Max Planck Dan Jasad Hitam

0
272
views

Sejarah asal fizik kuantum adalah apabila Max Planck diminta oleh syarikat lampu untuk buat satu lampu dengan tenaga efisyen. Lampu yang mampu keluarkan cahaya yang terang, pada masa yang sama guna tenaga yang optimum (tak terlalu banyak guna tenaga).

Masalahnya, pada waktu tu, cahaya selalunya terhasil bila kita panaskan objek. Contohnya, bila kau panaskan objek yang hitam (macam arang), meskipun kau tak bakar dia, katakan kau letak arang tu dalam microwave, sampai satu tahap arang tu akan jadi teramat panas dan dia akan mengeluarkan radiasi dalam bentuk cahaya nampak (visible light).

Dalam suhu bilik, arang tu akan keluarkan radiasi jugak, cuma radiasi dalam bentuk tenaga lemah (infrared selalunya). Jadi kiranya apabila dia dipanaskan, arang tu akan dapat tenaga, dan dia akan berubah dari memancarkan radiasi inframerah kepada radiasi cahaya nampak.

Permasalahan Jasad Hitam

Rajah 1: Rajah menunjukkan perbezaan spektrum bagi gelombang Elektromagnet dan perubahan yang berlaku apabila suhu objek dinaikkan. Gelombang radio adalah gelombang dengan tenaga paling rendah, dan gelombang gamma adalah gelombang dengan tenaga paling tinggi. Sumber: Wikipedia

Untuk faham permasalahan jasad hitam, pertamanya kita perlu faham bahawa semua objek mengeluarkan radiasi haba. Kita sebagai manusia turut mengeluarkan radiasi kita yang tersendiri. Radiasi, menurut taarifan fizik, adalah pancaran tenaga dalam bentuk Gelombang Elektromagnet. Gelombang Elektromagnet ni terdiri dari spektrum yang berbeza (rujuk rajah 1), dan perbezaan spektrum ini boleh dilihat berdasarkan perbezaan frekuensi dan tenaga mereka. Spektrum dengan tenaga terendah diwakili oleh gelombang radio, dan kemudiannya mikrogelombang, inframerah, cahaya nampak, ultralembayung, sinar x dan radiasi gamma merupakan gelombang dengan tenaga tertinggi.

Merujuk kepada rajah 1, kita boleh lihat bahawa manusia mengeluarkan radiasi pada spektrum inframerah (infrared). Disebabkan mata manusia dibuat hanya untuk melihat dalam spektrum cahaya nampak (visible light), dalam bentuk warna-warna, seperti warna hijau, merah dan biru, dan bukan dalam spektrum inframerah, maka kita tidak mampu melihat radiasi yang tubuh kita pancarkan. Sebaliknya, terdapat peralatan tentera yang dicipta, seperti peralatan penglihatan malam untuk menjejak radiasi musuh yang dibina berdasarkan konsep ini (rujuk rajah 2).

Waqaf Saham

Rajah 2: Contoh peralatan penglihatan malam yang mrnggunapakai prinsip radiasi dan digunakan oleh tentera. Sumber: Primalunleashed

Untuk memberi pemahaman mengenai jasad hitam, penulis akan mengambil contoh arang tadi. Sekiranya kita perasan, kebanyakan arang pada suhu bilik akan berada dalam keadaan gelap dan hitam. Sepertimana badan manusia, arang tersebut akan mengeluarkan radiasinya dalam bentuk mikrogelombang yang tak dapat dikesan oleh mata manusia. Namun begitu, apabila kita mula memanaskan arang kita, walaupun tanpa membakarnya, sebagai contoh kita memanaskan arang kita di dalam oven ketuhar, kita akan dapati bahawa arang kita akan berubah warna, dari warna hitam kepada warna kemerah-merahan.

Menurut hukum fizik, hal ini terjadi kerana arang kita menyerap tenaga haba. Tenaga haba tersebut kemudiannya akan melonjakkan tenaga arang kita tadi, yang asalnya berada pada spektrum mikrogelombang, kepada spektrum cahaya nampak, iaitu dalam bentuk warna merah. Andaikata kita terus memanaskan arang kita, kita akan dapati bahawa arang kita akan menyerap lebih banyak tenaga, sekaligus menaikkan lagi spektrum arang kita dari warna merah, kepada warna kekuning-kuningan.

Rajah 3: Contoh mudah bagi jasad hitam adalah arang. Sekiranya kita memanaskan arang (walaupun tanpa membakarnya), kita akan dapati bahawa arang akan bertukar dari warna hitam (spektrum mikrogelombang) kepada warna merah (spektrum cahaya nampak). Sumber: freegreatpicture

Radiasi ni dipanggil sebagai radiasi jasad hitam (blackbody radiation). Masalahnya terjadi apabila saintis pada masa tu tak faham pasal radiasi ni. Dua formulasi yang dibuat dan diterimapakai adalah hukum Wein dan hukum Stefan-Boltzmann.Masalahnya, kedua-dua hukum ni ada limit dia. Jadi, dalam usaha Plancknak dapat “mentol ajaib”, Planck terpaksa buat satu perubahan terhadap fizik klasik; dia meng-kuanta-kan tenaga.

Bacaan Lanjut:

Helge Kragh, (2000). “Max Planck: The Reluctant Revolutionary.” Physics World, pp 31-35. https://pdfs.semanticscholar.org/7aeb/37159b682b0e5ce54cdeb2834ccb4dbcd5be.pdf

Encyclopaedia Britannica. “Electromagnetic Spectrum.” https://www.britannica.com/science/electromagnetic-spectrum

How Stuff Works – “How Night Vision Works.” https://electronics.howstuffworks.com/gadgets/high-tech-gadgets/nightvision.htm