Fisika Modern - Radiasi Benda Hitam

RADIASI BENDA HITAM, HUKUM STEFAN-BOLTZMANN, DAN BENCANA UV

Benda yang menyerap seluruh radiasi yang mengenainya dikenal sebagai benda hitam (black body). Benda hitam biasanya dianalogikan sebagai sebuah rongga hitam yang memiliki lubang yang sangat kecil. Ketika sebuah cahaya memasuki lubang tersebut, maka berkas - berkas cahaya akan dipantulkan secara terus menerus dan tidak memiliki kesempatan untuk keluar melalui lubang tersebut, karena selama pemantulan energi cahaya akan diserap oleh dinding pada rongga tersebut. Istilah benda hitam sendiri diperkenalkan pada tahun 1862 oleh Gustav Kirchoff. Benda hitam akan memancarkan energi dalam bentuk radiasi yang disebut sebagai radiasi benda hitam. Dalam kehidupan sehari - hari jika sebuah benda dipanaskan secara terus menerus dengan temperatur yang tinggi, maka benda akan memancarkan gelombang cahaya tampak (berpijar), yang diterjemahkan oleh mata kita dalam bentuk warna, dari warna merah dan seterusnya.

Gambar 1. Skema pemantulan berkas cahaya pada benda hitam

Setiap kenaikan suhu pada benda yang dipanaska akan mengeluarkan atau memancarakan radiasi yang beragam yang dapat dikualifikasikan berdasarkan panjang gelombangnya masing - masing. Nah, hal tersebut dapat kita gambarkan dalam sebuah kurva yang dikenal sebagai kurva spektrum radiasi benda hitam.

Gambar 2. Kurva spektrum radiasi benda hitam

Stefan- Boltzmann pada 1879 melakukan sebuah eksperimen untuk mengetahui karakteristik universal dari sebuah radiasi benda hitam. Hingga dia menemukan hubungan jumlah energi yang dipanacarkan suatu benda hitam sebanding dengan pangkat empat temperaturnya. Hal tersebut dikenal sebagai Hukum Stefan - Boltzmann yang dapat dituliskan sebagai :

𝐸 = 𝑒𝜎𝑇^4.

dimana, 𝜎 merupakan tetapan Stefan - Boltzmann yang memiliki nilai 5,67 x 10^-8 W/m^2K^4. Dengan formulat tersebut terlohat bahwa daya yang dipancarkan persatuan luas hanya bergantung pada suhu dan ditentukan oleh sifat lain dari benda.

Wien melakukan penelitian lebih lanjut terhadap spektrum radiasi benda hitam. Menurutnya, ketika benda hitam dipanaskan secara terus-menerus, akan menghasilkan radiasi panas yang memiliki puncak spektrum dengan warna-warna tertentu. Warna dalam spektrum ini bergantung pada panjang gelombangnya, yang akan mengalami pergeseran sejalan dengan peningkatan suhu benda, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 2. Ketika suatu benda dipanaskan, ia akan memancarkan radiasi panas. Pada suhu yang rendah, intensitas radiasi ini rendah, sehingga tidak ada cahaya radiasi yang terlihat. Ketika suhu terus meningkat, benda akan pertama-tama berpijar merah, kemudian berubah menjadi warna kuning keputih-putihan. Kemudian Wien memformulasikan panjang gelombang pada puncak spektrum yang berbanding terbalik dengan temperatur mutlak benda yang dia formulasikan sebagai :

λm=C/T

dengan C merupakan konstanta pergeseran Wien, yang dimana formulasi tersebut memberikan mana bahwa formulasi Wein hanya mampu memprediksi spektrum radiasi pada daerah dengan panjang gelombang yang kecil, dan tidak mampu memprediksi spektrum radiasi untuk daerah dengan panjang gelombang yang besar.

Permasalahan (ketidak akuratan) yang terdapat pada formulasi Wein, mendorong Reyligh - Jeans untuk mengembangkan ide - ide lain dimana mereka berlandaskan pada teori gelombang elektromagnetik yang sudah ada. Mereka berpendapat bahwa jika energi - energi yang bergetar dalam dinding rongga benda hitam ketika berada dalam keadaan setimbang, maka rapat energi radiasi persatuan volume sebesar 𝐸𝜆 = 8𝜋𝑘𝑇/𝜆^4. Namun hal tersebut berkebalikan dengan makna formula dari Wein dimana formula tersebut hanya mampu bekerja pada panjang gelombang yang lebih besar, sebaliknya tidak mampu menggambarkan spektrum radiasi pada panjang gelombang yang lebih pendek. Pada formulasi Reyligh - Jeans, memeberikan gambaran bahwa energi radiasi pada daerag sinar ultraviolet dapat bernilai tak berhingga. Keadaan tersebut dikenal sebagai bencana ultraviolet (uv). Hal ini tentu saja tidak rasional karena keadaan dibumi sekarang tidak sesuai dengan yang digambarkan oleh formula tersebut.

Gambar 3. Kurva spektrum radias berdasarakan teori Wein,

Reyligh-Jeans, dan Hasil Eksperimen

Hingga pada 1900, Max Planck dengan idenya yang mengatakan bahwa getaran molekul pada dinding - dinding rongga benda hitam tidaklah bersifat kontinu, melainkan bersifat diskrit atau tersebar dalam bentuk paket - paket energi yang disebut foton. Dia juga menjelaskan terdapat tingkatan - tingkatan energi yang akan dilalui oleh foton, sehingga molekul - molekul dapat menyerap atau memancarkan energi foton. Hal ini tentu saja dipandang sebagai suatu gagasan yang radikal mengingat bahwa teri gelombang eletromagnetik memandang bahwa cahaya yang masuk membawa energi yang sifatnya kontinu. Namun, melalui kedua gagasan tersebut Max Planck mampu memformulasikan spektrum radiasi benda hitam yang cocok untuk semua kualifikasi panjang gelombang, yakni :

dengan h adalah tetapan planck, c adalah cepat rambat cahaya, k adalah tetapan boltzmann, dan T adalah temperatur mutlak benda hitam.

Daftar Pustaka :

Beiser, A. (1981). Fisika Modern. Terjemahan The Houw Liong. Jakarta: Erlangga

Krane, S. Kenneth.1992. Fisika Modern. Terjemahan Hans J. Wospakrik. Universitas Indonesia. Jakarta.
Gie, T.I, et al. (1998). Fisika Modern. Jakarta: Departemen Pendidikan Nasional.