Makalah Radiasi Benda Hitam

A.      Pendahuluan

                                I.            Latar Belakang

Dalam fisika, benda hitam (black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau di pantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam  haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energy yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.

Meskipun namanya benda hitam, dia tidaklah harus benar-benarhitam karena dia juga memancarkan energi.

Jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik 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.

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 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.

               

                              II.            Dasar Teori

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).

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.

                            III.            Tujuan

Mengetahui apa itu radiasi benda hitam

Mengetahui mekanisme terjadinya radiasi oleh benda hitam

Mengetahui faktor penyebab radiasi benda hitam

Mengetahui dampak radiasi benda hitam

Mengetahui aplikasi radiasi benda hitam untuk kehidupan

B.      ISI

                            IV.            Konsep

Dalam fisika, benda hitam (bahasa Inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar ataudipantulkannya. 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 elektromagnetik 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.

                              V.            Hukum-Hukum

1)      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 s T4………………………………………………………………...........………………. (1)dengan e adalah koefisien emisivitas yang memiliki nilai antara 0 dan 1. Untuk benda hitam sempurna, e = 1. Adapun s 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 s 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 menjadi

W = P t = e s 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 s (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.

2)      Pergeseran Wien Dengan 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 lmaks. Terlihat pula pada grafik bahwa jika suhu berubah, lmaks akan mengalami pergeseran. Semakin tinggi suhu, intensitas lmaks semakin bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Gejala pergeseran intensitas cahaya lmaks pada radiasi benda hitam disebut Pergeseran Wien. Wien juga menemukan bahwa hasil kali antara intensitas pada lmaks dan suhu mutlak merupakan suatu bilangan konstan.

lmaks T = konstan……………………………....………………(5)Bilangan konstan pada pada perumusan Hukum Pergeseran Wien disebut Konstanta Wien dengan nilainya yaitu 2,898 ×〖10〗^(-3)

3)      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 l yang membesar, intensitas akan semakin kecil dan jika l mendekati tak hingga maka intensitas akan mendekati nol. Hal ini sesuai dengan hasil empiris untuk l yang besar. Akan tetapi hasil matematis yang didapatkan mereka untuk l yang mengecil, intensitas akan membesar. Bahkan intensitas akan menuju tak hingga jika l mendekati nol. Hal ini sangat menyimpang dari hasil empiris yang menunjukkan bahwa intensitas akan mendekati nol jika l mengecil.

Penyimpangan persamaan Rayleigh-Jeans yang sangat jauh ini selanjutnya diberi istilah katastropi ultraviolet karena l 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.

4)      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 menjadi

E = 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, l 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 (lmaks) dan suhu mutlak (T) suatu benda hitam telah diturunkan oleh Wien yang disebut sebagai hukum pergeseran wien, yakni lmaks 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.

                            VI.            Aplikasi

                                             i.            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.

                               

                                           ii.            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.

                               

                                          iii.            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.

C.      Penutup

                          VII.            Latihan Soal