Radiasi benda hitam

Benda hitam adalah model, bukan sekadar benda yang dicat hitam

Benda hitam ideal menyerap semua radiasi elektromagnetik yang datang, apa pun panjang gelombang dan arahnya. Pada kesetimbangan termal, ia juga memberi spektrum acuan untuk emisi termal. Lubang kecil pada rongga buram adalah pendekatan fisik yang baik: radiasi yang masuk mengalami banyak pantulan dan kecil kemungkinan keluar lagi.

Kata “hitam” menyatakan penyerapan sempurna, bukan warna yang terlihat saat benda panas. Benda hitam yang cukup panas dapat bersinar merah, putih, atau putih kebiruan karena memancarkan kuat di wilayah tampak.

Suhu membentuk ulang seluruh spektrum

Pada setiap suhu hingga, benda hitam memancarkan pada rentang panjang gelombang luas. Jika daya spektral digambar per satuan panjang gelombang, kurva memiliki satu maksimum. Saat suhu naik, kurva meninggi pada semua panjang gelombang dan puncaknya bergeser ke panjang gelombang lebih pendek.

Hukum pergeseran Wien: λmax T=b, b≈2,898×10⁻³ m·K. Gunakan suhu absolut. Hukum ini menunjukkan lokasi puncak untuk spektrum per satuan panjang gelombang, bukan bahwa benda hanya memancarkan di λmax.

Jelajahi perubahan suhu

Geser suhu dan bandingkan dua prediksi: panjang gelombang puncak dari hukum Wien dan total daya per satuan luas dari hukum Stefan–Boltzmann.

Total emisi termal meningkat sebagai T⁴

Untuk benda hitam ideal, M=σT⁴, dengan σ=5,670×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴.

Pangkat empat membuat suhu sangat berpengaruh. Pada luas yang sama, permukaan dengan suhu absolut dua kali lebih tinggi memancarkan daya total per area 16 kali lebih besar. Permukaan nyata sering diberi emisivitas ε<1, sedangkan benda hitam ideal ε=1.

Persamaan ini menggambarkan radiasi yang dipancarkan. Untuk pertukaran panas radiasi bersih dengan lingkungan, radiasi yang datang dari lingkungan juga harus dihitung.

Mengapa fisika klasik gagal dan gagasan Planck berhasil

Model klasik gagal mereproduksi spektrum benda hitam terukur pada panjang gelombang pendek. Planck mendapatkan bentuk yang benar dengan memperlakukan pertukaran energi antara materi dan mode elektromagnetik sebagai terkuantisasi dalam jumlah yang terkait frekuensi melalui E=hf.

Distribusi Planck lengkap menjelaskan spektrum lebar, ketergantungan pada suhu, serta menghasilkan hukum Wien dan Stefan–Boltzmann sebagai konsekuensi. Radiasi benda hitam menjadi salah satu pengamatan yang mendorong lahirnya gagasan kuantum.

Contoh terhitung

1. Puncak permukaan mirip Matahari

Perkirakan λmax pada T=5800 K.

2. Benda suhu ruang

Cari λmax untuk T=300 K.

3. Suhu absolut dua kali

Dua benda hitam sama luas; B bersuhu Kelvin dua kali A.