radiasi benda-hitam sma
TRANSCRIPT
Standar Kompetensi : 9. Menganalisis keterkaitan antara berbagai besaran fisis pada gejala kuantum dan menerapkan batas-batas berlakunya relativitas Einstein dalam paradigma fisika modern.
Kompetensi dasar9.1 Menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang
mencakup hakikat dan sifat-sifat radiasi benda hitam, serta penerapannya.
Idikator
Menganalisis dan menginterpretasi data empiris tentang radiasi benda hitam.
Memformulasikan hipotesa Planck
Memformulasikan hukum pergeseran Wien dan hukum Stefan Boltzmann berdasarkan hipotesa Planck
Mengaplikasikan sifat-sifat radiasi benda hitam untuk mengukur suhu matahari dan suhu bintang
HK. STEFAN –
BOLTZMANN
HK. PERGESE-
RAN WIEN
TEORI RELEIGH DAN
JEANS
TEORI PLANCK
EKSPERIMEN R.A. MILIKAN
TEORI EINSTEIN
EFEK COMPTON
PANJANG GELOMBANG DE BROGLIE
PERCOBAAN DAVISSON
DAN GERMER
1. MENGISI RUANG
2. MEMILIKI 1. MENEMPATI SESUAI VOLUME
2. MEMILIKI MOMENTUM
BENDA HITAM BENDA HITAM (BLACK BODY)(BLACK BODY)
Kemampuan menyerap energi maksimal ( e = 1 )
Kemampuan memancarkan energi maksimal ( e = 1 )
E = e . . T4
Energi yang dipancarkan atau diserap per satuan waktu per satuan luas ( J.s-1.m-2 ), dirumuskan :
E = Laju perpindahan kalor atau banyak kalor per satuan waktu (J/s atau kal/s)e = emisivitas permukaan (koefisien pancara/serapan benda) = tetapan Stefan = 5,67.10-8 watt.m-2.K-4
T = suhu mutlak (K)
Energi yang dipancarkan atau diserap per satuan waktu per satuan luas dapat juga dirumuskan :
PE =
A
E = Laju perpindahan kalor atau banyak kalor per satuan waktu (watt.m-2)P = Daya pancar ( watt )A = luas permukaan benda (m2)
P = E . A = e . . T4 . A Daya pancar
CONTOH SOAL
Sebuah benda memiliki permukaan hitam sempurna, 270 C. Berapa besarnya energi yang dipancarkan tiap satuan waktu tiap satuan luas permukaan benda itu ?
DIKETAHUI : e = 1 (benda hitam sempurna)T = 27 + 273 = 300 K = 5,67.10-8 watt.m-2.K-4
DITANYAKAN : E = …. ?JAWAB :
Penyelesaian:
E = e . . T4
= 1 x 5,67.10-4 x (300)4
= 5,67.10-8 x 81.108
= 459,27.10-4 watt/m2
Sebuah bola memiliki jari-jari 20 cm dipanaskan sampai suhu 500 K, sedangkan benda-benda disekitar-nya bersuhu 300 K. Berapa daya yang diperlukan untuk memperta-hankan suhu bola jika permukaan-nya memiliki emisivitas ½ ?
DIKETAHUI : e = ½ r = 20 cm = 0,2 mT1 = 300 K ; T2 = 500 K = 5,67.10-8 watt.m-2.K-4
DITANYAKAN : Daya = P = …. ?JAWAB :
Penyelesaian:Luas bola =A= 4.r2 = 4x3,14x (0.2)2
A = 0,5 m2
Daya pancar tiap satuan luas E = e . . T4
= ½ x 5,67.10-8 x (200)4
= 1542.10-4 watt/m2 Daya yang diperlukan P = E.A= 1542.10-4 x 0,5 = 0,0771 watt
Jika suatu benda meradiasikan kalor pada temperatur tinggi (maksimum) puncak spektrum radiasi akan bergeser kearah panjang
gelombang yang makin kecil
Pada kondisi radiasi maksimum panjang gelombangnya
m = T.C
m = Panjang gelombang pada energi pancar maksimum (m)
T = suhu dalam K
C = 2,898 x 10-3 m.K
HUKUM HUKUM PERGESERAN WIENPERGESERAN WIEN
Kelemahan dari teori ini yaitu tidak dapat digunakan untuk seluruh
bagian spektrum (tidak cocok untuk panjang gelombang panjang)
RELEIGH DAN JEANSRELEIGH DAN JEANS MENGOREKSI TEORI MENGOREKSI TEORI
WIEN MELALUI EKSPERIMENNYA AKAN WIEN MELALUI EKSPERIMENNYA AKAN
TETAPI HASIL EKSPERIMEN HANYA TETAPI HASIL EKSPERIMEN HANYA
COCOK PADA DAERAH SPEKTRUM COCOK PADA DAERAH SPEKTRUM
CAHAYA TAMPAK SEDANGKAN UNTUK CAHAYA TAMPAK SEDANGKAN UNTUK
DAERAH PANJANG GELOMBANG PENDEK DAERAH PANJANG GELOMBANG PENDEK
TIDAK COCOK. KEGAGALAN INI DIKENAL TIDAK COCOK. KEGAGALAN INI DIKENAL
DENGAN DENGAN BENCANA ULTRAVIOLETBENCANA ULTRAVIOLET
E = e . . T4
PE =
A
P = E . A = e . . T4 . A
m . T = C
KESIMPULAN TEORI WIEN
• BENDA YANG BERADIASI MEMANCARKAN ENERGI DALAM BENTUK GELOMBANG
RADIASI
Kwantum/kwanta/foton ENERGI FOTON
W = h .f
E = energi foton ( j )h = tetapan Planck = 6,626 x 10-34 J.sf = frekwensi (Hz)c = 3 x 10 8 m/s = panjang gelombang(m)
EkW
W = energi foton (J)W0 = energi ikat (J)
= fungsi kerja logam= energi ambang
O = ambangfO = frek. ambang
W = WO +Ekh.f = WO +Ek
h.f = h.fO +Ekh. = h. +Ekc
0
c
R A D IA S I e l e k t r o n
f o t o n
w0
1. Efekfoto listrik terjadi apabila energi foton(W) cukup untuk membebaskan elektron dari ikatannya dengan inti atom (WO)
2. Energi kinetik maksimum elektron (Ek) yang dibebaskan dari keping tidak bergantung pada intensitas (lamanya) penyinaran
3. Energi kinetik maksimum elektron (Ek) berbanding lurus dengan frekwensi cahaya yang digunakan (hasil eksperimen Robert A. Milikan)
4. Cahaya dapat memperlihatkan sifat gelombang juga dapat memperlihatkan sifat-sifat partikel (foton)
R A D IA S I e l e k t r o n
f o t o n
EkW
w0
W = WO +Ekh.f = WO +Ek
h.f = h.fO +Ekh. = h. +Ekc
0
c
Cahaya dari sinar ultra violet dengan panjang gelombang 2500 angstrum dikenakan pada permukaan logam kalium. Jika fungsi kerja logam kalium 2,21 ev, hitunglah berapa elektron volt (ev) energi kinetik dari elektron yang keluar dari permukaan logam kalium.
Penyelesaian:Diketahui : c = 3.108 m/s = 2500 angstrum = 25.10-8 m f = c/ = 3.108/25.10-8= 1,2.1015 hz W0= 2,21 ev = 2,21.1,6.10-19 = 3,536.10-19 j h = 6,626.10-34 j.sDitanyakan : Energi kinetik elektron (Ek)
Jawab: W = W0 + Ek
Ek = W - W0
= h.f - 3,536.10-19
= 6,626.10-34.1,2.1015- 3,536.10-19
= 4,415.10-19 j.
4,415.10-19
= = 2,76 ev
1,6.10-19
Sebuah logam memiliki fungsi kerja 6,08.10-19 j. Pada saat logam disinari terlepas elektron dari permukaan logam dengan energi kinetik 3,08 ev. Hitunglah panjang gelombang dari sinar itu ?
Penyelesaian:
Diketahui :
c = 3.108 m/s
W0= 6,08.1,6.10-19 j
Ek= 3,08 ev = 3,08.1,6.10-19
= 4,928.10-19 j
h = 6,626.10-34 j.s
Ditanyakan :
Panjang gelombang sinar (
Jawab:
W = W0 + Ek
= 6,08.10-19 + 4,928.10-19
= 11,008.10-19 j. hc W = hc W
m
Foton hambur( ’ )
Foton datang( )
E = mo.c2
Elektron hambur
E = h.f
E’ = h.f’
P =0
= panjang gelombang foton sebelum tumbukan ’ = panjang gelombang foton setelah tumbukan h = tetapan Planck = 6,626 x 10 –34 J.s c = kecepatan cahaya = 3 x 10 8 m/s m0 = massa diam elektron = sudut hamburan elektron
Pada percobaan efek compton digunakan sinar X dengan panjang gelombang 0,1 angstrum. Sinar X menumbuk elektron dan terhambur dengan sudut sebesar 900. Jika massa diam elektron 9,1.10-31 kg, berapa panjang gelombang elektron yang terhambur ?
Penyelesaian:Diketahui : c = 3.108 m/s angstrum10-11 m
m0= 9,1.10-31 kg
= 900
h = 6,626.10-34 j.sDitanyakan : Panjang gelombang terhambur (')
Jawab:
h
'cos
m0c
6,626.10-34
'cos90
9,1.10-31.3.108
= 2,43.10-12
' = 2,43.10-12
= 2,43.10-12 + 10-11
= 1,243.10-11 m
Pada percobaan efek compton digunakan sinar X dengan frekwensi 3.1019 hz. Pada saat menumbuk elektron sinar ini terhambur dengan sudut 600. Jika massa elektron diam 9,1.10-31 kg, hitunglah berapa frekwensi dari sinar yang terhambur.
Penyelesaian:Diketahui : c = 3.108 m/s f = 3.1019 hz c 3.108 = = = 10-11 m f 3.1019 m0= 9,1.10-31 kg
= 600
h = 6,626.10-34 j.sDitanyakan : frekwensi sinar X terhambur (f')
Jawab: h' - = ( 1 - cos ) m0c
6,626.10-34 ' = ( 1 - cos60) 9,1.10-31.3.108
= 2,43.10-12 ( 1 - 0,5) = 1,215.10-12
' = 1,215.10-12 + = 1,215.10-12 + 10-11
= 1,1215.10-11 m c 3.108 f ' = = ' 1,1215.10-11 = 2,68.1019 hz
Bergerak lurus dengan momentum p = m.vm
v
m
v
Menurut deBroglie partikel bergerak seperti gelombang ,
dengan demikian partikel pada saat bergerak selain memiliki momentum (p) juga memiliki
panjang gelombang( )
HUBUNGAN ANTARA
MOMENTUM ( p ) DENGAN PANJANG
GELOMBANG ()
= panjang gelombang deBroglie (m)p = momentum (N.s)h = tetapan Planck = 6,626 x 10-34 J.s
Hitunglah panjang gelombang de Hitunglah panjang gelombang de Broglie dari elektron yang bergerak Broglie dari elektron yang bergerak dengan kecepatan 2,4.10dengan kecepatan 2,4.1088 m/s, m/s, dengan menggunakan teori :dengan menggunakan teori :
a. non relativistik b. relativistika. non relativistik b. relativistik
massa elektron diam 9,1.10massa elektron diam 9,1.10-31-31 kg kg
Penyelesaian:Diketahui : v = 2,4.108 m/s = 0,8 c m0= 9,1.10-31 kg; h = 6,626.10-34 j.s
Ditanyakan : panjang gelombang deBroglie (
Jawab:a). dengan teori non relativistik, berarti selama elektron bergerak massanya tetap m = m0
h 6,626.10-34
= =mv 9,1.10-31.2,4.108
= 3,304.10-12 m
b). dengan menggunakan teori relativistik, massa elektron berubah saat bergerak m0
m = ; v2/c2 = (0,8c)2/c2 = 0,64 1 - v2/c2 h h = = mv m0 . v
1 - v2/c2 h 1 - v2/c2 6,626.10-34 1 - 0,64 = = m0 . v 9,1.10-31.2,4.108
6,626.10-34.0,6 = = 1,82.10-12 m 2,184.10-22
m = mO
c2 v2
1 +
APAKAH SEMUA BENDA YANG BERGERAK
MEMILIKI PANJANG GELOMBANG deBROGLIE ?
Hanya berlaku pada partikel kecil
(elektron), yang bergerak dengan
kecepatan cukup besar mendekati kecepatan
cahaya
Karena elektron bergerak Karena elektron bergerak dengan kecepatan dengan kecepatan
mendekati cahaya maka mendekati cahaya maka massa elektron menjadi massa elektron menjadi
massa relatifmassa relatif
p = m.v
Teori deBroglie dibuktikan kebenarannya melalui
percobaan oleh Davisson dan Germer pada th. 1927
APLIKASI DARI TEORI deBROGLIE PADA MIKROSKOP ELEKTRON
DIMANA CAHAYA DIGANTI DENGAN ELEKTRON
•RUMUS WIEN HANYA BERLAKU PADA SPEKTRUM GELOMBANG PENDEK
•TEORI RELEIGH DAN JEINS HANYA BERLAKU PADA SPEKTRUM CAHAYA TAMPAK.
•CAHAYA MEMILIKI SIFAT KEMBAR (DUALISME) YAITU PADA KONDISI TERTENTU MEMILIKI SIFAT PARTIKEL DAN PADA KONDISI LAIN MEMILIKI SIFAT GELOMBANG. AKAN TETAPI KEDUA SIFAT TERSEBUT TIDAK MUNGKIN MUNCUL PADA SAAT YANG SAMA
•PERCOBAAN COMPTON MEMBUKTIKAN BAHWA CAHAYA MEMILIKI SIFAT PARTIKEL
•EKSPERIMEN DAVISON DAN GERMER MEMBUKTIKAN ASUMSI DARI deBROGLIE BAHWA PARTIKEL DAPAT MENUNJUKKAN SIFAT GELOMBANG
Sebuah logam memiliki fungsi kerja 6,08.10-19 j. Pada saat logam disinari terlepas elektron dari permukaan logam dengan energi kinetik 3,08 ev. Hitunglah panjang gelombang dari sinar itu ?
Penyelesaian:
Diketahui :
c = 3.108 m/s
W0= 6,08.1,6.10-19 j
Ek= 3,08 ev = 3,08.1,6.10-19
= 4,928.10-19 j
h = 6,626.10-34 j.s
Ditanyakan :
Panjang gelombang sinar (
Jawab:
W = W0 + Ek
= 6,08.10-19 + 4,928.10-19
= 11,008.10-19 j. hc W = hc W
m
E = h.f = 6,62. 10-34 . 10 14
=6,61 . 10 -20 J / 1,6. 10-19 = 0,41 ev
=
= h. c/
Ev = elektron volt
1 volt
W = e. v
= 1,6. 10-19 . 1
= 1,6. 10-19 J