi.
Sinar X
Sinar X mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz . panjang gelombangnya sangat pendek yaitu 10 cm sampai 10 cm. meskipun seperti itu tapi sinar X mempunyai daya tembus kuat, dapat menembus buku tebal, kayu tebal beberapa sentimeter dan pelat aluminium setebal 1 cm.
Sinar Gamma
Sinar gamma mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz atau panjang gelombang antara 10 cm sampai 10 cm. Daya tembus paling besar, yang menyebabkan efek yang serius jika diserap oleh jaringan tubuh.
Contoh penerapan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari :
a. Radio
Radio energi adalah bentuk level energi elektromagnetik terendah, dengan kisaran panjang gelombang dari ribuan kilometer sampai kurang dari satu meter. Penggunaan paling banyak adalah komunikasi, untuk meneliti luar angkasa dan sistem radar. Radar berguna untuk mempelajari pola cuaca, badai, membuat peta 3D permukaan bumi, mengukur curah hujan, pergerakan es di daerah kutub dan memonitor lingkungan. Panjang gelombang radar berkisar antara 0.8 – 100 cm.
a. Microwave
Panjang gelombang radiasi microwave berkisar antara 0.3 – 300 cm. Penggunaannya terutama dalam bidang komunikasi dan pengiriman informasi melalui ruang terbuka, memasak, dan sistem PJ aktif. Pada sistem PJ aktif, pulsa microwave ditembakkan kepada sebuah target dan refleksinya diukur untuk mempelajari karakteristik target. Sebagai contoh aplikasi adalah Tropical Rainfall Measuring Mission’s (TRMM) Microwave Imager (TMI), yang mengukur radiasi microwave yang dipancarkan dari Spektrum elektromagnetik Energi elektromagnetik atmosfer bumi untuk mengukur penguapan, kandungan air di awan dan intensitas hujan.
a. Infrared
Kondisi-kondisi kesehatan dapat didiagnosis dengan menyelidiki pancaran inframerah dari tubuh. Foto inframerah khusus disebut termogram digunakan untuk mendeteksi masalah sirkulasi darah, radang sendi dan kanker. Radiasi inframerah dapat juga digunakan dalam alarm pencuri. Seorang pencuri tanpa sepengetahuannya akan menghalangi sinar dan menyembunyikan alarm. Remote control berkomunikasi dengan TV melalui radiasi sinar inframerah yang dihasilkan oleh LED ( Light Emiting Diode ) yang terdapat dalam unit, sehingga kita dapat menyalakan TV dari jarak jauh dengan menggunakan remote control.
d. Ultraviolet
Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuhan dan dapat membunuh kuman-kuman penyakit kulit.
e. Sinar X
Sinar X ini biasa digunakan dalam bidang kedokteran untuk memotret kedudukan tulang dalam badan terutama untuk menentukan tulang yang patah. Akan tetapi penggunaan sinar X harus hati-hati sebab jaringan sel-sel manusia dapat rusak akibat penggunaan sinar X yang terlalu lama.
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Bila dalam kawat PQ terjadi perubahan-perubahan tegangan baik besar maupun arahnya, maka dalam kawat PQ electron bergerak bolak-balik, dengan kata lain dalam kawat PQ terjadi getaran listrik. Perubahan tegangan menimbulkan perubahan medan listrik dalam ruangan disekitar kawat, sedangkan perubahan arus listrik menimbulkan perubahan medan magnet. Perubahan medan listrik dan medan magnet itu merambat ke segala jurusan. Karena rambatan perubahan medan magnet dan medan listrik secara periodik maka rambatan perubahan medan listrik dan medan magnet lazim disebut : GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK. Percobaan-percobaan yang teliti membawa kita
pada kesimpulan :
1. Pola gelombang elektromagnetik sama dengan pola gelombang transversal dengan vektor perubahan medan listrik tegak lurus pada vektor perubahan medan magnet.
2. Gelombang elektromagnetik menunjukkan gejala-gejala : Pemantulan, pembiasan, difraksi, polarisasi seperti halnya pada cahaya.
3. Diserap oleh konduktor dan diteruskan oleh isolator. Gelombang elektromagnetik lahir sebagai paduan daya imajinasi dan ketajaman akal pikiran berlandaskan keyakinan akan keteraturan dan kerapian aturan-aturan alam.
Hasil-hasil percobaan yang mendahuluinya telah mengungkapkan tiga aturan gejala
kelistrikan :
Hukum Coulomb : Muatan listrik menghasilkan medan listrik yang kuat.
Hukum Biot-Savart : Aliran muatan (arus) listrik menghasilkan medan magnet
disekitarnya.
Hukum Faraday : Perubahan medan magnet (B) dapat menimbulkan medan listrik (E).
Didorong oleh keyakinan atas keteraturan dan kerapian hukum-hukum alam, Maxwell
berpendapat : Masih ada kekurangan satu aturan kelistrikan yang masih belum terungkap secara empirik. Jika perubahan medan magnet dapat menimbulkan perubahan medan listrik maka
perubahan medan listrik pasti dapat menimbulkan perubahan medan magnet, demikianlah
keyakinan Maxwell. Dengan pengetahuan matematika yang dimilikinya, secara cermat Maxwell membangun teori yang dikenal sebagai teori gelombang elektromagnetik. Baru setelah bertahun-tahun Maxwell tiada, teorinya dapat diuji kebenarannya melalui percobaan-percobaan.Menurut
perhitungan secara teoritik, kecepatan gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada
permitivitasdan permeabilitas .
Dengan memasukkan W/A.m
Diperoleh nilai c = 3.108 m/s, nilai yang sama dengan kecepatan cahaya. Oleh sebab itu Maxwell mempunyai cukup alasan untuk menganggap cahaya adalah Gelombang Elektromagnetik.
Oleh karena itu konsep gelombang elektromagnetik ini merupakan penyokong teori HUYGENS tentang cahaya sebagai gerak gelombang.
INTENSITAS GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Energi rata-rata per satuan luas yang dirambatkan oleh gelombang elektromagnetik disebut dengan intensitas gelombang elektromagnetik. Intensitas tersebut sebanding dengan
harga maksimum medan magnet (B) dan sebanding pula dengan harga maksimun medan
listriknya (E).
Benda hitam
Dalam fisika, benda hitam (bahasa Inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.
Meskipun namanya benda hitam, dia tidaklah harus benar-benar hitam karena dia juga memancarkan energi. Jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya bergantung pada suhu benda hitam tersebut. Benda hitam dengan suhu di bawah sekitar 700 Kelvin hampir semua energinya dipancarkan dalam bentuk gelombang inframerah, sangat sedikit dalam panjang gelombang tampak. Semakin tinggi temperatur, semakin banyak energi yang dipancarkan dalam panjang gelombang tampak dimulai dari merah, jingga, kuning dan putih.
Istilah "benda hitam" pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam
Ketika temperatur berkurang, puncak dari kurva radiasi benda hitam bergerak ke intensitas yang lebih rendah dan panjang gelombang yang lebih panjang. Grafik radiasi benda hitam ini dibandingkan dengan model klasik dari Rayleigh dan Jeans.
Dalam laboratorium, benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali, tanpa memedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang). Lubang ini (bukan rongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam. Jika rongga dipanaskan, spektrum yang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar). Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga, dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini.
Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik dan mekanika statistik. Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombang rendah (yaitu, frekuensi tinggi); suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu.
Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck, yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket, atau kuanta (lihat bencana ultraungu untuk rinciannya). Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan efek fotolistrik. Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum. Saat ini, paket-paket tersebut disebut foton.
Radiasi Benda Hitam
Radiasi BENDA HITAM
Teori kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Dalam Fisika, benda hitam (atau blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energi dari benda tersebut dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak. Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat dipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah, jingga, kuning hingga putih.
Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya.
Dalam percobaan Fisika sederhana, benda atau objek yang paling mirip radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Dengan mengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk, maka selama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang, cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga berulang kali serta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan kembali sebagai radiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga. Lubang pada rongga inilah yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam. Temperatur dari benda itu akan terus naik apabila laju penyerapan energinya lebih besar dari laju pancarannya, sehingga pada akhirnya benda hitam itu mencapai temperatur kesetimbangan. Keadaan ini dinamakam dengan setimbang termal (setimbang termodinamik).
Blackbody Radiation
Dari data eksperimen terhadap radiasi benda hitam, diperoleh bahwa spektrum radiasi benda hitam berupa spektrum kontinu dengan tingkat kebersinaran (intensitas radiasi) dari masing-masing spektral tidak sama kuat. Pada suhu tertentu, intensitas cahaya yang diradiasikan akan terus bertambah hingga mencapai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Dan Pancaran radiasi benda hitam itu akan mengikuti suatu kurva berikut:
Kurva Radiasi Benda Hitam
Dari kurva di atas, terbaca bahwa dengan naiknya temperatur benda hitam, puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah panjang gelombang yang semakin kecil (gambar a) atau puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah frekuensi yang semakin besar (gambar b).
Hubungan empiris sederhana antara panjang gelombang yang dipancarkan untuk intensitas maksimum (lm) dengan suhu mutlak (T) sebuah benda yang dikenal sebagai hukum pergeseran wien, yaitu :
dengan C = konstanta Wien (2,899 x 10-3 mK)
Tahun 1879, seorang ahli fisika Austria, Josef Stefan membuktikan bahwa intensitas radiasi total (P/A) oleh suatu benda hitam panas adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Bentuk persamaan empirisnya adalah sebagai berikut:
P adalah daya radiasi (watt = W), A adalah luas permukaan benda, T adalah suhu mutlak benda, σ = 5,67 x 10-8 W m-3 K-4
Teori elektromagnetik klasik maupun mekanika statistik tidak dapat menjelaskan spektrum yang teramati pada radiasi benda hitam. Teori tersebut hanya dapat memprediksi intensitas yang tinggi dari panjang gelombang rendah atau dikenal sebagai bencana ultraungu. Namun kemudian, Max Planck berhasil memecahkan masalah ini. Max Planck menjelaskan bahwa radiasi elektromagnetik hanya dapat merambat dalam bentuk paket-paket energi atau kuanta yang dinamakan foton. Gagasan Planck ini kemudian berkembang menjadi teori baru dalam fisika yang disebut Teori Kuantum. Dengan teori ini, kemudian Einstein berhasil menjelaskan peristiwa yang dikenal dengan nama efek foto listrik, yakni pemancaran elekton dari permukaan logam karena logam tersebut disinari cahaya. Perkembangan teoritis ini menjadi penyebab digantikannya teori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum.
