Radiasi Benda Hitam



Radiasi panas adalah radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya. Apabila sepotong besi dipanaskan, maka suhu logam tersebut akan mengalami kenaikan. Makin lama dipanaskan, suhunya semakin tinggi. Makin tinggi suhu benda akan menimbulkan ruangan di sekitar benda itu menjadi panas. Hal ini menunjukkan bahwa benda memancarkan energi kalor ke sekitarnya. Energi yang dipancarkan benda ke sekitarnya disebut energi radiasi. Energi radiasi yang dipancarkan sebuah benda dalam bentuk gelombang yaitu gelombang elektromagnetik.

 Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi pada umumnya, benda dapat dilihat karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, bukan karena benda itu memancarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1.000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2.000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini menyebabkan pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menentukan suhu suatu benda.

Gambar Grafik intensitas radiasi vs panjang gelombang
*physics for scientist and engineer

Faktor apa saja yang memengaruhi radiasi suatu benda?

Jika kita berada di dekat benda yang panas, pada tubuh kita akan terasa panas. Tubuh akan terasa semakin panas apabila kita berada di dekat benda yang suhunya lebih tinggi. Serta panas yang kita rasakan akan semakin kuat jika benda yang berada di dekat kita berwarna gelap, di samping itu juga makin luas permukaan benda, semakin terasa panas yang kita rasakan. Di samping benda memancarkan panas, benda pun dapat menyerap panas (energi). Hal ini tergantung pada suhu antara benda dengan ruangan di sekitar benda. Apabila suhu benda lebih tinggi daripada suhu ruangan, benda akan memancarkan panas dan sebaliknya jika suhu benda lebih rendah, maka benda tersebut akan menyerap energi (panas).

Secara umum bentuk terperinci dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Walaupun demikian, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektra panas dengan karakter universal. Benda ini adalah benda hitam atau black body. Benda hitam didefinisikan sebagai sebuah benda yang menyerap semua radiasi yang datang padanya. Dengan kata lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. Jadi, benda hitam mempunyai harga absorptansi dan emisivitas yang besarnya sama dengan satu.

Gambar benda hitam

Emisivitas (daya pancar) merupakan karakteristik suatu materi, yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama. Sementara itu, absorptansi (daya serap) merupakan perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluks yang tiba pada benda itu.

Benda hitam ideal digambarkan oleh suatu rongga hitam dengan lubang kecil. Sekali suatu cahaya memasuki rongga itu melalui lubang tersebut, berkas itu akan dipantulkan berkali-kali di dalam rongga tanpa sempat keluar lagi dari lubang tadi. Setiap kali dipantulkan, sinar akan diserap dinding-dinding berwarna hitam. Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya jika suhunya lebih rendah daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi daripada suhu sekitarnya. 

Radiasi benda hitam adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur.

Besarnya intensitas radiasi dapat dihitung dengan Hukum Stefan- Boltzmann, yang berbunyi:
“Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya”.

Secara matematis besar intensitas radiasi dapat dituliskan:

Rumus Intensitas radiasi
karena 
maka,


dengan:
= intensitas radiasi 
P = daya radiasi (watt)
e = emisivitas benda
= kontante Stefans – Boltzmann (5,670 x 10-8 Wm-2K-4)
A = luas permukaan benda (m2)
T = suhu benda (K)

Emisivitas adalah konstanta yang besarnya tergantung pada sifat permukaan benda yang mempunyai nilai antara 0 hingga 1. Seperti yang telah disebut kan diatas bahwa benda hitam mempunyai emisivitas 1.

1. Hukum Pergeseran Wien
Jika sebuah benda hitam dipanaskan, maka benda itu suhunya akan naik dan warnanya akan berubah dari merah tua bergeser ke arah sinar putih. Pergeseran warna benda tersebut menunjukkan bahwa pancaran energi radiasi semakin tinggi suhunya semakin besar frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan benda tersebut dan semakin lengkap gelombang elektromagnetik yang dipancarkan.

Spektrum radiasi benda hitam merupakan gambaran dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh benda hitam. Seorang fisikawan dari bangsa Jerman, berhasil menemukan suatu hubungan empiris sederhana bahwa radiasi benda hitam selalu terdapat panjang gelombang yang membawa energi paling besar (intensitas maksimum), dan panjang gelombang yang membawa intensitas paling besar (maksimum) selalu bergeser terus ke arah panjang gelombang lebih kecil ketika suhu benda tersebut bertambah.
Pernyataan ini dikenal dengan hukum pergeseran Wien yang dirumuskan:
Rumus Hukum pergeseran Wien

dengan
lmax = panjang gelombang yang membawa energi maksimum
T = suhu benda (K)
C = konstanta Wien = 2,898×10-3 mK

2. Teori Kuantum Planck
Teori Fisika klasik yang menganggap bahwa cahaya merupakan gelombang ternyata tidak dapat menerangkan spektrum radiasi benda hitam. Fisika klasik merupakan sebutan untuk teori-teori yang dikemukakan sebelum tahun 1900, sedang teori setelah tahun 1900 yang dengan diawali teori kuantum Planck disebut fisika modern. Max Plank, beranggapan bahwa cahaya dapat dianggap sebagai partikel. Teori ini diperkuat dengan adanya fenomena efek fotolistrik dan efek Compton. Sampai saat ini para ilmuwan masih beranggapan bahwa cahaya mempunyai sifat dualisme yaitu sebagai gelombang dan partikel.

Beberapa teori yang mencoba untuk menjelaskan tentang radiasi benda hitam, yaitu teori yang dikemukaan oleh Wilhelm Wien dan teori yang dikemukakan oleh Lord Rayleigh serta James Jeans pada akhir abad 19 yang menerangkan radiasi benda hitam mengunakan teori gelombang klasik. Hal tersebut dikarenakan pada saat itu telah mengenal bahwa energi radiasi benda hitam diperoleh dari energi getaran atom yang dipancarkan dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Akan tetapi pada saat itu mengganggap bahwa energi yang dipancarkan secara kontinu. Teori yang dikemukakan Wien hanya cocok untuk menjelaskan radiasi benda hitam pada daerah panjang gelombang pendek, tetapi tidak cocok untuk daerah panjang gelombang panjang. Sebaliknya teori Rayleigh – Jeans ternyata dapat menjelaskan radiasi benda hitam pada daerah panjang gelombang panjang tetapi gagal untuk menjelaskan pada panjang gelombang pendek.

Akhirnya penjelasan yang dikemukakan oleh Max Planck yang sesuai dengan hasil spektrum radiasi benda hitam. Pada akhir tahun 1900 Max Planck mengemukakan pendapatnya yang sangat radikal karena apa yang dikemukakan Planck sangat bertentangan dengan pendapat saat itu.

Menurut Max Planck bahwa energi radiasi benda hitam dipancarkan tidak secara kontinu tetapi secara diskontinu, yaitu pancaran radiasi benda hitam dipancarkan dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuanta atau kemudian lebih dikenal dengan sebutan foton.

Selanjutnya Max Planck mengemukakan rumus emperisnya untuk mendukung pendapatnya dengan mengemukakan asumsi yang menyatakan bahwa :
a. Energi radiasi yang dipancarkan oleh getaran atom-atom benda hitam berbentuk diskret (diskontinu) yaitu berupa paket energi yang besarnya :

Teori kuantum Planck

dengan:
n = bilangan kuantum
f = frekuensi getaran atom
h = konstanta Planck yang besarnya 6,625 x 10-34 Joule sekon.

Karena energinya diskret maka dikatakan energinya terkuantisasi atau tereksitasi, di mana energi yang boleh diperkenankan adalah untuk n = 1, 2, 3, ... yang kemudian dikenal sebagai tingkat-tingkat energi atom.

b. Molekul-molekul atau atom-atom akan memancarkan atau menyerap energi dalam bentuk paket-paket energi (diskret) yang disebut kuantum atau foton. Setiap foton
memiliki energi sebesar hf.

energi foton


Jika suatu atom menyerap 1 foton, energinya bertambah sebesar hf dan sebaliknya jika memancarkan satu foton energinya akan berkurang sebesar hf. Gambar berikut menggambarkan tingkat-tingkat energi atom:

Gambar tingkat energi atom


Gagasan Max Planck baru menyangkut permukaan benda hitam saja. Kemudian Albert Einstein memperluasnya menjadi lebih luas yang dengan menggunakan teori kuantum, bahwa cahaya merupakan pancaran paket-paket energi yang disebut foton
Previous
Next Post »