RADIASI BENDA HITAM
Disusun Oleh:
Wulan Oktaviany
SMA NEGERI 113 JAKARTA
2014
Kata
Pengantar
Puji
dan syukur kepada Tuhan YME karena atas dan rahmatnya kami dapat menyelesaikan
penyusunan makalah Fisika ini. Dan kami juga mengucapkan terimakasih sebesar -
besarnya kepada guru pembimbing pelajaran fisika Bpk. Nur Fajriani yang telah
membimbing kami dan juga terimakasih atas partisipasi dari semua pihak.
Fisika
adalah ilmu yang mempelajari tentang materi atau zat yang meliputi sifat fisis,
komposisi, perubahan, dan energi yang dihasilkannya. Oleh karena itu ilmu
fisika memiliki banyak cabang dan salah satunya akan dibahas pada makalah ini,
yaitu Radiasi Benda Hitam.
Makalah
mengenai radiasi benda hitam ini disusun untuk memenuhi tugas yang diberikan oleh
guru pembimbing fisika dan untuk lebih mengerti lagi tentang materi tersebut.
Kami berharap dengan tersusunnya makalah ini dapat membantu teman - teman untuk
lebih mudah memahami materi tersebut sehingga dapta menguasainya dengan cepat
dan efektif.
Seperti
kata pepatah, tak ada gading yang tak
retak yang berarti tak ada yang sempurna, begitupun dengan makalah yang
kami susun ini. Oleh karena itu, kami mohon maaf bila terdapat kesalahan dan
kekurangan dalam makalah ini.
Jakarta,
Agustus 2014
Penulis
Daftar
Isi
Kata
Pengantar .......................................................................................................................
1
Daftar
Isi ................................................................................................................................
2
Teori
Kuantum Planck ...........................................................................................................
3
Teori
Kuantum Cahaya ..........................................................................................................
9
Penutup .................................................................................................................................. 13
Daftar
Pustaka ........................................................................................................................ 14
Teori
Kuantum Planck
I.
Benda Hitam
 |
| 1.1 Benda Hitam |
Spektrum energi yang dipancarkan sebuah
benda bergantung pada beberapa faktor, antara lain suhu benda, sifat permukaan
benda, dan jenis bahan benda. Spektrum energi dalam bentuk gelombang
elektromagnetik yang dipancarkan oleh permukaan benda menunjukkan intensitas
radiasi yang dipancarkannya.
Permukaan
benda hitam
merupakan permukaan yang memiliki sifat sebagai pemancar atau penyerap radiasi
yang sangat baik. Jika suhu permukaannya tinggi akan menjadi bersifat pemancar
dan jika suhu permukaannya rendah akan menjadi bersifat sebagai penyerap
radiasi.
Benda
hitam
adalah suatu sistem yang dapat menyerap semua radiasi kalor yang mengenai benda
tersebut.
II.
Intensitas
Radiasi Benda Hitam
 |
| 1.2 Intensitas Radiasi Benda Hitam |
a.
Hukum
Stefan-Boltzmann
Kemampuan benda untuk menyerap radiasi
kalor berkaitan dengan kemampuan untuk memancarkan radiasi. Sifat inilah yang
digunakan oleh ahli fisika untuk mengetahui besarnya intensitas radiasi yang
dapat dipancarkan oleh sebuah benda.
Energi per satuan luas dan persatuan
waktu atau intensitas radiasi total yang dipancarkan oleh benda hitam dari
seluruh spektrum energi yang dipancarkan. Hal tesebut dinyatakan dengan hukum
Stefan-Boltzmann. Bunyi hukum
Stefan-Boltzmann “energi yang dipancarkan
oleh suatu permukaan benda dalam bentuk radiasi kalor per satuan waktu
sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu.” yang secara
tematis dituliskan sebagai berikut:
Jika luas seluruh permukaan benda
diketahui, energi per satuan waktu atau daya yang dipancarkan oleh benda
tersebut dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Keterangan:
e =
koefisien emisivitas
σ = tetapan stefan-boltzmann
(5,67 x 10-8 Wm-2K-4)
T = suhu mutlak (K)
P = Daya (Watt)
I = intensitas radiasi (Wm-2)
A = luas permukaan
b. Hukum Pergeseran Wien
Pada hukum ini, prosesnya hampir sama
dengan proses terbentuknya gelombang berdiri pada tali yang digetarkan.
Gelombang elektromagnetik terdiri atas spektrum gelombang - gelombang dengan
panjang gelombang berbeda - beda. Alat yang digunakan untuk penelitian ini
konsepnya mirip dengan penguraian cahaya oleh prisma menjadi spektrumnya.
Bunyi hukum pergeseran Wien, ”Panjang gelombang untuk intensitas cahaya maksimum
berkurang dengan meningkatnya suhu.” yang secara sistematis dituliskan
sebahai berikut:
Keterangan:
λmaks = panjang
gelombang maksimum
T = Suhu mutlak
III.
Perumusan
Rayleigh dan Jeans
 |
| 1.3 Grafik Rayleigh-Jeans |
Setiap gelombang berdiri dalam rongga
memiliki dua derajat kebebasan , yakni yang berasal dari energi kinetik dan
energi potensial sehingga setiap getaran menjadi
, dengan k
adalah tetapan stefan-boltzmann.
Rayleigh-Jeans melihat bahwa kurva sebaran
itu serupa dengan hasil yang diperoleh pada intensitas spektrum radiasi kalor.
Oleh karena itu, mereka beranggapan bahwa ada kemiripan antara sifat panas
benda dan radiasi kalor. Berdasarkan prinsip ekuipartisi energi, persamaan
matematis yang didapatkan oleh Rayleigh-Jeans menunujukan bahwa untuk λ yang besar, intensitasnya semakin kecil dan jika λ mendekati tak hingga, intensitasnya
akan mendekati nol (0). Hal ini sangat menyimpang dari hasil empiris yang
menunjukkan bahwa intensitas yang mendekati nol ketika λ semakin kecil. Persimpangan
persamaan Rayleigh-Jeans yang sangat jauh ini disebut bencana ultraviolet karena λ yang kecil berada dalam wilayah
panjang gelombang ultraviolet.
Hal tersebut disebabkan mereka
beranggapan bahwa energi yang dimiliki oleh setiap spektrum gelombang bersifat
kontinu. Artinya, energi gelombang dapat memiliki sembarang nilai dalam batas
yang ditentukan.
IV.
Teori
Hipotesis Planck tentang Radiasi Benda
Hitam
Teori Rayleigh-Jeans sesuai dengan
spektrum radiasi benda hitam untuk panjang gelombang panjang atau frekuensi
yang rendah. Akan tetapi teori tersebut gagal untuk daerah panjang gelombang
pendek atau frekuensi tinggi. Sebaliknya, teori pergeseran Wien sesuai dengan
spektrum radiasi benda hitam untuk panjang gelombang pendek atau frekuensi
tinggi.
Planck menyadari pentingnya memasukkan
konsep energi maksimum dalam perhitungan teoritis radiasi benda hitam. Menurut
Planck, energi yang diserap atau dipancarkan oleh getaran - getaran yang timbul
di dalam rongga benda hitam merupakan paket
- paket atau kuanta energi atau foton. Berikut dua anggapan yang
dikemukakan Planck tentang sifat dasar dari getaran molekul - molekul dalam
dinding - dinding rongga hitam:
i.
Getaran molekul - molekul yang
memancarkan radiasi hanya dapat memiliki satuan - satuan energi diskret dari
harga En, yang diberikan oleh
dengan
n = 1,2,3,... disebut bilangan kuantum
dan h adalah tetapan Planck
ii.
Molekul - molekul memancarkan atau
menyerap energi dalam satuan diskret dari energi cahaya (disebut kuanta energi atau foton), jika molekul - molekul melompat dari satu tingkat energi ke
tingkat energi lainnya. Energi sebuaah foton karena beda energi antara dua
tingkat energi yang berdekatan dinyatakan oleh
Hubungan kuantum Planck menunjukkan bahwa
ekuipartisi energi dan setiap jenis getaran memiliki energi total yang berbeda-
beda. Menurut Planck, teori klasik gagal menjelaskan radiasi benda hitam pada
frekuensi tinggi karena pada daerah itu kuanta energinya sangat besar sehingga
hanya sedikit jenis getaran yang tereksitasi. Oleh karena itu, rumus Planck
terhindar dari bencana ultraviolet.
Persamaan yang menunjukkan besar energi
per satuan luas yang dipancarkan oleh suatu benda hitam yang terdistribusi
dianatara berbagai panjangnya telah diturunkan oleh Max Planck pada 1900 dengan
menggunakan teori kuantum, yaitu sebagai berikut:
Keterangan:
c = cepat
rambat cahaya
λ = panjang gelombang cahaya
T = suhu mutlak permukaan benda
hitam
k = 1,38
x 10-23 JK-1 (konstanta Boltzmann)
h = 6,63
x 10-34Js (konstanta Planck)
V.
Aplikasi
Radiasi Benda Hitam
a. Gejala Pemanasan Global
 |
| 1.5.1 Pemanasan Global |
Seandainya tidak ada atmosfer, energi
sinar matahari yang sampai ke bumi akan mampu memanaskan bumi hingga mencapai
80˚C di daerah khatulistiwa. Untungnya, lapisan atmosfer bumi mampu memantulkan
sekitar 34% energi matahari yang menuju bumi sehingga kembali ke angkasa luar.
Sekitar 19% diserap oleh awan dan debu - debu yang terdapat pada lapisan
atmosfer sekitar 47% energinya mencapi permukaan bumi. Di dekat khatulistiwa,
bumi menyerap radiasi kalor yang lebih besar dibandingkan di dekat daerah
kutub. Berkat pola aliran energi kalor yang diserap. Dari 47% energi radiasi
matahari yang diserap permukaan bumi, sekitar 23% digunakan untuk menguapkan
air yang terdapat di permukaan bumi, sekitar 10% kembali dialirkan ke angkasa
dalam bentuk konduksi dan konveksi, serta sekitar 14% dipancarkan dalam bentuk
gelombang elektromagnetik ke angkasa.
Sinar matahari yang memasuki bumi
memiliki berbagai panjang gelombang. Sinar tampak memiliki panjang gelombang
antara 400-700 nm, sinar infra merah memiliki panjang gelombang >700 nm, dan
sinar ultaviolet memiliki panjang <400nm.
Sinar matahari dengan panjang gelombang
pendek, seperti sinar ultraviolet dan sinar tampak, dengan mudah menembus
lapisan atmosfer bumi. Ketika energi sinar matahari memanaskan bumi, sebagian
besar dipancarkan kembali ke angkasa sebagai gelombang panjang, yakni berupa
sinar inframerah. Energi sinar inframerah tersebut tidak dapat menembus lapisan
karbondioksida sehingga terpantul kembali ke permukaan bumi. Jadi, gas
karbondioksida yang terdapat di atmosfer bumi dapat menyebabkan efek rumah kaca yang berakibat naiknya
temperatur bumi atau terjadi pemanasan
global.
b. Mengukur Suhu Matahari
 |
| 1.5.2 Suhu Global |
Pada temperatur yang tinggi, secara ilmiah
di dalam bintang - bintang akan terjadi reaksi fusi, yakni inti - inti ringan
akan bergabung membentuk inti yang lebih berat. Melalui serangkaian tahapan
reaksi fusi, inti - inti atom hidrogen bergabung membentuk inti helium. Proses
penggabungan itu digunakan untuk membangkitkan energi di dalam bintang -
bintang tersebut.
Energi yang dihasilkan oleh matahari
atau bintang tersebut terdiri atas berbagai bentuk radiasi gelombang
elektromagnetik yang dapat diketahui melalui frekuensi atau panjang gelombang.
Semua radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan akan merambat dalam
ruang angkasa dengan kecepatan yang sama, yakni dengan kecepatan spektrum
cahaya. Dengan meneliti spektrum sebuah bintang, seorang astronom dapat akan
dapat mengetahui suhu bintang.
Tujuan pengukuran suhu matahari:
ü Mempelajari
sistem transformasi energi di dalam sitem bumi-atmosfer dan ragamnya dalam
waktu dan ruang.
ü Mempelajari
distribusi dan ragam dari radiasi datang, radiasi keluar, dan radiasi netto.
ü Menganalisis
atmosfer mengenai kekeruhan, kandungan uap air, debu, dsb. Penerapan
praktis dalam bidang pertanian, biologi, pengobatan, arsitektur, dan industri.
Teori
Kuantum Cahaya
I.
Efek
Fotolistrik
 |
| 2.1 Efek Fotolistrik |
Efek
fotolistrik
adalah keluarnya elektron- rlrktron dari permukaan logam ketika logam tersebut
dikenai seberkas cahaya. Elektron yang dikeluarkan disebut elektron foto. Efek ini tidak dapat dijelaskan jika cahaya
dipandang sebagai gelombang, efek ini berhasil dijelaskan dengan baik oleh
Einstein pada tahun 1905, dengan memandang cahaya sebagai paket - paket energi
yang disebut foton (seperti yang
dikemukakan oleh Planck). Jika berkas cahaya yang mengenai permukaan logam
memiliki frekuensi f, maka energi
tiap foton cahaya adalah hf. Elektron
- elektron di dekat permukaan logam terikat pada struktur atom. Besar energi
ikatan bergantung pada jenis logam, dan disebut energi ambang atau fungsi
kerja logam (diberi notasi W0).
Jika energi hf dari foton cahaya lebih kecil dari pada energi ambang logam maka
elektron - elektron tidak akan keluar dari permukaan logam, berapapun
intensitas cahaya yang kita berikan. Tetapi dengan mengganti dengan cahaya yang
frekuensinya lebih tinggi atau mengganti dengan logam yang energi ambangnya
lebih kecil, sedemikian sehingga energi foton lebih besar dari pada energi
ambang menyebabkan elektron - elektron keluar dari permukaan logam walaupun
intensitas cahaya kecil.
Keterangan:
Ek =
energi potensial elektron
vm =
kelajuan maksumum elektron keluar dari permukaan
m = massa
elektron
f = frekuensi foton cahaya
f0 =
frekuensi ambang logam
λ =
panjang gelombang foton
λ0
=
panjang gelombang ambang logam
II.
Teori
Kuantitas Cahaya
Albert Einstein menjelaskan hasil -
hasil yang diperolehnya dari eksperimen efek fotolistrik pada 1905. Menurutnya,
cahaya terdiri atas paket - paket yang disebut foton. Foton adalah partikel dengan masa nol yang merupakan kuantum
radiasi elektromagnetik. Foton - foton inilah yang diserap dan dipancarkan.
Energi yang dikeluarkan foton sama dengan kuanta yang dikemukakan Planck, yakni
E = hf.
Dengan konsep itu, Einstein dapat
menjelaskan secara sempurna hasil empiris efek fotolistrik. Cahaya yang jatuh
ke atas logam dilukiskan sebagai foton - foton yang menerpa logam. Setiap foton
menubruk logam, pada peristiwa pertumbukan tersebut foton menyerahkan seluruh
energinya kepada elektron sehingga foton tersebut lenyap. Energi yang
diperlukan untuk melepaskan diri dari permukaan logam disebut fungsi kerja (W). Untuk jenis logam yang
berbeda makan fungsi kerjanya juga berbeda karena perbedaan energi ikat antara
elektron dan ion dalam logam. Jadi, untuk logam teertentu dapat di tuliskan
persamaan berikut
oleh
karena
dan
maka:
Keterangan:
W = fungsi kerja
h = kuanta Planck
f =
frekuensi cahaya
III.
Proses
Pembentukan Sinar - X
 |
| 2.2 Alat Sinar-X |
Proses pembentukan sinar - X merupakan
kebalikan dari efek fotolistrik, yakni aliran elektron yang menumbuk permukaan
logam dapat menghasilkan foton - foton sinar - X. Sinar - X didapatkan ketika
elektron - elektron bergerak dengan kecepatan tinggi yang diperoleh melalui
beda potensial tinggi menumbuk suatu permukaan logam. Sinar - X pertama kali
dikenalkan oleh Wilhelm K. Rontgen pada 1895 sehingga sinar - X diberi nama
sinar Rontgen.
Pada 1913, W. D Colidge dari
laboratorium General Electric, America Serikat, menciptakan tabung yang dapat
digunakan untuk menghasilkan sinar - X. Prinsip kerja tabung tersebut, yakni
berkas elektron dihasilkan oleh katode yang dipanaskan dengan filamen di dalam
ruang hampa. Bahan sasarannya berupa logam yang memiliki titik leleh antara 103
sampai 106 volt terhadap katode. Tentunya tabung ini harus
dilengkapi dengan sumber tegangan listrik yang dapat menghasilkan tegangan
tinggi.
Sebagian Besar elektron yang jatuh berada
di anode akan kehilangan energi kinetiknya yang berubah menjadi energi panas
(±90%). Energi panas tersebut timbul karena tumbukan anatar elektron di anode.
Akan tetapi, Sebagian kecil elektron alan kehilangan energinya akibat dengan
tumbukan elektron di anode. Energi yang berubah menjadi sinar -X. Jika elektron
menumbuk atom pada anode, seluruh energi kinetik elektron digunakan untuk
menghasilkan radiasi sinar - X, akan berlaku persamaan berikut
Energi kinetik elektron ini berasal dari
energi potensial elektron, karena elektron mendapat energi potensial, sehingga
Jadi, panjang gelombang minimum sinar -
X dapat dihasilkan dari suatu tabung sinar - X yang memenuhi persamaan
Keterangan:
V = beda potensial antara anode dengan
katode
e =
muatan elektron
h = konstanta
Planck
c =
kecepatan cahaya
Ek
= energi kinetik
Ep
= energi potensial
IV.
Efek Compton
 |
| 2.4 Efek Compton |
Penelitian hamburan sinar - X yang
dilakukan oleh ahli Fisika Amerika Serikat, Arthur H. Compton (1892 - 1962)
menghasilkan gejala baru, yakni perubahan panjang gelombang sebelum dan sesudah
sinar - X dihamburkan. Kemudian, gejala ini dapat dijelaskan oleh compton
dengan menganggap bahwa yang terjadi adalah tumbukan antara kuantum cahaya dan
elektron bebas.
Jika foton menumbuk elektron, sebagian
energi foton akan diberkan kepada elektron sehingga elektron akan memiliki
energi kinetik. Sementara itu, energi foton setelah mengalami penumbukan akan
berkurang. Sebagai hasilnya, sesudah tumbukan elektron bergerak dengan arah
tertentu dan kelajuan tertentu. Foton sinar X yang terhambur pun mempunyai arah
tertentu dangan sudut
. Menurut
teori klasik, pengurangan energi tidak akan diikuti oleh perubahan
frekuensi atau panjang gelombang. Berdasarkan
teori kuantum, perubahan energi berarti perubahan frekuensi yang juga
berarti perubahan panjang gelombang.
Panjang gelombang foton sinar X setelah
terhambur (λ’) akan lebih besar daripada
panjang gelombang foton sinar X mula - mula (λ). Beda panbjang gelombang sinar
X sesudah terhambur dan sebelum terhambur (Δλ) dinyatakan oleh persamaan
compton
V.
Sifat
Gelombang pada Partikel
a. Panjang Gelombang de Broglie
Cahaya
memiliki sifat gelombang yang dapat diamati dalam peristiwa interferensi dan
difraksi cahaya serta memiliki sifat partikel yang dapat diamati dalam
peristiwa efek fotolistrik dan efek compton. Sifat gelombang dinyatakan oleh
panjang gelombang (λ) dan sifat partikel dinyatakan oleh besaran momentum (p). Hubungan panjang gelombang dengan
momentum sebuah foton sesuai dengan persamaan berikut
Louis de
Broglie yang memiliki latar belakang seni musik membayangkan bahwa kuantitasi
lintasan elektron sebagai nada - nada harmonik. Lintasan yang pertama merupakan
harmonik I, yang terdiri atas sebuah gelombang dan lintasan kedua merupakan
harmoni II, yang terdiri atas dua gelombang, dan seterusnya seperti itu.
Menurut Broglie, panjang lintasan elektron sama dengan bilangan bulat dikalikan
suatu panjang gelombang
Dengan memerhatikan sifat dualisme cahaya ini,
maka pada tahun 1924, seorang ilmuwan fisika Prancis bernama Louis de Broglie
mengemukakan teori yang menyatakan bahwa “partikel
(seperti elektron) yang bergerak pada kemungkinan memiliki sifat gelombang
dengan panjang gelombang tertentu”. Partikel yang bergerak dengan kecepatan
v memiliki momentum p = mv,
sehingga partikel akan memiliki panjang gelombang de Broglie sebesar
Panjang
gelombang de Broglie ini dapat dibuktikan melalui pola difraksi elektron dari
percobaan yang dilakukan oleh C. J. Davisson dan L. H. Germer pada tahun 1927.
Penutup
Puji dan syukur kepda Tuhan YME
karena akhirnya makalah ini dapat terselesaikan dengan baik dan sesuai dengan
target yang kami harapkan. Demikianlah materi yang dapat kami tuliskan dalam
makalah ini semoga apa yang terdapat didalamnya dapat bermanfaat bagi pembaca
sekalian. Dan terimakasih karena anda mau membaca makalah ini, kami juga mohon
maaf apabila terdapat kesalahan didalamnya.
Jakarta, Agustus 2014
Penulis
Daftar Pustaka
Kamajaya.
2007. Cerdas Belajar Fisika. Bandung:
Penerbit Grafindo Media Pratama.
Kanginan,
Marthen. 2010. Seribu Pena Fisika SMA
Kelas XII Jilid 3. Jakarta: Penerbit Erlangga
Google.com
Wikipedia.org
Ini juga ada pptnya.
Jika ingin meminta silahkan hubungi email saya agnesoktaviany@gmail.com dan konfirmasikan ke twitter saya @A_Oktaviany22
No comments:
Post a Comment