BAB 2 RADIASI BENDA HITAM

A. ENERGI RADIASI

Teori kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Dalam Fisika, benda hitam (atau blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energi dari benda tersebut dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak. Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat dipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah, jingga, kuning hingga putih.

Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya.

Dalam percobaan Fisika sederhana, benda atau objek yang paling mirip radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Dengan mengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk, maka selama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang, cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga berulang kali serta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan kembali sebagai radiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga. Lubang pada rongga inilah yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam. Temperatur dari benda itu akan terus naik apabila laju penyerapan energinya lebih besar dari laju pancarannya, sehingga pada akhirnya benda hitam itu mencapai temperatur kesetimbangan. Keadaan ini dinamakam dengan setimbang termal (setimbang termodinamik).

Joseph Stefan dan Ludwig Boltzmann telah melakukan pengukuran laju energi kalor radiasi yang dipancarkan oleh permukaan suatu benda. Hasil yang diperoleh selanjutnya dikenal sebagai hukum Stefan – Boltzmann yang berbunyi

2

Hukum Stefan – Boltzmann

“energy yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda dalam bentuk radiasi kalor per satuan waktu sebanding dengan luas permukaan dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu.”

P = Qt = eσAT4

P = daya radiasi (W)

Q = energy kalor (J)

t = waktu (s)

σ = konstanta Stefan – Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2K4)

e = emisivitas benda

A = luas permukaan benda (m2)

T = suhu mutlak permukaan benda (K)

Emisivitas suatu benda menyatakan kemampuan benda untuk memancarkan radiasi kalor dibandingkan denga benda hitam sempurna.

Benda hitam sempurna memiliki emisivitas e = 1, yaitu benda yang dapat menyerap semua energy kalor yang datang dan dapat memancarkan energy kalor dengan sempurna. Jadi, nilai emisivitas e adalah antara 0 dan 1 (0 ≤ e ≤ 1)

B. HUKUM PERGESERAN WIEN

Dari data eksperimen terhadap radiasi benda hitam, diperoleh bahwa spektrum radiasi benda hitam berupa spektrum kontinu dengan tingkat kebersinaran (intensitas radiasi) dari masing-masing spektral tidak sama kuat. Pada suhu tertentu, intensitas cahaya yang diradiasikan akan terus bertambah hingga mencapai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Dan Pancaran radiasi benda hitam itu akan mengikuti suatu kurva berikut:

3

Kurva Radiasi Benda Hitam

λmaks 1

T1 = 4000 K

T2 = 3000 K

Intensitas (MW/m2) λmaks 2 T3 = 2000 K

λmaks 3

Dari kurva di atas, terbaca bahwa dengan naiknya temperatur benda hitam, puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah panjang gelombang yang semakin kecil (gambar a) atau puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah frekuensi yang semakin besar (gambar b).

Hubungan empiris sederhana antara panjang gelombang yang dipancarkan untuk intensitas maksimum (lm) dengan suhu mutlak (T) sebuah benda yang dikenal sebagai hukum pergeseran wien, yaitu :

dengan C = konstanta Wien (2,899 x 10-3 mK)

C. TEORI KLASIK dan TEORI PLANCK

Teori elektromagnetik klasik maupun mekanika statistik tidak dapat menjelaskan spektrum yang teramati pada radiasi benda hitam. Teori tersebut hanya dapat memprediksi intensitas yang

4

tinggi dari panjang gelombang rendah atau dikenal sebagai bencana ultraungu. Namun kemudian, Max Planck berhasil memecahkan masalah ini. Max Planck menjelaskan bahwa radiasi elektromagnetik hanya dapat merambat dalam bentuk paket-paket energi atau kuanta yang dinamakan foton. Gagasan Planck ini kemudian berkembang menjadi teori baru dalam fisika yang disebut Teori Kuantum. Dengan teori ini, kemudian Einstein berhasil menjelaskan peristiwa yang dikenal dengan nama efek foto listrik, yakni pemancaran elekton dari permukaan logam karena logam tersebut disinari cahaya. Perkembangan teoritis ini menjadi penyebab digantikannya teori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum.

Teori wien menyatakan hubungan antara intensitas radiasi dengan panjang gelombang menggunakan analogi antara radiasi dalam ruangan dan distribusi kelajuan molekul gas

I = 8a ( c2 λ )5 e-bc / λT

Teori Rayleigh – jeans menyatakan hubungan antara intensitas dan panjang gelombang radiasi dengan menggunakan penurunan dari teori klasik murni.

I = 32 π kb Tc 3 ( c

2 λ )4

Teori Planck

I = ( 2πh c2

λ5 ) 1

ehc / λ kbT−1

Max Planck menggunakan dasar toeritis untuk memperkuat rumus empirisnya dengan membuat asumsi berikut.

1. Energi radiasi yang dipancarkan oleh getaran molekul – molekul benda bersifat diskret, yang besarnya

En=nhf

5

Dengan n adalah bilangan kuantum (n = 1,2,3,….) dan f adalah frekuensi getaran molekul, sedangkan h adalah konstanta Planck yang besarnya 6,626 x 10-34 J s.

2. Molekul – molekul menyerap atau memancarkan energy radiasi dalam paket diskret yang disebut kuantum atau foton. Energi radiasi terkuantisasi, di mana besar energy satu foton sama dengan hf

6