BAB GEJALA KUANTUM (MATERI RADIASI BENDA HITAM)

MATA PELAJARAN        : FISIKA

GURU PENGAMPU        : ROSMAWATI, S.Pd

3.7  Menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang mencakup sifat radiasi benda hitam, efek fotolistrik, efek Compton, dan sinar X dalam kehidupan sehari-hari

4.8  Menyajikan laporan tertulis dari berbagai sumber  tentang penerapan efek fotolistrik, efek Compton, dan sinar X dalam kehidupan sehari-hari

Radiasi Benda Hitam: Pengertian, Sifat, Hukum dan Contohnya

• Post authWarna adalah sebuah keindahan dalam kehidupan. Kita bisa membayangkan bagaimana rasanya hidup tanpa warna, pastilah hidup itu kurang berarti. Kita tidak bisa melihat keindahan tanpa warna, kita tidak bisa mengetahui suatu perasaan tanpa warna, kita pun juga tidak bisa mengungkapkan apa yang ada di dalam pikiran kita tanpa warna. Meskipun terlihat sederhana, nyatanya peranan warna sangatlah penting bagi kehidupan manusia. Warna memiliki kekuatan khusus yang dapat mempengaruhi kehidupan manusia. Pada intinya, dunia tanpa warna bagaikan tidak ada kehidupan.

Warna adalah biasan dari cahaya yang bertemu dengan kelebihan dari mata makhluk hidup sehingga membentuk goresan- goresan yang indah.  Secara teori ilmiah, warna merupakan sebuah spektrum tertentu yang dihasilkan dari suatu cahaya sempurna yang berupa putih. Jadi, cahaya sempurna putih itu tadi bisa dirubah menjadi cahaya- cahaya lain yang berwarna warni. Kita mengenal warna- warna dari kecil. Dalam ilmu pewarnaan, kita mengenal ada warna gelap dan warna yang terang. Warna- warna gelap seperti hitam, biru tua (navy), coklat tua, hijau tua, dan lainnya yang biasanya serba tua. Sementara warna terang adalah warna- warna yang cerah seperti kuning, hijau muda, biru laut, pink dan lainnya.

Radiasi Benda Hitam

Setiap benda pasti memiliki warna. Hal tersebut bisa dengan jelas ditangkap oleh mata manusia yang normal. Warna- warna pada benda ternyata memiliki kemampuan untuk memancarkan radiasi. Salah satu warna benda yang dapat memancarkan radiasi adalah benda berwarna hitam. Benda berwarna hitam memang memiliki kemampuan lebih dalam menyerap cahaya. Itulah sebabnya ketika kita menggunakan kaos atau baju berwarna hitam di bawah terik matahari, maka terasa lebih panas daripada ketika kita menggunakan baju berwarna terang seperti putih dan lainnya. Selain itu, ketika kita menjemur pakaian, maka pakaian kita yang berwarna hitam akan lebih cepat kering daripada pakaian kita yang berwarna cerah atau putih. Lalu, apakah sebenarnya yang dimaksud dengan radiasi benda hitam? Kita akan membahasnya di artikel ini berserta hal- hal yang berkaitan dengannya.

Pengertian Radiasi Benda Hitam

Sebelum kita membahas mengenai pengertian dari radiasi benda hitam, sebaiknya kita membahas terlebih dahulu mengenai apa itu benda hitam yang dimaksud kali ini, apakah benda yang berwarna hitam atau yang lainnya. Benda hitam yang dimaksud disini adalah benda yang buram dan tidak memantulkan cahaya. Tidak memantulkan cahaya, artinya bisa jadi benda ini justru akan menyerap cahaya. Nah, yang dimaksud dengan radiasi benda hitam adalah sebuah radiasi elektromagnetik termal yang terjadi di dalam atau di sekitar benda dalam keadaan kesetimbangan termodinamika dengan lingkungannya atau saat ada proses pelepasan dari benda hitam tersebut. Istilah yang lebih mudah kita pahami, radiasi benda hitam ini adalah ketika benda tersebut menyerap dan menahan cahaya kemudian memancarkan radiasi ke sekitarnya sehingga kita bisa merasakannya melalui suhu ataupun perubahan ke warna- warna tertentu.

Mengapa bisa ada radiasi benda hitam bisa terjadi? Benda hitam yang ideal digambarkan sebagai sebuag rongga hitam yang memiliki lubang- lubang kecil, ketika suatu cahaya memasuki rongga melalui lubang tersebut maka berkas cahaya akan dipantulkan berkali- kali di dalam rongga tersebut dan tidak dapat keluar kembali ke lubang. Dinding- dinding benda yang berwarna hitam akan menyerap cahaya, benda hitam ini akna menyerap cahaya yang suhunya lebih rendah daripada suhu di sekitarnya dan memancarkan cahaya yang suhunya lebih tinggi dari pada suhu di sekitarnya.

Sifat- sifat Radiasi Benda Hitam

Radiasi yang muncul dari benda hitam mungkin berbeda dengan radiasi cahaya. Radiasi benda hitam lebih terasa kita rasakan, bukan kita lihat. Radiasi benda hitam memiliki sifat tertentu. Sifat- sifat dari radiasi benda hitam ini berasal dari sifat benda hitam itu sendiri. Sifat dari radiasi benda hitam sebenarnya adalah sifat dari spektrum cahaya benda hitam yang sifatnya ideal. Beberapa sifat dari spektrum cahaya benda hitam yang ideal antara lain adalah:

• Benda hitam yang lebih panas akan memancarakan yang lebih banyak yang memenuhi seluruh panjang gelombang. Hal ini berarti apabila kita membandingkan dua benda hitam tanpa melihat panjang gelombangnya, benda hitam yang lebih panas kan mengeluarkan lebih banyak cahaya daripada benda hitam yang lebih dingin.
• Spektrum benda hitam bersifat tetap dan memiliki puncak pada panjang gelombang tertentu. Puncak kurva benda hitam pada sebuah spektrum bergerak ke panjang gelombang yang lebih pendek untuk benda yang lebih panas. Benda hitam yang lebih panas, panjang gelombangnya akan lebih biru daripada pancaran puncaknya. Contoh peristiwa adalah matahari yang suhu rata- ratanya adalah 5.800 Kelvin. Benda hitam yang memiliki suhu yang sama dengan matahari tersebut memiliki puncak rata- rata 500 nanometer dan memiliki panjang gelombang yang berwarna kuning. Lalu benda hitam lainnya yang memiliki suhu yang besarnya dua kali lipat dari suhu matahari akan memiliki puncak spektrum sekitar 250 nanometer yang mana merupakan bagian dari sinat Ultraviolet dari spektrum.

Nah itulah beberapa sifat dari spektrum cahaya dari benda hitam yang ideal. Sifat dari radiasi benda hitam itu sendiri. Radiasi benda hitam adalah apa yang dipancarkan dari benda hitam itu sehingga terasa di sekitarnya. Selanjutnya adalah mengenai hukum- hukum mengenai radiasi dari benda hitam.

Hukum- hukum Mengenai Radiasi Benda Hitam

Para ilmuwan sebagai seseorang yang sangat berperan dalam ilmu penetahuan, tentu sudah meneliti hal ini lebih dulu, maksudnya tentang radiasi benda hitam. Dengan pemikiran para ilmuwan serta penelitian tentangnya, melahirkan berbagai hukum mengenai radiasi benda hitam. Adapun beberapa hukum yang membahas dan berkaitan dengan hal ini antara lain sebagai berikut:

1. Hukum Planck tentang Radiasi Benda Hitam

Hukum Planck menjelaskan tentang rapat spektrum radiasi elektromagnetik yang dilepaskan oleh benda hitam dalam kesetimbangan termal dan pada temperatur tertentu. Hukum ini diusulkan oleh Max Planck pada tahun 1990. Hukum ini memiliki rumus matematis sebagai berikut:

Keterangan:

I(v,T)	= Daya atau energi per satuan waktu yang diradiasikan per satuan area permukaan yang melepas pada arah normal per satuan solid angle per satuan frekuensi oleh benda hitam pada temperatur T. Hal ini juga dikenal dengan sebutan radiansi spektral.
h	= Konstanta Planck
c	= Kecepatan cahaya dalam ruang hampa
k	= Konstanta Boltzmann
v	= Frekuensi radiasi elektromagnetik
T	= Temperatur absolut benda

Itulah rumus matematis dari hukum Planch tentang radiasi benda hitam beserta keterangan- keterangannya. Selain hukum Planch, masih ada hukum lain yang juga membahas tentang radiasi benda hitam.

1. Hukum Perpindahan Wien

Hukum selanjutnya yang menjelaskan tentang radiasi benda hitam adalah hukum perpindahan Wien.hukum perpindahan Wien menjelaskan tentang bagaimana spektrum radiasi benda- benda hitam pada suhu berapapun berkolerasi dengan spektrum pada suhu yang lainnya. Jadi, apabila kita mengetahui bentuk spektrum pada suatu suhu, maka bentuk spektrum pada suhu yang lainnya dapat kita hitung juga. Intensitas dari spektrum dapat dinyatakan sebagai fungsi panjang gelombang atau[un fungsi frekuensi. Sebuah akibat dari hukum perpindahan Wien adalah panjang gelombang ketika instensitas per satuan panjang gelombang dari radiasi yang dihasilkan benda hitam ketika maksimum. Secara fungsi, kita bisa melihatnya sebagai berikut:

Simbol “b” dikenal dengan konstanta perpindahan Wien yang mana nilainya sama dengan 2,8977729(17) x  10 pangkat -3 Km.

2. Hukum Stefan- Boltzmann

Hukum yang ketiga yang berkaitan dengan hal ini adalah Hukum Stefan- Boltzmann. Hukum ini menyatakan bahwa daya yang dilepas per satuan luas dari permukaan benda hitam berbanding lurus dengan pangkat empat suhu absolutnya.

Dalam fungsi tersebut, j* merupakan total daya yang diradiasikan per satuan luas,  T adalah temperatur absolut dan σ = 5, 67 x 10 pangkat -8 W  m pangkat -2 K pangkat -4 merupakan konstanta Boltzmann. Hal ini didapatkan dengan mengintegralkan I(v,T) terhadap frekuensi dan solid angle:

 

Faktor  Muncul karena kita menganggap radiasi pada arah normal ke permukaan:

I(v,T) independen terhadap sudut dan melewati integral solid angle, kemudian masukkan rumus  I(v,T)dan menghasilkan fungsi sebagai berikut:

Dengan x = hv/kT  tanpa satuan. Integral terhadap x memiliki nilai π pangkat 4/ 15 , sehingga menghasilkan:

Nah, itulah beberapa hukum yang berkaitan dengan radiasi benda hitam dan juga fungsi- fungsinya secara maktematis. Dengan adanya hukum serta perhitungan secara matematis tersebut, membuktian bahwa para ilmuwan telah banyak yang memikirkan tentang hal ini sebelumnya. Lalu, apakah sebenarnya kasus radiasi benda hitam ini dapat kita temukan dalam kehidupan sehari- hari? Jika iya, apa sajakan contoh dari radiasi benda hitam yang sering kita temukan? Untuk contohnya, marilah kita simak penjelasan si bawah ini.

Contoh Peristiwa Radiasi Benda Hitam

Radiasi benda hitam adalah suatu peristiwa yang terjadi secara alami. Penjelasan- penjelasan di atas cukup mewakili penjelasan tentang radiasi benda hitam. Apabila hanya mempelajari teorinya saja, mungkin kita belum terlalu paham mengenai radiasi benda hitam ini. Namun ketika teori tersebut telah diaplikasikan ke dalam suatu peristiwa nyata, mungkin kita akan lebih mudah untuk memahaminya. Sebenarnya dalam kehidupan sehari- haripun kita telah bertemu dengan radiasi benda hitam ini, hanya saja kita belum terlalu memahaminya. Lalu apa sajakah aplikasi dari radiasi benda hitam ini dalam kehidupan sehari- hari? Mari kita simak berikut ini:

• Gejala Pemanasan Global atau Efek Rumah Kaca

Efek rumah kaca merupakan salah satu penyebab dari pemanasan global. Efek rumah kaca menyebabkan peningkatan suhu bumi rata- rata antara 1° hingga 5° Celcius. Contoh sederhana untuk menyatakan kasus ini adalah ketika kita memarkir mobil di tempat parkir yang tidak ada atapnya pada siang hari. Dan ketika kita kembali pada sore hari dan ingin masuk mobil, biasanya suhu di dalam mobil lebih panas daripada suhu di luar mobil. Hal ini karena energi panas sebagian besar telah diserap oleh kursi, dashboard, dan juga karpet mobil. Pada saat benda- benda tersebut melepaskan energi panas, maka tidak semuanya dapat keluar melalui jendela namun sebagian ada yang dipantulkan kembali. Hal yang menyebabkannya adalah perbedaan panjang gelombang sinar matahariyang memasuki mobil dan energi panas yang dilepaskan kembali oleh benda- benda tersebut, sehingga jumlah energi yang masuk lebih banyak dibandingkan energi yang dapat keluar. Hal ini berakibat pada kenaikan yang bertahap pada suhu di dalam mobil tersebut. Nah seperti itulah analogi efek rumah kaca. Maka seandainya Bumi tidak ditutupi oleh atmosfer maka energi dari sinar matahari yang bisa sampai ke Bumi bisa mencapai 800° Celcius, terutama di daerah khatulistiwa.

• Penggunaan pakaian

Aplikasi dari radiasi benda hitam lainnya adalah ketika kita memakai baju atau penjemuran baju. Pada siang hari, ketika matahari terik kita akan lebih merasa panas apabila kita menggunakan baju yang berwarna hitam daripada baju berwarna cerah. Hal ini karena warna gelap merupakan penyerap panas yang sangat baik dan juga pemancar kalor yang sangat baik pula daripada warna- warna cerah. Selain warna- warna yang cerah, permukaan yang mengkilap juga merupakan penyerap dan pemancar kalor yang buruk. Pada saat kita menjemur pakaian pun maka baju yang berwarna gelap atau hitam akan lebih cepat kering daripada baju yang berwarna putih atau cerah.

• Penggunaan termos

Termos juga merupakan salah satu aplikasi atau penerapan dari radiasi benda gelap. Prinsip kerja termos adalah lapisan perak yang mengkilap mencegah perpindahan kalor secara radiasi. Lapisan perak tersebut memantulkan radiasi kembali ke dalam termos. Dinding gelas adalah konduktor yang jelek sehingga tidak dapat memindahkan kalor. Ruang vakum di antara dua dinding akan mencegah perpindahn kalor, baik secara konveksi maupun konduksi. Sumbat pada termos dibuat dengan bahan isolator. Hal ini bertujuan untuk mencegah agar tidak terjadi konveksi dengan udara yang ada di luar.

• Panel surya

Aplikasi dari radiasi benda hitam lainnya ada pada alat panel surya yang menyerap energi panas untuk diubah menjadi energi listrik. Panel surya terdiri dari wadah- wadah yang terbuat dari logam berongga yang kemudian di cat hitam dengan panelnya yang terbuat dari bahan kaca. Kalor radiasi dari matahari diserap oleh permukaan hitam dan dihantarkan secara konduksi melalui logam. Bagian dalam dari panel ini tetap hangat karena dijaga oleh efek rumah kaca, kemudian sirkulasi air melalui wadah logam akan membawa kalor menjauh untuk dimanfaatkan pada sistem pemanas air domestik dan juga untuk memanasi kolam renang.

Itulah beberapa contoh dari aplikasi atau penerapan kasus radiasi benda hitam dalam kehidupan sehari- hari. Contoh- contoh sederhana tersebut ternyata adalah salah satu penerapan dari hukum fisika. Selain yang telah disebutkan, masih banyak juga contoh lainnya.