Tonggak Kelahiran Fisika Modern

Pada akhir abad ke-19 ditemukan beberapa fenomena yang tidak bisa

dijelaskan melalui fisika klasik. Hal ini menuntut pengembangan konsep fisika

yang lebih mendasar lagi yang sekarang disebut fisika modern. Dalam periode ini

dikembangkan teori-teori yang lebih umum, seperti teori relativitas, teori

kuantum, teori atom dan fisika inti. Pelopor dari lahirnya fisika modern adalah

Albert Einstein melalui teori relativitas umum dan khususnya serta Max Planck

melalui teori kuantum.

Para fisikawan tidak bisa menjelaskan mengapa massa inti atom lebih

kecil dibandingkan dengan jumlah massa dari tiap-tiap penyusunnya. Fenomena

ini tidak dapat dijelaskan melalui fisika klasik. Dengan pemikiran yang jenius,

Einstein mengemukakan tentang adanya kerusakan massa atau mass defect . Di

mana massa yang hilang atau rusak dapat dihitung dengan persamaan berikut.

Keterangan

∆m = massa defect (satuan massa atom/sma) (1sma=1,66x10-27 kg)

Z = jumlah proton

mp = massa proton (sma)

A = nomor massa atom

(A-Z) = jumlah neutron

mn = massa neutron (sma)

minti = massa inti (sma)

Tidak hanya itu, Einstein juga menjelaskan bahwa massa yang rusak tersebut

(sebesar ∆m) berubah menjadi energi yang dapat dihitung dengan persamaan

E=m.c2. Persamaan inilah yang membawa nama Einstein mendunia, sekaligus

menjadi tonggak awal lahirnya fisika modern yang menyangkut adanya kesetaraan

massa dan energi.

Selain masalah kerusakan massa, Einstein mengemukakan teori relativitas

khususnya yang memuat dua buah postulat sebagai berikut.

∆m = [Z mp + (A-Z) mn] – minti

Postulat 1

Hukum-hukum fisika adalah sama untuk semua pengamat inersia (yang

tidak mengalami percepatan).

Postulat 2

Di dalam ruang hampa, kecepatan cahaya yang diukur oleh semua

pengamat inersia adalah

Yang tidak bergantung pada gerakan sumbernya.

Point penting dari kedua postulat Einstein ini, yakni pada kerangka acuan

inersia. Dalam fisika klasik bahwa kerangka inersia relatif diam atau bergerak

dengan kecepatan konstan, sementara Einstein mengungkapkan bahwa semua

pengamat/kerangka acuan inersia yang tidak mengalami percepatan harus

diperlakukan sama terhadap apapun, walaupun bergerak dengan kecepatan

konstan atau relatif terhadap yang lain.

Pada tahun 1915, Einstein mengemukakan teori relativitas umum yang

melandaskan teorinya pada geometri ruang-waktu bagi gravitasi secara tunggal.

Hal tersebut membuat geger karena menyanggah persamaan gravitasi hukum

Newton yang menyatakan bahwa gravitasi bukanlah sebuah gaya namun hanya

konsekuensi dari pelengkungan ruang-waktu.

Selain teori-teori dari Einstein di atas, teori yang menjadi tonggak

kelahiran fisika modern adalah teori kuantum yang merupakan hasil karya Max

Planck yang kemudian dikembangkan oleh Schroedinger, Pauli, Heisenberg. Pada

akhir abad ke-19, perhatian para fisikawan terfokus pada spektrum radiasi yang

dihasilkan oleh permukaan logam yang dipanaskan. Spektrum radiasi termal

inilah yang menyita perhatian fisikawan saat itu sementara teori-teori yang ada

belum dapat menerangkannya.

Jadi, permasalahan bagi para fisikawan saat itu adalah mereka kesulitan

menemukan rumus dari lengkung Radiasi total apabila menggunakan hukum-

hukum fisika klasik. Di dalam membuat pengukuran eksperimental tentang radiasi

termal oleh benda hitam sempurna, ada beberapa hukum yang digunakan yaitu:

Hukum Stefan-Boltzmann (radiasi total benda hitam berbanding lurus dengan

c=1√ε0 μ0=3x 108 m / s

pangkat empat suhu mutlaknya) dan Hukum Pergeseran Wien (hubungan suhu

suatu benda hitam dengan harga panjang gel. Terpendek yang membawa energi

max), namun Hukum Pergeseran Wien tidak cocok untuk menganalisis spektrum

radiasi benda hitam pada daerah gelombang panjang. Oleh karena itu Rayleigh

dan Jeans menggunakan teori ekipartisi energi sehingga memperoleh rumusan

yang cocok diterapkan untuk daerah dengan spektrum gelombang panjang.

Sedangkan untuk frekuensi tinggi persamaan ini jauh menyimpang dengan hukum

termodinamika. Pada saat inilah perkembangan fisika mengalami kebuntuan.

Kebuntuan ini dikenal dengan sebutan ’Bencana Ultraviolet’.

Untuk mendapatkan rumusan teoritik tentang radiasi termal, Planck

mengandaikan beberapa hal tentang osilator yang menjadi sumber energi radiasi

termal. Pertama, energi yang dihasilkan osilator tersebut berharga diskrit dengan

E=0 , hυ , 2 hυ,3 hυ, . .. , nh υ (h merupakan suatu tetapan yang dikenal dengan

tetapan Planck). Kedua, sebaran energi osilator menganut distribusi Boltzmann.

Dari penelusurannya, diperolehlah postulat Planck yang isinya ’energi osilator

harmonik dengan frekuensi υ , terbatas pada harga-harga yang merupakan

kelipatan hυ ’. Planck menamakan hf sebagai kuantum. Kemudian tetapan h

diukur dengan sangat teliti sehingga diperoleh harga h= 6,63 x 10-34 J s.

Planck mengajukan konsep kuantisasi energi yang dapat dimiliki oleh

osilator-osilator harmonik pada permukaan logam dan tetap menganggap bahwa

energi dalam rongga tetap berbentuk gelombang. Kemudian oleh Einstein

disarankan bahwa dalam ruang rongga, energi elektromagnetik juga berbentuk

gumpalan energi yang disebut foton. Gagasan ini dapat menjelaskan efek

fotolistrik.

Max Planck, mengumumkan bahwa dengan membuat suatu modifikasi

khusus dalam perhitungan klasik dia dapat menjabarkan fungsi intensitas P (λ,T)

yang sesuai dengan data percobaan pada seluruh panjang gelombang. Hukum

radiasi Planck menunjukkan distribusi (penyebaran) energi yang dipancarkan oleh

sebuah benda hitam. Hukum ini memperkenalkan gagasan baru dalam ilmu fisika,

yaitu bahwa energi merupakan suatu besaran yang dipancarkan oleh sebuah benda

dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putus, bukan dalam bentuk pancaran.

Paket-paket kecil ini disebut kuanta dan hukum ini kemudian menjadi dasar teori

kuantum. Dari gagasan tersebut Max Planck berhasil membuktikan secara teoritis

tentang radiasi benda hitam dengan menggunakan teori kuantum, yang

digambarkan melalui grafik sebagai berikut.

Akhirnya Planck mengajukan hipotesanya dalam suatu pertemuan ilmiah.

Hipotesanya yang sangat fundamental mengubah pandangan klasik ini (di mana

pandangan klasik masih beranggapan bahwa pancaran energi radiasi benda yang

berpijar itu bersifat kontinu), Planck mengemukakan hipotesisnya bahwa cahaya

dipancarkan oleh materi dalam bentuk paket-paket energi yang beliau sebut

quanta. Beliau memformulasikan sebagai . kemudian menyebabkan suatu

penjajagan tentang landasan fisika untuk sistem atomik dan sub atomik. Atas

sumbangannya pada ilmuan fisika, Max Planck memperoleh Nobel pada tahun

1918. Inilah dikatakan sebagai cikal bakal lahirnya teori kunatum.

Gagasan teori kuantum dari Planck diperluas kembali oleh Einstein lima

tahun setelah itu. Dalam makalah ilmiah tentang efek fotolistrik, menurut

Einstein, cahaya terdiri dari partikel-partikel yang kemudian disebut sebagai

foton. Ketika cahaya ditembakkan ke suatu permukaan logam, foton-fotonnya

akan menumbuk elektron-elektron pada permukaan logam tersebut sehingga

elektron itu dapat lepas. Peristiwa lepasnya elektron dari permukaan logam itu

dalam fisika disebut sebagai efek fotolistrik.