BAB 7 RADIASI BENDA HITAM
Radiasi Benda Hitam
&
Dualisme Cahaya
BENDA HITAM
Pernahkah kamu memakai
baju warna gelap atau hitam
pada siang hari yang panas?
Apa yang kamu rasakan ketika
memakai baju warna gelap
atau hitam tersebut? Tentunya
kamu akan cepat merasakan
gerah bukan? Mengapa
demikian?
Permukaan benda yang berwarna hitam akan
menyerap kalor lebih cepat dari permukaan benda
yang berwarna cerah. Hal inilah yang menyebabkan
kita merasa lebih cepat gerah jika memakai baju
berwarna gelap atau hitam pada siang hari.
Sebaliknya, kita akan lebih nyaman memakai baju
berwarna gelap atau hitam pada malam hari. Hal ini
dikarenakan permukaan benda berwarna gelap atau
hitam mudah memancarkan kalor daripada benda
yang berwarna lain.
Jadi, benda yang permukaannya
gelap atau hitam akan mudah
menyerap kalor dan mudah pula
memancarkannya. Untuk
memahami sifat radiasi
permukaan benda hitam, mari
kita bahas bersama-sama uraian
materi berikut ini!
Selain dapat memancarkan
radiasi, permukaan bahan juga
dapat menyerap radiasi.
Kemampuan bahan untuk
menyerap radiasi tidak sama.
Semakin mudah bahan
menyerap radiasi, semakin
mudah pula bahan itu
memancarkan radiasi. Bahan
yang mampu menyerap
seluruh radiasi disebut sebagai
benda hitam (Black Body).
Istilah benda hitam
(black body) pertama
kali dikenalkan oleh
Fisikawan Gustav
Robert Kirchhoff pada
tahun 1862. Benda
hitam memancarkan
radiasi dalam bentuk
gelombang
elektromagnetik.
Radiasi gelombang
elektromagnetik yang
dipancarkan benda
hitam bergantung pada
suhu benda hitam
Benda hitam adalah
benda ideal yang
sebenarnya tidak ada.
Karakteristik benda
hitam dapat didekati
dengan menggunakan
ruang tertutup
berongga yang diberi
sebuah lubang kecil.
Perhatikan gambar
berikut
Model Radiasi Benda Hitam
Setiap radiasi yang masuk ke rongga akan terperangkap
oleh pemantulan bolak-balik. Hal ini menyebabkan
terjadinya penyerapan seluruh radiasi oleh dinding rongga.
Lubang rongga dapat diasumsikan sebagai pendekatan
benda hitam. Jika rongga dipanaskan maka spektrum yang
dipancarkan lubang merupakan spektrum kontinu dan
tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Besarnya
energi radiasi per satuan waktu per satuan luas permukaan
disebut intensitas radiasi dan disimbolkan dengan I.
Intensitas radiasi oleh benda hitam bergantung pada
suhu benda. Berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann,
intensitas radiasi dinyatakan dengan persamaan:
I e T
4
Keterangan:
I : intensitas radiasi (watt/m2)
T : suhu mutlak benda (K)
σ: konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 . 10-8watt/m2.K4
e : koefisien emisivitas (0 ≤e ≤1), untuk benda hitam e = 1
HUKUM
PERGESERAN
WIEN
Kelemahan dari teori ini yaitu
tidak dapat digunakan untuk
seluruh bagian spektrum
(tidak cocok untuk panjang
gelombang panjang)
Jika suatu benda meradiasikan kalor pada temperatur
tinggi (maksimum) puncak spektrum radiasi akan
bergeser kearah panjang gelombang yang makin kecil
Pada kondisi radiasi maksimum panjang gelombangnya
m T= C
m = Panjang gelombang pada energi pancar maksimum
(m)
T = suhu dalam K
Rayleigh-Jeans mengoreksi teori Wien melalui
eksperimennya akan tetapi hasil eksperimen
hanya cocok pada daerah spektrum cahaya
tampak sedangkan untuk daerah panjang
gelombang pendek tidak cocok. Kegagalan ini
dikenal dengan bencana ultraviolet
E = e . . T4
E=
P
A
P = E . A = e . . T4 . A
m . T =
C
KESIMPULAN TEORI WIEN
BENDA YANG BERADIASI MEMANCARKAN
ENERGI DALAM BENTUK GELOMBANG
Hukum Radiasi Planck
Planck menemukan rumus dengan menginterpolasikan rumus wein
dan rumus Rayleigh-Jeans dengan mengasumsikan bahwa
terbentuknya radiasi benda hitam adalah dalam paket-paket
energi.
Konsep paket energi atau energi terkuantisasi ini merupakan
hipotesis Max Planck yang merupakan rumus yang benar
tentang kerapatan energi radiasi benda hitam.
E hf
h 6.626 *10 23 J / s
Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik adalah peristiwa
lepasnya elektron dari permukaan
logam yang tembaki oleh foton.jika
logam mengkilat di iradiasi, maka
akan terjadi pancaran electron pada
logam tersebut.
Cahaya dengan frekuensi lebih
besar dari frekuensi ambang yang
akan menghasilkan arus elektron
Foton.
Energi maksimum yang
terlepas dari logam akibat peristiwa
fotolistrik adalah
Compton Effect
Efek Compton
Menurut Compton radiasi yang terhambur mempunyai frekuensi
lebih kecil dari pada radiasi yang datang dan juga tergantung
pada sudut hamburan.
Dari analisis Compton, hamburan radiasi elektromagnetik dari
partikel merupakan suatu tumbukan elastik.
'
h
1 cos
mo c
Perbandingan Teori Partikel
Cahaya dan Gelombang
Cahaya
Fenomena Cahaya
Teori Gelombang
Teori Partikel
1. Rambatan linier
cahaya
Rambatan linier cahaya
dapat dijelaskan oleh
rambatan linier
gelombang air
Rambatan linier cahaya
dapat dijelaskan oleh
kecepatan tinggi
partikel-partikel yang
muncul dari sumber
cahaya
2. Bayangan gambar
dalam cermin datar
Gelombang bundar
memantul dari bidang
pembatas seolah
dihasilkan dari sebuah
titik yang simetris dari
sumber
Pantulan partikelpartikel yang datang ke
atas dinding pembatas
terjadi seolah-olah
perluasan partikelpartikel yang
dipantulkan menyatu di
titik yg simetris dari
sumber
3. Pantulan cahaya
Gelombang linier yang
dipantulkan mematuhi
hukum pemantulan
Bola yang melambung
sedemikian rupa
dengan sudut
datangnya sama
dengan sudut
pantulannya
4. Pembiasan cahaya
Gelombang tegak lurus
Bola yang
Fenomena Cahaya
Teori Gelombang
Teori Partikel
5. Interferensi
cahaya
Gelombang bulat
yang dihasilkan dari
dua sumber titik
pada tangki riak
menghasilkan
bentuk interferensi
Interferensi cahaya
tidak dapat
dijelaskan oleh teori
partikel
6. Difraksi cahaya
Gelombang air linier
melengkung dan
menjadi bulat
seraya melewati
jarak celah yang
lebih sempit dari
atau sebanding
dengan panjang
gelombangnya
Difraksi cahaya
tidak dapat
dijelaskan oleh teori
partikel
7. Efek fotolistrik
Efek fotolistrik tidak
dapat dijelaskan
oleh teori
gelombang
Saat cahaya UV
masuk pada
permukaan plat
seng, elektronelektron dikeluarkan
dari plat
8. Efek Compton
Efek Compton tidak
Ketika foton-foton
Fenomena Cahaya
Teori Gelombang
Teori Partikel
5. Interferensi
cahaya
Gelombang bulat
yang dihasilkan dari
dua sumber titik
pada tangki riak
menghasilkan
bentuk interferensi
Interferensi cahaya
tidak dapat
dijelaskan oleh teori
partikel
6. Difraksi cahaya
Gelombang air linier
melengkung dan
menjadi bulat
seraya melewati
jarak celah yang
lebih sempit dari
atau sebanding
dengan panjang
gelombangnya
Difraksi cahaya
tidak dapat
dijelaskan oleh teori
partikel
7. Efek fotolistrik
Efek fotolistrik tidak
dapat dijelaskan
oleh teori
gelombang
Saat cahaya UV
masuk pada
permukaan plat
seng, elektronelektron dikeluarkan
dari plat
8. Efek Compton
Efek Compton tidak
Ketika foton-foton
&
Dualisme Cahaya
BENDA HITAM
Pernahkah kamu memakai
baju warna gelap atau hitam
pada siang hari yang panas?
Apa yang kamu rasakan ketika
memakai baju warna gelap
atau hitam tersebut? Tentunya
kamu akan cepat merasakan
gerah bukan? Mengapa
demikian?
Permukaan benda yang berwarna hitam akan
menyerap kalor lebih cepat dari permukaan benda
yang berwarna cerah. Hal inilah yang menyebabkan
kita merasa lebih cepat gerah jika memakai baju
berwarna gelap atau hitam pada siang hari.
Sebaliknya, kita akan lebih nyaman memakai baju
berwarna gelap atau hitam pada malam hari. Hal ini
dikarenakan permukaan benda berwarna gelap atau
hitam mudah memancarkan kalor daripada benda
yang berwarna lain.
Jadi, benda yang permukaannya
gelap atau hitam akan mudah
menyerap kalor dan mudah pula
memancarkannya. Untuk
memahami sifat radiasi
permukaan benda hitam, mari
kita bahas bersama-sama uraian
materi berikut ini!
Selain dapat memancarkan
radiasi, permukaan bahan juga
dapat menyerap radiasi.
Kemampuan bahan untuk
menyerap radiasi tidak sama.
Semakin mudah bahan
menyerap radiasi, semakin
mudah pula bahan itu
memancarkan radiasi. Bahan
yang mampu menyerap
seluruh radiasi disebut sebagai
benda hitam (Black Body).
Istilah benda hitam
(black body) pertama
kali dikenalkan oleh
Fisikawan Gustav
Robert Kirchhoff pada
tahun 1862. Benda
hitam memancarkan
radiasi dalam bentuk
gelombang
elektromagnetik.
Radiasi gelombang
elektromagnetik yang
dipancarkan benda
hitam bergantung pada
suhu benda hitam
Benda hitam adalah
benda ideal yang
sebenarnya tidak ada.
Karakteristik benda
hitam dapat didekati
dengan menggunakan
ruang tertutup
berongga yang diberi
sebuah lubang kecil.
Perhatikan gambar
berikut
Model Radiasi Benda Hitam
Setiap radiasi yang masuk ke rongga akan terperangkap
oleh pemantulan bolak-balik. Hal ini menyebabkan
terjadinya penyerapan seluruh radiasi oleh dinding rongga.
Lubang rongga dapat diasumsikan sebagai pendekatan
benda hitam. Jika rongga dipanaskan maka spektrum yang
dipancarkan lubang merupakan spektrum kontinu dan
tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Besarnya
energi radiasi per satuan waktu per satuan luas permukaan
disebut intensitas radiasi dan disimbolkan dengan I.
Intensitas radiasi oleh benda hitam bergantung pada
suhu benda. Berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann,
intensitas radiasi dinyatakan dengan persamaan:
I e T
4
Keterangan:
I : intensitas radiasi (watt/m2)
T : suhu mutlak benda (K)
σ: konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 . 10-8watt/m2.K4
e : koefisien emisivitas (0 ≤e ≤1), untuk benda hitam e = 1
HUKUM
PERGESERAN
WIEN
Kelemahan dari teori ini yaitu
tidak dapat digunakan untuk
seluruh bagian spektrum
(tidak cocok untuk panjang
gelombang panjang)
Jika suatu benda meradiasikan kalor pada temperatur
tinggi (maksimum) puncak spektrum radiasi akan
bergeser kearah panjang gelombang yang makin kecil
Pada kondisi radiasi maksimum panjang gelombangnya
m T= C
m = Panjang gelombang pada energi pancar maksimum
(m)
T = suhu dalam K
Rayleigh-Jeans mengoreksi teori Wien melalui
eksperimennya akan tetapi hasil eksperimen
hanya cocok pada daerah spektrum cahaya
tampak sedangkan untuk daerah panjang
gelombang pendek tidak cocok. Kegagalan ini
dikenal dengan bencana ultraviolet
E = e . . T4
E=
P
A
P = E . A = e . . T4 . A
m . T =
C
KESIMPULAN TEORI WIEN
BENDA YANG BERADIASI MEMANCARKAN
ENERGI DALAM BENTUK GELOMBANG
Hukum Radiasi Planck
Planck menemukan rumus dengan menginterpolasikan rumus wein
dan rumus Rayleigh-Jeans dengan mengasumsikan bahwa
terbentuknya radiasi benda hitam adalah dalam paket-paket
energi.
Konsep paket energi atau energi terkuantisasi ini merupakan
hipotesis Max Planck yang merupakan rumus yang benar
tentang kerapatan energi radiasi benda hitam.
E hf
h 6.626 *10 23 J / s
Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik adalah peristiwa
lepasnya elektron dari permukaan
logam yang tembaki oleh foton.jika
logam mengkilat di iradiasi, maka
akan terjadi pancaran electron pada
logam tersebut.
Cahaya dengan frekuensi lebih
besar dari frekuensi ambang yang
akan menghasilkan arus elektron
Foton.
Energi maksimum yang
terlepas dari logam akibat peristiwa
fotolistrik adalah
Compton Effect
Efek Compton
Menurut Compton radiasi yang terhambur mempunyai frekuensi
lebih kecil dari pada radiasi yang datang dan juga tergantung
pada sudut hamburan.
Dari analisis Compton, hamburan radiasi elektromagnetik dari
partikel merupakan suatu tumbukan elastik.
'
h
1 cos
mo c
Perbandingan Teori Partikel
Cahaya dan Gelombang
Cahaya
Fenomena Cahaya
Teori Gelombang
Teori Partikel
1. Rambatan linier
cahaya
Rambatan linier cahaya
dapat dijelaskan oleh
rambatan linier
gelombang air
Rambatan linier cahaya
dapat dijelaskan oleh
kecepatan tinggi
partikel-partikel yang
muncul dari sumber
cahaya
2. Bayangan gambar
dalam cermin datar
Gelombang bundar
memantul dari bidang
pembatas seolah
dihasilkan dari sebuah
titik yang simetris dari
sumber
Pantulan partikelpartikel yang datang ke
atas dinding pembatas
terjadi seolah-olah
perluasan partikelpartikel yang
dipantulkan menyatu di
titik yg simetris dari
sumber
3. Pantulan cahaya
Gelombang linier yang
dipantulkan mematuhi
hukum pemantulan
Bola yang melambung
sedemikian rupa
dengan sudut
datangnya sama
dengan sudut
pantulannya
4. Pembiasan cahaya
Gelombang tegak lurus
Bola yang
Fenomena Cahaya
Teori Gelombang
Teori Partikel
5. Interferensi
cahaya
Gelombang bulat
yang dihasilkan dari
dua sumber titik
pada tangki riak
menghasilkan
bentuk interferensi
Interferensi cahaya
tidak dapat
dijelaskan oleh teori
partikel
6. Difraksi cahaya
Gelombang air linier
melengkung dan
menjadi bulat
seraya melewati
jarak celah yang
lebih sempit dari
atau sebanding
dengan panjang
gelombangnya
Difraksi cahaya
tidak dapat
dijelaskan oleh teori
partikel
7. Efek fotolistrik
Efek fotolistrik tidak
dapat dijelaskan
oleh teori
gelombang
Saat cahaya UV
masuk pada
permukaan plat
seng, elektronelektron dikeluarkan
dari plat
8. Efek Compton
Efek Compton tidak
Ketika foton-foton
Fenomena Cahaya
Teori Gelombang
Teori Partikel
5. Interferensi
cahaya
Gelombang bulat
yang dihasilkan dari
dua sumber titik
pada tangki riak
menghasilkan
bentuk interferensi
Interferensi cahaya
tidak dapat
dijelaskan oleh teori
partikel
6. Difraksi cahaya
Gelombang air linier
melengkung dan
menjadi bulat
seraya melewati
jarak celah yang
lebih sempit dari
atau sebanding
dengan panjang
gelombangnya
Difraksi cahaya
tidak dapat
dijelaskan oleh teori
partikel
7. Efek fotolistrik
Efek fotolistrik tidak
dapat dijelaskan
oleh teori
gelombang
Saat cahaya UV
masuk pada
permukaan plat
seng, elektronelektron dikeluarkan
dari plat
8. Efek Compton
Efek Compton tidak
Ketika foton-foton