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.
 |
| *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.
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:
karena
maka,
dengan:
I = intensitas radiasi
P = daya radiasi (watt)
e = emisivitas benda
s = 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:
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 Planck, 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 :
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.
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:
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
EmoticonEmoticon