ppt.radiasi benda hitam

Standar Kompetensi : 9. Menganalisis keterkaitan antara berbagai besaran fisis pada gejala kuantum dan menerapkan batas-batas berlakunya relativitas Einstein dalam paradigma fisika modern.

Kompetensi dasar9.1 Menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang mencakup

hakikat dan sifat-sifat radiasi benda hitam, serta penerapannya.

Idikator• Menganalisis dan menginterpretasi data empiris tentang

radiasi benda hitam.

• Memformulasikan hipotesa Planck

• Memformulasikan hukum pergeseran Wien dan hukum Stefan Boltzmann berdasarkan hipotesa Planck

• Mengaplikasikan sifat-sifat radiasi benda hitam untuk mengukur suhu matahari dan suhu bintang

HK. STEFAN –

BOLTZMANN

HK. PERGESE-

RAN WIEN

TEORI RELEIGH DAN

JEANS

TEORI PLANCK

EKSPERIMEN R.A. MILIKAN

TEORI EINSTEIN

EFEK COMPTON

PANJANG GELOMBANG DE BROGLIE

PERCOBAAN DAVISSON

DAN GERMER

1. MENGISI RUANG

2. MEMILIKI λ1. MENEMPATI SESUAI VOLUME

2. MEMILIKI MOMENTUM

BENDA HITAM BENDA HITAM (BLACK BODY)(BLACK BODY)

Kemampuan menyerap energi maksimal ( e = 1 )

Kemampuan memancarkan energi maksimal ( e = 1 )

E = e . τ . T4

Energi yang dipancarkan atau diserap per satuan waktu per satuan luas ( J.s-1.m-2 ), dirumuskan :

E = Laju perpindahan kalor atau banyak kalor per satuan waktu (J/s atau kal/s)e = emisivitas permukaan (koefisien pancara/serapan benda)τ = tetapan Stefan = 5,67.10-8 watt.m-2.K-4

T = suhu mutlak (K)

Energi yang dipancarkan atau diserap per satuan waktu per satuan luas dapat juga dirumuskan :

PE =

A

E = Laju perpindahan kalor atau banyak kalor per satuan waktu (watt.m-2)P = Daya pancar ( watt )A = luas permukaan benda (m2)

P = E . A = e . τ . T4 . A Daya pancar

CONTOH SOAL

Sebuah benda memiliki permukaan hitam sempurna, 270 C. Berapa besarnya energi yang dipancarkan tiap satuan waktu tiap satuan luas permukaan benda itu ?

DIKETAHUI : e = 1 (benda hitam sempurna)T = 27 + 273 = 300 Kτ = 5,67.10-8 watt.m-2.K-4

DITANYAKAN : E = …. ?JAWAB :

Penyelesaian:

E = e . τ . T4

= 1 x 5,67.10-4 x (300)4

= 5,67.10-8 x 81.108

= 459,27.10-4 watt/m2

Sebuah bola memiliki jari-jari 20 cm dipanaskan sampai suhu 500 K, sedangkan benda-benda disekitar-nya bersuhu 300 K. Berapa daya yang diperlukan untuk memperta-hankan suhu bola jika permukaan-nya memiliki emisivitas ½ ?

DIKETAHUI : e = ½ r = 20 cm = 0,2 mT1 = 300 K ; T2 = 500 Kτ = 5,67.10-8 watt.m-2.K-4

DITANYAKAN : Daya = P = …. ?JAWAB :

Penyelesaian:Luas bola =A= 4π .r2 = 4x3,14x (0.2)2

A = 0,5 m2

Daya pancar tiap satuan luas E = e . τ . ∆T4

= ½ x 5,67.10-8 x (200)4

= 1542.10-4 watt/m2 Daya yang diperlukan P = E.A= 1542.10-4 x 0,5 = 0,0771 watt

Jika suatu benda meradiasikan kalor pada temperatur tinggi (maksimum) puncak spektrum radiasi akan bergeser kearah panjang

gelombang yang makin kecil

Pada kondisi radiasi maksimum panjang gelombangnya

λm = T.C

λm = Panjang gelombang pada energi pancar maksimum (m)

T = suhu dalam K

C = 2,898 x 10-3 m.K

HUKUM HUKUM PERGESERAN WIENPERGESERAN WIEN

Kelemahan dari teori ini yaitu tidak dapat digunakan untuk seluruh

bagian spektrum (tidak cocok untuk panjang gelombang panjang)

RELEIGH DAN JEANSRELEIGH DAN JEANS MENGOREKSI TEORI MENGOREKSI TEORI

WIEN MELALUI EKSPERIMENNYA AKAN WIEN MELALUI EKSPERIMENNYA AKAN

TETAPI HASIL EKSPERIMEN HANYA TETAPI HASIL EKSPERIMEN HANYA

COCOK PADA DAERAH SPEKTRUM COCOK PADA DAERAH SPEKTRUM

CAHAYA TAMPAK SEDANGKAN UNTUK CAHAYA TAMPAK SEDANGKAN UNTUK

DAERAH PANJANG GELOMBANG PENDEK DAERAH PANJANG GELOMBANG PENDEK

TIDAK COCOK. KEGAGALAN INI DIKENAL TIDAK COCOK. KEGAGALAN INI DIKENAL

DENGAN DENGAN BENCANA ULTRAVIOLETBENCANA ULTRAVIOLET

E = e . τ . T4

PE =

A

P = E . A = e . τ . T4 . A

λ m . T = C

KESIMPULAN TEORI WIEN

• BENDA YANG BERADIASI MEMANCARKAN ENERGI DALAM BENTUK GELOMBANG

RADIASI

Kwantum/kwanta/foton ENERGI FOTON

W = h .f

E = energi foton ( j )h = tetapan Planck = 6,626 x 10-34 J.sf = frekwensi (Hz)c = 3 x 10 8 m/s λ = panjang gelombang(m)

EkW

W = energi foton (J)W0 = energi ikat (J)

= fungsi kerja logam= energi ambang

λO = λ ambangfO = frek. ambang

W = WO +Ekh.f = WO +Ek

h.f = h.fO +Ekh. = h. +Ekc

λ0

cλ

RADIASI elektron

foton

w0

1. Efekfoto listrik terjadi apabila energi foton(W) cukup untuk membebaskan elektron dari ikatannya dengan inti atom (WO)

2. Energi kinetik maksimum elektron (Ek) yang dibebaskan dari keping tidak bergantung pada intensitas (lamanya) penyinaran

3. Energi kinetik maksimum elektron (Ek) berbanding lurus dengan frekwensi cahaya yang digunakan (hasil eksperimen Robert A. Milikan)

4. Cahaya dapat memperlihatkan sifat gelombang juga dapat memperlihatkan sifat-sifat partikel (foton)

RADIASI elektron

foton

EkW

w0

W = WO +Ekh.f = WO +Ek

h.f = h.fO +Ekh. = h. +Ekc

λ0

cλ

Cahaya dari sinar ultra violet dengan panjang gelombang 2500 angstrum dikenakan pada permukaan logam kalium. Jika fungsi kerja logam kalium 2,21 ev, hitunglah berapa elektron volt (ev) energi kinetik dari elektron yang keluar dari permukaan logam kalium.

Penyelesaian:Diketahui : c = 3.108 m/s λ = 2500 angstrum = 25.10-8 m f = c/ λ = 3.108/25.10-8= 1,2.1015 hz W0= 2,21 ev = 2,21.1,6.10-19 = 3,536.10-19 j h = 6,626.10-34 j.sDitanyakan : Energi kinetik elektron (Ek)

Jawab: W = W0 + Ek

Ek = W - W0

= h.f - 3,536.10-19

= 6,626.10-34.1,2.1015- 3,536.10-19

= 4,415.10-19 j.

4,415.10-19

= = 2,76 ev

1,6.10-19

Sebuah logam memiliki fungsi kerja 6,08.10-19 j. Pada saat logam disinari terlepas elektron dari permukaan logam dengan energi kinetik 3,08 ev. Hitunglah panjang gelombang dari sinar itu ?

Penyelesaian:

Diketahui :

c = 3.108 m/s

W0= 6,08.1,6.10-19 j

Ek= 3,08 ev = 3,08.1,6.10-19

= 4,928.10-19 j

h = 6,626.10-34 j.s

Ditanyakan :

Panjang gelombang sinar (λ)

Jawab:

W = W0 + Ek

= 6,08.10-19 + 4,928.10-19

= 11,008.10-19 j. hc W = λ hc λ = W 6,626.10 −34.3.10 8

λ = = 18.10−8 m 11,008.10 −19

Foton hambur( λ’ )

Foton datang( λ )

E = mo.c2

Elektron hambur

E = h.f

E’ = h.f’

P =0

θ

λ = panjang gelombang foton sebelum tumbukan λ’ = panjang gelombang foton setelah tumbukan h = tetapan Planck = 6,626 x 10 –34 J.s c = kecepatan cahaya = 3 x 10 8 m/s m0 = massa diam elektron θ = sudut hamburan elektron

Pada percobaan efek compton digunakan sinar X dengan panjang gelombang 0,1 angstrum. Sinar X menumbuk elektron dan terhambur dengan sudut sebesar 900. Jika massa diam elektron 9,1.10-31 kg, berapa panjang gelombang elektron yang terhambur ?

Penyelesaian:Diketahui : c = 3.108 m/s λ = 0,1 angstrum = 10-11 m

m0= 9,1.10-31 kg

θ = 900

h = 6,626.10-34 j.sDitanyakan : Panjang gelombang terhambur (λ ')

Jawab:

h

λ ' − λ = ( 1 − cosθ )

m0c

6,626.10-34

λ ' − λ = ( 1 − cos90)

9,1.10-31.3.108

= 2,43.10-12

λ ' = 2,43.10-12 + λ

= 2,43.10-12 + 10-11

= 1,243.10-11 m

Pada percobaan efek compton digunakan sinar X dengan frekwensi 3.1019 hz. Pada saat menumbuk elektron sinar ini terhambur dengan sudut 600. Jika massa elektron diam 9,1.10-31 kg, hitunglah berapa frekwensi dari sinar yang terhambur.

Penyelesaian:Diketahui : c = 3.108 m/s f = 3.1019 hz c 3.108 λ = = = 10-11 m f 3.1019 m0= 9,1.10-31 kg

θ = 600

h = 6,626.10-34 j.sDitanyakan : frekwensi sinar X terhambur (f')

Jawab: hλ ' - λ = ( 1 - cosθ ) m0c

6,626.10-34 λ ' − λ = ( 1 - cos60) 9,1.10-31.3.108

= 2,43.10-12 ( 1 - 0,5) = 1,215.10-12

λ ' = 1,215.10-12 + λ = 1,215.10-12 + 10-11

= 1,1215.10-11 m c 3.108 f ' = = λ ' 1,1215.10-11 = 2,68.1019 hz

Bergerak lurus dengan momentum p = m.vm

v

m

v

Menurut deBroglie partikel bergerak seperti gelombang ,

dengan demikian partikel pada saat bergerak selain memiliki momentum (p) juga memiliki

panjang gelombang( λ)

λ

HUBUNGAN ANTARA

MOMENTUM ( p ) DENGAN PANJANG

GELOMBANG (λ)

λ = panjang gelombang deBroglie (m)p = momentum (N.s)h = tetapan Planck = 6,626 x 10-34 J.s

Hitunglah panjang gelombang de Hitunglah panjang gelombang de Broglie dari elektron yang bergerak Broglie dari elektron yang bergerak dengan kecepatan 2,4.10dengan kecepatan 2,4.1088 m/s, m/s, dengan menggunakan teori :dengan menggunakan teori :

a. non relativistik b. relativistika. non relativistik b. relativistik

massa elektron diam 9,1.10massa elektron diam 9,1.10-31-31 kg kg

Penyelesaian:Diketahui : v = 2,4.108 m/s = 0,8 c m0= 9,1.10-31 kg; h = 6,626.10-34 j.s

Ditanyakan : panjang gelombang deBroglie (λ)

Jawab:a). dengan teori non relativistik, berarti selama elektron bergerak massanya tetap m = m0

h 6,626.10-34

λ = = mv 9,1.10-31.2,4.108

= 3,304.10-12 m

b). dengan menggunakan teori relativistik, massa elektron berubah saat bergerak m0

m = ; v2/c2 = (0,8c)2/c2 = 0,64 1 - v2/c2 h h λ = = mv m0 . v

1 - v2/c2 h 1 - v2/c2 6,626.10-34 1 - 0,64 λ = = m0 . v 9,1.10-31.2,4.108

6,626.10-34.0,6 λ = = 1,82.10-12 m 2,184.10-22

m = mO

c2 v2

1 +

APAKAH SEMUA BENDA YANG BERGERAK

MEMILIKI PANJANG GELOMBANG deBROGLIE ?

Hanya berlaku pada partikel kecil (elektron), yang bergerak dengan kecepatan cukup besar mendekati kecepatan

cahaya

Karena elektron bergerak Karena elektron bergerak dengan kecepatan mendekati dengan kecepatan mendekati cahaya maka massa elektron cahaya maka massa elektron

menjadi massa relatifmenjadi massa relatif

p = m.v

Teori deBroglie dibuktikan kebenarannya melalui

percobaan oleh Davisson dan Germer pada th. 1927

APLIKASI DARI TEORI deBROGLIE PADA MIKROSKOP ELEKTRON

DIMANA CAHAYA DIGANTI DENGAN ELEKTRON

•RUMUS WIEN HANYA BERLAKU PADA SPEKTRUM GELOMBANG PENDEK•TEORI RELEIGH DAN JEINS HANYA BERLAKU PADA SPEKTRUM CAHAYA TAMPAK.•CAHAYA MEMILIKI SIFAT KEMBAR (DUALISME) YAITU PADA KONDISI TERTENTU MEMILIKI SIFAT PARTIKEL DAN PADA KONDISI LAIN MEMILIKI SIFAT GELOMBANG. AKAN TETAPI KEDUA SIFAT TERSEBUT TIDAK MUNGKIN MUNCUL PADA SAAT YANG SAMA•PERCOBAAN COMPTON MEMBUKTIKAN BAHWA CAHAYA MEMILIKI SIFAT PARTIKEL•EKSPERIMEN DAVISON DAN GERMER MEMBUKTIKAN ASUMSI DARI deBROGLIE BAHWA PARTIKEL DAPAT MENUNJUKKAN SIFAT GELOMBANG

Sebuah logam memiliki fungsi kerja 6,08.10-19 j. Pada saat logam disinari terlepas elektron dari permukaan logam dengan energi kinetik 3,08 ev. Hitunglah panjang gelombang dari sinar itu ?

Penyelesaian:

Diketahui :

c = 3.108 m/s

W0= 6,08.1,6.10-19 j

Ek= 3,08 ev = 3,08.1,6.10-19

= 4,928.10-19 j

h = 6,626.10-34 j.s

Ditanyakan :

Panjang gelombang sinar (λ)

Jawab:

W = W0 + Ek

= 6,08.10-19 + 4,928.10-19

= 11,008.10-19 j. hc W = λ hc λ = W 6,626.10 −34.3.10 8

λ = = 18.10−8 m 11,008.10 −19

E = h.f = 6,62. 10-34 . 10 14

=6,61 . 10 -20 J / 1,6. 10-19 = 0,41 ev

=

= h. c/λ

Ev = elektron volt

1 volt

W = e. v

= 1,6. 10-19 . 1

= 1,6. 10-19 J