Transcript Presentasi Materi 2 [Revisi Ganjil 2014-2015].ppt

RADIASI BENDA HITAM
Intensitas spesifik
• Fluks energi
• Luminositas
• Bintang sebagai benda hitam (black body)
•
Kompetensi Dasar:
Memahami konsep pancaran benda hitam
Judhistira Aria Utama, M.Si.
Lab. Bumi & Antariksa
Jur. Pendidikan Fisika FPMIPA UPI
Teori Benda Hitam

Jika suatu benda disinari gelombang elektromagnetik,
benda tersebut akan menyerap sebagian energi 
temperatur benda meningkat.
Seandainya benda terus menyerap energi yang datang tanpa
memancarkan kembali, apa yang akan terjadi?

Faktanya, sebagian energi yang diserap benda akan
dipancarkan kembali. Temperatur akan terus naik
apabila laju penyerapan energi > daripada laju
pancarannya.

Pada akhirnya benda akan mencapai temperatur
keseimbangan, keadaan yang disebut sebagai setimbang
termal (setimbang termodinamik).
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
2

Untuk memahami sifat pancaran suatu benda,
dihipotesiskan suatu penyerap sekaligus pemancar sempurna yang disebut benda hitam (black
body).
Pada keadaan setimbang termal,
temperatur benda hitam hanya
ditentukan oleh energi yang diserap
per detik.
Jika ada 2 benda hitam dengan ukuran
sama namun berbeda temperaturnya,
benda hitam yang lebih panas adalah
yang terlihat lebih terang. Mengapa?
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
3
Besaran yang Terkait dengan Benda Hitam
s
r
A = luas penampang
r
r
r
w
a
a = s/r (sudut bidang)
radian
w = A/r2 (sudut ruang)
steradian
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
4
Unsur Kecil Sudut Ruang dalam
Koordinat Bola
Luas penampang :
df
dA r dq
q
r sinq
r
q + dq
r sinq df
dA = r2 sin q dq df
Sudut ruang
dw = dA/r2 = sin q dq df
dw
r
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
5
Tinjau unsur permukaan dA yang arah normalnya adalah garis n
n
Apabila berkas pancaran melewati permukaan
dA dalam arah tegak lurus permukaan, dalam
sudut ruang sebesar dw, maka jumlah energi yang
lewat dalam selang waktu dt adalah:
dE = I dA dw dt
dw
dA
intensitas spesifik
jumlah energi yang mengalir pada arah
tegak lurus permukaan, per cm2, per
detik, per steradian
atau dE = I dA sin q dq df dt
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
6
Untuk berkas pancaran yang membentuk sudut q terhadap
garis normal n, dapat dibayangkan pancaran tersebut melewati
secara tegak lurus permukaan dA’  dA’ = dA cos q .
n
q
Ingat…!
dw
dA
Jumlah energi yang lewat dalam selang
waktu dt adalah:
dE = I dA’ dw dt = I dA cos q dw dt
dw = sin q dq df
dA’
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
7

Sedangkan jumlah energi yang dipancarkan melalui
permukaan seluas 1 cm2, per detik, ke segala arah
adalah:
dE
=F
dAdt
0

2p p/2
I cosq sinq dq df
0
Apabila pancaran bersifat isotropik (sama ke
semua arah), atau dengan kata lain I bukan fungsi
dari q dan f, maka persamaan di atas menjadi:
F=pI
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
8

Suatu benda hitam tidak memancarkan gelombang
elektromagnet dengan merata. Benda hitam bisa
memancarkan cahaya biru lebih banyak daripada cahaya
merah, atau sebaliknya, bergantung temperaturnya.
Menurut Max Planck (1858–1947), suatu benda hitam
bertemperatur T akan memancarkan energi pada panjang
gelombang antara l dan l + dl dengan intensitas spesifik
Bl(T) dl sebesar:
2
2hc
1
Bl (T)  5 hc lkT
l e
1
Fungsi Planck
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
9
Untuk daerah l panjang (hc << lkT atau hc/lkT << 1),
Hukum Planck berubah menjadi:

2kT
Bl (T)  2kT 2  2
c
l
2
Hukum Rayleigh - Jeans
Dengan Hukum Rayleigh – Jeans, semakin pendek l
semakin besar energi  Bencana Ultraviolet!!!
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
10
Distribusi energi menurut panjang gelombang untuk pancaran
benda hitam dengan berbagai temperatur (spektrum benda hitam):
Intensitas Spesifik [Bl(T)]
UV
Visible
CT
Inframerah
8 000 K
Intensitas spesifik
benda hitam sebagai
fungsi panjang
gelombang
7 000 K
6 000 K
5 000 K
4 000 K
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
l (m)
1,75
2,00
Makin tinggi temperatur suatu benda hitam, makin tinggi pula
intensitas spesifik yang dimilikinya.
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
11
Intensitas Spesifik [Bl(T)]
UV
Visible
CT
Inframerah
8 000 K
Intensitas spesifik
benda hitam sebagai
fungsi panjang
gelombang
7 000 K
6 000 K
5 000 K
4 000 K
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
l (m)
1,75
2,00
Energi total yang dipancarkan benda hitam untuk seluruh panjang
gelombang adalah:
 4
B(T)  T
p
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
12
Panjang gelombang maksimum radiasi benda hitam, yaitu
l pada harga yang maksimum (lmaks), dapat diperoleh
dari syarat maksimum, yaitu:
d Bl(T)
dl
yang akan memberikan:
l Maks
0, 2898

T
=0
Apa makna
fisis dari
Hukum Wien?
Hukum Wien
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
13
Dari intensitas spesifik Bl(T) dapat ditentukan jumlah
energi yang dipancarkan oleh setiap cm2 permukaan benda
hitam per detik ke segala arah, yaitu:
F  pI  pB(T )
 4
F  p T 
p

F  T 4
Bila benda hitam berbentuk bola dengan radius R,
jumlah energi yang dipancarkan seluruh permukaan benda
hitam per detik ke segala arah, adalah:

L  AF  4pR 2
 T 
4
L  Luminositas
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
14
Bintang sebagai Benda Hitam
Bintang dapat dianggap sebagai benda hitam. Hal ini tampak
dalam kurva distribusi energi bintang yang memiliki
temperatur efektif Tef = 54.000 K sama dengan distribusi
energi benda hitam yang bertemparatur sama.
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
15
Latihan

Hubungan antara luminositas L dengan
fluks energi yang diterima E pada jarak d
adalah:
L
E
2
4 pd

Fluks energi yang diterima E pada jarak d
tersebut menyatakan juga kecerahan
(brightness) objek yang teramati.
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
16
Latihan (Lanjutan)

Paralaks adalah perubahan posisi
teramati benda langit relatif terhadap latar
belakang
akibat
perubahan
posisi
pengamat.
1
p
d

p menyatakan sudut paralaks (dalam “)
dan d jarak benda langit (dalam parsec)
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
17




Luminositas bintang B 4x luminositas bintang A. Jarak
bintang B dari pengamat di Bumi juga 2x lebih dekat
daripada jarak bintang A. Berapakah kecerahan bintang B
relatif terhadap bintang A menurut pengamat?
Meskipun bintang A dan bintang B memiliki luminositas
yang sama, kecerahan bintang A 105x kecerahan bintang B.
Berapa kali lebih jauhkah jarak bintang B dibandingkan
bintang A dari pengamat?
Bintang A dan bintang B memiliki radius yang sama, tetapi
temperatur bintang A 2x lebih tinggi dibandingkan bintang
B. Tentukan perbandingan luminositas bintang B terhadap
bintang A!
Dua bintang diketahui memiliki tipe spektrum dan
kecerahan yang sama. Bila paralaks bintang A dan B
masing-masing adalah 1” dan 0,1”, berapa kali lebih
besarkah radius bintang B relatif terhadap bintang A?
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
18

Anda berhasil memperoleh luminositas sebagai fungsi
temperatur dari bintang-bintang yang memiliki radius
sebesar radius Matahari sebagaimana ditabelkan berikut
ini. Berdasarkan data yang Anda miliki, tentukan besarnya
konstanta Stefan – Boltzmann!
Temperatur (K)
Luminositas (J/s)
2310
9,8x1024
3030
2,9x1025
3800
7,2x1025
4040
9,2x1025
4560
1,5x1026
5240
2,6x1026
5525
3,2x1026
5830
4x1026
6385
5,7x1026
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
19

Temperatur (K)
Luminositas (J/s)
6750
7,2x1026
7323
9,9x1026
8160
1,5x1027
9480
2,8x1027
13.000
9,9x1027
19.000
4,5x1028
29.700
2,7x1029
33.200
4,2x1029
42.800
1,2x1030
54.800
3.1x1030
Hasilkan rajah (plot) perbedaan antara aproksimasi
Rayleigh – Jeans dan formulasi Planck sebagai fungsi
panjang gelombang untuk spektrum cahaya tampak!
Judhistira Aria Utama | TA 2014 - 2015
20