radiasi benda hitam -...

57
Radiasi Benda Hitam Model Rongga yang berlubang dipanaskan Bentuk Spektrum yang dihasilkan

Upload: dangkhue

Post on 01-Feb-2018

282 views

Category:

Documents


20 download

TRANSCRIPT

Page 1: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 2: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 3: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 4: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 5: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 6: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 7: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 8: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 9: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 10: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 11: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 12: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 13: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 14: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 15: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 16: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 17: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 18: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 19: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 20: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 21: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 22: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 23: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 24: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 25: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 26: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 27: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 28: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 29: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 30: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 31: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 32: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 33: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 34: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 35: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

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

Page 36: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

Modern Physics UNG Topic 2 ParticleWave Duality I

Wienrsquos Law329 10 (mK)

(K)T

peak

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

Page 37: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 38: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 39: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 40: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 41: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 42: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 43: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 44: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 45: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 46: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 47: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 48: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 49: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 50: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 51: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam

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

Page 52: Radiasi Benda Hitam - file.upi.edufile.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195806081987031... · Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elktromagnet •Dalam