Indikator Pembelajaran
- Memahami konsep radiasi benda hitam
- Memahami hukum pergeseran Wein
- Memahami hukum Stefan-Boltzmann
- Menganalisis nilai intensitas radiasi yang dipancarkan suatu benda
- Menganalisis hubungan antara temperatur, intensitas cahaya dan panjang gelombang cahaya
- Menyimpulkan nilai konstanta Wein berdasarkan grafik intensitas dan panjang gelombang dengan temperatur yang berbeda
- Menganalisis gejala kuantum pada radiasi benda hitam dalam kehidupan sehari-hari
Pernahkah kalian melihat logam yang dipanaskan?
Warnanya berubah dari merah menjadi kuning hingga berwarna putih, hal ini dikarenakan logam tersebut menjadi panas dan semakin panas. Warna mana yang akan kalian lihat tergantung pada temperatur pemanasan logam tersebut. Mengapa hal ini bisa terjadi? Dengan mempelajari sub bab ini, kalian akan memahami sifat cahaya sebagai gelombang.
A. Pendahuluan
Gambar 1. perubahan warna pada pemanasan logam | Olympus Life Science
Pada contoh kasus di atas, Logam pertama kali dipanaskan pada temperatur sekitar 900 K (Gambar 1 a), di mana warna logam mulai bersinar merah pudar. Lalu temperatur ditingkatkan antara 1500 K sampai 2000 K, terlihat warna logam (Gambar 1 b) berubah menjadi merah kekuningan dan menjadi lebih cerah. Ketika temperatur ditingkatkan hingga 3000 K menghasilkan transisi warna kuning ke putih (Gambar 1 c), dan pada temperatur di atas 5000 K (Gambar 1 d), warna putih kebiruan muncul.
Lalu, apakah logam akan memancarkan cahaya ketika temperatur pemanasannya tidak cukup panas? Ya, logam akan tetap memancarkan cahaya pada temperatur di atas 273 Kelvin (titik beku air), tetapi sebagian besar pada inframerah. Itulah sebabnya kita tidak bisa melihatnya. Suatu benda tidak harus panas untuk memancarkan radiasi elektromagnetik. Benda-benda tersebut memancarkan secara kontinu.
Pertanyaannya selanjutnya, pada frekuensi apa benda akan memancarkan radiasi?
Gambar 2. sebuah simulasi yang menunjukkan radiasi benda hitam. Spektrum radiasi termal dan warna emisi yang terlihat (dengan intensitas dinormalisasi ke suhu maksimum)
Animasi di atas menunjukkan bagaimana hubungan antara warna hasil pemanasan sebuah logam dengan temperatur. Lalu bagaimana hubungan antara temperatur dengan panjang gelombang?
Dari animasi di atas, maka dapat kita analisa bahwa semakin panas suatu benda, maka semakin rendah panjang gelombang yang dimilikinya. Jadi, jika sebuah benda sangat panas, ia akan memancarkan radiasi dengan panjang gelombang rendah atau frekuensi tinggi. Hal ini yang membuat benda terlihat berwarna putih kebiruan.
Sebaliknya, jika temperaturnya rendah, maka akan memancar pada panjang gelombang yang tinggi. Sehingga benda akan terlihat kemerahan. Untuk berada dalam kesetimbangan termal dengan sekelilingnya, sebuah benda harus memancarkan jumlah energi yang sama dengan yang diserap. Sebuah benda yang dapat menyerap semua energi yang jatuh padanya dan tidak dipantulkan disebut benda hitam sempurna.
Gambar 3. konsep radiasi benda hitam
Dalam realita, benda hitam sempurna itu tidak ada. Tetapi para ilmuwan dapat menciptakan sarana dan langkah baru yang dapat digunakan untuk memperoleh sifat-sifat dari suatu benda hitam sempurna. Salah satu cara untuk memperoleh sifat-sifat benda hitam sempurna adalah dengan membuat benda berbangun kotak (atau bola, atau bangun yang lain) dari bahan logam yang tahan panas, dengan ruang hampa di dalamnya, dan kemudian memasukkannya ke dalam oven, untuk dipanaskan sampai pada temperatur yang diinginkan. Pada kotak itu dibuat satu lubang kecil, lewat mana cahaya dapat masuk ke dalam maupun memancar keluar. Cahaya datang yang masuk melalui lubang tersebut sepenuhnya memasuki ruangan dalam kotak, sehingga setara dengan cahaya yang jatuh pada suatu benda hitam yang diserap secara sempurna. Permukaan benda yang sangat hitam memiliki emisivitas 𝑒 mendekati 1, sebaliknya benda yang permukaannya mengkilap memiliki emisivitas mendekati 0.
Dari penjelasan mengenai radiasi benda hitam di atas, lalu bagaimanakah sifat radiasi benda hitam? Apakah itu mengikuti beberapa hukum atau aturan? Simaklah penjelasan berikut ini.
Gambar 4. Josef Stefan (kiri) dan Ludwig Boltzmann (kanan) | wikipedia
Berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann menyatakan bahwa intensitas radiasi dari suatu benda berbanding lurus dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Secara matematis, Stefan-Boltzmann merumuskan intensitas radiasi yang dipancarkan benda memenuhi persamaan:
dimana 𝐼 merupakan energi radiasi yang dipancarkan dengan satuan 𝐽/𝑚²𝑠, 𝑇 merupakan suhu mutlak benda, tetapan Stefan-Boltzmann 𝜎 sebesar 5,67×10−⁸ 𝑤𝑎𝑡𝑡/𝑚²𝐾⁴ dan 𝑒 merupakan emisivitas suatu benda.
Lalu pada akhir abad ke-19 seorang ilmuan fisika bernama Wien datang dengan sebuah hukum yang menggambarkan hubungan antara panjang gelombang radiasi dan temperatur sebagai berikut.
dengan λmaks adalah panjang gelombang radiasi maksimum (m) dan T merupakan suhu mutlak benda (Kelvin).
Wein berpendapat, panjang gelombang pada intensitas maksimum akan bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek (ke frekuensi yang lebih tinggi) apabila suhunya semakin meningkat. Contohnya seperti logam yang dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi, awalnya logam berwarna kemerahan, karena suhunya terus naik warna logam tersebut berubah menjadi kuning kemerahan dan akhrinya memijar.
Panjang gelombang cahaya merah lebih besar daripada panjang gelombang cahaya kuning, sama artinya dengan frekuensi gelombang cahaya merah lebih rendah daripada frekuensi gelombang cahaya kuning. Perubahan warna pada benda menunjukkan perubahan intensitas radiasi benda. Ketika temperatur benda berubah, maka intensitas benda akan ikut berubah atau terjadi pergeseran, pergeseran ini dapat digunakan untuk memperkirakan temperatur benda atau biasa disebut Pergeseran Wien. Selanjutnya, dua fisikawan bernama Rayleigh dan Jeans membangun formula untuk menjelaskan jumlah cahaya dalam frekuensi tertentu, yang kita kenal sekarang sebagai hukum Rayleigh-Jeans.
Gambar 5. Hukum Rayleigh-Jeans dan Hukum Planck | hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Melihat persamaan di atas, persamaan pertama adalah hukum Rayleigh-Jeans dengan h adalah konstanta Planck; c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa; k adalah konstanta Boltzmann; ν adalah frekuensi radiasi elektromagnetik; dan T adalah temperatur absolut benda. Di sini kita dapat melihat bahwa jika frekuensinya meningkat, pancaran akan meningkat banyak. Bahkan hingga tak terbatas. Tetapi, itu akan bertentangan dengan hukum kekekalan energi. Jadi, tidak ada yang dapat memancarkan energi yang tak terbatas. Masalah ini mulai terjadi ketika menuju frekuensi yang lebih tinggi seperti pada sinar ultraviolet, yang kemudian dikenal sebagai bencana ultraviolet.
Mengapa disebut bencana ultraviolet?
Dalam fisika, bencana ultraviolet yang disebut juga "bencana Rayleigh-Jeans", adalah peramalan klasik, yang dibuat pada akhir abad ke-19, ketika para ilmuwan tidak mampu menjelaskan fenomena radiasi benda hitam. Meskipun tidak ada benda yang benar-benar hitam sempurna di dunia ini, namun secara teori benda hitam akan menyerap semua cahaya yang datang tanpa memancarkan radiasi energi berupa panas seperti benda-benda lainnya. Namun faktanya benda hitam tetap memancarkan radiasi energi dengan tingkatan atau intensitas yang berbeda. Intensitas ini dapat diprediksi dengan mengetahui temperaturnya menggunakan Hukum Rayleigh-Jeans.
Menurut hukum tersebut, semakin pendek suatu gelombang, seperti sinar ultraviolet, maka intensitas radiasi energinya semakin tinggi menuju tak hingga. Sayangnya, hasil eksperimen menunjukkan bahwa semakin pendek gelombangnya, intensitas radiasinya justru menurun. Kegagalan Hukum Rayleigh-Jeans menjelaskan fenomena radiasi benda hitam ini dikenal sebagai Bencana Ultraviolet.
Untuk mengatasi masalah ini, seorang ahli fisika Jerman datang. Max Planck mengusulkan bahwa radiasi elektromagnetik yang dipancarkan suatu benda terbagi-bagi, atau diskret ke dalam paket-paket energi yang disebut Kuantum. Besarnya energi ini bergantung pada besarnya frekuensi gelombang elektromagnetik dengan persamaan sebagai berikut.
dengan 𝐸 adalah energi foton dengan satuan 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒, h merupakan konstanta Planck sebesar 6,63×10−³⁴ 𝐽𝑠, 𝑓 adalah frekuensi cahaya dan 𝑛 merupakan banyaknya foton. Berdasarkan persamaan energi radiasi, banyaknya foton mempengaruhi intensitas radiasi, semakin banyak jumlah foton maka intensitas radiasinya semakin besar.
Gambar 6. grafik perbandingan antara formula Plank dan Rayleigh-Jeans
Formula Plank menunjukan bahwa energi radiasi tidak kontinu, melainkan terdiri atas paket-paket energi yang diskrit disebut dengan kuanta. Hipotesisi kuantum Planck berhasil memadukan teori Wien dan Rayleigh-Jeans (Gambar 6).
B. Aplikasi Radiasi Benda Hitam Dalam Kehidupan Sehari-hari
Fisika SMA . Fisika Kuantum . Fisika Kelas 12 . Radiasi Benda Hitam . ekanurain . Eka Nuraini .
0 comments