MENGUKUR INTENSITAS RADIASI BENDA
HITAM SEBAGAI FUNGSI SUHU (HUKUM STEFAN-BOLTZMAN)
KATA KUNCI:
Intensitas Radiasi Benda Hitam, Pangkat T, Konstanta Pendinginan Newton
PENDAHULUAN
Panas (kalor) dari matahari
sampai ke bumi melalui gelombang elektromagnetik. Perpindahan ini disebut
radiasi, yang dapat berlangsung dalam ruang hampa. Radiasi yang dipancarkan
oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya disebut radiasi panas (thermal
radiation).
Setiap benda secara kontinu
memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tetapi umumnya 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. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas
relatif dari spectrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Ini menyebabkan
pergeseran dalam warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk
menaksir suhu suatu benda.
Radiasi
benda hitam merupakan salah satu teka-teki besar fisika yang menjadi pemicu
terjadinya revolusi dalam bidang fisika. Revolusi ini melahirkan fisika
kuantum. Penelitian tentang radiasi benda hitam melibatkan banyak sekali
ilmuwan.
Tidak ada benda yang hitam
sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam. walaupun
permukaan dalam kotak dicat putih Mengapa demikian? Ketika radiasi dari cahaya
matahari memasuki lubang kotak, radiasi dipantulkan berulang–ulang (beberapa
kali) oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hamoir 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.
Pada
percobaan “menentukan Intensitas radisasi benda hitam sebagai fungsi suhu”
bertujuan untuk membuktikan eksperimen yang dilakukan oleh Max Planck, dimana
hipotesisyang diajukan Planck bertentangan dengan teori klasik tentang
gelombang elektromagnetik yang merupakan awal dari lahirnya teori kuantum.
Teori
kuantum sangat penting dalam ilmu pengetahuan karena pada prinsipnya teori in
dapat digunakan untuk meramalkan sifat-sifat kimia dan fisika suatu zat[2]
Selain
untuk menentukan intensitas radiasi, praktikum ini juga bertujuan untuk
mengajarkan kepada praktikan sikap-sikap ilmiah yang ditunjukkan oleh
ilmuwan-ilmuwan terdahulu dalam melakukan eksperimen, sehingga bisa menjadi
teladan dan mampu diaplikasikan dalam proses penyelidikan ini.
Metode yang digunakan untuk menentukan radiasi benda
hitam adalah dengan membandingkan pertambahan suhu suatu benda dan sifat
permukaannya, dimana benda hitam menyerap radiasi panas pada seluruh panjang
gelombang.
TEORI
Radiasi
benda hitam merupakan salah satu teka-teki besar fisika yang menjadi pemicu
terjadinya revolusi dalam bidang fisika. Revolusi ini melahirkan fisika
kuantum. Penelitian tentang radiasi benda hitam melibatkan banyak sekali
ilmuwan. Salah satu di antaranya adalah Kirchhoff, seorang profesor fisika di
Heidelberg.Kirchhoff menemukan bahwa rapat intensitas spektral, yaitu
intensitas per satuan panjang gelombang dan per satuan sudut padatan, dari
sebuah benda hitam merupakan fungsi dari panjang gelombang dan temperatur
tetapi tidak bergantung pada dimensi benda hitam tersebut. Dalam tulisannya,
Kirchhoff menekankan pentingnya menemukan bentuk fungsi tersebut.
Kerapatan
intensitas spektral radiasi benda hitam memiliki hubungan yang sederhana dengan
rapat energi spektral (energi per satuan panjang gelombang per satuan volume)
radiasi dalam rongga benda hitam. Namun, untuk membuktikan hal tersebut perlu
dilakukan pengukuran kerapatan intensitas spektral, yang sayangnya, pada saat
itu belum dapat dilakukan. Pengukuran ini baru dapat dilakukan 20 tahun
kemudian.Waktu itu fisikawan dapat mengukur intensitas keseluruhan spektrum
tanpa mengetahui bahwa intensitas spektrum ini bergantung pada panjang
gelombang.
Josef
Stefan (1835-1893) di Vienna pada tahun 1879 yang pertama kali menemukan bahwa
rapat energi seluruh spektrum ini sebanding dengan pangkat empat dari
temperatur benda hitam.
Lima
tahun kemudian, LudwigBoltzmann (1844-1906) salah seorang tokoh perintis
mekanika statistik yang mengenalkan konsep tekanan radiasi, menunjukkan bahwa
persamaan empiris Stefan dapat diperoleh secara teoritis dari hukum kedua
termodinamika. Kolaborasi dua orang tokoh inilah, Stefan dan Boltzmann, yang
memulai langkah pertama dalam upaya menemukan
fungsi Kirchhoff. [3]
Kirchhoff
(1859) menunjukkan dari hokum kedua termodinamika, bahwa radias di dalam rongga
benda hitam bersifar isotropic, yaitu fluks radiasi bebas dari arah/ orientasi,
kemudian juga bersifat homogeny yaitu fluks radiasi sama untuk di setiap titik,
dan juga sama dalam semua rongga pada suhu yang sama untuk setiap panjang
gelombang. Benda yang menyerap radiasi panas pada seluruh panjang gelombang
disebut benda hitam. Lubang kecil pada sebuah benda berongga berperilaku
sebagai benda hitam sempurna (gagasan ini pertama kali dikemukakan oleh
Kirchhoff) [2]
Asas Hukum
Stefan-Boltzmann menyatakan bahwa radiasi total yang dipancarkan oleh sebuah benda
sebanding dengan naiknya suhu mutlak pangkat 4. Misalkan radiasi yang terpancar
dari sebuah permukaan adalah M (M = daya total radiasi), maka besarnya radiasi
yang terpancar dirumuskan sebagai,
Planck mengemukakan bahwa sebuah ato yang bergetar
hanya dapat menyerap dan memncarkan energy kembali dalam bentuk
buntelan-buntelan energy yang disebut dengan kuanta. Jika energy kuanta
berbanding lurus dengan frekuensi radiasi, energinya akan turut pula menjadi
besar, tetapi karena tidak ada satupun gelombang yang dapat memiliki energy
melebihi kT, maka tidaka da gelombang berdiri yang energy kuantumnya lebih
besar dari kT. Ini secara efektif membatasi intensitas radiasi. Rumusan Planck mengenai
intensitas radiasi dapat digunakan untuk menurunkan hukum Stefan dan hukum
pergeseran Wien, dan ternyata penurunan hukum Stefan dari rumus Planck
memberikan hubungan tetapan Stefan-Boltzmann dan tetpan Planck [1]
METODOLOGI
EKSPERIMEN
Setiap
benda meradiasikan panas. Intensitas radiasi panas (bersifat elektromagnetik)
bertambah dengan bertambahnya suhu benda, serta bergantung pada sifat
permukaannya. Pada panjang gelombang tertentu, semakin besar radiasi panas yang
dipancarkan, maka semakin besar radiasi panas yang diserap oleh benda tersebut.
Benda
yang menyerap radiasi panas pada seluruh panjang gelombang disebut benda hitam.
Lubang kecil pada sebuah benda berongga berperilaku sebagai benda hitam
sempurna (gagasan ini pertama kali dikemukakan oleh Kirchhoff). Adapun alat dan
bahan dalam percobaan ini yaitu:
1. Satuset
alat eksperimen produksi Leybold GmBH, yang terdiri atas Oven listrik untuk
tegangan 230 V, Asesori benda hitam, Safety connection box with ground, Sensor
CASSY, CASSY Lab, adaptor NiCr-Ni, sensor temperatur NiCr-Ni 1,5 mm, boks μV, termofile Moll, Bench optik kecil,
shortrod, Penyangga berbentuk V, 28 cm,
Multiclamp Leybold, Clamp universal, dan kabel berpasangan 100 cm,
merah/biru
2. Tambahan:1
PC dengan sistem operasi Windows 98 atau
yang lebih tinggi
3. Peralatan lain yang direkomendasikan yaitu
Satuimmersion pump 12 V, Satulow-voltage power supply, Satu silicone tubing, 7
mm Ø, dan Satu laboratory bucket, 10 l.
Sebelum
melakukan pengamatan intensitas radiasi benda hitam, terlebih dahulu kita
mempelajari seluruh komponen yang telah terpasang dengan benar sehingga tidak
perlu dilakukan pengaturan lagi. Setelah itu kita menghubungkan semua alat ke
sumber tegangan termasuk computer yang akan kita gunakan dalam pengambilan data.
Dalam
percobaan ini, sebelum menyalakan oven listrik yang telah dilengkapi oleh
asesori benda hitam terlebih dahulu dijalankan pompa air selama kurang lebih 2
menit. Setelah 2 menit oven dinyalakan dan menunggu sampai suhu oven naik 5000C,
dimana perubahan suhu diamati dilayar computer yang telah dilengkapi software
CASSY Lab.
REFERENSI
[1].Kenneth Krane. 1992. Fisika Modern. Terjemahan
H. J. Wospakrik. Jakarta, Penerbit Universitas Indonesia (UI-Press).
[2]. Malago, Jasruddin Daud. 2005. Pengantar Fisika
Modern. Badan Penerbit UNM. Makassar.
[3].Subaer,
dkk. 2013. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I Unit Laboratorium Fisika
Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.
Untuk versi lengkapnya silahkan download DISINI