Radiasi Benda Hitam (BAGUS) A

7/29/2019 Radiasi Benda Hitam (BAGUS) A

1/32

Adapted: www.psb-psma.org


2/32

RadiasiBenda Hitam

Kompetensi Dasar:

Menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang mencakup

hakikat benda hitam serta penerapannya.

Teori Planck

Aplikasi RadiasiBenda Hitam

Efek Fotolistrik

Efek Compton

Materi

Sifat GelombangPartikel

Standar KompetensiMenganalisis berbagai besaran fisis pada gejala kuantum dan

batas-batas berlakunya relativitas Einstein dalam paradigma fisika

modern

Evaluasi


3/32

Petunjuk Penggunaan Program

Presentasi ini akan bekerja normal, bila :

- Menggunakan Microsoft Power Point XP 2003 /2007

- MP3 Player

- Speaker Aktif Komputer (minimum)Petunjuk Menjalankan Presentasi :

- Jalankan presentasi (buka cd file Materi-klik play.bat)

- Jika anda menjalankan dari HARDISK, seluruh file di copy

dahulu ke Satu Folder (Tidak boleh berbeda folder) agarseluruh file dapat berjalan dengan baik .

- Di setiap slide sudah disediakan Tombol untuk di KLIK

untuk menjelajah isi materi.

- Folder-folder di CD berisi file-file pendukung presentasi.

MateriRadiasi

Benda Hitam

Teori Planck

Efek Fotolistrik


Efek Compton


Evaluasi


4/32

About MeMateriRadiasi

Benda Hitam

Teori Planck

Efek Fotolistrik


Efek Compton


Nama

NIP

Pangkat/Gol

Tempat/Tgl.Lahir

Jenis Kelamin

Alamat Rumah

Telp. HPPekerjaan

Alamat Kantor

Telp/Fax. Kantor

E-mail

: Burha

: 19751

: Penat

: Kerinc

: Pria

: Komp.

Jl. Lint

: 08136

: Guru

: SMA

Jl. Lint

: 0741-

: hans_

Evaluasi


5/32

RadiasiBenda Hitam

Kompetensi Dasar:



Materi

Indikator:

1. Menganalisis dan menginterpretasi data empiris tentang radiasi

benda hitam.

Teori Planck

Efek Fotolistrik


Efek Compton


Evaluasi


6/32

Kompetensi Dasar:




Materi

Indikator:

4. Mengaplikasikan sifat-sifat radiasi benda hitam untuk mengukur

suhu matahari dan suhu bintang.

RadiasiBenda Hitam

Teori Planck

Efek Fotolistrik

Efek Compton


Evaluasi


7/32

Kompetensi Dasar:



Teori Planck

Materi

Indikator:

2. Memformulasikan hipotesis Planck.

3. Memformulasikan hukum Pergeseran Wien dan hukum StefanBoltzmann berdasarkan hipotesis Planck.

RadiasiBenda Hitam

Efek Fotolistrik


Efek Compton


Evaluasi


8/32

Kompetensi Dasar:



Efek Fotolistrik

Materi

Indikator:

5. Menganalisis dan menginterpretasi data empiris tentang

Efek Fotolistrik sebagai Teori Kuantum Cahaya.

RadiasiBenda Hitam

Teori Planck


Efek Compton


Evaluasi


9/32

Kompetensi Dasar:



Efek Compton

Materi

Indikator:


Efek Compton sebagai Teori Kuantum Cahaya.

RadiasiBenda Hitam

Teori Planck

Efek Fotolistrik



Evaluasi


10/32

Kompetensi Dasar:




Materi

Indikator:


Sifat Gelombang Partikel sebagai Teori Kuantum Cahaya.

RadiasiBenda Hitam

Teori Planck

Efek Fotolistrik


Efek Compton

Evaluasi


11/32

Kompetensi Dasar:



Materi

7. Siswa dapat menganalisis dan menginterpretasi data empiris tentang

Sifat Gelombang Partikel sebagai Teori Kuantum Cahaya.

RadiasiBenda Hitam

Teori Planck

Efek Fotolistrik


Efek Compton

Evaluasi


Indikator:

1. Siswa dapat menginterpretasi data empiris tentang radiasi

benda hitam.2. Siswa dapat memformulasikan hipotesis Planck.

3. Siswa dapat memformulasikan hukum Pergeseran Wien dan hukum Stefan

Boltzmann berdasarkan hipotesis Planck.

4. Siswa dapat mengaplikasikan sifat-sifat radiasi benda hitam untuk mengukur

suhu matahari dan suhu bintang.

5. siswa dapat menganalisis dan menginterpretasi data empiris tentang

Efek Fotolistrik sebagai Teori Kuantum Cahaya.6. Siswa dapat menganalisis dan menginterpretasi data empiris tentang

Efek Compton sebagai Teori Kuantum Cahaya.


12/32

Berdasarkan hasil eksperimen diperoleh bahwa banyaknya radiasi termal yang

dipancarkan oleh suatu benda dipengaruhi oleh:

1. Suhu benda : benda bersuhu lebih tinggi akan memancarkan lebih banyak

radiasi.

2. Sifat permukaan benda : permukaan kasar lebih banyak memancarkan radiasi

dibandingkan permukaan halus.

3. Bentuk benda : permukaan yang lebih luas akan memancarkan radiasi yang

lebih banyak.

4. Jenis material : logam lebih banyak memancarkan radiasi dibandingkan

dengan non logam.

Hasil eksperimen di atas pertama kalinya dilakukan oleh Joseph Stefan.

Kemudian oleh Ludwig Boltzmann merumuskan secara matematis Intensitasrasiasi (I) dipancarkan oleh sebuah benda sbb:

4Te=I


13/32

dimana : P = daya yang dipancarkan (Watt).

e = emisivitas benda.

= konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2 K4

A = luas permukaan benda (m2

)T = suhu mutlak benda (Kelvin).

Emisivitas adalah kemampuan suatu benda memancarkan energi (gelombang

elektromagnetik). Nilai e antara 0 dan 1.

Suatu benda yang dapat menyerap semua radiasi yang mengenainya disebut benda hitam

sempurna. Radiasi yang dihasilkan oleh sebuah benda hitam sempurna ketika dipanaskandisebut radiasi benda hitam.

Perlu diingat bahwa benda hitam sempurna merupakan suatu model, jadi sebenarnya tidak

ada sebuah benda yang berprilaku sebagai benda hitam sempurna.

Berdasarkan nilai emisivitas (e), maka benda hitam sempurna memiliki nilai e = 1.

4TAe=

t

Q=P


14/32

Berdasarkan definisi benda hitam sempurna, dapat digambarkan model

benda hitam pada gambar di samping.

Seberkas sinar datang mengenai lubang pada sebuah dinding berongga.

Sinar ini akan dipantulkan berkali-kali oleh dinding rongga dan setiap kali

dipantulkan intensitasnya berkurang (karena sebagian diserap) sampai suatu

saat energinya kecil sekali (hampir nol). Jadi dapat dikatakan sinar yangmengenai lubang tidak keluar lagi. Itulah sebabnya lubang ini dinamakan

benda hitam. Walaupun dinding dalam kaleng mengkilat, akan tetapi lubang

tampak gelap.

Penyerapan sinar oleh dinding berongga ini mengakibatkan naiknya suhu (T)

pada dinding tersebut. Sehingga sesaat kemudian dinding ini akanmemancarkan radiasi ke sekitarnya. Jika dinding diberi logam maka radiasi

akan keluar dari lubang tersebut. Peristiwa ini disebut radiasi benda hitam.


15/32

Para fisikawan tertarik untuk mempelajari dan meneliti intensitas radiasi

benda hitam ini. Ilmuwan yang pertama kali melakukan penelitian ini adalah

Wilhelm Wien.

Radiasi yang dipancarkan benda hitam dilewatkan melalui celah agardiperoleh berkas gelombang yang sempit. Setelah melewati prisma,

gelombang terdispersi menurut panjang gelombang masing-masing. Untuk

mengukur intensitas dan panjang gelombang setiap spektrum, detektor

digeser-geser menurut sudut deviasi berkas gelombang terdispersi.

Percobaan ini dilakukan pada suhu benda hitam yang berbeda-beda


16/32

Berdasarkan percobaan (data emeperis) dapat ditunjukkan grafik intensitas

radiasi terhadap panjang gelombang.

Jika suhu dinaikkan, intensitas radiasi akan meningkat. Dalam setiap suhu

dapat dilihat adanya panjang gelombang yang memiliki intensitas maksimum,

yaitu maks. Terlihat pula jika suhu berubah maka maks akan mengalami

pergeseran. Semakin tinggi suhu, intensitas maks semakin bergeser ke arah

panjang gelombang yang lebih pendek.

Hukum Pergeseran Wien

Gejala pergeseran intensitas cahaya maks pada radiasi benda hitam disebut

Pergeseran Wien. Wien menemukan bahwa hasil kali antara intensitas pada

maks dan suhu mutlak merupakan bilangan konstan yang berharga 2,898 x10-3 mmK. Secara matematis Hukum Pergeseran Wien dapat dinyatakan

dengan persamaan:

Panjang Gelombang

mmK2,898=Tmaks

konstan=Tmaks

Panjang Gelombang

maks

maks


17/32

Hukum Rayleigh-Jeans

Berdasarkan grafik intensitas radiasi terhadap panjang gelombang, Lord

Rayleigh dan James Jeans mencoba menerangkan spektrum radiasi benda

hitam dengan menggunakan teori Fisika Klasik mengenai teori kinetik gas

(termodinamika klasik). Mereka dapat menurunkan rumus Intensitas (I) radiasi

benda hitam untuk panjang gelombang yang besarsbb:

dengan k= 1,38 x 10-23 J/K adalah konstanta Boltzmann

Hasil perhitungan Rayleigh-Jeans dibandingkan dengan hasil eksperimendapat ditampilkan pada gambar di samping.

Terlihat bahwa pada panjang gelombang pendek, ramalan teori Rayleigh-

Jeans gagal total. Rumus Rayleigh-Jeans meramalkan bahwa pada 0,

intensitas I , ini sangat bertentangan sekali dengan hasil eksperimen.

Penyimpangan persamaan Rayleigh-Jeans yang jauh ini diberi istilah

katastrof (bencana) ultraviolet.

4

Tk8=I

Panjang Gelombang

HukumRayleigh-Jeans


18/32

Berbeda dengan keterangan yang diajukan oleh Wilhen Wien, jika Rayleigh-

Jeans hanya bisa menerangkan grafik intensitas radiasi benda hitam pada

panjang gelombang besar, Wilhem Wien justru mampu menerangkan grafik

intensitas radiasi benda hitam pada panjang gelombang pendek. Lihat

gambar grafik di samping.

Dengan menggunakan termodinamika klasik, Wilhem Wien merumuskan

intensitas radiasi benda hitam sbb:

denganA dan cadalah konstanta.

Hukum Planck

Pada tahun 1900 Max Planck mengajukan rumus emperis yang spektakuler

dan menghasilkan grafik intensitas radiasi benda hitam yang cocok dengan

hasil pengamatan, sbb:

T/c

4e

A=I

-Panjang Gelombang

HukumRayleigh-Jeans

Hukum Wien

1)(e

ch2I

kT/hc5

2


19/32

dengan h = 6,626 x 10-34 Js disebut Konstanta Planck.

Dalam teorinya Planck memakai anggapan sama seperti Rayleigh-Jeans yaitu

dengan menganggap radiasi dihasilkan oleh muatan atau molekul yang bergetar.

Sehingga pada panjang gelombang yang panjang, rumus Planck mendekati

rumus Rayleigh-Jeans.

Di samping itu ia menambah dua anggapan yang sangat berani dan kontroversial

mengenai osilasi molekul-molekul, sbb:1. Molekul-molekul yang berosilasi akan memancarkan energi

diskrit (tidak kontinu), En yang diberikan rumus:

En = nhf

dengan n aadalah bilangan asli yang disebut bilangan kuantum.

dan fdisebut frekuensi getaran molekul-molekul. Karena energi

radiasi bersifat diskrit maka energinya terkuatisasi dan energi

yang diperkenankan adalah n = 1,2,3,. Disebut tingkat energi.

2. Molekul memancarkan atau menyerap energi dalam satuan-

satuan diskrit yang dinamakan kuanta/kuantum atau foton.

Tiap foton memiliki energi sebesarE = hf.

Asumsi Planck ini mempelopori lahirnya mekanika kuantum.

Panjang Gelombang

Hukum Planck


20/32

Pada tahun 1905, Albert Einstein mengemukakan teori baru yang spektakuler.

Teori ini mengatakan bahwa energi cahaya terkuantisasi dalam bentuk bundel-

bundel energi yang besarnya

E = hf

Bundel-bundel energi ini dinamakan foton yang memiliki kelakuan seperti partikeltidak seperti gelombang.

Dengan teori ini Einstein mampu menjelaskan peristiwa efek fotolistrik dengan

baik.

Fotolistrik merupakan peristiwa dipancarkannya elektron ketika permukaan suatu

logam disinari cahaya. Elektron yang terlepas disebut fotoelektron.Ketika tabung ditempatkan di tempat gelap, jarum galvanometer pada

amperemeter menunjuk angka nol. Tetapi ketika sinar monokromatik dengan

panjang gelombang tertentu menyinari keping K jarum galvanometer menyimpang

(terdapat arus yang mengalir dalam rangkaian). Arus ini berhubungan dengan

terpancarnya elektron dari keping K dan dikumpulkan

di keping A.

V

A

AK


21/32

AK

1. Tidak semua frekuensi gelombang cahaya dapat menyebabkanefek fotolistrik, walaupun intensitas cahaya diperbesar.

Contoh : pada logam Na.

Menurut teori gelombang: semakin besar intensitas cahaya, semakin

besar arus yang mengalir, tetapi kenyataannya tidak terjadi

demikian. Menurut Einstein: cahaya datang berupa bundel-bundel

energi sebesarE = hf, jika mengenai logam, maka elektronmenyerap energi ini dan energinya naik sebesarhf. Jika energi ini

lebih tinggi dari energi ikat atom terhadap elektron-elektronnya maka

elektron akan terlepas. Frekuensi terkecil cahaya yang dapat

melepaskan elektron dinamakan frekuensi ambang, f0. Sedangkan

energi untuk frekuensi ini disebut energi ambang yang besarnya

harus sama dengan energi ikat atom, E0= hf0, dinamakan fungsikerja. Jika elektron mendapatkan energi lebih besar dari fungsi

kerjanya, maka kelebihan energi ini digunakan untuk menambah

energi kinetik elektron, disebut energi kinetik maksimum (Ek)maks,

sehingga diperoleh hubungan sbb:

hf = E0+ (Ek)maks

AK


22/32

2.Energi kinetik maksimum elektron yang terlepas tidak

tergantung pada intensitas cahaya, tetapi tergantung pada

frekuensi sinar yang datang.

Menurut Einstein, ketika tegangan diperkecil hingga polaritas

batere terbalik, maka beda potensial mencapai nilai kritis -V0,

dan arus listrik yang terbaca menunjuk angka nol (tidak ada

elektron yang keluar dari keping K). Potensial ini disebutpotensial penghenti ,V0. Sehingga diperoleh hubungan sbb:

(Ek) maks = e V0

Grafik yang menunjukkan hubungan beda potensial V dengan

arus I dapat dilihat pada gambar di samping.

3. Berdasarkan teori gelombang, elektron membutuhkan waktu

yang cukup lama untuk menyerap energi agar dapat terlepas

dari permukaan logam, tetapi kenyataannya elektron yang

dipancarkan dari keping logam terjadi dalam waktu yang

singkat, 10-9 sekon setelah permukaan disinari, bahkan pada

intensitas cahaya yang rendah.

V

I

-V0 0


23/32

4.Hasil eksperimen menunjukkan bahwa hubungan antara f dan(Ek) maks adalah hubungan linearseperti pada gambar di

samping.

Menurut teori gelombang : energi gelombang sebanding dengan

frekuensi kuadrat. E = m2A2. Jika energi gelombang diserap

maka seharusnya energi kinetik maksimum sebanding dengan

frekuensi kuadrat. Tetapi hasil eksperimen tidak demikian.

Menurut Einstein : dengan rumus (Ek)maks = hf E0berhasil

memperlihatkan bahwa hubungan energi kinetik maksimum ini

sebanding dengan frekuensi. Eksperimen juga membuktikan

bahwa besarnya kemiringan grafik pada gambar adalah sama

dengan h.

Kemampuan Einstein untuk menjelaskan peristiwa fotolistrik memaksa

orang untuk menerima pendapat Einstein bahwa cahaya dapat

berkelakuan seperti partikel. Apalagi ditambah dengan percobaan

Compton yang membuktikan bahwa sungguh cahaya dapat berkelakuan

sebagai partikel.

(Ek)maks

f

tan = h

f0


24/32

Gejala Pemanasan Global

Bumi dapat diasumsikan sebagai benda hitam. Ketika dipanaskan akan

menyerap energi kalor dan ketika sudah panas akan memancarkan kembali

ke luar angkasa.

Apabila energi sinar inframerah yang dipancarkan bumi tidak mampu

menembus lapisan atmosfer (CO2), akibatnya sinar ini akan terperangkap.Akhirnya akan terjadi kenaikan suhu pada bumi yang cenderung meningkat.

Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya efek rumah kaca.

Mengukur Suhu Matahari

Untuk mengukur suhu sebuah bintang atau matahari, para ilmuwan menelitispektrum cahaya matahari dengan menganalisis menurut frekuensi dan

panjang gelombangnya. Alat bantu yang dipergunakan untuk mengamati

spektrum matahari atau bintang ini disebut spektroskop.

Kemudian dengan menggunakan persamaan Wien maka dapat diketahui

suhu pada permukaan bintang atau matahari tsb.


25/32

Ide foton dikembangkan oleh Einstein dan pada tahun 1919, Einsteinmenyimpulkan bahwa suatu foton yang bergerak mempunyai momentum sebesar

E/c.

E = mc2= mc c = p c

Pada tahun 1923 Arthur Holly Compton dan Peter Debye melakukaneksperimen mengenai momentum foton ini. Mereka mengamati bahwa hamburan

foton sinar X oleh elektron dapat diterangkan dengan menganggap foton sebagai

partikel titik dengan energi hfdan momentum hf/cserta menggunakan hukum

kekekalan momentum dari foton dan elektron yang bertumbukan.

Menurut teori gelombang, ketika cahaya/sinar X datang pada sebuah elektron,

akan diserap lalu dipancarkan kembali dengan frekuensi lebih kecil dari frekuensisemula. Frekuensi atau panjang gelombang tergantung pada lamanya elektron

disinari.

Namun pada pada percobaan Compton mencatat bahwa ketika elektron disinari

oleh sinar X, maka panjang gelombang foton yang terhambur hanya tergantung

pada sudut hamburan, sama sekali tidak dipengaruhi oleh lamanya

penyinaran.


26/32

hcEhp

chfp

cEp

Sebelum tumbukan energi foton = pc dan energi elektron = energi diam.

Sesudah tumbukan energi foton = pc dan elektron = energi total, sehingga:

(**)..................)'(

'

'

22

0

2

2

0

2

0

cmcppcE

cmcppcE

Ecpcmpc

Sebelum tumbukan elektron dalam keadaan diam E0=m0c2. Sesudah

tumbukan, elektron memiliki energi E dan momentum relativistik pe.

Hubungan energi total E dengan momentum relativistik adalah sbb:

(*).. ...............................)( 2222

0

2

222

0

2

cpcmE

cpEE

e

e


27/32

Jika persamaan (*) dan (**) saling disubstitusikan, maka:*)*(*................)()'(

22

0

2

0 epcmcmpp

Pada tumbukan antara foton dan elektron berlaku juga hukum kekekalan

momentum, sebelum tumbukan vektor momentum foton = p dengan arah

horisontal dan momentum elektron = 0. Sesudah tumbukan vektor momentum

foton = p dengan arah membentuk sudut , dan momentum elektron = pe

p = p + pe

Dengan memperhatikan gambar vektor, kita peroleh hubungan skalar dengan

menggunakan rumus cosinus sbb:

Substitusikan nilai pe2 ini ke persamaan (***), diperoleh:

cos'2' 222

pppppe

cos'2')('22'2)('

)cos'2'()()'(

222

000

2

0

22

222

0

2

0

ppppcmcmpcpmppcmpp

ppppcmcmpp

cos'2'22'2 00 ppcmpcpmpp


28/32

cos1)'(

cos1/'/

cos1'

cos'

1

0

00

00

00

h

cm

h

cm

h

cm

p

cm

p

cm

p

cm

p

cm

Jika kedua dibagi dengan 2pp, kita peroleh:

)cos1()'(0

cm

h


29/32

Louis de Broglie pada tahun 1923, membuat suatu postulat yang sangatberani yaitu bahwa semua materi termasuk elektron mempunyai sifat

gelombang.

Untuk menghitung panjang gelombang suatu materi (partikel), Broglie

menggunakan rumus Einstein tentang momentum dan energi foton.

p

h

h

c

Ep

hchfE

Sehingga diperoleh persamaan untuk partikel berlaku p = mv, dan

selanjutnya dikenal dengan persamaan de Broglie, sbb:

mv

h

p

h


30/32

Lebih jauh lagi Broglie membuat postulat bahwa frekuensi gelombang darisuatu materi yang mempunyai energi E adalah:

h

Ef

C.J Davisson dan L.H Germertiga tahun kemudian, berhasil mengukur

panjang gelombang suatu elektron dan hasilnya tepat sesuai dengan rumusBroglie. Dalam eksperimennya, elektron diarahkan pada suatu target nikel

dalam ruang hampa. Ternyata elektron yang terhambur menunjukkan gejala

interferensi dan difraksi.

Pada tahun yang sama G.P Thomson menunjukkan bahwa elektron-

elektron yang ditembakkan pada lempengan emas tipis menunjukkan pola-pola difraksi.

Pola-pola difraksi yang ditunjukkan oleh Davisson Germer dan Thomson

tidak mungkin terjadi jika elektron tidak berkelakuan sebagai gelombang.


31/32

1. Suatu benda mempunyai emisivitas 0,5. Hitunglah intensitas radiasi yang

dipancarkan oleh benda tersebut pada suhu 100 K dan 400 K

2. Bagaimana seorang Astronom dapat mengetahui suhu sebuah bintang, padahalsebuah bintang tidak mungkin dapat didekati, atau suhu bintang tidak dapat diukur

secara langsung ?

3. Dari hasil pengukuran spektrum cahaya yang dihasilkan Matahari, didapatkan suhu

permukaan Matahari sekitar 6000 K. Tentukan panjang gelombang cahaya yang

dihasilkan Matahari pada intensitas maksimum menurut Wien. Tentukan pula energi yang

dihasilkan intensitas maksimum trsebut. Diketahui konstanta Wien 2,898.10-3 mK dan

kostanta Planck = 6,63.10-34 Js

Soal Evaluasi


32/32

4. Bagaimana hubungan antara prinsip ekuipartisi energi dan perumusan Rayleigh-Jeans?

Jelaskan apa yang dimaksud dengan bencana Ultraviolet ?

5. Sebuah lampu pijar menghasilkan daya 12 watt dengan panjang gelombang 6000 A.

Anggap 10 % energi lampu berubah menjadi energi cahaya dan h = 6,63.10-34 Js. Tentukan

jumlah foton yang dihasilkan oleh lamu setiap sekon

6. Setelah mengalami tumbukan dengan foton, sebuah elektron memperoleh energi kinetik

sebesar 3 eV. Jika karena tumbukan itu foton mengalami penurunan energi sebesar 25%.

Tentukan :

a. Energi foton sebelum tumbukan dan setelah tumbukan

b. Sudut hamburan yang dialami foton.

7. Sinar-X memiliki energi sebesar 10-15 J bertumbukan dengan sebuah elektron. Jika energi

foton setelah tumbukan berkurang menjadi setengahnya, tentukan sudut hamburan yang

dialami oleh foton sinar-X.

Documents

Radiasi Benda Hitam (BAGUS) A