Laporan Praktikum Blackbody Radiation

LAPORAN PRAKTIKUM EKSPERIMEN FISIKA II FISIKA MODERN RADIASI BENDA HITAM Disusun Oleh: Nama : Leili Yatur Rohma Nim : 19030224013 Kelas : FRD 2019 UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA SURABAYA 2021 Abstrak Telah dilakukan praktikum yang berjudul Radiasi Benda Hitam, praktikum ini bertujuan untuk dapat Mengetahui bentuk kurva pergeseran wien pada percobaan radiasi benda hitam, Mengetahui pengaruh tegangan terhadap besarnya suhu benda hitam, Mengetahui pengaruh suhu benda hitam terhadap besarnya intensitas radiasi benda hitam, Mengetahui pengaruh intensitas radiasi benda hitam terhadap besarnya panjang gelombang radiasi. Variabel yang digunakan pada percobaan kali ini antara lain tegangan sebagai Variabel manipulasi. Prisma sebagai Variabel kontrol. Intensitas radiasi benda hitam, sudut, suhu mutlak benda hitam, dan panjang gelombang radiasi sebagai Variabel respon. Langkah percobaan pada praktikum ini adalah Merangkai alat sesuai gambar 1, Kemudian membuka data studio black body radiation dan mengatur tegangan yang diinginkan sebagai variabel manipulasi, Tekan tombol start pada data studio dan putar lengan pemindaian hingga membentuk grafik pada data studio, Amati puncak grafik untuk menemukan nilai intensitas radiasi maksimum dan sudut pada intensitas maksimum, kemudian mencari nilai panjang gelombang radiasi dengan sudut yang diketahui, Kemudian dokumentasikan data yang diperoleh, Percobaan harus dilakukan pada ruangan yang gelap. Pada percobaan kali ini dapat disimpulkan bahwa Pada grafik pergeseran wien yang sudah didapat, grafik tersebut keseluruhan sudah sesuai dengan teori pergeseran wien yaitu intensitas radiasi maksimum akan semakin bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek dengan kata lain panjang gelombang maksimum akan semakin pendek. Semakin besar tegangan yang digunakan pada saat percobaan maka suhu mutlak benda hitam akan semakin besar, dengan kata lain besarnya tegangan berbanding lurus dengan besarnya suhu mutlak benda hitam, Besarnya intensitas radiasi bergantung dengan besarnya suhu mutlak benda hitam pangkat 4 yakni besarnya sebanding, artinya jika suhu mutlak benda hitam semakin besar maka intensitas radiasi benda hitam juga semakin besar, Besarnya suhu mutlak benda hitam berbanding terbalik dengan besarnya panjang gelombang radiasi, artinya jika suhu mutlak benda hitam semakin besar maka dihasilkan panjang gelombang radiasi yang semakin kecil. Kata kunci : Radiasi Benda Hitam, Pergeseran Wien, Intensitas, Panjang gelombang, Suhu Mutlak BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Pancaran dari sinar matahari yang sampai ke bumi dengan perantara gelombang elektromagnetik merupakan peristiwa radiasi yang sangat dekat dengan kehidupan manusia. Radiasi yang terpancar secara umum merupakan spektrum benda panas, yang bergantung dengan komposisi pada benda tersebut, hal ini dikenal sebagai benda hitam. Benda hitam merupakan benda yang bisa menyerap seluruh radiasi yang datang kepadanya. Kemampuan menyerap atau memancarkan radiasi oleh benda hitam ini dapat diperkirakan nilai emivitasnya. Semua benda dengan suhu mutlak di atas nol bisa memancarkan radiasi. Pada praktikum kali ini akan dijelaskan mengenai intensitas radiasi benda hitam yang besarnya bergantung pada suhu benda hitam dan panjang gelombang radiasi, serta mengetahui grafik percobaan wien pada radiasi benda hitam. Pada praktikum dihasilkan plot grafik berupa intensitas radiasi sebagai fungsi sudut, dari data tersebut dapat mencari besarnya panjang gelombang radiasi dan kemudian dapat memplot besarnya intensitas radiasi sebagai fungsi panjang gelombang. Pada kehidupan manusia juga dapat dijumpai aplikasi dari radiasi benda hitam yaitu salah satunya adalah penggunaan termos. Rumusan Masalah 1. Bagaimana bentuk kurva pergeseran wien pada percobaan radiasi benda hitam? 2. Bagaimana pengaruh tegangan terhadap besarnya suhu benda hitam? 3. Bagaimana pengaruh suhu benda hitam terhadap besarnya intensitas radiasi benda hitam? 4. Bagaimana pengaruh suhu benda hitam terhadap besarnya panjang gelombang radiasi? Tujuan 1. Mengetahui bentuk kurva pergeseran wien pada percobaan radiasi benda hitam 2. Mengetahui pengaruh tegangan terhadap besarnya suhu benda hitam 3. Mengetahui pengaruh suhu benda hitam terhadap besarnya intensitas radiasi benda hitam 4. Mengetahui pengaruh intensitas radiasi benda hitam terhadap besarnya panjang gelombang radiasi BAB II DASAR TEORI Radiasi Benda Hitam Radiasi dapat dipancarkan suatu benda yang diakibatkan oleh suhu disebut dengan radiasi thermal. Suatu benda bisa dikatakan dapat memancarkan radiasi bila suhu nya mencapai 1000 K, pada suhu sebesar 1000 K ini benda dapat berpijar warna merah. Setiap warna memiliki besar suhu yang berbeda-beda, misal nya paa suhu di atas 2000 K benda akan berpijar warna kuning keputihan dan seterusnya, semakin meningkat suhu maka benda tersebut dapat berpijar dengan warna kebiruan. Pada percobaan radiasi benda hitam yang ideal menyatakan bahwa semakin besar suhu benda hitam artinya intensitas radiasi benda hitam semakin meningkat maka dihasilkan panjang gelombang radiasi yang semakin pendek, atau pada grafik intensitas sebagai fungsi panjang gelombang ditunjukkan bahwa semakin besar intensitas radiasi maka grafik nya akan bergeser semakin ke kiri(panjang geombang yang lebih pendek). Benda hitam adalah benda yang dapat dijuluki sebagai benda ideal, besar emivitas benda hitam adalah e = 1. Dalam ruang lingkup percobaan benda hitam ini dapat di artikan sebagi lubang kecil hitam dengan prinsip kerja saat cahaya masuk melalui lubang , cahaya tersebut akan terperangkap pada lubang tersebut dan tidak dapat keluar yakni cahaya tersebut akan dipantulkan berkali-kali dalam lubang hitam dan diserap oleh dinding-dinding pada lubang tersebut jika suhu nya lebih kecil dibanding suhu sekitar, sebaliknya cahaya tersebut akan dipancarkan jika suhunya lebih tinggi dari suhu sekitar. Intensitas Radiasi Pada tahun 1879 ahli fisika bernama Josef Stefan melakukan eksperimen dan hasil dari eksperimen nya menyatakan bahwa pada semua frekuensi total daya per satuan luas oleh benda hitam atau intensitas radiasi benda hitam adalah sebanding dengan besarnya suhu mutlak pangkat empat yang sesuai dengan persamaan di bawah : Dengan Itotal adalah intensitas radiasi benda hitam (daya per satuan luas) , T merupakan suhu mutlak, dan σ merupakan tetapan stefan boltzmann yaitu sebesar 5,67 x 10-8 W m-2 k-4 . sedangkan untuk benda panas tetapi bukan benda hitam juga akan menggunakan persamaan di atas dengan ditambahkan emisivitas e yang nilai nya kurang dari 1 : Itotal = e  T 4 𝑃 besarnya intensitas juga dapat di rumuskan I = , Sehingga : 𝐴 𝑃 I = = e  T 4 atau P = e  A T 4 𝐴 Ingat P juga dapat dirumuskan P = V I, maka VI=eAT4 dimana : P = daya/laju radiasi (Watt) I = Intensitas Radiasi (Daya per satuan waktu) e = emisivitas benda (nilainya di antara 0 dan 1)  = konstanta Stefan-Boltmann (5,67 x 10– 8 W/m2K4 ) A = luas permukaan benda (m2 ) T = suhu mutlak (K) Hukum Pergeseran Wien Menurut hukum pergeseran wien jika suhu benda hitam meningkat maka panjang gelombang pada intensitas maksimum akan semakin pendek, jika pada grafik maka besarnya panjang gelombang pada intensitas maksimum akan bergeser ke kiri atau semakin berkurang. Hal ini sesuai dengan persamaan : T= 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑊𝑖𝑒𝑛 Dimana : 𝑚 𝑚 = panjang gelombang pada intensitas maksimum (m) T = suhu mutlak benda hitam (K) Konstanta Wien = 2,898 x 10 –3 m.K Dari grafik hukum pergeseran wien dapat diketahui bahwa jika suhu mutlak benda hitam semakin besar maka intensitas radiasi akan semakin meningkat dan setiap besarnya suhu maka ada intensitas maksimum yang memiliki panjang gelombang maksimum yaitu 𝑚. Pada grafik juga diketahui jika suhu mutlak benda hitam berubah maka nilai intensitas radiasi maksimum dan nilai panjang gelombang maksimum akan berubah, dapat dilihat semakin meningkat suhu mutlak maka intensitas radiasi maksimum akan semakin bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek dengan kata lain panjang gelombang maksimum akan semakin pendek. Teori Planck Menurut perkembangan kuantum Hukum Radiasi Wien dan Hukum Radiasi Rayleigh-Jeans dapat disatukan oleh Teori Planck yaitu planck dapat menyatakan teori benda hitam olehnya pada semua panjang gelombang dengan persamaan : Dengan u adalah energi radiasi benda hitam,  adalah panjang gelombang radiasi, T adalah suhu mutlak benda hitam, h adalah konstanta planck besarnya h = 6,6 x 10-34 Js, c adalah kecepatan cahaya besarnya 3 x 108 m/s, k= 1,38 x 10-34 J/K adalah tetapan Boltzmann. Dari persamaan teori planck tersebut dapat diketahui besarnya energi bergantung dengan besanya panjang gelombang radiasi dan suhu mutlak benda hitam, semakin besar suhu mutlak benda hitam maka semakin besar pula energi radiasi nya tetapi panjang gelombang nya akan semakin pendek. BAB III METODOLOGI PENELITIAN Alat dan Bahan 1. Computer (menampilkan data studio berupa grafik intensitas terhadap lamda atau intensitas terhadap sudut) 2. Source of black light (sumber sinar benda hitam) 3. Spektofotometer prisma (alat untuk mengukur intensitas cahaya) 4. Interface (sebagai penghubung komputer dengan sensor) 5. Power Amplifier (penguat daya) Gambar percobaan Variabel Percobaan Variabel manipulasi : tegangan (V) DOV : menggunakan tegangan sebesar 4 volt, 5 volt, 6 volt, dan 7 volt. Variabel kontrol : prisma DOV : menggunakan satu jenis prisma yang sama di setiap percobaan Variabel respon : intensitas radiasi maksimum (Im), sudut (θm) , panjang gelombang radiasi maksimum (m) Langkah Percobaan 1. Merangkai alat sesuai gambar 1 2. Kemudian membuka data studio black body radiation dan mengatur tegangan yang diinginkan sebagai variabel manipulasi 3. Tekan tombol start pada data studio dan putar lengan pemindaian hingga membentuk grafik pada data studio 4. Amati puncak grafik untuk menemukan nilai intensitas radiasi maksimum dan sudut (θ) pada intensitas maksimum, kemudian mencari nilai panjang gelombang radiasi dengan sudut (θ) yang diketahui menggunakan rumus  = d sin θ 5. Kemudian dokumentasikan data yang diperoleh 6. Percobaan harus dilakukan pada ruangan yang gelap BAB IV DATA DAN ANALISIS d = 1666 nm ; konstamta wien = 2,9 x 10-3 m.K Tegangan Sudut Rata-rata Intensitas Rata-rata Rata-rata Rata-rata (V) (rad) sudut (rad) radiasi (V) intensitas panjang suhu radiasi (V) gelombang mutlak (nm) (K) 4,398 329 8814 4,467 295 9808 4,103 283 10222 4,492 276 10470 33,013 4 5 6 7 32,450 3,286 31,5 4,945 29,278 4,962 36,351 4,056 34,204 35,2 4,899 35,103 4,446 36,373 4,942 37,141 36,7 3,519 36,761 3,849 37,725 3,949 37,542 37,629 37,6 4,750 4,776 Grafik pergeseran wien pada praktikum kali ini Pada grafik pergeseran wien yang sudah didapat dari data percobaan kali ini dapat diketahui bahwa grafik tersebut keseluruhan sudah sesuai dengan teori pergeseran wien yaitu jika suhu mutlak benda hitam berubah maka nilai intensitas radiasi maksimum dan nilai panjang gelombang maksimum akan berubah, dapat dilihat semakin meningkat suhu mutlak maka intensitas radiasi maksimum akan semakin bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek dengan kata lain panjang gelombang maksimum akan semakin pendek. Hal ini sesuai dengan persamaan di bawah : I=eAT4 T= 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑊𝑖𝑒𝑛 𝑚 Dengan kata lain besarnya suhu benda hitam berbanding lurus dengan besarnya intensitas radiasi tetapi berbanding terbalik dengan besarnya panjang gelombang radiasi. Tetapi pada grafik tersebut terdapat satu kesalahan praktikan yaitu pada saat menggunakan tegangan 6 volt yaitu saat panjang gelombang radiasi sebesar 283 nm besarnya intensitas radiasi yang seharusnya semakin naik di atas 4,46 volt tapi pada percobaan intensitas radiasi turun drastis hingga 4,10 volt, hal ini mungkin dikarenakan human eror atau pada saat melakukan percobaan ruangan yang digunakan tidak bernar-benar gelap. Grafik 2 suhu mutlak benda hitam (K) grafik pengaruh tegangan terhadap suhu mutlak benda hitam 12000 10470 9808 10222 8814 10000 8000 y = 538.2x + 6868.4 R² = 0.9075 6000 4000 2000 0 0 2 4 Tegangan (V) 6 8 Pada grafik 2 di atas dapat diketahui bahwa semakin besar tegangan yang digunakan pada saat percobaan maka suhu mutlak benda hitam akan semakin besar, dengan kata lain besarnya tegangan berbanding lurus dengan besarnya suhu mutlak benda hitam. Hal ini sesuai dengan persamaan di bawah : 𝑃 I = = e  T 4 atau P = e  A T 4 𝐴 Ingat P juga dapat dirumuskan P = V I, maka VI=eAT4 Dari persamaan di atas dapat diketahui besarnya suhu mutlak benda hitam juga bergantung pada besarnya tegangan yakni besarnya sebanding. Grafik 3 panjang gelombang radiasi (nm) grafik pengaruh suhu mutlak benda hitam terhadap panjang gelombang radiasi 340 329 330 320 310 295 300 290 y = -0.0322x + 612.3 R² = 0.9981 280 270 8500 9000 283 276 9500 10000 10500 suhu mutlak benda hitam (K) 11000 Dari grafik 3 di atas dapat diketahui besarnya suhu mutlak benda hitam berbanding terbalik dengan besarnya panjang gelombang radiasi, artinya jika suhu mutlak benda hitam semakin besar maka dihasilkan panjang gelombang radiasi yang semakin kecil, hal ini sesuai dengan teori wien pada persamaan di bawah : T= 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑊𝑖𝑒𝑛 𝑚 Dengan konstanta wien besarnya adalah 2,9 x 10-3 m.K. Grafik 4 intensitas radiasi benda hitam(V) grafik pengaruh suhu mutlak benda hitam terhadap intensitas radiasi benda hitam 4,600 4,500 4,492 4,467 4,398 4,400 4,300 4,200 4,103 4,100 4,000 8500 9000 9500 10000 10500 11000 suhu mutlak benda hitam (K) Menurut teori Stefan Boltzmann besarnya intensitas radiasi bergantung dengan besarnya suhu mutlak benda hitam pangkat 4 yakni besarnya sebanding, artinya jika suhu mutlak benda hitam semakin besar maka intensitas radiasi benda hitam juga semakin besar, hal ini sesuai dengan persamaan di bawah : 𝑃 I = = e  T 4 atau P = e  A T 4 𝐴 Tetapi pada data praktikum di atas terdapat 1 kesalahan pada saat suhu nya 10222 kelvin yakni seharusnya intensitas radiasi naik tetapi pada percobaan intensitas radiasi turun 1 kali, hal ini mungkin kesalahan dari praktikan atau pada saat percobaan ruangan tidak benar-benar gelap. BAB V PENUTUP Kesimpulan 1. Pada grafik pergeseran wien yang sudah didapat, grafik tersebut keseluruhan sudah sesuai dengan teori pergeseran wien yaitu intensitas radiasi maksimum akan semakin bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek dengan kata lain panjang gelombang maksimum akan semakin pendek. Hal ini sesuai dengan persamaan di bawah : I=eAT4 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑊𝑖𝑒𝑛 T= 𝑚 2. Semakin besar tegangan yang digunakan pada saat percobaan maka suhu mutlak benda hitam akan semakin besar, dengan kata lain besarnya tegangan berbanding lurus dengan besarnya suhu mutlak benda hitam VI=eAT4 3. Besarnya intensitas radiasi bergantung dengan besarnya suhu mutlak benda hitam pangkat 4 yakni besarnya sebanding, artinya jika suhu mutlak benda hitam semakin besar maka intensitas radiasi benda hitam juga semakin besar, 𝑃 I = = e  T 4 atau P = e  A T 4 𝐴 4. Besarnya suhu mutlak benda hitam berbanding terbalik dengan besarnya panjang gelombang radiasi, artinya jika suhu mutlak benda hitam semakin besar maka dihasilkan panjang gelombang radiasi yang semakin kecil T= Saran 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑊𝑖𝑒𝑛 𝑚 1. Sebelum melakukan percobaan sebaiknya memahami terlebih dahulu teori-teori nya. 2. Lebih teliti lagi dalam mengambil data eksperimen. LAMPIRAN Lampiran perhitungan BUKTI TURNITIN