Radiasi Benda Hitam

Apakah benda hitam itu adalah benda yang warnanya hitam…? Seperti rambut warna hitam, atau mobil warna hitam!, tentunya tidak !., untuk membahas apa itu benda hitam ? marilah kita perhatikan gambar berikut :

Gambar (a) adalah kotak yang dicat putih dan dinding depan kotak dilubangi, ketika kotak penutupnya di tutup, maka lubang pada dinding akan tampak hitam disiang hari seperti pada gamabar (b). Mengapa demikian ?

Ketika kalor radiasi dari cahaya matahari memasuki lubang kotak, kalor radiasi dipantulkan berulang-ulang (beberapa kali oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hampir dapat dikatakan tidak ada lagi kalor radiasi yang tersisa ( semua kalor radiasi telah diserap di dalam kotak ) seperti pada gambar ( c ). Dengan kata lain, lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi kalor yang datang padanya. Akibatnya lubang akan tampak hitam.

Dalam kehidupan sehari-hari benda hitam dapat dilihat pada lubang udara ventilasi yang terdapat pada dinding rumah. Lubang udara tersebut tampak gelap (hitam) dari kejauhan. Lubang seperti ini pun mendekati kriteria benda hitam.

Emisitas diberi lambang (e) adalah koefisien yang disebut emisivitas . Emisivitas adalah ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam.

Nilai emisivitas (e) bergantung pada jenis permukaan benda. Pemantul sempurna (penyerap paling jelek nilai e = 0, sedangkan benda hitam sempurna dengan nilai e = 1 adalah benda penyerap sempurna sekaligus pemancar sempurna radiasi kalor. Sedangkan nilai   0 < e < 1, benda yang dapat menyerap dan pemancarkan radiasi hanya sebagian saja.

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.

Panas Matahari sampai ke Bumi melalui gelombang elektromagnetik. Perpindahan kalor seperti ini disebut radiasi , yang dapat berlangsung dalam ruang hampa. Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya disebut radiasi panas ( thernmal radiation ).

Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Bahkan, sebuah kubus es pun memancarkan radiasi panas,, sebagian kecil dari radiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun demikian, kubus es ini tidak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan kubus es, tubuh manusia pun memeancarkan radiasi panasdalam daerah cahaya tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat diruang gelap. Namun gelombang-gelombang inframerah yang dipancarkan radiasi panas tubuh dapat dideetksi dalam gelap oleh kamera elektronik.

Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umumnya benda terlihat karena benda itu memantulkan cahaya yang datanng padanya, dan bukan karena  ia memancarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu diatas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi berpijar putih atau pijar putih dari filament lampu pijar. Begita suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relative dari spectrum cahaya yangn dipancarkanya berubah.

Secara umum, bentuk terinci dari spectrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Meskipun demikian, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spectra panas dengan karakter universal. Benda ini adalah benda hitam ( black body ). Benda hitam adalah suatu benda yang permukaannya sedemikian sehingga menyerap semua radiasi yang datang padanya ( tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam ). Dari pengamatan ditemukan bahwa semua benda hitam pada suhu yang sama memanv=carkan radiasi dengan spectrum yang sama.

Tidak ada benda yang hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam. Ketika radiasi dari cahaya Matahari memasuki lubang kotak , radiasi dipantulkan berulang-ulang oleh dinding kotak dan setelah pemantulan itu hampir dapat dikatakan tidak ada lagi radiasi yang tersisa ( semua radiasi telah diterap di dalam kotak ). Dengan kata lain, lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi yang datang padanya. Akibatnya lubang tampak  hitam .

Pada tahun 1879 seorang ahli fisika dari Austria, Josef Stefan melakukan eksperimen untuk mengetahui karakter universal dari radiasi benda hitam. Ia menemukan bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas (intensitas total) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Sehingga dapat dirumuskan:

I _total = σ . T⁴ ....................................................... (1)

dengan I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T adalah suhu mutlak benda, dan σ adalah tetapan Stefan-Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10^-8 Wm^-2K^-4.

Untuk kasus benda panas yang bukan benda hitam, akan memenuhi hukum yang sama, hanya diberi tambahan koefisien emisivitas yang lebih kecil daripada 1 sehingga:

I _total = e.σ.T⁴ ............................................................ (2)

Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan (2) dapat ditulis sebagai:

P/A = = e. σ. T⁴ ...................................................... (3)

dengan:

P = daya radiasi (W)

A = luas permukaan benda (m²)

e = koefisien emisivitas

T = suhu mutlak (K)

Beberapa tahun kemudian, berdasarkan teori gelombang elektromagnetik cahaya, Ludwig Boltzmann (1844 - 1906) secara teoritis menurunkan hukum yang diungkapkan oleh Joseph Stefan (1853 - 1893) dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Oleh karena itu, persamaan (2) dikenal juga sebagai Hukum Stefan- Boltzmann, yang berbunyi:

“Energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan (T⁴)“.

 Secara matematika ditulis :

Tetapan s (dibaca sigma) dikenal dengan sebagai tetapan Stefan-Boltman dalam satuan SI mempunyai nilai:

Tidak semua benda dapat dianggap benda hitam. Oleh karena itu, diperlukan modifikasi pada pada persamaan, sehingga dapat digunakan pada setiap benda. Jadi persamaan Stefan-Bolzman untuk setiap benda dapat ditulis :

Keterangan :

P= Daya radiasi/energi kalor tiap sekon (W/m2)

Q= kalor/panas yang diradiasikan (kalori)

1 Kal = 4,2 Joule

e= emisitas, nilai e®   0 ≤e≤ 1

s = 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4

A = luas permukaan benda (m²)

T⁴ = Suhu Mutlak (K^-4)

W = Energi radiasi kalor (joule)

t= waktu selama benda meradiasai (sekon)

Contoh Soal :

1. Sebuah pelatr baja tipis berbentuk persegi dengan panjang sisi 10 cm, dipanaskan dalam suatu tungku sehingga suhunya mencapai 727^o Tentukan energi radiasi kalor setiap sekon.

Penyelesaian :

Dikertahui : A= Luas permukaan atas dan bawah = 2(10 cm)² = 0,02 m², e = 1

T= 727 +273 = 1000 K

Ditanyakan : W:…?

Jawab

Hukum-Hukum Yang Bersangkutan Dengan Radiasi Benda Hitam

1.      Hukum Steffan-Boltzmann

Pada tahun 1859,  Gustav Kirchhoff  membuktikan teorema yang sama pentingnya dengan teorema rangkaian listrik tertutupnya ketika ia menunjukkan argument berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap benda dalam keseimbangan termal dengan radiasi daya yang dipancarkan adalah sebanding dengan daya yang diserapnya. Untuk benda hitam teorema Kirchhoff dinyatakan oleh

1.1.   Dengan J(f,T) adalah suatu fungsi universal ( sama untuk semua benda ) yang bergantung hanya pada f  frekuensi cahaya, dan T suhu mutlak benda. Persamaan 1.1 menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan per satuan luas  per satuan frekuensi oleh suatu benda hitam berhantung hanya pada suhu dan frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada sifat fisika dan kimia yang menyusun benda hitam, dan ini sesuai dengan hasil pengamatan.

Perkembangan selanjutnya untuk memahami karakter universal dari radiasi benda hitam datang dari ahli fisika Austria, Josef Stefan ( 1835-1893 ) pada tahun 1979. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa  daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas, Itotal ( intensitas radiasi total ) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Karena itu, bentuk persamaan empiris, hokum Stefan  ditulis sebagai à Persamaan 1.2

1.2.   Dengan I total adalah intensitas ( daya per satuan luas ) radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi,  adalah  intensitas radiasi per satuan frekuensi yang dipancarkan oleh benda hitam, T adalah suhu mutlak benda, dan adalah tetapan Stefan-Boltzmann yaitu . Untuk benda panas yang bukan benda hitam akan mematuhi hokum yang sama, hanya diberi tambahan koefisien emisivitas e, yang lebih kecil daripada I = P/A, sehingga Persamaan 1.2 juga dapat ditulis sebagai à Persamaan 1.3

1.3.Dengan P adalah daya radiasi ( watt = W )dan A adalah luas permukaan benda. Lima tahun kemudian konfirmasi mengesankan dari teori gelombang elektromagnetik cahaya diperoleh ketika Boltzmann menurunkan hokum Stefan dari gabungan termodinamika  dan persamaan - persamaan Maxwell. Karena itu, Persamaan 1.3 dikenal juga sebagai Hukum Stefan-Boltzmann.

2.      Hukum Pergeseran Wien

Jika suatu benda misalnya logam dipanaskan terus pada suhu tinggi maka warna pijarnya  berubah mulai dari pijar merah ( kira-kira C ) sampai ke putih 9 kira-kira C ). Bentuk grafik antara intensitas radiasi cahaya terhadap panjang gelombangnya dinamakan grafik , pada berbagai suhu. Untuk suhu yang lebih tinggi , panjang gelombang untuk intensitas maksimum bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek.

Wilhelm Wien pada tahun 1896 menyatakan hukumnya yang dikenal dengan hukum Pergeseran Wien :  Panjang gelombang untuk intensitas cahaya maksimum berkurang dengan meningkatnya suhu. Hukum ini dinyatakan dengan persamaan:

Panjang gelombang yang berhubungan dnegan intensitas radiasi maksimum benda hitam, T adalah suhu mutlak dari permukaan benda yang memancarkan radiasi, dan C adalah tetapan pergeseran wien.

3.      Teori Planck

Teori Wien cocok dengan spectrum radiasi benda hitam utuk panjang gelombang yang pendek, dan menyimpang untuk  panjang gelombang yang panjang. Sebaliknya, teori Reyleigh-Jeans cocok dengan spectrum radiasi benda hitam untuk panjang gelombang yang panjang, dan menyimpang untuk panjang gelombang yang pendek. Jelas bahwa fisika klasik gagal menjelaskan radiasi benda hitam. Inilah dilema fisika klasik di mana Max Planck mencurahkan seluruh perhatiannya.

Pada tahun 1900, Planck memulai pekerjaannya dengan membuat suatu anggapan baru tentang sifat dasar dari getaran molekul-molekul dalam dinding-dinding rongga benda hitam. Anggapan lama fisikawan klasik menganggap bahwa energy gelombang elektromagnetik ( termasuk cahaya ) terpancarkan secara kontinu ( sinambung ) dan besar kecilnya hanya ditentukan oleh amplitude gelombang. Anggapan baru Planck sangat radikal dan bertentangan dengan fisika klasik, yaitu dengan berikut.

a.    Radiasi yang dipancarkan oleh getaran molekul-molekul tidaklah kontinu tetapi dalam paket-paket energy diskret, yang disebut kuantum ( disebut foton ). Besar energy yang berkaitan dengan tiap foton adalah E=hf , sehingga untun n buah foton maka energinya dinyatakan oleh n = 1, 2, 3,…( bilangan asli ), dan f  adalah frekuensi getaran molekul-molekul . Energy dari molekul-molekul dikatakan terkuantisasi dan energy yang diperkenankan disebut tingkat energy. Ini berarti bahwa tingkat energy bisa hf, 2hf, 3hf,…., sedangkan h disebut Tetapan Planck.

b.   Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energy dalam satuan diskret dari energi cahaya, disebut kuantum ( foton ). Molekul-molekul melakukan itu dengan “ melompat “ dari satu tingkat energy ke tingkat energy lainnya. Jika bilangan kuantum n berubah dengan satu-satuan , Persamaan 1.7  menunjukkan bahwa jumlah energy yang dipancarkan atau diserap oleh molekul-molekul sama denagn hf .Jadi, beda energy antara dua tingkat energy yang berdekatann adalah hf.

4.      Hukum Rayleigh-Jeans

Berdasarkan teori kuantum, Planck dapat menyatukan hukum radiasi Wien dan hukum Rayleigh-Jeans, dan menyatakan hokum radiasi Wien dan hokum radiasi benda hitamnya yang akan berlaku untuk semua panjang gelombang.

Fisika klasik menyatakan bahwa spektra radiasi benda hitam adalah kontinue, dan mereka aggal menjelaskan radiasi benda hitam. Planck justru mengemukakan gagasan baru yang radikal dan bertenteangan dengan fisika klasik, dengan menyatakan bahwa energy radiasi benda hitam adalah terkuantitasi ( diskret ).

Pernyataan radikal inilah yang menandai lahirnya teori kuantum. Karena itu, teori fisiska sebelum tahun 1900 disebut fisika kalsik , sedangkan teori fisika sesudah tahun 1900 disebut fisika modern.

Bantu klik iklan ya sobat