RADIASI BENDA HITAMFAHMI IMAN ALFARIZKI – XII IPA 1

Jika suatu benda disinari dengan radiasi elektromag-netik, benda itu akan menyerap setidaknya sebagian energi radiasi tersebut.

temperatur benda akan naik

Teori Pancaran Benda HitamTeori Pancaran Benda Hitam

Jika benda tersebut menyerap semua energi yang datang tanpa memancarkannya kembali, temperatur benda akan terus naik

Kenyataannya tidak pernah terjadi, mengapa?

Karena sebagian energi yang diserap benda akan dipancarkan kembali.

Apabila laju penyerapan energi lebih besar dari laju pancarannya,

temperatur akan terus naik akhirnya benda mencapai temperatur keseimbangan dimana

laju penyerapan sama dengan laju pancarannya.

Keadaan ini disebut setimbang termal (setimbang termodinamik).

Untuk memahami sifat pancaran suatu benda kita hipotesakan suatu pemancar sempurna yang disebut benda hitam (black body)

Benda hitam adalah suatu benda yang menyerap seluruh pancaran elektromagnetik (energi) yang datang padanya

Tidak ada pancaran yang dilalukan atau yang dipantulkan

Pada keadaan kesetimbangan termal, temperatur benda hanya ditentukan oleh jumlah energi yang diserapnya per detik

Pada keadaan ini, sifat pancaran dapat ditentukan dengan tepat

Intensitas Radiasi

Energi kalor yang dipancarkan tiap satuan luas permukaan benda tiap satuan waktu berbanding lurus dengan pangkat empat suhu mutlaknya

Hukum Stefan-Boltzman 𝐼=𝜎𝑇4

Karena I =

𝐼=𝑃𝐴

=𝜎𝑇 4

𝑃=𝐴𝜎𝑇 4

Dengan:- P = Daya radiasi (W)- A = Luas permukaan benda (m2)- σ = Konstanta Stefan-Boltzman (5,67x10-8 W m2 K-4)- T = Suhu benda (K)

Untuk benda panas yang bukan benda hitam berlaku persamaan yang sama namun ditambah dengan e atau koefisien emisivitas

𝑃=𝑒𝐴𝜎𝑇 4

0<e<1

Contoh Soal

Andaikan matahari sebagai Benda hitam, maka pada kedalaman 100.000 km, berapa suhunya? (Jari-jari Matahari 700.000 km, suhu permukaan matahari 5800 K)

Diketahui: h = 100000 km = 1x108 m

r = 700000 km = 7x108 mTpermukaan = 5800 K

Ditanya: Th ?Jawab:

Ppermukaan = Ph

Th =

Th =

= 6265 K

Hukum Pergeseran Wien

Energi Maksimum atau intensitas maksimum yang dipancarkan suatu benda tergantung dari suhu benda serta panjang gelombang cahaya yang dipancarkan.

Intensitas benda hitam sebagai fungsi panjang gelombang

Kasatmata

(m)

Inte

ns

ita

s)

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00

UV Inframerah

8 000 K

7 000 K

6 000 K

5 000 K4 000 K

maks = 0,2898

T

maks dinyatakan dalam cm

dan T dalam Kelvin Wilhelm Wien

(1864 – 1928)

maks T= C = 2,90x10-3

Atau

Gambar disamping menunjukkan bahwa semakin panas/tinggi temperatur permukaan bintang maka makin biru warnanya dan sebaliknya semakin dingin/rendah temperatur permukaannya maka makin merah temperaturnya

Hukum Wien ini menyatakan bahwa makin tinggi temperatur suatu benda hitam, makin pendek panjang gelombangnya

Hal ini dapat digunakan untuk menerangkan gejala bahwa bintang yang temperaturnya tinggi akan tampak berwarna biru, sedangkan yang temperatur-nya rendah tampak berwarna merah.

0,00

(m)

Inte

ns

ita

s S

pe

sif

ik [

B(T

)]

0,50 1,00 1,50 1,75 2,00

Garis Singgung

λmaks

Panjang Gelombang0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00

Inte

nsi

tas

maks = 0,36 m = 3,62 x 10-5 cm

Contoh penentuan maks

maks = 0,2898

T

0,2898

3,62 x 10-5=

= 8 000 K

Apabila maks dapat ditentukan, maka temperatur benda dapat dicari, yaitu

Distribusi energi benda hitam

maks

0,2898T =

Contoh :Dari hasil pengamatan diperoleh bahwa puncak spektrum bintang A dan bintang B masing-masing berada pada panjang gelombang 0,35 m dan 0,56 m. Tentukanlah bintang mana yang lebih panas, dan seberapa besar perbedaan temperaturnya

Jawab :

Jadi bintang A mempunyai maks lebih pendek daripada bintang B. Menurut hukum Wien, bintang A lebih panas daripada bintang B

maks A = 0,35 m , maks B = 0,56 m

maks = 0,2898

TT =

0,2898

maks

Untuk bintang A :

Untuk bintang B :

Jadi temperatur bintang A lebih panas 1,6 kali daripada temperatur bintang B

TA = 0,2898

lmaks A=

0,2898

0,35

TB = lmaks B

0,2898=

0,2898

0,56

0,2898

0,35

0,56

0,2898

TA

TB = = 1,6

Bintang B : maks = 0,56 m = 0,56 x 10-4 cm

Bintang A : maks = 0,35 m = 0,35 x 10-4 cm

Cara lain :

Jadi bintang A 1,6 kali lebih panas daripada bintang B

maks = 0,2898

T

0,2898T =

maks

0,2898

0,35 x 10-4TA = = 8 280 K

0,2898

0,56 x 10-4TA = = 5 175 K

5175

8280TA

TB = = 1,6

3. Teori Klasik Radiasi Benda Hitam

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

KJxkckT

I /,; 234

103812

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

15/04/2023 18

TEORI KLASIK -WILHELM WIENModel 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

sJxhe

hcI

kThc.,;

)( /34

5

2

1062661

2

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

Hukum Planck

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang dapat diserap atau dipancarkan dalam bentuk paket-paket energi yang disebut kuantum (kuanta)

Kuantum yang bergerak dengan kecepatan cahaya disebut foton.

Energi Foton dirumuskan sebagai berikut:

𝐸= h𝑛 𝑓

𝐸=𝑛h𝑐𝜆

atau

Dengan:E : Energi foton (J)n : Jumlah Foton (Bilangan bulat) h : tetapan Planck (6,6x10-34 Js)c : Kecepatan cahaya (3x108 m/s)λ : Panjang gelombang (m)

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 molekul pada dinding benda berongga

1. molekul-molekul yang bersosialisasi akan memancarkan energi diskret (tidak kontinu). En yang diberikan dengan rumus :

E = nhf2. Molekul memancar atau menyerap energi dalam satuan-satuan energi yang diskrit

yang dinamakan foton E = hf

Supaya ikatan kimia dalam molekul kulit manusia dapat diputuskan perlu energi foton 3,5 eV, sesuai dengan panjang gelombang berapakah energi itu?

E =

=

=

= 3,536x10-7 m = 3536 Å

Contoh Soal

Diketahui: E = 3,5 eVDitanya: ?Jawab:

Efek FotolistrikAdalah peristiwa terlepasnya elektron – elektron

dari permukaan logam ketika logam tersebut disinari cahaya

Katoda

Anoda

• Pertama kali ditemukan pertama kali oleh Hertz

• Elektron yang terlepas disebut elektron foto

Penjelasan Efek Fotolistrik Semakin besar intensitas cahaya menyebabkan

semakin banyak elektron yang terlepas Kenaikan frekuensi cahaya akan meningkatkan EK

elektron foto

h = konstanta Plank = 6,6 x 10 -34 Js

W0 = fungsi kerja / energi ambang

Jika frekuensi cahaya “ f “ lebih kecil dari frekuensi ambang “ f0 “, maka tidak ada elektron yg terlepas

Elektron terlepas dari permukaan logam sesaat setelah penyinaran

Diagram Energi Efek Fotolistrik

Efoton = hf

Eelektron = ½ m v2

Wo = hfo

Grafik Efek Fotolistrik

Grafik E - f

Hasil pembacaan grafik :1. EK elektron foto 0 – 4,0

eV2. Energi minimal untuk

melepaskan elektron = 1,6 eV (Wo )fo

Grafik I - v

Hasil pembacaan grafik :1. Vo = potensial henti

(beda potensial negatif antara anode & katode yg menyebabkan tidak satupun elektron foto yang sampai ke anode)

2. Intensitas cahaya tidak berpengaruh thd EK maks.

3. Intensitas (a) > Intensitas (b)

Efek Compton

Momentum sebuah foton

Persamaan Efek Compton

Sifat Gelombang dari PartikelSifat partikel dinyatakan oleh besaran momentum (p) dan sifat gelombang dinyatakan dengan besaran panjang gelombang (λ).

Hipotesa De Broglie :

“ Partikel – partikel dengan momentum p seharusnya juga memiliki sifat – sifat gelombang dengan panjang gelombang λ

Hipotesa ini dibuktikan oleh Davisson & Germer pada tahun 1926.

Panjang gelombang De Broglie :h = konstanta Plank = 6,6 x 10 – 34 Jsm = massa partikel (kg)v = kecepatan gerak partikel (m/s)