Radiasi Benda Hitam

Pada pembelajarn fisika di kelas XII ada sebuah BAB yang mempelajari tentang Radiasi Benda Hitam, semoga posting kali ini dapat memberi penjelasan kepada teman-teman pelajar sekalian yang kurang paham.
Jika kita memperhatikan besi saat disambung (dilas). Bagian besi yang akan disambung harus dipanaskan terlebih dahulu. Saat dipanaskan, besi tampak kemerahan. Kemudian jika terus dipanaskan akan tampak warna cahaya yang dipancarkan oleh besi menjadi kebiruan. Mengapa demikian? besi yang dipanaskan memancarkan energi atau gelombang elektromagnetik yang dapat berupa cahaya tampak. Pancaran energi suatu benda karena pengaruh suhunya disebut radiasi termal. Radiasi termal selalu ada pada setiap benda, akan tetapi tidak semua radiasi termal tersebut dapat dilihat oleh mata.

Benda Hitam
Benda ada yang mudah menyerap radiasi, ada pula yang mudah memancarkan radiasi dan sebaliknya. Benda yang dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya dan memancarkan seluruh radiasi yang dikeluarkannya disebut sebagai benda hitam. Benda hitam dimodelkan sebagai suatu rongga dengan celah bukaan yang sangat kecil. Jika ada radiasi yang masuk ke dalam rongga melalui lubang, radiasi tersebut akan dipantulkan berulang-ulang oleh dinding dalam rongga sehingga terserap habis energinya.
Tidak ada radiasi yang terpantul memancarkan keluar lubang karena lubang sangat kecil kecil. Jadi, rongga berlubang kecil ini berkelakuan sebagai benda hitam karena dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya. Demikian pula jika rongga ini memancarkan radiasi, tak ada radiasi yang kembali ke rongga. Dengan demikian, rongga juga akan memancarkan seluruh energi yang dikeluarkannya.Dalam fisika, benda hitam (bahasa Inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.Meskipun namanya benda hitam, dia tidaklah harus benar-benar hitam karena dia juga memancarkan energi. Jumlah dan jenis radiasi yang dipancarkannya bergantung pada suhu benda hitam tersebut. Benda hitam dengan suhu di bawah sekitar 700 Kelvin hampir semua energinya dipancarkan dalam bentuk gelombang inframerah, sangat sedikit dalam panjang gelombang tampak. Semakin tinggi temperatur, semakin banyak energi yang dipancarkan dalam panjang gelombang tampak dimulai dari merah, jingga, kuning dan putih.Istilah "benda hitam" pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam.Permukaan benda hitam merupakan permukaan yang memiliki sifat sebagai pemancar atau penyerap radiasi yang sangat baik. Jika suhu permukaannya tinggi dibandingkan lingkungan sekitarnya, akan bersifat memancarkan radiasi. Akan tetapi, jika suhunya rendah, akan bersifat sebagai penyerap radiasi.

Benda hitam merupakan suatu sistem yang dapat menyerap semua radiasi kalor yang mengenai benda tersebut. Tetapi sebenarnya didalam kehidupan ini tidak ada benda hitam sempurna, sepeti definisi diatas. Namun, benda hitam dapat diasumsikan sebagai lubang kecil yang terdapat pada benda yang berongga.

a. Hukum Stefan-Boltzmann Intensitas Radiasi Benda HitamEnergi radiasi setiap detik per satuan luas disebut sebagai intensitas radiasi yang diberi lambang I. Kemampuan sebuah benda untuk menyerap radiasi kalor berkaitan dengan kemampuannya untuk memancarkan radiasi. Benda hitam merupakan penyerap dan pemancar radiasi terbaik. Energi persatuan luas dan persatuan waktu atau intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh benda hitam dari seluruh spektrum energi yang dipancarkan dapat dinyatakan dengan hukum Stefan-Boltzmann, yang dituliskan sebagai berikut.I = e  T4………………………………………………………………...........………………. (1)dengan e adalah koefisien emisivitas yang memiliki nilai antara 0 dan 1. Untuk benda hitam sempurna, e = 1. Adapun  adalah tetapan Stefan-Boltzmann besarnya 5,67 x 10-8 Wm-2K-4 dan T adalah suhu mutlak benda dalam satuan kelvin (K). Dari persamaan (1) dapat ditentukan satuan intensitas radiasi (I) adalah watt meter-2(Wm-2).Nilai emisivitas (e) berbeda-beda untuk tiap jenis dan keadaan permukaan bahan. Dengan demikian, intensitas radiasi termal bahan yang berbeda pada temperatur yang sama akan berbeda pula. Sebagai contoh, misalnya intensitas radiasi pada tempetatur 2000 K untuk permukaan datar halus bahan Tungsten adalah 23,5 W/cm2. Sedangkan untuk Molibdenum, intensitas radiasinya 19,2 W/cm2. Intensitas radiasi ini makin besar jika keadaan permukaan semakin kasar.

Energi Radiasi Benda HitamJika luas seluruh permukaan benda diketahui, energi per satuan waktu atau daya yang dipancarkan oleh benda tersebut dapat dihitung dengan persamaan berikut.P = I A = e  T4 A……………………………………......……………(2)A adalah luas permukaan benda dengan satuan m2. Dari persamaan (2) dapat ditentukan bahwa daya P yang dipancarkan memiliki satuan watt (W).Jadi, energi total yang dihasilkan oleh permukaan benda hitam dalam selang waktu t sekon menjadiW = P t = e  T4 A t…………………………………….......…………(3)Energi total W yang dipancarkan benda memiliki satuan watt sekon atau joule.Jika diketahui suhu benda T dan suhu lingkungan T0, benda akan memancarkan radiasi kalor. Sebaliknya besarnya radiasi kalor yang dipancarkan atau yang diserap oleh benda terhadap lingkungannya lingkungannya akan memenuhi persamaan berikut:I = e  (T4-T04)…………………………………......………………….(4)Jika suhu benda T lebih besar daripada suhu lingkungan T0,benda akan memancarkan radiasi kalor. Sebaliknya, jika suhu benda T lebih kecil daripada suhu lingkungan T0, benda akan menyerap radiasi kalor.b. Pergeseran WienDengan meninjau kembali sebuah lubang pada kotak berongga yang diasumsikan sebagai benda hitam. Jika kotak dipanaskan, atom-atom pada dinding kotak akan menyerap energi panas dan bergetar. Atom-atom yang bergetar ini akan berlaku sebagai osilator harmonik yang menimbulkan gelombang elektromagnetik. Setiap gelombang yang ditimbulkan oleh osilator akan dipantulkan bolak-balik oleh dinding kotak dan membentuk gelombang berdiri. Kejadian ini hampir sama dengan proses terbentuknya gelombang berdiri pada tali yang digetarkan.Suatu gelombang elektromagnetik terdiri atas spektrum gelombang-gelombang dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Para fisikawan meneliti intensitas radiasi untuk panjang gelombang tertentu. Alat yang digunakan dalam percobaan tersebut didasarkan pada prinsip penguraian cahaya (dispersi) oleh prisma menjadi spektrumnya.

Ketika temperatur berkurang, puncak dari kurva radiasi benda hitam bergerak ke intensitas yang lebih rendah danpanjang gelombang yang lebih panjang. Grafik radiasi benda hitam ini dibandingkan dengan model klasik dari Rayleigh dan Jeans.

Radiasi yang dipancarkan benda hitam dilewatkan melalui celah agar diperoleh berkas gelombang yang sempit. Gelombang tersebut kemudian terdispersi menurut panjang gelombang masing-masing. Untuk mengukur intensitas dan panjang gelombang setiap spektrum, digunakan detektor yang dapat digeser menurut sudut deviasi berkas gelombang terdispersi. Percobaan tersebut dilakukan berulang pada suhu benda hitam yang berbeda.Dari percobaan yang dilakukan pada beberapa suhu yang berbeda tersebut maka didapat bahwa intensitas radiasi yang dipancarkan benda hitam pada suhu tertentu ditunjukkan oleh grafik yang selalu berbentuk garis lengkung. Intensitas radiasi maksimun terjadi pada panjang gelombang tertentu. Dan luas daerah yang dibatasi oleh garis lengkung dan sumbu panjang gelombang menunjukkan intensitas radiasi total I.
Dari grafik hasil percobaan menunjukkan bahwa jika suhu dinaikkan, intensitas radiasi akan meningkat dan dalam setiap nilai suhu ada panjang gelombang yang memiliki nilai maksimum, yakni maks. Terlihat pula pada grafik bahwa jika suhu berubah, maks akan mengalami pergeseran. Semakin tinggi suhu, intensitas maks semakin bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Gejala pergeseran intensitas cahaya maks pada radiasi benda hitam disebut Pergeseran Wien. Wien juga menemukan bahwa hasil kali antara intensitas pada maks dan suhu mutlak merupakan suatu bilangan konstan.maks T = konstan……………………………....………………(5)Bilangan konstan pada pada perumusan Hukum Pergeseran Wien disebut Konstanta Wien dengan nilainya yaitu 2,898 ×〖10〗^(-3)c. Perumusan Rayleigh dan JeansKurva yang didapatkan dari percobaan sebelumnya merupakan hasil yang empiris, yakni diperoleh dan disimpulkan sebagai hasil pengamatan atau percobaan. Pada masa itu para ilmuwan mencoba mencari penjelasan atas kenyataan empiris tersebut. Pada masa tersebut pula dua ilmuwan, yakni Lord Rayleigh (1842-1919) dan Sir James Hopward Jeans (1877-1946) mencoba menggunakan teori kinetik gas dalam fisika klasik untuk mengolah hasil empiris tersebut.Menurut fisika klasik mengenai ekuipartisi energi, energi rata-rata setiap derajat kebebasan pada suhu T adalah ½ kT. Maka energi total untuk setiap getaran gelombang menjadi kT, dengan k adalah tetapan Stefan-Boltzmann.Meskipun mustahil untuk dapat menghitung besarnya kecepatan setiap partikel gas dalam suatu ruang, teori maxwell dapat mengaitkan kecepatan setiap partikel tersebut terhadap banyaknya partikel di dalam suatu kotak dan dijabarkan melalui kurva distribusi Maxwell. Disini Rayleigh-Jeans melihat bahwa kurva yang dijabarkan oleh maxwell serupa dengan hasil yang diperoleh pada intensitas spektrum radiasi kalor Karena sebaran energi kinetik diwakili oleh sebaran kecepatan karena energi kinetik dapat dinyatakan dalam kecepatan. Oleh karena itu mereka beranggapan bahwa ada kemiripan antara sifat panas benda dan radiasi kalor.Berdasarkan prinsip ekuipartisi energi, persaman matematis yang didapatkan oleh Rayleigh dan Jeans menunjukkan bahwa untuk  yang membesar, intensitas akan semakin kecil dan jika  mendekati tak hingga maka intensitas akan mendekati nol. Hal ini sesuai dengan hasil empiris untuk  yang besar. Akan tetapi hasil matematis yang didapatkan mereka untuk  yang mengecil, intensitas akan membesar. Bahkan intensitas akan menuju tak hingga jika  mendekati nol. Hal ini sangat menyimpang dari hasil empiris yang menunjukkan bahwa intensitas akan mendekati nol jika  mengecil. Penyimpangan persamaan Rayleigh-Jeans yang sangat jauh ini selanjutnya diberi istilah katastropi ultraviolet karena  yang kecil berada dalam wilayah panjang gelombang ultraviolet. Hal tersebut disebabkan mereka beranggapan bahwa energi yang dimiliki oleh setiap spektrum gelombang bersifat kotinu. Artinya, energi gelombang dapat memiliki sembarang nilai dalam batas yang ditentukan. Sehingga didapatkan nilai energi yang mungkin dengan jumlah yang tak terhingga. Dan anggapan tersebut menghasilkan suatu fungsi yang mengakibatkan ketidaksesuaian dengan hasil eksperimen pada panjang gelombang pendek.

d. Teori Max PlanckKegagalan teori Rayleigh-Jeans mendorong seorang fisikawan jerman Max Planck (1858-1947) untuk mencoba melakukan pendekatan lain.Planck menyadari pentingnya untuk memasukkan konsep energi maksimum dalam perhitungan teoritis radiasi benda hitam. Menurut Planck, energi yang diserap atau yang dipancarkan oleh getaran-getaran yang timbul di dalam rongga benda hitam merupakan paket-paket atau kuanta. Besarnya energi setiap paket merupakan kelipatan bilangan asli dari hf dengan h adalah tetapan Planck yang besarnya 6,63 x 10¬¬¬-34 Js dan f adalah frekuensi paket energi. Secara matematis, perumusan Planck dapat dituliskan menjadiE = nhf.........................................................................................(6)dengan n adalah kelipatan bilangan asli.

Planck membuat aturan bahwa energi setiap modus getar tidak boleh lebih dari energi rata-rata yang dimiliki radiasi (kT). Akan tetapi, karena energi yang mungkin dimilki oleh modus getar nhf, berarti semakin tinggi frekuensi, semakin kecil kemungkinan untuk tidak melebihi kT.

Hubungan kuantum Planck menunjukkan bahwa ekuipartisi energi dan setiap jenis getaran memiliki energi total yang berbeda-beda. Menurut Planck, teori klasik gagal menjelaskan radiasi benda hitam pada panjang gelombang pendek karena pada daerah itu kuanta energinya sangat besar sehingga hanya sedikit jenis getaran yang tereksitasi. Berkurangnya jenis getaran yang tereksitasi mengakibatkan getaran tertekan dan radiasi akan menurun menuju nol pada frekuensi yang tinggi. Oleh karena itu rumus Planck dapat terhindar dari catastropi ultraviolet.

Persamaan yang menujukkan besarnya energi per satuan luas yang dipancarkan oleh suatu benda hitam yang terdistribusi diantara berbagai panjangnya telah diturunkan oleh Max Planck pada 1900 dengan menggunakan teori kuantum, yaitu sebagai berikut,E=(2πc^2 h)/λ^2 [1/(e^(hc/λkT)-1)] ................................................................(7)Pada persamaan tersebut, c adalah kecepatan rambat cahaya,  adalah panjang gelombang cahaya dan T adalah suhu mutlak permukaan benda hitam. Konstanta k dan h dihitung berdasarkan data eksperimen, yakni kk = 1,38 x 10-23 JK-1¬ (disebut konstanta Boltzmann) h = 6,63 x 10-34 Js (disebut konstanta Planck)Hubungan antara panjang gelombang energi maksimum (maks) dan suhu mutlak (T) suatu benda hitam telah diturunkan oleh Wien yang disebut sebagai hukum pergeseran wien, yakni maks T = 2,898 x 10-3¬¬ mK.Menurut Planck, atom-atom pada dinding rongga benda hitam memiliki sifat seperti osilator harmonik. Energi yang dimiliki oleh osilator-osilator harmonik tersebut hanya pada nilai-nilai f tertentu. Nilai-nilai tersebut merupakan kelipatan bilangan asli dari hf, yakni hf, 2hf, 3hf, dan seterusnya. Osilator harmonik tersebut tidak boleh memiliki energi selain harga-harga tersebut. Oleh Planck energi osilator itu dikatakan terkuantisasi.3. Aplikasi Radiasi Benda HitamGejala Pemanasan GlobalEfek Rumah KacaSalah satu penyebab dari pemanasan global adalah peningkatan gas rumah kaca (greenhouse effect). Efek rumah kaca telah meningkatkan suhu bumi rata-rata 1 hingga 5 derajat Celcius.Analogi sederhana untuk menggambarkan efek rumah kaca adalah ketika kita memarkir mobil di tempat parkir terbuka pada siang hari. Ketika kita kembali ke mobil di sore hari, biasanya suhu di dalam mobil lebih panas di bandingkan suhu di luar. Karena sebagian energi panas dari matahari telah di serap oleh kursi, dashboard dan karpet mobil. Ketika benda-benda tersebut melepaskan energi panas tersebut, tidak semuanya dapat keluar melalui jendela tetapi sebagian di pantulkan kembali.Penyebabnya adalah perbedaan panjang gelombang sinar matahari yang memasuki mobil dan energi panas yang dilepaskan kembali oleh kursi.Sehingga jumlah energi yang masuk lebih banyak dibandingkan energi yang dapat keluar. Akibatnya kenaikan bertahap pada suhu di dalam mobil.Seandainya tidak ada atmosfer, energi sinar matahari yang sampai ke bumi akan mampu memanaskan bumi hingga mencapai suhu 800C di daerah khatulistiwa. Untungnya, lapisan atmosfer bumi mampu memantulkan sekitar 34% energi matahari yang menuju ke bumi sehingga kembali ke angkasa luar. Sekitar 19% diserap oleh awan dan debu-debu yang terdapat pada lapisan atmosfer dan sekitar 47% energinya mencapai permukaan bumi. Bumi tidak mendapatkan pemanasan secara merata. Di dekat khatulistiwa, bumi menyerap radiasi kalor yang lebih besar dibandingkan di dekat daerah kutub. Berkat pola aliran energi kalor yang diserap. Bumi tidak menjadi terlampau panas.

Dari 47% energi radiasi matahari yang diserap permukaan bumi, sekitar 23% digunakan untuk menguapkan air yang terdapat dipermukaan bumi. Sekitar 10% kembali dialirkan keangkasa dalam bentuk konduksi dan konveksi serta sekitar 14% dipancarkan dalam bentuk gelombang elektromgnetik ke angkasa.Sinar matahari yang memasuki permukaan bumi memiliki berbagai macam panjang gelombang. Sinar tampak berada pada panjang gelombang antara 400-700 nm, sinar inframerah pada panjang gelombang diatas 700 nm dan sinar ultraviolet pada panjang gelombang dibawah 400 nm.

Sinar matahari dengan panjang gelombang pendek, seperti sinar ultraviolet dan sinar tampak, dengan mudah dapat menembus lapisan atmosfer bumi. Ketika energi matahari ini memanaskan bumi, sebagian besar energi dipancarkan kembali oleh bumi ke angkasa sebagai gelombang panjang. Energi yang diserap dipantulkan kembali dalam bentuk radiasi infra merah oleh awan dan permukaan bumi. Namun sebagian besar infra merah yang dipancarkan bumi tertahan oleh awan dan gas CO2 dan gas lainnya, untuk dikembalikan ke permukaan bumi. Sebenarnya dalam keadaan normal, efek rumah kaca diperlukan, untuk mempertahankan panas di bumi. Tanpa adanya efek rumah kaca sama sekali, mungkin kondisi Bumi akan seperti Mars, dimana kondisi di sana sangat dingin dan tidak memungkinkan adanya kehidupan.

Akibat dari ulah manusia menyebabkan naiknya konsentrasi gas karbondioksida (CO2) dan gas-gas lainnya di atmosfer. Kenaikan konsentrasi gas CO2 ini disebabkan oleh kenaikan pembakaran bahan bakar minyak (BBM), batu bara dan bahan bakar organik lainnya yang melampaui kemampuan tumbuhan-tumbuhan dan laut untuk mengabsorbsinya. 

Mengukur Suhu MatahariPada temperatur yang cukup tinggi, secara alamiah di dalam bintang-bintang akan terjadi reaksi fusi, yakni inti-inti ringan akan bergabung membentuk inti yang lebih berat. Melalui serangkaian tahapan reaksi fusi, inti-inti atom hidrogen bergabung membentuk inti helium. Proses penggabungan itu digunakan untuk membangkitkan energi di dalam bintang-bintang tersebut.

Energi yang dihasilkan oleh matahari atau bintang tersebut terdiri atas berbagai bentuk radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat diketahui melalui frekuensi atau panjang gelombangnya. Semua gelombang elektromagnetik yang dpancarkan akan merambat dalam ruang angkasa dengan kecepatan sama, yakni dengan kecepatan spektrum cahaya Dengan meneliti spektrum sebuah bintang, seorang astronom akan dapat mengetahui suhu bintang. Tidak mendekat ke matahari atau bintang dengan berpedoman pada spektrum radiasi benda hitam. Pada siang hari, kita akan merasa lebih nyaman memakai baju berwarna putih daripada baju berwarna hitam. Namun, pada malam hari yang dingin kita akan merasa lebih hangat apabila mengenakan baju berwarna hitam daripada baju berwarna putih. Hal itu menunjukkan bahwa permukaan yang gelap merupakan penyerap dan pemancar kalor yang baik dan permukaan yang berwarna putih atau mengkilap merupakan penyerap dan pemancar kalor yang buruk.

Prinsip kerja termos sebagai berikut:Lapisan perak mengkilap mencegah perpindahan kalor secara radiasi. Lapisan tersebut memantulkan radiasi kembali ke dalam termos.Dinding gelas, sebagai konduktor jelek, tidak dapat memindahkan kalorRuang vakum antara dua dinding mencegah perpindahan kalor, baik secara konveksi maupun konduksi.Sumbat dibuat dari bahan isolator. Hal ini dilakukan dengan maksud untuk mencegah agar konveksi dengan udara luar terjadi.Pada cuaca panas, kulit kita berkeringat. Keringat ini menguap dan kalornya diambil dari tubuh kita sendiri sehingga tubuh kita menjadi lebih dingin. Tidak seperti manusia, anjing tidak memiliki kulit yang berkeringat. Ketika cuaca panas, anjing menjulurkan lidahnya agar terjadi penguapan pada air ludahnya, dan tubuh anjing menjadi lebih dinginMengapa air yang dingin dalam kendi (dibuat dari tanah liat) lebih dingin daripada air yang disimpan dalam sebuah bejana plastik? Pada dinding kendi terdapat pori-pori (celah-celah) yang kecil. Kalor yang diperlukan untuk penguapan air itu diambil dari kendi dan air didalamnya. Ini menyebabkan air dalam kendi lebih dingin atau karena tidak dapat meradiasikan kalor keluar kendi.

Panel suryaPanel surya adalah suatu perangkat yang digunakan untuk menyerap radiasi dari matahari. Panel surya terdiri dari wadah logam berongga yang di cat hitam dengan panel depan terbuat dari kaca. Kalor radiasi dari matahari diserap oleh permukaan hitam dan dihantarkan secara konduksi melalui logam. Bagian dalam panel dijaga tetap hangat oleh efek rumah kaca, kemudian sirkulasi air melalui wadah logam akan membawa kalor menjauh untuk dimanfaatkan pada sistem pamanas air domestik dan untuk memanasi kolam renang.
Semoga dapat bermanfaat bagi teman-teman semua..