Radiasi Benda Hitam

RADIASI BENDA HITAM

Standar Kompetensi : 3. Menganalisis berbagai besaran fisis pada gejala kuantum dan batas-batas berlakunya relativitas Einstein dalam paradigma fisika moderen

Kompetensi Dasar : 3.1 Menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang mencakup hakikat dan sifat-sifat radiasi benda hitam, serta penerapannya.

Indikator : 1. Mendeskripsikan fenomena radiasi benda hitam.2. Menganalisis hukum Stevan Boltzman.3. Menganalisis hukum pergeseran Wien4. Mendeskrpsikan hipotesis Planck tentang kuantum cahaya5. Menerapkan perilaku radiasi benda hitam untuk menjelaskan gejalah pemanasan

global

Materi Singkat

Cahaya memiliki sifat dualisme (dualisme gelombang partikel),yaitu :” Pada saat tertentu cahaya dapat bersifat sebagai gelombang dan pada keadaan lain dapat bersifat sebagai partikel. Cahaya dapat bersifat sebagai gelombang dapat dijumpai pada peristiwa cahaya dapat mengalami refreksi,refraksi, difraksi,interferensi, dan polarisasi, cahaya dapat bersifat sebagai partikel misalnya pada kasus radiasi benda hitam,efek foto listrik,efek compton.

Radiasi Benda HitamBenda hitam adalah suatu benda yang permukaannya sedemikian sehingga menyerap dan

memancarkan semua radiasi yang datang padanya (tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda).Suatu benda disebut hitam sempurna, jika :

1. menyerap seluruh radiasi yang datang2. memiliki koefisien emisivitas = 1 (e=1)

Intensitas RadiasiHukum Stevan Boltzman :“ Energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu sebanding dengan luas permukaan dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu”

Daya radiasi/laju energi : P= I A= eAT4

Intensitas radiasi= laju energi radiasi : I = =eT4

Energi Radiasi : W=Q=P.t = eAT4 t

dengan : P = laju energi radiasi = energi persatuan waktu=daya radiasi (watt)e = emisivitas (0e1); = tetapan stevan boltzman (5,67 x10-8 Wm-2K-4)T=suhu mutlak (K) = toC + 273 ; I =intensitas (watt/m2)Q=energi (joule)

Hukum Pergeseran Wien“Panjang gelombang untuk intensitas pancar maksimum akan berkurang dengan meningkatnya suhu”

m.T= C

dengan : T = suhu mutlak (K); C tetapan wien =2,90.10-3mK; m=panjang gelombang pada intensitas pancar maksimum (m)

Grafik hubungan antara intensitas pancar maksimum Grafik hubungan antara intensitas pancar maksimumterhadap panjang gelombang setiap kenaikan suhu terhadap frekuensi setiap kenaikan suhu

SMAN 1 Kendari 1

1

Seberkas sinar memasuki suatu kotak tertutup melalui sebuah lubang kecil pada kotak tersebut. Sinar akan diserap lubang tersebut dan terpantul terus pada dinding kotak.

I3

I2

I1

T1

T2

T3

I3

I2

I1

T3

T2

T1

f1 f2 f3

Radiasi Benda Hitam

I I UV CT IM

1 2 3

- I1<I2<I3 1 < 2<3T1>T2>T3

- Setiap terjadi kenaikan suhu,puncakpuncak intensitas bergeserkearah panjang gelombang yang lebih kecil

- Intensitas= luas daerah di bawah grafik yangsebanding dengan suhu pangkat empat

Teori Klasik dan Planck tentang Radiasi benda hitam

TEORI KUANTUM PLANCKUntuk dapat memenuhi formula yang memenuhi semua data percobaan spektrum benda hitam, Max Planck mengemukakan dua anggapan tentang sifat dasar dari getaran molekul dalam dinding-dinding rongga benda hitam, sbb :(1). Getaran molekul-molekul yang memancarkan radiasi hanya dapat memiliki satuan satuan energi diskret

dari harga En, yang diberikan oleh :

En = nhf = nh

(2). Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi dalam satuan diskret dari cahaya ( disebut kuanta atau foton), jika molekul-molekul melompat dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya.

Jadi , menurut Max Planck : Cahaya adalah pancaran gelombang elektromagnetik berupa paket-paket energi yang terkuantisasi

( diskret) yang disebuat kuanta ( kuantum) Kuantum yang bergerak sama dengan kecepatan cahaya disebut foton. Energi gelombang elektromagnetik dipancarkan/diserap dalam bentuk paket-paket energi diskret yang

disebut foton “, yang dirumuskan dalam bentuk :

E = nhf , dengan E = energi (joule), n= bilangan kuantum, h= tetapan planck

(6,63 x10-34 Js), dan f =frekuensi (Hz)

Soal latihan1. Pernyataan berikut yang sesuai dengan konsep radiasi kalor adalah …..

A. kalor berpindah dalam bentuk gelombang mekanikB. kalor berpindah melalui zat perantaraC. benda hitam lebih mudah menyerap kalor dari pada memancarkannyaD. laju kalor yang diterima benda lebih besar dari yang dipancarkannyaE. energi total yang dipancarkan benda tergantung suhunya

2. Pernyataan-pernyataan di bawah ini berkaitan dengan kalor yang dipancarkan oleh permukaan benda: (1).berbanding lurus dengan pangkat empat suhu mutlaknya

SMAN 1 Kendari 2

- I1<I2<I3 f1 < f2 < f3T1<T2<T3

- Setiap terjadi kenaikan suhu,frekuensi gelombangBergeser kearah panjang gelombang yang lebih besar

Teori Wien hanya dapat menjelaskan spektrum benda hitam untuk panjang gelombang yang pendek dan menyimpang untuk panjang gelombang yang panjang dan Rayleigh-Jeans hanya dapat menjelaskan untuk panjang gelombang yang panjang dan menyimpang untuk panjang gelombang yang pendek.

Radiasi Benda Hitam

(2).berbanding lurus dengan luas permukaan benda (3).berbanding lurus dengan koefisien emisivitas benda (4).berbanding terbalik dengan waktu pemancaran benda Pernyataan yang benar adalah....A.1.2 dan 3 B . 2 dan 4 C .1 dan 3 D.1dan 2 E.1.2.3 dan 4

3. Sekeping logam tipis (hitam sempurna e=1),luas permukannya 100 cm2 bersuhu 27° C.Jika tetapan stevan-Boltzman σ=5,67.10 -8 Wm-2K-4, maka besar energi radiasi yang dipancarkan dalam 1 menit adalah....

A.4,59 J B.27,56 J C.45,90 J D.275,56 J E.2755,62 J

4. Besarnya laju radiasi, energi yang dipancarkan oleh bola berjari-jari 5 cm pada suhu 3000 K dengan emisivitas 0,3 adalah....

A.1,08x104 W B.1, 36x104 W C .2, 60x104 W D.3,20x104 W E.4,33x104 W

5. Dua buah benda A dan B yang sebangun, suhu mutlak benda A dua kali benda B, sedangkan emisivitas A adalah setengah kali B. Jika a dan b masing masing adalah intensitas radiasi yang dipancarkan A dan B, maka a : b adalah ….A. 1 : 4 B.2 : 1 C.4 : 1 D.8 : 1 E.16 : 1

6. Dua buah lampu pijar dapat dianggap berbentuk bola.Jika jari-jari lampu pijar I adalah dua kali jari-jari lampu pijar II. Suhu lampu pijar I dan II masing-masing 27o C dan 127 oC,maka perbandingan daya kalor radiasi lampu I dan II adalah....

A.3:4 B.81:256 C.81:64 D.81:1024 E.3:1

7. Yang sesuai dengan hukum pergeseran Wien adalah.... A. bila suhu benda makin tinggi,panjang gelombang yang memancarkan energi maksimum bergeser ke

panjang gelombang yang besar B. bila suhu benda makin tinggi,panjang gelombang yang memancarkan energi maksimum bergeser ke

panjang gelombang yang pendekC. bila suhu benda makin turun,panjang gelombang yang memancarkan energi maksimum akan berubah

rubah besarnyaD. bila suhu benda makin tinggi,maka daya yang dipancarkan akan makin besardan tidak tergantung sifat

permukaan bendaE. bila suhu benda makin turun,maka daya pancarnya juga menurun, tetapi penyerapan radiasi bertambah

besar

8. Panjang gelombang pembawa energi radiasi maksimum suatu materi yang bersuhu 25oC b il a konstanta wien R = 2 , 98.10-3mK adalah adalah....

A.10-9 m B.10-8 m C.10-7 m 8.10 6 m E.10-5 m

9. Energi foton yang dipancarkan oleh cahaya berfrekuensi 1,5.1015 Hz, jika konstanta planck = 6,62.10-34 Js adalah …… A. 9,93.10-49J B. 9,93.10-19J C. 8,12.10-19J D. 4,41.10-19J E. 0,23.10-49J

10. Pernyataan berikut adalah teori klasik tentang spektrum radiasi benda hitam

(1).Teori Wien hanya depat menjelaskan spektrum benda hitam untuk panjang gelombang pendek(2).Teori klasik dapat menjelaskin asal radiasi benda hitam(3).Teori Rayleigh-Jeans berhasil menerangkan gelombang panjang (4).Teori klasik dapat menjelaskan spektrum yang dipancarkan oleh sebuah benda panas

Pernyataan di atas yang benar adalah....A.1,2 dan 3 B.1 dan 3 C.2 dan 4 D.4 saja E.1,2,3 dan 4

11. Hubungan antara suhu mutlak (T) benda dengan panjang gelombang pada radiasi kalor ditunjukkan seperti grafik ....

T T T T T

λm λm λm λm λm

(A) (B) (C) (D) (E)

12. Berdasarkan grafik Intensitas ( I ) terhadap panjang gelombang (λm) seperti pada gambar

SMAN 1 Kendari 3

Radiasi Benda Hitam

di samping ini, dapat disimpulkan bahwa....A. T 1 > T 2 > T3 dan λm1>λm2>λm3

B. T2 > T3 > T1 dan λm2>λm3>λm1 C. T3 > T2 > T1 dan λm3>λm2>λm1 D . T1 > T2 > T3 dan λm3>λm1>λm2 E. T2 > T 1 > T 3 dan λm1>λm3>λm2

13. Gambar di bawah adalah benda hitam sempurna yang meradiasi kalor. Perbandingan energi yang diradiasikan antara benda A dan B tiap detik adalah ….

A B 1 cm2 3 cm2

TA= 300 K TB= 300 K

a. 1: 2 b. 1: 3 c. 3:1 d. 4 : 1 e. 1 : 9

14. Perbandingan jumlah energi radiasi kalor yang dipancarkan tiap detik satu satuan luas permukaan dari dua benda hitam sempurna yang masing-masing bersuhu 47oC dan 367oC adalah ….a. 1 :2 b. 1 : 4 c. 1: 16 d. 2 : 1 e. 16 : 1

15.Sebuah benda hitam bersuhu T kelvin meradiasikan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Bila fmax

dan λmax adalah frekuensi dan panjang gelombang yang meradiasikan kalor dengan intensitas maksimum, maka….

a. λmax sebanding dengan T4

b. fmax sebanding dengan T4

c. λmax sebanding dengan T

d. fmax sebanding dengan 1/Te. λmax sebanding dengan 1/T

16.Grafik di atas menunjukkan hubungan antara intensitas radiasi (I) dan panjang gelombang ( ) pada radiasi energi oleh benda hitam. Jika konstanta Wien = 2,90 x 10-3 m.K-3, maka besar suhu (T) permukaan benda adalah ....

A. 6.000 K D. 2.900 K B. 5.100 K E. 1.667 K C. 4.833 K

17. Perbandingan jumlah energi radiasi kalor yang dipancarkan tiap detik satu satuan luas permukaan dari dua benda hitam sempurna yang masing-masing bersuhu 47oC dan 367oC adalah ….a. 1 :2 b. 1 : 4 c. 1: 16 d. 2 : 1 e. 16 : 1

18. Intensitas radiasi yang diterima pada dinding tungku pemanas ruangan adalah 66,3 W.m -2. Jika tungku ruangan dianggap benda hitam dan meradiasi cahaya pada panjang gelombang 300 nm, maka jumlah foton cahaya yang mengenai dinding persatuan luas pesatuan waktu adalah .... ( tetapan planc h=6,63x10-34 J.s ; kecepatan cahaya c = 3 x 108 m/s ) A. 3 x 1020 foton D. 3 x 1019 fotonB. 2 x 1020 foton E. 6 x 1017 fotonC. 1 x 1020 foton

19. Perhatikan gambar grafik pergeseran Wien berikut ini !Berdasarkan grafik , disamping maka ....A. Panjang gelombang radiasi maksimm sebanding

dengan suhuB. Panjang gelombang radiasi maksimm berbanding lurus

dengan kuadrat suhuC. Panjang gelombang radiasi maksimum bebanding

terbalik dengan suhuD. Kuadrat panjang gelombang radiasi maksimm

sebanding dengan suhuE. Kuadrat panjang gelombang radiasi maksimum

berbanding terbalik dengan suhu

SMAN 1 Kendari 4

1T

E

3T

2T

12 3

I

)( oA

T

000.6