Fisika Kuantum (1) radiasi benda hitam

8,923 views
8,655 views

Published on

unj fmipa-fisika

Published in: Education
3 Comments
27 Likes
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total views
8,923
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
20
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
3
Likes
27
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Fisika Kuantum (1) radiasi benda hitam

  1. 1. Fisika Kuantum Pertemuan 1 Radiasi Benda Hitam (Kuantisasi Energi) Bambang Heru Iswanto, Dr.rer.nat M.Si <ul><li>Jurusan Fisika </li></ul><ul><li>Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam </li></ul>
  2. 2. Outline <ul><li>Pengertian Radiasi Termal </li></ul><ul><li>Data eksperimen radiasi benda hitam </li></ul><ul><li>Kegagalan Teori Reyleigh-Jeans </li></ul><ul><li>Teori Plank tentang kuantisasi energi </li></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  3. 3. Mengapa Fisika Kuantum? <ul><li>Ada beberapa fenomena yang tidak dapat dijelaskan fisika klasik ( teori fisika abad 19): </li></ul><ul><ul><li>Radiasi Benda Hitam </li></ul></ul><ul><ul><li>Efek Fotolistrik </li></ul></ul><ul><li>Mengapa fisika klasik gagal? </li></ul><ul><ul><li>Keyakinan bahwa energi berharga kontinu. </li></ul></ul><ul><li>Konsep baru (fisika kuantum): </li></ul><ul><ul><li>Energi berharga disktret. </li></ul></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  4. 4. Radiasi Benda Hitam <ul><li>Yang kita pelajari: </li></ul><ul><ul><li>Pengertian Radiasi Termal </li></ul></ul><ul><ul><li>Data eksperimen radiasi benda hitam </li></ul></ul><ul><ul><li>Kegagalan Teori Reyleigh-Jeans </li></ul></ul><ul><ul><li>Teori Plank tentang kuantisasi energi </li></ul></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  5. 5. <ul><li>Radiasi Termal </li></ul><ul><li>Radiasi termal adalah </li></ul><ul><li>“ radiasi yang dipancarkan benda akibat temperatur-nya ” </li></ul><ul><li>Radiasi termal berbentuk spektrum </li></ul><ul><li>Radiasi termal berbentuk spektrum kontinu (padat) atau diskrit (gas), detailnya bergantung pada penyusun bendanya </li></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  6. 6. Cahaya adalah Gelombang EM <ul><li>James Clerk Maxwell (1831 –1879), Skotlandia, 1861: </li></ul><ul><li>“ Cahaya adalah suatu fenomena gelombang EM” </li></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | 1660 1850 1861 1800 1900 1600 1700
  7. 7. <ul><li>Radiasi Termal dari Benda/Gas: </li></ul><ul><li>“ Terlalu kompleks untuk diteliti!” </li></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  8. 8. <ul><li>Fokus: Radiasi Termal dari Benda Hitam </li></ul><ul><li>Benda hitam: </li></ul><ul><li>“ suatu benda yang menyerap semua radiasi yang mengenainya, sehingga secara teori ia meradiasikan semua frekuensi yang mungkin dari energi.” </li></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  9. 9. <ul><li>Benda Hitam: Bagaimana kongkretnya? </li></ul><ul><li>. </li></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  10. 10. <ul><ul><li>Radiasi dari dalam rongga lebih kuat dari radiasi dari dinding rongga </li></ul></ul><ul><ul><li>Pada suhu tertentu radiasi maksimum dari lubang rongga adalah sama baik dari tungsten, tantanum, molybdenum </li></ul></ul>tungsten tantanum molybdenum 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  11. 11. <ul><li>Hukum Wien (1893) </li></ul><ul><li>b = 2.8977686 × 10 –3 m.K </li></ul><ul><li>(konstanta pergeseran Wien) </li></ul><ul><li>Stefan-Boltzmann (1884) </li></ul><ul><li>Energi total yang diradiasikan </li></ul><ul><li>per satuan luas permukaan benda </li></ul><ul><li>hitam per satuan waktu adalah: </li></ul>(Watt/m 2 ) Problem: Bagaimana rumus2 ini dapat diturunkan? Panjang gelombang berkaitan dengan emisi puncak dalam berbagai spektrum benda hitam sebagai fungsi temperatur. 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  12. 12. Rapat energi persatuan volume dalam rongga yg disumbangkan GEM berfrekuensi antara v dan v +d v 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | Temperatur = T Energi = E
  13. 13. <ul><li>Apa yang akan dicari ? </li></ul><ul><li>R T (  ) d  = …………………..? </li></ul><ul><li>karena R T (  ) = ¼ c  T (  ) maka </li></ul><ul><li>R T (  ) d  = ¼ c  T (  ) d  </li></ul><ul><li>Fokus pencarian:  T (  ) d  = ………? </li></ul><ul><li>R T (  ) fungsi radiansi spektral (W/m 2 ) </li></ul><ul><li>R T (  ) d  = daya radiansi benda hitam bertemperatur T dan disumbangkan oleh komponen spektrum  sampai (  + d  ). </li></ul><ul><li> T (  ) distribusi rapat energi spektral : </li></ul><ul><ul><li>energi termal per satuan volume rongga yang disumbangkan oleh suatu komponen spektrum  </li></ul></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  14. 14. N( v ) d v = Jumlah gelombang tegak berfrekuensi v sampai v +d v <  > = energi rata-rata gelombang tegak yang seragam rapat energi termal dari frekuensi  sampai  + d  . Sumber kontroversi 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  15. 15. Bencana Ultraviolet <ul><li>Reyleigh-Jeans : </li></ul>Fisika Klasik: Harga energi adalah kontinu dari 0   01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | Distribusi Boltzmann Statistika Boltzmann
  16. 16. Statistika Boltzmann <ul><li>Max Plank , 1900: </li></ul>Energi GEM diskrit: E= 0, h  , 2h  ,… ,n h  01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | Max Plank
  17. 17. Cosmic Microwave Background (CMB) WMAP image of the cosmic microwave background radiation anisotropy. It is the most perfect blackbody emission known and corresponds to a temperature of 2.725 K with an emission peak of 160.4 GHz. John C. Mather was awarded the 2006 Nobel Prize in Physics, shared with George F. Smoot for &quot;their discovery of the black body form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation &quot;. This work helped cement the big-bang theory of the universe using the COBE satellite. CMB: previously discovered by Arno Allan Penzias and Robert Woodrow Wilson in 1964 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  18. 18. CMB dan Radiasi Benda Hitam 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  19. 19. Quiz <ul><li>Mengapa fisika kuantum diawali dengan pembahasan mengenai fenomena RBH? </li></ul><ul><ul><li>Jawab: “ karena fisika klasik tidak bisa menjelaskan RBH, tetapi bisa dijelaskan dengan baik oleh fisika kuantum ” </li></ul></ul><ul><li>Mengapa fisika klasik gagal? </li></ul><ul><ul><li>Jawab: “karena fisika klasik menganggap bahwa besar energi GEM berharga kontinu ” </li></ul></ul><ul><li>Mengapa fisika kuantum berhasil menjelaskan RBH? </li></ul><ul><ul><li>Jawab: “karena fisika kuantum menganggap bahwa besar energi GEM berharga diskret ” </li></ul></ul><ul><li>Mengapa energi di dalam rongga logam yang dipanaskan berharga diskret ( terkuantisasi )? </li></ul><ul><ul><li>Jawab: “karena energi dalam rongga disumbangkan oleh gelombang EM dalam rongga yang harganya diskret” </li></ul></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  20. 20. Kesimpulan <ul><li>Problem apa saja yang harus dijawab dalam hasil percobaan Radiasi benda hitam? </li></ul><ul><ul><li>E  v , T </li></ul></ul><ul><ul><li>lambda  T </li></ul></ul><ul><li>Yang sudah mencoba menjawab problem radiasi benda hitam : </li></ul><ul><ul><li>Max Plank : energi  v , T </li></ul></ul><ul><ul><li>Reyleigh-Jean : energi  v , T </li></ul></ul><ul><ul><li>Stefan-Bolzman: energi  T </li></ul></ul><ul><ul><li>Wien : lambda  T </li></ul></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  21. 21. Kesimpulan <ul><li>Fisika klasik gagal menjelaskan fenomena benda hitam ( Reyleigh-Jean ) karena: </li></ul><ul><ul><li>“ asumsi bahwa energi GEM adalah kontinu” </li></ul></ul><ul><li>Siapa yang berhasil menjelaskan fenomena RBH? </li></ul><ul><ul><li>Max Plank </li></ul></ul><ul><ul><li>Mengapa? Menggunakan asumsi bahwa energi GEM adalah diskrit ” </li></ul></ul><ul><ul><li>Apa itu diskret? Jawab: tertentu </li></ul></ul><ul><ul><li>Tertentunya berapa? Kelipatan dari hv </li></ul></ul><ul><li>PELAJARAN PENTING: </li></ul><ul><ul><li>“ BESARNYA ENERGI GEM BERSIFAT DISKRIT ( TERKUANTISASI )” (TEORI MAX PLANK, 1900) </li></ul></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  22. 22. Lampiran 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  23. 23. A. Radiasi Benda Hitam Z X y E PEMBUKTIAN 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |  dA r Energi dalam elemen volume: Energi yang keluar melalui dA Energi pada dA
  24. 24. <ul><ul><li>Intensitas cahaya matahari di ekuator bumi 1.4 kW/m 2 . Hitunglah temperatur permukaan matahari jika matahari dianggap memancarkan cahaya seperti benda hitam. </li></ul></ul><ul><ul><li>Catatan: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Jari-jari orbit bumi rata-rata = 1.5 x 10 11 m. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Jari-jari matahari = 7 x 10 8 m </li></ul></ul></ul>r orbit r M RT I 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  25. 25. A. Radiasi Benda Hitam Gelombang Tegak Ragam Gelombang Tegak Rongga konduktor 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  26. 26. <ul><ul><li>Persamaan Umum Gelombang EM </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Misal solusinya mengambil bentuk: </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Persamaan gelombang EM menjadi </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Penyelesaian: </li></ul></ul></ul>A. Radiasi Benda Hitam 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  27. 27. A. Radiasi Benda Hitam 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  28. 28. A. Radiasi Benda Hitam 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  29. 29. Quiz A <ul><li>Jika ada benda bertemperatur 0 K. Apakah benda tersebut meradiasi? </li></ul><ul><li>Pada temperatur kamar kebanyakan kita dapat melihat benda karena benda tersebut memantulkan cahaya yang mengenainya. Jika ada benda memancarkan cahayanya sendiri, apakah dapat dipastikan benda tsb panas? </li></ul><ul><li>Ketika filamen strika listrik dialiri arus listrik, awalnya tidak terlihat bercahaya tetapi sudah terasa panas, tetapi lama-kelamaan akan pijar dengan warna cahaya berubah dari merah ke kuning. Jelaskan mengapa demikian? </li></ul><ul><li>Mengapa fisika klasik gagal menjelaskan radiasi benda hitam? </li></ul><ul><li>Asumsi apa yang diterapkan Max Plank sehingga bisa menjelaskan radiasi benda hitam? </li></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  30. 30. Quiz B <ul><li>Apakah yang disebut benda hitam itu? </li></ul><ul><li>Mengapa lubang kecil pada radiator rongga disebut benda hitam? </li></ul><ul><li>Apakah kesalahan pada Releigh-Jeans disebabkan oleh penggunaan distribusi Boltzman? </li></ul><ul><li>Asumsi apa saja yang digunakan Max Plank sehingga dapat menjelaskan radiasi benda hitam? </li></ul>01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |
  31. 31. TERIMA KASIH 01/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

×