Radiasi Jasad Hitam dan Suhu

Semua bahan pada suhu melebihi sifar mutlak memancarkan sinaran elektromagnet. Bentuk spektrum bergantung pada suhu dan sifat permukaan. Untuk memahami hubungan asas antara suhu dengan sinaran, ahli fizik menggunakan model jasad hitam, iaitu penyerap dan pemancar ideal.

Suhu membentuk spektrum sinaran

Jasad hitam tidak memancarkan tenaga pada satu panjang gelombang sahaja. Ia menghasilkan spektrum berterusan. Apabila suhunya meningkat, pancaran keseluruhan menjadi lebih kuat dan puncak spektrum beralih ke panjang gelombang yang lebih pendek. Oleh sebab itu, objek yang sangat panas boleh memancarkan bahagian tenaga yang ketara sebagai cahaya tampak, manakala objek yang lebih sejuk banyak memancar dalam inframerah.

Hukum Planck menerangkan bentuk lengkung

Hukum Planck memberikan taburan radians spektrum jasad hitam bagi setiap suhu. Daripada taburan ini terhasil dua hubungan penting: hukum sesaran Wien menghubungkan suhu dengan panjang gelombang puncak, manakala hukum Stefan-Boltzmann menyatakan bahawa jumlah kuasa pancaran per unit luas jasad hitam meningkat mengikut kuasa empat suhu mutlak. Sebagai contoh, pada 3000 K, 4000 K dan 5000 K, puncak spektrum berada pada kira-kira 966, 724 dan 580 nm mengikut hukum sesaran Wien. Jika suhu mutlak digandakan, fluks sinaran jasad hitam menjadi 16 kali ganda.

Spektrum boleh menjadi termometer tanpa sentuhan

Jika spektrum objek menghampiri spektrum jasad hitam, suhu boleh dianggarkan daripada bentuk spektrum atau radiansnya. Prinsip ini digunakan dalam termometri sinaran dan astronomi. Makmal metrologi pula menggunakan sumber jasad hitam beremisiviti sangat tinggi sebagai piawai untuk menentukur alat pengukuran radiometrik.

Masalah jasad hitam membantu melahirkan idea kuantum

Model klasik yang digunakan pada akhir abad kesembilan belas gagal menerangkan bentuk penuh spektrum jasad hitam, khususnya pada panjang gelombang pendek. Max Planck memperoleh padanan dengan data eksperimen apabila pertukaran tenaga dianggap berlaku dalam unit diskret yang berkaitan dengan frekuensi. Idea ini menjadi salah satu langkah awal kepada teori kuantum, walaupun pemahaman moden tentang radiasi terma berkembang jauh melampaui model asal tersebut.

Objek sebenar bukan jasad hitam sempurna

Bintang, planet, logam panas dan permukaan Bumi tidak semestinya mempunyai emisiviti satu pada semua panjang gelombang. Garis serapan, atmosfera, pantulan dan sifat bahan boleh mengubah spektrum. Oleh itu, suhu yang disimpulkan daripada sinaran perlu ditentukan menggunakan model yang sesuai dengan mengambil kira emisiviti serta keadaan pemerhatian. Spektrum berterusan bintang sering menyerupai bentuk jasad hitam dan membolehkan suhu efektif dianggarkan daripada taburan cahayanya. Permukaan sebenar biasanya memancarkan kurang daripada jasad hitam ideal pada suhu yang sama; keupayaan ini diterangkan melalui emisiviti, yang bergantung pada bahan, keadaan permukaan dan panjang gelombang.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?