Fenomena Kuantum: Radiasi Benda Hitam (Hukum Stefan-Boltzman)

Jika seberkas cahaya mengenai bahan transparan (tembus cahaya), maka sebahagian cahaya dipantulkan dan sebagian cahaya di biaskan. Sifat ini berlaku umum pada gelombang dan merupakan sifat khas dari gelombang. Sifat-sifat lain dari gelombang seperti interferensi dan difraksi juga dimiliki oleh cahaya. Oleh karena itu, teori fisika klasik selalu menganggap cahaya sebagai gelombang. Anggapan ini diperkuat lagi oleh teori Maxwell yang menyatakan bahwa cahaya termasuk gelombang elektromagnetik.

Melihat fakta bahwa mekanika Newton harus kita ganti dengan teori relativitas khusus Einstein tentang kecepatan partikel yang berada dalam orde kecepatan  cahaya. Walaupun pada awal abad ke 20 persoalan dapat diterangkan dengan menggunakan teori relativitas, namun masih banyak lagi hasil-hasil percobaan dan persoalan-persoalan teoritis yang belum terjawab. Penggunaan teori fisika klasik gagal total untuk menerangkan masalah masalah tersebut. Misalnya, teori fisika klasik yang menganggap cahaya sebagai gelombang, gagal menerangkan fenomena spekrum radiasi benda hitam.

Pada tahun 1990 Max Planck dalam rangka menemukan formula untuk menjelaskan spectrum radiasi benda hitam menyatakan suatu anggapan yang benar-benar radikal pada saat itu (bertentangan dengan anggapan fisika klasik). Dia mengatakan bahwa cahaya dapat dianggap sebagai partikel yang terdiri dari paket-paket energi yang disebut kuanta atau foton. Teori Max Placnk merupakan awal ide lahirnya teori kuantum.

Cahaya memiliki sifat dualisme (dualisme gelombang partikel), yaitu dalam keadaan tertentu sifat gelombang cahaya lebih menonjol dari pada sifat partikel cahaya dan dalam keadaan lainnya sifat partikel cahaya lebih menonjol dari pada sifat gelombangnya. Sifat dualisme gelombang-partikel lebih menyakinkan ketika de Broglie mengemukakan teorinya bahwa partikel yang bergerak (misal elektron) dapat memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang yang sesuai.

Radiasi Benda Hitam

Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umunya benda terlihat oleh kita karena benda itu memantulkan cahaya yang datang 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 spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warnawarna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda.

Secara umum bentuk terinci dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Meskipun demikian hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektrum panas dengan kalor yang universal. Benda ini disebut benda hitam (black body). Benda hitam adalah suatu benda yang permukannnya sedemikian sehingga menyerap semua radiasi yang datang padanya (tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam). Dari pengamatan diperoleh bahwa semua benda hitam pada suhu yang sama memancarkan radiasi dengan spektrum yang sama.

Ketika radiasi dari cahaya matahari memasuki lubang kotak, radiasi dipantulkan berulang-ulang (beberapa kali) oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hampir dapat dikatakan tidak ada lagi radiasi yang tersisa (semua radiasi telah diserap di dalam kotak)dengan kata lain, lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi yang datang padanya. Akibatnya benda tampak hitam.

1. Hukum Stefan-Boltzman

Pada tahun 1879, Joseph Stefan melakukan pengukuran daya total yang dipancarkan benda hitam. Dia menyatakan daya total itu sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Lima tahun kemudian, Ludwing Boltzman menurunkan hubungan yang sama. Persamaan yang didapat dari hubungan ini dikenal sebagai Hukum Stefan-Boltzman, yang berbunyi : energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T⁴). Secara matematis ditulis:

I = e σ T⁴

jika I = P/A

I = P/A = e σ T⁴

P = e σ A T⁴

dengan P = Q/t

Q/t = e σ A T⁴

Q = e σ t A T⁴

Tetapan σ (dibaca sigma) dikenal sebagai tetapan Stefen-Boltzman dan dalam satuan SI mempunyai nilai σ = 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4

Dengan,

P  = daya kalor radiasi yang dipancarkan benda (Watt)

Q = energi kalor radiasi yang dipancarkan benda (Joule)

t   = selang waktu (Sekon)

e  = koefisien emisivitas  (0 ≤ e ≤ 1), untuk benda hitam e = 1

σ = tetapan Stefan-Boltzman = 5,67 x 10^-8 Wm^-2 K^-4

A = luas permukaan benda (m²)

T = suhu mutlak benda (Kelvin), dimana (T = t + 273), t adalah suhu benda dalam ^oC.

Baca Juga: Contoh Soal Radiasi Benda Hitam