radiasi benda hitam -...
TRANSCRIPT
Radiasi Benda Hitam
Model Rongga yang berlubangdipanaskan
Bentuk Spektrum yang dihasilkan
Kurva Radiasi
Lubang kecil pada dinding ronggadianggap sebagai benda hitam
Suatu lubang kecil pada sebuah dinding beronggadapat dianggap sebagai benda hitam Pada waktusuatu benda berongga dipanaskan misalnya pada suhuT maka dinding sekeliling rongga akan memancarkanradiasi dan memantulkan sebagian radiasi yang datang(menyerap sisanya) Peristiwa penyerapan danpemancaran oleh tiap-tiap bagian dinding beronggaakan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhutiap bagian dinding sudah sama besar sehingga radiasiyang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya
Radiasi yang terkumpul dalam ronggaberupa gelombang elktromagnet
bull Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap-tiap titik padadinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifatuniform Jika dinding rongga diberi sebuah lubangmaka radiasi ini akan cari titik keluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi bendahitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding ronggaakan mendapatkan tambahan energi sehingga electron bergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkanradiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumberradiasi benda hitam
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatu model yang menganggap bahwa muatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuah pegas(ikatanantar atom dalam kristal) Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknya untukbergetar lebih cepat (osilasi elektron)sehingga muatan yang bergerak akan menimbulkan gelombang elektromagnet yang disebut Radiasi Radiasi ini akan terkungkung di dalam ronggaberbentuk gelombang tegak Karena dinding rongga berupakonduktor maka pada dinding rongga terjadi simpul-simpulberupa gelombang tegaksehingga terdapat tak berhinggabanyak ragam (mode) gelombang tegak yang ditandai denganfrekwensi atau panjang gelombangnyarsquo
bull Menurut rayleig and Jene
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik boltzman
bull E Rata-rata = KT
bull Bersifat kontinu
bull Gelomang tegak sejenisdan terbedakan
bull Menurut Planck
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik Boltzman
bull Erata-rata
bull Bersifat diskrit dg
bull Energi tiap ragam
bull = n hv
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
Hasil Experimen
Bentuk Spektrun hasil Empirik
bull Stefan-Boltzmann
bull HukumpergeseramWien
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Radiation Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Kurva Radiasi
Lubang kecil pada dinding ronggadianggap sebagai benda hitam
Suatu lubang kecil pada sebuah dinding beronggadapat dianggap sebagai benda hitam Pada waktusuatu benda berongga dipanaskan misalnya pada suhuT maka dinding sekeliling rongga akan memancarkanradiasi dan memantulkan sebagian radiasi yang datang(menyerap sisanya) Peristiwa penyerapan danpemancaran oleh tiap-tiap bagian dinding beronggaakan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhutiap bagian dinding sudah sama besar sehingga radiasiyang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya
Radiasi yang terkumpul dalam ronggaberupa gelombang elktromagnet
bull Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap-tiap titik padadinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifatuniform Jika dinding rongga diberi sebuah lubangmaka radiasi ini akan cari titik keluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi bendahitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding ronggaakan mendapatkan tambahan energi sehingga electron bergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkanradiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumberradiasi benda hitam
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatu model yang menganggap bahwa muatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuah pegas(ikatanantar atom dalam kristal) Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknya untukbergetar lebih cepat (osilasi elektron)sehingga muatan yang bergerak akan menimbulkan gelombang elektromagnet yang disebut Radiasi Radiasi ini akan terkungkung di dalam ronggaberbentuk gelombang tegak Karena dinding rongga berupakonduktor maka pada dinding rongga terjadi simpul-simpulberupa gelombang tegaksehingga terdapat tak berhinggabanyak ragam (mode) gelombang tegak yang ditandai denganfrekwensi atau panjang gelombangnyarsquo
bull Menurut rayleig and Jene
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik boltzman
bull E Rata-rata = KT
bull Bersifat kontinu
bull Gelomang tegak sejenisdan terbedakan
bull Menurut Planck
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik Boltzman
bull Erata-rata
bull Bersifat diskrit dg
bull Energi tiap ragam
bull = n hv
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
Hasil Experimen
Bentuk Spektrun hasil Empirik
bull Stefan-Boltzmann
bull HukumpergeseramWien
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Radiation Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Lubang kecil pada dinding ronggadianggap sebagai benda hitam
Suatu lubang kecil pada sebuah dinding beronggadapat dianggap sebagai benda hitam Pada waktusuatu benda berongga dipanaskan misalnya pada suhuT maka dinding sekeliling rongga akan memancarkanradiasi dan memantulkan sebagian radiasi yang datang(menyerap sisanya) Peristiwa penyerapan danpemancaran oleh tiap-tiap bagian dinding beronggaakan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhutiap bagian dinding sudah sama besar sehingga radiasiyang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya
Radiasi yang terkumpul dalam ronggaberupa gelombang elktromagnet
bull Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap-tiap titik padadinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifatuniform Jika dinding rongga diberi sebuah lubangmaka radiasi ini akan cari titik keluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi bendahitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding ronggaakan mendapatkan tambahan energi sehingga electron bergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkanradiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumberradiasi benda hitam
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatu model yang menganggap bahwa muatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuah pegas(ikatanantar atom dalam kristal) Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknya untukbergetar lebih cepat (osilasi elektron)sehingga muatan yang bergerak akan menimbulkan gelombang elektromagnet yang disebut Radiasi Radiasi ini akan terkungkung di dalam ronggaberbentuk gelombang tegak Karena dinding rongga berupakonduktor maka pada dinding rongga terjadi simpul-simpulberupa gelombang tegaksehingga terdapat tak berhinggabanyak ragam (mode) gelombang tegak yang ditandai denganfrekwensi atau panjang gelombangnyarsquo
bull Menurut rayleig and Jene
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik boltzman
bull E Rata-rata = KT
bull Bersifat kontinu
bull Gelomang tegak sejenisdan terbedakan
bull Menurut Planck
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik Boltzman
bull Erata-rata
bull Bersifat diskrit dg
bull Energi tiap ragam
bull = n hv
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
Hasil Experimen
Bentuk Spektrun hasil Empirik
bull Stefan-Boltzmann
bull HukumpergeseramWien
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Radiation Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Radiasi yang terkumpul dalam ronggaberupa gelombang elktromagnet
bull Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap-tiap titik padadinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifatuniform Jika dinding rongga diberi sebuah lubangmaka radiasi ini akan cari titik keluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi bendahitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding ronggaakan mendapatkan tambahan energi sehingga electron bergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkanradiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumberradiasi benda hitam
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatu model yang menganggap bahwa muatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuah pegas(ikatanantar atom dalam kristal) Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknya untukbergetar lebih cepat (osilasi elektron)sehingga muatan yang bergerak akan menimbulkan gelombang elektromagnet yang disebut Radiasi Radiasi ini akan terkungkung di dalam ronggaberbentuk gelombang tegak Karena dinding rongga berupakonduktor maka pada dinding rongga terjadi simpul-simpulberupa gelombang tegaksehingga terdapat tak berhinggabanyak ragam (mode) gelombang tegak yang ditandai denganfrekwensi atau panjang gelombangnyarsquo
bull Menurut rayleig and Jene
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik boltzman
bull E Rata-rata = KT
bull Bersifat kontinu
bull Gelomang tegak sejenisdan terbedakan
bull Menurut Planck
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik Boltzman
bull Erata-rata
bull Bersifat diskrit dg
bull Energi tiap ragam
bull = n hv
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
Hasil Experimen
Bentuk Spektrun hasil Empirik
bull Stefan-Boltzmann
bull HukumpergeseramWien
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Radiation Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatu model yang menganggap bahwa muatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuah pegas(ikatanantar atom dalam kristal) Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknya untukbergetar lebih cepat (osilasi elektron)sehingga muatan yang bergerak akan menimbulkan gelombang elektromagnet yang disebut Radiasi Radiasi ini akan terkungkung di dalam ronggaberbentuk gelombang tegak Karena dinding rongga berupakonduktor maka pada dinding rongga terjadi simpul-simpulberupa gelombang tegaksehingga terdapat tak berhinggabanyak ragam (mode) gelombang tegak yang ditandai denganfrekwensi atau panjang gelombangnyarsquo
bull Menurut rayleig and Jene
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik boltzman
bull E Rata-rata = KT
bull Bersifat kontinu
bull Gelomang tegak sejenisdan terbedakan
bull Menurut Planck
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik Boltzman
bull Erata-rata
bull Bersifat diskrit dg
bull Energi tiap ragam
bull = n hv
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
Hasil Experimen
Bentuk Spektrun hasil Empirik
bull Stefan-Boltzmann
bull HukumpergeseramWien
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Radiation Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
bull Menurut rayleig and Jene
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik boltzman
bull E Rata-rata = KT
bull Bersifat kontinu
bull Gelomang tegak sejenisdan terbedakan
bull Menurut Planck
bull Berdasartermodinamika
bull Statistik Boltzman
bull Erata-rata
bull Bersifat diskrit dg
bull Energi tiap ragam
bull = n hv
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
Hasil Experimen
Bentuk Spektrun hasil Empirik
bull Stefan-Boltzmann
bull HukumpergeseramWien
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Radiation Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Hasil Experimen
Bentuk Spektrun hasil Empirik
bull Stefan-Boltzmann
bull HukumpergeseramWien
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Radiation Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Radiation Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Energi Kinetik Rata-Rata
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Teori klasik tidak memadai untuk menyelesaikan lengkung teoridari bentuk spektrum
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Blackbody Spectrum Rayleigh-Jeans Equation
4Energy Density 8aveu E kTnl l l
where Eave = average energy per ldquomoderdquo = kT from Boltzmann distribution
n(l) = number of oscillation modes of cavity
Rayleigh-Jeans
experiment
bull Raleigh-Jeans equation behaves well at long l (low energy)
bull BUT explodes to infinity for short l(high energy)
UV catastrophe
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Rapat Energi menurut perumusanPlanck
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
bull POSTULAT PLANCK
bull Energi yang dapat dimiliki oleh osilator tidak kontinu melainkan berharga diskrit (Quantization of energy) yaitu kelipatan dari hυ dengan h ialah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi getaran
bull Sebaran energi osilator menganut distribusi bolztmann yaitu bahwa kebolehjadian suatu osilator mempunyai energi antara dan ( + d ) adalah
P() d = (e-KT)KT d
Randiamsi Spektral Total
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Persamaan Planck
T(v) ( Rapat energi)
bull N(υ) adalah rapat mode getar gelombang elektromagnetik di dalam rongga
bull N(υ)dυ adalah jumlah getaran persatuan volume dengan frekuensi antara υ dan (υ + dυ) sebesar
T(v) dv = ltgt N(v) dv
N(v) dv = (8v32) c3dv
N(υ) ( jumlah getaran)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light
or existence of energy packets called photons ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a
material only if it has the minimum energy necessary
(or work function fndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect Apparatus
Light
Cathode
Anode
bull Electrons collected as
ldquophotoelectricrdquo current at anode
bull Photocurrent becomes zero when
retarding voltage VR equals
stopping voltage Vstop
ie eVstop = Ke
bull Photons hit metal cathode and eject electrons with work function f
bull Electrons travel from cathode to anode against retarding voltage VR
(measures kinetic energy Ke of electrons)
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
bull Total photon energy =endash ejection energy + endash kinetic energy
ndash where hcl = photon energy f = work function and eVstop = stopping energy
bull Special Case No kinetic energy (Vo = 0)
ndash Minimum energy to eject electron
Photoelectric Effect Equations
2
2stop
hc mveVf f
l
min
min
hcE f
l
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect IV Curve Dependence
Intensity Idependence
Frequency fdependence
Vstop= Constant
Vstop f
f1 gt f2 gt f3
f1
f3
f2
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect
stopeV hf f
min0stopV hf f
Slope = h = Planckrsquos constanthfmin
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering ldquoParticle-likerdquo Behavior of
Photonbull An incoming photon (E1) can inelastically scatter from an electron and lose
energy resulting in an outgoing photon (E2) with lower energy (E2 lt E1
bull The resulting energy loss (or change in wavelength Dl) can be calculated
from the scattering angle q
Anglemeasured
ScatteringCrystal
Incoming X-ray Scattered X-ray
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Compton Scattering Schematic
1
1
hcE
l
PHOTON IN PHOTON OUT (inelastic)
22
hcE
l
2
2
hcE
l
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Menentukan energi rata-rata tiap ragam
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasiinilah yang disebut sebagaisumber radiasi benda hitam
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
WIEN GAGAL
bull Wilhelm Wien menemukan suatu hubungan empirik sederhana antara panjang gelombang yangbull dipancarkan untuk intensitas maksimum sebuah benda dengan suhu mutlak T yang dinyatakanbull sebagai bull λ T C 2898 10 3mKbull maksbull = = acute - (72)bull Dengan C adalah tetapan pergeseran Wien Pada gambar di bawah ini ditunjukkan grafikbull hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tigabull jenis suhu Perhatikan pergeseran puncak-puncak spektrumnya Panjang gelombang untukbull intensitas maksimum semakin kecil seiring dengan bertambahnya suhu mutlak Total energibull kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafikbull Gambar 71 Grafik intensitas terhadap panjang gelombang suatu benda hitam pada 3 jenis suhu
mutlakbull Dari grafik di atas kita mendapat gambaran bahwa intensitas radiasi maksimum akan memilikibull nilai panjang gelombang kecil (dengan kata lain frekuensi besar) pada benda dengan suhubull tinggi Dan sebaliknya intensitas radiasi maksimum akan memiliki nilai panjang gelombangbull besar (dengan kata lain frekuensinya kecil) ketika benda bersuhu lebih rendahbull Hukum pergeseran Wien ini hanya dapat menjelaskan radiasi benda hitam dengan panjang
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
bull C Teori Rayleigh and Jeans
bull RayleighndashJeans dapat menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull besar namun gagal menjelaskan radiasi bendahitam untuk panjang gelombang yang nilainya
bull kecil Artinya berdasarkan teori Rayleigh and Jeans ini hukum StefanndashBoltzmann (pers 71)
bull hanya berlaku pada panjang gelombang yang nilainya besar
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Sambungan rongga yang dipanaskan
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teorielektromagnetik klasik dan mekanika statistik Teori inimeramalkan intensitasi yang tinggi pada panjanggelombang rendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalanyang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapatmerambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihatbencana ultraungu untuk rinciannya) Gagasan inibelakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskanefek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnyamenyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasikdengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut foton
Page 17Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Photoelectric Effect ldquoParticle Behaviorrdquo of Photon
PHOTON IN ELECTRON OUT
bull Photoelectric effect shows quantum nature of light or existence of energy
packets called photons
ndash Theory by Einstein and experiments by Millikan
bull A single photon can eject a single electron from a material only if it has the minimum energy necessary (or work function f
ndash A 1 eV (or larger) photon can eject an electron with a 1 eV work function
bull Electron ejection occurs instantaneously photons cannot be ldquoadded uprdquo
ndash Two 05 eV photons cannot ldquoaddrdquo together to eject the electron above
bull Extra energy from the photon is converted to kinetic energy of the ejected
electron
ndash A 2 eV photon would eject the electron above with 1 eV kinetic energy
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi darisebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akandipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjanggelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jika rongga dipanaskan spektrumyang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung padabahan pembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhudinding rongga dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini
bull Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik danmekanika statistik Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombangrendah (yaitu frekuensi tinggi) suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu
bull Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck yang menganggap bahwa radiasielektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket atau kuanta (lihat bencanaultraungu untuk rinciannya) Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untukmenjelaskan efek fotolistrik Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannyateori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum Saat ini paket-paket tersebutdisebut
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Rongga yang dipanaskan
bull Dalam laboratorium benda yang paling mendekati radiasi bendahitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan danenerginya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali tanpamempedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecildibandingkan dengan diameter lubang) Lubang ini (bukanrongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam Jikarongga dipanaskan spektrum yang dipancarkan lubang akanmerupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahanpembuat rongga Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum(lihat gambar) Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga dan setiapbenda hitam akan mengikuti kurva ini
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
PERSAMAAN EMPIRIK
bull Wiens Displacement Law
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
UPAYA UNTUK MENGKAJI LENGKUNG TEORI TERHADAP HASIL EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
TEORI PLANCK SESUAI DG EXPERIMEN
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
TEORI RAYLEIGH AND JANE GAGALDENGAN EXPERIMEN
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
bull Planck melakukan penurunan yang sama dengan yang dilakukan olehRayleigh
bull dan Jeans tetapi dengan asumsi bahwa gelombang elektromagnetikterkuantisasi
bull yang berarti bahwa gelombang tersebut terdiri atas paket-paket energibull terkecil dengan energi tertentu Paket energi terkecil tersebut akhirnya
disebutbull sebagai foton dengan energi yang bergantung pada frekuensi gelombangbull yaitubull E = h (22)bull Dengan asumsi ini dan dengan mengatur nilai h ternyata diperoleh hasil
penurunanbull Planck yang tepat sama dengan kurva hasil percobaan Nilai tetapanbull Planck h = 66 10104857634 J s
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Wienrsquos Law329 10 (mK)
(K)T
peak
1λ
T
Spectral Distribution
depends ONLY on
Temperature
Sunlight
Lower Temps
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
RADIASI BENDA HITAM
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakanmuatan-muatan iniacak danpercepatannyaberbeda-beda makapanjang gelombangradiasi yang dipancarkan olehtiap muatan tidaksama
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Spectral Blackbody Derivation of Eave
bull OLD method uses a continuous energy distribution f(E) and integrates
to find Eave for the Raleigh-Jeans equation
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
bull NEW method uses a discrete energy distribution fn(En) and uses a summation to find Eave for
Planckrsquos Law
bull Assumption of Energy Quantization is CRITICAL
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
RADIASI BENDA HITAM Stefan-Boltzmann Relation
bull R = Radiation intensity T = Temp in Kelvin s = 567times10-8 Wm2K4
bull For non-ideal black body R = sT4E where E = emissivity lt 1
Short l
Long l
Experimental Spectral Distribution
2 4(Jm )sR Ts 4
T
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
RADIASI BENDA HITAM
Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika benda beronggadipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akanmendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teorielektromagnetik muatan yang akan dipercepatakan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I
Rayleigh-Jeans
Blackbody Spectrum Planckrsquos Law
bull Planckrsquos Law was initially found empirically (trial and error)
bull Derived from quantization of radiation ie existence of photons
bull Limit for small l zeroLimit for large l Raleigh-Jeans
4
18ave hc kT
hcu
enE
l
ll l l
where Eave is given by Bose-Einstein distribution using E = hcl
PlanckrsquosLaw
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
MODEL YANG DIUSULKAN
1 Lord Rayleigh dan James Jeans
2 Wilhelm Wien
3 Max planck
4 Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann
Karena gerakan muatan-muatan ini acak danpercepatannya berbeda-beda maka panjanggelombang radiasi yang dipancarkan oleh tiapmuatan tidak sama
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatumodel yang menganggapbahwa muatan-muatan didinding (permukaan) benda beronggadihubungkan dengansebuah pegas Ketika suhubenda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkanenergi kinetiknya untukbergetar
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans
bull Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkansuatu model yang menganggap bahwamuatan-muatan di dinding (permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuahpegas Ketika suhu benda dinaikkan muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknyauntuk bergetar
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
HUKUM PERGESERAN WIEN
bull Sedangkan Model klasik lain diusulkanoleh Wilhelm Wien Dengan menganggapbenda hitam seperti sebuah silinder berisiradiasi benda hitam Pekerjaaneksperimen ini tidaklah mudah karenadinding silinder bersifat pemantulsempurna dan piston yang dapat bergeraknaik-turun Radiasi ini mampumemberikan tekanan pada piston Denganmenggunakan siklus Carnot dapatdihitung usaha yang dilakukan olehtekanan radiasi ini sebagai fungsi suhu Karena tekanan radiasi dapat dinyatakansebagai energi atau intensitas Wien berhasil menghitung distribusi intensitassebagai fungsi panjang gelombang untuksuhu tertentu akan tetapi hanya mampumenjelaskan pada panjang gelombangpendek namun gagal pada panjanggelombang yang panjang Hasil inimenunjukkan bahwa radiasielektromagnetik tidak dapat dianggapsesederhana seperti proses tumbukan
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
bull Max planck menemukanbahwa sebenarnya energimerupakan besaran yang dipancarkan oleh sebuahbenda dalam bentuk paket-paket kecil terputus-putusyang kemudian dikenal foton Dia menurunkan rumusuntuk radiasi benda hitamdan ia berhasil secaraspektakular menerangkanbentuk kurva I sebagai fungsipanjang gelombang ()
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
bull Max planck menemukan bahwa sebenarnyaenergi merupakan besaran yang dipancarkanoleh sebuah benda dalam bentuk paket-paketkecil terputus-putus yang kemudian dikenalfoton Dia menurunkan rumus untuk radiasibenda hitam dan ia berhasil secaraspektakular menerangkan bentuk kurva I sebagai fungsi panjang gelombang ()
Analisis Max planck pada model
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi
bull Joseph Stefan dan Ludwig Bolztmann telah melakukanpengukuran laju energi kalor radiasiyang dipancarkan oleh permukaansuatu benda Hasil yang diperolehselanjutnya dikenal sebagai hukumStefan-Boltzmann yang berbunyi ldquoEnergi yang dipancarkan olehsuatu permukaan benda dalambentuk radiasi kalor per satuanwaktu sebanding dengan luaspermukaan dan sebanding denganpangkat empat suhu mutlakpermukaan iturdquo Jika sebuah bendadapat dikatakan benda hitam makacahaya yang jatuh pada bendatersebut tidak akan yang dipantulkansehingga sifatpermukaanya tidak dapat untukdiamati Oleh karena itu jenisbenda hitamnya dibuat berongga
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
ANALISIS RAYLEIGH JEANS
bull Benda hitam didefinisikan sebagai benda dimana radiasiyang jatuh akan diserap seluruhnya (tidak ada yang dipantulkan) Benda hitam sempurna sukar didapatkan Jelaga yang sangat hitam masih mempunyai lowongankerja daya pantul walaupun kecil sekali Suatu lubang kecilpada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagaibenda hitam Pada waktu suatu benda beronggadipanaskan misalnya pada suhu T maka dinding sekelilingrongga akan memancarkan radiasi dan memantulkansebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya) Peristiwapenyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dindingberongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadikesetimbangan termal Pada keadaan setimbang suhu tiapbagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombangyang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform Jika dindingrongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titikkeluar dari lubang Radiasi yang keluar ini dianggap sebagairadiasi benda hitam Ketika benda berongga dipanaskan elektron-elektron atau molekul-molekul pada dindingrongga akan mendapatkan tambahan energi sehinggabergerak dipercepat Menurut teori elektromagnetikmuatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi bendahitam
Radiasi yang keluar inidianggap sebagai radiasibenda hitam Ketika bendaberongga dipanaskan elektron-elektron ataumolekul-molekul padadinding rongga akanmendapatkan tambahanenergi sehingga bergerakdipercepat Menurut teorielektromagnetik muatanyang akan dipercepat akanmemancarkan radiasi Radiasi inilah yang disebutsebagai sumber radiasibenda hitam
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
Energies yang dihasilkan bersifatkontinu Energi yang dihasilkan bersif
Karena gerakan muatan-muatan ini acak dan percepatannyaberbeda-beda maka panjang gelombang radiasi yang
dipancarkan oleh tiap muatan tidak sama
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA
E kT
aveE E f E dE E Ae dE kT
where ( )
1
nn n n nnE kT
ave
ave hc kT
nhcEE E f E E Ae
hcE
e l
l
l
KARENA GERAKAN MUATAN-MUATAN INI ACAK DANPERCEPATANNYA BERBEDA-BEDA MAKA PANJANGGELOMBANG RADIASI YANG DIPANCARKAN OLEH TIAPMUATAN TIDAK SAMA