RADIASI BENDA HITAM 03112020 1 RADIASI TERMAL PADA

RADIASI BENDA HITAM 03/11/2020 1

RADIASI TERMAL PADA SAAT TANGAN KITA DIDEKATKAN PADA SEBUAH BENDA YANG LEBIH PANAS DARI TUBUH KITA, MAKA KITA AKAN MERASA HANGAT INI BERASAL DARI RADIASI ELEKTROMAGNETIK DARI BENDA TERSEBUT. 03/11/2020 2

emisivitas adalah kemampuan sebuah benda untuk memancarkan energi (berupa gelombang elektromagnetik). Semakin besar emisivitas benda, semakin mudah pula beneda tersebut memancarkan energi. Nilai e antara 0 s/d 1. Pancaran kalor secara radiasi mengikuti Hukum Stefan Boltzmann: W = e. σ. T 4 W = intensitas/energi radiasi yang dipancarkan per satuan luas per satuan waktu σ = konstanta Boltzman =5, 672 x 10 -8 watt/cm 2. ºK 4 e = emisivitas (o < e < 1) T = suhu mutlak (ºK) 03/11/2020 3

Benda Hitam Sempurna Dalam fisika, benda hitam (bahasa Inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya: tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Meskipun demikian, secara teori benda hitam juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin. Jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya bergantung pada suhu benda hitam tersebut. 03/11/2020 4

Proses terbentuknya lubang benda hitam Seberkas sinar yang masuk ke dalam lubang, sinar akan dipantulkan berkali-kali sehingga intensitas sinar makin berkurang (karena sebagian besar sinar ini diserap dinding). Sampai suatu saat energinya menjadi nol. Inilah yang disebut benda hitam. 03/11/2020 5

Bagaimana cara membuat benda hitam atau lubang dalam rongga memancarkan radiasi ? Ketika sebuah lubang hitam di panaskan dengan suhu T, maka semua dinding memancarkan radiasi secara merata pada saat suhunya merata pada semua bagian dinding. Maka radiasi benda hitam akan keluar bila ada lubang. Radiasi ini yang disebut dengan radiasi benda hitam. a c b 03/11/2020 6

Intensitas Radiasi Benda Hitam Gambar 1. Spektrum radiasi kotak-hitam. Sumbu-x adalah panjang gelombang (nanometer) dan sumbu-y adalah intensitas radiasi (kilo Joule/nanometer). Spektrum radiasi bervariasi tergantung temperatur kotak-hitam. Semakin tinggi temperatur maka intensitas maksimum bergeser ke arah negatif sumbu-x. Dengan kata lain, semakin tinggi temperatur kotak-hitam, semakin tinggi energi radiasi yang dipancarkan (energi radiasi berbanding terbalik dengan panjang gelombang). Spektrum radiasi kotak-hitam ini dipublikasikan oleh Max Planck pada tahun 1901. 03/11/2020 7

Apa yang terjadi bila batang besi dipanaskan logam dipanaskan, apa yang terjadi pada perubahan warnanya? merah 1 Besi merah, memancarkan radiasi 6500 Å sama dengan panjang gelombang sinar merah kuning 2 Besi kuning, memancarkan radiasi 5500 Å sama dengan panjang gelombang sinar kuning biru 3 Besi biru, memancarkan radiasi 4500 Å sama dengan panjang gelombang sinar biru 03/11/2020 8

Hukum Pergeseran Wien Hubungan antara panjang gelombang maksimum λ (maksimum) dengan suhu benda di amati oleh wein. Pengamatannya menghasilkan kesimpulan panjang gelombang maksimum berbanding terbalik dengan suhu benda T b = 2, 898 x 10 -3 m. K ; merupakan tetapan pembanding 03/11/2020 9

Contoh 1 : a. Panjang gelombang berapakah sebuah benda pada suhu ruang ( t = 250 ) memancarkan radiasi termal maksimum ? Kita harus menganggap sebagai radiasi benda hitam, maka : b. Pada suhu berapakah suatu benda harus dipanaskan agar puncak radiasi termalnya berada pada daerah spektrum merah ? Anggap panjang gelombang cahaya merah 650 nm ? 03/11/2020 10

1. Suhu seseorang 340. Berapa panjang gelombang dimana radiasi maksimum terjadi ? 2. Pada kisaran suhu berapakah panjang gelombang maksimum radiasi benda hitam bervariasi dari 400 nm sampai 700 nm (cahaya tampak) 03/11/2020 11

TE Teori Spektrum Radiasi Benda Hitam Teori Klasik dan Teori Plank Teori Klasik Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan dengan menganggap bahwa muatan-muatan didinding permukaan benda berongga dihubungkan dengan semacam pegas. Ketika suhu naik maka muatan akan bergetar yang berubah kecepatannya dan akibat hal tersebut, maka timbul radiasi benda hitam O V = maks V=0 RI V=0 G AG AL Model persamaan ini gagal, karena hanya mampu menerangkan kurva spektrum intensitas radiasi benda hitam dengan panjang gelombang besar saja. Tetapi tidak cocok untuk panjang gelombang lebih kecil 03/11/2020 12

Teori Klasik -Wilhelm Wien Model ini dibuat dengan menganggap benda hitam seperti sebuah selinder berisi radiasi benda hitam (gelombang elektromagnetik). Dinding silinder bersifat pemantul sempurna dan piston dapat bergerak naik turun. Radiasi ini mampu memberikan tekanan pada piston. Tekanan radiasi dapat terjadi akibat tekanan gas pada piston TE O RI G AG AL Model persamaan ini gagal, karena hanya mampu menerangkan kurva spektrum intensitas radiasi benda hitam dengan panjang gelombang panjang saja. Tetapi tidak cocok untuk panjang gelombang lebih besar 03/11/2020 13

Teori Plank menurunkan teorinya memakai anggapan yang sama dengan Rayleigh-Jeans yaitu dengan menganggap radiasi dihasilkan oleh muatan atau molekul yang bergetar dengan menambah 2 asumsi mengenai osilasi molekul pada dinding benda berongga 1. molekul-molekul yang bersosialisasi akan memancarkan energi diskret (tidak kontinu). En yang diberikan dengan rumus : E = nhf 2. Molekul memancar atau menyerap energi dalam satuan-satuan energi yang diskrit yang dinamakan foton E = hf Dengan dua asumsi ini, maka terbuka cabang Mekanika Kuantum 03/11/2020 14

3. Dua buah lampu pijar masing mempunyai suhu 270 C dan 1270 C dan jari-jari lampu pertama dua kali jari-jari lampu kedua. Tentukan perbandingan daya radiasi lampu pertama terhadap lampu ke dua ? 03/11/2020 15

Walaupun asumsi plank telah mampu menjawab dan menjelaskan radiasi benda hitam, hipotesa ini tidak begitu menarik perhatian para ilmuwan, sampai pada saat Einstein membuatnya menarik melalui efek foto listrik Efek foto Listrik Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron-elektron dari permukaan logam (dinamakan elektron fhoto) ketika logam tersebut disinari oleh cahaya 03/11/2020 16

PSOSES FOTO LISTRIK 03/11/2020 17

Kesimpulan efek fotolistrik Einstein 1. Tidak semua frekuensi cahaya mampu menyebabkan efek foto listrik , walaupun intensitas cahaya diperbesar. Hal ini bertentangan dengan teori gelombang. Bila jika intensitas cahaya diperbesar, maka energi gelombang akan bertambah besar dan mengakibatkan energi elektron akan membesar dan mampu terjadi arus foto listrik. di u ak ton, a tik m fo aik e K ta u n n ha rgi k f) e (h en hf hf Tetapi jika aku memancarkan foton, maka aku kehilangan energi 03/11/2020 18

Bagaimana elektron akan terlepas ? Aku akan terlepas bila ikatan atom lebih kecil dari energi foton Frekuensi terkecil cahaya yang dapat melepaskan elektron keluar dari permukaan dinamakan frekuensi ambang(fo). Sedangkan energinya disebut energi ambang (Eo=hfo) 03/11/2020 19

Energi ambang elektron Energi fungsi kerja elektron Harus sama Elektron akan terlepas jika; f = fo atau ketika Ek(maks) =0 03/11/2020 20

Arus (I) Kesimpulan Einstein ke-2 Intensitas tinggi 2. Pada waktu frekuensi cahaya lebih besar dari frekuensi ambang ternyata terdeteksi arus, namun energi maksimum elektron yang terlepas tidak tergantung pada intensitas cahaya. Tetapi hanya tergantung pada frekuensi sinar yang datang Intensitas rendah -Vs tegangan Ketika tegangan nol, ada arus yang mengalir. Ketika anoda diberi tegangan positif dan katoda diberi tegangan negatif, arus yang mengalir bertambah besar dan dapat dimengerti, pasti banyak elektron yang terlepas dari permukaan logam. Jika dibalik, maka arus semakin kecil dan pada tegangan tertentu (Vs), maka arus menjadi nol. Anehnya Vs ini sama semua intensitas. Ini tak dapat dijelaskan oleh teori gelombang. 03/11/2020 21

Kesimpulan ke-3 3. Berdasarkan teori gelombang, dibutuhkan waktu yang cukup lama untuk elektron untuk melepaskan diri dari ikatan inti atom. Ternyata elektron hanya membutuhkan waktu 10 -9 detik setelah penyinaran Kesimpulan ke-4 4. Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa energi kinetik maksimum elektron foto bertambah besar jika frekuensi cahaya diperbesar 03/11/2020 22

1. Elektron-foto dipancar dengan kecepatan nol dari suatu permukaan logam. Bila panjang gelombang sinar adalah 680 nm dan kecepatan cahaya 3 x 10 8 m/s, tentukan besarnya fungsi kerja logam itu ? Ekmaks = ½ mv 2 Karena v =0 (diam), maka Ek maks =0 03/11/2020 23

Efek Compton (Hamburan Foton) Pada tahun 1923, comton mempelajari gejala tumbukan antara foton dan elektron. Berkas gelombang elektromagnetik yang dihamburkan dari tumbukan elektron dan logam dideteksi dengan detektor dan didapat kesimpulan, bahawa paket-paket energi gelombang elektromagnetik dapat berfungsi sebagai partikel dengan momentum sebesar : P(foton)=momentum Hf = energi foton Λ = panjang gelombang 03/11/2020 24

Jawaban : 1. Sebuah foton (λ=0, 400 nm) menumbuk elektron yang diam. Foton tersebut terhambur sejauh 1500 dari arah semula. Hitung kecepatan dan panjang gelombang foton setelah tumbukan ? . . . 03/11/2020 25