Fenomena Radiasi "Benda Hitam" di Dalam Kehidupan

Panas (kalor) dari matahari sampai ke bumi melallui gelombang elektromagnetik.Perpindahan ini disebut radiasi, yang dapat berlangsung dalam ruang hampa. Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya disebut radiasi panas (thermal radiation). Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombangelektromagnetik. Bahkan sebuah kubus es pun memancarkan radiasi panas, sebagian kecil dariradiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun demikian kubus es ini tak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan kubus es, badan manusia pun memancarkan radiasi panas dalam daerah cahaya tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat dalam ruang gelap. Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umunya benda terlihat oleh kita karena benda itu memantulkan cahaya yang dating padanya, bukan karena ia memacarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah sepeti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi berpijar putihatau pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spectrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda (lihat gambar di bawah ini).

#23abfc

Teori kuantum dimulai dengan fenomena radiasi benda hitam. Apabila suatu benda dipanaskan maka akan tampak mengeluarkan radiasi (misalnya ditandai dengan terpancarnya cahaya yang berwarna warni). Dalam keadaan kesetimbangan maka cahaya yang dipancarkan akan tersebar dalam seluruh spektrum frekuensi f atau panjang gelombang λ, dan kita berusaha mendefinisikan daya yang terpancar sebagai energi emisi pada panjang gelombang λ per satuan luas per satuan waktu, E(λ,T). Ini adalah fingsi universal. Berbicara tentang radiasi benda hitam, berrti kita membahas tentang benda yang memiliki karakteristik penyerap sempurna terhadap radiasi yang mengenainya. Secara praktis kita dapat mengilustrasikan benda hitam sebagai sebuah kotak dengan lubang kecil sedemikian sehingga sembarang radiasi yang masuk ke dalam benda hitam melalui lubang kecil, akan terpantul pantul diantara dinding bagian dalam benda hitam dan tidak ada kemungkinan lolos keluar (karakteristik penyerap sempurna) lewat lubang tersebut seperti pada gambar berikut:

Kirchhoff (1859) menunjukkan dari hukum kedua termodinamika, bahwa radiasi di dalam rongga benda hitam bersifat isotropik yaitu fluks radiasi bebas dari arah/orientasi, kemudian juga bersifat homogeny yaitu fluks radiasi sama untuk disetiap titik, dan juga sama dalam semua rongga pada suhu yang sama, untuk setiap sepanjang gelombang.

Daya emisi (dengan alas an geometric sederhana) lalu dikaitkan dengan rapat energi u(λ,T) di dalam rongga adalah:

u(λ,T) [4E (λ,T)]/c

Selanjutnya pada tahun 1879, seorah ahli fisika dari Australia mengemukakan suatu hasil eksperimen bahwa emisivitas dari benda padat yang panas sebanding dengan temperatur absolut benda pangkat empat". Dengan demikian, total emisi adalah radiasi intensitas pada semua frekuensi. Persamaan total emisi ini dikenal sebagai persamaan Stefan-Boltzmann yang dapat dituliskan sebagai berikut:

E ∫Ef df τ T4

Dimana: E daya emisi benda hitam persatuan luas

Efdaya emisi benda hitam per satuan luas per satuan frekuensi/waktu

T temperatur absolut/mutlak benda (oK)

Τ konstanta Stefan-Boltzmann 5,67 x 10-8 w.m-2.K-4

Suatu benda yang bukan radiator ideal juga memenuhi persamaan di atas, tetapi mempunyai koefisien absorbsi "e" yang nilainya kurang dari 1, sehingga dituliskan :

E e τ T4

Dimana, e emisivitas (0 ≤ e ≤ 1)

Selain Kirchhoff dan Stefan-Boltzmann, ada juga persamaan Wien dan Rayleigh mengenai radiasi benda hitam. Menemukan benda hitam sempurna di alam itu sulit. Namun ada contohnya, yaitu Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik (CMB). Spektrum Planck terukur di setiap posisi di peta ini. Ada sedikit ingsutan dalam suhu pada posisi berbeda menghasilkan sedikit perbedaan kurva Planck dalam posisi berbeda. Kurva Planck rata-rata global diberikan dalam gambar berikut dan sesuai dengan suhu 2.73 Kelvin. Saat kita melihat ke kedalaman ruang angkasa, yang kita lihat adalah cahaya bintang dari galaksi kita sendiri, galaksi yang dekat dengan kita, hingga kluster galaksi yang jauh. Radiasi benda hitam adalah yang paling relevan dengan apresiasi visual kita pada keindahan langit.