RADIASI BENDA HITAM

RADIASI BENDA HITAM

1.      Radiasi Benda Hitam

            Hampir setiap benda memancarkan radoasi panas, akibat pengaruh dari suhu benda tersebut. Tetapi pada umumnya benda itu terlihat bukan karena pancaran atau suhunya sendiri melainkan pancaran cahay ayng mengenai benda itu. Benda bias terlihat karena meradiasikan panas, jika suhunya diatas 1000k yang berwarna merah seperti kumparan listrik. Dan berpijar kekuning-kuningan seperti lampu pijar, ketika suhunya diatas 200k. Ketika suhu meningkat, intensitas relative dari benda meningkat yang menyebabkan pergeseran warna-warna spectrum yang diamati, dapat digunakan untuk mentaksir suhu suatu benda. Panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas tergantung pada komposisi benda itu, terdapat suatu benda yang memiliki spectra panas dengan karakter universal yaitu benda hitam atau black body. Benda hitam adalah benda yang menyerap semua radiasi yang dating padanya, dan tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam tersebut, karena benda ini memiliki emisivitas dan absorptansi yang berharga satu.

            Emisivitas adalah karakteristik suatu materi yang menunjukkan perbandingan daya yang dipencarkan persatuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperature yang sama. Absorptansi adalah perbandingan fluk pancaran atau fluk cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluk yang tiba pada benda tersebut. Benda hitam biasanya digambarkan oleh suatau lubang kecil, sehingga ketika suatu cahaya yang masuk pada lubang tersebut tidak akan bias keluar lagi karena pantulan cahaya dari lubang kecil itu akan diserap dinding-dinding yang berwarna hitam. Semua benda hitam akan menyerap cahaya disekitarnya jika suhunya lebih tingg dari suhu disekitarnya.

2.      Intensitas Radiasi

Radiasi benda hitam adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh benda hitam. Pada tahun 1879 ahli fisika yang bernama Josef Stefan dari Austria melakukan ekperimen tentang benda hitam dan menemukan bahwa daya total persatuan luas yang dipancarkan pada semua frekensi oleh suatu benda hitam panas (intensitas total) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya, yang dapat dirumuskan:

I_total =eσT⁴.................................................................................................................(1)

Berdasarkan hokum Stefan Boltzmann yang berbunyi ““Jumlah energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam dalam satuan waktu akan berbanding lurus dengan

pangkat empat temperatur termodinamikanya”. Yang dapat dirumuskan sebagai berikut:

I_tota =P/A = eσT⁴…………………………………………………………………….(2)

Keterangan:

            I = Intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuansi

            T= Suhu mutlak benda (K)

            σ= Ketetapan Stefan-boltzman yaitu 5,67.10^-8 Wm^-2K^-4

            P= Daya Radiasi (W)

            A= Luas permukaan benda (m²)

            e = koefisien emisivitas

            Beberapa tahun kemudian Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) berdasarkan teori gellombang elektromagnetik cahaya, dan Joseph Stefan (1853-893) dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell.

3.      Hukum Pergeseran Wien

λm.T=C =……………………………………………………………………(3)

keternagan:

            λm= panjang gelombang (m)

            T  = temperature termodinamik (K)

            C  = Tetapan pergeseran wien 2,898.10^-3 Mk

            Hukum diatas dinyatakan oleh wilhwlm Wiwn 91864-1928)

            Pada gambar 1 akan diperlihatkan grafik hubungan Intensitas radiasi dan panjang gelombang pada benda hitam yang dikenal dengan distribusi spectrum. Dari grafik terlihat bahwa semakin tinggi temperature, puncak akan semakin bergeser ke ujung spectrum gelombang pendek.

Gambar 1. Distribusi spectrum                       Gambar 2. Fungsi distribusi spektrum P( λ ,T )

            Pada gambar 1 distribusi spectrum pergeseran wien dan gambar 2 distribusi sperctrm Rayleigh-jeans. Dari kedua gambar itu dapat disbanding kan. Gambar 2 lebih dikenal dengan perhitungan klasik atau hokum Rayleigh-jeans yang dinyatakan :

 P (λ ,T ) = 8P kT λ ^-4………………………………………………………………… (3)

Keterangan:

            K= ketetapan Boltzmann

            Hukum Rayleigh- jean tidak cocok diterapkan pada panjang gelombang pendek aau frekuensi tinggi, karena pada gambar 1 ketika λ mendekati nol, kerapatan energy tak trebatas (u(f,T)à∞ dalam ultraviolet, yang disebut dengan bencana ultraviolet (“ultraviolet catastrophe”).

4.      Hukum Radiasi Planck

Pad tahun 1900 Max Plack (Jerman) telah menemukan penemuan baru yang sudah dimodifikasi khusus dari peritungan klasik. Plack dapata menjelaskan fungsi P (λ ,T ) pada data seluruh panjang gelombang. Hukum in menberikan gagasan baru pada ilmu fisika yangmenentang teori klasik yaitu energy merupakan besaran uang dipancarkan dalam bentuk paket-paket  kecil (quanta) terputus-putus, bukan dalam bentuk pancaran molar. Kemudian hkum ini menjadi dasar teori kuantum (foton) yang dapat dirumuskan:

E = hf………………………………………………………………………………………. (4)

Atau E=nhf ………………………………………………………………………………….(5)

Keterangan:

n=1, 2, 3, … (bil. Asli)

f= frekuensi getar molekul-molekul

h=ketetapan planck 6,6 34 10− × J s (dalam dua angka penting)

Planck dapat menyataukan teori Wien dan Rayleigh-jeans yang akan berlaku untuk semua panjang gelombang. Hukum radiasi planck adalah:

                          …………………………………………………………………………………….(5)

Keterangan:

            h = 6,6 x 10-34 Js

            c = cepat rambat cahay adalah 3,0 x 108 m/s

k= ketetapan boltzmann adalah 1,38 x 10-34 J/K

5.      Efek fotolistrik dan Compton

Efek fotolistrik ditemkan oleh Hertz (1887) dan dikaji oleh Lenard 1900. Seperti yang ditunjukka oleh gambar 3 disamping apabila cahaya dating pada permukaan C yang bersih electron dipancarkan, electron menumbuk anoda A terdapat arus dalam rangkain luarnya. Elektron bisa membuat anoda positif dan negative tergantung dari jumlah electron yang dipancarkan. Apabila V positif elktron ditarik ke anoda, begitu juga sebaliknya. Potensial ini dihunbungkan dengan energy kinetic yang dipancarkan oleh :

                                 ……………………………………………………..(6)

                                                                                                                         

  Gambar 3. Alat pengkaji efek elektromagnetik                    Gambar 4. Efek fotolistrik

            Gambar 4 adalh percobaan efek fotolistrik oleh milikan 1923 dengan menggunakan sel fotolistrik. Keping katoda yang dihubungkan dengan tegangan searah, dikenai frekuensi tinggi (pada katoda), maka akan tampak adanya arus yang mengalis dari katoda menuju anoda. Setelah disinari cahaya ternyata galvanometer menyimpang yang menunjukkkan adanya arus yang mengalir dalm rangkaian.

            Enstein menjelaskan electron akan keluar dari electron membutuhkan energy ambang, maka electron akan lepas dari electron. Akibatnya energy kinetic maksimum dari electron dapat ditentukan dengan persamaan:

                         ……………………………………………………………………………………………..(7)

Keterangan:

f, f0 = frekuensi cahaya dan frekuensi ambang (Hz)

h = konstanta Planck (6,63 × 10^-34 Js)

Ek = energi kinetik maksimum elektron ( J)

6.      Efek Compton

Gejala hamburan (efek) dari penembakan sinar-x yang ditemukan oleh Arthur Holly Compton  1923. Jika elktron ditembak dengan sinar-x, sinar x akan terhambura dan memiliki frekuensi yang lebih kecil dari semula.

                                                                        Gambar 5. Gejala Compton electron oleh sinar-x

Menurut teori klasik energy momentum gelombang elektromagnetik dihubungkan oleh:

                                   

           

                            …………………………………………………………………………………… (8)

P= momentum foton

Compton menghubungkan sudut hamburan  f terhadap yang datang dan panjang gelombang hamburan

l1 danl2 . p1 merupakan momentum foton yang dating dan p2 merupakan momentum foton yang dihamburkan, serta p.c merupakan momentum elektron yang terpantul.

DAFTAR PUSTAKA

http://atophysics.wordpress.com

Resmiyanto, Rachmad. Sejarah Teori Kuantum.Jornal. Univ. Achmad Dahlan. 2011