Rangkuman Kuliah Fisika Kuantum Bab Radiasi Benda Hitam (RBH)

  BAB   I

RADIASI BENDA HITAM

Salah satu sebab lahirnya fisika kuantum adalah

1.  Ditemukannya beberapa gejala pd radiasi benda hitam pd akhir abad ke 19

2.  Radiasi benda hitam tidak dpt diterangkan oleh teori fisika yg telah ada pd saat itu

3.  Agar radiasi benda hitam dpt diterangkan maka konsep energy khususnya energy radiasi harus diubah

4.  Menurut Fisika klasik, energi bernilai malar (kontinu) harus dirombak menjadi energi bernilai diskrit.

Pd saat ini muncul konsep pengkuantuman energi. Selain itu, tetapan Planck, yg menjadi ciri khas fisika kuantum, juga ditemukan dlm rangka perumusan teori radiasi benda hitam.

A. RADIASI  TERMAL

Radiasi termal adalah radiasi yg dipancarkan oleh benda krn temperaturnya disebut radiasi termal.

Setiap benda selalu memancarkan radiasi termal kelingkungannya dan bersama itu juga menyerap radiasi termal dari lingkungannya.

Laju pemancaran dan penyerapan tsb  tdk harus sama. Jika mula-mula temperature benda lebih tinggi dp temperatur lingkungannya, laju pemancaran benda itu melebihi laju penyerapannya shg benda tsb segera menjadi dingin. Jika sudah dicapai kesetimbngan termal dg lingkungannya, laju p  emancarannya selalu sama dg laju penyerapannya.

Radiasi termal pd umumnya terbentang dlm bentuk spektrum yaitu terdiri atas sederetan gelombang dg berbagai frekuensi, atau panjang gelombang. Spektrum tsb dpt berupa spektrum kontinu atau spektrum garis.

Spektrum yg dihasilkan oleh radiasi termal benda padat dan cair berupa spektrum kontinu, sedangkan yg dihasilkan oleh gas berupa spektrum garis.

Pd umumnya, spektrum radiasi termal bergantung pd temperatur dan bahan penyusun benda. Tetapi, spektrum yg dihasilkan oleh benda panas khususnya yg disebut benda hitam (black body) hanya bergantung pd  temperaturnya. Pd temperature yg sama semua benda hitam memancarkan radiasi termal dg spektrum yg sama, apapun bahan penyusunnya.

Karena sifat keuniversalan spektrumnya itulah maka para ahli banyak yg mempelajari radiasi benda hitam.

Benda hitam didefinisikan sbg benda yg menyerap seluruh radiasi yg mengenainya. Contoh terbaik benda hitam adalah lubang kecil di dinding benda berongga. Radiasi yg masuk ke rongga melalui lubang tdk dpt keluar lagi dg segera. Sebab, begitu masuk ke dalam rongga, ia dipantulkan berkali-kali oleh dinding rongga sebelum akhirnya menemukan lubang dan lepas keluar. Lihat gambar 1. Mudah dipahami bhw semakin kecil ukuran lubang semakin kecil pula peluang radiasi tadi yg dpt keluar lagi. Jika lubang dibuat sedemikian kecil shg seluruh radiasi yg masuk tdk dpt keluar lagi maka lubang tadi dikatakan menyerap seluruh radiasi yg mengenainya. Dg dmk, lubang tsb berperilaku sbg benda hitam. Jika ada radiasi ke luar melewatinya, asalkan selalu dari dalam rongga itu sendiri, bukan dari pantulan.

Penyelidikan radiasi benda hitam pada umumnya menggunakan lubang kecil seperti itu. Untuk menghasilkan radiasi, dinding rongga. Radiasi ini selanjutnya lepas ke luar  rongga melewati lubang. Karena lubang telah berperilaku sebagai benda hitam, maka radiasi yang melewatinya dapat digunakan sebagai sample (contoh) radiasi benda hitam yang ideal. Lebih lanjut, karena lubang tidak lain merupakan bagian dari rongga, maka radiasi yang keluar dari lubang tadi juga mewakili radiasi rongga secara keseluruhan.     

B.  DATA EKSPERIMEN RADIASI BENDA HITAM

Tiga hal peting yang akan dibicarakan tt data eksperimen radiasi benda hitam, yaitu:     

(1) distribusi radiasi spectral (spectral radiacy distribution),

(2) hukum Pergeseran Wien, dan

(3) Hukum Stefan-Boltzmann.

1. Distribusi Radiasi Spektral

Radiasi (daya pancar) adalah banyaknya energi yg dipancarkan tiap satu satuan luas permukaan benda hitam tiap satu satuan waktu.

Spektral dimaksudkan untuk menjelaskan bahwa distribusi daya pancar tsb dirumuskan berdasarkan daya pancar yg disumbangkan oleh masing-masing komponen spektrum.

Komponen spektrum dicirikan oleh panjang gelombang atau frekuensi. Jika frekuensi yang mencirikan komponen spektrum, maka distribusi radiasi spectra menyatakan distribusi daya pancar yg disumbangkan oleh komponen spektrum dg frekuensi tertentu.

Daya pancar komponen spektrum juga bergantung pada suhu benda hitam. OS itu, fungsi distribusi radiasi spectral juga bergantung pada suhu benda hitam.

Jika fungsi distribusi radiasi spectral diberi simbul R_T(υ), maka R_T(υ)dυ  menyatakan daya pancar benda hitam yg bersyhy T dan disumbangkan oleh komponen spektrum yg berfrekuensi dari υ sampai (υ+dυ). Data eksp. radiasi benda hitam, khususnya distribusi radiasi spektranya secara semi kualitatif disajikan pd gambar 1.2.