MAKALAH PRAKTIKUM FISIKA LANJUTAN EFEK COMPTON Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Praktikum Fisika Lanjutan
Dosen Pengampu: Drs. Hasian Pohan, M.Si
Disusun oleh: Kelompok 8 Mila Hanifah
(11160163000017)
Annisa Ristanti Y.
(11160163000025)
Pendidikan Fisika 4A
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS ILMU TARBIYAH DAN KEGURUAN UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA 2018
KATA PENGANTAR
Puji serta syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat-Nya sehingga kami dapat menyusun makalah yang berjudul “Efek Compton”. Shalawat dan salam semoga tetap tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW, keluarga, para sahabat s ahabat serta para pengikutnya. Maka Makalah lah ini ini disu disusu sun n untu untuk k meme memenu nuhi hi tuga tugass mata mata kuli kuliah ah Prak Praktik tikum um Fisik Fisikaa Lanjutan Lanjutan serta dapat menjadi menjadi sumber sumber informasi informasi untuk menambah menambah pengetahuan pengetahuan pembaca mengenai materi Efek Compton. Penyu Penyusun sunan an makala makalah h ini tidak tidak dapat dapat terlak terlaksan sanaa tanpa tanpa bantua bantuan n dari dari berbag berbagai ai pihak. Oleh karena itu, kami mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Drs. Drs. Hasian Pohan M.Si M.Si selaku dosen dosen mata kuliah Praktikum Praktikum Fisika Fisika Lanjutan. Lanjutan. 2. Teman-teman Teman-teman mahasiswa mahasiswa Program Program Studi Pendidikan Pendidikan Fisika serta semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian makalah ini. Kami Kami masih masih meny menyada adari ri terd terdap apat at berb berbag agai ai keku kekuran ranga gan n dalam dalam peny penyusu usuna nan n mak makalah alah ini. ini. Oleh Oleh kare karen na itu itu, kami ami meng mengha hara rapk pkan an kriti ritik k dan sara saran n untuk ntuk penyempurnaan makalah. Semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Tangerang Selatan, 2 Februari 2018
Penyusun
i
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ........................................... ................................................................. ............................................ ................................... .............ii DAFTAR ISI.......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ ............................ii ......ii BAB I PENDAHULU PENDAHULUAN AN
................................................................... ............................................. ............................... ......... 1 1.1..Latar Belakang............................................ 1.2..Rumusan Masalah............................................ .................................................................. ............................................ ........................... ..... 1
.................................................................. ............................................ .............................1 .......1 1.3..Tujuan Penulisan............................................ BAB II ISI 2.1..Foton......................................... ............................................................... ............................................ ............................................ .............................. ........ 2
................................................................... ............................................. ................................. ........... 2 2.2..Efek Compton............................................ 2.3..Metode dan Prosedur Percobaan ……………………………………………9 BAB III PENUTUP 3.1..Kesimpulan............................................ .................................................................. ............................................ .................................... .............. 13
................................................................. ............................................ ............................................ .......................... ....13 13 3.2..Saran........................................... ............................................................... ............................................ ................................... ............. 14 DAFTAR PUSTAKA.........................................
ii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Fisika Fisika kuantu kuantum m (diken (dikenal al juga juga dengan dengan mekani mekanika ka kuantu kuantum m dan teori teori kuantu kuantum) m) sebagi sebagian an besar besar merupa merupakan kan studi studi tentan tentang g dunia dunia mikros mikroskop kopik. ik. Efek Efek Compto Compton n atau sering disebut juga hamburan Compton merupakan salah satu dari tiga percobaan yang yang membu membuktik ktikan an bahwa bahwa cahaya cahaya yang yang selama selama ini diperla diperlaku kukan kan sebaga sebagaii gejala gejala gelomb gelombang ang juga juga memilik memilikii sifat sifat yang yang biasa biasa dikaitk dikaitkan an dengan dengan partike partikel. l. Energi Energiny nyaa tidak disebar merata pada gelombang, melainkan disebarkan dalam bentuk ikatan seperti partikel; sebuah ikatan diskret (kuantum) energi elektromagnet ini dikenal sebagai sebuah foton. 1 Efek Efek Compto Compton n merup merupakan akan salah salah satu percob percobaan aan yang yang menunt menuntun un kepada kepada teori teori kuantum dan membuktikan kebenarannya. Dalam teori kuantum cahaya perjalanan foton foton dalam dalam ruang ruang dengan dengan kecepa kecepatan tan dianggap dianggap tidak menyebar menyebar sebagaimana sebagaimana gelomb gelombang ang,, tetapi tetapi terkon terkonsen sentras trasii dalam dalam ruang ruang yang yang sangat sangat kecil. kecil. Efek Efek Compto Compton n menjadi submateri yang menjelaskan sifat partikel radiasi elektromagnetik. Materi efek Compton juga menjadi materi yang dipelajari dalam fisika. Oleh karena itu, untuk lebih memahami efek Compton maka disusun makalah yang berjudul “Efek Compton”. 1.2. Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dimaksud dengan dengan foton? 2. Apa yang dimaksud dimaksud dengan efek Compton? Compton? 3. Bagaimana metode dan prosedur prosedur percobaan efek compton? compton? 1.3. Tujuan Penulisan
1. Mahasiswa Mahasiswa dapat memahami memahami foton 2. Mahasiswa Mahasiswa dapat memahami memahami efek Compton Compton 3. Mahasiswa Mahasiswa dapat melakukan percobaan percobaan efek compton
1
Kenneth Krane, Fisika Modern (Jakarta: Modern (Jakarta: UI Press, 2014), hlm. 77 .
1
BAB II PEMBAHASAN 2.1. Foton
Foton Foton memilik memilikii sifat-si sifat-sifat fat yang yang jelas; jelas; tidak tidak memilik memilikii massa massa diam, diam, bergera bergerak k
㠮 㠮 dan bahkan dengan laju cahaya dan memenuhi hubungan 㠮
dapat dapat merasak merasakan an tarika tarikan n gravit gravitasi asi seperti seperti partik partikel-p el-parti artikel kel lain. lain. Dalam Dalam fisika, fisika, kedudukan foton yang mendasar yaitu foton mentransmisikan gaya elektromagnet; dalam sudut pandang ini dua muatan listrik berinteraksi dengan mempertukarkan foton (foton dipancarkan salah satu muatan dan diterima muatan lainnya). 2 2.2. Efek Compton
Pada tahun 1923, Compton Compton memberikan memberikan kesimpulann kesimpulannya ya mengenai mengenai hamburan hamburan sinar X oleh materi. Dalam naskah ilmiahnya “ A “ A Quantum Theory of Scattering of X-Rays by Light ”, ”, Compton menerangkan percobannya tentang hamburan sinar X oleh oleh mate materi ri.. Comp Compto ton n meng mengam amat atii bahw bahwaa panj panjan ang g gelom elomba bang ng sina sinarr X yang ang terh terham ambu burr berb berbeda eda deng dengan an panj panjan ang g gelo gelomb mban ang g sina sinarr X sebe sebelu lum m terh terham ambu bur. r. Peru Peruba baha han n panj panjan ang g gelo gelomb mban ang g terse tersebu butt terny ternyata ata juga juga berg bergan antu tung ng dari dari sudu sudutt hamburan. Kesimpulan yang dicantumkan dalam naskah Compton tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:
Teor Teorii Comp Compto ton n bert bertop opan ang g pada pada peng pengan anda dalan lan bahw bahwaa setiap setiap elek elek tron ron yang yang berperan dalam proses ini menghambur suatu kuantum cahaya yang utuh (foton)
Teori ini berlandasak berlandasakan an pada hipotesa hipotesa bahwa kuantum-kua kuantum-kuantum ntum cahaya cahaya datang dari dari berbag berbagai ai arah tertent tertentu u dan dihamb dihamburk urkan an pula pula dalam dalam arah-ara arah-arah h terten tertentu tu (tidak acak)
Hasil Hasil eksp eksper erim imen en yang dila dilaku kuka kan n untu untuk k meny menyeli elidi diki ki teor teorii terse tersebu butt telah telah menu menunj njuk ukka kan n bahw bahwaa gump gumpala alan n radi radiasi asi (kua (kuant ntum um radi radiasi asi,, foto foton) n),, kecu kecuali ali membawa energi juga memiliki momentum linear. 3
2 3
Ibid., hlm. 114. Yusman Wiyatmo, Fisika Wiyatmo, Fisika Modern (Yogyakarta: Modern (Yogyakarta: Pustaka Pelajar, 2010), hlm. 48
2
Efek Efek Comp Compto ton n meru merupa paka kan n cara cara lain lain radi radias asii berin berinter terak akas asi, i, dima dimana na radi radiasi asi diha dihamb mbur urka kan n oleh oleh elek elektro tron n hamp hampir ir beba bebass yang terik terikat at lema lemah h pada pada atom atomny nya. a. Sebagian energi radiasi diberikan pada elektron sehingga terlepas dari atom; energi sisa diradi diradiasi asikan kan kembal kembalii sebaga sebagaii radiasi radiasi elektr elektroma omagn gnetik etik.. Menuru Menurutt gambar gambaran an gelombang, energi radiasi yang dipancarkan itu lebih kecil daripada energi radiasi yang datang (selisihnya berubah menjadi energi kinetik elektron), namun panjang gelombang keduanya tetap sama.4 Proses Proses hambur hamburan an ini, ini, dianal dianalisis isis sebaga sebagaii suatu suatu intera interaksi ksi (tumbu (tumbukan kan,, dalam dalam pengertian partikel secara klasik antara sebuah foton dengan sebuah elektron yang dianggap diam). Tumbukan dianggap bersifat lenting sempurna, sehingga berlaku hukum hukum kekeka kekekalan lan energi. energi. Pada Pada keadaa keadaan n awal, awal, foton foton memilik memilikii energi energi yang diberikan oleh
Dan momentumnya adalah
4
Op.cit., hlm. 104
3
t
Pada skema tersebut foton datang dan menumbuk elektron yang diam. Lalu foton terhambur dengan momentum 㠐 dan elektron terhambur dengan momentum . Sudut hamburan foton dihitung terhadap arah datangnya. Elektron pada keadaan diam memiliki energi diam . Setelah hamburan foton memiliki energi energi 㠐 dan momentum 㠐 㠐 dan bergerak pada arah yang membuat sudut terh terhad adap ap arah arah foto foton n datan datang. g. Elek Elektro tron n memil memilik ikii energ energii total total
dan
momentum dan bergerak pada arah yang membuat sudut terhadap foton datang. Agar analisisnya mencakup pula foton datang berenergi tinggi yang memberikan energi energi yang yang sangat sangat besar besar pada pada elektro elektron n yang yang terham terhambur burkan kan maka maka bagi bagi elektr elektron on dibuat dibuat kinematika kinematika relativistik. relativistik. Dalam interaksi ini berlaku berlaku persyaratan persyaratan kekekalan kekekalan energi dan momentum, yakni:
㠐 (2.1a) Pada sumbu searah dengan arah datang foton
cos cos 㠐 cos (2.1b) Pada sumbu tegak lurus dengan arah datang foton
sin sin 㠐 sin
(2.1c)
㠮 㠮 㠮 㠐 dan 㠐 Karena Karena terdapat terdapat empat empat besaran besaran yang tidak tidak diketah diketahui ui ( 㠮 saling saling bergan bergantun tungan gan), ), dua dari dari empat empat persama persamaan an terseb tersebut ut dapat dapat dielim dielimina inasika sikan n untuk memecahkan memecahkan persamaannya persamaannya secara serempak. Jika mengukur mengukur energi dari arah foton hambur, maka dan dapat dihilangkan. dihilangkan. Sudut dihilangkan dengan menggabungkan persamaan-persamaan momentum:
cos cos 㠐 cos sin 㠐 sin (2.1d) Dikuadratkan kemudian dijumlahkan
cos 㠐co 㠐coss 㠐 cos sin 㠐 sin
4
cos sin 㠐 cos 㠐 cos sin 㠐 cos 㠐
(2.1e)
Dengan menggunakan hubungan relativistik antara energi dan momentum
Dengan menyisipkan dan diperoleh
㠐
㠐 cos 㠐
(2.1f)
㠐 㠐 㠐
㠐 cos 㠐 Karena menjadi dan 㠐 㠐menjadi 㠐 㠐 , maka
㠐 㠐 㠐 cos kedua ruas dibagi 2 㠐 㠐 㠐 cos Karena
maka
㠐 cos 㠐
㠐
㠐 㠐 㠐 㠐 cos cos 㠐 㠐 㠐 㠐 cos 㠐 㠐 co cos 㠐
Kedua ruas dikali
㠐
㠐
cos
maka 㠐
co cos (2.1g)
Karena besaran di ruas kanan tidak pernah negatif, maka 㠐 selalu lebih kecil daripada foton datang; selisih 㠐 adalah energi kinetik yang diberikan kepada
5
. Persam elektr elektron, on, ( Persamaan aan tersebu tersebutt diguna digunakan kan ketika ketika menguk mengukur ur energi energi.. Untuk mengukur pergeseran Compton dapat digunakan persamaan
㠐
co cos (2.1h)
Begitu pula, 㠐 selalu lebih kecil daripada ; foton hambur memiliki panjang gelo gelomb mban ang g yang ang lebi lebih h panj panjan ang g dari daripa pada da foto foton n data datang ng;; peru peruba baha han n panj panjan ang g gelombang ini merentang dari pada hingga dua kali panjang gelombang Compton pada h.5 Dengan cara mengingat hubungan antara momentum dan frekuensi, persamaan (2.1e) dapat ditulis
t
tt㠐
cos cos
t㠐
Maka persamaan (2.1f) menjadi
㠐
t
tt㠐
cos cos
t㠐
Setelah disederhanakan, persamaan tersebut menghasilkan
t㠐 t tt㠐 tt tt㠐 cos
㠐 cos cos 㠐
㠐
co cos (2.1i)
yang menyatakan hubungan antara panjang gelombang foton terhambur ( 㠐 ) dan sudut hamburannya denga deng an panjang gelombang foton datang ( ) dan massa diam elektr elektron on ( ). 6 Besaran
dikenal dikenal sebagai sebagai panjang panjang gelombang gelombang Compton dari
elektron yang memiliki nilai 0,002426 nm. Peragaan eksperimen pertama dari jenis hamburan ini dilakukan oleh Arthur Compton pada tahun 1923. Pada percobaan ini seberkas sinar-X dijatuhkan pada
5 6
Ibid., hlm. 105. Agus Suroso, Hamburan Suroso, Hamburan Compton, Compton , 2018, hlm. 1, (personal.fmipa.itb.ac.id).
6
suatu suatu sasaran sasaran hambur hamburan, an, yang yang dipili dipilih h Compto Compton n adalah adalah unsur unsur karbon karbon.. Meskip Meskipun un tidak ada sasaran hamburan yang mengandung elektron yang benar-benar bebas, elektr elektron on valens valensii dalam dalam kebany kebanyakan akan materi materi terikat terikat sangat sangat lemah lemah pada pada atomny atomnyaa sehingga berperilaku seperti elektron hampir “bebas”. Energi kinetik elektron ini dalam atom sangatlah kecil dibandingkan terhadap energi kinetik yang diperoleh elektr elektron on dalam dalam dalam dalam proses proses hambur hamburan an ini. ini. Energi Energi dari dari sinar-X sinar-X yang yang terhamb terhambur ur diukur dengan sebuah detektor yang dapat berputar pada berbagai sudut .7
Hasil percobaan percobaan asli Compton ini diperlihatk diperlihatkan an pada gambar gambar dibawah dibawah ini. Pada setiap sudut, muncul dua buah puncak, yang berkaitan dengan foton-foton sinar-X hambur hambur dari dua energi atau panjang panjang gelombang gelombang yang berbeda. berbeda. Panjang Panjang gelombang gelombang dari dari salah salah satu puncak puncak ini tidak tidak beruba berubah h terhada terhadap p peruba perubahan han sudut; sudut; punca puncak k ini berkaitan dengan hamburan foton sinar-X oleh elektron-elektron terdalam yang terikat erat pada atom. Karena eratnya ikatan elektron ini pada atom, maka foton yang terhambur oleh elektron ini tidak mengalami kehilangan energi. A k an an tetapi, panjang gelombang puncak yang lain sangat bergantung pada perubahan sudut dan perubahan panjang gelombang ini tepat sesuai dengan yang diramalkan rumus Compton.8
7 8
Krane, loc.cit. Ibid., hlm. 115.
7
Hasil Hasil yang yang sama sama dapat dapat dipero diperoleh leh bagi bagi hambur hamburan an sinar sinar gamma, gamma, adalah adalah foton foton berenergi lebih tinggi (panjang gelombangnya lebih pendek) yang dipancarkan dalam berbagai peluruhan radioaktif. Compton juga mengukur perubahan panjang gelombang sinar gamma hambur. Perubahan panjang gelombang yang disimpulkan dari berbagai hamburan sinar gamma identik dengan yang disimpulkan disimpulkan dari sinar-X. Perubahan panjang gelombang tidak bergantung pada panjang gelombang datang. 9
9
Ibid., hlm. 107.
8
2.3. Metode Percobaan Dalam percobaan ini, akan dipelajari efek Compton dari kuasi elektron bebas aluminium. Kuanta γ berasal dari preparat Cs-137 yang memiliki energi 662 keV. keV. Energi Energi spektr spektrum um γ tergantung tergantung kepada kepada sudut θ θ yang yang dicatat dicatat dengan dengan men menggunak unakan an
penca encaca cah h
sint sintil ilas asii
yang ang
tela telah h
dika dikali libr bras asii
pada ada
kon kondisi disi
menggunak menggunakaa penghambu penghamburr aluminium aluminium maupun maupun tidak. tidak. Sebagai Sebagai evaluasi, evaluasi, energi E (θ ) ditentukan dari posisi puncak absorpsi total pada spektrum yang berbeda.
9
Untuk dapat menentukan energi E kuanta yang dihamburkan kita dapat mengikuti langkah sebagai berikut : 2.3.1 Alat dan bahan
1 Aparatus Set Compton
1 CS-137 CS-137 preparation, preparation, 3.7 MBq
㠮㠮㠮 1 Mixed Preparation 㠮
1 Scintillation counter
1 Detector output stages
1 High High voltage voltage power supply 1.5kv
1 sensor easy
1 MCA-Box
Cassy Lab
2.3.2 Prosedur Eksperimen
Persiapan 1. Susunlah Susunlah peralatan peralatan seperti seperti pada gambar gambar
2. Siapkan Siapkan panel eksperimen eksperimen dengan dengan skala sudut dan koordina koordinatt polar dan pelindung. 3. Pasa Pasang ngla lah h penc pencac acah ah sint sintil ilas asii (e) (e) pada pada outp output ut stag stagee dete detect ctor or (f), (f), kemudian pasang pada holder (d) dan MCA Box pada cassy. 4. Hubungka Hubungkan n output stage dtector dtector dengan power power supply tegangan tegangan tinggi tinggi 1.5 kv 5. Hubungka Hubungkan n juga kabel sinyal sinyal 6 pole dan kabel BNC pada pada output stage stage detector dengan preamplifier dan input pada MCA Box.
10
6. Hubungka Hubungkan n output RS-232 RS-232 pada pada cassy dengan dengan kompute komputer r 7. Pasang power supply supply,, kemudian kemudian hidupkan hidupkan cassy. cassy.
Kalibrasi Pencacah Sintilasi 1.
Jalankan Jalankan program CASSY Lab. Lab. Pilih “Display measuring measuring parameter”, parameter”, kemudian pilih “Multichannel Measurement”, Number of Channel = 256 channels, Measuring Time = 200 s, Negatif pulse = on, Gain box = -2.
Pilih h 2. Pili
“Sta “Start rt meas measu ureme rement nt””
atau atau tek tekan
untuk tuk
memu memula laii
pengukuran. 3.
Secara perlahan-lah perlahan-lahan an naikkan tegangan dari power supply sehingga sehingga garis 662 keV.
4.
(Cs-137) berada berada di sekitar channel 150.
5.
Hapus Hapus nilai nilai penguk pengukura uran n lama dengan dengan dan mulai mulai penguk pengukura uran n spektrum baru untuk kalibrasi dengan .
6.
Pilih Pilih Ener Energy gy Cali Calibr brat atio ion n untu untuk k mela melaku kuka kan n kalib kalibra rasi si ener energi gi pada pada channe channell dimana dimana energi energi untuk untuk Am-241 Am-241 adalah 59,5 59,5 keV dan energi energi untuk Cs-137 adalah 662 keV.
Pencatat spektrum
1. Keluar Keluarkan kan prepara preparatt 㠮㠮 dan dari holder sample dan ganti dengan Cs137. 2. Atur sudut sudut pengukuran pengukuran antara antara preparat dan dan detektor detektor pada sudut sudut tertentu, tertentu, dan ganti waktu pengukurannnya sesuai waktu yang telah ditentukan. 3. Leta Letakk kkan an peng pengha hamb mbur ur alum alumin iniu ium, m, letak letakka kan n pelin pelindu dung ng tamba tambaha han, n, kemudian lakukan pengukuran spektrum. 4. Leta Letakk kkan an hold holder er samp sample le deng dengan an prep prepara arat, t, pada pada sudu sudutt tert terten entu tu dan dan letakkan pelindung.
11
5. Lakuka Lakukan n penguk pengukuran uran untuk spektrum spektrum pertama pertama tanpa penghambur penghambur aluminium. 6. Letakkan Letakkan penghambur penghambur aluminium aluminium dan lakukan lakukan pengukuran pengukuran baru, utnuk utnuk spektrum kedua. Aktifkan mode substraction dan kurangi spektrum dua dengan spektrum satu. -
Aktifk Aktifkan an kursor kursor dan tentuk tentukan an energi energi E dari dari puncak puncak maksimum maksimum,, kemudian simpan nilai pengukuran dalam file ulangi pengukuran dengan sudut yang berbeda.
12
BAB III PENUTUP 3.1. Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa: 1. Foton merupakan partikel; memiliki sifat-sifat yang jelas; tidak memiliki massa
diam, bergerak dengan laju cahaya cahaya dan memenuhi hubungan hubungan 㠮 㠮 㠮 dan
bahkan dapat merasakan tarikan gravitasi seperti partikel-partikel lain 2. Dalam Dalam hamb hambur uran an Comp Compto ton n foto foton n hamb hambur ur memil memilik ikii energ energii yang yang lebih lebih kecil kecil daripa daripada da foton foton datang datang dan memilik memilikii panjan panjang g gelomb gelombang ang yang yang lebih lebih panjan panjang g daripada foton datang. Perubahan panjang gelomang bergantung pada perubahan sudut 3. Energi spektrum γ tergantung kepada sudut θ yang θ yang dicatat dengan menggunakan pencacah sintilasi yang telah dikalibrasi pada kondisi menggunakan penghambur aluminium maupun tidak. Sebagai evaluasi, energi E (θ ) ditentukan dari posisi puncak absorpsi total pada spektrum yang berbeda.
3.2. Saran
1. Untuk pembaca, agar dapat menggunakan menggunakan makalah ini dengan sebaik-baiknya 2. Pembaca dapat menggunakan makalah ini sebagai referensi untuk pengetahuan meng mengen enai ai foto foton n dan dan efek efek Comp Compto ton n diser diserta taii deng dengan an sumb sumber er lain lain yang yang lebi lebih h kredibel
13
DAFTAR PUSTAKA
Krane, Kenneth. Fisika Kenneth. Fisika Modern. Modern. Jakarta: UI Press, 2014. 2014. Wiyatmo, Yusman. Fisika Yusman. Fisika Modern. Modern. Yogyakarta: Pustaka Pelajar, 2010. Agus Suroso. Hamburan Compton. http://personal.fmipa.itb.ac.id/agussuroso/files/2016/04/hamburanCompton.pdf . Diakses pada tanggal 04 Februari 2017 pukul 22.34 WIB
14
