Radiasi benda-hitam
Radiasi benda-hitam adalah salah satu jenis radiasi elektromagnetik termal yang terjadi di dalam atau di sekitar benda dalam keadaan kesetimbangan termodinamika dengan lingkungannya atau saat ada proses pelepasan dari benda hitam. Benda hitam merupakan benda yang buram dan tidak memantulkan cahaya. Diasumsikan demi perhitungan dan teori berada pada suhu konstan dan seragam. Radiasi ini memiliki spektrum dan intensitas spesifik yang bergantung hanya benda temperatur benda.
Radiasi panas yang dilepaskan spontan oleh banyak benda dapat diperkirakan sebagai radiasi benda hitam. Sebuah daerah terinsulasi sempurna yang berada pada kesetimbangan termal secara internal berisi radiasi benda-hitam dan akan melepaskannya melalui lubang yang dibuat pada dinding, lubang dibuat kecil sehingga tidak berpengaruh pada kesetimbangan.
Benda-hitam pada suhu ruang terlihat hitam, karena semua energi yang ia radiasikan adalah inframerah dan tak dapat dilihat mata manusia. Karena mata manusia tak dapat melihat warna pada intensitas cahaya sangat rendah, sebuah benda hitam jika dilihat dalam gelap terlihat berwarna abu-abu (namun ini hanya karena mata manusia hanya sensitif terhadap hitam
dan putih pada intensitas cahaya sangat rendah- pada kenyataanya, frekuensi cahaya pada "range" terlihat tetaplah berwarna merah), meski spektrum puncaknya berada pada kisaran inframerah. Jika sedikit dipanaskan, warnanya terlihat merah tua. Jika temperatur dinaikkan terus maka menjadi biru-putih.
Meski planet dan bintang tidak berada pada kesetimbangan termal dengan sekitarnya dan juga bukanlah benda hitam sempurna, radiasi benda-hitam digunakan pertama kali sebagai perkiraan untuk energi yang mereka lepas. Lubang hitam adalah benda hitam yang mendekati sempurna, karena ia menyerap semua radiasi yang datang padanya. Telah diajukan bahwa mereka melepas radiasi benda hitam (disebut radiasi Hawking), dengan suhu tergantung massa lubang hitam.
Istilah "benda hitam" pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Kirchhoff tahun 1860. Radiasi benda-hitam disebut juga "radiasi sempurna" atau "radiasi temperatur" atau "radiasi termal".
Radiasi benda-hitam memiliki karakteristik yaitu spektrum frekuensi kontinu yang bergantung hanya pada suhu benda, disebut spektrum Planck atau Hukum Planck. Spektrum ini berpuncak pada frekuensi karakteristik yang bergeser ke frekuensi tinggi jika suhu naik, dan pada suhu kamar sebagian besar emisinya berada pada daerah inframerah pada spektrum elektromagnetik. Pada temperatur melewati
500 derajat Celsius, benda hitam mulai melepas cahaya dalam jumlah besar sehingga dapat terlihat. Jika dilihat dalam gelap, sinar yang pertama terlihat seperti abu-abu. Jika suhu terus dinaikkan, cahaya menjadi merah gelap, kemudian kuning, dan akhirnya menjadi biru-putih. Ketika benda terlihat putih, ia melepas sebagian energinya sebagai radiasi ultraviolet.
Matahari, dengan suhu efektif sekitar 5800 K, adalah benda hitam dengan puncak spektrum emisi di tengah (warna kuning-hijau) pada spektrum terlihat, namun kekuatannya di ultraviolet juga besar.
Radiasi benda-hitam memberikan pencerahan kepada keadaan kesetimbangan termodinamika dari radiasi rongga. Jika setiap mode Fourier dari radiasi kesetimbangan pada rongga kosong dengan dinding yang memantul sempurna dianggap sebagai derajat kebebasan dimana energi dapat berpindah, maka menurut teorema ekuipartisi di fisika klasik, akan ada jumlah energi yang
sama di tiap mode. Karena jumlah mode-nya tak terbatas maka berakibat pada kapasitas panas tak terbatas (energi tak terbatas pada suhu tidak nol berapapun), begitu juga dengan spektrum radiasi terlepas yang naik tanpa hubungan dengan naiknya frekuensi, masalah yang dikenal dengan bencana ultraungu. Namun, pada teori kuantum bilangan okupasi mode
dikuantisasi, memotong spektrum pada frekuensi tinggi sesuai dengan pengamatan eksperimen dan menyelesaikan masalah. Studi mengenai hukum benda hitam dan kegagalan fisika klasik untuk menjelaskannya menjadi dasar bagi mekanika kuantum.
Semua zat normal (barionik) melepas radiasi elektromagnetik ketika suhunya diatas absolut nol. Radiasi ini melambangkan perubahan energi panas benda menjadi energi elektromagnetik, dan karena itu disebut radiasi termal. Proses ini merupakan proses spontan distribusi radiatif dari entropi.
Sebaliknya semua benda normal menyerap radiasi elektromagnetik sampai derajat tertentu. Benda yang menyerap semua radiasi yang jatuh padanya, pada semua panjang gelombang, disebut benda hitam. Jika benda hitam berada pada suhu yang seragam, emisinya memiliki distribusi frekuensi karakteristik yang tergantung dari suhu. Emisinya disebut radiasi benda-hitam.
Konsep benda hitam adalah idealisasi, karena benda hitam sempurna tidak ada di alam. Grafit dan karbon hitam, dengan emisivitas lebih dari 0.95, adalah perkiraan material hitam. Secara eksperimen, radiasi benda-hitam dapat muncul sempurna sebagai radiasi kesetimbangan "steady-state" stabil pada rongga dalam benda tegar, pada suhu seragam, yang sepenuhnya buram dan hanya
sedikit memantul (reflektif). Sebuah boks tertutup dengan dinding grafit pada suhu kontan dengan lubang kecil pada satu sisi menghasilkan perkiraan yang baik bagi radiasi benda-hitam memancar dari bukaannya.
Radiasi benda hitam memiliki distribusi intensitas radiatif yang stabil, absolut, dan unik yang dapat bertahan dalam kesetimbangan termodinamika dalam rongga. Dalam kesetimbangan, untuk tiap frekuensi, total intensitas radiasi yang dilepas dan dipantulkan dari sebuah benda (jumlah radiasi bersih yang meninggalkan permukaan, disebut "radiansi spektral") ditentukan hanya dengan temperatur kesetimbangan,
tidak tergatung dari bentuk, material, atau struktur benda. Untuk benda hitam (penyerap sempurna) tidak ada radiasi yang dipantulkan, maka radiansi spektral sepenuhnya akibat emisi. Selain itu, benda hitam adalah "diffuse emitter" (emisinya tidak tergantung arah). Akibatnya, radiasi benda-hitam dapat dilihat sebagai radiasi dari benda hitam pada kesetimbangan termal.
Radiasi benda hitam akan memancarkan cahaya yang dapat dilihat jika suhu objek cukup tinggi. Titik Draper adalah temperatur dimana semua padatan memancarkan warna merah redup, berkisar 798 K. Pada 1000 K, bukaan kecil pada rongga dinding benda buram yang dipanaskan, dilihat dari luar, berwarna merah; pada 6000 K, akan terlihat putih. Tidak peduli bagaimana oven itu
dibuat atau materialnya dari apa, selama semua cahaya diserap oleh dindingnya, maka dapat dianggap perkiraan yang baik untuk radiasi benda-hitam. Spektrum dan warna cahaya yang keluar menjadi gungsi temperatur rongga saja. Grafik yang berisi jumlah energi didalam oven per satuan volume dan per satuan interval frekuensi yang diplot vs frekuensi, disebut "kurva benda-hitam". Kurvanya berbeda-beda untuk tiap suhu.
Dua benda yang suhunya sama berada dalam kesetimbangan termal, maka benda pada temperatur T dikelilingi oleh awan cahaya pada temperatur T, rata-rata akan melepas cahaya ke awan sebanyak yang ia serap, mengikuti azas pertukaran Prevost yang merujuk ke kesetimbangan radiatif. Azas neraca terperinci mengatakan bahwa pada kesetimbangan termodinamik semua proses elementer dapat dipahami dengan akal sehat
dilihat dari sisi depan maupun sisi belakang. Prevost juga membuktikan bahwa emisi dari sebuah benda secara logika ditentukan hanya dari keadaan internalnya. Efek sebab akibat absorpsi dalam emisi termodinamik (spontan) tidak secara langsung karena hanya berakibat pada keadaan internal benda. Hal ini berarti pada kesetimbangan termodinamik jumlah setiap panjang gelombang pada
tiap arah radiasi termal dilepas oleh benda pada temperatur "T", hitam atau bukan, sama dengan jumlah yang diserap benda karena ia dikelilingi cahaya pada temperatur "T".