MAKALAH RADIASI BENDA HITAM
MAKALAH RADIASI BENDA HITAM
BAB I
A.
Latar
Belakang Masalah
Telah diektahui bahwa perpindahan
kalor ( panas ) dari Matahari ke Bumi
melalui gelombang elektromagnetik
terjadi secara radiasi ( pancaran ). Dalam Materi ini akan dijelaskan
intensitas radiasi benda hitam yang melibatkan : Gustav Kirchhoff, Stefan dan
Boltzmann, Wilhelm Wien, Rayleigh dan Jeans, dan Max Planck.
Pertanda pertama yang menunjukkan
bahwa gambaran gelombang klasik tentang radiasi electromagnet ( yang berhasil baik menerangkan perobaan
Young dan Hertz pada abad ke Sembilan belas dan yang dapat dianalisis secara
tepat dengan persamaan Maxwell ) tidak seluruhnya benar, tersimpulkan dari
kegagalan teori gelombang untuk menerangkan spectrum radiasi termal yang diamati jenis radiasi electromagnet yang
dipancarkan berbagai benda semata-mata karena suhunya. Teori gelombang juga
ternyata aggal menerangkan hasil percobaan lain yang segera menyusul, seperti
percobaan yang memepelajari pemancaran electron dari eprmukaan logam yang
disinari cahaya ( efek fotolistrik ),
dan ahmburan cahaya oleh electron-elektron ( efek Compton ).
B.
Rumusan
Masalah
1.
Apakah yang
dimaksud dengan Radiasi Benda Hitam ?
2.
Bagaimana penjelasan Hukum Stefan-Boltzmann
mengenai Radiasi Benda Hitam ?
3.
Bagaimana
penjelasan Hukum Pergeseran Wien mengenai Radiasi Benda Hitam ?
4. Bagaimana
penjelasan Teori Planck mengenai Radiasi Benda Hitam ?
5. Bagaimana
penjelasan Hukum Rayleigh-Jeans mengenai Radiasi Benda Hitam ?
C.
Tujuan
Penulisan
1.
Mendeskripsikan Radiasi Benda Hitam.
2.
Menjelaskan Hukum Stefan-Boltzmann mengenai Radiasi Benda Hitam.
3.
Menjelaskan
Hukum Pergeseran Wien mengenai Radiasi Benda Hitam.
4. Menjelaskan
Teori Planck mengenai Radiasi Benda Hitam.
5.
Menjelaskan
Hukum Rayleigh-Jeans menegnai Radiasi Benda Hitam.
BAB II
PEMBAHASAN
A.
Radiasi
Benda Hitam
Panas
Matahari sampai ke Bumi melalui gelombang elektromagnetik. Perpindahan kalor seperti
ini disebut radiasi , yang dapat
berlangsung dalam ruang hampa. Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda
sebagai akibat suhunya disebut radiasi
panas ( thernmal radiation ).
Setiap benda
secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang
elektromagnetik. Bahkan, sebuah kubus es pun memancarkan radiasi panas,,
sebagian kecil dari radiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun
demikian, kubus es ini tidak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan
kubus es, tubuh manusia pun memeancarkan radiasi panasdalam daerah cahaya
tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat diruang
gelap. Namun gelombang-gelombang inframerah yang dipancarkan radiasi panas
tubuh dapat dideetksi dalam gelap oleh kamera elektronik.
Setiap benda
memancarkan radiasi panas, tetapi umumnya benda terlihat karena benda itu
memantulkan cahaya yang datanng padanya, dan bukan karena ia memancarkan radiasi panas. Benda baru
terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini
benda mulai berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada
suhu diatas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi
berpijar putih atau pijar putih dari filament lampu pijar. Begita suhu benda
terus ditingkatkan, intensitas relative dari spectrum cahaya yangn
dipancarkanya berubah.
Secara umum,
bentuk terinci dari spectrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda
panas bergantung pada komposisi benda itu. Meskipun demikian, hasil eksperimen
menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spectra panas
dengan karakter universal. Benda ini adalah benda
hitam ( black body ). Benda hitam adalah suatu benda yang permukaannya
sedemikian sehingga menyerap semua radiasi yang datang padanya ( tidak ada
radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam ). Dari pengamatan ditemukan
bahwa semua benda hitam pada suhu yang sama memanv=carkan radiasi dengan
spectrum yang sama.
Tidak ada
benda yang hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda
hitam. Ketika radiasi dari cahaya Matahari memasuki lubang kotak , radiasi
dipantulkan berulang-ulang oleh dinding kotak dan setelah pemantulan itu hampir
dapat dikatakan tidak ada lagi radiasi yang tersisa ( semua radiasi telah
diterap di dalam kotak ). Dengan kata lain, lubang telah berfungsi menyerap
semua radiasi yang datang padanya. Akibatnya lubang tampak hitam .
B.
Hukum-hukum
yang bersangkutan dengan Radiasi Benda Hitam.
1.
Hukum
Steffan-Boltzmann
Pada tahun 1859, Gustav Kirchhoff membuktikan teorema yang sama pentingnya
dengan teorema rangkaian listrik tertutupnya ketika ia menunjukkan argument
berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap benda dalam keseimbangan termal
dengan radiasi daya yang dipancarkan adalah sebanding dengan daya yang
diserapnya. Untuk benda hitam teorema Kirchhoff dinyatakan oleh
1.1
|
Dengan J(f,T) adalah suatu fungsi universal ( sama untuk semua benda )
yang bergantung hanya pada f frekuensi cahaya, dan T suhu mutlak benda. Persamaan 1.1
menunjukkan bahwa daya yang
dipancarkan per satuan luas per satuan
frekuensi oleh suatu benda hitam berhantung hanya pada suhu dan frekuensi
cahaya dan tidak bergantung pada sifat fisika dan kimia yang menyusun benda
hitam, dan ini sesuai dengan hasil pengamatan.
Perkembangan selanjutnya untuk
memahami karakter universal dari radiasi benda hitam datang dari ahli fisika
Austria, Josef Stefan ( 1835-1893 )
pada tahun 1979. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total per satuan luas yang
dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas, Itotal ( intensitas radiasi total )
adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Karena itu,
bentuk persamaan empiris, hokum Stefan ditulis sebagai
1.2
|
1.3
|
dengan I
total adalah intensitas ( daya per satuan luas ) radiasi pada permukaan benda
hitam pada semua frekuensi, adalah
intensitas radiasi per satuan frekuensi yang dipancarkan oleh benda
hitam, T adalah suhu mutlak benda, dan adalah tetapan Stefan-Boltzmann yaitu .
Untuk benda panas yang bukan benda hitam akan mematuhi hokum yang sama, hanya
diberi tambahan koefisien emisivitas e, yang
lebih kecil daripada I.
=
P/A, sehingga Persamaan 1.3 juga
dapat ditulis sebagai
1.4
|
Dengan
P adaalh daya radiasi ( watt = W )dan A adalah luas permukaan benda ( ).
Lima tahun kemudian konfirmasi mengesankan dari teori gelombang
elektromagnetik cahaya diperoleh ketika Boltzmann
menurunkan hokum Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Karena itu,
Persamaan 1.3 dikenal juga sebagai Hukum Stefan-Boltzmann.
2.
Hukum Pergeseran Wien
Jika suatu benda misalnya logam dipanaskan terus pada suhu tinggi maka
warna pijarnya berubah mulai dari pijar
merah ( kira-kira C ) sampai ke putih 9 kira-kira C ). Bentuk grafik antara
intensitas radiasi cahaya terhadap panjang gelombangnya dinamakan grafik , pada
berbagai suhu. Untuk suhu yang lebih tinggi , panjang gelombang untuk
intensitas maksimum bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek.
Wilhelm Wien pada tahun 1896 menyatakan hukumnya yang dikenal dengan hukum Pergeseran Wien : Panjang gelombang untuk intensitas cahaya
maksimum berkurang dengan meningkatnya suhu. Hukum ini dinyatakan dengan
persamaan:
1.5
|
Dengan adalah panjang delombang yang berhubungan
dnegan intensitas radiasi maksimum benda hitam, T adalah suhu mutlak dari
oermukaan benda yang memancarkan radiasi, dan C adalah tetapan pergeseran wien.
Konsistensi antara Hukum Pergeseran Wien dengan Hukum Stefan-Boltzmann
dapat diperiksa dengan menghitung kembali suhu mutlak permuakan matahari.
Anggap bahwa puncak kepekaan mata terjadi pada kira-kira 500nm ( cahaya biru
kehijauan ) bertepatan dengan untuk
Matahari ( benda hitam ), maka suhu matahari menurut hukum pergeseran Wien
adalah
3.
Teori Planck
Teori Wien cocok dengan spectrum radiasi benda hitam utuk panjang gelombang
yang pendek, dan menyimpang untuk
panjang gelombang yang panjang. Sebaliknya, teori Reyleigh-Jeans cocok
dengan spectrum radiasi benda hitam untuk panjang gelombang yang panjang, dan
menyimpang untuk panjang gelombang yang pendek. Jelas bahwa fisika klasik gagal
menjelaskan radiasi benda hitam. Inilah dilema fisika klasik di mana Max Planck mencurahkan seluruh
perhatiannya.
Pada tahun 1900, Planck memulai pekerjaannya dengan membuat suatu anggapan
baru tentang sifat dasar dari getaran molekul-molekul dalam dinding-dinding
rongga benda hitam. Anggapan lama fisikawan klasik menganggap bahwa energy
gelombang elektromagnetik ( termasuk cahaya ) terpancarkan secara kontinu (
sinambung ) dan besar kecilnya hanya ditentukan oleh amplitude gelombang.
Anggapan baru Planck sangat radikal dan bertentangan dengan fisika klasik,
yaitu dengan berikut.
a.
Radiasi yang dipancarkan oelh getaran molekul-molekul
tidaklah kontinu tetapi dalam paket-paket energy diskret, yang disebut kuantum ( disebut foton ). Besar energy
yang berkaitan dengan tiap foton adalah E=hf
, sehingga untun n buah foton maka energinya dinyatakan oleh
1.6
|
dengan n = 1, 2, 3,…( bilangan asli
), dan f adalah frekuensi getaran molekul-molekul .
Energy dari molekul-molekul dikatakan terkuantisasi
dan energy yang diperkenankan disebut tingkat
energy. Ini berarti bahwa tingkat energy bisa hf, 2hf, 3hf,…., sedangkan h disebut
Tetapan Planck, dengan
1.7
|
b. Molekul-molekul
memancarkan atau menyerap energy dalam satuan diskret dari energy cahaya,
disebut kuantum ( foton ). Molekul-molekul melakukan itu dengan “ melompat “
dari satu tingkat energy ke tingkat energy lainnya. Jika bilangan kuantum n
berubah dengan satu-satuan , Persamaan 1.7
menunjukkan bahwa jumlah energy yang
dipancarkan atau diserap oleh molekul-molekul sama denagn hf .Jadi, beda energy antara dua tingkat energy yang berdekatann
adalah hf.
4.
Hukum
Rayleigh-Jeans
1.8
|
Berdasarkan
teori kuantum di atas, Planck dapat menyatukan hokum radiasi Wien dan hukum
Rayleigh-Jeans, dan menyatakan hokum radiasi Wien dan hokum radiasi benda
hitamnya yang akan berlaku untuk semua panjang gelombang. Hukum radiasi Planck tersebut
adalah
Dengan adalah Tetapan Planck, adalah cepat rambat
cahaya, adalah tetapan Boltzmann, dan T
adalah suhu mutlak benda hitam.
Fisika klasik menyatakan bahwa
spektra radiasi benda hitam adalah kontinu, dan mereka aggal menjelaskan
radiasi benda hitam. Planck justru mengemukakan gagasan baru yang radikal dan
bertenteangan dengan fisika klasik, dengan menyatakan bahwa energy radiasi
benda hitam adalah terkuantitasi ( diskret ).
Pernyataan radikal inilah yang
menandai lahirnya teori kuantum. Karena itu, teori fisiska sebelum tahun 1900
disebut fisika kalsik , sedangkan
teori fisika sesudah tahun 1900 disebut fisika
modern.
BAB III
PENUTUP
A.
Kesimpulan
Benda hitam adalah
suatu benda yang permukaannya sedemikian sehingga menyerap semua radiasi
yang datang padanya ( tidak ada radiasi
yang dipantulkan keluar dari benda hitam).
Hukum yang bersangkutan dengan radiasi benda hitam :
1.
Hukum Stefan-Boltzmann
2.
Hukum
Pergeseran Wien
3. Teori Planck
4.
Hukum
Rayleigh-Jeans