EFEK FOTOLISTRIK

1.        EFEK FOTOLISTRIK

Pada tahun 1905, Einstein menggunakan gagasan Planck tentang kuantisasi energi untuk menjelaskan efek fotolistrik. Efek fotolistrik ditemukan oleh Hertz pada tahun 1887 dan telah dikaji oleh Lenard pada tahun 1900. Gambar 1. menunjukkan diagram sketsa alat dasarnya. 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. (Baca juga : Radiasi Benda Hitam)

Apabila V negatif, elektron ditolak dari anoda. Hanya elektron dengan energi kinetik ½ mv² yang lebih besar dari eV kemudian dapat mencapai anoda. Potensial V₀ disebut potensial penghenti. Potensial ini dihubungkan dengan energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan oleh:

(½ mv²)_maks = e.V₀ .................................................... (1)

Percobaan yang lebih teliti dilakukan oleh Milikan pada tahun 1923 dengan menggunakan sel fotolistrik. Keping katoda dalam tabung ruang hampa dihubungkan dengan sumber tegangan searah. Kemudian, pada katoda dikenai cahaya berfrekuensi tinggi. Maka akan tampak adanya arus listrik yang mengalir karena elektron dari katoda menuju anoda. Setelah katoda disinari berkas cahaya, galvanometer ternyata menyimpang. Hal ini menunjukkan bahwa ada arus listrik yang mengalir dalam rangkaian.

Einstein telah menjelaskan bahwa untuk mengeluarkan elektron dari permukaan logam dibutuhkan energi ambang. Jika radiasi elektromagnet yang terdiri atas foton mempunyai enegi yang lebih besar dibandingkan energi ambang, maka elektron akan lepas dari permukaan logam.

Akibatnya energi kinetik maksimum dari elektron dapat ditentukan dengan persamaan:

Ek = h.f – h. f₀ ................................................... (2)

dengan:

f, f₀ = frekuensi cahaya dan frekuensi ambang (Hz)

h = konstanta Planck (6,63 × 10^-34 Js)

Ek = energi kinetik maksimum elektron ( J)

2.        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.

Menurut teori klasik, energi dan momentum gelombang elektromagnetik dihubungkan oleh:

E = p.c

E² = p².c² + (m.c²)² ............................................... (3)

Jika massa foton (m) dianggap nol. Gambar 3. 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:

p₁ = p₂ + p_e atau p_e = p₁ – p₂

Dengan mengambil perkalian titik setiap sisi diperoleh:

p_e² = p₁² + p₂² – 2p₁p₂cos θ .................................. (4)

Kekekalan energi memberikan:

3.        PRODUKSI PASANGAN

Produksi pasangan adalah proses yang dapat terjadi apabila foton menumbuk atom,dimana seluruh energy foton hilang dan dalam proses ini dua partikel terciptakan,yakni sebuah electron dan sebuah positron.( positron adalah sebuah partikel yang massanya sama dengan massa electron,tetapi memiliki muatan positif ).proses ini merupakan contoh penciptaan energy massa.elektronnya tidak ada sebelum foton menumbuk  atom ( electron ini bukanlah electron milik atom ).

Telah diterangkan bahwa pada efek foto listrik, foton bila ditembakkan kepada logam, maka dapat menyerahkan seluruh energinya atau sama sekali tidak. Kalau menyerahkan seluruh energinya, berarti untuk mengeluarkan elektron dari dalam logam dan untuk tenaga elektron meninggalkan logam.

Juga telah diterangkan pada Compton, foton yang mempunyai frekuensi tinggi ditembakkan langsung pada elektron terluar maka energinya untuk menghamburkan foton baru.

Pada produksi pasangan, bila sebuah foton dengan frekuensi tinggi mendekati inti atom berat maka foton tersebut lenyap dan menjelma menjadi sebuah elektron dan sebuah positron (elektron positif). Jadi ada perubahan energi elektromagnit menjadi energi diam.

h v = -e0 + +e0

Jumlah muatan elektron (-e) dan positron (+e) adalah nol. Energi kinetik elektron maupun positron masing-masing adalah :

E = m_0C² = 0,51 MeV

Produksi pasangan ditunjukkan untuk membuat pasangan partikel dan anti-partikelnya, terutama pasangan elektron dan positron. Untuk menciptakan antiproton, O. Chamberlain dan Emilio Segre menumbukkan dua proton dalam kecepatan tinggi, begitu juga ketika Bruce Cork menemukan antineutron. Hal yang berbeda terjadi pada produksi pasangan elektron dan positron. Elektron dan positron tecipta saat sebuah photon yang melewati inti atom yang pasif dan energinya dikonversikan ke dalam materi. Kehadiran inti atom diperlukan sehingga hukum kekekalan momentum dapat terpenuhi. Elektronnya tercipta sendiri, bukan milik atom. Lalu, muncullah positron dan elektron dari ketiadaan. Reaksinya dituliskan:

γ + γ → e^- + e⁺

Energi photon yang hilang dalam proses ini dirubah menjadi energi relativistik positron E₊ dan elektron E_- dengan persamaan:

hv = E₊ + E_-

= 2m_oc² + [E₊ + E_-]

Karena K+ dan K- selalu positif maka untuk melakukan produksi pasangan, photon harus memiliki energi sekurang-kurangnya 2m_oc²=1,02 MeV atau 1,64 X 10^-13 J.agar dapat mendekati inti berat sehingga terjadi produksi pasangan berupa elektron dan positron. Foton tersebut termasuk dalam sinar gamma inti atom.secara perlambang :

Foton             electron + positron

Proses diatas hanya dapat terjadi jika terdapat sebuah atom di sekitar electron yang memasok momentum pental yang diperlukan,proses kebalikannya ,

Electron + positron            foton

 Elektron bila bertemu dengan positron maka keduanya musnah (anihilasi) dan menjelma menjadi foton sinar gamma.Pada proses produksi pasangan maupun kebalikannya ini tetap berlaku hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum.Kembali pada produksi pasangan tersebut di atas, karena foton berubah menjadi elektron dan positron, maka dengan sendirinya foton yang ditembakkan harus mempunyai energi lebih tinggi dari 1,02 MeV. Setelah terjadi produk pasangan ini, maka mengalami penurunan intensitas. Perubahan ini tergantung dari sifat dan tebal bahan dengan analisis sebagai berikut:

xD I = -k I D

dI = -k I dx

I = I0 e-kx

I0 = intensitas awal foton

I = intensitas setelah menembus bahan tebal x

x = tebal bahan

k = tetapan absorbsi bahan terhadap foton tertentu

Berarti selama perjalanan dalam media, energinya turun secara eksponensial. Apabila tebal media x dipilih sedemikian rupa sehingga intensitasnya tinggal separo yaitu , maka tebal ini disebut tebal lapisan separo harga (Half Value Layer = H.V.L). Teori ini banyak digunakan dalam perhitungan penlindung radiasi.