MAKALAH
FISIKA TENTANG RADIASI BENDA HITAM
SMAN 1 PAKU
Tahun ajaran
2016/2017
Kelompok 1:
ü
Ramacristian candra pranata
ü
Altari cahayani
ü
Rirys arisca
ü
Yudi cahyadi
ü
Melya andreani
Kelas
: (XII IPA2)
Mapel
:FISIKA KLS XII IPA(SEMESTER05)
Materi
: RADIASI BENDA HITAM
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan kesehatan dan kemudahan kepada kami untuk dapat mengerjakan tugas mata pelajaran FISIKA yang berjudul MAKALAH TENTANG RADIASI BENDA HITAM .Melalui tugas ini diharapkan dapat memahami dan mengerti tentang radiasi benda hitam dan pengetahuan benda hitam dalam kehidupan sehari-hari demi tercipanya kesejahteraan.Makalah yang kami buat ini tentunya masih banyak kekurangan, oleh sebab itu kami mengharapkan saran dan masukan untuk makalah ini.
Tampa,21 january 2017
DAFTAR ISI
kata pengantar……………………………………………………
daftar isi………………………………………………………….
? Latar belakang
? Dasar teori
? Tujuan
Pendahuluan…………………………………………………….
Pembahasan…………………………………………………….
kesimpulan …………………………………………………….
saran……………………………………………………………
daftar pustaka…………………………………………………..
A.Pendahuluan
I. Latar Belakang
Dalam fisika, benda hitam (black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau di pantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energy yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.
Meskipun namanya benda hitam, dia 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.
Istilah "Benda Hitam" pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam.
Jika kita memperhatikan besi saat disambung (dilas).
Bagian besi yang akan disambung harus dipanaskan terlebih dahulu. Saat dipanaskan, besi tampak kemerahan. Kemudian jika terus dipanaskan akan tampak warna cahaya yang dipancarkan oleh besi menjadi kebiruan. Mengapa demikian? besi yang dipanaskan memancarkan energi atau gelombang elektromagnetik yang dapat berupa cahaya tampak. Pancaran energi suatu benda karena pengaruh suhunya disebut radiasi termal. Radiasi termal selalu ada pada setiap benda, akan tetapi tidak semua radiasi termal tersebut dapat dilihat oleh mata.
Benda ada yang mudah menyerap radiasi, ada pula yang mudah memancarkan radiasi dan sebaliknya. Benda yang dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya dan memancarkan seluruh radiasi yang dikeluarkannya disebut sebagai benda hitam. Benda hitam dimodelkan sebagai suatu rongga dengan celah bukaan yang sangat kecil. Jika ada radiasi yang masuk ke dalam rongga melalui lubang, radiasi tersebut akan dipantulkan berulang-ulang oleh dinding dalam rongga sehingga terserap habis energinya.
Tidak ada radiasi yang terpantul memancarkan keluar lubang karena lubang sangat kecil-kecil. Jadi, rongga berlubang kecil ini berkelakuan sebagai benda hitam karena dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya. Demikian pula jika rongga ini memancarkan radiasi, tak ada radiasi yang kembali ke rongga. Dengan demikian, rongga juga akan memancarkan seluruh energi yang dikeluarkannya.
II. Dasar Teori
Teori kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Dalam Fisika, benda hitam ( blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energi dari benda tersebut dapat diukur.
Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak. Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat dipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah, jingga, kuning hingga putih.
Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya.
Dalam percobaan Fisika sederhana, benda atau objek yang paling mirip radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Dengan mengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk, maka selama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang, cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga berulang kali serta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan kembali sebagai radiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga.
Lubang pada rongga inilah yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam. Temperatur dari benda itu akan terus naik apabila laju penyerapan energinya lebih besar dari laju pancarannya, sehingga pada akhirnya benda hitam itu mencapai temperatur kesetimbangan. Keadaan ini dinamakam dengan setimbang termal (setimbang termodinamik).
Dari data eksperimen terhadap radiasi benda hitam, diperoleh bahwa spektrum radiasi benda hitam berupa spektrum kontinu dengan tingkat kebersinaran (intensitas radiasi) dari masing-masing spektral tidak sama kuat. Pada suhu tertentu, intensitas cahaya yang diradiasikan akan terus bertambah hingga mencapai maksimum pada panjang gelombang tertentu.
III. Tujuan
Mengetahui apa itu radiasi benda hitam?
Mengetahui mekanisme terjadinya radiasi oleh benda hitam?
Mengetahui faktor penyebab radiasi benda hitam?
Mengetahui dampak radiasi benda hitam?
Mengetahui aplikasi radiasi benda hitam untuk kehidupan?
B. Pembahasan
RADIASI BENDA HITAM
Mekanika klasik (Newton, Lagrange, Hamilton) sukses menjelaskan gerak dinamis benda-benda makroskopis. Cahaya sebagai gelombang (Fresnel, Maxwell, Hertz) sangat berhasil menjelaskan sifat-sifat cahaya.
Pada akhir abad 19, teori-teori klasik di atas tidak mampu memberikan penjelasan yang memuaskan bagi sejumlah fenomena “berskala-kecil” seperti sifat radiasi dan interaksi radiasi-materi. Akibatnya, dasar-dasar fisika yang ada secara radikal diteliti-ulang lagi, dan dalam perempat pertama abad 20 muncul berbagai pengembangan teori seperti relativitas dan mekanika kuantum.
Teori kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Dalam Fisika, benda hitam (atau blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energi dari benda tersebut dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak. Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat dipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah, jingga, kuning hingga putih.
Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya.
A. Radiasi Benda Hitam
Dalam fisika, benda hitam (bahasa inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluru radiasi elektromagnetik yang jatuh padanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang glombang energi yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.
Sinar yang masuk pada dinding berongga dengan lubang kecil sinar akan dipantulkan intensitasnya selalu berkurang ( karena sebagian senar diserap dinding ) sampai suatu saat energinya kecil sekali ( hampir nol ). Jadi dapat dikatakan bahwa sinar yang mengenai lubang ini dinamakan benda hitam. Semakain kecil lubang semakin mirip dengan benda hitam sempurna ( karena semakin sedikit keluarnya sinar tersebut ).
Pada saat benda hitam dipanaskan atau benda beronga dipanaskan minsalnya T maka dinding disekeliling rongga akan memancarkan radiasi dan memantulakn sebagian radiasi yang datang (dan menyerap sisanya). Peristiwa penyerapan dan pemancaran olleh taip-tiap begian dinding berongga akan berlansung terus-menerus sehingga terjadi kesetimbangan termal. Pada keadaan seimbang termal suhu bagian dinding yang sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkan sama dengan energi yang diserapnya, dalam keadaan ini dalam rongga dipenuhi oleh gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap titik pada dinding rongga. Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform. Jika dinding rongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan keluar dari lubang, radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi benda hitam.
kotak dicat putih tetapi ketika kotak ditutup, lubang kotak tampak hitam pada siang hari. Mengapa demikian? Ketika radiasi dari cahaya matahari memasuki lubang kotak, radiasi dipantulkan berulang–ulang (beberapa kali) oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hamoir dapat dikatakan tidak ada lagi radiasi yang tersisa (ssemua radiasi telah diserap di dalam kotak)dengan kata lain , lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi yang datang padanya. Akibatnya benda tampak hitam.
Benda-hitam: penyerap semua radiasi elektromagnet yang mengenainya, atau pengemisi semua radiasi elektromagnet yang dimiliknya. Berdasarkan termodinamika, distribusi panjang gelombang spektrumnya hanya bergantung pada temperatur tidak pada jenis bahan benda-hitam.
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Sebagian besar energi radiasi yang masuk melalui lubang ini akan diserap oleh dinding-dinding bagian dalam. Dari sebagian yang terpantul hanya sebagian kecil yang dapat keluar lewat lubang tersebut. Jadi dapat dianggap bahwa lubang ini berfungsi sebagai penyerap yang sempurna. Benda hitam ini akan memancarkan radiasi lebih banyak jika bendanya memiliki suhu tinggi. Spektrum benda hitam panas mempunyai puncak frekuensi lebih tinggi dari pada puncak spektrum benda hitam yang lebih dingin.Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi benda hitam. Ketika benda berongga dipanaskan, elektron - elektron atau molekul - molekul pada dinding rongga akan mendapatkan tambahan energi sehingga bergerak dipercepat. Menurut teori elektromagnetik muatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi. Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam.
a. Model Rongga yang berlubang dipanaskan
b. Bentuk Spektrum yang dihasilkan
Lubang kecil pada dinding rongga dianggap sebagai benda hitam
• Suatu lubang kecil pada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagai benda hitam. Pada waktu suatu benda berongga dipanaskan, misalnya pada suhu T maka dinding sekeliling rongga akan memancarkan radiasi dan memantulkan sebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya). Peristiwa penyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dinding berongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadi kesetimbangan termal. Pada keadaan setimbang suhu tiap bagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya.
Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elektromagnet
• Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga. Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform. Jika dinding rongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titik keluar dari lubang. Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi benda hitam. Ketika benda berongga dipanaskan, elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akan mendapatkan tambahan energi sehingga electron bergerak dipercepat. Menurut teori elektromagnetik muatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi. Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
B. Hukum – Hukum Pada Benda Hitam
1. Hukum Stefan-Boltzman
Pada tahun 1859, Gustav Kirchoff membuktikan suatu teorema yang sama pentingnya dengan teorema rangkaian listrik tertutupnya ketika ia menunjukkan argumenj berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap benda dalam keadaan kesetimbangan termal dengan radiasi daya yang dipancarkan adalah sebanding dengan daya yang diserapnya. Untuk benda hitam, teorema kirchoff dinyatakan oleh (8-1)
( Rf = J ( f ,T )
Dengan J (f,T) adalah suatu fungsi universal (sama untuk semua benda) yang bergantung hanya pada f , frekuensi cahaya, dan T, suhu mutlak benda. Persaman (8-1) menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan persatuan luas persatuan frekuensi oleh suatu benda hitam bergantung 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 1879. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total persatuan 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 hukum Stefan ditulis sebagai berikut :
Ket :
Itot = intensitas (daya persatuan luas) radiasi pada permukaan benda hitam pada esmua frekuensi.
Rf = intensitas radiasi persatuan frekuensi yang dipancarkan oleh benda hitam.
T = suhu mutalak benda.
s = tetapan Stefan-Boltzmann, yaitu _ = 5,67 × 10-8 W m-2 K-4.
untuk benda panas yang bukan benda hitam akan memenuhi hukum yang sama hanya diberi tambahan koefisien emisivitas, e, yang lebih kecil dari 1:
Ket :
P : Daya radiasi/energi kalor tiap sekon (W/m2)
Q : kalor/panas yang diradiasikan (kalori)1 Kal = 4,2 Joule
e : emisitas, nilai e® 0 =e= 1
s : 5,67 x 10-8 Wm-2K-4
A : luas permukaan benda (m2)
T4 : Suhu Mutlak (K-4)
W : Energi radiasi kalor (joule)
T :waktu selama benda meradiasai (sekon)
Lima tahun kemudian konfirmasi mengesankan dari teori gelombang elektromagnetik cahaya diperoleh ketika Boltzmann menurunkan hukum Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Karena itu persamaan (8-3) dikenal juga sebagai hukum Stefan-Boltzmann.
2. Hukum Wien
Hukum Pergeseran Wien jika benda padat dipanaskan samapai suhu yang sangat tinggi, benda akan tampak memijar dan gelombang elektromegnitik yang dipancarkan berada pada spektrum cahaya tampak. Jika benda terus dipanaskan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yan dipancarkna berubah-ubah. Gejalah pergeseran nilai panjang gelombang meksimum dengan berkurangnya suhu disebut pergeseran Wien. Bila suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkan berubah. Ini menyebabkan dalam warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda yang digambarkan pada grafik berikut.
intensitas benda kita menyebutnya Pergeseran Wien terhadap panjang gelombang benda.
• Hukum Wien menyatakan bahwa makin tinggi temperatur suatu benda hitam, makin pendek panjang gelombangnya.
• Hal ini dapat digunakan untuk menerangkan gejala bahwa bintang yang temperaturnya tinggi akan tampak berwarna biru, sedangkan yang temperaturnya rendah tampak berwarna merah.
• Energi pancaran tiap panjang gelombang semakin besar, jika suhu semakin tinggi, sedangkan energi maximalnya bergeser kearah gelombang yang panjang gelombangnya kecil, atau ke frekwensi besar.
Wien mempelajari hubungan antara suhu dan panjang gelombang pada intensitas maksimum. Perhatikan gambar (2) di samping! Puncak-puncak kurva pada grafik (2) menunjukkan intensitas radiasi pada tiap-tiap suhu. Dari gambar (2) tampak bahwa puncak kurva bergeser ke arah panjang gelombang yang pendek jika suhu semakin tinggi. Panjang gelombang pada intensitas maksimum ini disebut sebagai panjang gelombang maks.
kurva kenaikan tempratur benda hitam
Dari kurva di atas, terbaca bahwa dengan naiknya temperatur benda hitam, puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah panjang gelombang yang semakin kecil (gambar 3a) atau puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah frekuensi yang semakin besar (gambar 3b). Melalui persamaan yang dikembangkan Wien maupun menjelaskan ditribusi intensitas untuk panjang gelombang pendek, namun gagal untuk menjelaskan penjang gelombang panjang. Hal itu menunjukan bahwa radiasi elektromaknetik tidak dapat dianggap sederhana seperti proses termodinamika.
Teori ini selanjutnya dikembangkan oleh Reyleigh dan Jeans yang berlaku untuk panjang gelombang yang lebih panjang. Menurut teori medan listrik-magnet, gelombang.
3. Teori Rayleigh-Jeans
Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatu model sederhana untuk menerangkan bentuk spektrum radiasi benda hitam. Mereka menganggap bahwa molekul atau muatan di permukaan dinding benda berongga dihubungkan oleh semacam pegas. Ketika suhu benda dinaikkan, muatan-muatan tersebut mendapatkan energi kinetiknya untuk bergetar. Dengan bergetar berarti kecepatan muatan berubah-ubah (positif - nol - negatif - nol - positif, dan seterusnya.
Melalui model di atas, Rayleigh dan Jeans menurunkan rumus distribusi intensitas, yang jika 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.Rayleigh-Jeans mengasumsikan dinding rongga berupa konduktor, yang jika dipanaskan elektron-elektron pada dinding rongga akan tereksitasi secara thermal sehingga berosilasi. Berdasarkan teori Maxwell, osilasi elektron ini menghasilkan radiasi elektromagnet. Radiasi ini akan terkurung di dalam rongga dalam bentuk gelombang-gelombang tegak., maka di dinding rongga terjadi simpul-simpul gelombang, karena dinding rongga berupa konduktor.
1. Bintang sebagai Benda Hitam
Bintang dapat dianggap sebagai benda hitam, oleh karena itu semua hukum-hukum yang berlaku pada benda hitam, berlaku juga untuk bintang.
Sifat benda hitam antara lain :
1) pada kesetimbangan termal, temperatur benda hanya ditentukan oleh jumlah energi yang diserapnya per detik;
2) benda hitam tidak memancarkan radiasi pada seluruh gelombang elektromagnetik dengan intensitas yang sama (ada yang dominan meradiasikan gelombang elektromagnetik pada daerah biru dengan intensitas yang lebih besar dibandingkan gelombang elektromagnetik pada panjang gelombang lainnya. Konsekuensinya, benda tersebut akan nampak biru).
Panjang gelombang yang dipancarkan dengan intensitas maksimum (?maks) oleh sebuah benda hitam dengan temperatur T Kelvin adalah :
?maks = 0,2898/ T
(?maks dinyatakan dalam cm dan T dalam Kelvin)
Persamaan di atas disebut dengan Hukum Wien.
• Hukum ini menyatakan bahwa makin tinggi temperatur, maka makin pendek panjang gelombangnya
• Hukum ini dapat digunakan untuk menerangkan gejalan bahwa bintang yang temperaturnya tinggi akan tampak berwarna biru sedangkan yang temperaturnya rendah akan tampak berwarna merah.
a. Fluks pancaran
1. Fluks Pancaran
Kuantitas yang pertama kali langsung dapat ditentukan dari pengamatan sebuah bintang adalah fluks pancarannya, yaitu jumlah cahaya atau energi yang diterima permukaan kolektor (mata atau teleskop) per satuan luas per satuan waktu. Biasanya dinyatakan dalam satuan watt per cm2 (satuan internasional) atau erg per detik per cm2 (satuan cgs).
Besarnya fluks energi yang dipancarkan sebuah benda hitam (F) dengan temperatur T Kelvin adalah :
F = sT4
(s : konstanta Stefan-Boltzman : 5,67 x 10^-8 Watt/m2K4)
Sedangkan total energi per waktu / daya yang dipancarkan sebuah benda hitam
dengan luas permukaan pemancar A dan temperatur T Kelvin disebut dengan Luminositas. Besarnya luminositas (L) dihitung dengan persamaan :
L = A sT4
Untuk bintang, bintang dianggap berbentuk bola sempurna sehingga luas
pemancar radiasinya (A) adalah 4pR2 ; dengan R menyatakan radius bintang.
Jadi, luminositas bintang (L) adalah :
L = 4pR2 sT4
Benda hitam memancarkan radiasinya ke segala arah. Kita bisa menganggap
pancaran radiasi tersebut menembus permukaan berbentuk bola dengan radius
d dengan fluks energi yang sama, yaitu E. Besarnya E :
E = L/(4pd2)
Fluks energi inilah yang diterima oleh pengamat dari bintang yang berada pada
jarak d dari pengamat. Oleh karena itu, fluks energi ini sering disebut fluks
energi yang diterima pengamat. (Perhatian : bedakan antara besaran E dan F).
2. Intensitas Radiasi Benda Hitam
Radiasi benda hitam adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur. 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 total = s . T4 ....................................................... (1)
dengan I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T adalah suhu mutlak benda, dan s adalah tetapan Stefan
Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10-8 Wm-2K-4.
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.s.T4 ............................................................ (2)
Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan (2) dapat ditulis sebagai:
P/A = = e. s. T4 ...................................................... (3)
dengan:
P = daya radiasi (W)
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 (2) 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”.
4. Teori Planck Radiasi Benda Hitam
Pada tahun 1900, fisikawan Jerman, Max Planck, mengumumkan bahwa dengan membuat suatu modifikasi khusus dalam perhitungan klasik dia dapat menjabarkan fungsi P (?,T) yang sesuai dengan data percobaan pada seluruh panjang gelombang. Hukum radiasi Planck menunjukkan distribusi (penyebaran) energi yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Hukum ini memperkenalkan gagasan baru dalam ilmu fisika, yaitu bahwa energi merupakan suatu besaran yang dipancarkan oleh sebuah benda dalam bentuk paketpaket kecil terputus-putus, bukan dalam bentuk pancaran molar. Paket-paket kecil ini disebut kuanta dan hukum ini kemudian menjadi dasar teori kuantum.
Rumus Planck menyatakan energi per satuan waktu pada frekuensi v per satuan selang frekuensi per satuan sudut tiga dimensi yang dipancarkan pada sebuah kerucut tak terhingga kecilnya dari sebuah elemen permukaan benda hitam, dengan satuan luas dalam proyeksi tegak lurus terhadap sumbu kerucut.
Pernyataan untuk intensitas jenis monokromatik Iv adalah:
Iv = 2hc-2v3/(exp (hv/kT) –1) ....................................... (2)
dengan h merupakan tetapan Planck, c adalah laju cahaya, k adalah tetapan Boltzmann, dan T adalah temperatur termodinamik benda hitam.
Intensitas juga dapat dinyatakan dalam bentuk energi yang dipancarkan pada panjang gelombang ? per satuan selang panjang gelombang. Pernyataan ini dapat dituliskan dalam bentuk:
Rumus Planck dibatasi oleh dua hal penting berikut ini.
5. Hukum Rayleigh
JeansTeori ini dikemukakan oleh Lord Rayleigh dan Sir James Jeans,menurut teori ini muat- muatan di sekitar dinding benda beronggadihubungkan oleh semacam pegas. Ketika suhu benda dinaikkan, padamuatan timbul energi kinetik sehingga muatan bergetar. Akibat getarantersebut, kecepatan muatan berubah-ubah, atau dengan kata lainsetiap saat muatan selalu mendapatkan percepatan. Muatan yangdipercepat inilah yang yang menimbulkan radiasi.Melalui penelitian yang dibuatnya, Rayleigh dan Jeans berhasilmenurunkan rumus distribusi intensitas, yang digambarkan grafiknyamaka model yang diusulkan oleh Rayleigh dan Jeans berhasilmenerangkan spektrum radiasi benda hitam pada panjang gelombangyang besar, namun gagal untuk panjang gelombang yang kecil.
C. 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:
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.
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.
Teori Planck yang mempunyai dua kesimpulan yaitu yang pertama,Sebuah osilator tidak dapat mempunyai energi, tetapi hanya energi-energi yang diberikan. Sedangkan yang kedua, Osilator- osilator tidak meradiasikan energi secara kontinu, tetapi hanya dalam “loncatan-loncatan” atau kuanta (quanta).
Hukum Rayleigh James, yaitu ini muatan muatan disekitar 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.
Rayleigh dan Jeans meramalkan bahwa benda hitam ideal pada kesetimbangan termal akan memancarkan radiasi dengan daya tak terhingga. Akan tetapi, ramalan Rayleigh dan Jeans tidak terbukti secara eksperimental. Ramalan ini dikenal sebagai bencana ultra ungu. Ilmuwan lain yang mempelajari spektrum radiasi benda hitam adalah Wilhelm Wien.
D.Saran
Ketika kita ingin belajar dan berusaha untuk memecahkan suatu persoalan secara bersama maka persoalan itu terasa mudah dan ringan jika di kerjakan bersama-sama.
Masukan dari teman-teman kelompok lain serta guru pembimbing:
DAFTAR PUSTAKA
A. J. Pointon. 1967. An Introduction to Statistical Physics for Students. First Print.Budiyanto, Joko. 2009.google.com
Fisika Untuk SMA/MA Kelas XII. Jakarta: Pusat PerbukuanDepartemen Pendidikan Nasional.Kanginan, Marthen.2007.
Fisika Untuk Sma Kelas XII . Jakarta : Erlangga
M. Ali Yaz. 2007. Fisika 3. Yogyakarta : Yudhistira.ww google.com
Oxtoby, Gillis, Nachtrieb. 2003. Prinsip – Prinsip Kimia Modern Edisi Keempat Jilid Dua.Jakarta : Airlangga
Surya, Yohannes. 2009. Fisika Modern. Tangerang : Kandel.www.google.com
Chang, Raymond. 2009. Kimia Dasar Edisi Ketiga Jilid Satu. Jakarta : Airlangg
Google.com/makalah fisika tentang radiasi benda hitam/
Puji syukur kami ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan kesehatan dan kemudahan kepada kami untuk dapat mengerjakan tugas mata pelajaran FISIKA yang berjudul MAKALAH TENTANG RADIASI BENDA HITAM .Melalui tugas ini diharapkan dapat memahami dan mengerti tentang radiasi benda hitam dan pengetahuan benda hitam dalam kehidupan sehari-hari demi tercipanya kesejahteraan.Makalah yang kami buat ini tentunya masih banyak kekurangan, oleh sebab itu kami mengharapkan saran dan masukan untuk makalah ini.
Tampa,21 january 2017
DAFTAR ISI
kata pengantar……………………………………………………
daftar isi………………………………………………………….
? Latar belakang
? Dasar teori
? Tujuan
Pendahuluan…………………………………………………….
Pembahasan…………………………………………………….
kesimpulan …………………………………………………….
saran……………………………………………………………
daftar pustaka…………………………………………………..
A.Pendahuluan
I. Latar Belakang
Dalam fisika, benda hitam (black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau di pantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energy yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.
Meskipun namanya benda hitam, dia 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.
Istilah "Benda Hitam" pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam.
Jika kita memperhatikan besi saat disambung (dilas).
Bagian besi yang akan disambung harus dipanaskan terlebih dahulu. Saat dipanaskan, besi tampak kemerahan. Kemudian jika terus dipanaskan akan tampak warna cahaya yang dipancarkan oleh besi menjadi kebiruan. Mengapa demikian? besi yang dipanaskan memancarkan energi atau gelombang elektromagnetik yang dapat berupa cahaya tampak. Pancaran energi suatu benda karena pengaruh suhunya disebut radiasi termal. Radiasi termal selalu ada pada setiap benda, akan tetapi tidak semua radiasi termal tersebut dapat dilihat oleh mata.
Benda ada yang mudah menyerap radiasi, ada pula yang mudah memancarkan radiasi dan sebaliknya. Benda yang dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya dan memancarkan seluruh radiasi yang dikeluarkannya disebut sebagai benda hitam. Benda hitam dimodelkan sebagai suatu rongga dengan celah bukaan yang sangat kecil. Jika ada radiasi yang masuk ke dalam rongga melalui lubang, radiasi tersebut akan dipantulkan berulang-ulang oleh dinding dalam rongga sehingga terserap habis energinya.
Tidak ada radiasi yang terpantul memancarkan keluar lubang karena lubang sangat kecil-kecil. Jadi, rongga berlubang kecil ini berkelakuan sebagai benda hitam karena dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya. Demikian pula jika rongga ini memancarkan radiasi, tak ada radiasi yang kembali ke rongga. Dengan demikian, rongga juga akan memancarkan seluruh energi yang dikeluarkannya.
II. Dasar Teori
Teori kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Dalam Fisika, benda hitam ( blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energi dari benda tersebut dapat diukur.
Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak. Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat dipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah, jingga, kuning hingga putih.
Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya.
Dalam percobaan Fisika sederhana, benda atau objek yang paling mirip radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Dengan mengabaikan bahan pembuat dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk, maka selama panjang gelombang datang lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang, cahaya yang masuk ke lubang itu akan dipantulkan oleh dinding rongga berulang kali serta semua energinya diserap, yang selanjutnya akan dipancarkan kembali sebagai radiasi gelombang elektromagnetik melalui lubang itu juga.
Lubang pada rongga inilah yang merupakan contoh dari sebuah benda hitam. Temperatur dari benda itu akan terus naik apabila laju penyerapan energinya lebih besar dari laju pancarannya, sehingga pada akhirnya benda hitam itu mencapai temperatur kesetimbangan. Keadaan ini dinamakam dengan setimbang termal (setimbang termodinamik).
Dari data eksperimen terhadap radiasi benda hitam, diperoleh bahwa spektrum radiasi benda hitam berupa spektrum kontinu dengan tingkat kebersinaran (intensitas radiasi) dari masing-masing spektral tidak sama kuat. Pada suhu tertentu, intensitas cahaya yang diradiasikan akan terus bertambah hingga mencapai maksimum pada panjang gelombang tertentu.
III. Tujuan
Mengetahui apa itu radiasi benda hitam?
Mengetahui mekanisme terjadinya radiasi oleh benda hitam?
Mengetahui faktor penyebab radiasi benda hitam?
Mengetahui dampak radiasi benda hitam?
Mengetahui aplikasi radiasi benda hitam untuk kehidupan?
B. Pembahasan
RADIASI BENDA HITAM
Mekanika klasik (Newton, Lagrange, Hamilton) sukses menjelaskan gerak dinamis benda-benda makroskopis. Cahaya sebagai gelombang (Fresnel, Maxwell, Hertz) sangat berhasil menjelaskan sifat-sifat cahaya.
Pada akhir abad 19, teori-teori klasik di atas tidak mampu memberikan penjelasan yang memuaskan bagi sejumlah fenomena “berskala-kecil” seperti sifat radiasi dan interaksi radiasi-materi. Akibatnya, dasar-dasar fisika yang ada secara radikal diteliti-ulang lagi, dan dalam perempat pertama abad 20 muncul berbagai pengembangan teori seperti relativitas dan mekanika kuantum.
Teori kuantum diawali oleh fenomena radiasi benda hitam. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Dalam Fisika, benda hitam (atau blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar supaya energi dari benda tersebut dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya. Benda hitam bersuhu di bawah 700 Kelvin dapat memancarkan hampir semua energi termal dalam bentuk gelombang inframerah, sehingga sangat sedikit panjang gelombang cahaya tampak. Jadi, semakin tinggi suhu benda hitam, semakin banyak energi yang dapat dipancarkan dengan pancaran radiasi dimulai dari panjang gelombang merah, jingga, kuning hingga putih.
Meskipun namanya benda hitam, objek tersebut tidak harus selalu berwarna hitam. Sebuah benda hitam dapat mempunyai cahayanya sendiri sehingga warnanya bisa lebih terang, walaupun benda itu menyerap semua cahaya yang datang padanya. Sedangkan temperatur dari benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya.
A. Radiasi Benda Hitam
Dalam fisika, benda hitam (bahasa inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluru radiasi elektromagnetik yang jatuh padanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang glombang energi yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.
Sinar yang masuk pada dinding berongga dengan lubang kecil sinar akan dipantulkan intensitasnya selalu berkurang ( karena sebagian senar diserap dinding ) sampai suatu saat energinya kecil sekali ( hampir nol ). Jadi dapat dikatakan bahwa sinar yang mengenai lubang ini dinamakan benda hitam. Semakain kecil lubang semakin mirip dengan benda hitam sempurna ( karena semakin sedikit keluarnya sinar tersebut ).
Pada saat benda hitam dipanaskan atau benda beronga dipanaskan minsalnya T maka dinding disekeliling rongga akan memancarkan radiasi dan memantulakn sebagian radiasi yang datang (dan menyerap sisanya). Peristiwa penyerapan dan pemancaran olleh taip-tiap begian dinding berongga akan berlansung terus-menerus sehingga terjadi kesetimbangan termal. Pada keadaan seimbang termal suhu bagian dinding yang sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkan sama dengan energi yang diserapnya, dalam keadaan ini dalam rongga dipenuhi oleh gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap titik pada dinding rongga. Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform. Jika dinding rongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan keluar dari lubang, radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi benda hitam.
kotak dicat putih tetapi ketika kotak ditutup, lubang kotak tampak hitam pada siang hari. Mengapa demikian? Ketika radiasi dari cahaya matahari memasuki lubang kotak, radiasi dipantulkan berulang–ulang (beberapa kali) oleh dinding kotak dan setelah pemantulan ini hamoir dapat dikatakan tidak ada lagi radiasi yang tersisa (ssemua radiasi telah diserap di dalam kotak)dengan kata lain , lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi yang datang padanya. Akibatnya benda tampak hitam.
Benda-hitam: penyerap semua radiasi elektromagnet yang mengenainya, atau pengemisi semua radiasi elektromagnet yang dimiliknya. Berdasarkan termodinamika, distribusi panjang gelombang spektrumnya hanya bergantung pada temperatur tidak pada jenis bahan benda-hitam.
BENDA HITAM DIMODELKAN LUBANG KECIL DIDINDING RUANG KOSONG YANG GELAP
Sebagian besar energi radiasi yang masuk melalui lubang ini akan diserap oleh dinding-dinding bagian dalam. Dari sebagian yang terpantul hanya sebagian kecil yang dapat keluar lewat lubang tersebut. Jadi dapat dianggap bahwa lubang ini berfungsi sebagai penyerap yang sempurna. Benda hitam ini akan memancarkan radiasi lebih banyak jika bendanya memiliki suhu tinggi. Spektrum benda hitam panas mempunyai puncak frekuensi lebih tinggi dari pada puncak spektrum benda hitam yang lebih dingin.Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi benda hitam. Ketika benda berongga dipanaskan, elektron - elektron atau molekul - molekul pada dinding rongga akan mendapatkan tambahan energi sehingga bergerak dipercepat. Menurut teori elektromagnetik muatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi. Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam.
a. Model Rongga yang berlubang dipanaskan
b. Bentuk Spektrum yang dihasilkan
Lubang kecil pada dinding rongga dianggap sebagai benda hitam
• Suatu lubang kecil pada sebuah dinding berongga dapat dianggap sebagai benda hitam. Pada waktu suatu benda berongga dipanaskan, misalnya pada suhu T maka dinding sekeliling rongga akan memancarkan radiasi dan memantulkan sebagian radiasi yang datang (menyerap sisanya). Peristiwa penyerapan dan pemancaran oleh tiap-tiap bagian dinding berongga akan berlangsung terus-menerus hingga terjadi kesetimbangan termal. Pada keadaan setimbang suhu tiap bagian dinding sudah sama besar sehingga radiasi yang dipancarkannya sama dengan energi yang diserapnya.
Radiasi yang terkumpul dalam rongga berupa gelombang elektromagnet
• Dalam keadaan ini rongga dipenuhi gelombang-gelombang yang dipancarkan oleh tiap-tiap titik pada dinding rongga. Radiasi dalam rongga ini bersifat uniform. Jika dinding rongga diberi sebuah lubang maka radiasi ini akan cari titik keluar dari lubang. Radiasi yang keluar ini dianggap sebagai radiasi benda hitam. Ketika benda berongga dipanaskan, elektron-elektron atau molekul-molekul pada dinding rongga akan mendapatkan tambahan energi sehingga electron bergerak dipercepat. Menurut teori elektromagnetik muatan yang akan dipercepat akan memancarkan radiasi. Radiasi inilah yang disebut sebagai sumber radiasi benda hitam
B. Hukum – Hukum Pada Benda Hitam
1. Hukum Stefan-Boltzman
Pada tahun 1859, Gustav Kirchoff membuktikan suatu teorema yang sama pentingnya dengan teorema rangkaian listrik tertutupnya ketika ia menunjukkan argumenj berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap benda dalam keadaan kesetimbangan termal dengan radiasi daya yang dipancarkan adalah sebanding dengan daya yang diserapnya. Untuk benda hitam, teorema kirchoff dinyatakan oleh (8-1)
( Rf = J ( f ,T )
Dengan J (f,T) adalah suatu fungsi universal (sama untuk semua benda) yang bergantung hanya pada f , frekuensi cahaya, dan T, suhu mutlak benda. Persaman (8-1) menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan persatuan luas persatuan frekuensi oleh suatu benda hitam bergantung 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 1879. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total persatuan 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 hukum Stefan ditulis sebagai berikut :
Ket :
Itot = intensitas (daya persatuan luas) radiasi pada permukaan benda hitam pada esmua frekuensi.
Rf = intensitas radiasi persatuan frekuensi yang dipancarkan oleh benda hitam.
T = suhu mutalak benda.
s = tetapan Stefan-Boltzmann, yaitu _ = 5,67 × 10-8 W m-2 K-4.
untuk benda panas yang bukan benda hitam akan memenuhi hukum yang sama hanya diberi tambahan koefisien emisivitas, e, yang lebih kecil dari 1:
Ket :
P : Daya radiasi/energi kalor tiap sekon (W/m2)
Q : kalor/panas yang diradiasikan (kalori)1 Kal = 4,2 Joule
e : emisitas, nilai e® 0 =e= 1
s : 5,67 x 10-8 Wm-2K-4
A : luas permukaan benda (m2)
T4 : Suhu Mutlak (K-4)
W : Energi radiasi kalor (joule)
T :waktu selama benda meradiasai (sekon)
Lima tahun kemudian konfirmasi mengesankan dari teori gelombang elektromagnetik cahaya diperoleh ketika Boltzmann menurunkan hukum Stefan dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan Maxwell. Karena itu persamaan (8-3) dikenal juga sebagai hukum Stefan-Boltzmann.
2. Hukum Wien
Hukum Pergeseran Wien jika benda padat dipanaskan samapai suhu yang sangat tinggi, benda akan tampak memijar dan gelombang elektromegnitik yang dipancarkan berada pada spektrum cahaya tampak. Jika benda terus dipanaskan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yan dipancarkna berubah-ubah. Gejalah pergeseran nilai panjang gelombang meksimum dengan berkurangnya suhu disebut pergeseran Wien. Bila suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkan berubah. Ini menyebabkan dalam warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda yang digambarkan pada grafik berikut.
intensitas benda kita menyebutnya Pergeseran Wien terhadap panjang gelombang benda.
• Hukum Wien menyatakan bahwa makin tinggi temperatur suatu benda hitam, makin pendek panjang gelombangnya.
• Hal ini dapat digunakan untuk menerangkan gejala bahwa bintang yang temperaturnya tinggi akan tampak berwarna biru, sedangkan yang temperaturnya rendah tampak berwarna merah.
• Energi pancaran tiap panjang gelombang semakin besar, jika suhu semakin tinggi, sedangkan energi maximalnya bergeser kearah gelombang yang panjang gelombangnya kecil, atau ke frekwensi besar.
Wien mempelajari hubungan antara suhu dan panjang gelombang pada intensitas maksimum. Perhatikan gambar (2) di samping! Puncak-puncak kurva pada grafik (2) menunjukkan intensitas radiasi pada tiap-tiap suhu. Dari gambar (2) tampak bahwa puncak kurva bergeser ke arah panjang gelombang yang pendek jika suhu semakin tinggi. Panjang gelombang pada intensitas maksimum ini disebut sebagai panjang gelombang maks.
kurva kenaikan tempratur benda hitam
Dari kurva di atas, terbaca bahwa dengan naiknya temperatur benda hitam, puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah panjang gelombang yang semakin kecil (gambar 3a) atau puncak-puncak spektrum akan bergeser ke arah frekuensi yang semakin besar (gambar 3b). Melalui persamaan yang dikembangkan Wien maupun menjelaskan ditribusi intensitas untuk panjang gelombang pendek, namun gagal untuk menjelaskan penjang gelombang panjang. Hal itu menunjukan bahwa radiasi elektromaknetik tidak dapat dianggap sederhana seperti proses termodinamika.
Teori ini selanjutnya dikembangkan oleh Reyleigh dan Jeans yang berlaku untuk panjang gelombang yang lebih panjang. Menurut teori medan listrik-magnet, gelombang.
3. Teori Rayleigh-Jeans
Lord Rayleigh dan James Jeans mengusulkan suatu model sederhana untuk menerangkan bentuk spektrum radiasi benda hitam. Mereka menganggap bahwa molekul atau muatan di permukaan dinding benda berongga dihubungkan oleh semacam pegas. Ketika suhu benda dinaikkan, muatan-muatan tersebut mendapatkan energi kinetiknya untuk bergetar. Dengan bergetar berarti kecepatan muatan berubah-ubah (positif - nol - negatif - nol - positif, dan seterusnya.
Melalui model di atas, Rayleigh dan Jeans menurunkan rumus distribusi intensitas, yang jika 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.Rayleigh-Jeans mengasumsikan dinding rongga berupa konduktor, yang jika dipanaskan elektron-elektron pada dinding rongga akan tereksitasi secara thermal sehingga berosilasi. Berdasarkan teori Maxwell, osilasi elektron ini menghasilkan radiasi elektromagnet. Radiasi ini akan terkurung di dalam rongga dalam bentuk gelombang-gelombang tegak., maka di dinding rongga terjadi simpul-simpul gelombang, karena dinding rongga berupa konduktor.
1. Bintang sebagai Benda Hitam
Bintang dapat dianggap sebagai benda hitam, oleh karena itu semua hukum-hukum yang berlaku pada benda hitam, berlaku juga untuk bintang.
Sifat benda hitam antara lain :
1) pada kesetimbangan termal, temperatur benda hanya ditentukan oleh jumlah energi yang diserapnya per detik;
2) benda hitam tidak memancarkan radiasi pada seluruh gelombang elektromagnetik dengan intensitas yang sama (ada yang dominan meradiasikan gelombang elektromagnetik pada daerah biru dengan intensitas yang lebih besar dibandingkan gelombang elektromagnetik pada panjang gelombang lainnya. Konsekuensinya, benda tersebut akan nampak biru).
Panjang gelombang yang dipancarkan dengan intensitas maksimum (?maks) oleh sebuah benda hitam dengan temperatur T Kelvin adalah :
?maks = 0,2898/ T
(?maks dinyatakan dalam cm dan T dalam Kelvin)
Persamaan di atas disebut dengan Hukum Wien.
• Hukum ini menyatakan bahwa makin tinggi temperatur, maka makin pendek panjang gelombangnya
• Hukum ini dapat digunakan untuk menerangkan gejalan bahwa bintang yang temperaturnya tinggi akan tampak berwarna biru sedangkan yang temperaturnya rendah akan tampak berwarna merah.
a. Fluks pancaran
1. Fluks Pancaran
Kuantitas yang pertama kali langsung dapat ditentukan dari pengamatan sebuah bintang adalah fluks pancarannya, yaitu jumlah cahaya atau energi yang diterima permukaan kolektor (mata atau teleskop) per satuan luas per satuan waktu. Biasanya dinyatakan dalam satuan watt per cm2 (satuan internasional) atau erg per detik per cm2 (satuan cgs).
Besarnya fluks energi yang dipancarkan sebuah benda hitam (F) dengan temperatur T Kelvin adalah :
F = sT4
(s : konstanta Stefan-Boltzman : 5,67 x 10^-8 Watt/m2K4)
Sedangkan total energi per waktu / daya yang dipancarkan sebuah benda hitam
dengan luas permukaan pemancar A dan temperatur T Kelvin disebut dengan Luminositas. Besarnya luminositas (L) dihitung dengan persamaan :
L = A sT4
Untuk bintang, bintang dianggap berbentuk bola sempurna sehingga luas
pemancar radiasinya (A) adalah 4pR2 ; dengan R menyatakan radius bintang.
Jadi, luminositas bintang (L) adalah :
L = 4pR2 sT4
Benda hitam memancarkan radiasinya ke segala arah. Kita bisa menganggap
pancaran radiasi tersebut menembus permukaan berbentuk bola dengan radius
d dengan fluks energi yang sama, yaitu E. Besarnya E :
E = L/(4pd2)
Fluks energi inilah yang diterima oleh pengamat dari bintang yang berada pada
jarak d dari pengamat. Oleh karena itu, fluks energi ini sering disebut fluks
energi yang diterima pengamat. (Perhatian : bedakan antara besaran E dan F).
2. Intensitas Radiasi Benda Hitam
Radiasi benda hitam adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur. 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 total = s . T4 ....................................................... (1)
dengan I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi, T adalah suhu mutlak benda, dan s adalah tetapan Stefan
Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10-8 Wm-2K-4.
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.s.T4 ............................................................ (2)
Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan (2) dapat ditulis sebagai:
P/A = = e. s. T4 ...................................................... (3)
dengan:
P = daya radiasi (W)
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 (2) 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”.
4. Teori Planck Radiasi Benda Hitam
Pada tahun 1900, fisikawan Jerman, Max Planck, mengumumkan bahwa dengan membuat suatu modifikasi khusus dalam perhitungan klasik dia dapat menjabarkan fungsi P (?,T) yang sesuai dengan data percobaan pada seluruh panjang gelombang. Hukum radiasi Planck menunjukkan distribusi (penyebaran) energi yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Hukum ini memperkenalkan gagasan baru dalam ilmu fisika, yaitu bahwa energi merupakan suatu besaran yang dipancarkan oleh sebuah benda dalam bentuk paketpaket kecil terputus-putus, bukan dalam bentuk pancaran molar. Paket-paket kecil ini disebut kuanta dan hukum ini kemudian menjadi dasar teori kuantum.
Rumus Planck menyatakan energi per satuan waktu pada frekuensi v per satuan selang frekuensi per satuan sudut tiga dimensi yang dipancarkan pada sebuah kerucut tak terhingga kecilnya dari sebuah elemen permukaan benda hitam, dengan satuan luas dalam proyeksi tegak lurus terhadap sumbu kerucut.
Pernyataan untuk intensitas jenis monokromatik Iv adalah:
Iv = 2hc-2v3/(exp (hv/kT) –1) ....................................... (2)
dengan h merupakan tetapan Planck, c adalah laju cahaya, k adalah tetapan Boltzmann, dan T adalah temperatur termodinamik benda hitam.
Intensitas juga dapat dinyatakan dalam bentuk energi yang dipancarkan pada panjang gelombang ? per satuan selang panjang gelombang. Pernyataan ini dapat dituliskan dalam bentuk:
Rumus Planck dibatasi oleh dua hal penting berikut ini.
5. Hukum Rayleigh
JeansTeori ini dikemukakan oleh Lord Rayleigh dan Sir James Jeans,menurut teori ini muat- muatan di sekitar dinding benda beronggadihubungkan oleh semacam pegas. Ketika suhu benda dinaikkan, padamuatan timbul energi kinetik sehingga muatan bergetar. Akibat getarantersebut, kecepatan muatan berubah-ubah, atau dengan kata lainsetiap saat muatan selalu mendapatkan percepatan. Muatan yangdipercepat inilah yang yang menimbulkan radiasi.Melalui penelitian yang dibuatnya, Rayleigh dan Jeans berhasilmenurunkan rumus distribusi intensitas, yang digambarkan grafiknyamaka model yang diusulkan oleh Rayleigh dan Jeans berhasilmenerangkan spektrum radiasi benda hitam pada panjang gelombangyang besar, namun gagal untuk panjang gelombang yang kecil.
C. 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:
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.
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.
Teori Planck yang mempunyai dua kesimpulan yaitu yang pertama,Sebuah osilator tidak dapat mempunyai energi, tetapi hanya energi-energi yang diberikan. Sedangkan yang kedua, Osilator- osilator tidak meradiasikan energi secara kontinu, tetapi hanya dalam “loncatan-loncatan” atau kuanta (quanta).
Hukum Rayleigh James, yaitu ini muatan muatan disekitar 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.
Rayleigh dan Jeans meramalkan bahwa benda hitam ideal pada kesetimbangan termal akan memancarkan radiasi dengan daya tak terhingga. Akan tetapi, ramalan Rayleigh dan Jeans tidak terbukti secara eksperimental. Ramalan ini dikenal sebagai bencana ultra ungu. Ilmuwan lain yang mempelajari spektrum radiasi benda hitam adalah Wilhelm Wien.
D.Saran
Ketika kita ingin belajar dan berusaha untuk memecahkan suatu persoalan secara bersama maka persoalan itu terasa mudah dan ringan jika di kerjakan bersama-sama.
Masukan dari teman-teman kelompok lain serta guru pembimbing:
DAFTAR PUSTAKA
A. J. Pointon. 1967. An Introduction to Statistical Physics for Students. First Print.Budiyanto, Joko. 2009.google.com
Fisika Untuk SMA/MA Kelas XII. Jakarta: Pusat PerbukuanDepartemen Pendidikan Nasional.Kanginan, Marthen.2007.
Fisika Untuk Sma Kelas XII . Jakarta : Erlangga
M. Ali Yaz. 2007. Fisika 3. Yogyakarta : Yudhistira.ww google.com
Oxtoby, Gillis, Nachtrieb. 2003. Prinsip – Prinsip Kimia Modern Edisi Keempat Jilid Dua.Jakarta : Airlangga
Surya, Yohannes. 2009. Fisika Modern. Tangerang : Kandel.www.google.com
Chang, Raymond. 2009. Kimia Dasar Edisi Ketiga Jilid Satu. Jakarta : Airlangg
Google.com/makalah fisika tentang radiasi benda hitam/
Tidak ada komentar:
Posting Komentar
"Terima kasih telah berkunjung ke blog saya,silahkan berkomenar dengan sopan"