Radiasi Termal Benda Hitam

RADIASI TERMAL BENDA HITAM

Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh permukaan sebuah benda semata-mata berdasarkan temperaturnya. Sedangkan Radiasi elektromagnetik adalah kombinasi medan listrik dan medan magnet yang berosilasi dan merambat lewat ruang dan membawa energi dari satu tempat ke tempat yang lain. Untuk Benda hitam adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya.

Frekuensigelombang yang dipancarkan radiasi termal mengikuti sebuah distribusi probabilitas yang bergantung hanya pada temperatur. Untuk sebuah benda hitam sempurna distribusi ini dinyatakan oleh hukum radiasi Planck. Hukum Wienmenyatakan frekuensi paling mungkin dari radiasi yang dipancarkan, dan hukum Stefan-Boltzmann menyatakan intensitas panasnya.

Hukum Radiasi Planck

Pada tahun 1900, fisikawan berkebangsaan Jernam Max Planck (1858-1947), memutuskan untuk mempelajari radiasi benda hitam. Beliau berusaha untuk mendapatkan persamaan matematika yang menyangkut bentuk dan posisi kurva pada grafik distribusi spektrum. Planck menganggap bahwa permukaan benda hitam memancarkan radiasi secara terus-menerus, sesuai dengan hukum-hukum fisika yang diakui pada saat itu. Hukum-hukum itu diturunkan dari hukum dasar mekanika yang dikembangkan oleh Sir Isaac Newton. Namun dengan asumsi tersebut ternyata Planck gagal untuk mendapatkan persamaan matematika yang dicarinya. Kegagalan ini telah mendorong Planck untuk berpendapat bahwa hukum mekanika yang berkenaan dengan kerja suatu atom sedikit banyak berbeda dengan hukum Newton.

Max Planck mulai dengan asumsi baru, bahwa permukaan benda hitam tidak menyerap atau memancarkan energi secara kontinyu, melainkan berjalan sedikit demi sedikit dan bertahap-tahap. Menurut Planck, benda hitam menyerap energi dalam berkas-berkas kecil dan memancarkan energi yang diserapnya dalam berkas-berkan kecil pula. Berkas-berkas kecil itu selanjutnya disebut kuantum.

Dengan hipotesa yang revolusioner ini, Planck berhasil menemukan suatu persamaan matematika untuk radiasi benda hitam yang benar-benar sesuai dengan data percobaan yang diperolehnya. Persamaan tersebut selanjutnya disebut Hukum Radiasi Benda Hitam Planck yang menyatakan bahwa intensitas cahaya yang dipancarkan dari suatu benda hitam berbeda-beda sesuai dengan panjang gelombang cahaya. Planck mendapatkan suatu persamaan : E = hn, yang menyatakan bahwa energi suatu kuantum (E) adalah setara dengan nilai tetapan tertentu yang dikenal sebagai tetapan Planck (h), dikalikan dengan frekwensi (n) kuantum radiasi.

Hipotesa Planck yang bertentangan dengan teori klasik tentang gelombang elektromagnetik ini merupakan titik awal dari lahirnya teori kuantum yang menandai terjadinya revolusi dalam bidang fisika. Terobosan Planck merupakan tindakan yang sangat berani karena bertentangan dengan hukum fisika yang telah mapan dan sangat dihormati. Dengan teori ini ilmu fisika mampu menyuguhkan pengertian yang mendalam tentang alam benda dan materi. Planck menerbitkan karyanya pada majalah yang sangat terkenal. Namun untuk beberapa saat, karya Planck ini tidak mendapatkan perhatian dari masyarakat ilmiah saat itu. Pada mulanya, Planck sendiri dan fisikawan lainnya menganggap bahwa hipotesa tersebut tidak lain dari fiksi matematika yang cocok. Namun setelah berjalan beberapa tahun, anggapan tersebut berubah hingga hipotesa Planck tentang kuantum dapat digunakan untuk menerangkan berbagai fenomena fisika.

Pendekatan Wien

Pendekatan Wien (juga kadang-kadang disebut hukum Wien atau hukum distribusi Wien) adalah hukum fisika yang digunakan untuk menjelaskan spektrum radiasi termal (sering disebut fungsi hitam). Hukum ini pertama kali diturunkan oleh Wilhelm Wien pada tahun 1896.Persamaan ini dapat mendeskripsikan panjang gelombang pendek (frekuensi tinggi) spektrum emisi termal dari objek dengan akurat, tapi gagal untuk menyesuaikan dengan data eksperimental untuk emisi panjang gelombang panjang (rendah frekuensi) secara akurat.

Hukum dapat ditulis sebagai:

dimana

·         adalah jumlah energi per unit permukaan, per unit waktu, per unit sudut padat, per unit frekuensi, yang dipancarkan pada frekuensi ν.

·         adalah temperatur tubuh hitam.

·         adalah konstanta Planck.

·         adalah kecepatan cahaya.

·         adalah konstanta Boltzmann.

Persamaan ini dapat ditulis sebagai:

dimana adalah jumlah energi per unit permukaan, per unit waktu, per unit sudut padat, per unit panjang gelombang, yang dipancarkan pada panjang gelombang λ.

ü  Hukum Stefan-Boltzman

Energi yang di pancarkan oleh suatu benda hitam dalam bentuki radiasi kalor tiap satuan waktu (  ) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T⁴).

Tho =  . A. T⁴

Karena tidak semua benda dapat di anggap sebagai bena hitam, maka perlu suatu ukuran yang dapat di gunakan sebagai pembanding terhadap benda hitam yang di sebut emisivitas(e). Maka persamaan di atas menjadi daya pancar (P):

P =  =  . A. T⁴

Besar nya e berkisar antara o dan 1 . untuk benda hitam e=1.