Radiasi Benda Hitam: Pengertian, Hukum, Rumus & Soal

Energi matahari merupakan energi utama dan energi sangat besar yang dimanfaatkan makhluk hidup di bumi saat ini. Cahaya matahari yang sangat besar energinya tersebut merupakan salah satu contoh dari radiasi benda hitam. Radiasi dari matahari memungkinkan energinya sampai ke permukaan bumi.

Radiasi sendiri merupakan pancaran energi yang tidak membutuhkan perantara atau medium agar berpindah dikarenakan suhunya yang tinggi. Sejak pertama kali dirumuskan, sudah ada banyak ilmuwan fisika yang menganalisa mengenai gejala radiasi benda hitam melalui serangkaian eksperimen.

Pengertian Radiasi Benda Hitam

Pengertian benda hitam merupakan benda yang dapat menyerap seluruh energi yang datang kepada benda tersebut serta akan memancarkan energi dengan baik. Benda hitam memiliki sifat dapat menyerap seluruh energi yang mengenainya dan ketika dipanaskan akan memancarkan energi radiasi.

Benda hitam akan memancarkan radiasi pada tingkatan yang sama ketika benda hitam menyerapnya agar tetap berada di kondisi kesetimbangan termal.

Karena kemampuan benda hitam yang dapat menyerap sekaligus memancarkan radiasi di tingkat yang sama membuat benda hitam disebut sebagai pemancar radiasi yang paling baik.

Hukum Radiasi Benda Hitam

1. Hukum Stefan – Boltzmann

Pada sekitar tahun 1850an seorang ahli fisika dari Austria bernama Josef Stefan melakukan eksperimen untuk menunjukkan gejala radiasi benda hitam.

Josef Stefan menemukan bahwa hubungan daya total per satuan luas yang diradiasikan oleh benda hitam di semua frekuensi sebanding dengan suhu mutlak pangkat empat. Dari eksperimen yang dilakukan ini juga diketahui bahwa sifat warna benda mempengaruhi radiasi.

Besaran ini disebut sebagai koefisien emisivitas yang disimbolkan dengan e. Josef Stefan menetapkan bahwa benda hitam sempurna mempunyai koefisien emisivitas (e) sebesar 1, benda putih sempurna memiliki nilai e sebesar 0 dan benda lainnya berada di rentang 0 sampai 1.

Penemuan oleh Josef Stefan ini kemudian dikuatkan oleh ilmuwan bernama Boltzmann sehingga teori radiasi benda hitam ini lebih dikenal sebagai hukum Stefan – Boltzmann. Ditetapkan persamaan di dalam hukum Stefan – Boltzmann sebagai berikut:

I = e x σ x T⁴

P = I x A

E = P x t

Keterangan:

I = Intensitas radiasi (Watt/m²)
T = suhu mutlak benda (K)
A = Luas penampang (m²)
P = Daya radiasi (Watt)
E = Energi radiasi (Joule)
t = waktu radiasi (s)
σ = Konstanta Stefan Boltzmann (5,67 x 10ˉ⁸ Wmˉ²Kˉ⁴)

2. Hukum Perpindahan Wien

Berdasarkan grafik pergeseran Wien di atas bida ilihat bahwa perubahan intensitas (I) diukur pada radiasi benda hitam yang mempunyai suhu bernilai tetap yakni T, namun memiliki panjang gelombang λ berbeda-beda.

Ketika panjang gelombang λ meningkat, maka peningkatan λ tersebut akan berpengaruh terhadap peningkatan intensitas radiasi benda hitam I hingga mencapai nilai yang maksimum. Selanjutnya besar intensitas radiasi benda hitam I akan terus menurun seiring dengan pertambahan panjang gelombang λ.

Pada saat intensitas maksimum, maka panjang gelombang dilambangkan dengan λm yakni panjang gelombang maksimum. Ketika melakukan pengukuran ini, ilmuwan Wilhelm Wien menemukan bahwa terjadi pergeseran panjang gelombang maksimum ketika suhu T benda hitam berubah.

Ditemukan bahwa ternyata kenaikan suhu benda hitam menimbulkan besar panjang gelombang maksimum λm justru mengecil. Sehingga besar suhu benda hitam dan panjang gelombang berbanding terbalik sesuai rumus berikut:

λm x T = c

Keterangan:

λm = panjang gelombang intensitas radiasi maksimum
c = Tetapan Wien (2,90 x 10ˉ³ mK)
T = Suhu mutlak benda (K)

3. Hukum Planck

Perkembangan teori mengenai radiasi mulai memasuki perubahan besar dan mendasar ketika ilmuwan bernama Planck mengeluarkan teorema mengenai radiasi benda hitam yang sudah dia teliti sejak tahun 1900. Dari sini Planck mempelajari sifat dasar getaran molekul di dinding rongga benda hitam.

Kesimpulan yang diambil oleh Planck berdasarkan percobaan yang dilakukannya sebagai berikut:

“Semua benda yang mengalami radiasi akan memacarkan energi secara diskrit atau diskontinu yang dibagi berupa paket-paket energi. Paket-paket energi yang dipancarkan tersebut disebut sebagai kuanta atau bisa disebut sebagai foton. Energi setiap foton tersebut sebanding dengan frekuensi gelombang radiasi.”

Berdasarkan bunyi dari hukum Planck di atas maka dapat dibuat persamaan hukum Planck sebagai berikut:

E = h x ƒ

Keterangan:

E = Energi foton yang dipancarkan (Joule)
h = tetapan Planck (h = 6,6 x 10ˉ³⁴ Js)
ƒ= Frekuensi foton (Hz)

Apabila gelombang elektromagnetik seperti cahaya mempunyai banyak foton maka energi foton tersebut akan memenuhi hubungan berikut:

E = n x h x ƒ

Persamaan pada kecepatan cahaya mengikuti persamaan gelombang elektromagnetik di atas yakni:

c = ƒ λ

Keterangan:

c = Kecepatan cahaya 3 x 10⁸ m/s

Kehadiran teori Planck diakui oleh seluruh ilmuwan sebagai pembatas munculnya teori Fisika modern dan dikenal sebagai teori kuantum Planck

Contoh Peristiwa Radiasi Benda Hitam

• Radiasi Cahaya Matahari

Matahari menyerap seluruh cahaya yang ada di sekitar matahari. Hal ini membuat matahari mempunyai energi yang sangat tinggi. Selanjutnya matahari pun memantulkan cahaya itu kembali bergantung kepada suhu matahari saat itu.

• Pakaian Warna Hitam

Penggunaan pakaian berwarna hitam dapat menyebabkan rasa panas apalagi ketika digunakan di luar ruangan. Hal ini disebabkan karena pakaian berwarna hitam menyerap panas dengan baik.

Contoh Soal Radiasi Benda Hitam

• Contoh 1

Suatu benda hitam memancarkan gelombang elektromagnetik dengan besar panjang gelombang 8700 Å ketika intenstias radiasi mencampai nilai maksimum. Tentukan suhu permukaan benda yang memancarkan gelombang tersebut.

• Contoh 2

Sebuah pancaran sinar jingga memiliki panjang gelombang sebesar 6600 Å dari suatu benda hitam yang mengalami radiasi. Berapakah besar energi foton yang dikandung di dalam sinar jingga tersebut?

Penelitian terkait radiasi benda hitam memang sangat menarik perhatian para ilmuwan dan fisikawan sejak abad ke 18 Masehi. Perkembangan teori radiasi terus mengalami perkembangan hingga dikeluarkannya teori kuantam Planck yang mempelajari sifat dasar getaran molekul di dinding rongga benda hitam.