Konsep Foton.docx

1. KONSEP FOTON

Cahaya pada gejala harian dikenal sebagai gelombang. Konsep cahaya sebagai gelombang dapat diterapkan untuk menjelaskan peristiwa difraksi, interferensi dan polarisasi. Namun pada gejala interaksi cahaya dengan elektron, konsep ini tidak cukup. Albert Einstein menjelaskan, cahaya terdiri atas paket-paket yang disebut sebagai foton. Foton adalah partikel dengan massa diam nol yang merupakan kuantum radiasi elektromagnetik. Foton-foton inilah yang diserap dan dipancarkan. 1.1 DUALISME CAHAYA sifat dualisme cahaya yaitu sebagai gelombang dan partikel. Pada awalnya Newton menyatakan bahwa cahaya adalah partikel. Namun dari penelitian selanjutnya Huygen menunjukkan bahwa cahaya berlaku sebagai gelombang. Dengan menggunakan persamaannya, Maxwell menunjukkan bahwa terdapat gelombang elektromagnetik. Gelombang ini merambat dengan kecepatan yang tergantung mediumnya. Selanjutnya Hertz dapat menunjukan dengan eksperimen adanya gelombang elektromagnetik tersebut. Sifat cahaya ditunjukkan pada tabel di bawah:

Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik. Biasanya foton dianggap sebagai pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X.

Foton tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, c. Foton memiliki baik sifat gelombang maupun partikel "dualisme gelombang-partikel". Sebagai gelombang, satu foton tunggal tersebar di seluruh ruang dan menunjukkan fenomena gelombang seperti pembiasan oleh lensa dan interferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain. Sebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah: 𝐄=

𝐡𝐜 𝛌

Dimana h adalah konstanta planck, c adalah laju cahaya, dan λ adalah panjang gelombang Konsep foton diterapkan dalam banyak area seperti fotokimia, mikroskopi resolusi tinggi dan pengukuran jarak molekuler. Baru-baru ini foton dipelajari sebagai unsur komputer kuantum dan untuk aplikasi canggih dalam komunikasi optik seperti kriptografi kuantum.

2. RADIASI BENDA HITAM

Benda hitam: benda yang dapat menyerap semua radiasi kalor yang mengenai benda tersebut.

Sebuah lubang yang terdapat pada kotak berongga dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna. 2.1 HUKUM STEFAN-BOLTZMANN “daya total yang dipancarkan benda hitam tiap satuan luas pada semua frekuensi sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya ” eksperimen Josef Stefan pada tahun 1879 mendapatkan bahwa:

σ : konstanta Stefan–Boltzmann = 5,67 10-8 W m-2 K-4 e : emisivitas benda yang bernilai 0 ≤ e ≤ 1 Jika luas seluruh permukaan benda diketahui, energi per satuan waktu atau daya yang dipancarkan oleh benda tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

P = e σ A 𝑇4 Energi total yang dihasilkan oleh permukaan benda hitam dalam selang waktu t sekon menjadi;

Jika diketahui suhu benda T dan suhu lingkungan To, besarnya radiasi kalor yang dipancarkan atau yang diserap oleh benda terhadap lingkungannya akan memenuhi persamaan berikut.

Jika suhu benda T lebih besar daripada suhu lingkungan To, benda akan memancarkan radiasi kalor, begitu juga sebaliknya. 2.2 HUKUM PERGESERAN WIEN Jika kotak dipanaskan, atom-atom pada dinding kotak akan menyerap energi panas dan bergetar. Atom-atom yang bergetar ini akan berlaku sebagai osilator harmonik yang menimbulkan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik terdiri atas spektrum gelombang-gelombang dengan panjang gelombang berbeda-beda. Untuk meneliti intensitas radiasi pada panjang gelombang digunakan alat didasarkan pada penguraian cahaya (dispersi) oleh prisma menjadi spektrumnya.

Bagaimana dengan panjang gelombang dari radiasi yang dipancarkan benda hitam? Setiap benda yang bersuhu tertentu akan memancarkan radiasi dengan distribusi yang khas seperti grafik di bawah

Seperti terlihat pada gambar. intensitas radiasi bernilai maksimum pada panjang gelombang tertentu yang disebut λmax. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa terjadi pergeseran λmax. Semakin tinggi suhu bendanya, λmax semakin pendek (bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek). Hal ini mengikuti hukum pergeseran Wien dalam persamaan: λmax T = 2,898 ×10-3m K (T = konstan) 2.3 PERUMUSAN RAYLEIGH DAN JEANS Di antara ilmuwan yang mencoba menerangkan spektrum radiasi benda hitam dengan ciri khas yang ditunjukkan pada kurva tersebut yaitu Lord Rayleigh (1842–1919) dan Sir James Hopward Jeans (1877–1946). Mereka menggunakan teori kinetik gas dalam Fisika klasik Rayleigh-Jeans melihat bahwa kurva sebaran itu serupa dengan hasil yang diperoleh pada intensitas spektrum radiasi kalor. Oleh karena itu, mereka beranggapan bahwa ada kemiripan antara sifat panas benda dan radiasi kalor.

Berdasarkan prinsip ekuipartisi energi, persamaan matematis yang didapatkan oleh Rayleigh dan Jeans: •

 yang membesar, intensitas akan semakin kecil dan jika  mendekati tak hingga, intensitas akan mendekati nol. Hal ini sesuai dengan hasil empiris.

•

Apabila  mengecil, intensitas akan membesar. Bahkan intensitas menuju tak hingga jika mendekati 0. Hal ini sangat menyimpang dari hasil empiris

•

Penyimpangan persamaan Rayleigh-Jeans yang sangat jauh ini diberi istilah bencana ultraviolet karena yang kecil berada dalam wilayah panjang gelombang ultraviolet

Kenapa terdapat penyimpangan? Mereka beranggapan bahwa energi yang dimiliki oleh setiap spektrum gelombang bersifat kontinu. Artinya, energi gelombang dapat memiliki sembarang nilai dalam batas yang ditentukan. Ternyata, anggapan itu menghasilkan suatu fungsi yang mengakibatkan ketidaksesuaian dengan hasil eksperimen dengan hasil eksperimen pada panjang gelombang pendek atau pada frekuensi tinggi. Persamaan Rayleigh-Jeans menunjukkan hasil yang sesuai dengan hasil empiris untuk panjang gelombang besar. Adapun Hukum Wien sesuai untuk daerah panjang gelombang pendek. 2.4 TEORI DAN HIPOTESIS PLANCK Menurut Planck, energi yang diserap atau yang dipancarkan oleh getaran-getaran yang timbul di dalam rongga benda hitam merupakan paket-paket atau kuanta energi atau foton. Energi total dengan frekuensi f, terkuantisasi, tercatu secara diskrit yaitu kelipatan dari h f mengikuti: E=nhf dengan n = 1, 2, 3, …

h= tetapan universal dikenal sebagai tetapan Planck (h = 6,626 ×10-34 J s) Planck membuat aturan bahwa energi setiap modus getar tidak boleh lebih energi rata-rata yang dimiliki radiasi (kT). Akan tetapi, karena energi yang mungkin dimiliki oleh modus getar nhf, berarti semakin tinggi frekuensi, semakin kecil kebolehjadian untuk tidak melebihi kT. Hubungan kuantum Planck menunjukkan bahwa ekuipartisi energi dan setiap jenis getaran memiliki energi total yang berbeda-beda. Persamaan yang menunjukkan besarnya energi per satuan luas yang dipancarkan oleh suatu benda hitam yang terdistribusi menggunakan teori kuantum adalah;

k = 1,38 × 10–23JK–1 (disebut konstanta Boltzmann) h = 6,63 × 10–34Js (disebut konstanta Planck) Menurut Planck, atom-atom pada dinding rongga benda hitam memiliki sifat seperti osilator harmonik. Energi yang dimiliki oleh osilatorosilator harmonik tersebut hanya pada nilai-nilai f tertentu, yaitu kelipatan bilangan asli dari hf, yakni hf, 2hf, 3hf, dan seterusnya. Osilator-osilator harmonik itu tidak boleh memiliki energi selain harga-harga tersebut. Oleh Planck energi osilator itu dikatakan terkuantisasi.

3. EFEK FOTOLISTRIK

“Efek fotolistrik adalah suatu gejala terlepasnya elektron-elektron dari permukaan pelat logam yang disinari cahaya dengan frekuensi tertentu”

Sebuah tabung ruang hampa (vaacuum) dilengkapi dengan katode (K) dan anode (A). Kemudian, tabung ini dihubungkan dengan sumber tegangan  yang dapat diatur tegangannya. Jika anode (A) disinari dengan sinar ultraviolet, elektron dari anode akan terlepas dan bergerak menuju katode, kemudian mengalir dalam rangkaian. Banyaknya elektron yang terlepas (kuat arus) dapat terlihat melalui penunjukan jarum amperemeter. Eksperimen pada rangkaian efek fotolistrik dengan cara mengubah-ubah intensitas cahaya dan frekuensi cahaya yang jatuh pada pelat logam. Saat mengamati efek yang ditimbulkan oleh cahaya dengan frekuensi tertentu, perubahan intensitas cahaya mengakibatkan perubahan jumlah elektron yang keluar. Akan tetapi, energi kinetik yang dimiliki elektron tidak mengalami perubahan. Energi kinetik elektron berbanding lurus dengan frekuensi gelombang cahaya. Ketika frekuensi cahaya yang jatuh pada anode diubah-ubah, efek fotolistrik hanya dapat terjadi pada saat frekuensi cahaya lebih besar daripada frekuensi ambang fo. Frekuensi ambang adalah batas frekuensi terkecil yang dapat menyebabkan terjadinya efek fotolistrik. Energi kinetik yang dimiliki elektron dapat dicari dari potensial ambang (pada saat arus sama dengan nol). Besarnya potensial penghenti V0 atau Vp, bersesuaian dengan energi kinetik Ek elektron

Dengan memvariasi intensitas cahaya yang digunakan ternyata tegangan penghentinya tetap (Vp) tidak berubah. Seperti terlihat pada gambar. Ketika disinari dengan intensitas I1, tegangan penghentinya V p. Jika disinari dengan intensitas yang lebih tinggi I2, tegangan penghentinya juga tetap VP.

Namun bila frekuensi cahaya diubah, ternyata tegangan penghentinya juga berubah. Semakin tinggi frekuensi cahayanya, tegangan penghentinya juga semakin besar, seperti pada gambar Untuk cahaya dengan frekuensi fM, didapatkan tegangan penghenti sebesar VM, sedang bila digunakan cahaya dengan frekuensi yang lebih tinggi yaitu fB akan diperoleh tegangan yang lebih besar pula yaitu VB.

ternyata hubungan antara tegangan penghenti terhadap frekuensi mengikuti garis lurus (linear). Dan efek fotolistrik terjadi bila frekuensi cahayanya lebih besar dari nilai batas ambang. Kejadian ini konsisten dan berlaku untuk logam-logam yang lain pula.

Apabila cahaya datang pada permukaan logam katoda C yang bersih, elektron akan dipancarkan. Jika elektron menumbuk anoda A, terdapat arus dalam rangkaian luarnya. Jumlah elektron yang dipancarkan yang dapat mencapai elektroda dapat ditingkatkan atau diturunkan dengan membuat anoda positif atau negatif terhadap katodanya. Apabila V positif, elektron ditarik ke anoda. Apabila V negatif, elektron ditolak dari anoda. Hanya elektron dengan energi kinetic mv² yang lebih besar dari ₑV kemudian dapat mencapai anoda. Potensial Vₒ disebut potensial penghenti. Potensial ini dihubungkan dengan energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan oleh:

Einstein dapat menjelaskan secara sempurna hasil empiris efek fotolistrik, yaitu cahaya yang jatuh ke atas logam dilukiskan sebagai foton-foton yang menerpa logam. Pada peristiwa tumbukan tersebut, foton menyerahkan seluruh energinya kepada elektron dan foton itu sendiri lenyap. Elektron yang menerima energi dari foton akan mengalami kenaikan energi. Jika energi yang diterima ini cukup untuk mengatasi tarikan ion dalam atom, elektron tersebut akan terlepas dari permukaan logam. Energi yang

diperlukan untuk melepaskan diri dari permukaan logam disebut fungsi kerja (W).

Kelebihan energi yang diterima elektron itu akan menjadi energi kinetik elektron;

4. SINAR X

Proses pembentukan sinar-X merupakan aliran elektron yang menumbuk permukaan logam dapat menghasilkan foton-foton sinar-X. Sinar-X didapatkan ketika elektron-elektron bergerak dengan kecepatan tinggi yang diperoleh melalui beda potensial tinggi menumbuk suatu permukaan logam.

W.D. Colidge menciptakan sebuah tabung yang dapat digunakan untuk menghasilkan sinar-X. Prinsip kerja tabung tersebut, yakni berkas elektron dihasilkan oleh katode yang dipanaskan dengan filamen di dalam ruang hampa. Bahan sasarannya berupa logam yang memiliki titik leleh tinggi yang berfungsi sebagai anode yang berpotensial tinggi antara 10 3 – 106 volt terhadap katode. Jika elektron menumbuk atom pada anode, seluruh energi kinetik elektron digunakan untuk menghasilkan radiasi sinar-X, akan berlaku persamaan-persamaan sebagai berikut.

Energi kinetik elektron ini berasal dari energi potensial elektron, karena elektron mendapat beda potensial V, sehingga;

panjang gelombang minimum sinar-X dapat dihasilkan dari suatu tabung sinar-X yang memenuhi persamaan;

5. EFEK COMPTON

Gejala Compton merupakan gejala hamburan (efek) dari penembakan suatu materi dengan sinar-X. Efek ini ditemukan oleh Arthur Holly Compton pada tahun 1923. Jika sejumlah elektron yang dipancarkan ditembak dengan sinar-X, maka sinar-X ini akan terhambur. Hamburan sinar-X ini memiliki frekuensi yang lebih kecil daripada frekuensi semula. Compton dengan menganggap bahwa yang terjadi adalah tumbukan antara kuantum cahaya dan elektron bebas.

Peristiwa tumbukan antara foton, berupa sinar-X, dan elektron bebas.

Setelah tumbukan, sinar-X terhambur dengan sudut  dan mengalami penurunan energi dari E menjadi E’. Di pihak lain, elektron bergerak dengan arah membentuk sudut  dengan arah gerak foton sebelum tumbukan. Hamburan yang dialami oleh sinar-X itu disebut hamburan Compton dengan ciri–ciri khas terjadinya perubahan menjadi dengan nilai yang lebih besar. Untuk mengetahui perubahan energi atau panjang gelombang foton setelah hamburan, digunakan analisis dengan hukum kekekalan momentum dan kekekalan energi (total atau kinetik)

merupakan nilai yang konstan, yaitu sebesar 2,43x10 –12m, disebut juga sebagai panjang gelombang Compton.

λ= Menurut teori klasik, energi elektromagnetik dihubungkan oleh:

dan

momentum

gelombang

Jika massa foton (m) dianggap nol. Gambar di slide sebelumnya menunjukkan geometri tumbukan antara foton dengan panjang gelombang λ, dan elektron yang mula-mula berada dalam keadaan diam. Compton menghubungkan sudut hamburan θ terhadap yang datang dan panjang gelombang hamburan λ1 dan λ2. p1 merupakan momentum foton yang datang dan p2 merupakan momentum foton yang dihamburkan, serta p.c merupakan momentum elektron yang terpantul. Kekekalan momentum dirumuskan: