Radiasi Benda Hitam

Ketika gas berada dalam keseimbangan termodinamika (KT), laju penyerapan dan pemancaran gas itu seimbang. Nah, situasi ini dapat dibuat dengan memakai kotak yang memiliki dinding dalam bersuhu tetap, katakanlah suhunya T. Kalau gak ada materi atau radiasi atau materi yang keluar dari kotak, maka partikel gas, dan semua radiasi di dalamnya, ujung-ujungnya akan nyampe ke kondisi keseimbangan dalam suhu ini. Gak peduli apa jenis bahan pembuat kotak atau kayak apa bentuknya. Bisa ditunjukkan kalau medan radiasi yang dihasilkan akan bersifat isotropik dan kalau spektrumnya (pancaran yang merupakan fungsi dari frekuensi atau panjang gelombang) hanya tergantung pada T. Radiasi demikian disebut radiasi benda hitam

(bisa juga disebut ‘radiasi rongga’ soalnya sejarah penelitian radiasi ini memakai ‘pemandian termal’ dalam sebuah rongga). Intensitas (kekuatan) khas yang dihasilkan dinyatakan oleh fungsi khusus yang disebut fungsi Planck atau Kurva Planck.

Fungsi ini dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi pada frekuensi dan panjang gelombang, lewat persamaan sebagai berikut:

Dimana satuan yang digunakan adalah cgs. Plot dari Bv(T) dalam berbagai suhu ditunjukkan dalam gambar berikut.

Gambar 1. Kurva Planck untuk suhu dari 2 ribu hingga 10 ribu Kelvin. Sumbu tegak dalam satuan erg/(detik.cm persegi. Hz. sr). Perhatikan kalau puncak kurvanya bergeser ke frekuensi yang tinggi (panjang gelombang pendek) saat suhu meningkat, dan juga kalau benda yang lebih panas memiliki intensitas khas yang lebih tinggi daripada benda dingin dalam semua frekuensi.

Kedua rumus di atas itu saling berhubungan lewat persamaan :

Jadi, integral kedua kurva tersebut, dari nol hingga tak hingga, itu sama. Tapi, fungsinya sendiri beda. Mereka punya maksima berbeda, dan juga ada aturan yang dipakai untuk mengkonversi satu bentuk ke bentuk lainnya.

Karena T dalam persamaan pertama dan kedua adalah nilai yang memberikan intensitas khas radiasi, dia bisa disebut ‘suhu radiasi’. Tapi, perlu diingat kalau suhu radiasi itu sama dengan suhu kinetik gas. Jadi, T dalam persamaan di atas bila ditulis tanpa indeks, akan menyajikan suhu kinetik. Karena harus ada interaksi yang cukup antara radiasi dan materi supaya suhu keseimbangan tercapai, maka gas tersebut harus buram.. Coba lihat gambar berikut

Gambar 2. Dalam kedua gambar ini, sebuah sumber cahaya berada di balik awan gas bersuhu T dan diamati oleh observer. Di gambar atas, jejak bebas rata-rata sebuah foton, l bar, lebih besar daripada ketebalan, x, dari awan ini. akibatnya, observer dapat melihat tembus dari ketebalan awan. Dalam gambar bawah sebaliknya, jalur bebas rata-rata foton lebih kecil dari ketebalan awan. Foton berdifusi ke sisi lain, dan mencapai keseimbangan dengan suhu awan. Observer akibatnya hanya dapat melihat sejauh jalur bebas rata-rata tersebut, alias kulit luar awannya saja. Tapi observer juga akan menemukan spektrum Planck pada suhu kulit ini.

Untuk benda yang buram, jalur bebas rata-rata sebuah foton mestinya lebih kecil daripada ukuran benda. Pengamat yang melihat benda pada sebuah jarak yang kurang lebih sama dengan jarak bebas rata-rata. Kita dengan demikian tiba pada definisi benda hitam yang lebih formal, yaitu, benda hitam adalah benda yang merupakan penyerap sempurna. Kalau sebuah foton, tidak peduli frekuensinya, berada dalam benda hitam, ia tidak akan dipantulkan balik dan tidak juga akan melewatinya. Foton ini akan diserap, yang menunjukkan kalau jalur bebas rata-ratanya lebih kecil dari ukuran benda. Setiap benda buram non reflektif dalam satu suhu tertentu adalah benda hitam. Ini bisa jadi padatan, yaitu benda padat yang tidak memantulkan cahaya. Agar benda ini tetap berada dalam suhu yang sama, penyerapan dan pemancaran harus seimbang. Jadi, benda hitam pasti juga pemancar sempurna. Dan artinya, benda hitam bukanlah berwarna hitam dan bukan pula kata ‘hitam’ berarti tanpa pancaran. Sebaliknya, sebuah benda hitam memancarkan spektrum Planck yang bersinambung yang bentuknya ditentukan oleh suhunya.

Menemukan benda hitam sempurna di alam itu sulit. Namun ada contohnya, yaitu Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik (CMB). Spektrum Planck terukur di setiap posisi di peta ini. Ada sedikit ingsutan dalam suhu pada posisi berbeda menghasilkan sedikit perbedaan kurva Planck dalam posisi berbeda. Kurva Planck rata-rata global diberikan dalam gambar berikut dan sesuai dengan suhu 2.73 Kelvin.

Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik

Gambar 3. Titik data dari kurva ini merupakan hasil pengukuran radiasi latar belakang gelombang mikro dari beragam sumber yang didaftarkan pada plot. Kurva padat yang ada di atas adalah yang paling sesuai dengan spektrum benda hitam, pada suhu 2.73 Kelvin. (Sumber: Hagiwara et al, 2002)

Bintang juga contoh benda hitam, walaupun beberapa ingsutan dari kurva sempurna memang ada, sebagai contoh matahari. 

Coba lihat gambar ini.

Gambar 4. Spektrum matahari, ditunjukkan sebagai panjang gelombang dalam plot logaritmik. Plot ini adalah kepadatan fluks yang diukur dari jauh di bumi. Spektrumnya (kurva hitam) sesuai dengan benda hitam pada suhu 5781 Kelvin (kurva abu-abu) namun mulai menyimpang dalam daerah sinar X dan radio karena aktivitas matahari. Data ini sesuai dengan tetapan matahari sebesar 1366,1 Watt per meter persegi.

Walaupun keseluruhan bintang tidaklah berada dalam satu suhu yang sama, bagian dalamnya lebih panas dari permukaan, kita tidak dapat melihat ke dalam tubuhnya, dan dalam kedalaman yang dapat dilihat, suhunya hampir seragam. Karena bintang memiliki suhu yang sesuai dengan kurva Planck yang berpuncak dekat dengan bagian optik spektrum, sebagian besar radiasi astrofisika yang kita lihat dengan mata kita, baik itu tanpa alat ataupun lewat teleskop optik, adalah karena bintangnya. Ini termasuk juga matahari, dan bukan kebetulan kalau mata kita memiliki sensitivitas terbesar pada bagian dimana kurva Planck matahari berpuncak. Coba lihat gambar berikut.

Gambar 5. Spektrum matahari (kurva tengah, skala kiri) yang dibuat berdasarkan data yang sama dengan gambar 4, kecuali jangkauan panjang gelombang yang lebih terbatas dan skalanya bersifat linier. Suhu kecemerlangan (kurva atas, skala kanan) juga ditunjukkan, diturunkan dari kepadatan fluks dan kemudian menggunakan rumus Planck. Kurva bawah adalah respons fluks siang hari dari mata manusia yang dimuluskan pada resolusi 30 nanometer. (Sumber: Fulton, 2005)

Saat kita melihat ke kedalaman ruang angkasa, yang kita lihat adalah cahaya bintang dari galaksi kita sendiri, galaksi yang dekat dengan kita, hingga kluster galaksi yang jauh. Radiasi benda hitam adalah yang paling relevan dengan apresiasi visual kita pada keindahan langit.

Galaksi Trio Arp 286 di Virgo

Bila kita dapat mengukur intensitas khas sebuah benda dan tahu kalau ia adalah benda hitam, maka dengan kedua rumus Planck, kita bisa menentukan suhunya. Ingat kalau intensitas khas bersifat independen terhadap jarak bila tidak ada materi yang menghalangi, dan berarti kalau kita tidak perlu tahu apapun tentang benda itu, bahkan jaraknya sekalipun, untuk mengetahui suhunya. Lebih jauh, secara prinsip, hanya perlu satu kali pengukuran pada satu frekuensi saja untuk mendapatkan hasil ini, walaupun pada prakteknya, beberapa pengukuran dilakukan untuk memastikan kalau spektrumnya memang bersifat Planck. Sisi lain koin ini adalah, karena kurva Planck tergantung pada suhu semata, kita tidak tahu apapun mengenai jenis atau jumlah materi yang dipancarkan oleh radiasi ini bila hanya mempelajari kurva Planck semata. Entah benda hitam itu sebuah filamen lampu bohlam, cat super hitam buatan manusia yang memantulkan kurang dari 1 persen cahaya yang jatuh padanya, atau interior oven pemanggang setelah suhu keseimbangan tercapai, spektrum Planck yang diperoleh semata tergantung pada suhunya, akan diperoleh.

Benda terhitam di dunia (tengah) hasil penelitian Shawn yu lin 2008 yang memiliki tingkat pemantulan cahaya hanya 0.045 persen

Referensi:

1. Fulton, J. 2005. Processes in Biological Vision
2. K. Hagiwara et al, Phys. Rev. D 66, 010001 (2002)
3. National Research Council (U.S.). Astronomy and Astrophysics Survey Committee. Astronomy and astrophysics in the new millennium: Panel reports. National Academies Press, 2001
4. Rensselaer Polytechnic Institute (2008, January 23). Blacker Than Black: Darkest Manmade Material Ever Made. ScienceDaily. Retrieved August 16, 2010, from http://www.sciencedaily.com­ /releases/2008/01/080122154610.htm

Source: http://www.faktailmiah.com