Laporan Radiasi Benda Hitam Kel.8 [PDF]

Citation preview

MAKALAH RADIASI BENDA HITAM



DISUSUN OLEH KELOMPOK 8



KRISTIAN MALAU



(4193121043)



MAYAWI ADRIANI LUMBANGAOL



(4193121023)



PATRICIA ANGELIN SIHALOHO



(4193121006)



REZA OKTA PRIANTI BR. ZEBUA



(4193121028)



KELAS



: PENDIDIKAN FISIKA DIK D 2019



MATA KULIAH



: FISIKA STATISTIK



DOSEN PENGAMPU



: Drs. Rappel Situmorang, M.Si Dr. Eng. Jubaidah, M.Si



JURUSAN FISIKA PROGRAM STUDI S1 PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN 2022



KATA PENGANTAR Pertama-tama kita panjatkan Puji Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkatnya yang telah diberikannya sehingga makalah ini dapat terselesaikan dan dapat berjalan dengan lancar sesuai dengan apa yang telah diinginkan. Tujuan penulis dalam menyusun makalah ini yaitu untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Statistik. Maka dengan hal itu berhasilnya makalah ini pun tidak terlepas dari bantuan dan dorongan atau pun arahan yang telah diberikan kepada penulis sehingga penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Drs. Rappel Situmorang, M.Si dan Ibu Dr.Eng. Jubaidah, M.Si selaku dosen pengampu dan juga penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada teman dan orangtua yang selalu memberikan semangat dan dorongan kepada penulis dalam membuat makalah tersebut. Penulis pun menyadari banyak kekurangan dari makalah ini sehingga penulis sangat berharap mendapatkan kritik dan saran terhadap pembaca agar ke depannya penulis dapat melakukan makalah yang lebih baik lagi.



Medan, 29 April 2022



Kelompok 8



ii



DAFTAR ISI KATA PENGANTAR .................................................................................................. ii DAFTAR ISI................................................................................................................ iii BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................. 1 1.1 Latar Belakang .................................................................................................. 1 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................. 1 1.3 Tujuan Penulisan ............................................................................................... 1 BAB II ISI ..................................................................................................................... 2 BAB III PENUTUP ...................................................................................................... 7 3.1 Kesimpulan ....................................................................................................... 7 3.2 Penutup .............................................................................................................. 7 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................... 8



iii



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Telah diketahui 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 elektromagnetik (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 gagal menerangkan hasil percobaan lain yang segera menyusul, seperti percobaan yang memepelajari pemancaran electron dari permukaan logam yang disinari cahaya (efek fotolistrik), dan hamburan cahaya oleh electron-elektron (efek Compton).



1.2 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 Hukum Rayleigh-Jeans mengenai Radiasi Benda Hitam ?



1.3 Tujuan 1. Untuk mengetahui definisi radiasi benda hitam 2. Untuk menjelaskan Hukum Stefan-Boltzmann mengenai Radiasi Benda Hitam 3. Untuk menjelaskan Hukum Pergeseran Wien mengenai Radiasi Benda Hitam 4. Untuk menjelaskan Hukum Rayleigh-Jeans mengenai Radiasi Benda Hitam



1



BAB II KAJIAN PUSTAKA Dalam fisika, benda hitam (black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik yang jatuh kepadanya.Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombangenergi yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.Istilah "benda hitam" pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitaam. Meskipun namanya benda hitam, tidaklah harus benar-benar hitam karena dia juga memancarkan energi.Jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya bergantung pada suhu benda hitam tersebut. Benda hitam dengan suhu di bawah sekitar 700 Kelvin hampir semua energinya dipancarkan dalam bentuk gelombang inframerah, sangat sedikit dalam panjang gelombang tampak. Semakin tinggi temperatur, semakin banyak energi yang dipancarkan dalam panjang gelombang tampak dimulai dari merah, jingga, kuning dan putih.



Dalam laboratorium, benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga.Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali, tanpa memerdulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang). Lubang ini (bukan rongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam. Jika rongga dipanaskan, spektrum yang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik dan mekanika statistik. Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombang rendah (yaitu, frekuensi tinggi); suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu. Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck, yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket, Gagasan ini belakangan 2



digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan efek fotolistrik.Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum. Saat ini, paket-paket tersebut disebut foton. Hukum Planck tentang radiasi benda-hitam 2ℎ𝑣 3 𝐼(𝑣, 𝑡) = 2 𝑐



1 ℎ𝑣



𝑒 𝑘𝑇 − 1



dengan I(ν,T) = adalah daya (energi per satuan waktu) yang diradiasikan per satuan area permukaan yang melepas pada arah normal per satuan solid angle per satuan frekuensi oleh benda hitam pada temperatur T, juga dikenal dengan radiansi spektral; h= adalah konstanta Planck; c =adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa; k= adalah konstanta Boltzmann; ν= adalah frekuensi radiasi elektromagnetik; T =adalah temperatur absolut benda.



Spektrum Benda Hitam Radiasi benda-hitam memiliki karakteristik yaitu spektrum frekuensi kontinu yang bergantung hanya pada suhu benda, disebut spektrum Planck atau Hukum Planck. Spektrum ini berpuncak pada frekuensi karakteristik yang bergeser ke frekuensi tinggi jika suhu naik, dan pada suhu kamar sebagian besar emisinya berada pada daerah inframerah pada spektrum elektromagnetik.Pada temperatur melewati 500 derajat Celsius, benda hitam mulai melepas cahaya dalam jumlah besar sehingga dapat terlihat. Jika dilihat dalam gelap, sinar yang pertama terlihat seperti abu-abu. Jika suhu terus dinaikkan, cahaya menjadi merah gelap, kemudian kuning, dan akhirnya menjadi biru-putih. Ketika benda terlihat putih, ia melepas sebagian energinya sebagai radiasi ultraviolet. Matahari, dengan suhu efektif sekitar 5800 K, adalah benda hitam dengan puncak spektrum emisi di tengah (warna kuning-hijau) pada spektrum terlihat, tetapi kekuatannya di ultraviolet juga besar.



3



Semua zat normal (barionik) melepas radiasi elektromagnetik ketika suhunya diatas absolut nol. Radiasi ini melambangkan perubahan energi panas benda menjadi energi elektromagnetik, dan karena itu disebut radiasi termal. Proses ini merupakan proses spontan distribusi radiatif dari entropi. Sebaliknya semua benda normal menyerap radiasi elektromagnetik sampai derajat tertentu. Benda yang menyerap semua radiasi yang jatuh padanya, pada semua panjang gelombang, disebut benda hitam. Jika benda hitam berada pada suhu yang seragam, emisinya memiliki distribusi frekuensi karakteristik yang tergantung dari suhu. Emisinya disebut radiasi benda-hitam.



Konsep benda hitam adalah idealisasi, karena benda



hitam



sempurna



tidak



ada



di



alam. Grafit dan karbon hitam, dengan emisivitas lebih dari 0.95, adalah perkiraan material hitam. Secara eksperimen, radiasi muncul



sempurna



benda-hitam sebagai



dapat radiasi



kesetimbangan steady-state stabil pada rongga dalam benda tegar, pada suhu seragam, yang sepenuhnya buram dan hanya sedikit memantul (reflektif). Sebuah boks tertutup dengan dinding grafit pada suhu kontan dengan lubang kecil pada satu sisi menghasilkan perkiraan yang baik bagi radiasi benda-hitam memancar dari bukaannya. Radiasi benda hitam memiliki distribusi intensitas radiatif yang stabil, absolut, dan unik yang dapat bertahan dalam kesetimbangan termodinamika dalam rongga. Dalam kesetimbangan, untuk tiap frekuensi, total intensitas radiasi yang dilepas dan dipantulkan dari sebuah benda (jumlah radiasi bersih yang meninggalkan permukaan, disebut radiansi spektral) ditentukan hanya dengan temperatur kesetimbangan, tidak tergatung dari bentuk, 4



material, atau struktur benda. Untuk benda hitam (penyerap sempurna) tidak ada radiasi yang dipantulkan, maka radiansi spektral sepenuhnya akibat emisi. Selain itu, benda hitam adalah diffuse emitter (emisinya tidak tergantung arah). Akibatnya, radiasi benda-hitam dapat dilihat sebagai radiasi dari benda hitam pada kesetimbangan termal. Radiasi benda hitam akan memancarkan cahaya yang dapat dilihat jika suhu objek cukup tinggi. Titik Draper adalah temperatur dimana semua padatan memancarkan warna merah redup, berkisar 798 K. Pada 1000 K, bukaan kecil pada rongga dinding benda buram yang dipanaskan, dilihat dari luar, berwarna merah; pada 6000 K, akan terlihat putih. Tidak peduli bagaimana oven itu dibuat atau materialnya dari apa, selama semua cahaya diserap oleh dindingnya, maka dapat dianggap perkiraan yang baik untuk radiasi benda-hitam. Spektrum dan warna cahaya yang keluar menjadi gungsi temperatur rongga saja. Grafik yang berisi jumlah energi didalam oven per satuan volume dan per satuan interval frekuensi yang diplot vs frekuensi, disebut kurva benda-hitam. Kurvanya berbeda-beda untuk tiap suhu.



1. Hukum Stefan-Boltzmann Pada tahun 1879 seorang ahli fisika dari Austria, Josef Stefan melakukan eksperimen untuk mengetahui karakter universal dari radiasi benda hitam.Ia menemukan bahwa daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas (intensitas total) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Sehingga dapat dirumuskan: I = e σ T4



dengan I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T adalah suhu mutlak benda, dan σ adalah tetapan Stefan-Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10-8 Wm-2K-4. Gambar berikut memperlihatkan spektrum cahaya yang dipancarkan benda hitam sempurna pada beberapa suhu yang berbeda.Grafik tersebut memperlihatkan bahwa antara antara panjang gelombang yang diradiasikan dengan suhu benda memiliki hubungan yang sangat rumit.



5



Untuk kasus benda panas yang bukan benda hitam, akan memenuhi hukum yang sama, hanya diberi tambahan koefisien emisivitas yang lebih kecil daripada 1 sehingga:



I total = e.σ.T 4 Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan diatas dapat ditulis sebagai: 𝑃=



𝑄 = 𝑒𝜎𝐴𝑇 4 𝑡



Dengan: •



P = daya radiasi (W)



•



Q = energi kalor (J)



•



A = luas permukaan benda (m2)



•



e = koefisien emisivitas



•



T = suhu mutlak (K)



Beberapa tahun kemudian, berdasarkan teori gelombang elektromagnetik cahaya, Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) secara teoritis menurunkan hukum yang diungkapkan oleh Joseph Stefan (1853 – 1893) dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Oleh karena itu, persamaan diatas dikenal juga sebagai Hukum 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”.



2. Hukum pergesera wien Bila suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relative dari spectrum cahaya yang dipancarkan berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warna-warna



6



spectrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda seperti pada gambar :



(Gambar Grafik Pergeseran Wien)



Gambar diatas menunjukkan grafik antara intensitas radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda hitam terhadap panjang gelombang (grafik I – l ) pada berbagai suhu. Total energi kalor radiasi yang dipancarkan adalah sebanding dengan luas di bawag grafik. Tampak bahwa total energi kalor radiasi radiasi meningkat dengan meningkatnya suhu ( menurut hokum Stefan- Bolztman. Energi kalor sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak. Radiasi kalor muncul sebanding suatau spectra kontinu, bukan spectra diskret seperti garis-garis terang yang dilihat dalam spectra nyala api. Atau garis-garis gelap yang dapat dilihat dalam cahaya matahari (garis Fraunhofer) (Spektra adalah bentuk tunggal spectrum) Sebagai gantinya, semua panjang gelombang hadir dalam distribusi energi kalor yang luas ini. Jika suhu bendahitam meningkat, panjang gelombang untuk intensitas maksimum (lm) bergeser ke nilai panjang gelombang yang lebih pendek.Pengukuran spectra benda hitam menunjukkan bahwa panjang gelombang untuyk intensitas maksimum (lm) berkurang dengan meningkatnya suhu, seperti pada persamaan berikut :



7



𝜆𝑚 . 𝑇 = 𝐶 Dengan : •



λm = panjang gelombang dengan intensitas maksimum (m)



•



T = suhu mutlak benda hitam (K)



•



C = tetapan pergeseran Wien = 2,90 x 10-3 m K



Pada suhu yang lebih tinggi (dalm orde 1000 K ) benda mulai berpijar merah, seperti besi dipanaskan. Pada suhu diatas 2000 K benda pijar kuning atau keputihputihhan, seperti besi berpijar putih atau pijar putih dari filament lampu pijar. Jika suatu benda padat dipanaskan maka benda itu akan memancarkan radiasi kalor. Pada suhu normal, kita tidak menyadari radiasi elektromagnetik ini karena intensitasnya rendah.Pada suhu lebih tinggi ada cukup radiasi inframerah yang tidak dapat kita lihat tetapi dapat kita rasakan panasnya jika kita mendekat ke benda tersebut.



3. Perumusan Rayleigh dan Jeans Kurva yang didapatkan dari percobaan sebelumnya merupakan hasil yang empiris, yakni diperoleh dan disimpulkan sebagai hasil pengamatan atau percobaan.Pada masa itu para ilmuwan mencoba mencari penjelasan atas kenyataan empiris tersebut.Pada masa tersebut pula dua ilmuwan, yakni Lord Rayleigh (1842-1919) dan Sir James Hopward Jeans (1877-1946) mencoba menggunakan teori 8anjang gas dalam fisika klasik untuk mengolah hasil empiris tersebut. Menurut fisika klasik mengenai ekuipartisi energi, energi rata-rata setiap derajat kebebasan pada suhu T adalah ½ Kt. Maka energi total untuk setiap getaran gelombang menjadi Kt, dengan k adalah tetapan Stefan-Boltzmann. Meskipun mustahil untuk dapat menghitung besarnya kecepatan setiap partikel gas dalam suatu ruang, teori maxwell dapat mengaitkan kecepatan setiap partikel tersebut terhadap banyaknya partikel di dalam suatu kotak dan dijabarkan melalui kurva distribusi Maxwell.Disini Rayleigh-Jeans melihat bahwa kurva yang dijabarkan oleh maxwell serupa dengan hasil yang diperoleh pada intensitas spektrum radiasi kalor Karena sebaran energi 8anjang diwakili oleh sebaran kecepatan karena energi 8anjang dapat



8



dinyatakan dalam kecepatan.Oleh karena itu mereka beranggapan bahwa ada kemiripan antara sifat panas benda dan radiasi kalor. Penyimpangan persamaan Rayleigh-Jeans yang sangat jauh ini selanjutnya diberi istilah katastropi ultraviolet karena l mendekati nol. Hal ini sangat menyimpang dari hasil empiris yang menunjukkan bahwa intensitas akan mendekati nol jika l yang mengecil, intensitas akan membesar. Bahkan intensitas akan menuju tak hingga jika l yang



besar.



Akan



tetapi



hasil



matematis



yang



didapatkan



mereka



untuk l mendekati tak hingga maka intensitas akan mendekati nol. Hal ini sesuai dengan hasil empiris untuk l yang membesar, intensitas akan semakin kecil. Berdasarkan prinsip ekuipartisi energi, persaman matematis yang didapatkan oleh Rayleigh dan Jeans menunjukkan bahwa untuk hal tersebut disebabkan mereka beranggapan bahwa energi yang dimiliki oleh setiap spektrum gelombang bersifat kotinu. Artinya, energi gelombang dapat memiliki sembarang nilai dalam batas yang ditentukan.Sehingga didapatkan nilai energi yang mungkin dengan jumlah yang tak terhingga.Dan anggapan tersebut menghasilkan suatu fungsi yang mengakibatkan ketidaksesuaian dengan hasil eksperimen pada 9anjang gelombang pendek.



9



BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan Bahwa, radiasi benda hitam diilustrasikan dengan sebuah kotak hitam yang tertutup rapat, dan pada salah satu dindingnya terdapat lubang kecil. Jika sebuah sinar cahaya masuk melewati lobang kecil itu, akan dipantulkan berulang kali oleh dindingdinding kotak, sehingga sangat kecil kemungkinan sinar tersebut dapat keluar lagi. Lobang inilah yang dimaksudkan dengan benda hitam karena cahaya yang melewatinya akan diserap semuanya, tidak ada yang dipantulkan.



3.2 Saran Demikian makalah ini kami susun. Kami menyadari dalam penulisan makalh ini bnayak terdapat kekurangan, oleh karena kritik dan saran yang membangun kami perlukan untuk penyempurnaan makalah ini. Semoga bermanfaat bagi pembaca.



10



DAFTAR PUSTAKA Abdullah, M. (2007). Pengantar Fisika Statistik untuk Mahasiswa. Bandung: ITB Press Rajagukguk, J. (2020). Fisika Statistik. Jakarta: PT Bumi Aksara https://id.wikipedia.org/wiki/Benda_hitam https://youtu.be/Mj2QOpQkSfI



11