Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2
123
Gambar 7.2 Model radiasi benda hitam
Benda Hitam
Jadi, benda yang permukaannya gelap atau hitam akan mudah menyerap kalor dan mudah pula memancarkannya. Untuk memahami
sifat radiasi permukaan benda hitam, mari kita bahas bersama-sama uraian materi berikut ini
Pancaran cahaya pada benda yang dipanaskan disebut sebagai radiasi termal. Radiasi termal pada permukaan benda dapat terjadi pada
suhu berapa pun. Radiasi termal pada suhu rendah tidak dapat kita lihat karena terletak pada daerah inframerah.
Selain dapat memancarkan radiasi, permukaan bahan juga dapat menyerap radiasi. Kemampuan bahan untuk menyerap radiasi tidak sama.
Semakin mudah bahan menyerap radiasi, semakin mudah pula bahan itu memancarkan radiasi. Bahan yang mampu menyerap seluruh radiasi
disebut sebagai benda hitam.
Istilah benda hitam black body pertama kali dikenalkan oleh Fisikawan Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862.
Benda hitam memancarkan radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan
benda hitam bergantung pada suhu benda hitam tersebut. Ketika suhu permukaan benda hitam turun maka
radiasi benda hitam bergeser ke arah intensitas yang lebih rendah dan panjang gelombangnya lebih panjang,
demikian pula sebaliknya. Benda hitam adalah benda ideal yang sebenarnya tidak ada. Karakteristik benda
hitam dapat didekati dengan menggunakan ruang tertutup berongga yang diberi sebuah lubang kecil.
Perhatikan gambar 7.2 di samping
Setiap radiasi yang masuk ke rongga akan terperangkap oleh pemantulan bolak-balik. Hal ini
menyebabkan terjadinya penyerapan seluruh radiasi oleh dinding rongga. Lubang rongga dapat diasumsikan sebagai
pendekatan benda hitam. Jika rongga dipanaskan maka spektrum yang dipancarkan lubang merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung
pada bahan pembuat rongga. Besarnya energi radiasi per satuan waktu per satuan luas permukaan disebut intensitas radiasi dan disimbolkan
dengan I. Intensitas radiasi oleh benda hitam bergantung pada suhu benda. Berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann, intensitas radiasi dinyatakan
dengan persamaan:
I = e V T
4
. . . 7.1
Keterangan:
I : intensitas radiasi wattm
2
T : suhu mutlak benda K V : konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 . 10
-8
wattm
2
.K
4
e : koefisien emisivitas 0 d e d 1, untuk benda hitam e = 1
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2
124
O I
Grafik hasil eksperimen
Grafik teoritis Rayleigh-Jeans
Gambar 7.3 Perbandingan grafik I –
O antara grafik Rayleigh-Jeans dan grafik hasil eksperimen
Daerah cahaya tampak
Gambar 7.4 Intensitas energi radiasi benda hitam pada berbagai suhu
B. Hukum Pergeseran Wien
Pada subbab sebelumnya kita telah membahas radiasi benda hitam. Intensitas radiasi benda hitam berbanding lurus dengan pangkat empat
dari suhu mutlaknya. Spektrum radiasi benda hitam pada
awalnya dipelajari oleh Rayleigh dan Jeans menggunakan pendekatan fisika klasik.
Mereka meninjau radiasi dalam rongga bertemperatur T yang dindingnya merupakan
pemantul sempurna sebagai sederetan gelombang elektromagnetik. Akan tetapi,
pada suhu 2.000 K bentuk grafik hasil eksperimen berbeda dengan bentuk grafik
yang dikemukakan Rayleigh dan Jeans, seperti ditunjukkan pada gambar 7.3.
Rayleigh dan Jeans meramalkan bahwa benda hitam ideal pada kesetimbangan termal akan memancarkan
radiasi dengan daya tak terhingga. Akan tetapi, ramalan Rayleigh dan Jeans tidak terbukti secara eksperimental. Ramalan ini dikenal sebagai
bencana ultraungu.
Ilmuwan lain yang mempelajari spektrum radiasi benda hitam adalah Wilhelm Wien. Wien mempelajari hubungan antara suhu dan panjang
gelombang pada intensitas maksimum. Perhatikan gambar 7.4 di samping
Puncak-puncak kurva pada grafik 7.4 menunjukkan intensitas radiasi pada tiap-tiap suhu.
Dari gambar 7.4 tampak bahwa puncak kurva bergeser ke arah panjang gelombang yang pendek
jika suhu semakin tinggi. Panjang gelombang pada intensitas maksimum ini disebut sebagai
O
maks.
. Wien merumuskan hubungan antara suhu dan
O
maks.
sebagai berikut. O
maks.
. T = C . . . 7.2
Keterangan:
C : konstanta Wien 2,878 . 10
-3
m.K
Persamaan 7.2 dikenal sebagai hukum pergeseran Wien.
Agar lebih memahami materi di atas, simaklah contoh soal berikut ini kemudian kerjakan pelatihan di bawahnya
Hukum Pergeseran
Wien
4.000 K 3.000 K
I
2.000 K
O
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2
125
Kerja Mandiri
Contoh Soal
Suatu permukaan logam dengan emisivitas 0,5 dipanaskan hingga 400 K. Tentukanlah:
a. intensitas energi radiasi yang dipancarkan, dan
b. panjang gelombang pada intensitas maksimumnya.
Penyelesaian:
Diketahui: e = 0,5 T = 400 K
C = 2,878 . 10
-3
m.K V = 5,67 . 10
-3
Wattm
2
.K
4
Ditanyakan: a. I
= . . . ? b.
O
maks.
= . . . ? Jawab:
a. I = 0,5 . 5,67 . 10
-8
. 400
4
= 725,76 Wm
2
b. O
maks.
=
-3
-6
. 2,878
10 .
= 7,195 10 m
400
Kerjakan soal berikut dengan tepat 1.
Jelaskan mengapa sepotong logam pada suhu tinggi berpijar cerah, tetapi sepotong kuarsa pada suhu yang sama hampir tidak
berpijar
2. Sepotong logam yang mempunyai emisivitas 0,3 dipanaskan
hingga 500 K. Tentukan: a.
intensitas radiasi yang dipancarkan, dan b.
panjang gelombang pada intensitas maksimum.
C. Hipotesa Planck
Di awal pembahasan telah kita pelajari tentang teori spektrum radiasi benda hitam Rayleigh dan Jeans yang meramalkan intensitas yang tinggi
pada panjang gelombang rendah atau dikenal dengan ramalan bencana ultraungu. Ramalan bencana ultraungu dapat dipecahkan oleh teori
Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta. Untuk lebih jelasnya, mari kita
bahas hipotesa Planck berikut ini
Pada tahun 1900 Max Planck mengemukakan teorinya tentang radiasi benda hitam yang sesuai dengan hasil eksperimen. Planck menganggap
