Latar Belakang Tujuan RADIASI BENDA HITAM

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Dengan mengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk, maka selama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang, cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga berulang kali serta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan kembali sebagai radiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga. Lubang pada rongga inilah yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam. Temperatur dari benda itu akan terus naik apabila laju penyerapan energinya lebih besar dari laju pancarannya, sehingga pada akhirnya benda hitam itu mencapai temperatur kesetimbangan. Keadaan ini dinamakam dengan setimbang termal setimbang termodinamik. Istilah benda hitam pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Permukaan benda hitam merupakan permukaan yang memiliki sifat sebagai pemancar atau penyerap radiasi yang sangat baik. Jika suhu permukaannya tinggi dibandingkan lingkungan sekitarnya, akan bersifat memancarkan radiasi. Akan tetapi, jika suhunya rendah, akan bersifat sebagai penyerap radiasi. Pada percobaan ini akan digunakan plat datar berwarna hitam dan merah, sehangga dapat dibandingkan plat mana yang cepat menyerap cahaya dalam hal ini cahaya bersumber dari lampu. Dapat juga diketahui intensitas dan koefisien penyerapan dari plat tersebut.

1.2 Tujuan

1. Untuk mengetahui hubungan antara intensitas dengan jarak dan waktu. 2. Untuk mengetahui sifat-sifat radiasi pada plat datar berwarna hitam dan kuning. 3. Untuk mengetahui aplikasi dari sifat penyerapan kalor pada plat datar khususnya berwarna hitam. 4. Untuk mengetahui karakteristik kurva perbandingan antara intensitas dan jarak Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 5. Untuk mengetahui karakteristik kurva perbandingan antara intensitas dan suhu BAB II LANDASAN TEORI Cahaya memiliki penampilan mendua, yaitu sebagai gelombang dan sekaligus partikel. Cahaya bersifat sebagai gelombang karena cahaya dapat menampilkan peristiwa difraksi dan interferensi. Perilaku cahaya sebagai gelombang diterangkan dengan persamaan Max Well. Itu sebabnya cahaya merupakan sebagian dari gelombang elektromagnet gem, dan gem yang memiliki komponen getar medan listrik dan medan magnet. Cahaya juga bersifat sebagai partikel, sebab dapat menampilkan peristiwa pantulan refleksi dan efek fotolistrik. Teori kuantum cahaya membahas cahaya sebagai partikel sehingga sinar dipandang sebagai arus partikel dan arus itu berupa paket-paket tenaga. Paket tenaga itu disebut kuanta cahaya atau photon. Jika logam, misalnya besi, dibakar dan ketika besi bersuhu tinggi maka warna besi berubah menjadi kemerahan. Berarti benda yang panas itu meradiasi bahang thermal radiation ke lingkungan. Radiasi termal itu berada di daerah inframerah yang tenaganya sedikit lebih rendah dari cahaya warna merah. Warna logam yang meradiasi bahang itu berubah secara kontinu, berarti banyaknya bahang yang diradiasikan berubah secara kontinu pula. Dikenal pengertian sebaran tenaga pada kawan panjang gelombang λ yang disebut emisi spectral S λ . S λ merupakan besaran fluks tenaga, yaitu daya per satuan luas yang diemisikan oleh luasan benda panas per satuan kawasan λ, sehingga S λ dλ tidak lain adalah fluks tenaga yang diemisikan oleh dλ. Permukaan benda yang bersifat sebagai penyerap dan pengemisi bahang secara sempurna disebut benda hitam. Kenyataan menunjukkan bahwa benda hitam pada suhu yang sama dengan benda warna lain, maka benda hitam lebih banyak mengemisi bahang dibanding benda dengan warna lain. Contoh dari benda hitam adalah lobang pada rongga sehingga cahaya yang masuk lobang tidak pernah dapat keluar. Lord Rayleigh menyelidiki emisi spectral benda hitam secara teoritis dan kuantitatif. Hasilnya, fluks tenaga radiasi dari lobang pada rongga adalah sebanding dengan rapat tenaga radiasi ke dalam rongga. Menurut Rayleigh, di dalam rongga banyak berisi gelombang berdiri bergetar pada ragamnya, saat kesetimbangan termal, setiap ragam bergetar pada tenaga sebesar tenaga termal rerata, yaitu kT. Dikenal sebagai k sebagai tetapan Boltzmann, dan T sebagai lambang suhu dalam K. Pendapat itu memiliki kelemahan, sebab hal itu bias dimaknai bahwa di dalam rongga tersimpan tenaga sebesar nkT, dimana n bernilai tidak hingga. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 Efek fotolistrik. Einstein tahun 1905 berpendapat bahwa tenaga yang diradiasi oleh benda hitam bersifat tercatu. Menurut Einstein, radiasi elektromagnet merupakan arus paket- paket tenaga. Satu paket tenaga yang berfrekuensi v memiliki tenaga E=hv, sedangkan 2 paket bertenaga 2hv, dan setiap paket tenaga ini disebut foton. Compton tahun 1922 berhasil menyimpulkan bahwa hamburan sinar X bahan grafit menghasilkan sinar X dengan panjang gelombang λ’ lebih panjang daripada sebelum terhambur λ. Ini berarti tenaga foton X berkurang. Berkurangnya tenaga sinar X dikarenakan sebagian tenaga serap oleh grafit. Kuntoro, 2009 Benda dengan suhu mutlak lebih tinggi dari 0 ⁰K suhu terendah yang mungkin terealisasi dalam fisika memancarkan radiasi elektromagnetik yang membawa energy. Spectrum frekuensi radiasi demikian bersifat kontinu. Stefan 1879 mengajukan rumus empiris mengenai energi yang dipancarkan oleh suatu benda pada suhu T sebagai: E T = σ e T 4 2.1 dengan : E T = Energi total yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas permukaan pada suhu T untuk seluruh spektrum panjang gelombang pancaran. e = tetapan emisivitas permukaan benda bernilai 0 untuk benda putih sampai 1 untuk benda hitam σ = tetapan Stefan-Boltzman = 5,67 x 10 -8 Wm 2 K 4 Jika benda yang sama disinari, sejumlah energi akan diserap dan dinyatak oleh persamaan: E T = σ a T 4 2.2 dengan a adalah koefisien serapan yang menurut teorema Kirchoff 1883 bernilai = e. Pada keadaan khusus dengan nilai a = 1, semua sinar yang jatuh pada permukaan benda diserap. Benda yang demikian disebut benda hitam black body. Suatu contoh yang mendekati benda hitam sempurna ideal ialah sebuah lubang kecil pada permukaan benda beronggga. Cahaya yang mengenai lubang akan masuk ke dalam rongga dan dipantulkan berulang-ulang ileh dinding rongga dengan intensitas semakin berkurang setiap kali dipantulkan sehingga akhirnya mencapai nol. Dengan demikian, cahaya tidak akan keluar dari lubang lagi. Dengan kata lain, lubang menyerap semua cahaya. Sebaliknya, suatu rongga berlubang yang dipanaskan pada suhu T akan meradiasikan gelombang elektromagnet dengan emisivitas e = 1 benfa hitam sumber radiasi dan spektrum panjang gelombang dari 0  ∞. Jika S λ didefenisikan sebagai energi yang dipancarkan oleh benda per satuan luas permukaan per selang panjang gelombang, maka S λ dλ adalah pancaran per satuan waktu per satuan luas dalam selang panjang gelombang antara λ dan λ + dλ. Energi total E yang Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 dipancarkan oleh benda pada suhu T per satuan waktu per satuan luas permukaan untuk seluruh panjang gelombang dapat dinyatakan sebagai: E T = 2.3 Hasil pengamatan spektrum cahaya yang dipancarkan pada berbagai suhu benda membuktikan bahwa panjang gelombang radiasi cahaya yang dipancarkan dengan S λ tertinggi berbanding terbalik dengan suhu benda. Ketergantungan spektrum pada suhu tersebut menunjukkan bahwa proses pancaran energi merupakan proses radiasi termal. Wien 1893 memformulasikan hasil pengamatan di atas dalam bentuk: S λ = 2.4 dengan fλT adalah fungsi yang bergantung pada λT. Pemecahan mencari distribusi spektral radiasi termal dapat disederhanakan dengan meninjau sumbernya berupa benda berongga berbentuk kubus dengan panjang rusuk sama, yaitu a. jika λ adalah panjang gelombang radiasi elektromagnetik dalam daerah spektrum tertentu, maka frekuensi yang berkaitan adalah v = c λ. Gelombang dalam rongga berupa gelombang stasionerberdiri stationarystanding waves yang merupakan superposisi pasangan-pasangan gelombang merambat dan bergerak ke arah yang saling berlawanan. Jarak antarmuka gelombang dengan beda fase π antara dua simpul berdekatan misalnya adalah λ2. Jarak antarsimpul ke arah yang sejajar dengan sumbu koordinat X, Y, dan Z berturut- turut adalah 2.5 2.6 2.7 dengan α, β, dan γ berturut-turut adalah sudut antara normal muka gelombang dengan sumbu X, Y, dan Z. Persamaan gelombang stasioner yang bergantung pada ketiga parameter dalam Persamaan 2.6, 2.7, dan 2.8 adalah Ex,y,z,t = A sin2πxλ x sin2πyλ y sin2πzλ z sin22πvt 2.8 MenurutRayleigh dan Jeans, distribusi ragam getar gelombang elektromagnet pada berbagai energi mengikuti statistic Boltzmann menggunakan fungsi distribusi: Pε = A exp-εk B T 2.9 Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 dengan ε adalah energi gelombang electromagnet berfrekuensi tertentu yang boleh bernilai sebarang dengan spektrum kontinu dan k B adalah tetapan Boltzmann. Energi reratanya dapat dihitung dengan menggunakan faktor bobot statistik. Kusminarto, 2011 Benda hitam merupakan istilah untuk suatu benda yang memiliki emisivitas 1. Benda hitam adalah benda yang akan menyerap semua energi yang datang dan akan memancarkan energi dengan baik. Teori Fisika klasik yang menganggap bahwa cahaya merupakan gelombang ternyata tidak dapat menerangkan spektrum radiasi benda hitam . Max Plank, beranggapan bahwa cahaya dapat dianggap sebagai partikel. Teori ini diperkuat dengan adanya fenomena efek fotolistrik dan efek Compton. Sampai saat ini para ilmuwan masih beranggapan bahwa cahaya mempunyai sifat dualisme yaitu sebagai gelombang dan partikel. Radiasi Benda Hitam. Apabila sepotong besi kita panaskan, maka suhu logam tersebut akan mengalami kenaikan. Makin lama dipanaskan, suhunya semakin tinggi. Makin tinggi suhu benda akan menimbulkan ruangan di sekitar benda itu menjadi panas. Hal ini menunjukkan bahwa benda memancarkan energi kalor ke sekitarnya. Energi yang dipancarkan benda ke sekitarnya disebut energi radiasi. Energi radiasi yang dipancarkan sebuah benda dalam bentuk gelombang, yaitu gelombang elektromagnetik. Faktor apa saja yang memengaruhi radiasi suatu benda? Jika kita berada di dekat benda yang panas, pada tubuh kita akan terasa panas. Tubuh akan terasa semakin panas apabila kita berada di dekat benda yang suhunya lebih tinggi. Serta panas yang kita rasakan akan semakin kuat jika benda yang berada di dekat kita berwarna gelap, di samping itu juga makin luas permukaan benda, semakin terasa panas yang kita rasakan. Di samping benda memancarkan panas, benda pun dapat menyerap panas energi. Hal ini tergantung pada suhu antara benda dengan ruangan di sekitar benda. Apabila suhu benda lebih tinggi daripada suhu ruangan, benda akan memancarkan panas dan sebaliknya jika suhu benda lebih rendah, maka benda tersebut akan menyerap energi panas. Energi yang dipancarkan oleh suatu benda tidak tergantung pada jenis bendanya. Akan tetapi tergantung pada suhu benda itu dan sifat permukaan benda. Benda yang mudah menyerap panas sekaligus merupakan benda yang memancarkan panas dengan baik. Makin tinggi suhu benda semakin besar energi yang dipancarkan. Tabel di bawah ini menunjukkan hubungan antara suhu benda dengan warna benda dari hasil eksperimen. Hubungan antara suhu benda dengan warna benda: Suhu Benda ⁰C Warna Benda 500-700 Merah Tua 700-800 Merah 800-900 Merah Jingga Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 900-1000 Jingga 1000-1100 Kuning 1100-1300 Kuning muda 1300-1500 Putih Tabel. 2.1 Suhu benda dengan warna benda Ekperimen tentang radiasi kalor benda pertama kali dilakukan oleh Joseph Stefan dan Ludwig Boltzmann, diperoleh kesimpulan yang dinyatakan dalam rumus : W = eσAT 4 2.10 dengan: W = intensitas radiasi kalor yang dipancarkan benda tiap detiknya watt e = emisivitas benda σ = kontante Stefans – Boltzmann 5,670 x 10 -8 Wm -2 K -4 A = luas permukaan benda m 2 T = suhu benda K Persamaan diatas disebut dengan Hukum Stefan – Boltzmann. Emisivitas adalah konstanta yang besarnya tergantung pada sifat permukaan benda yang mempunyai nilai antara 0 hingga 1. Untuk benda yang mempunyai emisivitas 1 dinamakan benda hitam , yaitu suatu benda yang mempunyai sifat menyerap semua kalor. Benda hitam diidentikkan dengan benda berongga yang memiliki lubang kecil. Model Radiasi Benda Hitam Gambar. 2.1 Model benda hitam sempurna yang menyerap radiasi melalui pemantulan berulang Apabila dilihat lubang itu berwarna hitam karena jika ada cahaya yang masuk ke lubang tersebut kemungkinan kecil bisa keluar lagi, cahaya itu akan dipantulkan oleh dinding bagian dalam benda berongga sehingga akhirnya energi habis terserap. Sebaliknya jika benda tersebut dipanaskan, maka lubang itu akan menyala lebih terang dibandingkan dengan daerah sekitarnya, yang berarti memancarkan energi lebih besar dibandingkan dengan yang lain. Di sini diartikan bahwa benda hitam adalah benda yang akan menyerap semua energi yang datang dan akan memancarkan energi dengan baik. Dalam hal ini benda hitam sebenarnya hanya suatu model untuk menggambarkan benda hitam sempurna yang kenyataannya benda itu tidak ada. Benda yang mempunyai sifat menyerap semua energi yang mengenainya disebut benda hitam. Benda hitam jika dipanaskan akan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Jln. Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155 memancarkan energi radiasi. Energi radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam . http:fisikazone.comradiasi-benda-hitam BAB III METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Peralatan dan Fungsi