Radiasi benda-hitam: Perbedaan antara revisi
Konten dihapus Konten ditambahkan
Mengganti Ilc_9yr_moll4096.png dengan WMAP_2012.png (berkas dipindahkan oleh CommonsDelinker; alasan: File renamed: Criterion 4 (harmonizing names of file set) · to ma |
|||
| (10 revisi perantara oleh 4 pengguna tidak ditampilkan) | |||
Baris 36:
Sebaliknya semua benda normal menyerap radiasi elektromagnetik sampai derajat tertentu. Benda yang menyerap semua radiasi yang jatuh padanya, pada semua [[panjang gelombang]], disebut benda hitam. Jika benda hitam berada pada suhu yang seragam, emisinya memiliki distribusi frekuensi karakteristik yang tergantung dari suhu. Emisinya disebut radiasi benda-hitam.{{butuh rujukan}}
Konsep benda hitam adalah idealisasi, karena benda hitam sempurna tidak ada di alam.<ref name="Planck 1914 42">{{harvnb|Planck|1914|page=42}}</ref> [[Grafit]] dan [[karbon hitam]], dengan emisivitas lebih dari 0.95, adalah perkiraan material hitam. Secara eksperimen, radiasi benda-hitam dapat muncul sempurna sebagai radiasi kesetimbangan ''steady-state'' stabil pada rongga dalam [[benda tegar]], pada suhu seragam, yang sepenuhnya buram dan hanya sedikit memantul (reflektif).<ref name="Planck 1914 42"/> Sebuah boks tertutup dengan dinding grafit pada suhu kontan dengan lubang kecil pada satu sisi menghasilkan perkiraan yang baik bagi radiasi benda-hitam memancar dari bukaannya.<ref>{{harvnb|Wien|1894}}</ref><ref>{{harvnb|Planck|1914|page=43}}</ref>
Radiasi benda hitam memiliki distribusi intensitas radiatif yang stabil, absolut, dan unik yang dapat bertahan dalam kesetimbangan termodinamika dalam rongga.<ref name="Planck 1914 42"/> Dalam kesetimbangan, untuk tiap frekuensi, total intensitas radiasi yang dilepas dan dipantulkan dari sebuah benda (jumlah radiasi bersih yang meninggalkan permukaan, disebut ''radiansi spektral'') ditentukan hanya dengan temperatur kesetimbangan, tidak tergatung dari bentuk, material, atau struktur benda.<ref name=Caniou>
Baris 65:
Dua benda yang suhunya sama berada dalam kesetimbangan termal, maka benda pada temperatur T dikelilingi oleh awan cahaya pada temperatur T, rata-rata akan melepas cahaya ke awan sebanyak yang ia serap, mengikuti azas pertukaran Prevost yang merujuk ke [[kesetimbangan radiatif]]. Azas [[detailed balance|neraca terperinci]] mengatakan bahwa pada kesetimbangan termodinamik semua proses elementer dapat dipahami dengan akal sehat dilihat dari sisi depan maupun sisi belakang.<ref>de Groot, SR., Mazur, P. (1962). ''Non-equilibrium Thermodynamics'', North-Holland, Amsterdam.</ref><ref>{{harvnb|Kondepudi|Prigogine|1998}}, Section 9.4.</ref> Prevost juga membuktikan bahwa emisi dari sebuah benda secara logika ditentukan hanya dari keadaan internalnya. Efek sebab akibat absorpsi dalam emisi termodinamik (spontan) tidak secara langsung karena hanya berakibat pada keadaan internal benda. Hal ini berarti pada kesetimbangan termodinamik jumlah setiap panjang gelombang pada tiap arah radiasi termal dilepas oleh benda pada temperatur ''T'', hitam atau bukan, sama dengan jumlah yang diserap benda karena ia dikelilingi cahaya pada temperatur ''T''.<ref name="Stewart 1858">{{harvnb|Stewart|1858}}</ref>
Ketika benda adalah hitam, absorpsinya jelas: jumlah cahaya yang diserap adalah semua yang mengenai permukaan. Untuk benda hitam yang lebih besar daripada panjang gelombang, energi cahaya yang diserap pada panjang gelombang ''λ'' berapapun per satuan waktu adalah berbanding lurus dengan kurva benda-hitam. Hal ini berarti kurva benda-hitam adalah jumlah energi cahaya yang dilepas oleh benda hitam. Ini menjadi kondisi untuk pengaplikasian [[Hukum radiasi termal Kirchhoff]]: kurva benda-hitam adalah karakteristik cahaya termal, yang hanya tergantung pada [[temperatur]] dinding rongga, menyatakan bahwa dinding rongga adalah sepenuhnya buram dan sama sekali tak memantul, dan rongga berada dalam [[kesetimbangan termodinamik]].<ref name="Huang">{{cite book |last=Huang |first=Kerson|title=Statistical Mechanics |year=1967 |publisher=John Wiley & Sons |location=New York |isbn=0-471-81518-7}}</ref> Ketika benda hitam berukuran kecil, ukurannya sebanding dengan panjang gelombang cahaya, maka absorpsinya menjadi berbeda, karena objek kecil bukanlah penyerap yang efisien bagi cahaya dengan panjang gelombang besar, tetapi asas persamaan emisi dan absorpsi selalu digunakan pada kondisi kesetimbangan termodinamik.{{butuh rujukan}}
Di laboratorium, radiasi benda-hitam didekati dengan radiasi dari sebuah lubang kecil dalam rongga besar ([[hohlraum]]), dalam sebuah benda buram yang hanya memantul sebagian, yang dijaga pada suhu konstan. (Teknik ini mengarah pada istilah alternatif ''radiasi rongga''.) Tiap cahaya yang memasuki lubang harus memantulkan dinding rongga beberapa kali sebelum ia lolos, dimana pada proses tersebut ia hampir pasti diserap. Absorpsi muncul tidak peduli berapa [[panjang gelombang]] radiasi yang masuk (selama itu kecil bila dibandingkan dengan lubangnya). Lubang ini, adalah pendekatan dari sebuah benda hitam teoretis dan, jika rongga dipanaskan, [[densitas spektral daya]] dari radiasi lubang (jumlah cahaya yang dilepas dari lubang tiap panjang gelombang) akan kontinu, dan hanya akan tergantung dari suhu dan fakta bahwa dindingnya buram dan paling tidak menyerap sebagian, tapi tidak pada material tertentu dimana mereka dibuat atau pada material dalam rongga (bandingkan dengan [[spektrum emisi]]).{{butuh rujukan}}
Perhitungan kurva benda-hitam merupakan tantangan utama dalam [[fisika teoretis]] selama abad ke-19. Masalah ini diselesaikan tahun 1991 oleh [[Max Planck]] yang saat ini dikenal dengan [[Hukum Planck]] untuk radiasi benda-hitam.<ref>{{cite journal
Baris 82:
|bibcode=1901AnP...309..553P
}}</ref>
Dengan mengubah [[hukum radiasi Wien]] (tidak sama dengan [[hukum perpindahan Wien]]) konsisten dengan [[termodinamika]] dan [[elektromagnetisme]], ia menemukan persamaan matematika dengan mem-''fitting'' data percobaan dengan hasil yang lumayan baik. Planck harus mengasumsi bahwa energi osilator dalam rongga dikuantisasi, dengan kata lain ia ada pada kelipatan [[bilangan bulat]]. [[Albert Einstein|Einstein]] mengembangkan ide ini dan mengajukan kuantisasi radiasi elektromagnetik pada tahun 1905 untuk menjelaskan [[efek fotolistrik]]. Teori ini akhirnya menggantikan elektromagnetisme klasik dengan munculnya [[elektrodinamika kuantum]]. Kuanta ini disebut [[foton]] dan rongga benda-hitam disebut berisi [[gas foton]]. Kemudian, ia mengarahkan pada pengembangan distribusi probabilitas kuantum, disebut [[statistik Fermi–Dirac]] dan [[statistik Bose–Einstein]], tiap hukum diaplikasikan ke kelas partikel yang berbeda, [[fermion]] dan [[boson]].{{butuh rujukan}}
Panjang gelombang dimana radiasi pada posisi terkuat dinyatakan pada hukum perpindahan Wien, dan daya keseluruhan yang dilepas per satuan luas dinyatakan pada [[Hukum Stefan–Boltzmann]]. Maka, jika temperatur meningkat, warna terang berubah dari merah menjadi kuning, kemudian putih, dan menjadi biru. Meski jika puncak panjang gelombang menjadi ultra-violet, radiasi tetap dilepaskan pada panjang gelombang biru dan benda tetap terlihat biru. Benda tidak mungkin menjadi tak terlihat - radiasi cahaya terlihat meningkat [[fungsi monotonik|secara monotonik]] terhadap suhu.<ref name="Landau">{{cite book |last=Landau |first=L. D.|author2=E. M. Lifshitz|title=Statistical Physics |edition=3rd Edition Part 1 |year=1996|publisher=Butterworth–Heinemann |location=Oxford |isbn=0-521-65314-2}}</ref>
[[Radiansi]] atau intensitas teramati bukan merupakan fungsi arah. Maka, benda hitam adalah radiator [[Hukum kosinus Lambert|Lambertian]] sempurna.{{butuh rujukan}}
Benda real tidak pernah berperilaku seperti benda hitam ideal, dan radiasi yang dilepaskan pada frekuensi tersebut itu hanya sebagian dari emisi ideal seharusnya. [[Emisivitas]] material menspesifikasi seberapa baik sebuah benda meradiasikan energi jika dibandingkan dengan benda hitam. Emisivitas ini tergantung dari beberapa faktor seperti suhu, sudut emisi, dan panjang gelombang. Namun, pada ilmu rekayasa pada umumnya diasumsikan bahwa emisivitas dan absorpsivitas permukaan tidak tergantung pada panjang gelombang, sehingga besar emisivitas adalah konstan. Hal ini dikenal dengan asumsi "benda abu-abu".{{butuh rujukan}}
[[Berkas:
Dengan permukaan non-hitam, penyimpangan dari perilaku benda-hitam ideal ditentukan dari struktur permukaan, seperti kekasaran atau granularitas, dan komposisi kimia. Pada basis "per panjang gelombang", benda real dalam keadaan [[Kesetimbangan termodinamika#Kesetimbangan lokal dan global|kesetimbangan termodinamika lokal]] masih mengikuti [[Hukum Kirchhoff (termodinamika)|Hukum Kirchhoff]]: emisivitas sama dengan absorptivitas, maka objek yang tidak menyerap semua cahaya juga akan melepas radiasi lebih sedikit daripada benda hitam ideal; radiasi tak sempurna dapat disebabkan karena cahaya ditransmisikan melalui benda atau beberapa diantaranya dipantulkan pada permukaan benda.{{butuh rujukan}}
Dalam [[astronomi]], objek seperti [[bintang]] sering dianggap sebagai benda hitam meskipun pendekatannya masih tidak baik. Sebuah spektrum benda hitam yang nyaris sempurna ditunjukkan oleh [[radiasi latar gelombang mikro kosmik]]. [[Radiasi Hawking]] adalah radiasi benda-hitam hipotesis yang dilepas oleh [[lubang hitam]], pada temperatur yang tergantung dari massa, muatan, dan spin dari lubang. Jika prediksinya benar, lubang hitam secara bertahap akan menyusut dan menguap seiring waktu karena mereka kehilangan massa karena emisi foton dan partikel lainnya.{{butuh rujukan}}
Sebuah benda hitam meradiasikan energi pada semua frekuensi, tetapi intensitasnya dengan cepat cenderung ke nol pada frekuensi tinggi (panjang gelombang pendek). Contohnya, benda hitam pada suhu ruang (300 K) dengan luas permukaan 1 meter persegi akan melepas foton pada ''range'' terlihat (390–750 nm) dengan kecepatan rata-rata tiap 1 foton tiap 41 detik, berarti benda hitam tidak melepas pada ''range'' terlihat.<ref>Matematika:Intensitas planck (energi/det/area/solid angle/panjang gelombang) adalah:
Baris 122:
=== Hukum perpindahan Wien ===
[[Hukum perpindahan Wien]] menjelaskan bagaimana spektrum radiasi benda-hitam pada suhu berapapun berkorelasi dengan spektrum pada suhu lainnya. Jika diketahui bentuk spektrum pada suatu suhu, maka bentuk spektrum pada suhu lainnya dapat dihitung. Intensitas spektrum dapat dinyatakan sebagai fungsi panjang gelombang atau fungsi frekuensi.{{butuh rujukan}}
Akibat dari hukum perpindahan Wien adalah panjang gelombang saat intensitas ''per satuan panjang gelombang'' dari radiasi yang dihasilkan benda hitam ketika maksimum, <math>\lambda_\max</math>, hanya sebagai fungsi temperatur:
Baris 144:
=== Hukum Stefan–Boltzmann ===
[[Hukum Stefan–Boltzmann]] menyatakan bahwa daya yang dilepas per satuan luas dari permukaan benda hitam adalah berbanding lurus dengan pangkat empat suhu absolutnya:{{butuh rujukan}}
:<math>j^\star = \sigma T^4,</math>
dengan ''j*'' adalah total daya yang diradiasikan per satuan luas, ''T'' adalah [[temperatur absolut]] dan {{nowrap|''σ'' {{=}} {{val|5.67|e=-8|u=W m<sup>−2</sup> K<sup>−4</sup>}}}} adalah [[konstanta Stefan–Boltzmann]]. Hal ini didapat dengan mengintegralkan <math>I(\nu,T)</math> terhadap frekuensi dan ''solid angle'':
Baris 164:
|Banyak energi manusia diradiasi keluar dalam bentuk cahaya [[inframerah]]. Beberapa material menjadi transparan pada inframerah namun buram pada cahaya tampak, seperti kantong plastik pada pencitraan inframerah berikut (bawah). Material lainnya terlihat transparan pada cahaya terlihat, tetapi buram atau memantul pada inframerah, seperti pada kacamata yang dipakai.
|}
Seperti zat lainnya, tubuh manusia meradiasikan beberapa energi keluar sebagai cahaya [[inframerah]].<ref>{{Cite book|last=Noer|first=Zikri|last2=Dayana|first2=Indri|date=November 2021|url=https://www.google.co.id/books/edition/Buku_Fisika_Kuantum/_Z5OEAAAQBAJ?hl=id&gbpv=1&dq=Seperti+zat+lainnya,+tubuh+manusia+meradiasikan+beberapa+energi+keluar+sebagai+cahaya+inframerah&pg=PA33&printsec=frontcover|title=Buku Fisika Kuantum|publisher=Guepedia|isbn=978-623-5508-58-0|editor-last=Guepedia|pages=33|url-status=live}}</ref>
Daya radiasi bersih adalah perbedaan antara daya yang dilepas dan daya yang diserap:
Baris 213:
== Hubungan temperatur antara sebuah planet dan bintangnya ==
Hukum benda-hitam dapat digunakan untuk memperkirakan temperatur sebuah planet yang mengorbit matahari.{{butuh rujukan}}
[[Berkas:Erbe.gif|jmpl|300px|Intensitas [[Earth's energy budget#Outgoing energy|radiasi]] termal gelombang panjang bumi, dari awan, atmosfer, dan tanah]]
Temperatur sebuah planet tergantung dari beberapa faktor:{{butuh rujukan}}
* Radiasi dari bintangnya
* Radiasi yang dilepas planet, seperti [[Earth's energy budget#Outgoing energy|cahaya inframerah bumi]]
Baris 223:
* Energi yang dihasilkan oleh planet itu sendiri akibat [[peluruhan radioaktif]], [[panas pasang surut]], dan [[mekanisme Kelvin–Helmholtz|kontraksi adiabatik akibat pendinginan]].
Analisis ini hanya menganggap panas matahari untuk planet-planet yang ada di [[Tata Surya|tata surya]].
[[Hukum Stefan–Boltzmann]] merumuskan total [[daya (fisika)|daya]] (energi/detik) yang dilepas oleh matahari:
Baris 253:
:<math>P_{\rm emt} = \overline{\epsilon}\,P_{\rm emt\,bb} \qquad \qquad (5)</math>
Untuk sebuah benda berada dalam [[Kesetimbangan radiatif#Definisi kesetimbangan radiatif#kesetimbangan pertukaran radiatif|kesetimbangan pertukaran radiatif]] dengan lingkungannya, kecepatan dimana ia melepas [[energi radiasi]] sama dengan kecepatan ia menyerapnya:<ref name="Prevost 1791">Prevost, P. (1791). Mémoire sur l'equilibre du feu. ''Journal de Physique'' (Paris), vol 38 pp. 314-322.</ref><ref>Iribarne, J.V., Godson, W.L. (1981). ''Atmospheric Thermodynamics'', second edition, D. Reidel Publishing, Dordrecht, ISBN 90-277-1296-4, page 227.</ref>
:<math>P_{\rm serap}=P_{\rm lepas} \qquad \qquad (6)</math>
Baris 319:
Disini ''v'' > 0 menunjukkan sumber menjauh, dan ''v'' < 0 menunjukkan sumber mendekati.
Hal ini merupakan efek penting dalam astronomi, dimana kecepatan bintang dan galaksi dapat mencapai kecepatan yang mendekati ''c''. Contohnya adalah [[radiasi latar gelombang mikro kosmik]], yang menunjukkan dipol anisotropi dari gerak bumi relatiif terhadap medan radiasi benda hitam.{{butuh rujukan}}
== Lihat juga ==
Baris 494:
|year=1995
|title=Optical Coherence and Quantum Optics
|url=https://archive.org/details/opticalcoherence0000mand |publisher=[[Cambridge University Press]]
|isbn=0-521-41711-2
|ref=harv
| |||
