Minggu, 02 Januari 2011

RADIASI BENDA HITAM

Dalam fisika, benda hitam (bahasa Inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.
Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Bahkan sebuah kubus es pun memancarkan radiasi panas, sebagian kecil dari radiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun demikian kubus es ini tak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan kubus es, badan manusia pun memancarkan radiasi panas dalam daerah cahaya tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat dalam ruang gelap.
Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umunya benda terlihat oleh kita karena benda itu memantulkan cahaya yang dating padanya, bukan karena ia memacarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah sepeti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi berpijar putihatau pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spectrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warnawarna
spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda
Dalam laboratorium, benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali, tanpa mempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang). Lubang ini (bukan rongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam. Jika rongga dipanaskan, spektrum yang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar). Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga, dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini.
Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik dan mekanika statistik. Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombang rendah (yaitu, frekuensi tinggi); suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu.
Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck, yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket, atau kuanta (lihat bencana ultraungu untuk rinciannya). Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan efek fotolistrik. Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum. Saat ini, paket-paket tersebut disebut foton.
Ketika temperatur berkurang, puncak dari kurva radiasi benda hitam bergerak ke intensitas yang lebih rendah dan panjang gelombang yang lebih panjang. Grafik radiasi benda hitam ini dibandingkan dengan model klasik dari Rayleigh dan Jeans.
Benda Hitam dalam fisika bisa berwarna-warni. Warna apa saja. Karena definisinya beda. Inilah artikel pengantar kuliah astrofisika fakta ilmiah
Ketika gas berada dalam keseimbangan termodinamika (KT), laju penyerapan dan pemancaran gas itu seimbang. Nah, situasi ini dapat dibuat dengan memakai kotak yang memiliki dinding dalam bersuhu tetap, katakanlah suhunya T. Kalau gak ada materi atau radiasi atau materi yang keluar dari kotak, maka partikel gas, dan semua radiasi di dalamnya, ujung-ujungnya akan nyampe ke kondisi keseimbangan dalam suhu ini. Gak peduli apa jenis bahan pembuat kotak atau kayak apa bentuknya. Bisa ditunjukkan kalau medan radiasi yang dihasilkan akan bersifat isotropik dan kalau spektrumnya (pancaran yang merupakan fungsi dari frekuensi atau panjang gelombang) hanya tergantung pada T. Radiasi demikian disebut radiasi benda hitam (bisa juga disebut ‘radiasi rongga’ soalnya sejarah penelitian radiasi ini memakai ‘pemandian termal’ dalam sebuah rongga). Intensitas (kekuatan) khas yang dihasilkan dinyatakan oleh fungsi khusus yang disebut fungsi Planck atau Kurva Planck. Fungsi ini dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi pada frekuensi dan panjang gelombang, lewat persamaan sebagai berikut:
Dimana satuan yang digunakan adalah cgs. Plot dari Bv(T) dalam berbagai suhu ditunjukkan dalam gambar berikut.
Gambar 1. Kurva Planck untuk suhu dari 2 ribu hingga 10 ribu Kelvin. Sumbu tegak dalam satuan erg/(detik.cm persegi. Hz. sr). Perhatikan kalau puncak kurvanya bergeser ke frekuensi yang tinggi (panjang gelombang pendek) saat suhu meningkat, dan juga kalau benda yang lebih panas memiliki intensitas khas yang lebih tinggi daripada benda dingin dalam semua frekuensi.
Kedua rumus di atas itu saling berhubungan lewat persamaan :
Jadi, integral kedua kurva tersebut, dari nol hingga tak hingga, itu sama. Tapi, fungsinya sendiri beda. Mereka punya maksima berbeda, dan juga ada aturan yang dipakai untuk mengkonversi satu bentuk ke bentuk lainnya.
Karena T dalam persamaan pertama dan kedua adalah nilai yang memberikan intensitas khas radiasi, dia bisa disebut ‘suhu radiasi’. Tapi, perlu diingat kalau suhu radiasi itu sama dengan suhu kinetik gas. Jadi, T dalam persamaan di atas bila ditulis tanpa indeks, akan menyajikan suhu kinetik. Karena harus ada interaksi yang cukup antara radiasi dan materi supaya suhu keseimbangan tercapai, maka gas tersebut harus buram.. Coba lihat gambar berikut
Gambar 2. Dalam kedua gambar ini, sebuah sumber cahaya berada di balik awan gas bersuhu T dan diamati oleh observer. Di gambar atas, jejak bebas rata-rata sebuah foton, l bar, lebih besar daripada ketebalan, x, dari awan ini. akibatnya, observer dapat melihat tembus dari ketebalan awan. Dalam gambar bawah sebaliknya, jalur bebas rata-rata foton lebih kecil dari ketebalan awan. Foton berdifusi ke sisi lain, dan mencapai keseimbangan dengan suhu awan. Observer akibatnya hanya dapat melihat sejauh jalur bebas rata-rata tersebut, alias kulit luar awannya saja. Tapi observer juga akan menemukan spektrum Planck pada suhu kulit ini.
Untuk benda yang buram, jalur bebas rata-rata sebuah foton mestinya lebih kecil daripada ukuran benda. Pengamat yang melihat benda pada sebuah jarak yang kurang lebih sama dengan jarak bebas rata-rata. Kita dengan demikian tiba pada definisi benda hitam yang lebih formal, yaitu, benda hitam adalah benda yang merupakan penyerap sempurna. Kalau sebuah foton, tidak peduli frekuensinya, berada dalam benda hitam, ia tidak akan dipantulkan balik dan tidak juga akan melewatinya. Foton ini akan diserap, yang menunjukkan kalau jalur bebas rata-ratanya lebih kecil dari ukuran benda. Setiap benda buram non reflektif dalam satu suhu tertentu adalah benda hitam. Ini bisa jadi padatan, yaitu benda padat yang tidak memantulkan cahaya. Agar benda ini tetap berada dalam suhu yang sama, penyerapan dan pemancaran harus seimbang. Jadi, benda hitam pasti juga pemancar sempurna. Dan artinya, benda hitam bukanlah berwarna hitam dan bukan pula kata ‘hitam’ berarti tanpa pancaran. Sebaliknya, sebuah benda hitam memancarkan spektrum Planck yang bersinambung yang bentuknya ditentukan oleh suhunya.
Menemukan benda hitam sempurna di alam itu sulit. Namun ada contohnya, yaitu Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik (CMB). Spektrum Planck terukur di setiap posisi di peta ini. Ada sedikit ingsutan dalam suhu pada posisi berbeda menghasilkan sedikit perbedaan kurva Planck dalam posisi berbeda. Kurva Planck rata-rata global diberikan dalam gambar berikut dan sesuai dengan suhu 2.73 Kelvin.
Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik
Gambar 3. Titik data dari kurva ini merupakan hasil pengukuran radiasi latar belakang gelombang mikro dari beragam sumber yang didaftarkan pada plot. Kurva padat yang ada di atas adalah yang paling sesuai dengan spektrum benda hitam, pada suhu 2.73 Kelvin. (Sumber: Hagiwara et al, 2002)
Bintang juga contoh benda hitam, walaupun beberapa ingsutan dari kurva sempurna memang ada, sebagai contoh matahari. Coba lihat gambar ini.
Gambar 4. Spektrum matahari, ditunjukkan sebagai panjang gelombang dalam plot logaritmik. Plot ini adalah kepadatan fluks yang diukur dari jauh di bumi. Spektrumnya (kurva hitam) sesuai dengan benda hitam pada suhu 5781 Kelvin (kurva abu-abu) namun mulai menyimpang dalam daerah sinar X dan radio karena aktivitas matahari. Data ini sesuai dengan tetapan matahari sebesar 1366,1 Watt per meter persegi.
Walaupun keseluruhan bintang tidaklah berada dalam satu suhu yang sama, bagian dalamnya lebih panas dari permukaan, kita tidak dapat melihat ke dalam tubuhnya, dan dalam kedalaman yang dapat dilihat, suhunya hampir seragam. Karena bintang memiliki suhu yang sesuai dengan kurva Planck yang berpuncak dekat dengan bagian optik spektrum, sebagian besar radiasi astrofisika yang kita lihat dengan mata kita, baik itu tanpa alat ataupun lewat teleskop optik, adalah karena bintangnya. Ini termasuk juga matahari, dan bukan kebetulan kalau mata kita memiliki sensitivitas terbesar pada bagian dimana kurva Planck matahari berpuncak. Coba lihat gambar berikut.
Gambar 5. Spektrum matahari (kurva tengah, skala kiri) yang dibuat berdasarkan data yang sama dengan gambar 4, kecuali jangkauan panjang gelombang yang lebih terbatas dan skalanya bersifat linier. Suhu kecemerlangan (kurva atas, skala kanan) juga ditunjukkan, diturunkan dari kepadatan fluks dan kemudian menggunakan rumus Planck. Kurva bawah adalah respons fluks siang hari dari mata manusia yang dimuluskan pada resolusi 30 nanometer. (Sumber: Fulton, 2005)
Saat kita melihat ke kedalaman ruang angkasa, yang kita lihat adalah cahaya bintang dari galaksi kita sendiri, galaksi yang dekat dengan kita, hingga kluster galaksi yang jauh. Radiasi benda hitam adalah yang paling relevan dengan apresiasi visual kita pada keindahan langit.
Galaksi Trio Arp 286 di Virgo
Bila kita dapat mengukur intensitas khas sebuah benda dan tahu kalau ia adalah benda hitam, maka dengan kedua rumus Planck, kita bisa menentukan suhunya. Ingat kalau intensitas khas bersifat independen terhadap jarak bila tidak ada materi yang menghalangi, dan berarti kalau kita tidak perlu tahu apapun tentang benda itu, bahkan jaraknya sekalipun, untuk mengetahui suhunya. Lebih jauh, secara prinsip, hanya perlu satu kali pengukuran pada satu frekuensi saja untuk mendapatkan hasil ini, walaupun pada prakteknya, beberapa pengukuran dilakukan untuk memastikan kalau spektrumnya memang bersifat Planck. Sisi lain koin ini adalah, karena kurva Planck tergantung pada suhu semata, kita tidak tahu apapun mengenai jenis atau jumlah materi yang dipancarkan oleh radiasi ini bila hanya mempelajari kurva Planck semata. Entah benda hitam itu sebuah filamen lampu bohlam, cat super hitam buatan manusia yang memantulkan kurang dari 1 persen cahaya yang jatuh padanya, atau interior oven pemanggang setelah suhu keseimbangan tercapai, spektrum Planck yang diperoleh semata tergantung pada suhunya, akan diperoleh
Benda terhitam di dunia (tengah) hasil penelitian Shawn yu lin 2008 yang memiliki tingkat pemantulan cahaya hanya 0.045 persen

http://www.faktailmiah.com/2010/08/16/radiasi-benda-hitam.html

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar