Pertama-tama, mari kita ingat kembali materi tentang skala dan pengertian suhu. Suhu sebuah benda adalah ukuran yang menunjukkan energi dari pergerakan atom dan/ atau molekul. Semakin cepat pergerakan benda (yang dapat melakukan gerak rotasi, gerak gearan, atau gerak translasi), semakin tinggi pula suhunya.

Dalam kasus ini, berdasarkan kesepakatan astronomi, kita gunakan suhu dengan satuan Kelvin. Di bawah ini ada tabel perbandingan Kelvin dan skala suhu yang lain:

Celsius Fahrenheit Kelvin
Berhentinya gerakan molekul -273 -459 0
Titik beku air 0 32 273
Titik didih air 100 212 373

Besarnya satu derajat Celcius sama dengan satu K. Perbedaaan keduanya terletak pada titik nolnya.

Alasan mengulangi materi ini adalah karena kita sekarang akan belajar tentang emisi cahaya dari benda yang berbeda, dan seluruh benda dengan suhu diatas nol mutlak mengeluarkan cahaya.

Caranya dimulai dengan belajar sifat-sifat dari jenis benda yang paling sederhana yang memancarkan cahaya, yang disebut benda hitam. Benda hitam adalah sebuah benda yang menyerap seluruh radiasi yang diterima (yaitu, tidak memantulkan cahaya apapun, dan juga tidak memungkinkan cahaya apapun untuk melewati dan keluar dari sisi manapun). Energi yang terserap akan memanas, dan kemudian akan memancarkan radiasinya sendiri. Satu-satunya parameter yang menentukan banyaknya cahaya benda hitam yang keluar, dan panjang gelombang apa cahaya tersebut, adalah suhu. Tidak ada benda yang benar-benar ideal sebagai benda hitam, namun banyak benda (termasuk bintang) berperilaku layaknya benda hitam. Contoh umum lainnya adalah filament dalam bola lampu pijar atau pembakar pada kompor listrik. Seperti ketika anda menaikkan suhu kompor dari rendah ke tinggi, anda dapat mengamati bahwa kompor tersebut menghasilkan radiasi benda hitam; usurnya akan berubah dari hitam menjadi merah membara.

Suhu sebuah benda menunjukkan banyaknya pergerakan (kecepatan rata-rata) ditunjukkan dengan partikel yang menyusun benda; semakin cepat partikel bergerak, semakin tinggi suhu yang ditunjukkan. Jika anda mengulang kembali dari pelajaran paling awal, kita belajar ketika gerakan partikel yang terisi dipercepat, mereka membuat radiasi elektromagnet (cahaya). Ketika beberapa partikel dengan benda diisi, banyak benda dengan suhu diatas nol mutlak (0 K atau – 273 derajat Celcius) akan mengandung partikel bermuatan yang bergerak, jadi akan memancarkan cahaya.

Sebuah benda hitam, yang merupakan pemancar “ideal” atau “sempurna” (yang berarti sifat pancarannya tidak berubah-ubah tergantung lokasi atau komposisi benda), memancarkan spektrum cahaya dengan sifat sebagai berikut:

  1. Benda hitam yang lebih panas, memancarkan lebih banyak cahaya pada seluruh panjang gelombang. Artinya, jika anda membangdingkan 2 benda hitam, tanpa menghiraukan panang gelombang apa yang anda amati, benda hitam yang lebih panas akan mengeluarkan lebih banyak cahaya dibandingkan dengan yang lebih dingin.
  2. Spektrum benda hitam adalah tetap (dia memancarkan beberapa cahaya pada seluruh panjang bgelombang), dan dia memiliki puncak pada panjang gelombang tertentu. Puncak kurva benda hitam pada sebuah spektrum bergerak ke panjang gelombang yang lebih pendek untuk benda yang lebih panas. Jika anda berpikir istilah cahaya tampak, benda hitam yang lebih panas, panjang gelombangnya akan lebih biru dari pancaran puncaknya. Sebagai contoh, matahari memiliki suhu rata-rata 5800 Kelvin. Sebuah benda hitam dengan suhu ini memiliki puncak rata-rata 500 nanometer, dengan panjang gelombangnya warna kuning. Sebuah benda hitam yang suhunya dua kali suhu matahari (sekitar 12000 K) akan memiliki puncak spektrum kurang lebih 250 nanometer, yang merupakan bagian sinar UV dari spektrum.

di sini ada dua dimensi tempat spektrum dari sebuah benda hitam dengan suhu yang berbeda:

Gambar 3.5: dua dimensi tempat dari spektrum sebuah benda hitam dengan suhu yang berbeda. Credit: Wikipedia
Gambar 3.5: dua dimensi tempat dari spektrum sebuah benda hitam dengan suhu yang berbeda. Credit: Wikipedia

Sifat yang pertama dari dua sifat yang disebutkan di atas (dan terlihat pada gambar di atas) biasanya mengacu pada Hukum Stefan-Boltzmann yang dirumuskan sebagai berikut:

E = σ T4

dimana:

E adalah energi yang dipancarkan tiap satu satuan luas, atau intensitas,
σ adalah tetapan, dan
T adalah suhu (dalam Kelvin)

Apa yang dijelaskan dalam persamaan ini adalah bahwa setiap anda melipatgandakan temperature benda hitam menjadi dua kali lipat, energi per sentimeter persegi akan naik sebesar 24 = 2x2x2x2 = 16. Jadi, contohnya, benda hitam dengan suhu 5000 K mengeluarkan energi per satuan luas 16 kali lebih banyak daripada benda hitam dengan suhu 2500 K.

Besarnya luminositas dari sebuah benda hitam, yaitu, seberapa banyak energi seluruh benda dipancarkan, yaitu energi per satuan luas (E) dikalikan dengan luas permukaan. Untuk benda berbentuk bola, yaitu:

L = 4 π R2σ T4

L adalah luminositas (energi per satuan waktu) dan R adalah jari-jari bola.

Sifat kedua dari dua sifat di atas disebut sebagai Hukum Wien. Untuk menghitung puncak panjang gelombang dari spektrum benda hitam, persamaannya adalah:

λ max = (0.29 cm K) / T

Contohnya, untuk matahari, λ max = (0.29 cm K) / 5800 K = 5 x 10-5 cm = 500 nm

Cobalah!

Ada alat interaktif online dari  University of Colorado untuk meneliti spektrum dari benda hitam yang berbeda. Berikut link untuk membuka alat tersebut: PhET Interactive Simulation of the Blackbody Spectrum..

  1. Dengan menggunakan pengukur suhu, atur suhu dari 3000 K (bola lampu), 5700 K (matahari), dan 8490 (bintang panas)
  2. Menggunakan zoom in dan zoom out kontrol di sisi kiri untuk menyesuaikan sumbu y yang diperlukan.
  3. Bandingkan warna dari benda (benda berbentuk bintang dekat tempat warna B G R), panjang gelombang dimana puncak kurva, dan tinggi puncak kurva untuk ketiga suhu