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.

Dimana E_f merupakan energi foton, h merupakan konstanta Planck dan v 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.

Dimana E_k merupakan energi kinetik elektron yang terpental, v 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].

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.

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.

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.

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.

Contoh Soal

1. Foton dan Materi: Pertanyaan: Jelaskan secara kualitatif bagaimana foton berinteraksi dengan materi pada tingkat subatom. Berikan contoh fenomena-fenomena seperti hamburan Compton dan efek fotoelektrik dalam konteks ini. Jawaban: Foton dapat berinteraksi dengan materi pada tingkat subatom melalui beberapa mekanisme, seperti hamburan Compton dan efek fotoelektrik. Dalam hamburan Compton, foton bertabrakan dengan partikel subatom (biasanya elektron) dan kehilangan sebagian energinya, menyebabkan perubahan arah foton. Efek fotoelektrik terjadi ketika foton melepaskan elektron dari atom target, menciptakan efek fotoelektrik. Keduanya merupakan fenomena yang menunjukkan sifat partikel dan gelombang foton.
2. Sinar-X dalam Diagnostik Medis: Pertanyaan: Mengapa sinar-X sering digunakan dalam bidang diagnostik medis? Jelaskan secara kualitatif bagaimana sinar-X berinteraksi dengan jaringan tubuh dan bagaimana informasi yang diperoleh dapat membantu dalam mendeteksi dan mendiagnosis penyakit. Jawaban: Sinar-X sering digunakan dalam diagnostik medis karena memiliki kemampuan menembus jaringan tubuh. Sinar-X berinteraksi dengan jaringan tubuh dengan cara penyerapan, yang bergantung pada densitas dan komposisi jaringan. Tulang dan logam menyerap sinar-X dengan baik, sedangkan jaringan lunak kurang menyerap, menciptakan kontras dalam gambar medis. Informasi ini membantu dokter dalam mendeteksi fraktur tulang, tumor, atau perubahan patologis lainnya.
3. Perbedaan Interaksi Foton di Udara dan Logam: Pertanyaan: Jelaskan secara kualitatif perbedaan interaksi foton ketika melewati udara dan ketika melewati logam. Mengapa logam seperti timah lebih efektif dalam menyerap sinar-X dibandingkan dengan udara? Jawaban: Foton mengalami lebih sedikit interaksi saat melewati udara karena densitasnya yang rendah. Sebaliknya, ketika melewati logam seperti timah, interaksi foton lebih intens. Logam memiliki lebih banyak elektron yang dapat berinteraksi dengan foton, menyebabkan penyerapan sinar-X yang lebih besar. Oleh karena itu, logam seperti timah lebih efektif dalam menyerap sinar-X dibandingkan dengan udara.
4. Perlindungan Terhadap Sinar-X: Pertanyaan: Mengapa penting untuk melindungi diri dari paparan sinar-X? Jelaskan kualitatif mengenai cara pelindungan diri dari bahaya paparan sinar-X, termasuk penggunaan peralatan pelindung dan batasan waktu paparan. Jawaban: Paparan berlebihan terhadap sinar-X dapat merusak sel-sel tubuh dan menyebabkan risiko kanker dan kerusakan jaringan. Penting untuk melindungi diri dengan mengenakan peralatan pelindung seperti mantel timbal atau menggunakan perisai pelindung. Batasan waktu paparan juga penting; semakin lama terpapar, semakin besar risikonya.
5. Aplikasi Foton dan Sinar-X dalam Ilmu Pengetahuan: Pertanyaan: Bagaimana foton dan sinar-X digunakan dalam penelitian ilmiah dan eksperimen laboratorium? Jelaskan secara kualitatif bagaimana sifat-sifat foton membantu ilmuwan dalam memahami struktur dan perilaku materi. Jawaban: Foton dan sinar-X digunakan dalam eksperimen ilmiah untuk memahami struktur materi pada tingkat atom dan molekul. Sifat-sifat gelombang foton, seperti panjang gelombang pendek sinar-X, memungkinkan ilmuwan melihat struktur yang lebih kecil. Contoh aplikasi termasuk kristalografi sinar-X untuk menentukan struktur kristal dan spektroskopi sinar-X untuk analisis kimia dan fisika materi.

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].