Radiasi Benda Hitam (1)

  

IKATAN KIMIA

Dosen Pembimbing : Inelda Yulita, S.Pd., M.Pd.

MEKANIKA KUANTUM (RADIASI BENDA HITAM)

  Disusun oleh:

DIAH AYU SUSILOWATI (150384204029)

  

IMAM SOLIHIN (150384204046)

RISMAWATY RUTH T L (150384204018)

SAFNITA YUNI AMBARITA (150384204043)

  

VABIOLA ANGGRIANI SAKRI (150384204022)

JURUSAN PENDIDIKAN KIMIA

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS MARITIM RAJA ALI HAJI

TANJUNGPINANG

  

2016

KATA PENGANTAR

  Segala puji syukur atas kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat, hidayah, kesehatan serta umur yang panjang sehingga makalah yang berjudul “Mekanika Kuantum (Radiasi Benda Hitam)” ini dapat terselesaikan. Sholawat serta salam senantiasa kita haturkan kepada junjungan alam nabi besar Muhammad SAW yang telah membawa umatnya dari alam jahiliyah menuju alam yang kaya dengan ilmu pengetahuan. Aamiin Tidak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada ibu Inelda Yulita, S.Pd., M.Pd yang merupakan dosen pembimbing kami karena dengan bimbingannya kami dapat menyelesaikan makalah ini. Kami menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan makalah ini jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, kami mengharapkan kritik dan saran yang membangun menuju kesempurnaan dari pada pembaca untuk kesempurnaan makalah selanjutnya.

  Tanjungpinang, 22 Februari 2017 penulis

MEKANIKA KUANTUM

A. Dasar-dasar Mekanika Kuantum

1. Teori atom modern (Mekanika Kuantum)

  Model atom modern didasarkan atas tiga, yaitu:

  a. Elektron dalam atom bersifat gelombang dan partikel (Broglie,

  1924)

  b. Asas ketidakpastian Heinsenberg

  c. Persamaan Schrodinger

2. Bilangan Kuantum

  Bilangan kuantum utama, azimuth, dan magnetik menyatakan posisi suatu elektron dalam atom sedangkan bilangan kuantum spin menyatakan arah putaran elektron.

a. Bilangan Kuantum Utama (n)

  Lambang dari bilangan kuantum utama adalah “n” (en kecil). Bilangan kuantum utama menyatakan kulit tempat ditemukannya elektron yang dinyatakan dalam bilangan bulat positif. Nilai bilangan itu di mulai dari 1, 2, 3 dampai ke-n. Tabel 1. Hubungan jenis kulit dan nilai bilangan kuantum utama.

  Jenis Kulit Nilai (n) K

  1 L

  2 M

  3 N

  4 Bilangan kuantum utama dapat digunakan untuk menentukan

  ukuran orbit (jari-jari) berdasarkan jarak orbit elektron dengan inti atom. Kegunaan lainnya, dapat mengetahui besarnya energi potensial elektron. Semakin dekat jarak orbit dengan inti atom maka kekuatan ikatan elektron dengan inti atom semakin besar, sehingga energi potensial elektron tersebut

  b. Bilangan Kuantum Azimuth (l) Bilangan kuantum azimuth menyatakan sub kulit tempat elektron berada dan bentuk orbital, serta menentukan besarnya momentum sudut elektron terhadap inti. Banyaknya subkulit tempat elektron berada tergantung pada nilai bilangan kuantum utama (n). Tabel 2. Hubungan bilangan kuantum utama dan azimuth serta subkulit.

  

Bilangan Kuantum Bilangan Kuantum Jumlah Banyaknya

Utama (n) Subkulit

Azimuth ( l )

  1

  1

  2

  2

  

1

  3

  3

  

1

  

2

  4

  4

  

1

  

2

  

3

Kesimpulan yang dapat diambil dari tabel adalah : Banyaknya subkulit sama dengan nilai bilangan kuantum utama.

  Subkulit ditandai dengan huruf yang didasarkan pada garis- garis spektrum yang tampak pada spektroskopi secara berurutan, seperti tabel 3. Tabel 3. Tanda subkulit berdasarkan nilai bilangan kuantum azimuth.

  Nilai Tanda Subkulit Garis Spektrum pada Spektroskopi

  s Terang

  

1 p Terang kedua

2 d Kabur

3 f Pembentukan warna

  c. Bilangan Kuantum Magnetik (m)

  Bilangan kuantum magnetik menyatakan orbital tempat ditemukannya elektron pada subkulit tertentu dan arah momentum sudut elektron terhadap inti. Sehingga nilai bilangan kuantum magnetik berhubungan dengan bilangan kuantum azimut. Nilai bilangan kuantum magnetik antara - l sampai + l.

  Tabel 6. Hubungan bilangan kuantum azimut dengan bilangan kuantum magnetik.

  Bilangan Bilangan Tanda

Kuantum Kuantum Gambaran Orbital Jumlah Orbital

Orbital

  Azimuth (l) Magnetik (m)

  s

  1

  1 p -1, 0, +1

  3

  2 d -2, -1, 0, +1, +2

  5

  3 f -3, -2, -1, 0, +1,

  7

• 2, +3

d. Bilangan Kuantum Spin (s)

  Lambang bilangan kuantum spin adalah s yang menyatakan arah rotasi elektron pada porosnya. Ada dua kemungkinan arah rotasi yaitu searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam.

B. Dualisme Cahaya

  Cahaya memiliki sifat dualisme  Gelombang elektromagnetik (teori Maxwell) dengan tertentu

  a. Kecepatan propagasi c

  b. Gelombang radio, microwave, IR, Visible, UV, X-Ray, gamma-Ray  Sebagai paket energi, foton atau partikel (teori Planck & Einstein) memiliki m dan p Sifat-sifat cahaya yaitu propagasi, polarisasi, interferensi, difraksi, dan radiasi.

  Klasifikasi dan energi Cahaya Warna λ (nm) f (Hz) E (eV)

  o foton

  14 Red 630-760 ~ 4.5 x 10 ~ 1.9

  14 Orange 590-630 ~ 4.9 x 10 ~ 2.0

  14

  14 Green 500-560 ~ 5.7 x 10 ~ 2.35

  14 Blue 450-500 ~ 6.3 x 10 ~ 2.6

  14 Violet 380-450 ~ 7.1 x 10 ~ 2.9  Cahaya dengan panjang gelombang λ o < 400 nm disebut ultraviolet (UV).

   Cahaya dengan panjang gelombang λ o > 700 nm disebut infrared (IR).

C. Radiasi benda Hitam

  Seberkas sinar datang mengenai lubang pada sebuah dinding berongga. Sinar ini akan dipantulkan berkali-kali oleh dinding rongga dan setiap kali dipantulkan intensitasnya berkurang (karena sebagian diserap) sampai suatu saat energinya kecil sekali (hampir nol). Jadi dapat dikatakan sinar yang mengenai lubang tidak keluar lagi. Itulah sebabnya lubang ini dinamakan benda hitam. Walaupun dinding dalam kaleng mengkilat, akan tetapi lubang tampak gelap. Dalam keadaan ini rongga dipenuhi oleh gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga. Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform.

  1. Jika dinding rongga diberi sebuah lubang, maka radiasi ini akan cari titik keluar dari lubang, radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi benda hitam.

  2. Ketika benda berongga dipanaskan, elektron-elektron atau molekul-molekul pada

  dinding rongga akan mendapatkan tambahan energi sehingga elektron bergerak dipercepat.

  3. Menurut teori Elektromagnetik, muatan yang dipercepat akan memancarkan

  radiasi. Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam Adapun hukum-hukum yang menjelaskan tentang teori benda hitam, yaitu:

a. Hukum Stefan-Boltzman

  Energi radiasi setiap detik persatuan luas disebut intensitas radiasi (I). Joseph Stefan dan Ludwig Boltzman telah melakukan pengukuran laju energi kalor radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda, kemudian dikenal dengan Hukum

  Stefan-Boltzman

  4 I (T) = e σ A T

  Intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam menurut hukum Stefan- Boltzmann bergantung pada temperatur:

  4 I (T) = σT

  Keterangan : P = daya radiasi (laju energi yang dipancarkan) Q = energi kalor (J) t = waktu (s)

  2

  2

  σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67 10-8W/m K )

2 A = luas permukaan benda (m )

b. Teori Klasik Radiasi Benda Hitam

  Ada dua teori klasik yang mencoba menjelaskan spektrum radiasi benda hitam yaitu teori Wien dan teori Rayleigh Jeans.

  1. Hukum Pergeseran Wien

  Teori Wien menyatakan hubungan antara intensitas radiasi dengan panjang gelombang menggunakan analogi antara radiasi dalam ruangan dan distribusi kelajuan molekul gas. Radiasi termal yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda merupakan gelombang elektromagnetik. Berdasarkan eksperimen, radiasi termal itu terdiri atas banyak panjang gelombang. Intensitas radiasi besarnya berbeda-beda untuk panjang gelombang yang berbeda. Wilhelm Wien seorang fisikawan Jerman menemukan suatu hubungan yang empiris sederhana antara panjang gelombang yang dipancarkan untuk intensitas maksimum (λm) dengan suhu mutlak (T) sebuah benda yang dikenal sebagai Hukum Pergeseran Wien. W. Wien merumuskan bahwa terjadi pergeseran maksima λ sesuai perumusan dengan :

  maks λ T = C m

  Keterangan: λ m = panjang gelombang pada intensitas maksimum (m) T = suhu mutlak (K) C = tetapan pergeseran Wien (2,898 x 10-3 mK)

  2. Model dari Lord Rayleigh dan James Jeans

  Teori Rayleigh-Jeans menyatakan hubungan antara intensitas dan panjang gelombang radiasi dengan menggunakan penurunan dari teori klasik murni. Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatu model yang menganggap bahwa muatan-muatan di dinding(permukaan) benda berongga dihubungkan dengan sebuah pegas (ikatan antar atom dalam kristal) Ketika suhu benda dinaikkan, muatan-muatan ini mendapatkan energi kinetiknya untuk bergetar lebih cepat (osilasi elektron). Sehingga muatan yang bergerak akan menimbulkan gelombang elektromagnet, yang disebut Radiasi. Radiasi ini akan terkungkung di dalam rongga berbentuk gelombang tegak, Karena dinding rongga berupa konduktor maka pada dinding rongga terjadi simpul- simpul berupa gelombang tegak.sehingga terdapat tak berhingga banyak ragam(mode) gelombang tegak yang ditandai dengan frekuensi atau panjang gelombangnya.

  Aplikasi Radiasi Benda Hitam pada Kehidupan Sehari-Hari

  1. Gejala global warming

  2. Penggunaan pakaian

  3. Termos

  4. Panel surya

D. Teori Planck

  Max Planck menggunakan dasar teoritis untuk memperkuat rumus empirisnya dengan membuat asumsi bahwa :

  1. Energi radiasi yang dipancarkan oleh getaran molekul-molekul benda bersifat

  diskret, yang besarnya :

  E n = n . h . f

  Max Planck (1900 M) mengemukakan perumusan intensitas spektrum radiasi (disebut spektral radiasi R(λ)) yaitu intensitas radiasi termal sebagai fungsi λ pada temperatur tertentu.

  2. Molekul-molekul menyerap atau memancarkan energi radiasi dalam paket diskret yang disebut kuantum atau foton.

  3. Bila energi yang dipancarkan atau diserap sebesar hf, maka radiasi itu dikatakan terkuantisasi.

  Planck menemukan rumus dengan menginterpolasikan rumus wein dan rumus Rayleigh-Jeans dengan mengasumsikan bahwa terbentuknya radiasi benda hitam adalah dalam paket-paket energi.

  Daftar Pustaka

   Materi ke 4 Teori Kuantum Radiasi 1.pdf diunduh tanggal 21 Februari 2017

   Teori atom mekanika kuantum dan sistem periodik.pdf diunduh tanggal 21 Februari 2017

   Fisika modern dualisme partikel dan gelombang.pdf diunduh tanggal 21 Februari 2017

  Keterangan: n = bilangan kuantum (n = 1, 2, 3, ...) f = frekuensi getaran molekul. h = konstanta Planck (6,626 . 10-34 Js) yang hanya mungkin berada pada salah satu keadaan yang disebut keadaan-keadaan kuantum.