Mengapakah Benda Bersuhu Bilik Memancarkan Cahaya yang Kita Tidak Nampak?

Kita mudah mengaitkan pancaran cahaya dengan objek yang sangat panas seperti filamen lampu atau logam pijar. Namun sinaran terma tidak bermula hanya apabila sesuatu menjadi merah menyala. Objek pada suhu biasa juga memancarkan tenaga dalam bentuk gelombang elektromagnet, dan bezanya ialah taburan panjang gelombang pancaran itu bergantung kuat pada suhu.

Benda tidak perlu menyala untuk memancarkan sinaran

Jirim pada suhu melebihi sifar mutlak boleh memancarkan sinaran elektromagnet akibat proses mikroskopik dalam bahan, dan taburan spektrum sinaran terma itu bergantung pada suhu serta sifat bahan. Buku teks fizik universiti merumuskan bahawa semua jasad memancarkan sinaran elektromagnet merentasi suatu julat panjang gelombang, dan jumlah serta taburan sinaran itu berubah dengan suhu.

Mata manusia pula hanya mengesan julat kecil spektrum elektromagnet. Jika kebanyakan tenaga pancaran sesuatu objek berada dalam inframerah, objek itu tidak kelihatan bercahaya walaupun sinarannya boleh dikesan oleh penderia inframerah. Jadi "tidak nampak cahaya" tidak sama dengan "tidak memancarkan sinaran".

Mengapa suhu mengubah spektrum?

Model asas yang sangat berguna ialah jasad hitam, iaitu sistem ideal yang menyerap semua sinaran elektromagnet yang mengenainya dan, pada keseimbangan terma, mempunyai spektrum pancaran yang ditentukan oleh suhunya. Meja, manusia, batu dan bintang sebenar bukan jasad hitam sempurna, kerana sifat permukaan dan bahan menyebabkan spektrum sebenar berbeza daripada lengkung ideal. Walaupun begitu, lengkung jasad hitam sering menghuraikan bentuk keseluruhan spektrum dengan baik, termasuk bagi bintang.

Bagi jasad hitam, hukum sesaran Wien menyatakan bahawa hasil darab panjang gelombang puncak dengan suhu mutlak ialah pemalar, iaitu λmax T = 2.898 × 10⁻³ m·K, dengan suhu T dalam kelvin. Pada suhu sekitar 300 K, hubungan ini memberikan puncak kira-kira 9.7 μm, yang berada dalam inframerah terma, jauh daripada cahaya tampak. Itulah sebab objek bersuhu bilik boleh kelihatan "terang" kepada kamera inframerah tetapi tidak kepada mata kita.

Apabila benda semakin panas

Apabila suhu meningkat, dua perubahan penting berlaku. Pertama, puncak spektrum beralih ke panjang gelombang yang lebih pendek, dan inilah hukum sesaran Wien. Logam yang dipanaskan cukup tinggi akhirnya mempunyai pancaran yang ketara dalam julat tampak, mula-mula kelihatan merah dan kemudian berubah warna apabila suhu terus meningkat.

Kedua, jumlah tenaga yang dipancarkan meningkat dengan sangat cepat. Bagi jasad hitam, hukum Stefan-Boltzmann menyatakan bahawa kuasa pancaran P = σAT⁴, dengan A luas permukaan, T suhu mutlak dan σ pemalar Stefan-Boltzmann. Jika dua jasad hitam mempunyai luas sama dan suhu mutlak salah satunya dua kali ganda, kuasa yang dipancarkannya menjadi 2⁴ = 16 kali ganda. Perbandingan ini merujuk kuasa pancaran jasad itu sendiri, sedangkan pertukaran haba radiasi bersih dengan persekitaran turut bergantung pada sinaran yang diterima daripada persekitaran.

Mengapa kamera terma boleh "melihat" dalam gelap?

Kamera terma tidak memerlukan cahaya tampak yang dipantulkan seperti kamera biasa. Pengesan sensitif inframerah mengukur sinaran dalam jalur panjang gelombang tertentu yang datang daripada pemandangan. Sebagai contoh, instrumen TIRS pada satelit Landsat mengukur sinaran inframerah terma Bumi dalam dua jalur sekitar 10.6 hingga 12.5 μm, dan data radians (radiance) yang telah ditentukur digunakan untuk memperoleh maklumat suhu permukaan.

Namun kamera terma bukan termometer sempurna dari jauh. Bacaan bergantung pada penentukuran, sifat pancaran permukaan, atmosfera dan sinaran persekitaran yang dipantulkan. NASA menggunakan sumber jasad hitam dalaman bersuhu diketahui untuk menentukur instrumen inframerah, dan sumber jasad hitam pada instrumen MODIS mempunyai keberpancaran efektif melebihi 0.992.