RADIASI BENDA HITAM
Radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang-gelombang elektromagnetik. Sedangkan yang benda hitam itu hanyalah model yang melukiskan suatu benda yang permukaannya sedemikian rupa sehingga menyerap semua radiasi yg datang padanya.
Sebetulnya setiap benda secara kontinu memancarkan kalor dalam bentuk radiasi, namun efek radiasinya itu tidak selalu tampak oleh mata kita, karena mata hanya dapat melihat radiasi yang menghasilkan cahaya tampak.
Umumnya benda-benda di sekeliling kita itu dapat dilihat dikarenakan benda-benda tersebut memantulkan sinar yang sesaat diterima oleh benda itu, dan bukan karena meradiasikan kalor.
Benda-benda baru terlihat memancarkan cahaya jika suhu benda tersebut > 1000 K. Apabila suhu radiasi cukup tinggi, maka spektrum warna cahaya yang diradiasikan akan berubah. Bagaimana pergesran warna radiasi yang diakibatkan oleh pergesran suhu yang makin meningkat, dapat anda lihat seperti pada gambar.
Intensitas Radiasi
Mengenai intensitas radiasi ini, beberapa ahli fisika memiliki pendapat sebagai berikut :
1. Gustav Kirchoff
“Setiap benda yang berada dalam keseimbangan termal, maka radiasi yang dipancarkan sebanding dengan daya yang diserapnya.”
Rf = J (f,T)
Ini berarti bahwa daya yang dipancarkan per satuan luas per frekuensi oleh suatu benda hitam hanya bergantung pada suhu mutlak (T)dan frekuensi cahaya (f), tidak bergantung pada sifat fisis dan kimia yang menyusun benda hitam.
2. Josef Stefan (1835 – 1893)
Melalui eksperimennya ia mendapatkan bahwa “daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam (Itotal) sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya.”
 |
I = intensitas radiasi (Wm-2) e = emisivitas benda
P = daya radiasi (W) atau Js-1 σ = tetapan stevan-boltzman = 5,67 x 10-8 Wm-2K-4
A = luas permukaan benda (m2) T = suhu mutlak (K)
Hukum Pergeseran Wien
Pernahkah anda memperhatikan sebatang besi yang sedang dilas? Besi yang dipanaskan itu lama-lama menjadi pijar, besi memancarkan cahaya merah. Begitu suhu besi panas itu meningkat, maka pijar besi berubah ke warna kuning, biru, dan putih. Jika kita tinjau dari sifat fisis gelombang, maka panjang gelombang cahaya biru lebih pendek dari pada panjang gelombang cahaya merah.
Menurut persamaan Stevan-Boltzman, intensitas radiasi akan naik sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Pada hal begitu suhu benda meningkat, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh suatu benda begeser kea rah panjang gelombang yang lebih pendek. Keadaan seperti ini dapat dilukiskan secara grafik sebagai berikut
 | |||
 | |||
Dari hasil studinya ini akhirnya Wien merumuskan hukum yang dikenal dengan Hukum Pergeseran Wien, yang bunyinya “Panjang gelombang yang membuat intensitas radiasi maksimum untuk suatu benda hitam (λmax) bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek begitu suhu benda hitam menjadi lebih panas.”
Teori Klasik Radiasi Benda Hitam
Apakah teori pergeseran Wien itu sudah pasti benar, rasanya masih perlu diuji lagi tentang kebenarannya. Ternyata teori Wien hanya berlaku kalau panjang gelombang cahaya radiasi berkisar antara 1 µm s/d 4 µm, lebih dari itu untuk panjang gelombang yang lebih panjang terjadi penyimpngan.
Rayleigh dan Jeans juga menyelidiki tentang radiasi benda hitam ini, dan mereka mendapatkan bahwa teorinya cocok untuk panjang gelombang radiasi yg panjang gelombangnya terletak di antara 12 µm s/d 18 µm, tetapi ketika suhu benda makin tinggi, di mana panjang gelombang cahaya yang diradiasikan makin pendek terjadi penyimpangan, bahkan ketika panjang gelombang radiasi makin pendek lagi, kerapatan energy yang dipancarkannya mrnjadi tak terhingga. Peristiwa ini dinamakan bencana ultra violet.
Teori Klasik gagal menerangkan spectrum radiasi benda hitam
Setelah mempelajari hasil pengamatan Wien dan Rayleigh-Jeans, Planck mengemukakan teorinya. Ia mendapat kesimpulan bahwa ketidakcocokan antara hasil pengamatan Wien dan Rayleigh-Jeans itu disebabkan karena mereka memandang cahaya sebagai gelombang. Planck mengemukakan teorinya yang menganggap bahwa cahaya selain bersifat sebagai gelombang juga bersifat sebagai partikel. Apabila dalam peristiwa radiasi benda hitam cahaya dipandang sebagai partikel, maka hasil pengamatan Wien dan Rayleigh – Jeans tidak akan mengalami perbedaan, sebab partikel memiliki tingkat-tingkat energy tertentu dalam meradiasikan kalor.
Jadi cahaya selain bersifat sebagai gelombang juga bersifat sebagai partikel. Selanjutnya teori ini dikenal sebagai dualisme gelombang-partikel. Maksudnya adalah dalam peristiwa-peristiwa tertentu sifat gelombang cahaya lebih menonjol (pembiasan, difraksi, interferensi, polarisasi), tapi di sisi lain sifat partikelnya lebih menonjol seperti dalam peristiwa radiasi benda hitam dan efek foto listrik.
Teori Max Planck
Untuk mengatasi perbedaan hasil yang diperoleh Wien dan Rayleihg-Jean, Max Planck melaporkan penemuannya tentang bentuk gafis radiasi benda hitam yang berlaku untuk semua panjang gelombang sebagai berikut :
1. 
Getaran molekul-molekul yang memancarkan radiasi hanya dapat memiliki satuan-satuan diskret dari energi En.
Getaran molekul-molekul yang memancarkan radiasi hanya dapat memiliki satuan-satuan diskret dari energi En.En = n h f
n = 1, 2, 3, 4, . . . = bilangan kuantum
h = 6,63 x 10-34 Js = tetapan Planck
f = frekuensi getaran molekul
2. Molekul-molekul menyerap atau memancarkan energi radiasi cahaya dalam paket-paket diskret yang disebut kuantum atau foton, di mana energi sebuah foton E= h f.
Efek Foto Listrik
Efek foto listrik adalah gejala terlepasnya electron-elektron dari permukaan logam ketika logam disinari oleh cahaya tertentu.
Berikut ini adalah skema rangkaian efek foto listrik | |||||||
 | |||||||
 | |||||||
 | |||||||
Efek foto listrik hanya terjadi jika logam K disinari cahaya dengan frekuensi tertentu. Frekuensi cahaya minimal yang mampu melepaskan electron dari ikatan logamnya disebut frekuensi ambang (fo). Cahaya ini memiliki energy ambang Eo = h fo
Namun apabila frekuensi cahaya yang diberikan f > fo, maka electron akan melompat dengan energy kinetic Ek, dimana Ek = E – Eo
Ek = h f – h fo
Tampak bahwa persamaan dalam Ek mirip dengan persamaan garis lurus, sehingga hubungan antara Ek terhadap f, dari suatu efek foto listrik dapat dilukiskan grafiknya sebagai berikut :
Selanjutnta apabila potensial baterai diperkecil secara terus – menerus hingga – Vo, maka galvano meter G menunjuk ke skala nol. Hal ini berarti bahwa tidak ada electron yang sampai ke keeping A, dan potensial yang menghentikan aliran electron ini disebut potensial henti atau stopping potensial(Vo), ini berarti bahwa energy kinetic Ek mencapai maksimum, sehingga Ek maks = e Vo
½ m v2 = e Vo , dengan e = 1,6 x 10-19 C, Vo = potensial henti (volt), m = massa elektron = 9,1 x 10-31 kg, v = kelajuan electron (ms-1).
Momentum Foton (p)
Ada kesetaraan antara massa dan energy yang oleh Einstein dirumuskan E = m c2. Dalam efek foto listrik E = h f, sehingga
E = E c = λ. f
m c2 = h f
m c = h f/c p = h / λ dengan p = momentum foton (kg m/s)
λ = panjang gelombang foton (m)
h = tetapan planck = 6,6 x 10-34 Js
Sekali lagi persamaan p = h/λ menunjukkan bahwa cahaya bersifat sebagai partikel dan gelombang (dualism delombang partikel).
Efek Compton
 |
Berkas foton cahaya dating dengan energi E = h f menumbuk sebuah electron yang sedang diam. Setelah tumbukan, electron terpental dengan energy kinetik Ek, sedangkan foton cahaya terhambur kearah susut θ dari arah gerak semula foton dating, dengan panjang gelombang yang lebih panjang menurut persamaan
m= massa electron = 9,1 x 10-31 kg
c = kecepatan cahaya dalam vakum/udara = 3 x 108 ms-1
λ = panjang gelombang foton sebelum menumbuk electron
λ’= panjang gelombang foton setelah tumbukan (terhambur)
θ = sudut hamburan foton terhadap arah gerak foton mula-mula
Teori de Broglie
Partikel (misalnya electron) yang bergerak dengan kecepatan tinggi ada kemungkinan memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang yang sesuai, yakni
Jika v kecepatan elektron yang diperoleh dari 
, maka 
, maka △V = beda potensial listrik (volt)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar