Energi matahari merupakan energi utama dan energi yang sangat besar yang dimanfaatkan oleh makhluk hidup di bumi saat ini. Sinar matahari yang energinya sangat besar merupakan salah satu contoh radiasi benda hitam. Radiasi dari matahari memungkinkan energinya mencapai permukaan bumi.
Radiasi sendiri merupakan pancaran energi yang tidak memerlukan perantara atau medium untuk bergerak akibat suhu yang tinggi. Sejak pertama kali dirumuskan, sudah banyak ilmuwan fisika yang menganalisis gejala radiasi benda hitam melalui serangkaian percobaan.
Pengertian Radiasi Benda Hitam
Pengertian benda hitam adalah benda yang dapat menyerap semua energi yang datang padanya dan akan memancarkan energi dengan baik. Benda hitam memiliki sifat menyerap semua energi yang mengenainya dan ketika dipanaskan memancarkan energi radiasi.
Josef Stefan menemukan bahwa hubungan dengan daya total per satuan luas yang dipancarkan oleh benda hitam pada semua frekuensi sebanding dengan pangkat empat suhu absolut. Dari percobaan yang dilakukan juga diketahui bahwa sifat warna benda mempengaruhi radiasi.
Besaran ini disebut sebagai koefisien emisivitas yang dilambangkan dengan e. Josef Stefan menentukan bahwa benda hitam sempurna memiliki koefisien emisivitas (e) sebesar 1, benda putih sempurna memiliki nilai e sebesar 0 dan benda lain berada dalam rentang 0 hingga 1.
Penemuan Josef Stefan ini kemudian dikuatkan oleh seorang ilmuwan bernama Boltzmann sehingga teori radiasi benda hitam lebih dikenal dengan hukum Stefan – Boltzmann. Tentukan persamaan dalam hukum Stefan – Boltzmann sebagai berikut:
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)
Hukum Perpindahan Wien
Gambar 1. Grafik Pergeseran Wien
Berdasarkan grafik pergeseran Wien di atas terlihat bahwa perubahan intensitas (I) diukur dalam radiasi benda hitam yang memiliki temperatur tetap yaitu T, tetapi memiliki panjang gelombang λ yang berbeda.
Ketika panjang gelombang λ meningkat, peningkatan λ akan mempengaruhi peningkatan intensitas radiasi benda hitam I hingga mencapai nilai maksimum. Selanjutnya, intensitas radiasi benda hitam I akan terus berkurang dengan bertambahnya panjang gelombang λ.
Pada saat intensitas maksimum, panjang gelombang dilambangkan dengan λm, yaitu panjang gelombang maksimum. Saat melakukan pengukuran ini, ilmuwan Wilhelm Wien menemukan bahwa pergeseran panjang gelombang maksimum terjadi ketika suhu T benda hitam berubah.
Ditemukan bahwa peningkatan suhu benda hitam menyebabkan panjang gelombang maksimum λm berkurang. Sehingga suhu benda hitam dan panjang gelombang berbanding terbalik menurut rumus berikut:
Perkembangan teori radiasi mulai memasuki perubahan besar dan mendasar ketika seorang ilmuwan bernama Planck mengeluarkan teorema mengenai radiasi benda hitam yang telah ditelitinya sejak tahun 1900. Dari sini Planck mempelajari sifat dasar vibrasi molekuler pada dinding benda hitam. rongga tubuh.
Kesimpulan yang ditarik oleh Planck berdasarkan eksperimen yang dilakukannya adalah sebagai berikut:
“Semua benda yang mengalami radiasi akan memancarkan energi secara diskrit atau terputus-putus yang terbagi menjadi paket-paket energi. Paket energi yang dipancarkan disebut kuanta atau bisa disebut dengan foton. Energi setiap foton sebanding dengan frekuensi gelombang radiasinya.”
Kehadiran teori Planck diakui oleh semua ilmuwan sebagai penghalang munculnya teori fisika modern dan dikenal sebagai teori kuantum Planck
Contoh Peristiwa Radiasi Benda Hitam
Matahari menyerap semua cahaya yang ada di sekitar matahari. Hal ini membuat matahari memiliki energi yang sangat tinggi. Selanjutnya, matahari memantulkan cahayanya kembali tergantung suhu matahari saat itu.
Penggunaan pakaian berwarna hitam dapat menimbulkan rasa panas, terutama jika digunakan di luar ruangan. Ini karena pakaian hitam menyerap panas dengan baik.
Contoh Masalah Radiasi Benda Hitam
Sebuah benda hitam memancarkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 8700 Å ketika intensitas radiasinya mencapai nilai maksimum. Tentukan suhu permukaan benda yang memancarkan gelombang.
Seberkas cahaya jingga memiliki panjang gelombang 6600 Å dari benda hitam yang disinari. Berapa banyak energi foton yang terkandung dalam cahaya oranye?
Penelitian terkait radiasi benda hitam memang telah menarik perhatian para ilmuwan dan fisikawan sejak abad ke-18 Masehi. Perkembangan teori radiasi terus berkembang hingga keluarnya teori kuantum Planck yang mempelajari sifat-sifat dasar vibrasi molekuler pada dinding rongga benda hitam.
