Pancaran Badan Hitam: Definisi Ciri-ciri dan Aplikasi

Objek badan hitam ditakrifkan sebagai objek yang diidealkan yang menyerap semua radiasi elektromagnetik yang jatuh ke atasnya dan mengeluarkan radiasi dengan spektrum berterusan yang bergantung hanya pada suhunya. Radiasi badan hitam adalah radiasi termal yang dikeluarkan oleh badan hitam dalam kesetimbangan termodinamik dengan persekitarannya. Radiasi badan hitam mempunyai banyak aplikasi dalam fizik, astronomi, kejuruteraan, dan bidang lain.

Apakah Badan Hitam?

Badan hitam adalah konsep teori yang mewakili penyerap dan pemancar radiasi yang ideal.

Tiada objek sebenar yang sempurna sebagai badan hitam, tetapi beberapa objek boleh menghampirinya di bawah keadaan tertentu. Sebagai contoh, rongga dengan lubang kecil boleh bertindak sebagai badan hitam, kerana mana-mana radiasi yang masuk melalui lubang itu akan terperangkap di dalam dan dipantulkan berkali-kali sehingga diserap oleh dinding rongga. Radiasi yang dikeluarkan oleh lubang itu kemudian bersifat khas badan hitam.

Badan hitam tidak memantulkan atau mentransmisikan sebarang radiasi; ia hanya menyerap dan memancarkan radiasi. Oleh itu, badan hitam kelihatan hitam apabila ia sejuk dan tidak memancarkan cahaya yang dapat dilihat. Namun, apabila suhu badan hitam meningkat, ia memancarkan lebih banyak radiasi dan spektrumnya bergerak ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Pada suhu tinggi, badan hitam boleh memancarkan cahaya yang dapat dilihat dan kelihatan merah, oren, kuning, putih, atau biru bergantung pada suhunya.

Ciri-ciri Radiasi Badan Hitam

Spektrum radiasi badan hitam adalah berterusan dan bergantung hanya pada suhu badan hitam. Spektrum ini boleh digambarkan oleh dua undang-undang penting: Undang-undang Penempatan Wien dan Undang-undang Stefan-Boltzmann.

Undang-undang Penempatan Wien

Undang-undang Penempatan Wien menyatakan bahawa panjang gelombang di mana intensiti radiasi badan hitam mencapai maksimum adalah berbanding songsang dengan suhu badan hitam. Secara matematik, ini boleh dinyatakan sebagai:

di mana λmax adalah panjang gelombang puncak, T adalah suhu mutlak badan hitam, dan b adalah pemalar yang dikenali sebagai pemalar penempatan Wien, yang mempunyai nilai 2.898×10−3 m K.

Undang-undang Penempatan Wien menjelaskan mengapa warna badan hitam berubah dengan suhu.

Apabila suhu meningkat, panjang gelombang puncak berkurang, dan spektrum bergerak ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Sebagai contoh, pada suhu bilik (sekitar 300 K), badan hitam memancarkan kebanyakannya radiasi inframerah dengan panjang gelombang puncak sekitar 10 μm. Pada 1000 K, badan hitam memancarkan kebanyakannya cahaya merah dengan panjang gelombang puncak sekitar 3 μm. Pada 6000 K, badan hitam memancarkan kebanyakannya cahaya putih dengan panjang gelombang puncak sekitar 0.5 μm.

Undang-undang Stefan-Boltzmann

Undang-undang Stefan-Boltzmann menyatakan bahawa kuasa total yang dikeluarkan per unit luas oleh badan hitam adalah berbanding lurus dengan pangkat keempat suhu mutlaknya.

Secara matematik, ini boleh dinyatakan sebagai:

di mana Me adalah kuasa total per unit luas (juga dikenali sebagai daya pancaran atau eksitansi sinaran), T adalah suhu mutlak badan hitam, dan σ adalah pemalar yang dikenali sebagai pemalar Stefan-Boltzmann, yang mempunyai nilai 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

Undang-undang Stefan-Boltzmann menjelaskan mengapa badan hitam memancarkan lebih banyak radiasi apabila suhunya meningkat. Sebagai contoh, jika suhu badan hitam berlipat ganda, daya pancarannya meningkat 16 kali.

Aplikasi Radiasi Badan Hitam

Radiasi badan hitam mempunyai banyak aplikasi dalam pelbagai bidang sains dan teknologi. Beberapa contoh adalah:

• Dalam astronomi, bintang-bintang boleh dihampirkan sebagai badan hitam, dan suhunya boleh dianggarkan dari spektrum mereka menggunakan undang-undang penempatan Wien.

   

• Sebagai contoh, matahari mempunyai suhu permukaan efektif sekitar 5800 K dan memancarkan kebanyakannya cahaya yang dapat dilihat dengan panjang gelombang puncak sekitar 0.5 μm.

• Dalam kejuruteraan, peranti pencitraan termal menggunakan kamera inframerah untuk mendeteksi haba yang dikeluarkan oleh objek berdasarkan suhunya menggunakan undang-undang Stefan-Boltzmann.

   

• Pencitraan termal boleh digunakan untuk keselamatan, pengawasan, pemadam kebakaran, diagnosis perubatan, dan tujuan lain.

• Dalam fizik, radiasi badan hitam adalah salah satu fenomena yang membawa kepada pembangunan teori kuantum pada awal abad ke-20.

   

• Fizik klasik tidak dapat menjelaskan mengapa spektrum radiasi badan hitam menyimpang dari undang-undang Rayleigh-Jeans pada frekuensi tinggi dan menghasilkan tenaga tak terhingga yang dikenali sebagai krisis ultraviolet. Max Planck mencadangkan bahawa tenaga adalah terkuantisasi dan dikeluarkan dalam unit diskret yang dipanggil kuantum atau foton untuk menyelesaikan masalah ini. Undang-undang Planck menggambarkan spektrum radiasi badan hitam menggunakan teori kuantum.

Ringkasan

• Badan hitam adalah objek yang diidealkan yang menyerap semua radiasi yang datang dan memancarkan radiasi dengan spektrum berterusan yang bergantung hanya pada suhunya.

• Radiasi badan hitam adalah radiasi termal yang dikeluarkan oleh badan hitam dalam kesetimbangan termodinamik dengan persekitarannya.

• Undang-undang penempatan Wien menyatakan bahawa panjang gelombang puncak radiasi badan hitam adalah berbanding songsang dengan suhunya.

• Undang-undang Stefan-Boltzmann menyatakan bahawa kuasa total yang dikeluarkan per unit luas oleh badan hitam adalah berbanding lurus dengan pangkat keempat suhunya.

• Radiasi badan hitam mempunyai banyak aplikasi dalam fizik, astronomi, kejuruteraan, dan bidang lain.

Kenyataan: Hormati asal, artikel yang baik berharga dibagikan, jika ada pelanggaran silakan hubungi untuk menghapus.