3. STANDAR KOPETENSI Kompetensi Dasar Menganalisis berbagai besaran fisis pada gejala kuantum dan batas-batas berlakunya relativitas Einstein dalam paradigma fisika modern Kompetensi Dasar Menganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang mencakup hakikat dan sifat-sifat radiasi benda hitam serta penerapannya Materi Pembelajaran Radiasi benda hitam dan Dualisme partikel-gelombang cahaya

Indikator 1. Mendeskripsikan fenomena radiasi benda hitam 2. Mendeskripsikan hipotesis Planck tentang kuantum cahaya 3. Menerapkan perilaku radiasi benda hitam untuk menjelaskan gejala pemanasan global (misalnya pada efek rumah kaca) Alokasi Waktu 8 jam

A. RADIASI BENDA HITAM 1. Intensitas Radiasi Benda Hitam Benda yang dipanaskan, memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnet. Pancaran energi oleh suatu benda karena suhunya, disebut radiasi termal.. Spektrum cahaya,energi dan panjang gelombng elektromagnet yang dipancarkan oleh logam yang dipanaskan dapat dilihat dan dianalisa dengan spektrometer Spektrum cahaya dan energi yang dipancarkan oleh benda yang dipanaskan tergantung pada beberapa faktor,antara lain suhu benda, sifat permukaan benda dan jenis bahan benda.

: Jumlah energi tiap detik ( daya radiasi ) yang dipancarkan oleh permukaan suatu benda pada suhu mutlak T oleh Stefan Bolzman dirumuskan sebagai berikut Keterangan : P = daya radiasi ( watt ) W = energi radiasi ( Joule ) e = koefisien emisi / emitivitas radiasi ( antara 0 dan 1 ) σ = tetapan Stefan Bolzman ( σ = 5,67 x 10-8 W/m2 K4 A = luas penampang benda ( m2 ) T = suhu mutlak ( K ) t = waktu atau lama radiasi ( s ) Benda hitam dengan e = 1, merupakan pemancar dan penyerap kalor yang paling baik. Jumlah energi tiap detik ( daya radiasi ) tiap stuan luas bidang disebut intensitas radiasi atau kekuatan radiasi. I = intensitas radiasi ( watt .sekon=Joule ))

2. Hukum Wien Intensitas radiasi benda hitam pada beberapa suhu, terlihat seperti gambar 1.1. Intensitas radiasi I sebagai fungsi panjang λ pada suhu 2000 K,3000 K dan 4000 K Pada setiap suhu,grafiknya berbentuk garis lengkung Garis lengkung itu mempunyai harga maksimum, yang menyatakan intensitas radiasi maksimum untuk panjang gelombang tertentu pada suhu tertentu.

Hubungan antara panjang gelombang pada intensitas radiasi maksimum ( λmaks ) dengan suhu mutlak ( T ) dinyatakan dengan hukum pergeseran Wien : Keterangan : Λmaks = panjang gelombang pada intensitas maksimum (m) T = suhu mutlak ( K ) C = konstanta Wien ( C = 2,898 x 10-3 m K ) Grafik disamping ini menunjukkan hubungan antara intensitas radiasi (I) dengan frekuensi (f) pada setiap kenaikan suhu T Intensitas radiasi maksimum I bergeser ke frekuensi f yang lebih besar bila suhu benda hitam naik

3. Efek Rumah Kaca Dalam atmosfir bumi terdapat berbagai jenis gas. Gas itu dapat meneruskan sinar matahari yang bergelombang pendek sehingga sinar matahari dapat sampai ke bumi. Setelah sinar matahari mengnai permukaan bumi, permukaan bumi menjadi panas. Bumi akan memancarkan kembali sinar yang diterimanya. Menurut hukum fisika, panjang gelombang sinar yang dipancarkan sebuah benda tergantung pada suhu benda tersebut. Makin tinggi suhunya, semakin pendek panjang gelombang yang dipancarkannya. Matahari dengan suhu yang tinggi memancarkan sinar dengan panjang gelombang pendek. Karena suhu bumi rendah, bumi memantulkan sinar yang bergelombang panjang, yaitu sinar inframerah atau sinar panas.

Di dalam atmosfir terdapat berbagai jenis gas yang terdiri atas lebih dari satu jenis atom. Dengan adanya berbagai jenis gas itu sinar inframerah terserap oleh atmosfir, sehingga sinar inframerah atau sinar panas tidak dapat lepas ke angkasa luar. Panas itu terperangkap di lapisan bawah atmosfir, yaitu lapisan troposfir. Akibat adanya panas yang terperangkap itu suhu troposfir dan permukaan bumi menjadi meningkat atau terrjadi pemanasan global. Inilah yang disebut efek rumah kaca (ERK), dan gas yang menyerap panas itu disebut gas rumah kaca (GRK). Yang termasuk gas rumah kaca (GRK) adalah Kelompok karbon : CO, CO2, CH4 Kelompok oksigen : O3 Kelompok nitrogen : N2O, NO2, N2O5, HNO2, NH3 Kelompok belerang : SO2, SF6, COS, CS2, H2S Kelompok halogen : CFC

Dengan naiknya suhu bumi atau pemanasan global ( antara 3 s Dengan naiknya suhu bumi atau pemanasan global ( antara 3 s.d 5,5oC ) dapat menimbulkan beberapa dampak. Ada dua dampak utama dari pemanasan global ini, yaitu terjadinya perubahan iklim dan kenaikan permukaan air laut. Adanya perubahan iklim dapat menrugikan sebagian wilayah di bumi ini dan juga ada yang diuntungkan. Wilayah-wilayah yang diuntungkan diantaranya daerah-daerah bagian utara Amerika, Eropa dan Asia. Daerah-daerah ini akan menjadi lebih panas, sehingga pertanian akan lebih baik. Daerah-daerah yang dirugikan, yaitu negara pemasok bahan pangan dunia, tanahnya akan menjadi kering dan tidak sesuai lagi untuk pertanian. Jika kenaikan permukaan laut terjadi, negara-negara kepulauan di Samudra Pasifik,termasuk di Indonesia akan menderita. Di Indonesia beberapa daerah kota pantai seperti Jakarta, Surabaya, Banjarmasin dan Aceh sebagian akan terendam air. Ribuan tambak akan hilang dan ribuah hektar lahan sawah pasang surut tidak berfungsi lagi.

Salah satu program pemerintah sehubungan dengan pemanasan global adalah program “ Langit Biru “ yang dumulai tahun 1993. Langkah-langkah yang dilakukan adalah : Melaksanakan pengujian emmisi, khususnya untuk kendaraan umum melalui operas Zebra 1993 2. Pengujian “ on the spot “. Kendaran yang sudah punya identitas baik, perlu diuji lagi. Disamping program langit biru, sebenarnya Indonesia sudah memiliki Undang-undang tentang Lingkungan Hidup, yaitu UU No.4/1982, yang baru didukung oleh PP.No.29/1984 tetang Analisa Mengenai Dampak Lingkungan.

B. DUALISME GELOMBANG PARTIKEL Menurut Max Planck, gelombang elektromagnet memancar berupa foton ( paket-paket energi ). A.H Compton dalam percobaannya mengamati adanya tumbukan antara foton sinar-x dengan elektron, yang berarti foton memiliki momentum. Berdasarkan hal ini Max Planck menyatakan bahwa cahaya mempunyai sifat dualisme ( kembar ), yaitu cahaya sebagai gelombang dan cahaya sebagai partikel. 1. Teori Kuantum Cahaya Pada percobaan radiasi benda hitam, Max Planck menyimpulkan bahwa eneri cahaya atau energi gelombang elektromagnet dipancarkan atau diserap oleh benda sebagai paket-paket energi ( satuan diskrit) yang disebut foton. Foton berasal dari kata foto dan elektron.

Besarnya energi sebuah foton, ditentukan oleh frekuensi dari gelombang elektromagnet Jika ada n foton, maka besarnya energi radiasi adalah Keterangan : E = energi foton ( Joule ) h = konstanta Planck ( h = 6,63 x 10-34 J.s ) f = frekuensi ( Hz) λ = panjang gelombang ( m ) c = kecepatan cahaya ( c= 3 x 108 m/s )

2. Efek Fotolistrik Efek fotolistrik adalah peristiwa pelepasan elektron dari permukaan logam, karena logam itu disinari oleh cahaya atau gelombang elektromagnet. Elektron-elektron yang lepas pada peristiwa efek fotolistrik disebut foto elektron. Peristiwa efektotolistrik pertama kali diselidiki oleh Henrich Heratz pada tahun 1887 dengan menggunakan tabung hampa yang kemudian oleh JJ Tthomson disebut tabung Katoda.

Penelitian kemudian dilakukan oleh Robert A Milikan dari Amerika Penelitian kemudian dilakukan oleh Robert A Milikan dari Amerika. Pada penelitiannya Robert A Milikan menggunakan cahaya ( gelombang elektromagnet ) yang frekuensinya berbeda-beda. VV Dari penelitiannya diperoleh kesimpulan : 1). Emisi fotolistrik itu hanya akan terjadi jika frekuensi cahaya yang dipakai mempunyai harga minimum tertentu. Frekuensi ini disebut frekuensi ambang fo dari logam yang bersangkutan. 2). Energi kinetik fotoelektron yang dikeluarkan berkisar dari nol sampai harga maksimum tertentu. Energi kinetik maksimum dari fotoelektron berbanding lurus dengan frekuensi cahaya yang digunakan Energi kinetik maksimum dari fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya yang digunakan.

Dari grafik dapat diketahui bahaya : 3). Jumlah fotoelektron yang dilepaskan sebanding dengan intensitas radiasi cahaya yang digunakan Pengaruh intensitas radiasi cahaya yang digunakan dapat dijelaskan dengan grafik dibawah ini. Dua cahaya monokromatik dengan intensistas I1 dan I2 menghasilkan dua lengkungan grafik seperti gambar. Dari grafik dapat diketahui bahaya : a. Setelah batas tegangan V tertentu arus fotoelektron ( kuat arus listrik ) tidak bertambah ( telah jnuh ), walaupun tegangannya dinaikan. Jika tegangan V dikecilkan, maka pada saat tegangan V = nol, ternyata masih ada arus listik,walaupun kecil dan pada saat tegangannya sampai tengannyanya V=-Vo, grafik menunjukkan tidak ada arus fotoelektron ( kuat arus listik i =0 ) yang berarti tegangan itu menahan keluarnya elektron. atau

b. Apabila intensista cahaya yang datang dua kali lipat ( I2 = 2 I1 ), b. Apabila intensista cahaya yang datang dua kali lipat ( I2 = 2 I1 ), maka kuat arus jenuh I juga dua kali lipat ( i2 = i1) Penelitan selajutnya dilakukan oleh Albert Einstain pada tahun 1905. Albert Eintain menjelaskan efek fotolistik dengan menggunakan teori kuantum Max Planck, sebagai berikut. 1). Untuk membebaskan sebuah elektron dari suatu logam diperlukan sejumlah energi minimum tertentu yang disebut fungsi kerja logam ( Wo ) yang besarnya tergantung pada jenis logam. 2). Energi foton E = h.f dari cahaya yang digunakan harus lebih besar dari kerja logam ( Wo ) agar dapat mengeluarkan elektron logam tersebut. 3). Kelebihan energi ( h.f – Wo ) merupakan enrgi kinetik maksimum elektron yang dikeluarkan.

Frekuensi cahaya terkecil yang menyebabkan elektron akan keluar dari prmukaan logam ( katoda ) disebut frekuensi ambang ( fo ). Jika frekuensi cahaya yang datang f = fo ,maka Ekmaks = 0 Keterangan : Ekmaks = energi kinetik maksimum elektron foto ( Joule ) h.f = E = energi dari masing-masing foton cahaya yang datang ( Joule ) h.fo=Wo = fungsi kerja logam, yaitu energi minimum foton untuk melepaskan sebuah elektron dari permukaan logam ( Joule )

3. Efek Compton Mnurut teori kuantum Max Planck, foton berlaku sebagai partikel, hanya foton tidak mempunyai massa diam. Seluruh massa foton adalah hasil gerakkannya dengan kecepatan cahaya. Pada tahun 1923 A.H Compton mengadakan percobaan yang menunjukkan bahwa foton ( paket-paket energi ) cahaya dapat diartikan sebagai partikel, karena foton memeiliki momentum. Gambar di bawah ini menunjukkan tumbukan antara foton sinar-x dengan elektron yang dalam keadaan diam. Menurut pengamatan Compton, sinar-x mengalami penghamburan dari arah semula dan mengalami perubahan panjang ( frekuensi ), sedangkan elektronya menerima impuls dan bergerak. Peristiwa ini disebut efek Compton. Panjang gelombang sinar-x yang dihamburkan lebih panjang dari panjang gelombang sinar-x mula-mula.

λ’ = panjang gelombang sinar-x yang dihamburkan (m) … Besarnya panjang gelombang sinar-x yang dihamburkan, menurut Compton adalah λ’ = panjang gelombang sinar-x yang dihamburkan (m) λ = panjang gelombang sinar-x mula-mula (m) m = massa partikel diam/elektron (kg) c = kecepatan cahaya (m/s2) Besarnya momentum foton dapat dicari sebagi berikut : a. Energi foton sebagai partikel, menurut Einstain : b. Energi foton sebagai gelombang, menurut Max Planck : Dari kedua persamaan tersebut, diperoleh Dimana m.c = p, yaitu momentum foton. Jadi besarnya momentum foton adalah

Sebuah foton dengan panjang gelombang λ mempunyai momentum . 4. Hipotesa De Broglie Pada tahun 1925 Luis De Broglie mengemukakan bahwa jika cahaya mempunyai sifat dualisme, yaitu bersifat gelombang dan partikel, maka sebaliknya semua partikel juga bersifat gelombang. Sebuah foton dengan panjang gelombang λ mempunyai momentum Karena p.λ = h, merupakan suatu konstanta, maka panjang gelombang foton ditentukan oleh momentumnya Momentum suatu partikel bermassa m, yang bergerak dengan kecepatan v adalah p=m.v, maka panjang gelombang De Broglienya : Makin besar momentum partikel, makin pendek panjang gelombangnya