Laporan Praktikum Fisika Modern – Radiasi Benda Hitam

Laporan praktikum fisika modern dengan judul Radiasi Benda Hitam. Tujuan dari praktikum ini untuk menentukan konstanta pendinginan k.

Radiasi Benda Hitam

Bab I. Pendahuluan

A. Latar Belakang

Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Bahkan sebuah kubus es pun memancarkan radiasi panas, sebagian kecil dari radiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun demikian kubus es ini tak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan kubus es, badan manusia pun memancarkan radiasi panas dalam daerah cahaya tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat dalam ruang gelap.

Radiasi benda hitam merupakan teka-teki besar fisika yang menjadi pemicu terjadinya revolusi dalam fisika revolusi ini melahirkan fisika kuantum. Istilah “benda hitam” pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) pada tahun 1862.

Dalam Fisika, benda hitam (blackbody) adalah sebutan untuk benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal) dengan baik. Radiasi termal yang diserap akan dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio ataupun gelombang cahaya. Untuk zat padat dan cair, radiasi gelombangnya berupa spektrum kontinu, dan untuk gas berupa spektrum garis. Meskipun demikian, sebenarnya secara teori dalam Fisika klasik, benda hitam memancarkan setiap panjang gelombang energi yang mungkin agar energi dari benda tersebut dapat diukur. Temperatur benda hitam itu sendiri berpengaruh terhadap jumlah dan jenis radiasi elektromagnetik yang dipancarkannya.

Dalam laboratorium, benda yang paling mendekati radiasi benda hitam adalah radiasi dari sebuah lubang kecil pada sebuah rongga. Cahaya apa pun yang memasuki lubang ini akan dipantulkan dan energinya diserap oleh dinding-dinding rongga berulang kali, tanpa memedulikan bahan dinding dan panjang gelombang radiasi yang masuk (selama panjang gelombang tersebut lebih kecil dibandingkan dengan diameter lubang). Lubang ini (bukan rongganya) adalah pendekatan dari sebuah benda hitam. Jika rongga dipanaskan, spektrum yang dipancarkan lubang akan merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Pancaran radiasinya mengikuti suatu kurva umum (lihat gambar). Berdasarkan hukum radiasi termal dari Kirchhoff kurva ini hanya bergantung pada suhu dinding rongga, dan setiap benda hitam akan mengikuti kurva ini.

Spektrum yang teramati tidak dapat dijelaskan dengan teori elektromagnetik klasik dan mekanika statistik. Teori ini meramalkan intensitasi yang tinggi pada panjang gelombang rendah (yaitu, frekuensi tinggi); suatu ramalan yang dikenal sebagai bencana ultraungu. Masalah teoretis ini dipecahkan oleh Max Planck, yang menganggap bahwa radiasi elektromagnetik dapat merambat hanya dalam paket-paket, atau kuanta (lihat bencana ultraungu untuk rinciannya). Gagasan ini belakangan digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan efek fotolistrik. Perkembangan teoretis ini akhirnya menyebabkan digantikannya teori elektromagnetik klasik dengan mekanika kuantum. Saat ini, paket-paket tersebut disebut foton.

Percobaan Pengukuran Radiasi Intentitas benda hitam, bertujuan untuk mengukur intentitas radiasi (relatif) dari benda hitam pada suhu 300 – 7000  dan menentukan hubungan antara intentitas radiasi dengan suhu mutlak (Hukum Stefan Boltzmann).

Percobaan pertama kali dilakukan oleh Josef Stefan (1835 – 1893) di Wina pada tahun 1879 olyang menemukan bahwa seluruh spektrum energi sebanding dengan empat dari suhu benda hitam. Lima tahun kemudian, Ludwiq Boltzmann (1844 – 1906) salah satu pelopor yang memperkenalkan konsep mekanika statistik tekanan radiasi, menunjukkan bahwa persamaan empiris Stefan dapat diperoleh dari hukum kedua teori termodinamika. Kolaborasi dari dua tokoh tersebut, Stefan dan Boltzmann, yang memulai langkah pertama dalam upaya untuk menemukan fungsi Kirchoof.

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan produksi Leybold GmBH. Dengan menyalakan oven listrik, kenaikan suhu pada 500  diamati pada layar komputer, kemudian mengamati perubahan sebagai fungsi dari peningkatan intentitas radiasi suhu.dan tekan F9 untuk merekam data .

Bab II. Kajian Pustaka

Seorang ilmuan fisika yaitu Kirchhoff menemukan bahwa rapat intensitas spectral, yaitu intensitas per satuan panjang gelombang dan persatuan sudut padata dari sebuah benda hitam merupakan fungsi dari panjang gelombang dan temperature. Pada tahun 1879 Josef Stefan yang pertama kali menemukan bahwa rapat energi seluruh spektrum ini sebanding dengan pangkat empat dari temperatur benda hitam.

Kirchhoff ( 1859 ) menunjukkan dari hukum kedua termodinamika, bahwa radiasi didalam rongga benda hitam bersifat isotropic, yaitu fluks radiasi bebas dari arah/orientasi, kemudian juga bersifat homogen yaitu fluks radiasi sama untuk disetiap titik, dan juga sama dalam semua rongga pada suhu yang sama, untuk setiap panjang gelombang.

U(λ,T)=\frac{4E(λ,T)}{C} 

Selanjutnya pada tahun 1879, seorang ahli fisika yaitu Stefan-Boltzmann mengemukakan suatu hasil eksperimen bahwa “emisivitas dari benda padat yang panas sebanding dengan temperature absolut benda pangkat empat”. Dengan demikian total emisi adalah radiasi intensitas pada semua frekuensi.

Hukum Stefan – Boltzmann yang   menyatakan bahwa radiasi total yang dipancarkan oleh sebuah benda sebanding dengan naiknya suhu mutlak pangkat 4. Misalkan radiasi yang terpancar dari sebuah permukaan adalah  M ( M = daya total radiasi ), maka besarnya radiasi yang terpancar dirumuskan sebagai,

M = σT⁴………..(2)

Dengan σ = 5,67×10^-8w/m²k⁴ ( konstanta Boltzmann ). [3]

Fungsi distribusi spectrum P (l,T) dapat dihitung dari termodinamika klasik secara langsung. Hasil perhitungan klasik ini yang dikenal sebagai hukum Rayleigh-Jeans, ialah:

P (l,T) = 8pkTl^-4 ……(1.7)

Dengan k merupan kostanta Boltzman. Hasil ini sesuai dengan dengan hasil yang diperoleh secara percobaan untuk panjang gelombang yang panjang, tetapi tidak untuk panjang gelombang yang pendek. Begitu l mendekati nol, fungsi  P (l,T) yang ditentukan secara percobaan juga mendekati nol, tetapi fungsi yang dihitung mendekati tak terhingga karena sebanding dengan l^-4. Dengan demikian menurut perhitungan klasik, benda hitam meradiasikan jumlah energi yang tak terhingga yang terkonsentrasi pada panjang gelombang yang pendek. Hasil ini dikenal sebagai katastrof ultraviolet. [4]

METODOLOGI EKSPERIMEN

        Alat dan bahan yang digunakan pada percobaan ini yaitu, satu set alat eksperimen produksi leybold GmBH yang terdiri atas : oven listrik untuk tegangan 230 V, asesori benda hitam, safety connection box with ground, sensor cassy, cassy lab, adaptor NiCr-Ni, sensor temperatur NiCr-Ni 1,5 mm, boks µV, termofile moll, benc optic kecil shortrod, penyangga berbentuk V 28 cm, multiclamp leybold, clamp universal, dan kabel berpasangan 100 cm merah/biru. Kemudian tambahan 1 PC dengan system operasi windows 98 atau yang lebih tinggi, serta peralatan lain yang direkomendasikan : satu immersion pump 12 V, satu low-voltage power supply, satu silicone tubing, 7 mm ϕ, satu laboratory bucket, 10 I.

        Adapun Yang harus dilakukan sebelum melakukan pengambilan data adalah kita harus terlebih dahulu mempelajari semua komponen  alat seperti pada gambar 2. dibawah ini !

Setelah itu menghubungkan seluruh komponen alat kesumber tegangan PLN termasuk computer, setelah semua komponen terpasang dengan baik, selanjutnya menjalankan pompa akuades dan memastikan pipa karet dari aliran akuades terhubung dengan baik ke oven pemanas, sebelum oven pemanas di nyalakan terlebih dahulu membiarkan akuades mengalir selama kurang lebih 2 menit, kemudian oven listrik dinyalakan dan menunggu beberapa jam untuk melakukan pemanasan hingga suhunya naik 420 V  yang dapat diamati pada layar komputer, tapi sebelumnya nyalakan  terlebih dahulu komputer yang telah disediakan, kemudian menklik ikon CASSY pada komputer dan menunggu sampai muncul tampilan seperti pada gambar 3. Dibawah ini!

setelah itu, mengaturnya hingga muncul   pembacaan suhu dan tegangan pada tampilan CASSY. Mengamati suhu pada komputer, kemudian ketika suhunya maksimal, maka selanjutnya akan terjadi pendinginan, yaitu terjadi penurunan suhu, sebelum melakukan penyimpanan data, matikan terlebih dahulu oven listrik dan tunggu sampai suhunya turun 350⁰C, kemudian lakukan proses penyimpangan data denga cara menekan symbol measurement pada menu CASSY atau menggunakan kunci F9. Dan tunggu sampai suhunya turun 50⁰C,  ketika suhunya turun, maka selanjutnya menyimpan data dengan cara menekan save pada tampilan CASSY atau menggunakan kunci F2.

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA

Analisis pertama dalam percobaan ini kita akan membuktikan bahwa hukum Stefen-Boltzmann

Kita akan menganalisis bahwa total radiasi yang dipancarkan dari benda hitam meningkat proporsional dengan suhu mutlak T pangkat empat.

Untuk mengetahui p dari

Kita membuat grafik hubungan antara tegangan dan temperatur (tegangan sebagai indkiator dari intensitas radiasi).

Berdasarkan dari hasil percobaan, kita memperoleh data dari grafik yang ditunjukkan pada grafik dibawah:

 Diperoleh dari garis linear pada grafik yaitu,

y =  4.2916x – 15.973, dimana nilai pangkatnya yaitu p = 4,2916, sehingga perbandingannya menjadi, 4 : 4,2916. Dan derajat kepercayaannya diperoleh dari nilai R² pada grafik, yaitu :

Derajat kepercayaan (DK) = R² =  0,858

 = 85,80 %

Kesalahan relatifnya (KR) = 100% – DK = 14 %

Selanjutnya grafik hubungan antara waktu (t/s) dengan suhu mutlak (T/K) yaitu :

Berdasarkan grafik diatas diperoleh nilai konstanta pendinginan newton yaitu :

y   = 565,04e^-9E-05x

R² = 0,9178, dimana e^-9E-05x sama dengan e^kt sehingga nilai k (konstanta pendinginan newton) adalah -9E-05 atau – 9 × 10⁵s^-1.

Derajat kebenaran (DK) = R² = 0,9178

 = 91,78%

Kesalahan relative (KR) = 100% – 91,78%

 = 8,22%

Nilai Δk = KR x k

  = 0,0822x (-0,00009 s^-1)

  = -0,0000074 s^-1

Secara ilmiah hasil analisis grafik secara ilmiah dilaporkan dalam 2 angka penting

Nilai rata-rata konstanta pendinginan Newton yang diperoleh dengan menggunakan persamaan,

Berdasarkan analisis diatas dapat lebih jelas jika nilai pangkat suhu (p) dan nilai konstanta pendinginan Newton disajikan dalam bentuk tabel analisis sebagai berikut.

TABEL 1. Hasil Perbandingan Temperatur Mutlak Secara Teori dan Grafik

TABEL 2. Hasil Perbandingan Antara Konstanta Pendinginan Newton Secara Teori  dan Grafik

Berdasarkan pada eksperimen dari intensitas radiasi benda hitam, kami memperoleh nilai dari suhu mutlak T dari grafik hubungan antara log V dan log T sebagai fungsi linear. Kami memperoleh nilai T mutlak 4,2916 secara analisis grafik dan 4 secara teori sehingga nilai kesalahan relatifnya adalah 14 %.  Hal ini terjadi karena suhu awal yang digunakan 380 sedangkan yang harus kita adalah 500⁰ c.

Untuk konstanta k, kita membandingkan antara konstanta k pada grafik dengan yang ada pada hukum pendinginan Newton. Berdasarkan grafik, kami memperoleh konstanta k dari persamaan grafik hubungan antara suhu mutlak dan waktu, sehingga diperoleh |9,0 ± 0,74|x 10^-4 s^-1. Berdasarkan pada hukum pendinginan Newton, kita memperoleh kontanta k dengan membagi antara suhu mutlak dan suhu tertinggi dari hasil eksperimen. Kemudian, kita membuat ln dari hasil dan membaginya sebagai waktu. Dari 7635 data, kita membuat rata-rata dari konstanta k, dan diperoleh  – 0,000092 s^-1 ini sangat berbeda dengan nilai yang diperoleh dari grafik dimana diperoleh -0,0000074 s^-1 sehingga diperoleh nilai kesalahan relatif  8,22%.

SIMPULAN

Berdasarkan pada hasil eksperimen dan analisis data, kita memiliki nilai suhu mutlak T . Ini menunjukkan bahwa nilai dari T yang diperoleh berbeda dengan nilai T teori yakni 4 dikarenakan adanya kesalahan pada saat melakukan praktikum. Nilai dari konstanta pendinginan k adalah  -0,0000074 s^-1 sesuai analisis grafik dan dengan hukum pendinginan Newton adalah     – 0,000092 s^-1.

REFERENSI

[1] Giri, P.K. 2005. Physics Laboratory For Engineering Undergraduates. Indian Institute odf Technology Guwahati: Department of Physics.

[2] Subaer, dkk. 2013. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I.Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.

[3] Daud M., Jasruddin. 2005. Pengantar Fisika Modern. Makassar: Badan Penerbit UNM Makassar.

[4] Tipler, Paul. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Erlangga.