MAKALAH FISIKA MODERN RADIASI BENDA HITAM OLEH: KELOMPOK 4 1. MIFTAHULJANNAH MUSLIMIN (10539144615) 2. NUR HIKMAH (10539143815) 3. AYU LESTARI (10539143415) 4. MUSDALIFAH (10539145415) 5. ROSMANIAR (10539144515) 6. IRWANSYAH (10539144215) KELAS FISIKA V D PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAKASSAR 2017 KATA PENGANTAR Segala puji syukur atas kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat, hidayah, kesehatan serta umur yang panjang sehingga makalah yang berjudul “Radiasi Benda Hitam” untuk memenuhi tugas mata perkuliahan Fisika Modern 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 Ana Dhifqani Sultan, S.Si., 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. Makassar, 16 November 2017 Penulis DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ......................................................................................... i DAFTAR ISI ......................................................................................... ii BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... 1 1.1 LATAR BELAKANG ............................................................................... 1 1.2 RUMUSAN MASALAH ........................................................................... 2 1.3 TUJUAN PENULISAN ............................................................................... 2 BAB II PEMBAHASAN ............................................................................... 3 2.1 RADIASI BENDA HITAM ................................................................. 3 2.2 HUKUM – HUKUM YANG BERSANGKUTAN DENGAN RADIASI BENDA HITAM ......................................................................................... 4 2.2.1 HUKUM STEFAN-BOLTZMANN .......................................... 4 2.2.2 HUKUM PERGESERAN WIEN .......................................... 5 2.2.3 TEORI PLANCK .......................................... 7 2.2.4 HUKUM RAYLEIGH – JEANS .......................................... 8 2.3 APLIKASI RADIASI BENDA HITAM PADA KEHIDUPAN SEHARIHARI ......................................................................................... 9 BAB III PENUTUP ......................................................................................... 11 3.1 KESIMPULAN ......................................................................................... 11 3.2 SARAN ......................................................................................... 12 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 13 BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Jika benda dipanaskan, maka suhu benda akan meningkat dan terlihat cahaya yang berwarna – warni pada permukaannya. Terlihatnya cahaya warna – warni tersebut menunjukkan terjadi radiasi elektromagnetik. Ketika itu fenomena tersebut dikaji dalam bahasan termodinamika dan elektromaknetik. Dalam keadaan setimbang maka benda akan memancarkan cahaya yang tersebar secara merata dalam bentuk spektrum frekuensi dan panjang gelombang yang dikaitkan dengan besaran intensitas daya yang dipancarkan oleh benda hitam seiring dengan perubahan panjang gelombang dan perubahan waktu. Untuk dapat menghitung emisi benda tersebut muncullah konsep benda hitam. Pada akhir abad ke 19 muncul minat manusia yang sangat besar untuk mengetahui ketergantungan distribusi frekuensi terhadap suhu. Hasil eksperimen telah menunjukkan bahwa distribusi tersebut bergantung pada suhu dan bukan pada komposisi benda yang berpijar. Keadaan ini terjadi pada suatu sistem yang terbuat dari bahan penyerap sempurna dengan rongga-dalam yang dindingnya dipertahankan pada suhu T. Radiasi dalam rongga tersebut secara konstan diemisi dan diabsorpsi oleh dinding yang dipanaskan tadi. Radiasi dalam model benda yang ideal ini disebut radiasi benda hitam. Banyak Ilmuan yang mencoba melakukan penelitian dan mengembangkan teori tentang radiasi benda hitam, seperti munculnya teori Stefan-Boltzman, Hukum pergeseran Wien, hingga Teori Planc dan Hukum Rayleigh-Jeans, untuk itu kita akan mempelajarinya dalam makalah ini. 1.2 RUMUSAN MASALAH 1. Apa yang dimaksud 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. Bagaiman penjelasan Hukum Rayleigh-Jeans mengenai Radiasi Benda Hitam? 1.3 TUJUAN PENULISAN 1. Mendeskirpsikan Radiasi Benda Hitam 2. Menjelaskan Hukum Stefan-Boltzman 3. Menjelaskan Hukum Pergeseran Wien 4. Menjelaskan Teori Planck 5. Menjelaskan Hukum Rayleigh-Jeans BAB II PEMBAHASAN 2.1 RADIASI BENDA HITAM Pemijaran merupakan proses pemancaran radiasi dari permukaan suatu benda padat. Bila suatu benda misalnya elemen pemanas dari tungku listrik atau filamen pada bola lampu pijar dipanaskan, benda tersebut memancarkan radiasi dan pertama-tama menjadi merah, kemudian jingga, kemudian kuning, kemudian putih seiring peningkatan suhu. Distribusi frekuensi dari cahaya yang berubah seiring dengan suhu benda. Efek inilah tepatnya yang menyebabkan mengapa bintang-bintang memiliki warna yang berbeda pada suhu yang berbeda. Benda hitam didefinisikan sebagai benda yang akan menyerap seluruh radiasi yang jatuh ke dirinya (tidak ada yang dipantulkan). Benda hitam sempurna sukar didapatkan. Jelaga yang sangat hitam masih memiliki daya pantul walaupun kecil sekali. Suatu lubang kecil pada sebuah benda berongga dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna. Ketika benda berongga dipanaskan, elektron- elektron atau molekulmolekul pada dinding rongga mendapatkan tambahan energi sehingga bergerak dipercepat. Menurut teori elektromagnetik muatan yang dipercepat akan memancarkan radiasi. Selain memancarkan radiasi, dinding juga akan memantulkan dan menyerap sebagian radiasi yang menimpanya. Penyerapan, pemantulan dan penyerapan oleh dinding berongga terus berlangsung hingga mencapai keseimbangan termal. Pada keseimbangan termal suhu tiap bagian dinding sama. Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombang elektromagnetik yang dipancarkan atau dipantulkan oleh tiap-tiap titik dari dinding rongga. Jika dinding rongga diberi sebuah lubang maka gelombang elektromagnetik akan keluar melalui lubang itu sebagai pancaran radiasi. Radiasi yang keluar ini dapat dianggap sebagai radiasi benda hitam. 2.2 HUKUM – HUKUM YANG BERSANGKUTAN DENGAN RADIASI BENDA HITAM 2.2.1 HUKUM STEFAN-BOLTZMANN Istilah benda hitam diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchoff pada tahun 1862 ketika mengamati adanya cahaya yang terpancar dari benda yang berwarna hitam. Menurut fisika klasik, walaupun secara teori benda hitam menyerap semua radiasi, namun juga harus memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin karena hanya dari sinilah energi benda tersebut dapat diukur. Dari hukum II Termodinamika. Kirchoff menunjukkan besar radiasi benda hitam sebagai radiasi termal dari benda yang tidak bersuhu nol kelvin akan memancarkan energi dalam bentuk elektromagnet, ia mengatakan bahwa emisivitas pada suatu benda sama dengan absorbsivitasnya. Absorbsivitas permukaan adalah perbandingan antara cahaya diserap dan cahaya yang datang dari permukaan itu. Radiasi termal adalah radiasi elektromagnet yang dipancarkan sebuah benda sebagai akibat suhu benda itu sendiri. Walaupun suhu benda sama, benda akan tetap memancarkan gelombang elektromagnetik dengan berbagai macam gelombang. Total radiasi meningkat secara tajam dari pada peningkatan suhu benda. Secara matematis besar radiasi yang memancar dari sebuah benda sebanding dengan pangkat empat dari suhunya. Pernyataan ini dapat kita jelaskan dengan Hukum Stefan-Boltzman yang berguna untuk menghitung total radiasi benda secara umum. Secara matematis Hukum Stefan-Boltzmann ditulis dengan persamaan I = σ T4 Dengan I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T adalah suhu mutlak benda, dan σ adalah tetapan StefanBoltzman yang bernilai 5,67 x 10-8 W/m2K4. Untuk kasus benda panas yang bukan benda hitam, akan memenuhi hukum yang sama, hanya ditambahkan koefisien emisivitas yang lebih kecil dari pada 1, sehingga : π°πππππ = πππ»π Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan diatas dapat ditulis sebagai: π°= π· = πππ»π π¨ Keterangan : P = daya radiasi (laju energi yang dipancarkan) (Watt) e = emitivitas benda σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67 10-8W/m2 K2) A = luas permukaan benda (m2) T = suhu mutlak permukaan benda (K) 2.2.2 HUKUM PERGESERAN WIEN Jika benda padat dipanaskan sampai suhu yang sangat tinggi, benda akan tampak memijar dan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan berada pada spektrum cahaya tampak. Jika benda terus dipanaskan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkan berubah-ubah. Gejala pergeseran nilai panjang gelombang maksimum dengan berkurangnya suhu disebut Pergeseran Wien. Bila suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkan berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warna-warna spectrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda yang digambarkan pada grafik berikut. Dari hasil penelitiannya, Wien mendapatkan kesimpulan bahwa Jika suhu suatu benda yang memancarkan cahaya semakin tinggi maka panjang gelombang untuk intensitas maksimum semakin kecil. Pergeseran Wien dirumuskan sebagai berikut : λmT = C Keterangan: λm = panjang gelombang pada intensitas maksimum (m) T = suhu mutlak (K) C = tetapan pergeseran Wien (2,898 x 10-3 mK) Melalui persamaan yang dikembangkan Wien mampu menjelaskan distribusi intensitas untuk panjang gelombang pendek, namun gagal untuk menjelaskan panjang gelombang panjang. Hal itu menunjukkan bahwa radiasi elektromagnetik tidak dapat dianggap sederhana seperti proses termodinamika. 2.2.3 TEORI PLANCK Pada tahun 1900 Max Planck mengumumkan bahwa dengan membuat suatu modifikasi khusus dalam perhitungan klasik, dia dapat menjabarkan fungsi I(λT) yang sesuai dengan hasil eksperimen. Planck mencari teori itu seperti itu dalam sebuah model proses atom suara terperinci yang terjadi pada dinding – dinding rongga. Dia menganggap bahwa atom-atom yang membentuk dinding-dinding tersebut berperilaku seperti osilator-osilator elektromagnetik yang kecil dan masing – masing mempunyai suatu frekuensi karateristik osilasi tertentu. Osilator – osilator tersebut memancarkan energi elektromagnetik ke dalam rongga dan menyerap energi elektromagnetik dari rongga tersebut. Proses ini berlangsung hingga radiasi rongga tersebut berada dalam kesetimbangan. Planck sampai pada dua kesimpulan untuk membuat dua anggapan radikal (pada waktu itu) mengenai osilator – osilator atom. 1. Sebuah osilator tidak dapat mempunyai energi, tetapi hanya energi-energi yang diberikan oleh : E=n.h.v Dengan v adalah frekuensi osilator (hertz), h adalah konstanta (sekarang dinamakan konstanta Planck) yang nilainya 6,626 x 1034 joule.sekon, dan n adalah sebuah bilangan (sekarang dinamakan bilangan kuantum = quantum number, n = 1,2,3….). Energi tersebut hanya mengambil nilai – nilai bulat. Persamaan tersebut menyatakan bahwa energi osilator adalah terkuantisasi. 2. Osilator – osilator tidak meradiasikan energi secara kontinu, tetapi hanya dalam “loncatan-loncatan” atau kuanta (quanta). Kuanta energi dipancarkan bila sebuah osilator berubah dari suatu keadaan energi terkuantisasi ke suatu keadaan energi terkuantisasi yang lain. Jadi, jika n berubah sebanyak satu satuan (unit), maka persamaan sebelumnya memperlihatkan bahwa suatu jumlah energi yang diberikan : βπ¬ = βπππ = ππ Diradiasikan oleh osilator tersebut. Selama sebuah osilator tetap berada dalam salah satu keadaan terkuantisasi (lazim dinamakan keadaan stasioner), maka osilator tersebut tidak memancarkan dan juga menyerap energi. 2.2.4 HUKUM RAYLEIGH – JEANS Teori ini dikemukakan oleh Lord Rayleigh dan Sir James Jeans, menurut teori ini muatan – muatan di sekitar dinding benda berongga dihubungkan oleh semacam pegas. Ketika suhu benda dinaikkan, pada muatan timbul energi kinetik sehingga muatan bergetar. Akibat getaran tersebut, kecepatan muatan berubah – ubah, atau dengan kata lain setiap saat muatan selalu mendapatkan percepatan. Muatan yang dipercepat inilah yang yang menimbulkan radiasi. Perhitungan energi radiasi Wien berlaku untuk gelombang pendek. Teori ini selanjutnya dikembangkan oleh Reyleigh dan Jeans yang berlaku untuk panjang gelombang yang lebih panjang. Menurut teori medan listrik-magnet, gelombang elektromagnet di emisikan oleh osilator muatan-muatan listrik. Bilamana osilator-osilator dalam kesetimbangan dengan radiasi dalam benda hitam, maka rapat energi radiasi persatuan volume adalah : πΈ(π£) = 8ππ£ 2 π3 π’(π£) dimana, π’(π£) = energi rata-rata osilator dengan frekuensi π£ Hukum energi ekipartisi adalah energi rata-rata itu adalah π’(π£)= πΎπ΅ π dimana πΎπ΅ = 1,3806 x 10-23 J/K adalah konstanta Boltzmann. Dengan π = λv πΈ(π) = Rumus Planck 8ππ£ 2 (πΎ π) (ππ£)3 π΅ π΅π (π) = 2π 2 β π5 π βπ/πππ − 1 Berdasarkan polinomial Taylor π βπ/πππ ≈ 1 + βπ πππ Sehingga apabila dimasukkan kepersamaan, menjadi : πΈ(π) = 8ππ β βπ . .1+ −1 5 π βπ πππ = = 8ππβ πππ π5 βπ 8πππ π4 Melalui penelitian yang dibuatnya, Rayleigh dan Jeans berhasil menurunkan rumus distribusi intensitas, yang digambarkan grafiknya maka model yang diusulkan oleh Rayleigh dan Jeans berhasil menerangkan spektrum radiasi benda hitam pada panjang gelombang yang besar, namun gagal untuk panjang gelombang yang kecil. 2.3 APLIKASI RADIASI BENDA HITAM PADA KEHIDUPAN SEHARIHARI 1. Gejala Pemanasan Global (Efek Rumah Kaca ) Efek rumah kaca telah meningkatkan suhu bumi rata-rata 10 C sampai 50 C . salah satu contoh nya dalah ketika kita memarkirkan mobil pada siang hari. Sering kali suhu di dalam mobil lebih panas dibandingkan suhu di luar. Hal ini dikarenakan sebagian energy panas matahari telah diserap oleh kursi, karpet dan dashboard mobil. Ketika benda- benda tersebut melepaskan energy panas matahari tidak semuanya keluar melalui jendela tetapi sebagian dipantulkan kembali. Hal ini disebabkan perbedaan panjang gelombang sinar matahari yang memasuki mobil dan energi panas yang dilepaskan kembali oleh kursi. Sehingga jumlah energi yang masuk lebih banyak dibandingkan energi yang dapat keluar. Sehingga terjadi kenaikan bertahap pada suhu di dalam mobil. jika tidak ada atmosfer , energy sinar matahri yang sampai ke bumi akan memanaskan bumi hingga mencapai suhu 8000C di daerah khatulistiwa. 2. Penggunaan Pakaian Pada malam hari , ketika kita menggunakan pakaian berwarna hitam akan terasa lebih hangat. Hal ini dikarenakan permukaan yang gelap merupakan penyerap dan pemancar kalor yang baik. Sedangkan warna terang merupakan penyerap dan pemancar kalor yang kurang baik. Sehingga pakain berwarna putih cocok digunakan di siang hari yang panas karena tubuh kita tidak akan terlalu merasakan panasnya terik matahari. 3. Mengukur Suhu Matahari Dengan meniliti spectrum sebuah bintang , kita akan dapat mengetahui suhu bintang. Tidak perlu mendekat ke matahari atau bintang kita dapat berpedoman pada spectrum radiasi benda hitam . Secara alamiah pada suhu tinggi didalam bintang – bintang akan terjadi radiasi fusi. Dimana inti – inti yang ringan akan bergabung menjadi inti yang lebih berat. Energi yang dihasilkan oleh matahari atau bintang terdiri atas berbagai bentuk radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat diketahui melalu frekuensi atau panjang gelombangnya. Semua gelombang elektromagnetik yang dipancarkan akan merambat dalam ruang angkasa dengan kecepatan yang sama yakni dengan kecepatan spektrum cahaya. Maka dari itu , seorang astronom dapat mengetahui suhu matahari melalui penelitian spectrum sebuah bintang. 4. Termos Termos merupakan salah satu aplikasi yang menggunakan konsep radiasi benda hitam. Prinsip kerja dari termos adalah sebagai berikut : ο· Lapisan perak mengkilap : berfungsi mencegah perpindahan kalor secara radiasi. Lapisan ini memantulkan radiasi kembali ke dalam termos ο· Dinding gelas : berfungsi sebagai konduktor , yang mana tidak dapat memindahkan kalor ο· Ruang vakum antar dinding : mencegah perpindahan kalor baik secara konveksi maupun konduksi ο· Sumbat : sumbat ini dibuat dari bahan isolator . hal ini berfungsi agar konveksi antar udara luar terjadi 5. Panel Surya Panel surya ini merupakan alat yang digunakan untuk menyerap radiasi dari matahari. Panel surya terdiri dari wadah logam yang berongga yang dicat hitam dengan panel yang terbuat dari kaca. Kalor radiasi dari matahari diserap oleh permukaan hitam dan dihantarkan secara konduksi melalui logam. Bagian dalam panel dijaga tetap hangat oleh efek rumah kaca, kemudian sirkulasi air melalui wadah logam akan membawa kalor menjauh untuk dimanfaatkan pada sistem pemanas air domestik dan memanasi kolam renang. BAB III PENUTUP 3.1 KESIMPULAN Benda hitam didefinisikan sebagai benda yang akan menyerap seluruh radiasi yang jatuh ke dirinya (tidak ada yang dipantulkan). Radiasi benda hitam berasal dari ketika benda berongga dipanaskan dan kemudian menyerap dan memantulkan radiasi. Radiasi ini berlangsung terus – menerus hingga mencapai keseimbangan termal, radiasi ini disebut radiasi benda hitam. Ada beberapa Hukum dan Teori yang menjelaskan tentang radiasi benda hitam, seperti sebagai berikut : 1. Hukum Stefan – Boltzmann, yang menyatakan bahwa walaupun suhu benda sama, benda akan tetap memancarkan gelombang elektromagnetik dengan berbagai macam gelombang. Total radiasi meningkat secara tajam dari pada peningkatan suhu benda. Secara matematis besar radiasi yang memancar dari sebuah benda sebanding dengan pangkat empat dari suhunya. 2. Hukum Pergeseran Wien, yang menyatakan bahwa jika benda padat dipanaskan sampai suhu yang sangat tinggi, benda akan tampak memijar dan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan berada pada spektrum cahaya tampak. Jika benda terus dipanaskan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkan berubah-ubah. 3. Teori Planck yang mempunyai dua kesimpulan yaitu yang pertama, Sebuah osilator tidak dapat mempunyai energi, tetapi hanya energienergi yang diberikan. Sedangkan yang kedua, Osilator – osilator tidak meradiasikan energi secara kontinu, tetapi hanya dalam “loncatanloncatan” atau kuanta (quanta). 4. Hukum Rayleigh – James, yaitu ini muatan – muatan di sekitar dinding benda berongga dihubungkan oleh semacam pegas. Ketika suhu benda dinaikkan, pada muatan timbul energi kinetik sehingga muatan bergetar, dan getaran tersebut menimbulkan percepatan yang selanjutnya menimbulkan radiasi. B. SARAN Setelah membaca makalah ini, diharapkan telah memahami apa yang dimaksud radiasi benda hitam , hukum dan teori yang mejelaskan tentang radiasi benda hitam serta aplikasi radisasi beda hitamdalamkehiduan sehaihai. Semoga makalah ini bisa dijadikan referensi sebagai materi belajar maupun mengerjakan tugas. DAFTAR PUSTAKA M. Ali Yaz. 2007. Fisika 3. Yogyakarta : Yudhistira Oxtoby, Gillis, Nachtrieb. 2003. Prinsip – Prinsip Kimia Modern Edisi Keempat Jilid Dua. Jakarta : Airlangga Surya, Yohannes. 2009. Fisika Modern. Tangerang : Kandel Chang, Raymond. 2009. Kimia Dasar Edisi Ketiga Jilid Satu. Jakarta : Airlangga
