FISIKA MODERN "Dan Kami menjadikan langit itu sebagai atap yang terpelihara, sedang mereka berpaling dari segala tanda-tanda (kekuasaan Allah) yang ada padanya." (Al Qur'an, 21:32) Oleh Ugi Sugiarti S.Si

Standar Kompetensi Menganalisis berbagai besaran fisis pada gejala kuantum dan batas-batas berlakunya relativitas Einstein dalam paradigma fisika modern. Kompetensi Dasar

Kompetensi Dasar 3.1 Menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang mencakup hakikat dan sifat-sifat radiasi benda hitam serta penerapannya. Indikator

Indikator Mendiskripsikan fenomena radiasi benda hitam Mendiskripsikan hipotesis Planck tentang kuantum cahaya. Menerapkan karakteristik radiasi benda hitam untuk menjelaskan gejala pemanasan global.

Dualisme Gelombang Cahaya Teori Radiasi Benda Hitam Radiasi Panas

Radiasi Panas Perpindahann Kalor atau panas tanpa perantara (pancaran) Setiap benda yang suhunya diatas O K akan memancarkan radiasi panas. Radiasi juga tetap terjadi bila benda yang digunakan berwarna hitam (mis: karbon) Radiasi benda selain panas juga memancarkan infra merah Warna yang terpancar tidak bergantung pada jenis bahan atau warna asalnya, melainkan pada temperaturnya semata

Intensitas Radiasi Hukum Stefan –Boltzmann I = eσT4 I = P/A P = eσAT4 dengan I = intensitas radiasi(Watt/m 2) P = Daya radiasi(Watt) e = koefisien emisitivitas σ = tetapan Boltzmann 5,67 x 10-8 T = suhu (K) I = eσT4 I = P/A P = eσAT4

B. Radiasi Benda Hitam Pertama kali dikenalkan oleh Gustav Robert Kirchoff (1862) Benda hitam adalah benda ideal yang mampu menyerap atau mengabsorbsi semua radiasi yang mengenainya, serta tidak bergantung pada frekuensi radiasi tersebut. Benda hitam sempurna adalah pemancar kalor radiasi sempurna (e = 1) Ilustrasi

Contoh Soal Sebuah pelat baja tipis berbentuk persegi dengan panjang sisi 10 cm, dipanaskan dalam suatu tungku sehingga suhunya mencapai 727o Tentukan energi radiasi kalor setiap sekon. Kawat spiral lampu pijar luas permukaan 50 mm2, suhunya 1127o, 60 5 dari energi listrik  yang dihantarkan pada lampu diradiasikan dalam bentuk kalor, dan kawat pijar bersifat seperti benda hitam. Berapa ampere arus yang mengalir dalam lampu yang dihubungkan dengan stop kontak (bertegangan 220 Volt) , agar lampu tersebut dapat berfungsi ?

Teori Spektrum RBH 1. Hukum Pergesaran Wien “Panjang gelombang untuk intensitas maksimum berkurang dengan meningkatnya suhu”. Temperatur bertambah besar, puncak distribusi bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek.

Perumusan Teori Wien Wilhelm Wien merumuskan bahwa terjadi pergeseran maksimal maks sesuai perumusan maks T = C, C = 2.898 x10-3 m K Kelemahan Teori Wien : Dapat menjelaskan teori radiasi untuk panjang gelombang pendek, sedangkan terjadi penyimpangan untuk panjang gelombang panjang.

Pertanyaan Manakah yang benar dari pernyataan berikut: Suatu lampu bola menyala/bercahaya karena filamennya dipanaskan Suatu lampu bola menjadi panas karena filamennya menyala

Contoh Soal Suhu permukaan suatu benda 483 K. Jika tetapan Wien 2,89 x 10-3 mK, maka panjang gelombang radiasi pada intensitas maksimum yang dipancarkan oleh permukaan benda adalah… Suhu sebuah lampu pijar berubah dari 4000 K memnjadi 2000 K. jika tetapan pergeseran Wien 2,9 x 10-3 mK, pergeseran panjang gelombang adalah…

Teori Spektrum RBH 2. Teori Rayleigh-Jeans Perumusan teori Rayleigh-Jeans u(λ,T) = 8πkTλ-4 Perumusan Rayleigh – Jeans ini dapat menjelaskan teori radiasi benda hitam pada daerah panjang gelombang panjang, tetapi gagal untuk daerah panjang gelombang yang pendek. Kegagalan rumus rayleigh-Jeans ini dikenal sebagai bencana ultraviolet(ultraviolet catastrophe)

Grafik Rayleigh-Jeans

Kesimpulan Teori Klasik Radiasi Benda Hitam Teori Maxwell Mampu menjelaskan asal radiasi kalor, tetapi tidak dapat memprediksikan spektrum cahaya yang dipancarkan W. Wien Teori Mampu menjelaskan radiasi benda hitam untuk panjang gelombang yang pendek, tetapi tidak dapat menjelaskan untuk panjang gelombang yang panjang Rayleigh-Jeans Mampu menjelaskan radiasi benda hitam untuk panjang gelombanng yang panjang, tatapi gagal menjelaskan untuk panjang gelombang pendek

Teori Fisika Modern Teori Max Planck Radiasi yang dipancarkan tidak kontinu, tetapi dalam bentuk paket-paket energi yang bersifat diskrit Molekul-molekul menyerap atau memancarkan energi radiasi berupa paket diskrit(kuanta/foton)

Teori Max Planck (Teori Kuantum) Energi Foton dinyatakan : n = bilangan kuantum (1,2,3,…..) E = energi tingkat ke-n h = tetapan Planck (6,63 x 10-34) Js f = frekuensi c = kecepatan rambat cahaya 3x108 m/s En = nhf En = nh c/λ

Grafik Teori Planck Ilustrasi

Teori Planck Teori Planck merupakan penggabungan teori Wien dan Rayleigh-Jeans. Teori ini cocok untuk semua panjang gelombang, baik panjang gelombang pendek ataupun panjang gelombang panjang. Teori Planck merupakan pelopor untuk teori-teori fisika modern berikutnya, diantaranya teori Einstein dalam penjelasan efek fotolistrik, de Broglie, A.H Compton dll.

Aplikasi Radiasi Panas Termografi (peta panas permukaan) Diagnostic thermal Bidang kesehatan(biomaterial) Bidang makanan(sterilisasi)

Contoh Soal Sebuah lampu natrium 20 W berwarna kuning ( = 600 nm). Berapa banyak foton yang dipancarkan lampu itu setiap sekon? Pesawat sinar Xsedang beroperasi pada tegangan 30 kV, panjang minimun sinar X yang dihasilkan adalah… A. 0,0175 A D. 1,25 A B. 0,0414 A E. 2,50 A C. 0,75 A

C. Dualisme Gelombang Cahaya Cahaya sebagai partikel Dikemukakan oleh Newton, Einstein, dan Compton Memiliki momentum Cahaya sebagai gelombang Dikemukakan oleh Huygens, de Broglie Memiliki panjang gelombang

Efek Fotolistrik Peristiwa lepasnya elektron dari permukaan logam ketika logam tersebut disinari cahaya. Intensitas cahaya yang menyinari logam, mempengaruhi banyaknya elektron yang diemisikan. Kecepatan elektron-elektron yang diemisikan hanya bergantung kepada frekwensi cahaya. ILUSTRASI

Efek Fotolistrik Rumusan : E = W0 + Ek Ek = E – W0 ½ mv2 = hf – hf0 Energi potensial listrik yang dihasilkan = energi kinetik fotoelektron eV = Ek Keterangan : hf = energi foton yang datang W 0 = hf0 = energi ambang dimana f = c/λ

Contoh Soal Suatu permukaan logam natrium disinari cahaya dengan panjang gelombang 300 nm. Fungsi kerja logam natrium adalah 2, 46 eV. Tentukan : a. Energi kinetik maksimum elektron-elektron foton yang dikeluarkan b. panjang gelombang ambang natrium

Efek Compton(Arthur H.Compton) (membuktikan cahaya memiliki sifat partikel) Efek Compton peristiwa foton(sinar-X) menembak elektron. Setelah terjadi tumbukan, elektron terpental dan foton terhambur sehingga energi hamburan berkurang dari semula. ILUSTRASI

Bagan Percobaan Efek Compton Foton sinar –X terhambur dengan frekuensi f’ Sinar-X dengan frekuensi f Elektron terpental

Perumusan Efek Compton Menurut Einstein E = mc2 Karena E = hf, maka hf = mc2 hc/λ = mc2 Momentum dari sebuah foton adalah p = mc, maka p = h/ λ

Perumusan Efek Compton Dengan menggunakan hukum kekekalan energi dan momentum pada tumbukan, maka akan diperoleh dengan : λ' = panjang gelombang foton setelah tumbukan λ = panjang gelombang foton sebelum tumbukan m0 = massa diam electron (9,1 x 10-31 kg)

Contoh Soal Hitung pergeseran panjang gelombang Compton untuk sebuah foton cahaya yang menumbuk sebuah elektron bebas dan dipantulkan balik! Foton-foton sinar x dengan panjang gelombang 0,800 nm menumbuk elektron – elektron bebas dalam sebuah sasaran karbon. Tentukan panjang gelombang dari foton yang dihamburkan 900 relatif terhadap arah datang foton!

Teori de Broglie(1924) Louis de Broglie : “partikel yang memiliki momentum p juga memiliki sifat seperti gelombang” dengan : λ = panjang gelombang de broglie (m) m = massa partikel (kg) v = kecepatan partikel (m/s)

Contoh Soal Hitunglah masing-masing panjang gelombang de Broglie sebuah bola bermassa 20 gram yang bergerak dengan kecepatan 5 m/s dan sebuah elektron (m = 9,1 x 10-31 kg) yang bergerak dengan kecepatan 1 x 106 m/s Sebuah elektron yang dipercepat melalui beda potensial 100 V memiliki laju v = 6 x 106 m/s. Berapakah panjang gelombang de Broglie jika massa elektron 9,1 x 10-31 kg

Latihan Pada peristiwa efek fotolistrik kelajuan maksimum elektron yang lepas dari logam bergantung pada : (1) intensitas cahaya datang (2) frekuensi sinar datang (3) sudut yang dibentuk oleh cahaya terhadap permukaan logam (4) energi ambang logam Pernyataan yang benar adalah…

Perhatikan pernyataan berikut: (1) peristiwa efek fotolistrik dapat dijelaskan dengan menganggap cahaya terdiri dari paket-paket energi (2) peristiwa efek fotolistrik dapat membuktikan bahwa cahaya dapat berperilaku sebagai gelombang (3) energi elektron yang keluar dari permukaan logam bergantung pada frekuensi (4) peristiwa efek fotolistrik terjadi pada sekitar daerah infra red

Dan Dia menundukkan pula apa yang Dia ciptakan untuk kamu di bumi ini Dan Dia menundukkan pula apa yang Dia ciptakan untuk kamu di bumi ini. Sesungguhnya pada yang demikian itu benar-benar terdapat tanda-tanda kekuasaan Allah bagi kaum yang berfikir (An Nahl 13)