5.Empat hukum dasar radiasi

Daftar Isi Halaman Ini:

① Hukum Planck
② Hukum Stefan Boltzmann
③ Hukum perpindahan Wien
④ Hukum Kirchhoff (energi pancaran)
[Daftar Isi Ilmu Inframerah]

① Hukum Planck

Max Karl Ernst Ludwig Planck, 23 April 1858 – 4 Oktober 1947 fisikawan Jerman
Hukum Planck adalah rumus dalam fisika mengenai pancaran spektral gelombang elektromagnetik yang dipancarkan benda hitam, atau distribusi panjang gelombang kerapatan energi. Dimungkinkan untuk menjelaskan dengan benar pancaran spektral radiasi elektromagnetik dari benda hitam pada suhu tertentu T pada seluruh rentang panjang gelombang. Pada tahun 1900, dipimpin oleh fisikawan Jerman Max Planck.
Ketika mempertimbangkan penurunan hukum ini, Planck berasumsi bahwa energi osilator dalam medan radiasi adalah kelipatan bilangan bulat dari besaran energi dasar tertentu (sekarang disebut kuantum energi) ε = hν. Hipotesis kuantum (kuantisasi) energi ini mempunyai pengaruh besar pada awal mula mekanika kuantum selanjutnya.

Hukum Planck menunjukkan hubungan antara energi radiasi benda hitam dan panjang gelombang. Bahan memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik sesuai dengan suhunya. 　Energi yang dipancarkan berubah tergantung pada suhu, zat, dan kondisi permukaannya.
Emisivitas material umum adalah 1 atau kurang. Oleh karena itu, karakteristik energi radiasi spektral zat yang suhunya sama dengan benda hitam akan digambarkan di bawah kurva benda hitam.

② Hukum Stefan Boltzmann

Josef Stefan, 24 Maret 1835 – 7 Januari 1893 fisikawan Austria

Ludwig Edouard Boltzmann, 20 Februari 1844 – 5 September 1906 fisikawan Austria
Jumlah energi yang dipancarkan suatu zat meningkat seiring dengan meningkatnya suhu zat tersebut. Jumlah energi (E) yang dipancarkan benda hitam pada suhu absolut T (satuan: Kelvin K) diperoleh dengan mengintegrasikan hukum Planck pada semua panjang gelombang, dan diberikan dalam bentuk yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut. Anda bisa Ini disebut hukum Stefan Boltzmann.
Ditemukan secara eksperimental oleh Joseph Stephan pada tahun 1879 dan dibuktikan secara teoritis oleh muridnya Ludwig Boltzmann pada tahun 1884. Hal ini disebut hukum Stefan Boltzmann, dinamai menurut nama mereka.
Ｅ＝5.6697×10－８・Ｔ４ [W/m2]

③ Hukum perpindahan Wien

Wilhelm Karl Werner Otto Fritz Franz Wien, 13 Januari 1864 – 30 Agustus 1928 Fisikawan Jerman

Hukum perpindahan Wien ditemukan oleh Wien pada tahun 1896.
Panjang gelombang puncak (titik dengan energi tertinggi) gelombang elektromagnetik yang dipancarkan suatu zat bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek seiring dengan meningkatnya suhu radiator.
hukum perpindahan Wien
=2897/T [μm] Ini disebut hukum perpindahan Wien.
Misalnya, panjang gelombang puncak (λ) gelombang elektromagnetik yang dipancarkan manusia dengan suhu tubuh 36℃ (suhu absolut T = 36 + 273 = 309K) adalah 2897±309 = 9,4μm. Dengan kata lain, manusia memancarkan radiasi inframerah jauh dengan panjang gelombang puncak sekitar 9,4 μm.
Daerah terpadu (energi) pada sisi panjang gelombang pendek dari panjang gelombang puncak yang ditunjukkan oleh hukum perpindahan Wien adalah 25% dari total energi, dan pada sisi panjang gelombang panjang adalah 75%. Dengan kata lain, sisi panjang gelombang yang panjang (sisi inframerah jauh) memancarkan energi tiga kali lebih banyak.
Jadi, berapakah panjang gelombang (λ) yang membagi energi radiasi benda hitam pada suhu mutlak T (K) menjadi dua?, dapat dicari dengan rumus: λ = 4,108/T [μm].
Misalnya, pada batas panjang gelombang 3 μm antara daerah inframerah dekat dan daerah inframerah jauh, suhu benda hitam T di mana energi radiasi dibagi 50% adalah T = 4,108/3 = 1,369 (K) (= 1,369-273) = 1,096°C.
Terlihat bahwa sinar inframerah jauh mempunyai beban yang besar hingga suhu yang sangat tinggi. Selain itu, panjang gelombang puncak saat ini adalah 2.897/1.369 = 2,1 μm, yang secara alami berada di wilayah inframerah dekat.
Wien menerima Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1911 atas “penemuannya mengenai hukum radiasi termal”.

④ Hukum Kirchhoff (energi pancaran)

Gustav Robert Kirchhoff, 12 Maret 1824 – 17 Oktober 1887, fisikawan Prusia (sekarang Oblast Kaliningrad, Rusia)
Rasio energi radiasi yang dipancarkan suatu zat dalam kesetimbangan radiasi terhadap kapasitas penyerapannya adalah konstan, apa pun zatnya, dan nilainya sama dengan energi radiasi benda hitam sempurna.
Dengan kata lain, dalam kasus material buram umum, laju penyerapan dan emisivitas adalah sama, yang merupakan hukum yang ditemukan oleh Kirchhoff pada tahun 1860.
Kirchhoff menemukan hukum-hukum mengenai rangkaian listrik, hukum-hukum tentang energi pancaran, dan hukum-hukum tentang kalor reaksi, sehingga sering disebut dengan hukum Kirchhoff (energi pancaran).