Fisika Kuantum: Foton, Sinar-X dan Interaksinya dengan Materi [Lengkap+Contoh Soal]

Foton merupakan partikel elementer penyusun cahaya. Karena bersifat sebagai gelombang dan partikel, interaksi yang dihasilkan cukup unik dan banyak. Pemanfaatan dari kuantum diantaranya yaitu kuantum komputer, magnet superkonduktor, laser, dioda dan lainnya. Bisa digunakan juga untuk keperluan uji tak merusak hingga medis pada bagian imaging.

Definisi Foton

Foton merupakan partikel elementer yang menyusun cahaya. Sebelum Einstein mengemukakan bahwa cahaya terdiri dari sesuatu yang disebut quanta, cahaya dianggap sebagai gelombang elektromagnetik secara umum. Melalui percobaan menggunakan Mach-Zehnder Interferometer, didapatkan bahwa cahaya terdiri dari kumpulan quanta yang sekarang disebut sebagai foton.  Foton bersifat sebagai gelombang dan juga sebagai materi. Pembuktian bahwa foton merupakan materi didapatkan dari pemikiran Einstein mengenai efek fotolistrik.

E_f = h\nu

Dimana E_f merupakan energi foton, h merupakan konstanta Planck dan \nu merupakan frekuensi foton

Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik merupakan salah satu proses interaksi radiasi gamma dengan materi dimana foton menabrak elektron pada suatu material dan elektron tersebut akan terhambur menjadi fotoelektron. Fenomena ini merupakan awalan dari definisi bahwa foton merupakan gelombang dan partikel. Mekanismenya yaitu saat foton dengan energi yang relatif rendah (< 400 keV) mengenai suatu material maka berkas foton tersebut akan mengirimkan seluruh energinya kepada elektron dengan energi ikat paling tinggi pada atom suatu material [1]. Pada umumnya interaksi ini terjadi pada elektron kulit K karena energi ikat yang tinggi dibanding kulit lainnya. Namun karena foton bersifat probabilistik maka mungkin terjadi interaksi dengan elektron pada kulit L, M dan seterusnya.

blank
Gambar 1 Skema efek fotolistrik

Ek = h\nu - W

Dimana Ek merupakan energi kinetik elektron yang terpental, h\nu merupakan energi berkas foton dan W merupakan fungsi kerja material.

Pada efek fotolistrik, karena elektron pada kulit K terlepas maka terdapat kekosongan pada kulit K. Kekosongan ini mengakibatkan atom berusaha menuju keadaan stabil dengan melakukan konfigurasi ulang elektron. Elektron dari kulit L akan pindah ke kulit K dan seterusnya. Proses perpindahan ini memancarkan gelombang elektromagnetik yang disebut sinar-x karakteristik. Saat sinar-x karakteristik ini menumbung elektron pada kulit lainnya maka akan menghasilkan elektron Auger.

Efek Fotonuklir

Efek fotonuklir merupakan interaksi gamma yang terjadi jika energi dari berkas gamma sangat besar (>6 MeV). Interaksi ini biasanya terjadi pada reaktor nuklir terutama Reaktor Air Didih (BWR). Salah satu interaksi yang mungkin terjadi adalah pemecahan atom deutrium (hidrogen dengan nomor massa 2) menjadi hidrogen dan neutron [2].

\gamma + _{1}D^{2} \rightarrow _{1}H^{1} + _{0}n^{1}

Fotofisi

Fotofisi merupakan interaksi gamma yang terjadi pada foton dengan energi sekitar 8-16 MeV. Karena foton yang digunakan sangat energik, maka dapat membuat ikatan nuclei pada atom yang bisa melakukan reaksi fisi nuklir terpecah. Contohnya yaitu pada thorium-232 dimana energi foton minimal yang mungkin untuk melakukan reaksi fotofisi adalah 5,4 MeV dengan probabilitas yang sangat rendah [2].

Hamburan Compton

Hamburan Compton merupakan interaksi gamma yang terjadi pada foton dengan energi yang tidak terlalu tinggi (< 800 keV). Foton dengan energi ini akan berinteraksi dengan elektron bebas yang ada di alam. Karena perbedaan energi yang sangat masif maka interaksi yang terjadi merupakan tumbukan inelastik. Energi dari foton akan berkurang serta dibelokkan arah geraknya dan elektron akan dihamburkan pada sudut tertentu [1]. Peristiwa pembelokan ini terjadi untuk menjadi konservasi energi dan momentum pada interaksi tersebut. Selain pada elektron bebas, interaksi ini juga dapat terjadi pada elektron valensi pada atom. Hal ini disebabkan energi ikat pada elektron valensi sangat lemah sehingga dari sudut pandang foton tampak seperti elektron bebas.

\lambda' -\lambda = \frac{h}{m_e c} (1- \cos \theta)

Apakah hamburan compton dapat terjadi pada elektron kulit K?

Jawabannya adalah iya. Namun ada hal unit yang terjadi saat foton berinteraksi dengan elektron kulit K. Hal tersebut yaitu dari sudut pandang foton, elektron tersebut akan tampak berinteraksi kuat dengan atom sehingga seolah-olah menabrak atom secara keseluruhan. Berdasarkan persamaan hamburan di atas, maka foton hampir tidak mengalami hamburan sama sekali atau seolah-olah dilewatkan saja. Aneh kan? Ya.

blank
Gambar 2 Skema hamburan Compton

Produksi Pasangan

Produksi pasangan merupakan interaksi foton yang terjadi jika energi dari berkas foton minimal lebih dari dua kali energi diam elektron (≥ 1,02 MeV). Foton akan berinteraksi dengan medan listrik dari inti atom dan menjadi pasangan elektron serta positron. Jika energi foton tepat pada 1,02 MeV maka pasangan elektron-positron tersebut akan langsung bergabung kembali. Proses pengabungan itu dinamakan proses anihiliasi dimana dihasilkan dua berkas foton pada arah yang berbeda. Jika energi dari foton lebih dari 1,02 MeV maka sisa energinya akan dijadikan sebagai energi kinetik dari elektron dan positron yang dihasilkan.

blank
Gambar 3 Skema Produksi Pasangan

Sinar-X

Sinar-X merupakan salah satu bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi ini ditemukan oleh fisikawan german Wilhelm Conrad Röntgen dan mendapatkan Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1901. Hingga saat ini penemuannya masih digunakan terutama pada radiologis. Pembentukan dari sinar-X terdapat dua macam yaitu sinar-X karakteristik dan sinar-X dari bremsstrahlung. Pada sinar-X karakteristik, mekanisme yang terjadi seperti pada penjelasan bagian efek fotolistrik dimana elektron akan berpindah posisi dan memancarkan sinar-X karakteristik. Untuk bremsstrahlung, mekanismenya berbeda dengan sinar-X karakteristik. Pada bagian ini memanfaatkan sifat dari elektron yang memiliki muatan negatif. Saat elektron energi tinggi bertemnu dengan inti atom yang memiliki nomor atom tinggi maka elektron akan melakukan pengereman. Hal ini dikarenakan saat nomor atom tinggi, inti atom memiliki medan listrik statik yang tinggi sehingga elektron yang energik akan mencoba untuk menghindarinya. Saat menghindar maka akan dipancarkan sebagian energi dari elektron tersebut, energi yang dipancarkan tersebut merupakan sinar-X bremsstrahlung. Sinar-X bremsstrahlung memiliki spektrum energi yang kontinyu sehingga mudah dibedakan dengan energi foton maupun sinar-X karakteristik yang spektrum energinya diskrit.

Untuk menentukan panjang gelombang minimum sinar-X dapat dilakukan dengan membandingkan energi elektron yang dipancarkan dengan energi elektromagnetik yang dihasilkan.

h\nu = \frac{hc}{\lambda_{min}} = eV atau \lambda_{min} = \frac{hc}{eV}

Dimana h merupakan konstanta Planck, V merupakan beda potensial akselerator, e merupakan muatan elektron dan c merupakan kecepatan cahaya.

Contoh Soal

  1. Metal A memiliki fungsi kerja W_A = 4,7 eV. Ketika disinari berkas foton dengan panjang gelombang \lambda, nilai energi kinetik maksimum elektronnya yaitu K_A = 0,8 eV. Metal B yang disinari oleh berkas fotonn yang sama menghasilkan energi kinetik maksimum elektron sebesar K_B = 3 eV. Tentukan \lambda dan fungsi kerja metal B.

Jawab:

Untuk menentukan \lambda dapat menggunakan persamaan fotolistrik

h\nu = K_A + W_A = 4,7+0,8 = 5,5 eV

h\nu = \frac{hc}{\lambda} = 5,5 eV

\lambda=\frac{12400 eV \dot{A}}{5,5 eV} \approx 2255 \dot{A}

Berikutnya yaitu menentukan fungsi kerja

W_B = h\nu - K_B = 5,5 - 3 =2,5 eV

  • Pada peristiwa hamburan Compton, diketahui bahwa foton yang terhambur memiliki energi 120 keV dan elektron yang terpental memiliki energi 40 keV. Tentukan panjang gelombang insiden foton.

Jawab:

Karena sudut hamburan sama maka energi foton yang datang akan sebanding dengan energi terpental.

E_1 = E_{\gamma} + E_e = 120 keV + 40 keV = 160 keV

\lambda = \frac{hc}{E_{\gamma}} = \frac{12400 eV \dot{A}}{160 keV} = 0,0775 \dot{A}

Referensi

[1] N. Tsoulfanidis dan S. Landsberger, Measurement and Detection of Radiation, Boca Raton: CRC Press, 2015.
[2] M. Ragheb, “Gamma Rays Interction with Matter,” 11 September 2019. [Online]. [Accessed 13 Januari 2021].

Setelah selesai membaca, yuk berikan artikel ini penilaian!

Klik berdasarkan jumlah bintang untuk menilai!

Rata-rata nilai 0 / 5. Banyaknya vote: 0

Belum ada yang menilai! Yuk jadi yang pertama kali menilai!

Baca juga:
Muhammad Guntur
Artikel Berhubungan:

1 tanggapan pada “Fisika Kuantum: Foton, Sinar-X dan Interaksinya dengan Materi [Lengkap+Contoh Soal]”

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *