Halaman
225Radiasi Benda HitamBenda yang panas akan memancarkan radiasi elektromag-netik. Penyelidikan atas spektrum radiasi yang dipancarkan benda panas merupakan titik awal menuju pada pemaha-man konsep gelombang partikel. Pernahkah Anda mem-perhatikan lampu pijar saat menyala? Saat menyala, lampu pijar memancarkan cahaya yang bersumber dari filamen. Jika arus listrik dialirkan, filamen ini akan menahan arus listrik. Hal ini menyebabkan kenaikan suhu filamen yang sangat cepat sehingga filamen menyala dan memancar-kan cahaya. Pemancaran cahaya akibat kenaikkan sinar demikian dinamakan radiasi termal.Dalam bab ini, Anda akan mempelajari radiasi, yaitu radiasi benda hitam. Apa yang dimaksud dengan radiasi benda hitam? Anda dapat mengetahui jawabannya pada pembahasan berikut.Sumber: CD Image, 2004Bab5Bab5A. Pengertian Radiasi Benda HitamB. Pergeseran WienC. Teori Rayleight-Jeans D. Teori Kuantum Max PlanckStandar KompetensiMenganalisis berbagai besaran fisis pada gejala kuantum dan batas-batas berlakunya relativitas Ein-stein dalam paradigma fisika modern.Kompetensi DasarMenganalisis secara kualitatif gejala kuantum yang men-cakup hakikat dan sifat-sifat radiasi benda hitam serta penerapannya.225
226Fisika untuk SMA/MA kelas XII A. Pengertian Radiasi Benda HitamBagaimanakah hubungan antara banyaknya energi yang dipancarkan dengan suhu benda? Secara sederhana, kita dapat melakukan eksperimen ataupun melalui pengamatan terhadap sebuah benda yang sedang berpijar. Mendeka-tlah ke sebuah lilin yang sedang menyala. Dekatkan tangan Anda. Anda akan merasakan adanya kalor yang dipancarkan lilin ke tangan Anda. Sekarang, coba Anda gantilah lilin tersebut dengan sumber api lain yang lebih besar, misalnya lampu minyak berukuran besar. Anda akan merasakan bahwa kalor yang dipancarkan ke tangan Anda akan lebih banyak.Setelah melakukan eksperimen di atas, apa yang dapat Anda simpulkan. Makin tinggi suhu sebuah benda, makin besar pula energi kalor dipancarkan. Fenomena ini untuk kali pertamanya dikemukakan dan diselidiki oleh Jeseph Stefan. yang melakukan eksperimen untuk menghitung besar energi kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda. Lalu, Ludwig Boltzmann merumuskan secara matematis banyaknya kalor (Q) yang dipancarkan oleh sebuah benda (P) selama selang waktu 1 sekon.dengan: = emisivitas benda = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 × 10–8 W/m2.K4A = luas permukaan bendaT = suhu mutlak bendaGambar 5.1Makin tinggi suhu benda, makin besar energi kalor yang dipan-carkan.RadiasiStefon-BoltmannWienMax PlanckEnergiFotolistrikKata Kunci
227Radiasi Benda HitamSebuah benda memiliki suhu 327 °C. Jika konstanta emisivitas benda itu , berapakah intensitas radiasi yang dipancarkan?Jawab:Diketahui: T = (273 + 327) k = 600 K; = 5.67 × 10–8 Wm–2K–4; dan e =I = eT4 =(5.67 × 10–8 Wm–2K–4)(600 K)4 =(5.67 × 10–8 Wm–2K–4)(1.296 × 1011 K4) = 5.878.66 Wm–2.Jadi, intensitas radiasi yang dipancarkan benda tersebut sebesar 5.878.66 Wm–2.Contoh Soal 5.1Emisivitas sebuah benda dapat dinyatakan sebagai ke-mampuan benda untuk memancarkan energi (gelombang elektromagnetik). Makin besar emisivitas benda maka makin mudah pula benda tersebut memancarkan energi. Nilai e adalah antara 0 dan 1.Sebuah benda dapat menyerap semua radiasi yang mengenainya disebut benda hitam sempurna. Radiasi yang dihasilkan oleh sebuah benda hitam sempurna ketika dipanaskan disebut radiasi benda hitam. Kamu juga perlu mengetahui bahwa benda hitam sempurna merupakan suatu model. Jadi, sebenarnya tidak ada sebuah benda yang berperilaku sebagai benda hitam sempurna.Benda hitam memiliki nilai e = 1. Berdasarkan definisi benda hitam sempurna ini, kita dapat membuat suatu model benda hitam yang menyerap hampir seluruh radiasi yang mengenainya. Coba Anda perhatikan gambar berikut.Gambar 5.2Pemantulan berulang dalam sebuah kaleng menghasilkan energi benda hitam.Cahaya
228Fisika untuk SMA/MA kelas XII Bagaimana pemantulan yang terjadi pada cahaya ke-tika dimasukkan ke dalam sebuah kaleng yang pada salah satu sisinya terdapat sebuah lubang kecil. Kaleng kosong yang dilubangi dapat dikatakan sebagai sebuah benda hitam.Mengapa lubang kecil pada kaleng tersebut terlihat gelap walaupun pada siang hari? Perlu Anda ketahui lubang yang terlihat gelapa pada siang hari disebabkan cahaya yang masuk melalui lubang tersebut dipantulkan berulang kali di sekitar pantulan, banyaknya kalor (energi) yang diserap adalah 20% maka setelah sepuluh kali pe-mantulan kalor yang dibawa oleh cahaya yang keluar dari lubang tinggal sekitar 10% energi mula-mula. Inilah yang menyebabkan lubang kelihatan hitam, walaupun dinding bagian dalam kaleng mengkilap.Kerjakanlah dalam buku latihanmu.1. Suhu tubuh seseorang 36 oC. Berapakah panjang gelombang di mana radiasi maksimum terjadi?2. Pada kisaran suhu berapakah panjang gelombang maksimum radiasi benda hitam bervariasi dari 600 nm sampai 700 nm (cahaya tampak)?Uji Kemampuan 5.13. Dua buah lampu pijar masing-masing memiliki suhu 27 oC dan 127 oC dan jari-jari lampu pertama dua kali jari-jari lampu kedua.Gambar 5.3Pergeseran Wienpanjang gelombang12 351015intensitas (MW/m2)T1 = 4.000 KT2 = 3.000 KT3 = 2.000 K0B. Pergeseran WienWilhelm Wien, seorang fisikawan Jerman, menemukan suatu hubungan empiris sederhana antara panjang gelom-bang yang dipancarkan untuk intensitas maksimum () sebuah benda dengan suhu mutlaknya (T) yang dikenal sebagai hukum pergeseran Wien, yaitudengan:C = tetapan pergeseran Wien Grafik Gambar 5.3 merupakan grafik intensitas panjang gelombang suatu benda hitam sempurna untuk tiga jenis suhu.
229Radiasi Benda HitamPerhatikan pergeseran puncak–puncak spektrum pan-jang gelombang untuk intensitas maksimum semakin kecil dengan bertambah besarnya suhu. Total energi kalor radiasi yang dipancarkan sebanding dengan luas daerah di bawah grafik. Sebuah benda di panaskan sehingga suhunya 5.000 °C. Tentukan panjang gelombang pembawa intensitas radiasi maksimum yang dipancarkan benda tersebut.Jawab:Diketahui: T = 5.000 °C = (5.000 + 273)K = 5.273 KMaka, maks (5.273) = 2.898 × 10–3 mKJadi, panjang gelombang pembawa intensitas radiasi maksimum benda 5,50 × 10–7 m.Contoh Soal 5.2C. Teori Rayleight-Jeans Rayleight-Jeans menentukan hubungan energi radiasi dengan frekuensi gelombang. Hukum pergeseran Wien hanya menjelaskan hubungan antara energi radiasi ter-hadap panjang gelombang dengan cara mencari fungsi matematis yang sesuai dengan kurva (spektrum) sehingga tidak dapat menjelaskan tentang benda hitam. Raylight dan Jeans menjelaskan radiasi termal berdasarkan modus vibrasi (getaran) pada rongga benda hitam. Sesuai den-gan hukum ekuipartisi energi maka setiap partikel dalam benda hitam akan mempunyai energi untuk setiap derajat kebebasannya yaitu sebesar: Suhu mutlak T bersifat kontinu sehingga energi termal yang dipancarkannya juga akan bersifat kontinu. Maka, menurut Rayleight-Jeans energi harus bersifat kontinu. Bentuk grafik yang diperoleh secara teoretis dengan bentuk grafik secara eksperimen berbeda. Hanya akan sesuai untuk Gambar 5.4Perbandingan teori Wien, Reyleigh-Jeans, dan Max Planck untuk menjelaskan radiasi benda hitam.Energipanjang gelombangTeori WienTeori Max-PlanckTeori Rayleigh-Jeans0
230Fisika untuk SMA/MA kelas XII daerah frekuensi yang rendah atau panjang gelombang yang panjang sehingga yang sesuai dengan hasil percobaan radiasi benda hitam adalah hukum pergeseran Wien.D. Teori Kuantum Max PlanckMax Planck mendapatkan fakta bahwa rumus Wien cocok untuk radiasi benda hitam, jika dilakukan pengembangan secara teoretis. Planck juga berhasil memperbaiki teori Rayleight-Jeans yang akhirnya akan sesuai dengan spek-trum radiasi benda hitam. Menurut Planck, energi meru-pakan paket-paket energi yang disebut dengan kuanta, dapat dikatakan pula bahwa energi bersifat diskret. Energi gelombang elektromagnetik dalam benda hitam dirumus-kan dengan:dengan:E = energi (joule)h = konstanta Planck (6,63 × 10-34 joule sekon)f = frekuensi (Hz)n = jumlah kuantaMenurut Max Planck, cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang merupakan kuanta yang bergerak dengan kecepatan cahaya. Kuanta-kuanta tersebut dinama-kan dengan foton. Foton memiliki dua sifat, yaitu sebagai gelombang dan sebagai partikel.E. Efek FotolistrikEfek fotolistrik dijelaskan oleh Einstein sebagai berikut. Pada sebuah tabung hampa yang dilengkapi dengan dua buah elektrode, yaitu anode dan katode, kemu-dian dihubungkan dengan sumber tegangan searah (DC). Meskipun dengan tegangan yang digunakan adalah kecil, tetap terdapat aliran arus pada rangkaian. Jika tegangan antara elektrode dalam tabung diperbesar, maka arus yang mengalir pada rangkaian akan meningkat. Akan tetapi
231Radiasi Benda Hitampeningkatan arus tersebut tidak berlangsung terus. Sampai pada tegangan tertentu, arus akan bernilai konstan yang disebut dengan arus jenuh. Jika tabung tersebut dikenai cahaya, maka arus akan bertambah, karena cahaya memi-liki energi yang mampu menumbuk dan mengeluarkan elektron dari katode sehingga elektron mengalir menuju ke anode menjadi arus listrik. Jika intensitas cahayanya dilipatduakan maka arus konstan pun akan tambah menjadi dua kali. Jika sumber tegangan dibalik maka arus yang tadinya konstan akan berangsur-angsur menurun seiring dengan kenaikan tegangan, sampai pada akhirnya tidak mengalir. Tidak adanya arus listrik tersebut terjadi pada frekuensi tertentu (f0) yang disebut frekuensiambang.Percobaan tersebut menunjukkan bahwa cahaya berper-an membantu melepaskan elektron dari permukaan logam. Energi kinetik maksimum elektron yang lepas tidak bergan-tung pada intensitas cahaya yang mengenai logam, tetapi bergantung pada frekuensi cahaya yang mengenainya.Robert A. Millikan melakukan percobaan dengan mengubah-ubah frekuensi cahaya yang digunakan. Dari percobaannya, diperoleh gerak di samping. Dari perco-baan itu dapat disimpulkan bahwa fotoelektron hanya bergantung pada frekuensi foton yang mengenainya dan pada setiap bahan frekuensi ambangnya (f0) akan berbeda-beda. Albert Einstein menerangkan tentang fotoelektron dengan menggunakan hipotesis dari Max Planck, yaitu ca-haya merupakan paket-paket energi (foton) yang besarnya E= hf . Setiap elektron foto hanya mampu menangkap satu foton. Energi foton digunakan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, dan sisa energinya digunakan un-tuk bergerak atau sebagai energi kinetik. Dari hipotesis itu dapat dirumuskan:E = W0 + Ekdengan:E : energi fotonW0 : energi ambang elektronEk : energi kinetik elektronPenjelasan dari Einstein memperkuat hipotesis Planck bahwa cahaya merambat dalam bentuk paket-paket energi yang disebut dengan foton. Cahaya bersifat sebagai partikel Gambar 5.5Grafik hubungan antara v0 dan f0.V0f0Arus
232Fisika untuk SMA/MA kelas XII dan sebagai gelombang karena cahaya juga melakukan per-istiwa interferensi, difraksi, dan polarisasi. Selain itu, cahaya juga termasuk salah satu gelombang elektromagnetik.Daya Tembus Gelombang Elektromagnetik pada Berbagai Bahan Alat dan Bahan:• LDR sebagai pengganti tabung efek foto listrik• baterai• lampu• resistor• resistor variabel• pembangkit listrik• amperemeter dan voltmeter• pemutus arus Langkah-Langkah Eksperimen:1. Coba Anda sediakan alat dan bahan seperti gambar di atas.2. Rangkaikan model alat efek foto listrik sesuai dengan gambar 1. Model sama dengan model luks meter. Masukkan rangkaian ini pada kotak tanpa cahaya.3. Rangkaikan model alat pembangkit cahaya dengan lampu yang dapat diubah kuat pencahyaannya. Rangkaian ini sesuai dengan gambar desain gambar 2. Lampu pembangkit cahaya masuk ke dalam kotak sehingga dapat mencahayai LDR.4. Dalam kondisi rangkaian pembangkit cahaya off atau kondisi tanpa cahaya catatlah harga yang ditunjukkan oleh amperemeter ILDR.5. Tempatkan tahanan variabel pada posisi maksimum dan on-kan saklar, amati dan ukur harga amperemeter ILDR, amperemeter Ichy, dan voltmeter Vchy.6. Geser resistor variabel hingga harga tahanan lebih kecil amati dan ukur harga amperemetr ILDR, amperemter Ichy, dan voltmeter Vchy. Eksperimen 5.1Gambar 5.6
233Radiasi Benda Hitam 7. Ulangi langkah 6 untuk harga resistor variabel menjadi semakin kecil. 8. Catatlah data yang diperoleh pada tabel ya ng tersedia. 9. Gambarkan grafik hubungan antara ILDR dengan Vchy.10. Apa yang dapat disimpulkan dari eksperimen ini.Baterai (aki)Hambatan variabelVoltmeterAmpermeterKotakLDRLampuNoIchyVchyILDRKeteranganF. Efek ComptonTelah Anda ketahui bahwa cahaya atau gelombang elektro-magnetik yang menembus kaca, panjang gelombang dan frekuensinya setelah keluar dari kaca tidak mengalamiperubahan. Dengan kata lain, gelombang itu tidak menga-lami perubahan energi. Pernyataan ini kontradiktif dengan apa yang dialami oleh Compton. Pada 1923, Compton melakukan percobaan dengan menjatuhkan sinar-X yang berasal dari bahan radioaktif pada lempengan tipis. Hasil pengamatannya menunjukkan bahwa setelah keluar dari lempengan gelombang elektromagnetik mengalami ham-buran. Terbukti panjang gelombang bertambah panjang. Hal itu dirasa aneh, karena teori klasik yang ada pada saat itu tidak dapat menjelaskan peristiwa tersebut. Untuk menjelaskan masalah itu, Compton menganggap foton (gelombang elektromagnetik) sebagai materi.Gambar 5.7
234Fisika untuk SMA/MA kelas XII Karena dianggap sebagai materi, foton mempunyai momentum sehingga tumbukan antara foton sebagai materi dan elektron dalam lempengan berlaku hukum kekekalan momentum.Peristiwa itu dapat dijelaskan sebagai berikut.Dengan persamaan kesetaraan energi-massa dari Einstein, diperoleh:E = m . c2E = mc . c = p . cMengingat energi foton Planck E = hf maka momentum foton dapat ditentukan: atau dengan:p = momentum foton (Ns)h = tetapan Planck (Js)f = frekuensi gelombang elektromagnetik (Hz)c = laju cahaya (m/s) = panjang gelombang foton (m)Karena gelombang foton setelah tumbukan bertambah panjang, berarti energi foton berkurang E = hf – hf ‘, dalam hal ini f > f ‘ dan Melalui penurunan rumus yang agak panjang (tidak diuraikan di sini) diperoleh persamaan:dengan: = panjang gelombang foton setelah tumbukan = panjang gelombang foton sebelum tumbukanh = tetapan Planck (6,63 × 10–34 Js)m = massa elektron (9,1 × 10–31 kg)c = laju cahaya (3 × 108 m/s)Gambar 5.8Skema percobaan tumbukan foton dengan elektron oleh Compton. hffoton datangelektron diamelektron foton teramburEhf
235Radiasi Benda Hitam = sudut penyimpangan foton terhadap arah semula Mengingat merupakan konstanta dan dapat ditulis sebagai (= panjang gelombang Compton untuk elek-tron). Maka,= 2,43 . 10–12 m = 2,43 pm = 2,43 . 10–2 Å.Dengan demikian, persamaan dapat dituliskan:– = (1 – cos ) Apabila sudut = 0o, panjang gelombang foton ter-hambur akan minimum (paling pendek).– = (1 – cos ) = (1 – 1)Jika panjang gelombang foton yang terhambur mini-mum, maka energi kinetik elektron yang terpental (ter-tumbuk foton) juga minimum. Elektron yang tertumbuk foton akan diam.Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut.karena maka Eke = 0 (elektron tetap diam).Untuk sudut = 180o, panjang gelombang foton yang terhambur maksimum (paling panjang).– = (1 – cos 180°) = (1 – (–1)) = . 2= + 2Jika panjang gelombang foton yang terhambur maksi-mum, maka elektron terpental maksimum. Artinya, energi kinetik elektron maksimum.
236Fisika untuk SMA/MA kelas XII = + EkeEke = h(f – f ‘)Eke = Dari percobaan tersebut, Compton berkesimpulan bahwa gelombang elektromagnetik (termasuk di dalamnya cahaya) mempunyai sifat kembar, yaitu sebagai gelombang dan sebagai materi atau partikel. Pada peristiwa interfe-rensi, difraksi, dan polarisasi lebih tepat apabila cahaya dipandang sebagai gelombang, sedangkan pada peristiwa efek fotolistrik dan efek Compton lebih tepat apabila ca-haya dipandang sebagai partikel.Pada sebuah percobaan efek fotolistrik, arus mengalir pada sumbu amperemeter. Ketika potensial penghenti bernilai 2,5 V, ampereme-ter menunjukkan angka nol. Tentukanlah energi kinetik elektron yang terlepas pada efek fotolistrik tersebut.Jawab:Diketahui: Vs = 2,5 VEnergi potensial pengganti (Ek) eV = (1.61 × 10–19 c)(2,5 V) Ek = 4.0 × 10–19 JJadi, energi kinetik elektronnya 4.0 × 10–19 J.Contoh Soal 5.3Kerjakanlah dalam buku latihanmu.1. Lampu natrium 20 W memancarkan cahaya kuning dengan panjang gelombang 589 nm. Berapakah jumlah foton yang dipancarkan lampu itu setiap sekon?2. Sebuah lampu pijar 100 W memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 6600 . Jika energi lampu pijar yang berubah menjadi energi cahaya 6% dan konstanta Planck h = 6,6 × 10-34 Js, berapakah jumlah foton yang dipancarkan oleh lampu setiap sekon?Uji Kemampuan 5.23. Elektron foto dipancarkan dengan kecepatan nol dari suatu permukaan. Jika panjang gelombang sinar adalah 780 nm dan kecepatan cahaya 3 × 108 m/s, tentukan besarnya fungsi kerja logam tersebut.4. Cahaya dengan panjang gelombang 60 nm meradiasi permukaan logam yang memiliki fungsi kerja 0,3 × 10-18 J. Jika c = 3 × 108m/s dan h = 6,6 ×10-34 Js, tentukan:a. energi kinetik maksimum elektron –fotonya; b. potensial henti.
237Radiasi Benda HitamG. Teori Gelombang De BroglieCahaya memiliki sifat kembar, yaitu sebagai gelombang sekaligus sebagai partikel (materi). Berangkat dari sifat kembar cahaya, Louise de Broglie berpikiran, apa salah-nya jika materi (partikel) juga memiliki sifat gelombang. Dalam rangka menindaklanjuti pikirannya itu, de Broglie membuat hipotesis bahwa partikel elektron juga mempu-nyai sifat gelombang. Untuk membuktikan hipotesisnya itu, de Broglie mencari hubungan antara ciri khas besa-ran gelombang, yaitu panjang gelombang dan besaran partikel, yaitu momentum. Mengingat momentum foton maka panjang gelombang partikel yang mempunyai momentum p sehingga diperoleh persamaan de Broglie yaitu:dengan: = panjang gelombang partikel (panjang gelombang de Broglie)h = tetapan Planckp = momentum partikelm = massa partikelv = kecepatan partikelSuatu hipotesis tidak dapat diterima sebagai teori sebelum dibuktikan dengan eksperimen. Untuk itu, pada 1927 Davisson dan Genner melakukan eksperimen un-tuk membuktikan hipotesis Louise de Broglie itu. Untuk membuktikan hipotesis tersebut dibuat suatu alat yang dapat menunjukkan gejala adanya gelombang, dalam hal ini difraksi. Pada percobaan difraksi cahaya digunakan kisi difraksi biasa. Namun, pada percobaan Davisson-Genner, materi yang digunakan adalah elektron dan sebagai kisinya digunakan kisi yang lebarnya kira-kira sama dengan panjang gelombang elektron yang digunakan (panjang gelombang de Broglie). Jika sebuah electron yang dipercepat dengan tegangan 54 volt dijatuhkan pada kisi dari kristal nikel, Gambar 5.9De Broglie mencari hubungan antara ciri khas besaran gelom-bang, yaitu panjang gelombang dan besaran partikel.pm
238Fisika untuk SMA/MA kelas XII diperoleh pola difraksi yang tepat sama dengan teori yang diramalkan oleh de Broglie. Dalam hal ini, energi kinetik elektron sama dengan energi potensial listrik.Ek = e . V = 1,6 10–19. 54 = 8,64 10–18 JSelanjutnya, momentum elektron dapat dihitung se-bagai berikut.p = m .v; mengingat Ek = ½ mv2maka:p = p = p = 3,97 10–24 kg m/sJika momentumnya diketahui, panjang gelombang de Broglie dapat dihitung:Hasil perhitungan di atas menunjukkan bahwa orde panjang gelombang de Broglie sama dengan jarak antara-tom dalam kristal. Hasil percobaan yang dilakukan oleh Devisson dan Genner menggunakan partikel elektron menunjukkan pola difraksi yang tepat sama dengan pola difraksi sinar-X pada panjang gelombang yang sama. Dengan demikian, partikel seperti elektron juga dapat menunjukkan sifat gelombang seperti yang diramalkan de Broglie.Kerjakanlah dalam buku latihanmu.1. Seberkas sinar-X dengan panjang gelombang 5 × 10-14 m menumbuk proton bermassa 1,67 × 10-27 kg yang diam . Jika setelah tumbukan sinar-X dibelokkan sejauh 110° terhadap arah semula, hitunglah panjang gelombang sinar-X yang tersembur ini.Uji Kemampuan 5.32. Sebuah foton ( = 0,400 nm) menumbuk elektron yang diam. Foton tersebut terhambur sejauh 150o dari arahnya semula. Hitunglah kecepatan dan panjang gelombang foton setelah tumbukan.
239Radiasi Benda HitamMenurut Stefan–Boltzman, jumlah energi radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas dari sebuah benda akan berbanding lurus dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya .Menurut Wien bahwa perkalian antara panjang gelombang maksimum dengan sudut mutlaknya merupakan hasil yang tetap.Raylight dan Jeans menjelaskan radiasi termal berdasarkan modus vibrasi (getaran) pada rongga benda hitam. Sesuai dengan hokum ekuipartisi energi. Maka, setiap partikel dalam benda hitam akan memiliki energi sebesar untuk setiap derajat kebebasannya.Menurut Planck, energi merupakan paket-paket energi yang disebut dengan kuanta, dapat dikatakan pula bahwa energi bersifat diskret yang dirumuskan E = n h f.Menurut Max Planck, cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang merupakan kuanta bergerak dengan kecepatan cahaya yang disebut foton dan memiliki dua sifat yaitu sebagai gelombang dan partikel.Energi foton digunakan untuk melepaskan electron dari permukaan logam dan sisa energinya digunakan untuk bergerak atau sebagai energi kinetik sehingga dapat dirumuskan E = W0 + Ek.RingkasanPenjelasan dari Einstein memperkuat hipotesisi Planck bahwa cahaya merambat dalam bentuk paket-paket energi yang disebut foton sehingga cahay bersifat sebagai partikel dan sebagai gelombang.Panjang gelombang Campton dapat dirumuskan sebagai berikut.Jika panjang gelombang foton yang terhambur minimum, energi kinetik electron yang terpental (tertumbuk foton) juga akan minimum. Dalam hal ini, elektron yang tertumbuk foton akan diam. Campton menyebutkan bahwa gelombang elektromagnetik (termasuk di dalamnya cahaya) memiliki sifat kembar yaitu sebagai gelombang dan sebagai materi atau partikel.De Broglie membuat hipotesis bahwa partikel electron juga memiliki sifat gelombang.Mengingat momentum foton maka panjang gelombang partikel yang memiliki momentum p adalah
240Fisika untuk SMA/MA kelas XII Uji Kompetensi Bab 5A. Pilihlah satu jawaban yang benar.a. 1,4 mb. 2,9 mc. 5,8 md. 7,3 me. 12,4 m5. Permukaan bumi menerima radiasi matahari rata-rata 1,2 kW/m2 saat terik. Jika panjang gelombang rata-rata radiasi ini 6620 maka banyak foton per detik dalam berkas sinar matahari seluas 1 cm2 secara tegak lurus adalah ....a. 5 × 1017 b. 4 × 1017c. 3 × 1017d. 2 × 1017e. 1 × 10176. Kuantum energi yang terkadnung di dalam sinar ultraungu dengan panjang gelombang 3300 , konstanta Planck 6,6 × 10-34 J sekon dan kecepatan cahaya 3 × 108 m/s adalah .... a. 2 × 10-19 Jb. 3 × 10-19 Jc. 3,3 × 10-19 Jd. 6 × 10-19 Je. 3 × 10-19 J7. Panjang gelombang cahaya yang di pancarkan oleh lampu monokromatis 100 W adalah 5,5 × 10-7 m. Celah foton (partikel cahaya) per sekon yang dipancarkannya sekitar ....a. 2,8 × 1022/sb. 2,0 × 1023/sc. 2,6 × 1020/sd. 2,8 × 1020/se. 2,0 × 1020/s8. Ketika electron foto dikeluarkan dari suatu permukaan logam oleh radiasi gelombang elekromagnetik, kelajuan maksimumnya bergantung pada ....1. Menurut teori kuantum berkas cahaya terdiri atas foton. Intensitas berkas cahaya ini ....a. berbanding lurus dengan energi fotonb. berbanding lurus dengan akar energi fotonc. berbanding lurus dengan banyaknya fotond. berbanding lurus dengan kuadrat ban-yaknya fotone. tidak bergantung pada energi dan ban-yaknya foton2. Berdasarkan grafik intensitas (I) terhadap panjang gelombang () seperti di bawah dapat disimpulkan bahwa ....a. b. c. d. 3. Seseorang mendeteksi 5 foton pada panjang gelombang 5500 dalam waktu 90 milide-tik. Daya yang diterima mata orang tersebut ...(h = 6,6 × 10–34 Js; c = 3 × 108 m/s)a. 2 × 10–22 Wb. 2 × 10–20 Wc. 2 × 10–19 Wd. 2 × 10–17 We. 2 × 10–15 W4. Sebuah benda hitam suhunya 2000 K. Jika konstanta Wien = 2,898 × 10-3 mK maka rapat energi maksimum yang dipancarkan benda itu terletak pada panjang gelombang sebesar ....IT1T2T3
241Radiasi Benda Hitama. ferkuensi radiasib. intensitas radiasic. frekuensi dan intensitas radiasid. frekuensi radiasi dan fungsi kerja logamd. frekuensi, intensitas radiasi, dan fungsi kerja logam9. Permukaan logam tertentu memiliki fungsi kerja W joule. Jika konstanta Planck h joule sekon maka energi maksimum fotoelektron yang dihasilkan oleh cahaya berfrekuensi vHz adalah ... J.a. W + hvb. W/(hv)c. W – hvd. hv/We. hv – W10. Fungsi kerja aluminium adalah 2,3 eV. Cahaya dengan panjang gelombang 660 nm akan mengeluarkan electron-foto dengan energi kinetic maksimum (laju cahaya c = 3 × 108 m/s, konstanta Planck = 6,6 × 10-34 Js, 1 ev = 1,6 10-19 J) ....a. 0,5 eVb. 0,6 eVc. 2,9 eVd. 1,8 eVe. negatif, yaitu tidak mampu me-ngeluarkan elektron-foto11. Perhatikan gambar berikut ini.Pada gejala fotolistrik diperoleh grafik hubungan I (kuat arus) yang timbul terhadap V (tegangan listrik) seperti gambar di atas. Upaya yang dilakukan agar garfik a menjadi grafik b .... a. mengurangi intensitas sinarnyab. menambah intensitas sinarnyac. menaikkan frekuensi sinarnyad. menurunkan frekuensi sinarnyae. mengganti logam yang disinari12. Jika sinar ungu berfrekuensi 1016 Hz di jatuh kan pada permukaan logam yang me miliki energi ambang 2/3 kali kuantum energi sinar ungu dan tetapan Planck = 6,6 × 10-34 Js maka energi kinetic electron yang lepas adalah ....a. 1,1 × 10-18 Jb. 2,2 × 10-18 Jc. 3,3 × 10-18 Jd. 4,4 × 10-18 Je. 6,6 × 10-18 J13. Grafik yang menunjukkan hubungan antara energi kinetic fotoelektrik (EK) dan inten-sitas I foton pada proses fotolistrik adalah ....a. b. c. d. e. 14. Seberkas sinar berfrekuensi f = 1015 Hz juatuh pada logam. Fungsi kerja logam 2,9 × 10-19J, maka potensial henti (stopping potensial) dari electron (h = 6,6 × 10-34 Js, me = 9,1 × 10-31 kg, qe = 1,6 × 10-19 C) adalah ....I0 vabEKIEKIEKIEKIEKI
242Fisika untuk SMA/MA kelas XII a. 4,14 Vb. 2,33 Vc. 1,81 Vd. 3,73 Ve. 4,98 V15. Perhatikan gambar berikut ini.Gambar di atas adalah grafik hubungan EK(energi kinetik maksimum) fotoelektron terhadap f (frekuensi) sinar yang digunakan pada efek fotolistrik. Nilai p pada grafik tersebut adalah ... J.a. 2,64 × 10-23 d. 2,64 × 10-19b. 3,3 × 10-30 e. 3,3 × 10-19c. 6,6 × 10-2016. Jika cahaya dengan panjang gelombang dijatuhkan pada permukaan logam dan arus yang melalui sel dikurangi sehingga menjadi nol oleh beda potensial V yang membuat electron berpolarisasi negative terhadap permukaan logam. Maka, energi kinetic maksimum electron-elektron yang dikeluarkan adalah ....a. d. b. e. c. Ve17. Perhatikan gambar berikut ini.Hubungan energi kinetic electron dan frekue-nsi pada gejala fotolistrik terlihat pada grafik di atas. Jika konstanta Planck = h, besarnya fungsi kerja logam adalah ....a. 0,25 hfAb. 0,5 hfAc. hfAd. 0,5 hfBe. hfB18. Panjang gelombang sinar electron pada mikroskop electron adalah ....a. berbanding lurus dengan akar tegangan dipakaib. berbanding lurus dengan akar tegangan yang dipakaic. berbanding terbalik dengan tegangan yang dipakaid. berbanding terbalik dengan kuadrat tegangan yang dipakaie. berbading terbalik dengan akar tegan-gan yang dipakai19. Frekuensi ambang natrium adalah 4,4 × 1014Hz. Besarnya potensial penghenti dalam volt bagi natrium saat disinari dengan cahaya yang frekuensinya 6,0 × 1014 Hz adalah ....a. 0,34b. 0,40c. 0,44d. 0,66e. 0,9920. Sebuah elektron dan sebuah foton memiliki panjang gelombang yang sama maka ....a. momentum elektron lebih kecil dari-pada momentum fotonb. momentum elektron lebih besar dari-pada momentum fotonc. momentum elektron sama dengan mp-mentum fotond. energi elektron lebih kecil daripada energi fotone. energi elektron lebih besar daripada energi fotonf (× 1014 Hz)EK (J)p45f (Hz)EK (J)fBfAtD
243Radiasi Benda HitamB. Soal UraianJawablah pertanyaan-pertanyaan dibawah ini dengan benar.6. Tentukan energi foton dalam seberkas ca-haya yang memiliki panjang gelombang 544 nm.7. Panjang gelombang ambang suatu bahan adalah 5.000 . Carilah fungsi kerjanya.8. Sebuah sumber cahaya memancarkan cahaya hijau 100 W pada panjang gelombang 500 nm. Berapa jumlah foton yang dipancarkan dari sumber per sekon?9. Tentukan energi kinetik maksimum electron-elektron yang dipancarkan dari sebuah per-mukaan dengan panjang gelombang ambang 6.000 ketika cahaya 4.000 jatuh pada permukaan itu.10. Massa neutron kira-kira 2.000 kali massa electron. Berapa kecepatan neutron agar panjang gelombang yang dihasilkan sama dengan panjang gelombang electron yang berkecepatan 1 × 107 m/s?1. Pemancar radio 100 W bekerja pada frekue-nsi 880 kHz, berapa banyak foton per detik yang dipancarkannya?2. Tentukan nilai perbandingan antara energi kalor radiasi per sekon yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam jika dipanaskan pada suhu 4.000 K dan 2.000 K.3. Intensitas cahaya Matahari di permukaan Bumi adalah kira-kira 1.400 W/m2. Dengan menganggap energi foton rata-rata 2 eV (yang bersesuaian dengan panjang gelom-bang kira-kira 600 nm), hitunglah jumlah foton yang mengenai selauas 1 cm2 dalam satu sekon.4. Sebuah benda hitam memiliki suhu 1.727 °C. Tentukan panjang gelombang untuk rapat energi maksimum yang dipancarkan benda itu.5. Energi kinetik fotoelektron berisar dari nol hingga 4,0 × 10–19 J. Jika cahaya dengan panjang gelombang 3.000 jatuh pada sebuah permukaan, berapakah potensial henti cahaya ini?
244Fisika untuk SMA/MA kelas XII Berdasarkan sifat gelombang elektron bahwa elektron dapat digunakan untuk melihat benda yang sangat kecil. Maka, para ilmuwan mem buat mikroskop elektron. Saat ini mikroskop elektron merupakan suatu alat penelitian yang sangat penting. Coba Anda perhatikan gamabr dismap-ing yang menggambarkan fitur mikroskop elektron. Elektron dari filament yang di panas kan (electron gun) dipercepat oleh beda potensial yang besar. Berkas electron dibuat sejajar dan difokuskan oleh magnet yang didesain khusus yang berfungsi sebagai lensa (biasa disebut lensa magnetik). Energi elektron sebesar 100 keV mampu menghasilkan panjang gelombang kira-kira 0,004 nm. Elektron ini mengenai sasaran (target) yang dibuat sangat tipis dengan tujuan agar berkas yang dihantarkan tidak diperlambat atau dihamburkan terlalu banyak. Setelah mengenai target, elektron kemudian difokuskan oleh lensa magnetik kedua yang ekuivalen dengan lensa objektif dalam mikroskop biasa.Kasus Suatu sinar dengan panjang gelombang 0,140 nm dihamburkan dari sebuah benda yang dilihat dalam mikroskop elektron. Berapakah panjang gelombang sinar terhambur jika sudut hamburan dari benda itu 90o?SolusiSesuai dengan persamaan berikutUntuk =90o maka cos = 0 sehinggaAnalisa Mikroskop ElektronPhysics in Action