Bab8 Radiasi Benda Hitam

Download Bab8 Radiasi Benda Hitam

Post on 27-Jun-2015

2.053 views

Category:

Documents

21 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<p>8</p> <p>RADIASI BENDA RADIASI BENDA HITAM HITAM</p> <p>Pakaian hitam menyerap semua cahaya yang mengenainya.</p> <p>Sumber: CD ClipArt</p> <p>ernahkah kalian memakai pakaian hitam di siang hari yang panas? Jika pernah bagaimana rasanya? Pasti sangat panas bukan, mengapa? Ini karena warna hitam menyerap semua cahaya atau sinar yang jatuh mengenainya sehingga benda tersebut akan menjadi panas. Inilah yang disebut radiasi benda hitam. Untuk mengetahuinya ikuti pembahasan berikut ini.</p> <p>P</p> <p>Bab 8 Radiasi Benda Hitam</p> <p>&amp;'</p> <p>benda hitam, Hukum Pergeseran Wien, Hukum Stefan-Boltzmann, panjang gelombang, radiasi, suhu mutlak</p> <p>Pernahkah kalian melihat lampu pijar? Jika kalian perhatikan, pada bagian filamen lampu berwarna kuning keputih-putihan padahal lampu berwarna biru. Mengapa hal ini terjadi? Ini terjadi karena suhu lampu pijar di atas 2.000 K. Semua benda yang berada pada suhu di atas 2.000 K akan memancarkan cahaya putih. Dalam perambatan cahaya melalui ruang hampa, cahaya dianggap sebagai gelombang, seperti pada peristiwa interferensi dan difraksi. Adapun dalam peristiwa interaksi cahaya dengan atom maupun molekul, cahaya dianggap sebagai partikel. Peristiwa tersebut antara lain radiasi panas, efek fotolistrik, dan gejala compton, yang akan kalian pelajari dalam pembahasan berikut ini.</p> <p>A.</p> <p>Radiasi Panas dan Intensitas Radiasi1. Radiasi PanasRadiasi panas adalah radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya. Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi pada umumnya, kalian dapat melihat sebuah benda, karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, bukan karena benda itu memancarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1.000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2.000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini menyebabkan pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menentukan suhu suatu benda. Secara umum bentuk terperinci dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Walaupun demikian, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektra panas dengan karakter universal. Benda ini adalah benda hitam atau black body. Benda hitam didefinisikan sebagai sebuah benda yang menyerap semua radiasi yang datang padanya. Dengan kata lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. Jadi, benda hitam mempunyai harga absorptansi dan emisivitas yang besarnya sama dengan satu.</p> <p>Sumber: Jendela Iptek Cahaya, PT Balai Pustaka, 2000</p> <p>Gambar 8.1 Filamen lampu pijar meradiasikan panas pada suhu di atas 2.000 K.</p> <p>Benda hitam sempurna adalah pemancar kalor radiasi paling baik (e = 1). Contoh yang mendekati benda hitam sempurna adalah kotak tertutup rapat yang dilubangi dan lubang udara (ventilasi) rumah.</p> <p>'</p> <p>Fisika XII untuk SMA/MA</p> <p>Seperti yang telah kalian ketahui, bahwa emisivitas (daya pancar) merupakan karakteristik suatu materi, yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama. Sementara itu, absorptansi (daya serap) merupakan perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluks yang tiba pada benda itu. Benda hitam ideal digambarkan oleh suatu rongga hitam dengan lubang kecil. Sekali suatu cahaya memasuki rongga itu melalui lubang tersebut, berkas itu akan dipantulkan berkali-kali di dalam rongga tanpa sempat keluar lagi dari lubang tadi. Setiap kali dipantulkan, sinar akan diserap dinding-dinding berwarna hitam. Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya jika suhunya lebih rendah daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi daripada suhu sekitarnya. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 8.1. Benda hitam yang dipanasi sampai suhu yang cukup tinggi akan tampak membara.</p> <p>Gambar 8.2 Pemantulan yang terjadi pada benda hitam.</p> <p>2. Intensitas RadiasiRadiasi benda hitam adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur. Pada tahun 1879 seorang ahli fisika dari Austria, Josef Stefan melakukan eksperimen untuk mengetahui karakter universal dari radiasi benda hitam. Ia menemukan bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas (intensitas total) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Sehingga dapat dirumuskan:I total =</p> <p>.T 4 ....................................................... (8.1)</p> <p>Bab 8 Radiasi Benda Hitam</p> <p>'</p> <p>dengan I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T adalah suhu mutlak benda, dan adalah tetapan Stefan-Boltzman, yang bernilai 5,67 10-8 Wm-2K-4. Untuk kasus benda panas yang bukan benda hitam, akan memenuhi hukum yang sama, hanya diberi tambahan koefisien emisivitas yang lebih kecil daripada 1 sehingga:I total = e..T 4 ............................................................ (8.2)</p> <p>Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan (8.2) dapat ditulis sebagai:P = e T 4 ...................................................... (8.3) A</p> <p>dengan: P = daya radiasi (W) A = luas permukaan benda (m2) e = koefisien emisivitas T = suhu mutlak (K) Beberapa tahun kemudian, berdasarkan teori gelombang elektromagnetik cahaya, Ludwig Boltzmann (1844 - 1906) secara teoritis menurunkan hukum yang diungkapkan oleh Joseph Stefan (1853 - 1893) dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Oleh karena itu, persamaan (8.2) dikenal juga sebagai Hukum StefanBoltzmann, yang berbunyi: Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya. Contoh Soal Lampu pijar dapat dianggap berbentuk bola. Jari-jari lampu pijar pertama 3 kali jari-jari lampu pijar kedua. Suhu lampu pijar pertama 67 oC dan suhu lampu pijar kedua 407 oC. Tentukan perbandingan daya radiasi lampu pertama terhadap lampu kedua! Besaran yang diketahui: T1 = (67 + 273) K = 340 K T2 = (407 + 273) K = 680 K R1 = 3 R2</p> <p>'</p> <p>Fisika XII untuk SMA/MA</p> <p>Perbandingan daya radiasi lampu pertama terhadap lampu kedua:P1 e .. A1 .T14 = P2 e .. A2 .T2 4 2 4 R T = 1 1 R2 T2 2</p> <p>4 3R = 2 340 R2 680 4 1 = 9 = 9 = 0,56 2 16</p> <p>Uji Kemampuan 8.1 </p> <p>Suhu lampu pijar A dan B masing-masing 32 oC dan 43 oC, dan jari-jari lampu A adalah 4 kali jari-jari lampu B. Berapakah nilai perbandingan antara daya kalor radiasi lampu A dan B?</p> <p>B.</p> <p>Hukum Pergeseran Wien</p> <p>Untuk sebuah benda hitam, berlaku suatu hubungan antara panjang gelombang dengan suhu mutlak yang dinyatakan:</p> <p>m .T = C ............................................................ (8.4)dengan m merupakan panjang gelombang yang sesuai dengan radiasi energi maksimum, T adalah temperatur termodinamik benda, dan C adalah tetapan pergeseran Wien (2,898 10 -3 mK). Hubungan tersebut disebut Hukum pergeseran Wien, yang dinyatakan oleh Wilhelm Wien (1864 - 1928). Gambar 8.3 memperlihatkan grafik hubungan antara intensitas radiasi dan panjang gelombang radiasi benda hitam ideal pada tiga temperatur yang berbeda. Grafik ini dikenal sebagai grafik distribusi spektrum. Intensitas merupakan daya yang dipancarkan per satuan panjang gelombang. Ini merupakan fungsi panjang gelombang I maupun temperatur T, dan disebut distribusi spektrum. Dari grafik terlihat bahwa puncak kurva penyebaran energi spektrum bergeser ke arah ujung spektrum panjang gelombang pendek dengan semakin tingginya temperatur.Intensitas (MW/m2)</p> <p>10</p> <p>m1</p> <p>T1= 4.000 K</p> <p>5</p> <p>m2</p> <p>T2= 3.000 K T3= 2.000 K</p> <p>0</p> <p>m3</p> <p>3 2 1 Panjang gelombang (m) Gambar 8.3 Grafik hubungan pergeseran Wien.</p> <p>Bab 8 Radiasi Benda Hitam</p> <p>'!</p> <p>P (,T ) Hukum Rayleigh - Jeans</p> <p>Hukum Planck</p> <p>Fungsi distribusi spektrum P( ,T ) dapat dihitung dari termodinamika klasik secara langsung, dan hasilnya dapat dibandingkan dengan Gambar 8.3. Hasil perhitungan klasik ini dikenal sebagai Hukum RayleighJeans yang dinyatakan: P ( ,T ) = 8 kT -4 dengan k merupakan konstanta Boltzmann. Hasil ini sesuai dengan hasil yang diperoleh secara percobaan untuk panjang gelombang yang panjang, tetapi tidak sama pada panjang gelombang pendek. Begitu mendekati nol, fungsi P ( , T ) yang ditentukan secara percobaan juga mendekati nol, tetapi fungsi yang dihitung mendekati tak terhingga karena sebanding dengan 4 . Dengan demikian, yang tak terhingga yang terkonsentrasi dalam panjang gelombang yang sangat pendek. Hasil ini dikenal sebagai katastrof ultraviolet.</p> <p>1</p> <p>2</p> <p>3</p> <p>4</p> <p>5</p> <p>6</p> <p>7</p> <p>8 (m)</p> <p>Gambar 8.4 Distribusi spektrum radiasi benda hitam terhadap panjang gelombang pada T = 1.600 K.</p> <p>C.</p> <p>Hukum Radiasi PlanckPada tahun 1900, fisikawan Jerman, Max Planck, mengumumkan bahwa dengan membuat suatu modifikasi khusus dalam perhitungan klasik dia dapat menjabarkan fungsi P ( ,T ) yang sesuai dengan data percobaan pada seluruh panjang gelombang. Hukum radiasi Planck menunjukkan distribusi (penyebaran) energi yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Hukum ini memperkenalkan gagasan baru dalam ilmu fisika, yaitu bahwa energi merupakan suatu besaran yang dipancarkan oleh sebuah benda dalam bentuk paketpaket kecil terputus-putus, bukan dalam bentuk pancaran molar. Paket-paket kecil ini disebut kuanta dan hukum ini kemudian menjadi dasar teori kuantum. Rumus Planck menyatakan energi per satuan waktu pada frekuensi v per satuan selang frekuensi per satuan sudut tiga dimensi yang dipancarkan pada sebuah kerucut tak terhingga kecilnya dari sebuah elemen permukaan benda hitam, dengan satuan luas dalam proyeksi tegak lurus terhadap sumbu kerucut. Pernyataan untuk intensitas jenis monokromatik Iv adalah: Iv = 2hc-2v3/(exp hv 1) ....................................... (8.5) kT dengan h merupakan tetapan Planck, c adalah laju cahaya,</p> <p>'"</p> <p>Fisika XII untuk SMA/MA</p> <p>k adalah tetapan Boltzmann, dan T adalah temperatur termodinamik benda hitam. Intensitas juga dapat dinyatakan dalam bentuk energi yang dipancarkan pada panjang gelombang per satuan selang panjang gelombang. Pernyataan ini dapat dituliskan dalam bentuk: hc I = 2hc 2 5 / exp 1 ................................... (8.6) kT </p> <p>Rumus Planck dibatasi oleh dua hal penting berikut ini. 1. Untuk frekuensi rendah v&gt; hc , maka akan kT berlaku rumus Rayleigh-Jeans. Iv = 2.c-2.v2.k.T atauI = 2.c. -4 .k.T</p> <p>Konstanta Planck h merupakan tetapan fundamental yang besarnya sama dengan perbandingan antara energi E dari suatu kuantum energi terhadap frekuensinya.</p> <p>Pada persamaan tersebut tidak mengandung tetapan Planck, dan dapat diturunkan secara klasik dan tidak berlaku untuk frekuensi tinggi, seperti energi tinggi, karena sifat kuantum foton harus pula diperhitungkan. 2. Pada frekuensi tinggi v&gt;&gt; kT , dan pada panjang h gelombang yang pendek </p>