Makalah Fisika Kuantum

“Efek fotolistrik dan efek compton”DI SUSUN

OLEH

KRISNA ( 4113240016) MUTIA ( 411) ERVINA ( 41132400)VIKCY ( 410)

FISIKA Non_Dik 2011

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS NEGERI MEDAN

SUMATERA UTARA2013

BAB 1. PENDAHULUAN

Efek fotolistrik adalah fenomena terlepasnya elektron logam akibat disinari cahaya. Ditinjau

dari perspektif sejarah, penemuan efek fotolistrik merupakan salah satu tonggak sejarah

kelahiran fisika kuantum. Untuk merumuskan teori yang cocok dengan eksperimen, kita

dihadapkan pada situasi dimana paham klasik yang selama puluhan tahun diyakini sebagai

paham yang benar, terpaksa harus dirombak. Paham yang dimaksud adalah konsep cahaya

sebagai gelombang tidak dirombak, fenomena efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan secara baik.

Paham yang baru yang mampu menjelaskan secara teoritis fenomena efek fotolistrik adalah

bahwa cahaya sebagai partikel namun demikian, munculnya paham baru ini menimbulkan

polemik baru. Penyebabnya adalah bahwa paham cahaya sebagai gelombang telah dibuktikan

kehandalannya dalam menjelaskan sejumlah besar fenomena yang berkaitan dengan fenomena

difraksi, interferensi, dan polarisasi. Sementara itu, fenomena yang disebutkan tadi tidak dapat

dijelaskan berdasarkan paham cahaya sebagai partikel. Untuk mengatasi itu, para ahli sepakat

bahwa cahaya memiliki sifat ganda : sebagai gelombang dan sebagai partikel.

Pada makalah ini akan dijelaskan materi mengenai sejarah perkembangan Efek Fotolistrik.

Efek fotolistrik merupakan pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika

dikenai, dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu)

yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. Istilah lama untuk efek

fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi).

Efek fotolistrik banyak membantu penduaan gelombang-partikel, dimana sistem fisika

(seperti foton dalam kasus ini) dapat menunjukkan kedua sifat dan kelakuan seperti-gelombang

dan seperti-partikel, sebuah konsep yang banyak digunakan oleh pencipta mekanika kuantum.

Efek fotolistrik dijelaskan secara matematis oleh Albert Einstein yang memperluas kuanta yang

dikembangkan oleh Max Planck.

Hukum emisi fotolistrik:

1. Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektro yang dikeluarkan berbanding lurus

dengan intensitas cahaya yg digunakan.

2. Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi. di bawah frekuensi ini

fotoelektron tidak bisa dipancarkan.

3. Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak bergantung

pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.

4. Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang dari 10-9

detik.

BAB II. EFEK FOTOLISTRIK

Penemuan Hertz Gelombang Maxwell

Prediksi paling dramatis teori Maxwell elektromagnetisme, diterbitkan pada tahun 1865,

adalah adanya gelombang elektromagnetik bergerak pada kecepatan cahaya, dan kesimpulan

bahwa cahaya itu sendiri hanya seperti gelombang. Eksperimentalis ini ditantang untuk

menghasilkan dan mendeteksi radiasi elektromagnetik menggunakan beberapa bentuk aparatus

listrik. Usaha jelas pertama yang berhasil adalah dengan Heinrich Hertz pada tahun 1886. Dia

menggunakan sebuah kumparan induksi tegangan tinggi menyebabkan percikan discharge antara

dua lembar kuningan, mengutip dia, "Bayangkan tubuh silinder kuningan, 3 cm diameter 26 cm,

ditengah sela sepanjang panjangnya oleh celah percikan yang kutub pada sisinya dibentuk oleh

lingkup radius 2 cm. " Idenya adalah bahwa sekali percikan membentuk jalur melakukan antara

dua konduktor kuningan, biaya dengan cepat akan berosilasi bolak-balik, memancarkan radiasi

elektromagnetik dari panjang gelombang mirip dengan ukuran konduktor sendiri.

Untuk membuktikan bahwa memang ada radiasi yang dipancarkan, itu harus terdeteksi.

Hertz menggunakan sepotong kawat tembaga 1 mm tebal membungkuk ke lingkaran diameter

7,5 cm, dengan lingkup kuningan kecil di salah satu ujungnya, dan ujung kawat itu menunjuk,

dengan titik dekat bola. Dia menambahkan mekanisme sekrup sehingga titik bisa bergerak sangat

dekat dengan lingkungan secara terkendali. Ini "penerima" dirancang sehingga arus berosilasi

bolak-balik di kawat akan memiliki periode alami dekat dengan dari "pemancar" yang dijelaskan

di atas. Adanya muatan berosilasi di penerima akan ditandai dengan percikan di seluruh

perbedaan (kecil) antara titik dan lingkungan (biasanya, kesenjangan ini seratus milimeter).

(Disarankan untuk Hertz bahwa kesenjangan ini percikan bisa diganti sebagai detektor oleh kaki

seekor katak yang sesuai disiapkan, tapi itu ternyata tidak berhasil.)

Penelitian ini sangat sukses - Hertz mampu mendeteksi radiasi hingga lima belas meter

jauhnya, dan dalam serangkaian percobaan cerdik ditetapkan bahwa radiasi tercermin dan

membias seperti yang diharapkan, dan bahwa itu terpolarisasi. Masalah utama - faktor pembatas

dalam deteksi - sedang dapat melihat percikan kecil dalam receiver. Dalam upaya untuk

meningkatkan percikan Deteksi, dia datang atas sesuatu yang sangat misterius. Untuk kutipan

dari Hertz lagi (dia disebut pemancar percikan A, B penerima): "Aku kadang-kadang tertutup

percikan B dalam kasus gelap sehingga lebih mudah membuat pengamatan, dan dengan

demikian saya mengamati bahwa percikan panjang maksimum menjadi jelas lebih kecil dalam

kasus ini daripada sebelumnya. Pada menghapus berturut-turut berbagai bagian kasus, terlihat

bahwa hanya sebagian saja yang melakukan ini adalah efek merugikan yang ditayangkan

percikan B dari percikan A. Partisi pada sisi yang dipamerkan efek ini, tidak hanya ketika berada

di lingkungan langsung dari spark B, tetapi juga ketika sela pada jarak yang lebih besar dari B

antara A dan B. fenomena A begitu luar biasa disebut untuk penyelidikan lebih dekat. "

Hertz kemudian memulai investigasi yang sangat teliti. Ia menemukan bahwa penerima

percikan kecil lebih kuat jika terkena sinar ultraviolet dari pemancar percikan. Butuh waktu lama

untuk mencari ini keluar - ia pertama kali diperiksa untuk beberapa jenis efek elektromagnetik,

tetapi menemukan selembar kaca efektif terlindung percikan. Dia kemudian menemukan

sepotong kuarsa tidak perisai percikan, dimana ia menggunakan prisma kuarsa untuk memecah

cahaya dari besar percikan ke dalam komponen-komponennya, dan menemukan bahwa panjang

gelombang yang membuat percikan sedikit lebih kuat berada di luar terlihat, di ultraviolet.

Pada tahun 1887 Heinrich Rudolf Hertz menemukan fenomena efek Fotolistrik yang

membingungkan para Fisikawan waktu itu.

Sebuah logam ketika diberi cahaya akan melepaskan elektron, yang akan menghasilkan

arus listrik jika disambung ke rangkaian tertutup. Jika cahaya adalah gelombang seperti yang

telah diprediksikan oleh Fisika klasik, maka seharusnya semakin tinggi intensitas cahaya yang

diberikan maka semakin besar arus yang terdeteksi. Namun hasil eksperimen menunjukkan

bahwa walaupun intensitas cahaya yang diberikan maksimum, elektron tidak muncul juga dari

plat logam.

Tetapi ketika diberikan cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek (frekuensi

lebih tinggi, ke arah warna ungu dari spektrum cahaya) dari sebelumnya, tiba-tiba elektron lepas

dari plat logam sehingga terdeteksi arus listrik, padahal intensitas yang diberikan lebih kecil dari

intensitas sebelumnya. Berarti, energi yang dibutuhkan oleh plat logam untuk melepaskan

elektronnya tergantung pada panjang gelombang. Fenomena ini tidak dapat dijelaskan oleh para

Fisikawan pada waktu itu. Kalau cahaya itu memang benar-benar gelombang, yang memiliki

sifat kontinyu, bukankah seharusnya energi yang bisa diserap darinya bisa bernilai berapa saja ?

Tapi ternyata hanya jumlah energi tertentu saja yang bisa diserap untuk melepaskan elektron

bebas.

Pendekatan Hallwachs 'Simpler

Tahun berikutnya, 1888, fisikawan Jerman, Wilhelm Hallwachs, di Dresden, menulis:

"Dalam sebuah publikasi baru-baru ini Hertz telah dijelaskan investigasi terhadap

ketergantungan panjang maksimum dari sebuah induksi percikan pada radiasi yang diterima dari

induksi lain percikan. Dia membuktikan bahwa fenomena yang diamati adalah suatu tindakan

dari sinar ultraviolet No cahaya lebih lanjut tentang itu. sifat fenomena bisa diperoleh, karena

kondisi rumit penelitian di mana ia muncul. Saya telah berupaya untuk memperoleh fenomena

terkait yang akan terjadi dalam kondisi sederhana, untuk membuat penjelasan dari fenomena

lebih mudah Sukses itu. diperoleh dengan menyelidiki tindakan dari lampu listrik pada tubuh

bermuatan listrik. "

Dia kemudian menjelaskan eksperimennya yang sangat sederhana: plat melingkar seng

dipasang berdiri dengan isolasi serta dilengkapi dengan kawat ke electroscope daun emas, yang

kemudian dibebankan negatif. electroscope yang hilang muatannya dengan sangat lambat.

Namun, jika pelat seng terkena sinar ultraviolet dari lampu busur, atau dari magnesium terbakar,

muatannya keluar dengan cepat. Jika piring itu bermuatan positif, tidak ada muatan yang keluar.

(Kami menunjukkan ini sebagai demo kuliah, menggunakan lampu UV sebagai sumber.)

Mungkinkah cahaya ultraviolet entah bagaimana merusak sifat isolasi dari dudukan plat

seng? Mungkinkah efek listrik atau magnetik dari arus besar di lampu busur entah bagaimana

menyebabkan keluarnya muatan?

Meskipun percobaan Hallwach sudah dapat dipastikan kebenarannya, ia tidak mengerti teori apa

yang sedang terjadi.

J.J. Thomson Mengidentifikasi Partikel

Pada kenyataannya, situasi masih belum jelas sampai 1899, ketika Thomson menetapkan bahwa

sinar ultraviolet menyebabkan elektron menjadi dipancarkan, partikel-partikel yang sama

ditemukan dalam sinar katoda. Metode-Nya adalah untuk menyertakan permukaan logam yang

akan terkena radiasi dalam tabung vakum, dengan kata lain untuk membuat katoda dalam sebuah

tabung sinar katoda. Fitur baru adalah bahwa elektron itu harus dikeluarkan dari katoda oleh

radiasi, bukan oleh medan listrik yang kuat yang digunakan sebelumnya.

Pada saat ini, ada gambar yang masuk akal tentang apa yang terjadi. Atom dalam katoda

berisi elektron, yang terguncang dan bergetar disebabkan oleh medan listrik dari radiasi .

Akhirnya beberapa dari mereka akan bergetar dan akan dikeluarkan dari katoda. Hal ini

bermanfaat mempertimbangkan dengan hati-hati bagaimana jumlah dan kecepatan elektron yang

dipancarkan akan diharapkan bervariasi dengan intensitas dan warna radiasi. Peningkatan

intensitas radiasi akan mengguncang elektron lebih keras, sehingga orang akan berharap lebih

untuk menjadi dipancarkan, dan mereka akan menembak keluar dengan kecepatan yang lebih

besar, rata-rata. Meningkatkan frekuensi radiasi akan mengguncang elektron lebih cepat,

sehingga dapat menyebabkan elektron untuk keluar lebih cepat. Untuk lampu sangat redup, itu

akan memerlukan waktu untuk elektron bekerja sampai amplitudo getaran yang cukup

mengeluarkannya.

Penemuan Mengejutkan oleh Lenard

Pada tahun 1902, Lenard mempelajari bagaimana energi foto elektron yang dipancarkan

bervariasi dengan intensitas cahaya. Dia menggunakan lampu karbon busur, dan dapat

meningkatkan intensitas seribu kali lipat. Elektron dikeluarkan dari pelat logam, kolektor, yang

terhubung ke katoda melalui kawat dengan ammeter sensitif, untuk mengukur arus yang

dihasilkan oleh iluminasi. Untuk mengukur energi elektron dikeluarkan, Lenard dibebankan pelat

kolektor negatif, untuk mencegah elektron datang ke arah itu. Jadi, elektron hanya dikeluarkan

dengan energi kinetik yang cukup untuk bergerak ini adalah bukti potensial akan berkontribusi

pada saat ini. Lenard menemukan bahwa ada tegangan minimum didefinisikan dengan baik yang

berhenti setiap elektron mendapatkan melalui, kita akan menyebutnya Vstop. Yang mengejutkan,

ia menemukan bahwa Vstop tidak tergantung sama sekali pada intensitas cahaya! Menggandakan

intensitas cahaya dua kali lipat jumlah elektron yang dipancarkan, tetapi tidak mempengaruhi

energi dari elektron yang dipancarkan. Bidang berosilasi lebih kuat terlontar elektron lebih, tapi

energi individu maksimum elektron dikeluarkan adalah sama seperti untuk bidang lemah.

Tapi Lenard melakukan sesuatu yang lain. menggunakan lampu busur yang sangat kuat,

ada intensitas yang cukup untuk memisahkan warna dan memeriksa efek fotolistrik

menggunakan lampu warna yang berbeda. Dia menemukan bahwa energi maksimum dari

elektron dikeluarkan tidak bergantung pada warna namun panjang gelombang pendek, cahaya

dengan frekuensi yang lebih tinggi menyebabkan elektron akan dikeluarkan dengan lebih banyak

energi. Hal ini, bagaimanapun, sebuah kesimpulan yang cukup kualitatif --- pengukuran energi

tidak terlalu direproduksi, karena mereka sangat sensitif terhadap kondisi permukaan, di negara

khususnya oksidasi parsial. Dalam vacua terbaik tersedia waktu itu, oksidasi signifikan dari

permukaan segar terjadi di puluhan menit. (Rincian permukaan sangat penting karena elektron

yang dipancarkan tercepat adalah mereka dengan mudah ke permukaan, dari ikatan mereka pada

benda padat sangat bergantung pada sifat permukaan --- itu logam murni atau campuran logam

dan atom oksigen ?)

Question: In the above figure, the battery represents the potential Lenard used to charge the

collector plate negatively, which would actually be a variable voltage source. Since the electrons

ejected by the blue light are getting to the collector plate, evidently the potential supplied by the

battery is less than Vstop for blue light. Show with an arrow on the wire the direction of the

electric current in the wire.

Pertanyaan: Pada gambar di atas, baterai merupakan potensi Lenard digunakan untuk mengisi

pelat kolektor negatif, yang sebenarnya akan menjadi sumber tegangan variabel. Karena elektron

dikeluarkan oleh sinar biru yang sampai ke plat kolektor, jelas potensi yang disediakan oleh

baterai kurang dari Vstop untuk cahaya biru. Tampilkan dengan panah pada kawat arah arus

listrik dalam kawat.

Penjelasan dan keterangan Einstein

Pada tahun 1905 Einstein memberikan penafsiran yang sangat sederhana dari hasil

Lenard's. Dia hanya menduga bahwa radiasi yang masuk harus dianggap sebagai kuanta dari

frekuensi hf, dengan f frekuensi. Dalam photoemission, satu kuantum tersebut diserap oleh satu

elektron. Jika elektron adalah beberapa jarak menjadi bahan katoda, beberapa energi akan hilang

ketika bergerak ke arah permukaan. Akan selalu ada beberapa biaya elektrostatik dengan

elektron permukaan daun, ini biasanya disebut fungsi kerja, W. elektron yang paling energik

yang dipancarkan akan menjadi sangat dekat dengan permukaan, dan mereka akan

meninggalkan katoda dengan energi kinetik

E = hf - W

Pada tegangan negatif pada plat kolektor sampai arus berhenti, untuk itu Vstop, elektron

energi kinetik tertinggi harus memiliki eVstop energi ketika meninggalkan katoda. Dengan

demikian,

eVstop = hf – W

Dengan demikian teori Einstein membuat prediksi kuantitatif yang sangat jelas: jika

frekuensi cahaya insiden yang bervariasi, dan Vstop diplot sebagai fungsi frekuensi, kemiringan

garis harus h / e.

Hal ini juga jelas bahwa ada frekuensi cahaya minimum untuk suatu logam tertentu,

bahwa untuk yang kuantum energi sama dengan fungsi kerja. Cahaya di bawah ini frekuensi itu,

tidak peduli seberapa terang, tidak akan menyebabkan photoemission.

Dari Pembahasan diatas dapat disimpulkan bahwa energi yang dibutuhkan oleh plat

logam untuk melepaskan elektronnya tergantung pada panjang gelombang, dan diungkap oleh

Einsten bahwa hal ini dikarenakan ketika frekuensi cahaya yang diberikan lebih tinggi, maka

walaupun terdapat hanya 1 foton saja (intensitas rendah) dengan energi yang cukup, foton

tersebut mampu untuk melepaskan 1 elektron dari ikatannya. Intensitas cahaya dinaikkan berarti

akan semakin banyak jumlah foton yang dilepaskan, akibatnya semakin banyak elektron yang

akan lepas. Einstein menjawab teka-teki mengenai fotolistrik.

Einstein termashur dengan teori relativitasnya. Hampir semua orang

kenal formula E = mc2, namun sedikit saja yang mengetahui apa itu efek

fotolistrik yang mengantarkan Einstein sebagai ilmuwan penerima hadiah Nobel.

Pada tahun 1921 panitia hadiah Nobel menuliskan bahwa Einstein dianugrahi

penghargaan tertinggi di bidang sains tersebut atas jasanya di bidang fisika teori

terutama untuk penemuan hukum efek fotolistrik. Sangat mengherankan

mengapa ia tidak menerima Nobel dari teori relativitas yang berdampak filosofis tinggi tersebut.

Mungkinkah hanya panitia hadiah Nobel yang tahu, atau ada alasan pragmatis di balik itu?

Efek fotolistrik merupakan proses perubahan sifat-sifat konduksi listrik di dalam material

karena pengaruh cahaya atau gelombang elektromagnetik lain. Efek ini mengakibatkan

terciptanya pasangan elektron dan hole di dalam semikonduktor, atau pancaran elektron bebas

dan ion yang tertinggal di dalam metal. Fenomena pertama dikenal sebagai efek fotolistrik

internal, sedangkan fenomena kedua disebut efek fotolistrik eksternal.

Einstein menyelesaikan paper yang menjelaskan efek ini pada tanggal 17 Maret 1905 dan

mengirimkannya ke jurnal Annalen der Physik, persis 3 hari setelah ulang tahunnya yang ke 26.

Di dalam paper tersebut Einstein untuk pertama kalinya memperkenalkan istilah kuantum (paket)

cahaya. Pada pendahuluan paper ia berargumentasi bahwa proses-proses seperti radiasi benda

hitam, fotoluminesens, dan produksi sinar katode, hanya dapat dijelaskan jika energi cahaya

tersebut tidak terdistribusi secara kontinyu.

Ide Einstein memicu Louis de Broglie menelurkan konsep

gelombang materi. Konsep ini menyatakan benda yang bergerak dapat

dianggap sebagai suatu gelombang dengan panjang gelombang

berbanding terbalik terhadap momentumnya. Sederhananya, ide de

Broglie ini merupakan kebalikan dari ide Einstein. Kedua ide ini

selanjutnya membantu melahirkan mekanika kuantum melalui

persamaan Schroedinger yang menandai berakhirnya masa fisika klasik.

Upaya Millikan untuk menyangkal Teori Einstein

Jika kita menerima teori Einstein, maka, ini adalah cara yang sama sekali berbeda untuk

mengukur konstanta Planck. Ahli fisikawan Amerika Robert Millikan, yang tidak menerima teori

Einstein, yang dilihatnya sebagai serangan terhadap teori gelombang cahaya, bekerja selama

sepuluh tahun, sampai 1916, pada efek fotolistrik. Dia bahkan dirancang teknik untuk Scraping

membersihkan logam permukaan dalam tabung vakum. Untuk semua usahanya dia menemukan

hasil mengecewakan: ia mengkonfirmasikan teori Einstein, pengukuran terus-menerus untuk

konstanta Planck dalam 0,5% dengan metode ini. Namun salah satu hiburan untuknya adalah dia

mendapatkan hadiah Nobel untuk serangkaian percobaan

Pada kenyataanya, inilah ikhwal lahirnya fisika modern yang menampik asumsi teori-

teori mapan saat itu. Salah satunya adalah teori Maxwell yang berhasil memadukan fenomena

kelistrikan dan kemagnetan dalam satu formula serta menyimpulkan bahwa cahaya merupakan

salah satu wujud gelombang elektromagnetik. Jelas dibutuhkan waktu cukup lama untuk

meyakinkan komunitas fisika jika cahaya memiliki sifat granular. Nyatanya dibutuhkan hampir

11 tahun hingga seorang Robert Millikan berhasil membuktikan hipotesis Einstein. Tidak

tanggung-tanggung juga, Millikan menghabiskan waktu 10 tahun untuk pembuktian tersebut.

Pada saat itu Einstein mempublikasikan paper lain berjudul “Teori Kuantum Cahaya”. Di dalam

paper ini ia menjelaskan proses emisi dan absorpsi paket cahaya dalam molekul, serta

menghitung peluang emisi spontan dan emisi yang diinduksi yang selanjutnya dikenal sebagai

koefisien Einstein A dan B. Kedua koefisien ini bermanfaat dalam menjelaskan secara teoretis

penemuan laser di kemudian hari. Tujuh tahun kemudian Arthur Compton berhasil membuat

eksperimen yang membuktikan sifat kuantum cahaya tersebut dengan bantuan teori relativitas

khusus.

. Aplikasi Efek Fotolistrik

Apakah Anda pernah bertanya-tanya bagaimana sebuah kamera otomatis dapat

mengambil gambar yang besar tanpa mengatur? Kamera memiliki built-in light meter. Ketika

cahaya datang ke light meter, menyerang sebuah benda logam yang melepaskan elektron dan

menciptakan arus. Ini secara otomatis membuka dan menutup lensa untuk menyesuaikan kondisi

pencahayaan tinggi dan rendah. detektor asap dan beberapa alarm pencuri juga beroperasi

menggunakan prinsip dasar efek fotolistrik.

Sangat mengherankan jika kita mendengar bahwa aplikasi pertama efek fotolistrik berada

dalam dunia hiburan. Dengan bantuan peralatan elektronika saat itu suara dubbing film direkam

dalam bentuk sinyal optik di sepanjang pinggiran keping film. 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

(photomultiplier 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 photoelectron

spectroscopy 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.

Sel surya 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 coupled device). Sebut saja kamera pada ponsel, kamera digital dengan

resolusi hingga 12 Megapiksel, atau pemindai kode-batang (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.

Bab III. Efek Compton

Tahun 1923 Arthur Holy Compton dapat menunjukkan bahwa ketika sinar-

Xmonokromatik diarahkan ke unsur ringan karbon ,radiasi hamburan terdiri dari dua

komponen ,yang pertama lebih panjang dari sinar datang dan yang kedua sama dengan

radiasi sinar datang. Compton juga mengamati bahwa selisih antara panjang gelombang sinar X

datang dengan panjang gelombang sinar X terhambur meningkat terhadap sudut

hamburan,peristiwa ini disebut efek Compton. Selisih panjang gelombang ini tidak bergantung

pada sinar datang dan juga merupakan sifat alami dari bahan penghambur. Efek Compton

adalah salah satu dari 3 proses yang melemahkan energi suatu sinar ionisasi. Bila suatu sinar

jatuh pada permukaan suatu materi sebagian daripada energinya akan diberikan kepada materi

tersebut, sedangkan sinar itu sendiri akan di sebarkan.

Radiasi sinar X monokromatik K dari anoda menuju Kristal karbon,setelah

dihamburkan melalui sudut yang diketahui lalu sinar X tersebut dilewatkan melalui sejumlah

celah menuju Kristal dalam spectrometer Bragg ,dimana sinar X didifraksikan oleh Kristal lalu

masuk ke ruang ionisasi yang mengukur intensitas sinar X terdifraksi . dengan mengukur sudut

difraksi dimana intensiitas maksimum diamati ,maka kemungkinan untuk menentukan panjang

gelombang ( ) sinar X yang dihamburkan oleh kristal karbon pada sudut tertentu ( ) dari

persamaan Bragg.

Compton mengamati dua puncak yang

memiliki panjang geombang berbeda dalam radiasi

terhambur. Pada sudut hamburan 900 ,panjang

gelombang pertama ( 0) sesuai dengan panjang

gelombang sinar X monokromatikK molybdenum

yaitu 0,0709 nm ,sedangkan panjang gelombang

kedua yaitu 2 mempunyai panjang gelombang

0,0732 nm.

Selisih kedua panjang gelombang tersebut (

) yaitu 0,0023 nm yang sesuai dengan nilai

perhitungan dari persamaan Compton . puncak

intensitas pada panjang gelombang 0,0732 nm

disebabkan hamburan Compton dari elektron yang

dianggap bebas ,karena energi ikatnya dalam atom kecil jika dibandingkan energi hf foton sinar

X datang . puncak intensitas 0 =0,0709 nm (sama dengan panjang gelombang sinar X datang )

disebabkan hamburan dari elektron terikat dalam atom . dalam hal ini momentum recoil (elektron

yang terbental) diambil oleh keseluruhan atom yang lebih berat disbanding elektron ,maka

menghasilkan pergeseran panjang gelombang yang sangat kecil (diabaikan ) sehingga foton

terhambur mempunyaienergi dan panjang gelombang yang sama dengan sinar datang.

Perumusan teori efek Compton dapat diuraikan sebagai berikut,misal foton berenergi hf

menumbuk sebuah elektron bebas dalam keadaan diam. Foton terhambur akibat tumbukan

mempunyai energi hf dan mempunyai sudut denganarah foton datang . sedangkanelektron

terpental (recoil) akibat tumbukan tersebut dan mempunyai sudut dengan arah foton datang.

Dari hukum kekekalan energi

hf = hf’ + Ek =hf’ +mc 2 –m0c2

dimana k =

hf = hf’ + m0c (k-1) ………………………………………………………………(.1.)

Dari hukum kekekalan momentum

Pada sumbu x , ……………………………………..(.2.)

Pada sumbu y, …………………………………………(.3.)

Momentum sebelum tumbukan sama dengan momentum sesudah tumbukan dan momentum

elektron diam = nol.

Dari persamaan (.1,)

Lalu kedua sisi dikuadratkan

…………………………

….(.4.)

Dari persamaan (.2.)

…………………………………………………………..(.5.)

Dari persamaan (.3.)

………………………………………………………………..(.6.)

Kuadratkan persamaan (.5.) dan (.6.) lalu jumlahkan

………………………………………………….(.7.)

Persamaan (.4.) dikurangi (.7.)

Sehingga selisih h panjang gelombang foton terhambur dengan foton datang

………………………….…………………………………..(.8.)

disebut panjang gelombang Compton ; Å

Dari persamaan (.8.)

………………………………………………………..(.9.)

Dimana dan Ek=hf-hf’ , sehingga energi kinetic elektron recoil

……………………………………………………(.10.)

Dari persamaan (.2.) dan (.3.)

…….…………………………………………....(.11.)

……………………………………………………….(.12.)

Persamaan (.12.) dibagi (.11.) dan melalui persamaan (.9.)

Sehingga arah elektron recoil yaitu :

…………………………………………………………….(.13.)

Kegagalan teori fisika klasik atau teori gelombang elektromagnet , menjelaskan peristiwa efek

Compton sebagai berikut :

1. Menurut teori gelombang elektromagnet, sinar-X terhambur seharuysnya ,mempunyai

panjang gelombang ( ) yang sama seperti sinar-X datang, padahal menurut teori

Compton panjang gelombang ( ) sinar-X terhambur beda dengan sinar-X datang.

2. Intensitas radiasi sinar datang berfrekuensi f akan menyebabkan elektron-elektron unsur

ringan (Carbon) berosilasi dengan frekuensi sama, padahal menurut teori Compton

elektronunsur ringan berosilasi dengan frekuensi beda.

3. Osilasi elektron-elektron ini kemudian akan meradiasikan gelombang elektromagnetik

dengan frekuensi yang sama dan arah berbeda, padahal menurut teori Compton osilasi

elektron-elektron meradiasikan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang

berbeda.

Dengan menggunakan teori Planck-Einstein, Compton membuat rumusan teori yang didasarkan

pada postulat-postulat berikut :

1. Radiasi sinar monokromatik dengan frekuensi f terdiri dari aliran foton-foton yang masing-

masing energinya hf dan momentumnya hf/c .

2. Hamburan sinar-X datang oleh atom sebuah unsur adalah hasil tumbukan elastis antara foton

dan elektron, sehingga terdapat kekekalan energi dan momentum

Kesimpulan dari hasil eksperimen hamburan Compton yaitu :

1. Panjang gelombang ( ) radiasi yang dihamburkan pada setiap sudut ( ) selalu lebih

besar dari ( ) radiasi sinar datang.

2. Selisih panjang gelombang ( ) tidak tergantung ( )sinar-X datang dan pada sudut tetap,

hamburan adalah sama untuk semua unsur yang mengandung elektron tidak terikat

(bebas) pada keadaan lain.

3. Selisih panjang gelombang ( ) meningkat terhadap sudut hamburan ( ) dan

mempunyai nilai maksimal pada =180 derajat.

Keterbatasan-keterbatasan teori Compton :

1. Teori Compton tidak dapat menjelaskan keberadaan sinar-X dalam radiasi terhambur

yang mempunyai panjang gelombang sama dengan radiasi sinar-X datang.

2. Teori Compton tidak dapat menjelaskan bahwa intensitas sinar-X terhambur lebih besar

dariapada sinar-X yang datang untuk unsur atom-atom ringan, tetapi untuk unsur-unsur

atom berat justru intensitas sinar-X terhambur lebih kecil daripada sinar-X yang datang.

CONTOH SOAL

Diketahui:

c = 3 x 108m/s h = 6,63 x 10-34 Js me = 9,1 x 10-31kg

1 eV = 1,602 x 10-19J 1 Ǻ = 10-10 m

1. Pada sebuah eksperimen hamburan menggunakan berkas sinar X, diketahui fraksi perubahan

panjang gelombang adalah 1% saat sudut hamburannya 120o. Berapakan panjang

gelombang sinar X yang digunakan?

Penyelesaian.

Dari soal yang diketahui adalah:

kemudian akan dicari panjang gelombang . Dari persamaan efek Compton kita punya

Substitusikan nilai-nilai h, me, c dan kita dapatkan

karena

maka

Jadi panjang gelombang yang digunakan dalam eksperimen tersebut adalah

2. Suatu berkas cahaya dalam eksperimen hamburan Compton terhambur dengan panjang

gelombang 0,01 nm. Jika sudut hamburan foton adalah 90o, berapakah panjang gelombang

foton yang datang?

Penyelesaian.

Dari soal yang diketahui adalah:

Panjang gelombang hambur = 0,01nm = 0,01 x 10-9m = 10-11m

kemudian akan dicari panjang gelombang datang . Dari persamaan efek Compton kita

punya

Substitusikan nilai-nilai , h, me, c dan kita dapatkan

Jadi panjang gelombang datangnya adalah

3. Sinar X dengan panjang gelombang 4 pm ditembakkan pada sebuah sasaran dan terhambur.

Berapakah panjang gelombang maksimum pada sinar X yang dihamburkan? Berapa pula

energi kinetik maksimum elektron yang terhentak?

Penyelesaian.

Dari soal yang diketahui adalah

Panjang gelombang datang = 4 pm = 4 x 10-12m

kemudian akan dicari panjang gelombang hambur maksimum dan energi kinetik

hentak maksimum elektron. Dari persamaan efek Compton kita punya

Sehingga maksimum apabila 1 – cos = 2 (maksimum bila = 180o) Substitusikan nilai-

nilai , h, me, dan c kita dapatkan

Untuk

energi hentak maksimum sama dengan beda energi foton datang dengan energi foton

hambur (maksimum) sehingga

Jadi

panjang gelombang hambur maksimumnya adalah dan energi hentak

maksimumnya sebesar 17,04keV

4. Berapa frekuensi sinar X terhambur pada gejala Compton, jika frekuensi sinar X datang 3 x

1019Hz, dan sudut hambur 60o?

Penyelesaian.

Dari soal yang diketahui adalah

Frekuensi sinar datang ,

kemudian akan dicari frekwensi sinar hambur . Ingat bahwa

Sehingga,

Dan dari persamaan efek Compton kita punya

Substitusikan nilai-nilai , h, me, c dan kita dapatkan

Sehingga kita dapatkan

Jadi frekuensi sinar X hambur adalah

5. Seberkas sinar X terhambur oleh elektron bebas pada sudut 60o. Jika panjang gelombang

sinar Xyang digunakan 0,024Ǻ. Berapa persenkah fraksi perubahan panjang gelombang

sinar X tersebut?

Penyelesaian. Dari soal yang diketahui adalah

Panjang gelombang hambur = 0,024 Ǻ = 2,4 x 10-12m

kemudian akan dicari panjang gelombang datang . Dari persamaan efek Compton kita

punya

Substitusikan nilai-nilai h, me, c dan kita dapatkan

Fraksi perubahan panjang gelombang

Jadi Fraksi perubahan panjang gelombang adalah

6. Foton sinar-X menumbuk elektron diam yang bebas , foton tersebut dihamburkan melalui

sudut . berapa frekuensinya setelah tumbukan jika frekuensi awal (sinar datang)

f=3.1019 Hz ?

Penyelesaian.

SOAL

1. Jelaskan dengan singkat mengapa efek Compton merupakan salah satu dari 3 proses yang

melemahkan energi suatu sinar ionisasi!

Penyelesaian.

Efek Compton adalah suatu efek yang merupakan bagian interaksi sebuah penyinaran

terhadap suatu materi. Bila suatu sinar (ionisasi) jatuh pada permukaan suatu materi

sebagian dari energinya akan diberikan kepada materi tersebut, sedangkan sinar (ionisasi) itu

sendiri akan di sebarkan sehingga energi sinar (ionisasi) itu melemah. Sebagai contoh : atom

dalam sistem periodik dengan nomer atom yang besar seperti timbal akan meyerap energi

sinar ionisasi efek fotoelektrik, sedangkan element yang bernomer atom kecil akan

menyebarkan sinar ionisasi tersebut.

2. Menurut teori kuantum cahaya, foton berlaku sebagai partikel, hanya saja foton tidak

mempunyai massa diam.  Cobalah jelaskan dengan singkat bahwa foton berlaku sebagai

partikl menggunakan efek Compton!

Penyelesaian.

Ingat bahwa pada percobaan hamburan Compton yang dilakukan dengan foton sinar X yang

terjadi adalah foton menumbuk elektron (yang mula-mula dalam keadaan diam terhadap

sistem koordinat laboratorium) dan kemudian mengalami hamburan dari arahnya semula

sedangkan elektronnya menerima impulse dan mulai bergerak. Dalam tumbukan ini foton

dapat dipandang sebagai partikel yang kehilangan sejumlah energi yang besarnya sama

dengan energi kinetik K yang diterima oleh elektron.

3. Suatu elektron bebas dihamburkan dalam arah membentuk sudut dengan foton datang pada

percobaan   hamburan compton. Buktikan energi kinetik elektron adalah

Dengan

Penyelesaian.

4. Ada dua proses yang terjadi bila seberkas sinar X ditembakkan kesebuah atom, yaitu : energi

berkas sinar X terserap oleh atom dan sinr X yang dihamburkan oleh atom. Jelaskanlan

kedua buah proses tersebut dengan singkat!

Penyelesaian.

Dalam proses yang pertama, berkas sinar X terserap atom melalui efek foto listrik yang

mengakibatkan tereksitasinya atom atau terlemparnya elektron dari atom. Atom akan

kembali ke keadaan dasarnya dengan memancarkan elektron (melalui Auger effect) atau

memancarkan sinar X floresen yang memiliki panjang gelombang karakteristik atom

tereksitasinya. Sedangkan dalam proses kedua, ada bagian berkas yang mengalami

hamburan tanpa kehilangan energi (panjang gelombangnya tetap) dan ada bagian yang

terhambur dengan kehilangan sebagian energi (hamburan Compton)

5. Hitunglah selisih panjang ( ) foton sinar-X yang dihamburkan melalui sudut oleh

elektro bebas yang diam.

Penyelesaian.

6. Sinar gamma 60 KeV dihamburkan oleh elektron bebas,anggapelektron mula-mula

diam ,tentukan energi maksimum elektron terhambur ?

Penyelesaian

Energi sinar datang

maksimum jika =0 ,maka =0,0242.10-10

Jika =-1 , =1800 maka foton akan dipantulkan bukan terhambur,

Energi maksimum elektron terhambur

I. KESIMPULAN

1. Efek fotolistrik adalah fenomena terlepasnya elektron logam akibat disinari

cahaya.

2. Ditinjau dari perspektif sejarah, penemuan efek fotolistrik merupakan salah satu

tonggak sejarah kelahiran fisika kuantum.

3. Tokoh-tokoh yang berperan penting pada kelahiran efek fotolistrik adalah, Hertz,

Lenard,Eintein,Max Planck ,Wilhelm Hallwachs serta JJ Thomson.

4. Dalam perkembangannya efek fotolistrik diaplikasikan pada kamera digital dan

berbagai alat-alat elektronik lainnya yang menggunakan sensor cahaya.

5. Panjang gelombang ( ) radiasi yang dihamburkan pada setiap sudut ( ) selalu

lebih besar dari ( ) radiasi sinar datang.

6. Selisih panjang gelombang ( ) tidak tergantung ( )sinar-X datang dan pada

sudut tetap, hamburan adalah sama untuk semua unsur yang mengandung elektron

tidak terikat (bebas) pada keadaan lain.

7. Selisih panjang gelombang ( ) meningkat terhadap sudut hamburan ( ) dan

mempunyai nilai maksimal pada =180 derajat.

DAFTAR PUSTAKA

Abdurrahman.2009.Efek fotolistrik.http://blog.unila.ac.id/abdurrahmanabe. Diakses pada 08.00 WIB tanggal 3 November 2010

Anonim. 2007.Sejarah efek fotolistrik.http://kambing.ui.ac.id. Diakses pada 08.00 WIB tanggal 22 Oktober 2010

Anonim. 2009.Photoelectric_effect. http://galileo.phys.virginia.edu. Diakses pada 08.14 WIB tanggal 3 November 2010

Anonim.2000.Efek fotolistrik.http://id.wikipedia.org/wiki/Efek_fotolistrik.Diakses pada 08.15 WIB tanggal 22 Oktober 2010

Anonim.2009.Efekfotolistrik.http://simawa.unnes.ac.id.Diakses pada 08.19 WIB tanggal 22 Oktober 2010

Anonim.2010.Sifat Partikel Cahaya. http://aktifisika.wordpress.com. Diakses pada 08.23 WIB tanggal 22 Oktober 2010