Radiasi Benda Hitam

Panas (kalor) dari matahari sampai ke bumi melallui gelombang elektromagnetik.Perpindahan ini disebut radiasi, yang dapat berlangsung dalam ruang hampa. Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya disebut radiasi panas (thermal radiation).

Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombangelektromagnetik. Bahkan sebuah kubus es pun memancarkan radiasi panas, sebagian kecil dariradiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun demikian kubus es ini tak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan kubus es, badan manusia pun memancarkan radiasi panas dalam daerah cahaya tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat dalam ruang gelap.

Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umunya benda terlihat oleh kita karena benda itu memantulkan cahaya yang dating padanya, bukan karena ia memacarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah sepeti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi berpijar putihatau pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spectrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda (lihat gambar di bawah ini).

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 kalor yang universal. Benda ini disebut benda hitam (black body). Benda hitam adalah suatu benda yang permukannnya sedemikian sehingga menyerap semua radiasi yang dactang padanya (tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam). Dari pengamatan diperoleh bahwa semua benda hitam pada suhu yang sama memancarkan radiasi dengan spektrum yang sama.

Tidak ada benda yang hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam. Seperti ditunjukkan pada Gambar 8.2, walaupun permukaan dalam kotak dicat putih (Gambar 8.3a)tetapi ketika kotak ditutup, lubang kotak tampak hitam pada siang hari (Gambar 8.3b). Mengapa demikian? Ketika radiasi dari cahaya matahari memasuki lubang kotak, radiasi dipantulkan berulang–ulang (beberapa kali) oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hamoir dapat dikatakan tidak ada lagi radiasi yang tersisa (ssemua radiasi telah diserap di dalam kotak) dengan kata lain , lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi yang dating padanya. Akibatnya benda tampak hitam.

(8.1)

Dengan J(f,T) adalah suatu fungsi universal (sama untuk semua benda) yang bergantung hanya pada f , frekuensi cahaya, dan T, suhu mutlak benda. Persaman (8-1) menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan persatuan luas persatuan frekuensi oleh suatu benda hitam bergantung 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 1879. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total persatuan 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 hukum Stefan ditulis sebagai

(8.2)

dengan Itotal adalah intensitas (daya persatuan luas) radiasi pada permukaan benda hitam pada esmua frekuensi, Rf adalah intensitas radiasi persatuan frekuensi yang dipancarkan oleh benda hitam, T adalah suhu mutalak benda, dan adalah tetapan Stefan-Boltzmann, yaitu = 5,67 × 10-8 W m-2 K-4. untuk benda panas yang bukan benda hitam akan memenuhi hukum yang sama hanya diberi tambahan koefisien emisivitas, e, yang lebih kecil dari 1:
(8.3)

ingat Itotal = P/A, sehingga persamaan (8-3) juga dapat ditulis sebagai
(8.4)

Dengan P adalah daya radiasi (watt = W) dan A adalah luas permukan benda (m). Lima tahun kemudian konfirmasi mengesankan dari teori gelombang elektromagnetik cahaya diperoleh ketika Boltzmann menurunkan hukum Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Karena itu persamaan (8-3) dikenal juga sebagai hukum Stefan-Boltzmann.

Hukum Pergeseran Wien

Gambar 8.4 menunjukkan kurva antara intensitas radiasi persatuan panjang gelombang yang dipancarkan oleh suatu benda hitam terhadap panjang gelombangnya (kurva I/ terhadap ) pada tiga suhu mutlak. Total intensitas radiasi yang dipancarkan sama dengan luas di bawah grafik. Menurut hukum Stefan-Boltzmann jika suhu meningkat dari 2 000 K ke 4 000 K (2 kali) maka total intensitas radiasi kalor (luas di bawah kurva ) haruslah meningkat 16 kali (dari 24 = 16) pada Gambar 8.4 tampak bahwa luas di bawah kurva untuk T = 4 000 K memang jauh lebih besar dari pada luas di bawah kurva untuk T = 2 000 K.

Hal kedua yang dapat dibaca dari Gambar 8.4 bahwa panjang gelombangyang membuat intensitas radiasi maksimum untuk suatu benda hitam, maks, bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek begitu benda hitam menjadi lebih panas. Hasil ini sesuai dengan pergeseran warna-warna spektrum begitu suhu naik (lihat kembali Gambar 8.2). Pada suhu kira-kira 600 K, intensitas radiasi maksimum dari pijar benda panas menghasilkan panjang gelombang warna merah tua, tetapi pada suhu 1 100 K (>600 K), panjang gelombang lebih pendek, yaitu panjang gelombang warna kuning. Tetapi hubungan sederhana kesebandingan terbalik maks T-1 tidaklah segera ditemukan.

Pada tahun 1893, Wilhelm Wien mengusulkan suatu bentuk umum untuk hukum distribusi benda hitam J(f,T) yang memberikan hubungan maks dan T yang sesuai dengan hasil eksperimen. Hubungan ini disebut sebagai pergeseran Wien dan ditulis sebagai

λ_maxT = C = 2,90 × 10⁻³ mK                         (8.5)

dengan maks adalah panjang gelombang (dalam m) yang berhubungan dengan intensitas adiasi maksimum benda hitam, T adalah suhu mutlak dari permukaan benda yang memancarkan radiasi, dan C = 2,90 × 10-3 mK adalah tetapan pergeseran Wien.\

Referensi 

http://marfuatunnurendah.blog.uns.ac.id/2010/12/29/radiasi-benda-hitam/