BAB I PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Pada fisika klasik kita memandang elektron, proton dan neutron sebagai partikel, sedangkan radiasi elektromagnetik, cahaya sinar x dan sinar g dipandang sebagai gelombang. Sebenarnya sifat gelombang dan sifat partikel merupakan suatu sifat yang berkaitan satu sama lain yang hanya bergantung pada jenis eksperimen yang diamati, berarti pada suatu keadaan tertentu partikel dapat berkelakuan seperti gelombang, sedangkan dalam keadaan tertentu lainnya gelombang dapat berkelakuan sebagai partikel jadi terdapat sifat dualisme dari partikel dan gelombang. Pada abad ke 17 Newton mengenalkan mengenalkan teori korpuskular (Corpuskular (Corpuskular theory) yang menganggap cahaya terdiri dari partikel-partikel yang dipancarkan oleh suatu sumber. Sebaliknya teory gelombang dari Huygen menyatakan bahwa cahaya terdiri dari gelombang-gelombang. Eksperimen yang menunjang untuk teory Huygen yaitu o
Eksperimen
Young
yang
menunjukkan
gejala
difraksi
dan
interferensi hanya dapat diterangkan dengan teory gelombang cahaya. o
Persamaan-persamaan
dari
Maxwell
tentang
medan
elektromagnetik o
Percobaan Herz (1887) (1887) yang yang membuktikan membuktikan membuktikan bahwa energi elektromagnetik (yang meliputi cahaya) mengalir secara kontinu dan terdiri dari gelombang- gelombang.
Pada abad ke 20 terdapat beberapa eksperimen fisika yang tidak dapat diterangkan dengan teori gelombang tapi dapat dijelaskan dengan memakai teori korpuskular dari Newton diantaranya gejala fisika tersebut adalah : Spektrum radiasi dari benda hitam; Efek foto listrik,Spektrum dari sinar x, Hamburan Compton
Untuk selanjutnya kita misalkan bahwa aliran dari energi radiasi elektromagnetik tidak lagi kontinu, tetapi dalam bentuk berkas-berkas energi yang diskrit dan disebut foton, karena dengan asumsi ini gejala-gejala diatas lebih mudah dijelaskan.
1.2.
Rumusan masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka rumusan masalahnya adalah
1.3.
Tujuan
1.4.
Manfaat
BAB II ISI
Pada 1845 Faraday menemukan bahwa sudut polarisasi dari sebuah sinar cahaya ketika sinar tersebut masuk melewati material pemolarisasi dapat diubah dengan medan magnet.Ini adalah bukti pertama kalau cahaya caha ya berhubungan dengan Elektromagnetisme. Faraday mengusulkan pada tahun 1847 bahwa cahaya adalah getaran elektromagnetik berfrekuensi tinggi yang dapat bertahan walaupun
tidak
ada
medium.
Teori
ini
diusulkan
oleh James
Clerk
Maxwell pada Maxwell pada akhir abad akhir abad ke-19, menyebut bahwa gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnet sehingga tidak memerlukan medium untuk merambat. Pada permukaannya dianggap gelombang cahaya disebarkan melalui kerangka acuan yang tertentu, seperti aether, tetapi teori relativitas khusus menggantikan anggapan ini. Teori elektromagnet menunjukkan yang sinar kasat mata adalah sebagian daripada spektrum elektromagnet. Teknologi penghantaran radio diciptakan berdasarkan teori ini dan masih digunakan. Kecepatan cahaya yang konstan berdasarkan persamaan Maxwell berlawanan dengan hukum-hukum mekanis gerakan yang telah bertahan sejak zaman Galileo, yang menyatakan bahwa segala macam laju adalah relatif terhadap laju sang pengamat. Pemecahan terhadap kontradiksi ini kelak akan ditemukan oleh Albert oleh Albert Einstein.
2.1. Gelombang elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik dapat digambarkan sebagai dua buah gelombang yang merambat secara transversal pada dua buah bidang tegak lurus yaitu medan magnetik dan medan listrik. Merambatnya gelombang magnet akan mendorong gelombang listrik, dan sebaliknya, saat merambat, gelombang listrik akan mendorong gelombang magnet. Diagram di atas menunjukkan gelombang cahaya yang merambat dari kiri ke kanan dengan medan listrik pada bidang vertikal dan medan magnet pada bidang horizontal.
Gambar 1 Gelombang elektromagnetik elektromagnetik
2.2. Efek Fotolistrik
Teori kuantum pertama kali dicetuskan pada tahun 1900 oleh seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang bernama Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 – 1947).
Dalam
percobaannya
Planck
mengamati
sifat-sifat
termodinamika radiasi benda-benda hitam hingga ia berkesimpulan bahwa energi cahaya terkumpul dalam paket-paket energi yang disebut kuanta atau foton. Dan pada tahun 1901 Planck mempublikasikan teori kuantum cahaya yang menyatakan bahwa cahaya terdiri dari peket-paket energi yang disebut kuanta atau foton. Akan tetapi dalam teori ini paket-paket energi atau partikel penyusun cahaya yang dimaksud berbeda dengan partikel yang dikemukakan oleh Newton . Karena foton tidak bermassa sedangkan partikel pada teori Newton memiliki massa. Pernyataan Planck ternyata mendapat dukungan dengan adanya percobaan Albert Einstein pada tahun 1905 yang berhasil menerangkan gejala fotolistrik dengan menggunakan teori Planck. Fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari suatu logam yang disinari dengan panjang gelombang tertentu. Akibatnya percobaan Einstein justru bertentangan dengan pernyataan Huygens dengan teori gelombangnya.Pada efek fotolistrik, besarnya kecepatan elektron yang terlepas dari logam ternyata tidak bergantung pada besarnya intensitas cahaya yang digunakan untuk menyinari logam tersebut. Sedangkan menurut teori gelombang seharusnya energi kinetik elektron bergantung pada intensitas cahaya.
Kemudian
dari
seluruh
teori-teori
cahaya
yang
muncul
dapat
disimpulkan bahwa cahaya mempunyai sifat dual (dualisme cahaya) yaitu cahaya dapat bersifat sebagai gelombang untuk menjelaskan peristiwa interferensi dan difraksi tetapi di lain pihak cahaya dapat berupa materi tak bermassa yang berisikan paket-paket energi yang disebut kuanta atau foton sehingga
dapat
menjelaskan
peristiwa
efek
fotolistrik.
Efek fotolistrik adalah suatu proses dimana suatu cahaya dengan frekuensi cukup tinggi mengenai permukaan sebuah logam, sehingga dari permukaan logam itu terpancar elektron. Gambar ini memberi ilustrasi jenis alat yang dipakai dalam eksperimen efek fotolistrik.
Gambar 2. Alat Yang Digunakan Dalam Eksperimen Fotolistrik
Gambar diatas merupakan peralatan untuk mengamati efek fotolistrik. Cahaya yang menyinari permukaan logam (katoda) menyebabkan electron terpental keluar. Ketika elekyron bergerak menuju anoda, pada rangkaian luar terjadi t erjadi arus elektrik yang diukur dengan Ammeter A. Tabung yang divakumkan berisi dua elektroda yang dihubungkan dengan rangkaian eksternal, dengan keping logam yang permukaannya mengalami iradiasi dipakai sebagai anoda. Sebagian dari elektron yang muncul dari permukaan yang mengalami iradiasi mempunyai energi yang cukup untuk mencapai katoda. Ketika potensial perintang V ditambah, lebih sedikit elektron yang mencapai katoda dan arusnya menurun. Ketika V sama atau melebihi suatu harga Vo yang besarnya dalam orde beberapa volt, tidak ada elektron yang mencapai katoda dan arus terhenti. Terdapatnya efek fotolistrik menunjukkan bahwa gelombang cahaya membawa energi, dan sebagian energi yang diserap oleh logam dapat terkonsentrasi pada elektron tertentu pada dan muncul sebagai energi kinetik. Banyaknya elektron yang dapat dipancarkan dari permukaan logam sangat tergantung pada intensitas penyinaran cahaya dan energinya tergantung
pada frekuensi (ν). Jika diketahui konstanta Planck h = 6,626 E -34 J.s maka energi suatu fotolistrik dirumuskan E = hν …(1) Jika suatu elektron terikat dengan energi W, yang disebut sebagai fungsi kerja, maka besar energi foton menjadi : E = hν – W – W …(2) Oleh karena energi foton merupakan suatu energi kinetik maka berlaku rumus Einstein ½mV2 = hν – W – W …(3) Dimana m : massa elektron V : kecepatan elektron W : kerja yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron dari katoda Dengan tegangan perlambat yang diperlukan disebut restarding potensial maka berlaku persamaan : hν – W – W = e Uo …(4)
Efek fotolistrik hanya terjadi pada frekuensi cahaya yang lebih besar daripada harga minimum tertentu (frekuensi ambang) yang bergantung pada jenis logam yang disinari. Terjadinya efek fotolistrik f otolistrik hampir bersamaan dengan saat datangnya sinar pada plat logam. Energi kinetik kineti k maksimum elektron fotolistrik pada logam tertentu hanya bergantung pada frekuensi berkas cahaya yang datang, tidak bergantung pada intensitas cahaya yang datang. Besar arus fotolistrik sebanding dengan intensitas cahaya yang datang. Cahaya yang datang pada permukaan logam diperlakukan sebagai paket-paket energi yang disebut foton (Einstein, 1905). Efek fotolistrik hanya dapat terjadi jika energi foton datang lebih besar daripada rata-rata energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Jadi rumus empiris efek fotolistrik. Besar energi elektron fotolistrik dapat ditentukan dengan memberikan potensial perintang atau stopping potential (V0) dalam rangkaian untuk menghentikan arus fotolistrik.Dengan e menyatakan besar muatan elektron, yaitu 1,602.10 -19 C. Efek fotolistrik merupakan gejala terlepasnya elektron dari permukaan logam karena disinari gelombang elektromagnetik tertentu.
Gambar 3. Fotolistrik
Syarat terjadinya efek fotolistrik adalah: 1. panjang gelombang ambang ambang sinar (datang) > panjang gelombang bahan 2. frekuensi sinar (f) > frekuensi ambang bahan (f o) 3. energi foton sinar (E f ) >energi ambang bahan (W o) Beberapa hal yang perlu diperhatikan berkaitan dengan efek fotolistrik adalah: 1. elektron akan segera terlepas – terlepas – tanpa tanpa perlu waktu tunda 2. Penambahan intensitas dari cahaya akan menambah jumlah elektron yang terlepas, tetapi tidak menambah besar energi kinetik 3. Cahaya merah tidak akan menyebabkan keluarnya elektron, berapapun besar intensitasnya. Cahaya violet (ungu) yang lemah akan mengeluarkan sedikit elektron, tetapi besar energi kinetik maksimum akan bertambah dibandingkan untuk intensitas cahaya yang panjang gelombannya lebih besar.
Laju pancaran electron diukur sebagai arus listrik pada rangkaian luar dengan menggunakan sebuah Ammeter, sedangkan energi kinetiknya ditentukan dengan mengenakan suatu potensial perlambat (retarding potential) pada anoda sehingga electron tidak mempunyai energi yang cukup untuk “memanjati” bukit potensial yang terpasang. Secara eks perimen tegangan perlambat terus diperbesar hingga pembacaan arus pada ammeter menurun ke nol. Tegangan yang bersangkutan ini disebut potensial henti ( V o ). karena electron yang berenergi tertimggi tidak dapat melewati potensial henti ini, maka pengukuran V merupakan suatu cara untuk menentukan energi kinetik maksimum electron : (3.4)
E k mak e.V Sehingga
V
E kmak e
Berdasarkan hasil pengamatan : 1. Intensitas cahaya tidak mempengaruhi pergerakan electron 2. Intensitas cahaya mempengaruhi jumlah elektron yang lepas dari permukaan logam 3. Energi kinetik hanya bergantung pada panjang gelombang cahaya atau frekuensinya. Untuk lebih jelas hubungan antara intesitas cahaya terhadap arus fotolistrik dan kelajuan perhatikan gambar berikut :
Gambar 2-2 Arus fotoelektron sebanding dengan intensitas cahaya untuk semua tegangan perintang. Tegangan penghenti v o sama untuk semua intensitas cahaya dari frekuensi frekuensi v yang diberikan
Contoh Soal 1 : Frekuensi ambang suatu logam sebesar 8,0 × 10
14
Hz dan logam tersebut
disinari dengan cahaya yang memiliki frekuensi 10 15 Hz. Jika tetapan Planck 6,6 × 1014 Js, tentukan energi kinetik elekton yang terlepas dari permukaan logam tersebut! Penyelesaian: Diketahui:
f 0 = 8,0 × 10 14 Hz
f = 1015 Hz h = 6,6 × 10 -34 Js Ditanya: Ek = ...? Jawab Ek = h.f – h.f – h.f h.f 0 Ek = 6,6 × 10 -34 (1014 – (8,0 (8,0 × 10 14)) Ek = 1,32 × 10 -19 J Contoh soal 2.
Sebuah logam mempunyai frekuensi ambang 4 x 1014 Hz. Jika logam tersebut dijatuhi foton ternyata elektron foto yang dari permukaan logam memiliki energi kinetik maksimum sebesar 19,86 × 10-20 Joule. Hitunglah frekuensi foton tersebut! (h = 6,62 × 10-34 Js)
Peny elesaian Penyeles aian : Diketahu Dike tahuii : f o = 4 × 1014 Hz Ek = 19,86 × 10-20 J h = 6,62 × 10-34 Js Ditanyak Dita nyakan an : f = …? Jawab Jaw ab : Wo = hfo = 6,62 × 10-34 × 4 × 1014 J = 26,48 × 10-20 J
E = Ek + Wo = hf f = Ek+ Wo /h =(19,86 ×10-20+26,48×10-20)/ 6,62×10-34 = 7 × 1014 Hz Jadi frekuensi foton sebesar 7 × 1014 Hz Aplikasi Efek Foto Listrik Dalam Kehidupan Sehari-Hari
Sangat mengherankan jika kita mendengar bahwa aplikasi pertama efek fotolistrik berada dalam dunia hiburan. Dengan bantuan peralatan elektronika saat itu suara dubbing film dubbing film direkam dalam bentuk sinyal optik di sepanjang pinggiran keping film. f ilm. Pada saat film diputar, sinyal ini dibaca kembali melalui proses efek fotolistrik dan sinyal listriknya diperkuat dengan menggunakan amplifier tabung sehingga menghasilkan film bersuara. Aplikasi paling populer di kalangan akademis adalah tabung foto-pengganda ( photomult photo multipl iplier ier tube ). Dengan menggunakan tabung ini hampir semua
spektrum radiasi elektromagnetik dapat diamati. Tabung ini memiliki efisiensi yang sangat tinggi, bahkan ia sanggup mendeteksi foton tunggal sekalipun. Dengan menggunakan tabung ini, kelompok peneliti Superkamiokande di Jepang berhasil menyelidiki massa neutrino yang akhirnya dianugrahi hadiah Nobel pada tahun 2002. Di samping itu efek fotolistrik eksternal juga dapat dimanfaatkan
untuk
tujuan
spektroskopi
melalui
peralatan
yang
bernama photoele phot oele ctron ctr on spect s pectrosc rosc opy atau opy atau PES. Efek fotolistrik internal memiliki aplikasi yang lebih menyentuh masyarakat. Ambil contoh foto-diode atau foto-transistor yang bermanfaat sebagai sensor cahaya berkecepatan tinggi. Bahkan, dalam komunikasi serat optik transmisi sebesar 40 Gigabit perdetik yang setara dengan pulsa cahaya sepanjang 10 pikodetik (10-11 detik) masih dapat dibaca oleh sebuah foto-diode. foto-transistor yang sangat kita kenal manfaatnya dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik melalui efek fotolistrik internal. Sebuah semikonduktor yang disinari dengan cahaya tampak akan memisahkan elektron dan hole. Kelebihan elektron di satu sisi yang disertai dengan kelebihan hole di sisi lain akan menimbulkan beda potensial yang jika dialirkan menuju beban akan menghasilkan arus listrik. Akhir-akhir ini kita dibanjiri oleh produk-produk elektronik yang dilengkapi dengan kamera CCD (charge ( charge coupled device). device ). Sebut saja kamera pada ponsel, kamera digital dengan resolusi hingga 12 Megapiksel, atau pemindai kode batang
(barcode) barcode)
yang
dipakai
diseluruh
supermarket,
kesemuanya
memanfaatkan efek fotolistrik internal dalam mengubah citra yang dikehendaki menjadi data-data elektronik yang selanjutnya dapat diproses oleh komputer. Jadi, tanpa kita sadari kita telah memanfaatkan efek fotolistrik baik internal mau pun eksternal dalam kehidupan sehari-hari. 2.3.
Teori Kuantum Cahaya
Teori elektromagnetik cahaya dapat menerangkan sangat baik banyak sekali gejala, sehingga teori ini tentu mengandung kebenaran. Namun teori yang berdasar kokoh ini tidak cocok untuk menerangkan efek efek fotolistrik. Dalam tahun 1905 Einstein menemukan menemukan bahwa paradoks yang timbul pada efek fotolistrik dapat dimengerti hanya dengan memasukkan pengertian radikal yang pernah disusulkan lima tahun sebelumnya oleh fisikawan teoretis Jerman Max Planck. Ketika itu Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang dipancarkan dipancarkan oleh benda mampat. mampat. Kita mengenal pijaran dari sepotong logam yang menimbulkan menimbulkan cahaya tampak, tetapi panjang gelombang lain yang terlihat mata juga juga terdapat. terdapat. Sebuah benda tidak perlu sangat panas untuk bisa memancarkan gelombang elektromagnetik- semua benda memancarkan energi seperti secara malar (kontinu) tidak perduli berapa temperaturnya. Pada temperature kamar sebagian besar radiasinya terdapat pada bagian inframerah dari spectrum, sehingga terlihat.
Sifat yang dapat diamati dari radiasi benda hitam ini –penamaan serupa itu akan dikemukakan alasannya pada bab 9, di situ pembahasan lengkap persoalan dan pemecahannya diberikan – tidak dapat diterangkan berdasrkan berdasrkan prinsip fisis yang dapat diterima pada pada waktu itu. Planck dapat menurunkan rumus yang dapat menerangkan radiasi spectrum ini (yaitu kecerahan relatif dari berbagai panjang gelombang yang terdapat) sebagai fungsi dari temperature dari benda yang meradiasikannya kalau ia menganggap kalau radiasi yang dipancarkan terjadi secara tak malar (diskontinu), dipancarkan dalam caturan kecil, suatu anggapan yang sangat asing dalam teori electromagnet. electromagnet. Catuan ini disebut kuanta. Planck mendapatkan bahwa kuanta yang berpautan dengan frekuensi tertentu v dari cahaya semuanya harus berenergi sama dan bahwa energi ini E berbanding berbanding lurus dengan v. Jadi
hf E
Energi kuantum
Dengan h, pada waktu itu disebut tetapan Planck, berharga
h = 6,626 X 10 -34 J.s
Tetapan Planck
Ketika ia harus menganggap bahwa energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda timbul secara terputus-putus, Planck tidak pernah menyangsikan bahwa penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang gelombang elektromagnetik yang malar. Einstein mengusulkan bukan saja cahaya dipancarkan menurut suatu kuantum pada suatu saat, tetapi juga menjalar menurut kuanta individual; anggapan yang lebih berlawanan dengan fisika klasik. Menurut hipotesis ini efek fotolistrik dapat diterangkan dengan mudah. Rumusan empiris persamaan 2.1 dapat dapat ditulis
(3.5)
K mak
hf W o
Efek fotolistrik
W o hf o
Pengurulan Einstein berarti bahwa tiga suku dalam persamaan 2.3 dapat ditafsirkan sebagai berikut:
hf
= isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang
K mak = enegi kinetik fotoelektron maksimum hf o
= energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron dari permukaan logam yang disinari.
Beberapa fungsi kerja fotolistrik terlihat dalam tabel 2.1. Untuk melepaskan melepaskan elektron dari permukaan logam biasanya memerlukan separuh dari energi yang diperlukan untuk melepaskan electron dari atom bebas dari logam bersangkutan (lihat Tabel 10.1), sebagai contoh, energi ionisasi ionisasi cesium 3,9 3,9 eV dibandingkan dibandingkan dengan fungsi fungsi kerja 1,9 eV. Karena 14 spectrum cahaya tampak berkisar dari 4,2 hingga 7,9 X 10 Hz yang bersesuaian dengan energi kuantum 1,7 hingga 3,3 eV, jelaslah dari table 2.1 bahwa efek fotolistrik ialah suatu gejala yang terjadi dalam daerah cahaya tampak dan ultraungu.
Seperti telah kita lihat, foton cahaya berfrekuensi f berenergi hf . hf dapat dinyatakan dalam elektronvolt (eV), yaitu 1 eV = 1,60 x 10 -19 Tabel 2.1 Fungsi Kerja Fotolistrik Metal
Lambang
Cesium
Cs
1,9
Kalium
K
2,2
Natrium
Fungsi Kerja, eV
Na
2,3
Lithium
Li
2,5
Kalsium
Ca
3,2
Tembaga
Cu
4,5
Perak
Ag
4,7
Platina
Pt
5,6
Jadi rumus energi foton E
E
4,14 x10
15
hc
dperoleh sebagi berikut
8 eV . s 3 x10 m / s
4
(3.6)
E
1,24 x10 eV .m
Energi foton
Dengan λ dinyatakan dalam meter. Bila λ dinyatakan dalam satuan angstrom (Ǻ), dengan 1 Ǻ = 10-10 m, maka
4
E
(3.7)
1,24 x10 eV .
Ǻ
Energi foton
Soal Cari energi kinetik foto electron jika cahaya ultraungu yang panjang gelombangnya 350 0 Ǻ jatuh pada permukaan kalium. Pemecahan Dari table 2.1 fungsi kerja kalium ialah 2,2 eV. Energi kuantum cahaya yang panjangnya 3500 Ǻ ialah 4
hv
1,24 x10 eVA 3500 A
= 3,5 eV
Sehingga energi kinetic fotoelektron maksimum ialah K mak
hf W o = 3,5 eV – 2,2 eV = 1,3 eV.
Kesalahan penafsiran yang lalu mengenai efek fotolistrik diteguhkan dengan studi mengenai emisi termionik. termionik. Telah lama diketahui bahwa terdapatnya benda benda panas panas menambah menambah konduktivitas listrik udara yang ada di sekelilingnya, dan menjelang abad ke sembilan belas penyebab gejala itu di temukan yaitu emisi electron dari dari benda panas itu. Emisi termonik memungkinkan bekernyanya peralatann seprti tabung gambar televise yang didalamnya terdapat filament logam atau katoda berlapisan khusus yang pada temperature tinggi mentajikan arus electron yang rapat. Jelaslah bahwa electron electron yang dipancarkan memperoleh energi dari agitasi termal partikel pada logam, dan dapat diharapkan bahwa electron harus mendapat energi minimum minimum tertentu tertentu supaya supaya dapat lepas. Energi minimum ini dapat ditentukan untuk berbagai permukaan dan selalu berdekatan dengan fungsi kerja fotolistrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh electron untuk lepas, sedang dalam emisi termionik kalor yang menyediakannya: dalam kasus itu proses fisis yang bersangkutan dengan timbulnya electron dari permukaan logam sama.
Jika cahaya diamati dengan metode gelombang, maka ia akan menghasilkan sifat gelombang. Yaitu, cahaya mempunyai panjang gelombang, bisa dibiaskan, bisa didifraksikan, dan lain sebagainya. Tetapi, jika diteliti dengan metode partikel, ia akan menunjukkan sifat partikel. Yaitu, cahaya bisa cahaya bisa mempengaruhi elektron dan mempunyai energi mempunyai energi yang terkuantisasi.
Foton awalnya dinamakan sebagai kuantum cahaya (das (das Lichtquant ) oleh Albert Einstein. Einstein. Nama modern "photon" berasal dari kata Bahasa kata Bahasa Yunani untuk cahaya φῶς , ditransliterasi sebagai phôs, phôs, dan ditelurkan oleh kimiawan fisik Gilbert fisik Gilbert N. Lewis, Lewis, yang menerbitkan teori spekulatif yang menyebutkan foton sebagai "tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan". Meskipun teori Lewis ini tidak dapat diterima karena bertentangan dengan hasil banyak percobaan, nama barunya ini, photon, photon, segera diadopsi oleh kebanyakan fisikawan. Isaac fisikawan. Isaac Asimov menyebut Arthur Comptonsebagai Comptons ebagai orang yang pertama kali mendefinisikan kuantum cahaya sebagai seba gai foton pada tahun 1927 Foton adalah partikel
elementer dalam
fenomena elektromagnetik. fenomena elektromagnetik.
Biasanya foton dianggap sebagai pembawa radiasi pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X. dan Sinar-X. Foton Foton berbeda dengan partikel elementer lain seperti elektron seperti elektron dan quark, dan quark, karena ia tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, c. Foton memiliki baik sifat gelombang maupun partikel ("dualisme ( "dualisme gelombang-partikel"). gelombang-partikel"). Sebagai gelombang, satu foton tunggal tersebar di seluruh ruang dan menunjukkan
fenomena
gelombang
seperti pembiasan oleh seperti pembiasan
lensa
daninterferensi daninterferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain. Sebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah:
di mana
adalah konstanta Planck,
adalah laju cahaya, dan
adalah panjang
gelombangnya. Selain energi partikel foton juga membawa momentum membawa momentum dan memiliki polarisasi. memiliki polarisasi. Foton mematuhi hukum mekanika kuantum, kuantum, yang berarti kerap kali besaran besaran tersebut tidak dapat diukur dengan cermat. Biasanya besaran-besaran tersebut didefinisikan sebagai probabilitas mengukur polarisasi, posisi, atau momentum tertentu. Sebagai
contoh,
meskipun
sebuah
foton
dapat
mengeksitasi
satu molekul satu molekul tertentu, sering tidak mungkin meramalkan sebelumnya molekul yang mana yang akan tereksitasi. Deskripsi foton sebagai pembawa radiasi
elektromagnetik biasa digunakan oleh para fisikawan. Namun dalam fisika dalam fisika teoretis sebuah foton dapat dianggap sebagai mediator buat segala jenis interaksi elektromagnetik, seperti medan seperti medan magnet dan gaya tolak-menolak antara muatan sejenis. Konsep modern foton dikembangkan secara berangsur-angsur antara 1905-1917 oleh oleh Albert Einstein untuk menjelaskan pengamatan eksperimental yang tidak memenuhi
model
klasik
untuk
cahaya.
Model
foton
khususnya
memperhitungkan ketergantungan energi cahaya terhadap frekuensi, dan menjelaskan kemampuan materi kemampuan materi dan radiasi elektromagnetik untuk berada dalamkesetimbangan dalamkesetimbangan termal. termal. Fisikawan lain mencoba menjelaskan anomali pengamatan ini dengan model semiklasik , yang masih menggunakan persamaan menggunakan persamaan Maxwell untuk mendeskripsikan cahaya. Namun dalam model ini objek material yang mengemisi dan menyerap cahaya dikuantisasi. Meskipun model-model semiklasik ini ikut menyumbang dalam pengembangan mekanika kuantum, percobaan-percobaan lebih lanjut membuktikan hipotesis membuktikan hipotesis Einstein bahwa cahaya itu sendirilah yang terkuantisasi. Kuantum cahaya adalah foton adalah foton.. Dalam fisika, foton biasanya dilambangkan oleh simbol γ abjad Yunani gamma. Simbol ini kemungkinan berasal dari sinar dari sinar gamma, yang gamma, yang ditemukan dan dinamakan oleh Villard oleh Villard dan dibuktikan sebagai salah satu bentuk radiasi elektromagnetik pada 1914 oleh Ernest oleh Ernest Rutherford dan Edward dan Edward Andrade Dalam kimia Dalam kimia dan rekayasa optik, foton biasanya dilambangkan oleh foton,
adalah konstanta adalah konstanta Planck dan abjad Yunani
, energi
adalah frekuensi adalah frekuensi foton. Agak
jarang ditemukan adalah foton disimbolkan sebagai hf , f di f di sini melambangkan frekuensi
Gambar 5. Diagram 5. Diagram Feynman pertukaran Feynman pertukaran foton virtual (dilambangkan oleh garis garis gelombang dan gamma,
) antara sebutir positron positron danelektron. danelektron.
Foton tidak bermassa tidak memiliki muatan listrik dan tidak meluruh secara spontan di ruang hampa. Sebuah foton memiliki dua keadaan polarisasi yang dimungkinkan, dan dapat dideskripsikan dengn tiga parameter kontinu: komponenkomponen vektor gelombang, gelombang, yang mene menentu ntukan kan panj panjang ang gelo gelomba mbang ngnya nya ( ) dan arah perambatannya. Foton adalah boson gauge boson gauge untuk untuk elektromagnetisme, elektromagnetisme, dan sebab itu semua bilangan kuantum lainnya seperti bilangan lepton, bilangan lepton, bilangan baryon atau strangeness atau strangeness bernilai bernilai persis nol. Foton diemisikan dalam banyak proses alamiah, contohnya ketika muatan dipercepat, saat transisi molekuler, atomik atau nuklir ke tingkat energi yang lebih rendah, atau ketika sebuah partikel dan antipartikel dan antipartikel bertumbukan bertumbukan dan saling memusnahkan. Foton diserap dalam proses dengan waktu mundur (time-reversed) yang berkaitan dengan yang sudah disebut di atas: contohnya dalam produksi pasangan partikel-antipartikel, partikel-antipart ikel, atau ata u dalam transisi molekuler, atomik atau nuklir ke tingkat energi yang lebih tinggi. Dalam ruang hampa foton bergerak dengan laju dan momentum dan momentum
dihubungkan dalam persamaan
(laju cahaya). cahaya). Energinya , di mana
merupakan
nilai momentum. Sebagai perbandingan, persamaan terkait untuk partikel dengan massa
adalah
2.4.
Apakah cahaya itu
2.5.
Sinar-X
, sesuai dengan teori dengan teori relativitas khusus.
Dalam tahun 1895 Wilhelm Roentgen mendapatkan bahwa radiasi yang kemampuan tembusnya besar yang sifatnya belum diketahui, ditimbulkan jika electron cepat menumbuk materi. Sinar X ini didapatkan menjalar menurut garis lurus walaupun melalui medan magnetik dapat menembus bahan, dengan mudah, menyebabkan bahan fosforesen berkilau dan menyebabkan perubahan perubahan plat fostografik. Bertambah cepat electron semula, bertambah hebat kemampuan tembus sinar X dan bertambauh banyak jumlah elektron, bertambah besar pula intensitas berkas sinar X.
Kemampuan tembus sinar X, menimbulkan kemampuan untuk memperlihatkan struktur interior dari benda seperti mesin kapal terbang.
Belum lama setelah penemuan itu orang menduga bahwa sinar X merupakan gelombang elektromagneti. Bahkan teori elektromagnetik elektromagnetik meramalkan bahwa muatan muatan listrik yang dipercepat akan meradiasikan gelombang elektromagnetik, dan electron yang bergerak cepat yang tiba-tiba dihentikan jelas mengalami mengalami percepatan. Radiasi yang ditimbulkan dalam dalam keadaan serupa itudiberi nama bahasa Jerman bremsstrahlung (“radiasi pengereman”). Tidak ditemukannya pembiasan (refraksi0 sinar X pada pekerjaan dini disebabkan sangat kecilnya panjang gelombang,
Sifat gelombang sinar X, mula-mula ditegakkan oleh Barkla dalam tahun1906 yang bias menunjukkan polarisasinya. Pengaturan eksperimen eksperimen Barkla disketsa disketsa dalam gambar 2-5. Marilah kita anggap sinar X sebagai gelombang elektromagnetik. Pada bagian kiri seberkas sinar X takterpolarisasi menjalar dalam arah –z menumbuk sekelimit karbon. Sinar X didihambur oleh karbon , ini berarti bahwa electron pada atom karbon digetarkan oleh vector listrik dari sinar X, kemudian meradiasikan meradiasikan kembali. Karena vector listrik dalam gelombang elektromagnetik tegak lurus pada arah penjalaran, berkas sinar X semula yang mengandung vector listrik hanya terletak pada bidang xy. Electron target terimbas untuk bergetar pada bidang xy. Sinar X yang terhambur yang menjalar pada arah +x hanya dapat memiliki vector listrik pada arah y saja, sehingga sinar itu mengalami polarisasi bidang datar. Untuk memperlihatkan polarisasi ini sekelumit karbon yang lain diletakkan pada lintasan sinar X yang menjalar pada bidang xz saja, dan tidak ada pada arah y. tidak adanya sinar X yang dihamburkan diluar bidang xz meyakinkan sifat gelombang sinar X
Dalam tahun 1912 suatu metode dicari untuk mengukur panjang gelombang sinar X. eksperimen difraksi dapat dipandang ideal, tetapi kita ingat dari optic fisis bahwa jarak antara dua garis yang berdekatan pada kisi difraksi harus berorde besar sama dengan panjang gelombang cahaya supaya didapatkan hasil yang memuaskan dan kisi yang berjarak sangat kecil seperti yang diperlukan diperlukan untuk sinar X tak tak dapat dibuat. Namun dalam tahun 1912, Max von Laure menyadari bahwa untuk panjang gelombang yang diduga berlaku untuk sinar X berorde besar hampir sama dengan jarak antara atom-atom dalam kristal yaitu sekitar beberapa angstrom. Dengan alas an itu ia mengusulkan mengusulkan bahwa kristal dapat digunakan digunakan untuk mendefraksi sinar X dengan kisi kristal berlaku sebagai kisi tiga dimensi. Tahun berikutnya eksperimen yang memadai untuk hal tersebut telah dilakukan dan sifat gelombang sinar X
secara sukses ditunjukkan. Dalam eksperimen itu panjang gelombang dari 1,3X10-11hingga 4,8X 10-11m (0,13 hingga 0,48Å) telah ditemukan 10-4 kali panjang gelombang cahaya tampak sehingga mempunyai kuanta 104 kali lebih energitik. Kita akan membahas difraksi difraksi sinar X lebih lanjut dalam pasal 2.5
Radiasi elektromagnetik dalam selang panjang gelombang aproksimasi 0,1 hingga 100 Å, pada waktu ini digolongkan sebagai sebagai sinar X. Perbatasan selang tersebut tersebut tidak tajam , pada batas panjang gelombang kecil bertindak sebagai sinar X dan batas panjang gelombang besar bertindihan dengan cahaya ultraungu.
Gambar 2-6 merupakan diagram tabung sinar X. sebuah katode yng yng dipanasi oleh filament berdekatan yang dilalui arus listrik menyediakan electron terus menerus dengan emisi termionik. Perbedaan potensial potensial yang tinggi V dipertahankan antara katode dengan target logam mempercepat electron electron kearah target tersebut. tersebut. Permukaan target membentuk sudut relatif terhadap berkas electron dan sinar X yang keliar dari target melewati bagian pinggir tabung. Tabung tersebut dihampakan supaya supaya electron dapat sampai ketarget tanpa halangan.
Prinsip kerja sinar-X merupakam kebalikan dari gejal efek fotolistrik. Pada gejala fotolistrik katodanya ditumbuk oleh foton-foton sehingga melepaskan electron. Sedangkan sinar-X anodanya ditumbuk electron, sehingga memancarkan energi foton (sinar-X) Untuk lebioh memahaminya perhatikan gambar berikut ini :
Beda potensial anoda dan katoda (50-100) KV kecapatan electron mencapai 10 % dari kecepatan cahaya. Elekttron yang terlepas dari katoda menumbuk anoda dengan kecepatan tinggi. Di anoda, energi kinetik electron berubah menjadi sinar-X. Sinar-X dapat terjadi melalui dua cara yaitu :
1). Sinar-X terjadi tanpa eksitasi electron
E k hf '
E k
Berkas electron yang berasal dari katode menumbuk atom logam anoda dengan kecepatan tinggi. Sebagian besar electron ini masuk kedalam logam, sehingga energi kinetiknya mungkin berkurang, energi yang hilang berubah menjadi energi foton (sinar-X) E k E k ' hf , jika E k
(3.8)
E k hf
0 , maka
hc
Karena electron dipergepat dengan beda potensial V, maka : E k
eV jadi hf eV
Karena f
c
maka
hc
eV
Jadi untuk mencari panjang gelombang pada sinar-X dapat dihitung dengan :
(3.9)
12400 hc ev v
o
A o
Sinar-X mempunyai 0.01 100 A
2). Sinar-X terjadi karena eksistasi electron
Elektron yang berkecepatan tinggi ketika menumbuk atom logam anoda akan menyebabkan electron pada kulit atom atom sebelah dalam akan pindah kekulit sebelah luarnya. Elektron yang pindah akan cenderung kembali ke kulit asal sambil melepaskan energi dalam bentuk sinar-X
EK EK`
Spektrum sinar x sebanding dengan potensial pemercepat
Sifat-sifat sinar-X adalah 1. GEM (Gelombang Elektromagnetik frekuensi tinggi)
2. Tidak dipengaruhi oleh E dan B 3. Daya tembusnya besar 4. Dapat menghitamkan film 3.4 Efek Compton
Compton menganggap bahwa cahaya sebagai partikel sehingga mempunyai momentum :
mc , atau P P E pc mc 2
hf h E atau P atau P c c
Gambar diatas merupakan gambar penghamburan foton oleh electron disebut efek Compton. Energi dan momentum adalah kekal dalam keadaan seperti itu, dan sebagai foton hambur kehilangan energi (panjang gelombang hasilnya lebih panjang) dibandingkan foton datang. Momentum foton semula ialah hv c , momentum foton hambur ialah hv' c , dan momentum electron awal sector ialah, berurutan, 0 dan p. Dalam arah foton semula. Momentum awal = Momentum akhir hv
(3.10)
c
0
hv c
c os p cos co s
Dan tegak lurus pada arah ini Momentum awal = Momentum akhir (3.11) 0 =
hv' c
sin p sin
Sudut menyatakan sudut antara arah mula-mula dan arah foton hambur, dan ialah sudut antara arah foton mula dan arah electron yang tertumbuk. Persamaan (3.10) dan 3.11) samasama dikali c, sehingga diperoleh
pc cos hv hv' cos pc sin hv' sin
Dengan mengkuadratkan masing-masing persamaan ini dan menambahkannya, sudut dapat dieliminasi sehinga menjadi (3.12)
p 2c 2 hv 2hv hv' cos hv' 2
2
Kemudian kita samakan kedua rumus untuk energi total partikel E K mo c 2 E
mo c 2 p 2c 2 2
Dari bab I kita dapat memperoleh :
K m c
2 2
o
mo c 4 p 2c 2 2
p 2c 2 K 2 2moc 2 K
Karena :
K hv hv' , maka kita dapatkan :
(3.13)
p2c2 hv 2hvhv' hv' 2moc 2hv hv' 2
2
Substitusikan harga p2c2 ini dalam persamaan (3.13) sehingga kita mendapatkan (3.14)
2moc hv hv' 2hv hv'1 cos 2
Hubungan ini akan lebih sederhana jika dinyatakan dalam panjang gelombang sebagai pengganti frekuensi. Bagi persamaan (3.14) dengan 2h2c2, moc v
v' v v' 1 cos h c c c c
Dan karena v c 1 dan v' c 1 ' 1 1 cos ' h '
moc 1
Sehingga panjang gelombang untuk efek Compton adalah : (3.15)
'
h mo c
1 cos
