Radiasi Benda HItam

Kesuksesan yang spektakuler dari teori Maxwell tentang asumsi cahaya, telah memungkinkan dilakukan suatu usaha untuk mengaplikasikan teori tersebut pada percobaan untuk menemukan jawaban dari teka teki lama tentang radiasi yang dikenal dengan masalah “banda hitam”. Masalah pokoknya adalah bagaimana memprediksi intensitas  radiasi yang diberikan oleh benda padat pada temperatur tertentu.
Teori kuantum dimulai dengan fenomena radiasi benda hitam. Apabila suatu benda dipanaskan maka akan tampak mengeluarkan radiasi (misalnya ditandai dengan terpancarnya cahaya yang berwarna warni). Dalam keadaan kesetimbangan maka cahaya yang dipancarkan akan tersebar dalam seluruh spektrum frekuensi f atau panjang gelombang λ, dan kita berusaha mendefinisikan daya yang terpancar sebagai energi emisi pada panjang gelombang λ per satuan luas per satuan waktu, E(λ,T). Ini adalah fingsi universal. Berbicara tentang radiasi benda hitam, berrti kita membahas tentang benda yang memiliki karakteristik penyerap sempurna terhadap radiasi yang mengenainya. Secara praktis kita dapat mengilustrasikan benda hitam sebagai sebuah kotak dengan lubang kecil sedemikian sehingga sembarang radiasi yang masuk ke dalam benda hitam melalui lubang kecil, akan terpantul pantul diantara dinding bagian dalam benda hitam dan tidak ada kemungkinan lolos keluar (karakteristik penyerap sempurna) lewat lubang tersebut seperti pada gambar berikut:

Kirchhoff (1859) menunjukkan dari hukum kedua termodinamika, bahwa radiasi di dalam rongga benda hitam bersifat isotropik yaitu fluks radiasi bebas dari arah/orientasi, kemudian juga bersifat homogeny yaitu fluks radiasi sama untuk disetiap titik, dan juga sama dalam semua rongga pada suhu yang sama, untuk setiap sepanjang gelombang.
Daya emisi (dengan alas an geometric sederhana) lalu dikaitkan dengan rapat energi u(λ,T) di dalam rongga adalah:

u(λ,T) = [4E (λ,T)]/c

Selanjutnya pada tahun 1879, seorah ahli fisika dari Australia mengemukakan suatu hasil eksperimen bahwa emisivitas dari benda padat yang panas sebanding dengan temperatur absolut benda pangkat empat”. Dengan demikian, total emisi adalah radiasi intensitas pada semua frekuensi. Persamaan total emisi ini dikenal sebagai persamaan Stefan-Boltzmann yang dapat dituliskan sebagai berikut:

E = ∫E_f df = τ T⁴

Dimana:               E = daya emisi benda hitam persatuan luas

E_f= daya emisi benda hitam per satuan luas per satuan frekuensi/waktu

T = temperatur absolut/mutlak benda (^oK)

Τ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10^-8 w.m^-2.K^-4

Suatu benda yang bukan radiator ideal juga memenuhi persamaan di atas, tetapi mempunyai koefisien absorbsi “e” yang nilainya kurang dari 1, sehingga dituliskan :

E = e τ T⁴

Dimana, e = emisivitas (0 ≤ e ≤ 1)
Selain Kirchhoff dan Stefan-Boltzmann, ada juga persamaan Wien dan Rayleigh mengenai radiasi benda hitam.