makalah sifat radiasi gelombang elektromagnetik

TUGAS MAKALAH FISIKA MODERN OLEH KELOMPOK III : Zoe Triani Syafii PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS HALU OLEO KENDARI 2015 DAFTAR ISI DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB I : PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan penulisan Manfaat Penulisan BAB II : PEMBAHASAN Tinjauan ulang gelombang elektromagnetik Radiasi benda hitam Efek fotoelektrik BAB III : PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA BAB I PENDAHULUAN Latar belakang Seratus tahun lalu, Albert Einstein muda membuat karya besarnya. Tak tanggung-tanggung, ia melahirkan tiga buah makalah ilmiah yang menjadikan dirinya ilmuwan paling berpengaruh di abad ke-20. Tahun itu dianggap annus mirabilis atau Tahun Keajaiban Einstein. Salah satu makalah itu adalah tentang efek fotoelektrik. Oleh panitia Hadiah Nobel Fisika, makalah itu dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada 1921. Komunitas fisika dunia memperingati tahun ini sebagai Tahun Einstein. Dalam momentum peringatan ini diharapkan muncul Einstein-Einstein abad ke-21. Sejalan dengan ide itulah panitia akademika Olimpiade Fisika Internasional ke-36 di Salamanca, Spanyol, memunculkan problem dari penelitian Einstein dalam fotolistrik. Dalam ujian praktek yang berlangsung di gedung Multiusos Sanchez Paraiso, Universitas Salamanca, Kamis (7/7) pekan lalu, para kontestan disuguhi soal bagaimana mengukur konstanta Planck dengan cahaya dari lampu pijar. Apa hubungan Max Planck dan Albert Einstein? Pada 1990, Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947), ilmuwan dari Universitas Berlin, Jerman, mengemukakan hipotesisnya bahwa cahaya dipancarkan oleh materi dalam bentuk paket-paket energi yang ia sebut quanta. Ia memformulakannya sebagai hv. Penemuan Planck itu membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel Bidang Fisika pada 1918. Gagasan ini diperluas oleh Einstein lima tahun setelah itu. Dalam makalah ilmiah tentang efek fotoelektrik. menurut Einstein, cahaya terdiri dari partikel-partikel yang kemudian disebut sebagai foton. Ketika cahaya ditembakkan ke suatu permukaan logam, foton-fotonnya akan menumbuk elektron-elektron pada permukaan logam tersebut sehingga elektron itu dapat lepas. Peristiwa lepasnya elektron dari permukaan logam itu dalam fisika disebut sebagai efek fotoelektrik.. Einstein menemukan bahwa setiap foton mempunyai energi yang sangat besar, bergantung pada frekuensi. Dalam fisika, energi dari foton dituliskan sebagai E = h x f, simbol f adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck. Nah, dalam soal eksperimen OFI ke-36 itu, para kontestan diminta menghitung nilai konstanta Planck tersebut melalui percobaan. Semua kontestan diberikan satu unit rangkaian. Komponen sistem itu terdiri atas lampu pijar (bohlam), light dependent resistance (LDR), filter, tabung tes, cairan pewarna berwarna oranye, baterai, dan alat ukur multimeter digital. Komponen-komponen itu harus dirangkaikan sesuai dengan skema yang diberikan. Prosedur perangkaian alat juga disertakan. Sebelum menghitung konstanta Planck, para kontestan harus lebih dulu menghitung hambatan filamen (kawat pijar) bohlam, panjang gelombang yang dapat diserap oleh filter, dan sifat-sifat LDR melalui percobaan yang cukup rumit dengan peralatan yang terbilang sederhana. Menurut Yohanes Surya, pembina TOFI, dalam percobaan seperti ini, ketelitian, teknik penggunaan grafik, dan penentuan eror atau kesalahan eksperimen sangat menentukan. Berdasarkan uraian diatas, maka memahami tentang”Sifat Partikel Radiasi Elektromagnetik” penting untuk kita ketahui. Oleh karena itu,dalam mkalah ini dilakukan percobaan mengenai Sifat Partikel Radiasi Elektromagnetik. Rumusan masalah Adapun rumusan masalah dari makalah ini adalah sebagai berikut : Bagaimana tinjauan ulang gelombang elektromagnetik ? Bagaimana radiasi benda hitam ? Bagaimana efek fotoelektrik ? Tujuan Berdasarkan rumusan masalah di atas ,maka tujuan penulisan makalahini adalah : Untuk mengetahui tinjauan ulang gelombang elektromagnetik Untuk mengetahui radiasi benda hitam Untuk mengetahui efek fotoelektrik Manfaat Adapun manfaat dari penulisan makalah adalah sebagai berikut : Sebagai bahan pustaka untuk bidang relevan. Sebagai bahan penilaian perkuliahan. Sebagai bahan akulturasi diri BAB II PEMBAHASAN Tinjauan Ulang Gelombang Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik adalah rambatan gelombang yang diakibatkan oleh getaran dari pasangan medan magnet dan medan listrik.. Gelombang elektromagnet termasuk gelombang transversal karena antara medan magnet dan medan listrik bergerak sefase dan tegak lurus terhadap arah rambatannya. Gambar 1. Sebuah gelombang elektromagnet yang sedang merambat sepanjang arah z. Sifat-sifat gelombang elektromagnetik meliputi : Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang hampa berupa gelombang transversal Tidak memiliki muatan listrik sehingga dapat bergerak dalam medan listrik maupun medan magnet Gelombang elektromagnetik dapat mengalami pemantulan, pembiasan perpaduan, dan pelenturan Medan listrik dan medan magnet sefase dan berbanding lurus. Spektrum gelombang elektromagnetik berdasarkan kenaikan frekuensi atau penurunan panjang gelombangnya adalah sebagai berikut Gelombang radio Gelombang mikro Sinar infra merah Sinar tanpak Sinar ultra violet Sinar x Sinar gamma Suatu medan elektromagnetik dicirikan oleh medan elektrik E dan medan magnet B. Sebagai contoh, medan elektrik radial yang ditimbulkan sebuah muatan titik q di titik asal adalah Dimana r adalah vektor satuan dalam arah radial. Medan magnet pada jarak r dari sebuah kawat lurus panjang berarus sejajar sumbu z adalah θ adalah vektor satuan dalam arah θ dalam sistem koordinat silinder. Jika muatan elektrik dipercepat, atau jika arus elektrik berubah terhada waktu, maka dihasilkan gelombang elektromagnetik. Dalam gelombang elektromagnetik ini, E dan B tidak hanya berubah terhadap r tetapi juga terhadap t. Bentuk pernyataan matematik yang melukiskan gelombang ini dapat bermacam-macam, tergantuk pada sifat sumbergelombang dan jugasifat zat perantara dalam mana gelombang ini merambat. Salah satu bentuk gelombang yang istimewa adalah gelombang bidang yang muka gelombangnya berbentuk bidang. Suatu gelombang elektromagnet bidang yang merambat dalam arah z dilukiskan oleh dua pernyataan berikut E = E0 sin (kz – ωt + ɸ) B = B0 sin (kz – ωt + ɸ) Polarisasi gelombang dinyatakan oleh vektor E0. Bidang polarisasinya ditentukan oleh E0 dan arah rambatannya (sumbu z). begitu arah dan polarisasi E0 sudah ditetapkan, maka arah B0 ditentukan oleh syarat bahwa B harus tegak lurus pada E dan pula pada arah rambat, dan bahwa hasil kali vektor E x B menunjuk dalam arah rambat gelombang. Misalnya, jika E0 menunjuk dalam arah x (E0 = E0 î sebuah vektor satuan dalam arah x), maka B0 haruslah menunjuk dalam arah y (B0 = B0 ĵ ). Selain itu, besarnya B0 ditentukan oleh B0 = c adalah laju cahaya Sebuah gelombang elektromagnet mentransmisikan energi dari satu tempat ke tempat lain, fluks energinya ditentukan oleh vektor pointing S. E x B Untuk gelombang bidang vector ini dapat disederhanakan menjadi E0 B0 sin2 (kz – ωt + ɸ) k k adalah vektor satuan dalam arah z. vektor pointing memiliki dimensi energi per satuan waktu per satuan luas. Misalnya, J/s/m2 atau W/m2. Sifat yang membuat gelombang sebagai gejala fisika yang unik adalah prinsip superposisi. Sebagai contoh, sifat ini memungkinkan dua gelombang yang bertemu di sebuah titik menghasilkan gangguan gabungan di titik itu. Gangguan ini dapat lebih besar atau lebih kecil daripada gangguan yang dihasilkan masing-masing gelombang secara terpisah , namun sifat masing-masing gelombang dari paduan gelombang yang terpancarkan dari titik tumbukan itu sama sekali tidak mengalami perubahan karena tumbukan itu. Sifat gelombang yang penting dan istimewa ini menghasilkan gejala interferensi dan difraksi. Contoh interferensi yang paling sederhana adalah percobaan dua-celah Young, suatu bidang monokromatik dijatuhkan pada suatu penghalang yang mempunyai dua irisan celah. Radiasi Benda Hitam Benda hitam didefinisikan sebagai benda yang dapat mengabsorbsi yang tiba padanya secara sempurna. Konsep benda hitam dapat dijelaskan berikut. Jika kita memandang sebuah bola berongga dari besi, pada permukaan bola dibuat lubang sangat kecil maka lubang tadi kelihatan hitam (gelap). Hal ini terjadi kerena semua energi (cahaya) yang masuk diserap seluruhnya. Cahaya tersebut akan terpantul beberapa kali di dalam rongga sampai seluruh energinya terserap oleh dinding bola. Sebaliknya bila bola tersebut dipanaskan dengan temperatur yang cukup tinggi, maka yang paling terang kelihatan adalah lubang yang ada dipermukaan tadi, atau dengan kata lain bagian yang paling banyak memancarkan energi adalah lubang pada permukaan bola. Hal ini dapat dikatakan radiasi yang keluar dari lubang kecil tadi adalah radiasi benda hitam. Daya pancar radiasi benda hitam persatuan luas diberikan oleh persamaan Stefan-Boltzman sebagai berikut : I = σ T4 dan untuk semua benda ( permukaan ) berlaku persamaan : I = e σ T4 Dengan e adalah daya emisivitas permukaan benda, T = temperatur benda (K), dan σ adalah tetapan Stefan-Boltzman = 5,6693 x 10-8 W/m.K4. Bila temperatur diperbesar maka puncak dari spektrum radiasi benda hitam akan bergeser kearah panjang gelombang yang lebih pendek. Hubungan ini dirumuskan oleh Wien yang dikenal dengan hukum pergeseran wien. λmT = b Dimana b adalah tetapan yang dikenal dengan tetapan pergeseran Wien ( 2,8978 x 10-3 mK, λm adalah panjang gelombang pada intensitas maksimum. Hukum pergeseran Wien ini digunakan untuk menjelaskan mengapa bila besi dipanaskan, mula-mula warnanya merah, dan akhirnya berwarna putih bila temperaturnya dipertinggi. Dengan alasan ini, hukum pergeseran Wien banyak digunakan dalam sistem pengindraan jauh, di dalam menentukan temperatur benda-benda angkasa atau permukaan bumi dari satelit cuaca. Rayleigh-Jeans mencoba merumuskan fenomena radiasi benda hitam menggunakan teori ekipartisi energi fisika klasik. Rayleigh mengusulkan intensitas radiasi benda hitam sebagai fungsi temperatur dan panjang gelombang sebagai berikut : I (λ,T) = 2πckT/λ^4 Namun rumus Rayleigh-Jeans ini setelah diplot dengan data eksperimen hanya sesuai pada spekrum gelombang panjang, sedangkan pada gelombang pendek hasilnya menyimpang. Pada tahun 1900 Max planck mengoreksi rumus Rayleigh-Jeans dan mengusulkan rumus dengan meramalkan bahwa pada gelombang pendek intensitas radiasi menurun secara eksponensial. Planck mengusulkan rumus baru sebagai berikut : I (λ,T) =(2πhc^2)/(λ^5 (e^(hc/λkt)-1)) Teori planck ini didasarkan pada hipotesis yang diberikan yaitu bahwa : Molekul-molekul bergetar (osilasi) memancarkan energi tidak kontinu yaitu suatu kelipatan frekuensi getaran, yaitu : E = n h f Dengan h adalah konstanta planck = 6,626 x 10-34 Js, f adalah frekuensi osilator, n adalah bilangan bulat ( 1,2,3,…..) Molekul-molekul memancarkan atau menyerap energi cahaya dalam jumlah tertentu yang dikenal dengan foton, satu foton membawa energi sebesar, hf. Foto Elektrik Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut.Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik. Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut: Hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Intinya bahwa fotolistrik tidak tergantung pada intensitas cahaya yang datang, tapi fotolistrik tergantung pada frekuensi cahaya yang datang. Ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar. Ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya. Misalnya, ketika suatu bahan natrium disinari cahaya dengan frekuensi lebih kecil dari 5,5 x 1014 Hz tidak terjadi fotolistrik. Walaupun intensitas cahaya diperbanyak ratusan kali lipat, tetap saja tidak terjadi fotolistrik. Tetapi jika frekuensinya dinaikkan lebih dari 5,5 x 1014 Hz, maka dapat terdeteksi adanya fotolistrik. Hasil percobaan ini sangat mengejutkan fisikawan waktu itu. Mereka bingung mengapa penambahan intensitas tidak mempengaruh terjadinya gejala fotolistrik. Padahal setahu mereka, cahaya adalah gelombang. Penambahan intensitas berarti penambahan gelombang. Karena gelombang ini diserap elektron, maka energi elektron semakin besar. Akibatnya elektron akan lebih mudah lepas dari logam (terjadi fotolistrik). Tetapi kenyataannya tidak demikian ! Mengapa ?? Karena karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotoelektrik. Persamaan efek fotoelektrik Einstein, yaitu: Energi cahaya yang terdiri dari foton-foton yang saat itu dikenal sebagai gelombang elektromagnetik terkuantisasi dalam bentuk bundel-bundel energi yang besarnya: E = hf dengan f menyatakan frekuensi cahaya dan h konstanta Planck (6,626 x 10-34 J.s) . Jika frekuensi cahaya cukup tinggi maka energi yang diserap ini akan mampu mengeluarkan elektron dari permukaan logam itu. Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai :Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron E = W0 + Ekm hf = hf0 + Ekm Ekm = hf – hf0 Perlu diperhatikan bahwa W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekm adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Potensial Penghenti Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol. Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (stopping potential). Jika V0 adalah potensial penghenti, maka Ekm = eV0 Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V). 3. Aplikasi Efek fotolistrik Efek fotolistrik merupakan prinsip dasar dari berbagai piranti fotonik (photonic device) seperti lampu LED (light emitting device) dan piranti detektor cahaya (photo detector).Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat (logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam.Efek fotolistrik ini ditemukan oleh Albert Einstein, yang menganggap bahwa cahaya (foton) yang mengenai logam bersifat sebagai partikel. Energi kinetik foto elektron yang terlepas: Ek = h f - h fo Ek maks = e Vo Proses kebalikan foto listrik adalah proses pembentukan sinar X yaitu proses perubahan energi kinetik elektron yang bergerak menjadi gelombang elektromagnetik (disebut juga proses Bremmsstrahlung). Kesimpulan: Agar elektron dapat lepas dari permukaan logam maka f > fo Ek maksimum elektron yang terlepas tidak tergantung pada intensitas cahaya yang digunakan, hanya tergantung pada energi atau frekuensi cahaya. Tetapi intensitas cahaya yang datang sebanding dengan jumlah elektron yang terlepas dari logam. Contoh soal : Fungsi kerja permukaan perak adalah Wo = 4,73 eV. Berapakah frekuensi minimum cahaya yang mengenai permukaannya agar electron terpental keluar ? Peny. Dik. Wo = 4,73 Ev Dit. fo= ……? Peny. Frekuensi minimum adalah frekuensi cahaya yang mempunyai energy sama dengan fungsi kerja dari perak. h fo = wo f0 =wo/h =(4,73 eV)/(4,137 X〖10〗^(-16) eV.s) = 1,14 x 1015 Hz BAB III PENUTUP Kesimpulan Gelombang electromagnetiksama halnya dengan gelombang air atau gelombang bunyi membawa energi. Energi dibawa oleh medan listrik dan medan magnetik dalam bentuk gelombang. Seperti gelombang mikro untuk memasak berbagai makanan dalam sebuah oven Benda hitam didefinisikan sebagai benda yang dapat mengabsorbsi yang tiba padanya secara sempurna.Jika kita memandang sebuah bola berongga dari besi,pada permukaan bola dibuat lubang sangat kecil maka lubang tadi kelihatan hitam (gelap). Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut.Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik. Saran Mohon kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan makalah selanjutnya. DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2013. Buku Ajar Fisika Dasar II. Universitas Halu Oleo. Kendari Halliday. D., Resnick. R., Walker. 2005, Fisika Dasar Jilid 1( Terjemahan Dr Euis Sustini,dkk), Erlangga, Jakarta Kenneth, S.K. 2014. Fisika Modern. Universitas Indonesia. Jakarta KATA PENGANTAR Puji syukur kita panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas berkat limpahan rahmat dan karunia-Nyalah sehingga makalah yang berjudul ”SIFAT PARTIKEL RADIASI ELEKTROMAGNETIK” dapat terselesaikan tepat pada waktunya. Shalawat dan salam selalu tercurah keharibaan junjungan kita, Nabi Besar Muhammad SAW, beserta sahabat dan pengikutnya hingga akhir zaman. Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah banyak membantu dalam pembuatan makalah ini, baik berupa moril maupun materi. Dalam penyajian makalah ini, kami menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan. Untuk itu kami mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak demi tersempurnanya makalah ini. Kendari, 11 Maret 2015 Penulis