Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dari permukaan obyek akibat suhu objek. Jika suatu benda dipanaskan cukup, itu mulai memancarkan cahaya di ujung merah spektrum - itu adalah "merah panas". Pemanasan lebih lanjut menyebabkan warna berubah, seperti cahaya pada panjang gelombang pendek (frekuensi tinggi) mulai dipancarkan. Ternyata bahwa emitor yang sempurna juga merupakan penyerap yang sempurna. Ketika dingin, seperti sebuah benda tampak sempurna hitam, karena memancarkan cahaya tampak praktis tidak, karena menyerap semua cahaya yang jatuh di atasnya. Akibatnya, pemancar termal ideal adalah dikenal sebagai badan hitam, dan radiasi memancarkan disebut radiasi benda hitam.
Pada akhir abad 19, radiasi termal sudah cukup baik ditandai eksperimental. Panjang gelombang di mana radiasi yang terkuat diberikan oleh hukum perpindahan Wien, dan daya keseluruhan yang dipancarkan per satuan luas diberikan oleh hukum Stefan-Boltzmann. Jadi, seperti peningkatan suhu, perubahan warna cahaya dari merah ke kuning ke putih ke biru. Bahkan sebagai puncak panjang gelombang bergerak ke ultra-violet, radiasi yang cukup terus dipancarkan dalam panjang gelombang biru yang tubuh terus muncul biru. Ini tidak pernah menjadi terlihat-memang, radiasi cahaya tampak meningkat secara monoton dengan suhu [2] Fisikawan sedang mencari penjelasan teoretis untuk hasil eksperimen..
Panjang gelombang puncak dan daya total yang diradiasikan oleh benda hitam bervariasi dengan suhu. Elektromagnetisme klasik drastis overestimates intensitas, khususnya pada panjang gelombang pendek.
"Jawaban" ditemukan menggunakan fisika klasik adalah hukum Rayleigh-Jeans. Hukum ini setuju dengan hasil eksperimen pada panjang gelombang panjang. Pada panjang gelombang pendek, bagaimanapun, fisika klasik memprediksi energi yang akan dipancarkan oleh panas tubuh pada tingkat yang tak terbatas. Hasil ini, yang jelas salah, dikenal sebagai bencana ultraviolet.
Model pertama yang mampu menjelaskan spektrum penuh radiasi termal dikemukakan oleh Max Planck pada tahun 1900 [3]. Dia model radiasi termal sebagai dalam kesetimbangan, dengan menggunakan satu set osilator harmonik. Untuk mereproduksi hasil eksperimen ia harus berasumsi bahwa setiap osilator menghasilkan jumlah integral unit energi pada satu frekuensi karakteristik, daripada mampu memancarkan apapun sewenang-wenang sejumlah energi. Dengan kata lain, energi dari osilator masing-masing "terkuantisasi" [Catatan 2] kuantum energi untuk osilator masing-masing, menurut Planck, adalah sebanding dengan frekuensi osilator;. Konstanta proporsionalitas sekarang dikenal sebagai konstanta Planck . Planck konstan, biasanya ditulis sebagai h, memiliki nilai 6,63 × 10-34 J s, dan energi, E, sebuah osilator dari frekuensi f diberikan oleh
E = nhf, \, dimana n = 1,2,3, \ ldots [4]
Hukum Planck adalah teori kuantum pertama dalam fisika, dan Planck memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1918 "dalam pengakuan terhadap pelayanan yang diberikan untuk kemajuan fisika dengan menemukan energi quanta" [5] Pada saat itu., Namun demikian, pandangan Planck adalah kuantisasi yang murni trik matematika, bukan (seperti yang kita ketahui sekarang) perubahan mendasar dalam pemahaman kita tentang dunia [6].
Foton: dengan kuantisasi cahaya
Einstein potret oleh Onnes Kamerlingh Harm di Universitas Leiden pada tahun 1920
Pada tahun 1905, Albert Einstein mengambil langkah tambahan. Dia menyarankan bahwa kuantisasi bukan hanya trik matematika: energi dalam sinar cahaya terjadi pada paket individu, yang sekarang disebut foton [7] Energi dari foton tunggal diberikan dengan frekuensi dikalikan dengan konstanta Planck.:
E = hf. \,
Selama berabad-abad, para ilmuwan telah diperdebatkan antara dua teori yang mungkin cahaya: apakah itu gelombang atau tidak itu bukan terdiri dari aliran partikel kecil? Pada abad ke-19, perdebatan itu umumnya dianggap telah diselesaikan mendukung teori gelombang, seperti yang bisa menjelaskan efek diamati seperti refraksi, difraksi dan polarisasi. James Clerk Maxwell menunjukkan bahwa listrik, magnet dan cahaya adalah manifestasi dari fenomena yang sama: medan elektromagnetik. Persamaan Maxwell, yang merupakan set lengkap hukum elektromagnetisme klasik, menggambarkan cahaya sebagai gelombang: kombinasi berosilasi medan listrik dan magnet. Karena dominan bukti yang mendukung teori gelombang, ide-ide Einstein awalnya disambut oleh skeptisisme yang besar. Akhirnya, bagaimanapun, model foton menjadi disukai, salah satu bagian yang paling signifikan bukti dalam mendukung adalah kemampuannya untuk menjelaskan sifat-sifat membingungkan beberapa efek fotolistrik, dijelaskan dalam bagian berikut. Meskipun demikian, analogi gelombang tetap sangat diperlukan untuk membantu untuk memahami karakteristik lain dari cahaya, seperti difraksi.
Efek fotolistrik
Artikel utama: efek fotolistrik
Cahaya (panah merah, kiri) adalah menyinari logam. Jika lampu adalah frekuensi yang cukup (energi yang cukup yaitu), elektron dikeluarkan (biru panah, kanan).
Untuk menjelaskan efek ambang batas, Einstein berpendapat bahwa dibutuhkan sejumlah energi, yang disebut fungsi kerja, dilambangkan dengan φ, untuk menghilangkan elektron dari logam. [8] Ini jumlah energi yang berbeda untuk masing-masing logam. Jika energi foton kurang dari fungsi kerja maka tidak membawa energi yang cukup untuk melepaskan elektron dari logam. Frekuensi ambang, f0, adalah frekuensi foton yang energinya sama dengan fungsi kerja:
\ Varphi = h f_0 \,.
Jika f adalah lebih besar dari f0, HF energi yang cukup untuk menghilangkan elektron. Elektron dikeluarkan memiliki energi kinetik EK yang, paling, sama dengan energi foton dikurangi energi yang dibutuhkan untuk mengusir elektron dari logam:
E_K = hf - \ varphi = h (f - f_0). .
Langganan:
Posting Komentar (Atom)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar