Radiasi Benda Hitam 175

menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang mencakup hakikat dan sifat-sifat radiasi benda hitam, serta penerapannya.

Setelah mempelajari bab ini, Anda harus mampu:

menganalisis berbagai besaran fisis dan gejala kuantum dan batas-batasberlakunya relativitas Einstein dalam paradigma Fisika Modern.

Hasil yang harus Anda capai:

Radiasi Benda Hitam

A. Pengertian RadiasiBenda Hitam

B. DualismeGelombangPartikel

175

Matahari merupakan sumber energi yang utama bagi Bumi. Mataharimemberikan energi melalui radiasi gelombang yang dipancarkannya.

Bab

7Sumber: CD Image

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII176

A. Pengertian Radiasi Benda Hitam1. Radiasi Benda Hitam

Gambar 7.1Cahaya yang masuk ke dalamkotak yang dianggap sebagaibenda hitam sempurna, akan

dipantulkan terus-menerus olehdinding kotak.

Tes Kompetensi Awal

Radiasi Benda Hitam 177

Contoh 7.1

Contoh 7.2

Dalam kehidupan sehari-hari tidakada benda yang dapat menyerapseluruh radiasi yang mengenainya.

Ingatlah

Dalam SI, suhu menggunakan satuanderajat Kelvin.

Ingatlah

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII178

2. Spektrum Radiasi Benda Hitam

Gambar 7.3Spektrum warna pijar suatu bendapanas berubah terhadap suhunya.

Gambar 7.2Percobaan untuk mengamati

spektrum radiasi benda hitam.

Warna

1.500

1.400

1.300

1.200

1.100

1.000

900

800

700

600

500

putih

kuning muda

kuning

oranye

merah-oranye

merah ceri

merah tua

baru tampak

T ºC

I (Wb/m2)

(m)

T2 > T

1

T1

benda hitam

prisma

celah

spektrumgelombang

detektor

Gambar 7.4Grafik pergeseran panjang

gelombang maksimum padasaat suhu berubah dari T1 ke T2.

Sumber: Physics, 1993

Sumber: Physics, 1993

Radiasi Benda Hitam 179

Contoh 7.3

I

T1

T2

T3

Contoh 7.4

3. Pendekatan Teori Rayleigh–Jeans

Tokoh

Max Planck(1858 – 1947)

Max Planck dilahirkan di Kiel,Jerman. Ia belajar di Munich danBerlin. Seperti banyak ahli fisikalainnya, ia seorang pemain musikyang pandai. Pada tahun 1900 M,setelah 6 tahun belajar di UniversitasBerlin, ia menyatakan bahwa kuncipemahaman radiasi benda hitamadalah anggapan bahwa pemancarandan penyerapan radiasi terjadi dalamkuantum energi hf. Penemuan yangmenghasilkan hadiah Nobel 1918 inisekarang dianggap sebagai tonggakdari fisika modern. Walaupun selamaHitler berkuasa, ia tetap tinggal diJerman. Ia memprotes perlakuanNazi kepada ilmuwan Yahudi dansebagai akibatnya ia harusmelepaskan kedudukannya sebagaipresiden Institut Kaiser Wilhelm.Setelah perang dunia kedua, instituttersebut diberi nama Institut Planckdan ia kembali menjabat sebagaipresiden sampai akhir hayatnya.

Sumber: Fundamental Of Physics, 2001

1m 2m 3m

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII180

4. Teori Planck

v

n (v)

Gambar 7.5Sebaran jumlah partikel yang

memiliki kecepatan (v).

Teori Rayleigh - Jeans

Teori Wien

Intensitas

Panjang gelombang

Teori Planck

Gambar 7.6Perbandingan teori Wien, danteori Rayleigh-Jeans denganteori Planck yang memenuhi

data percobaan.

Tugas Anda 7.1Carilah dari buku-buku tentangformula yang digunakan Rayleigh-Jeans untuk menjelaskan intensitasradiasi benda hitam.

Radiasi Benda Hitam 181

E n

0

1

2

3

4

ke n =

0

1hf

2hf

3hf

4hf

Gambar 7.7Tingkat-tingkat energi yangdiperkenankan untuk satumolekul yang frekuensinya f.

Contoh 7.5

Tantanganuntuk Anda

Perumusan Rayleigh-Jeans tidakcocok diterapkan untuk radiasibenda hitam pada daerah panjanggelombang pendek. Dapatkah Andamenduga, apa implikasi daripersamaan Rayleigh-Jeans padadaerah panjang gelombang pendekuntuk kehidupan di Bumi?

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII182

5. Aplikasi Radiasi Benda Hitam untuk Mengukur SuhuMatahari

Gambar 7.8Grafik intensitas radiasi

Matahari yang diukur di luarangkasa.

I(W/m2)

710 m

Mari Mencari Tahu

1 Å = 10–10 m

Ingatlah

Tantanganuntuk Anda

Grafik pada Gambar 7.8menunjukkan intensitas radiasiMatahari yang diukur di luar angkasa.Apakah Anda bisa mendugabagaimana grafik intensitas radiasiMatahari jika diukur di permukaanBumi? Apakah di seluruh tempat dipermukaan Bumi intensitas radiasiMatahari selalu sama? Jelaskanjawaban Anda dengan bahasa yangmudah dipahami dan diskusikanlahbersama teman sekelas.

Kata Kunci• benda hitam• radiasi benda hitam• emisivitas benda• intensitas• daya radiasi• spektrum• energi radiasi• radiasi termal

Radiasi Benda Hitam 183

Gambar 7.9(a) Cahaya sebagai gelombang;(b) Cahaya sebagai paket-paket

energi.

Tes Kompetensi Subbab A

B. Dualisme Gelombang Partikel1. Sifat Partikel yang Dimiliki Gelombang

a. Efek Fotolistrik

Gambar 7.10Skema eksperimen efek fotolistrik.

ruang vakum

cahaya

saklar geser

tutuptabung

C

T

i

i

+– +–

V

A

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII184

Gambar 7.11(a) Apabila energi kinetik elektron

melebihi energi potensialpenghalang, elektron akan dapat

mendaki bukit potensial; (b) Energikinetik elektron tidak bergantung

pada intensitas cahaya; (c) Setiappermukaan memiliki frekuensi (f

0)

berbeda.

Ek

v

Sumber: Fisika untuk Sains dan Teknik Tipler

2

3

20 4 6 8

f0 f

0f

0

Ce

Na

K

1014 Hz

energi potensialgelombang (eV)

–V0

V

I

intensitastinggi

intensitasrendah

1

Radiasi Benda Hitam 185

Keterangan:

1 eV = 1,6 × 10–19 J

Ingatlah

Efek fotolistrik selain memilikiperanan penting dalam teori fotonpada cahaya, juga memiliki banyaksekali aplikasi dalam kehidupansehari-hari. Sebagai contoh adalahalarm pencuri dan pembukaotomatis yang juga menggunakansirkuit fotolistrik. Ketika seseorangmenghalangi sinar yang dipancarkan,penurunan arus listrik dapatmengaktifkan saklar sehingga belberbunyi atau pintu terbuka.Biasanya sinar yang digunakan adalahsinar ultraviolet dan inframerahkarena kedua sinar ini tidak terlihat.

The photoelectric effect, besidesplaying an important historical rolein confirming the photon theory oflight, also has many practicalapplications. Burglar alarms andautomatic door openers often makeuse of the photocell circuit. When aperson interrupts the beam of light, thesudden drop in current in the circuitactivates a switch which operates abell or opens the door. UV or IR light issometimes used in burglar alarmsbecause of its invisibility.

Sumber: Physics for Scientist & Engineers

Informasiuntuk Anda

Information for You

Contoh 7.6

Sumber: Physics, 1993

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII186

b. Efek Compton

Contoh 7.7

Foton merupakan paket-paketenergi pada cahaya. Konsep inimerupakan kelanjutan dari asumsicahaya merupakan partikel.

Ingatlah

Tugas Anda 7.2Proses terjadinya sinar-Xmerupakan kebalikan dari prosesfotolistrik. Carilah informasi dariberbagai sumber tentang sinar-Xdan diskusikanlah bersama temansekelas Anda.

Radiasi Benda Hitam 187

Keterangan:

’

Gambar 7.12Tumbukan foton dan elektron(a) sebelum tumbukan(b) sesudah tumbukan

foton dengan , p

', p'foton terhambur

elektronterdorong

pe

v

Tokoh

Arthur Compton (Holly)(1892–1962)

Arthur Compton adalah seorang ahliFisika yang dilahirkan di Wooster,Ohio, USA. Dia belajar di UniversitasPrincetion dan lulus menjadiprofesor Fisika di Chicago (1923). Diameneliti dan menjelaskan EfekCompton, penambahan panjanggelombang sinar-X yangdihamburkan ketika bertumbukandengan elektron. Untuk sumbanganpemikirannya tersebut, diamendapat penghargaan Nobel Fisikapada 1927.

Sumber: www.allbiographies.com

elektron diam

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII188

Ek (eV)

f (Hz)

0,2

3,7

f0

’

2. Sifat Gelombang pada Partikel

a. Panjang Gelombang de Broglie

Contoh 7.8

Pembahasan Soal

Grafik di atas menunjukkanhubungan antara energi kinetikmaksimum elektron terhadapfrekuensi foton pada efekfotolistrik. Jika h = 6,6 × 10–34 Js dan1 eV = 1,6 × 10–19 J, besar f adalah ....

a. 48 × 1014 Hzb. 21 × 1014 Hzc. 14 × 1014 Hzd. 9,5 × 1014 Hze. 8,9 × 1014 Hz

UMPTN 1996

PembahasanMenurut persamaan efek fotolistrikE

k = hf – W

maka

f = kE Wh

Dari grafik, nilai Ek = 0,2 eV = 0,2 (1,6 ×10–19) JPada saat f = 0, berlakuE

k = – W atau W = –E

k

Dari grafik, saat f = 0, nilai Ek = –37 eV,

maka W = 3,7 eV = 3,7 (1,6 × 10–19) JJadi,

f = Ek Wh =

19

34

0,2 3,7 1,6 10 J

6,6 10 Js= 9,5 × 1014 Hz

Jawaban: d

Radiasi Benda Hitam 189

Contoh 7.10

Tokoh

Louis Victor de Broglie(1892–1987)

Louis Victor De Broglie (1892–1987) lahir di Dieppe, Prancis, danbersekolah di Sorbonne. Iamelanjutkan kuliahnya di UniversitasParis tahun 1926. Pada 1929, iamenerima hadiah Nobel dalambidang Fisika atas teorinya mengenaisifat gelombang pada partikel. Teoriini menjadi dasar dari mekanikakuantum, cabang dari ilmu Fisika.Pada awal 1800, para fisikawanpercaya bahwa cahaya terdiri atasgelombang energi. Pada 1900, MaxPlanck menunjukkan bahwa cahayadapat bersifat partikel. Pada 1924, deBroglie menyatakan bahwa elektrondapat bersifat sebagai partikel dangelombang.

Sumber: Conceptual of Physics, 2000

Tantanganuntuk Anda

Efek Compton diaplikasikan dalamdunia kedokteran untuk mendeteksikepadatan tulang. Dengan bahasaAnda sendiri, dapatkah Andamenjelaskan cara kerjanya?

Contoh 7.9

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII190

b. Eksperimen Davisson-Germer

berkaselektron

kristalnikel

detektor

filamen

Gambar 7.13Skema alat percobaan Davisson-

Germer. Berkas elektrondijatuhkan pada kristal tunggalnikel. Interferensi yang terjadi

pada sudut diamati pada detektor.

Gambar 7.14Gambaran mengenai

hamburan elektron olehbidang kristal.

a

dd

a

d

a2

2 2

sinar datang

Radiasi Benda Hitam 191

c. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

Gambar 7.15Tumbukan foton dan elektronketika mengamati elektron.

Kata Kunci• gelombang partikel• efek fotolistrik• foton• fungsi kerja• efek Compton• panjang gelombang de Broglie• jarak antara bidang• prinsip ketidakpastian

Heisenberg

pengamat

momentumelektron semula

foton datang

momentumelektron akhir

pengamat pengamat

elektronbertumbukan

Sumber: Konsep Fisika Modern, 1983

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII192

Tes Kompetensi Subbab B

Rangkuman

Radiasi Benda Hitam 193

Peta Konsep

Setelah mempelajari materi pada bab ini, Anda tentudapat memahami mengenai benda hitam. Anda jugapaham bahwa cahaya juga dapat bersifat seperti partikeldan partikel bisa bersifat seperti gelombang. Darikeseluruhan materi yang ada pada bab ini, bagian

Refleksi

manakah yang Anda anggap sulit untuk dipahami? CobaAnda diskusikan dengan teman atau guru Fisika Anda.Coba Anda tuliskan juga manfaat mempelajari bab ini.Diskusikan konsep yang ada di dalamnya bersama temanAnda.

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII194

Tes Kompetensi Bab 7

Radiasi Benda Hitam 195

Ek

I

Ek

I

Ek

I

Ek

I

Ek

I

Ek (eV)

0, 2

3,7

f0 f

f (Hz)

54f (×1014Hz)

Ek (J)

p

D

C

fA f

B

Ek (J)

f (Hz)

I

V

a

b

0

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII196

TA

TB

I

T