EFEK COMPTON

Kelompok 4 (empat)

Nama Anggota:

·         Zaimatul Hasanah                               210603110069

·         Melani Saskya Firanda Putri              210603110070

·         Masrurotul Ilmi                                   210603110073

·         Dewi Masrukha                                   210603110083

Efek Compton

1.      Sejarah Efek Compton

1.1  Sejarah Efek Compton

Pada tahun 1905 para ilmuwan pertama kali mengusulkan bahwa cahaya terdiri dari foton dengan jumlah energi tertentu, namun hipotesis ini belum dapat menunjukkan bahwa foton ini juga membawa momentum. Menurut teori gelombang klasik, jika berkas gelombang dengan frekuensi  bertabrakan dengan suatu zat, elektron di dalam zat tersebut akan berosilasi pada frekuensi yang sama dengan gelombang yang menabraknya. Osilasi elektron ini akan menimbulkan radiasi dengan frekuensi yang sama dengan osilasi elektron, yang secara alami juga merupakan frekuensi gelombang datang yang menumbuk material.

Namun, eksperimen Compton menghasilkan temuan yang tidak sesuai dengan prediksi hipotesis konvensional. Hamburan Compton, yang merupakan penghamburan foton oleh partikel yang sering kali seringkali bermuatan elektron, teori ini ditemukan oleh Arthur Holly Compton. Efek Compton merupakan peningkatan panjang gelombang (berupa foton sinar-X atau sinar gamma). Sebagian dari energy foton diberikan ke elektron recoiling. Ketika partikel bermuatan memberikan sebagian energinya ke foton ini disebut dengan hamburan Compton Invers.

Compton mengungkapkan hasil eksperimennya pada tahun 1923 dengan menyatakan bahwa berkas (dalam hal ini sinar-x) yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan material sebenarnya adalah arus foton dari bahan radioaktif lempengan tipis. Gelombang elektromagnetik akan menyebar setelah keluar dari lempengan tipis. Hasil percobaan menunjukkan bahwa panjang gelombang foton yang masuk lebih pendek dari panjang gelombang foton yang dihamburkan. Compton berpikir bahwa foton adalah sejenis zat, atau gelombang elektromagnetik. Hukum kekekalan momentum berlaku karena struktur material dapat menjelaskan variasi panjang gelombang foton yang terjadi ketika momentum terjadi. Sehingga diperoleh hasil eksperimen yaitu:

a.       Elektron berperan penting dalam proses penghamburan suatu kuantum cahaya atau foton.

b.      Cahaya kuantum dapat datang dari berbagai arah yang tersebar di arah  tertentu.

c.       Gumpalan radiasi atau foton mengandung momentum linier dan membawa energi.[1]

 

1.2  Pengertian Efek Compton

Efek Compton merupakan peristia terhamburnya foton, atau sinar-X yang menumbuk elektron diam stasioner yang menyebar menjadi foton dan electron[2]. Compton bereksperimen pada waktu itu dengan menembakkan sinar-X dari lembaran tipis bahan radioaktif. Gelombang elektromagnetik akan menyebar setelah keluar dari pelat tipis. Terbukti dari percobaan bahwa foton yang datang memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dari pada foton yang tersebar.

Di perkuat oleh Teori kuantum Einstein dan eksperimen Compton menjadi dasar penciptaan cahaya bersifat memiliki  panjang gelombang dan partikel. Ciri-ciri cahaya yang bersifat partikel adalah sebagai berikut:

a.       Bergerak dengan kecepatan C

b.      Memiliki energy= hv

c.       Terkonsentrasi di daerah dengan ruang batas

d.      Memiliki momentum Linier. P= ε/c dengan massa mo

 

2.      Hamburan Efek Compton

Hamburan Compton ialah  tabrakan yang inkoheren antara electron bebas atom dan foton yang bergantung pada nomor atom dan energi foton. Interaksi hamburan Compton bergantung pada densitas medium karena hamburan compton ini merupakan interaksi dengan electron atom,  dan tidak merusak densitas. Fenomena ini di jelaskan dengan, suatu sumber  foton di letakkan di Ps  dan di sejajarkan arah cahayanya sehingga hanya menyinarkan radiasi ke satu arah saja (pencil beam) yaitu arah Ps-Pv. Foton tsb mengalami penurunan tingkat intensitas  sepanjang Pm-Pv, dalam element volume (voxel) dengan probabilitas tententu (fungsi σ) ke arah Pv-Pout, foton akan mengalami hamburan dan sepanjang Pv-Pout juga akan mengalami atenuasi (penurunan tingkat inensitas) setelah terhambur. [3]

Perubahan yang dialami foton akibat hamburan energi ini ialah energi yang awalnya awalnya E0 menjadi energi E’ tergantung pada sudut hamburan mengikuti persamaan

 

 

 

 

 

 

 

 

dimana : E0 dan E’ adalah energi foton sebelum dan sesudah hamburan (MeV), θ sudut hamburan, dan m0.c2 energi diam elektron (0,511 MeV).

Gambar 1.1 www.google.com

 

 

 

 

 

                       

Arthur Compton adalah penemu yang mengamati fenomena ini di tahun 1923 dan penemuan ini yang menjadikan petunjuk cahaya itu tidak bisa disifatkan semata-mata sebagai peristiwa gelombang, tetapi cahaya itu juga dapat bersifat  sebagai partikel (satuan energi dalam cahaya) yangmana frekuensi nya sebanding dengan energinya. Interaksi antara foton dan electron bebas yang terikat lemah dengan objek yang teradiasi akan mengalami pengurangan kecepatan dan energi. Energi tersebut akan diberikan pada electron yang meneruskan tetapi dengan arah yang berbeda, electron tersebt akan memiliki energi kinetic dan dapat mengionisasi atom [4]

Perubahan Panjang gelombang untuk satuan dalam cahaya diberikan dengan persamaan berikut :

 

 

 

Keterangan:

 

 

 

 

Gambar 1.2 www.google.com

Kuantisasi Panjang gelombang Compton ialah    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            dari fenomena ini didapatkan rumus efek Compton :

 

 

3.      Rumus Efek Compton

3.1  Persamaan Efek Compton

E = mc²

E = m c c = p c

Dimana

·         E = Energi (J)

·         m= massa (kg)

·         c = kecepatan cahaya (m/s)

3.2   Rumus Energi Foton Planck

E = hf

p = hf

p = h/λ

Dimana:

·         p = momentum foton (Ns)

·         h = tetapan Planck (Js)

·         f = frekuensi gelombang elektromagnetik (Hz)

·         c = laju cahaya (m/s)

·         λ = panjang gelombang foton (m)

 

3.3  Penurunan Rumus Efek Compton

untuk membuktikan bahwa panjang gelombang cahaya itu akan semakin lebih besar setelah terjadi “tumbukan” adalah sebagai berikut:

foton sebelum menumbuk electron memiliki energy sebesar 𝐸 = ℎ𝑓 begitu juga dengan electron memiliki energy diam sebesar𝐸_{𝑒 𝑑𝑖𝑎𝑚} = 𝑚𝑜𝑐².Namun pada saat foton menumbuk electron maka energy dari foton akan berubah sebesar 𝐸’ = ℎ𝑓’,begitu juga dengan electron yang tertumbuk oleh foto akan memiliki energy setelah tertumbuk oleh foton sebesar 𝐸^′_𝑒= .  berdasarkan hukum kekekalan momentum/energi yaitu:

𝐸_𝑓 = 𝐸_𝑒

 

𝐸’ − 𝐸 = 𝐸^′_𝑒 − 𝐸_𝐸

 

ℎ𝑓’ − ℎ𝑓=  +  moc² =

ℎ𝑓’ − ℎ𝑓 + 𝑚_𝑜𝐶²=√𝑝^′2𝑐² + 𝑚_𝑜𝑐²

Kuadratkan kedua ruas

(ℎ𝑓’ − ℎ𝑓 + 𝑚_𝑜𝑐²)² = (√𝑝^{′ 2}𝑐² + 𝑚_𝑜𝑐⁴   )²

(ℎ𝑓’ − ℎ𝑓 + 𝑚_𝑜𝑐²)² = 𝑝^{′ 2}𝑐² + 𝑚_𝑜𝑐⁴

(ℎ𝑓’ − ℎ𝑓 + 𝑚_𝑜𝑐²)² – 𝑚_𝑜𝑐⁴ = 𝑝^{′ 2}𝑐²

𝑝^{′ 2}𝑐² = (ℎ𝑓’ − ℎ𝑓 + 𝑚_𝑜𝑐²)² – 𝑚_𝑜𝑐⁴......................................... (1)

besarnya momentum electron yang terpental bisa dicari dengan menggunakan aturan cosinus pada sebuah segitiga.

𝑝_𝑒^{′ 2} = 𝑝 ²– 𝑝^{′ 2} − 2𝑝𝑝’ 𝑐𝑜𝑠 𝜃

kedua ruas kita kalikan dengan c²

Energy foton: E = f h = h f m c c = h f m c =

ket : m c =

𝑝_𝑒^{′ 2}𝑐² = 𝑝 ²𝑐²– 𝑝^{′ 2}𝑐² − 2𝑝𝑝’𝑐² 𝑐𝑜𝑠 𝜃

Dari persamaan 1 (

P’ = ℎ2𝑓2 – ℎ²𝑓^{′ 2} – 2ℎ²𝑓 𝑓 ‘𝑐𝑜𝑠 𝜃

(ℎ𝑓’ − ℎ𝑓 + 𝑚_𝑜𝑐²)² –𝑚_𝑜𝑐⁴= ℎ²𝑓² – ℎ²𝑓^{′ 2} – 2ℎ²𝑓 𝑓 ‘𝑐𝑜𝑠 𝜃

dengan menjabarkan (hf’-hf+ moc²)² kita akan dapatkan

h²f² - h²f f ‘+hf moc²- h²f f ‘+h²f ‘²+hf ‘moc²+ hf moc²- hf ‘moc² +

= h²f² – h²f ’ ² – 2h²f f ‘cos Ө

-2h²f f ‘+hf ‘moc²- hf ‘-2 hf ‘moc²= - 2h²f f ‘cos Ө

2 hf moc² - 2 hf ‘moc² =2h²f f ‘-2h²f f ‘cos Ө

2 hf moc² (f-f’) = 2h²f f ‘ (1 – cos Ө)

kedua ruas kita kalikan dengan 1/2 hf f ‘ moc²

=

’

 

4.      Penerapan Efek Compton

Pada tahun 1923 ditemukan bahwa sinar-X dihamburkan oleh elektron bebas. Panjang gelombang sinar-X yang tersebar lebih panjang dari panjang gelombang sinar-X sebelum mereka berinteraksi dengan elektron bebas, sebuah fenomena yang disebut pergeseran Compton. Adapun penerapan efek Compton adalah sebagai berikut :

a.       Teleskop Compton (Comptel)

Teleskop Compton, lebih dikenal sebagai Comptel, merupakan pengembangan lebih lanjut dari teleskop hamburan Compton. Teleskop Hamburan Compton memiliki dua instrumen.

Pada tingkat tertinggi, terjadi hamburan kosmik, yaitu elektron-elektron dalam pemindai yang  menyebarkan sinar gamma Compton. Selanjutnya, pada tingkat kedua, bahan sintilator  menyerap foton  yang tersebar, menyebabkan foton  bergerak secara independen ke bawah.

Prinsip kerja  teleskop Compton adalah lapisan pertama berwarna biru dan lapisan kedua berwarna hijau. Foton yang masuk dari atas akan mengirimkan compton ke lapisan deteksi pertama, yang kemudian diserap oleh lapisan hijau atau  kedua.

Sinar gamma Compton akan tersebar di lapisan atas dan hanya sebagian kecil dari area tersebut yang dapat dideteksi oleh teleskop hamburan Compton. Setiap lapisan memiliki kemampuan unik untuk menyimpan hasil pengukuran energi dengan resolusi energi detektor terbatas ketidakpastian.

Terlepas dari itu semua, hasil yang didapat cukup baik yaitu 5% sampai 10%. Saat ini, penelitian Compton hanya difokuskan pada pelacakan elektron pada tingkat tertinggi, sehingga solusi untuk penetrasi sinar gamma dapat ditemukan.

b.      NCT

Teleskop Nuklir Compton (NCT) adalah  teleskop balon soft-beam (0,215 meV) yang dirancang untuk mendeteksi sumber astrofisika  garis emisi nuklir dan pola sinar. NCT menggunakan rangkaian 12 detektor pencitraan 3D germanium (ged).

c.       Spektroskopi Gamma

Sinar gamma adalah sinar yang tidak terlihat secara langsung dengan mata telanjang. Sinar ini dibuat dari bahan radioaktif, sehingga perlu menggunakan detektor untuk mengetahui keberadaannya.

Detektor yang digunakan untuk menangkap sinar gamma adalah Nal (TI). Ketika sinar gamma terkena detektor, yaitu efek fotolistrik, efek Compton dan pembentukan pasangan. Efek fotolistrik dapat terjadi ketika sinar gamma menumbuk elektron di kulit K suatu atom.

Oleh karena itu, terjadi  transisi elektron yang diisi dengan elektron dari kulit lain. Ketika sinar gamma menyerang elektron terluar dengan daya ikat yang kecil untuk itu, efek Compton terjadi, menyebabkan elektron bebas menyebar.

Efek berpasangan terjadi dengan sinar gamma yang bergerak di dekat inti  dengan bantuan  sinar gamma yang cukup. Pasangan yang terbentuk adalah positron dan elektron. Ketiga efek ini menghasilkan  cahaya atau kilau.

Sinar cahaya dikirim ke fotokoda dengan memecahnya menjadi elektron. Namun elektron ini masih lemah, sehingga membutuhkan daya preamplifier untuk memperkuat, dan membutuhkan tinggi pulsa dengan penguat yang dikuatkan

Elektron yang diperkuat kemudian diumpankan ke PMT, sehingga memiliki output tegangan dua tahap dan memiliki banyak katoda. Semakin kecil resolusi daya spektroskopi gamma, semakin baik data yang dapat diperoleh.

Spektroskopi gamma adalah teknik yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi radionuklida dan mengukur radioaktivitas. Sebagian besar radiasi yang  dihasilkan oleh radionuklida selama peluruhan adalah sinar gamma.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Daftar Pustaka

Elmer E, Anderson. Introduction to Modern Physics. Saunders College Publising. 1982. halaman 102-105.

Gunawan, G., Setiawan, A., Widyantoro, D.H. 2013. Model Virtual Laboratory Fisika Modern untuk Meningkatkan Keterampilan Generik Sains Calon Guru. Jurnal Pendidikan Dan Pembelajaran, 20(1), 25–32.

Rahmawati, A. (2009). Pengkajian koefisien atenuasi massa material pada proses hamburan compton dengan menggunakan simulasi yang berbasis bahasa pemrograman delphi 7.0.

Robert B,Leighton. Principles of Modern Physics. Mc Graw-Hill Book Company,Inc. 1959. halaman 432-433.

Sari, M. B., Pertiwi, K., & Djamal, M. 2017. Perkembangan Penggunaan Teknik Hamburan Compton Sinar Gamma pada Aplikasi Sistem Uji Tak- Merusak. Prosiding Snips, 232–237.

Sari, Y. M., Darvina, Y., Masril, M., & ... 2018. Desain Lks Berbasis Virtual Laboratory Melalui Ict Pada Materi Teknologi Digital, Efek Compton, Dan Inti Atom Kelas Xii Sma/Ma. Pillar of Physics …, 11(1), 97–104. http://ejournal.unp.ac.id/students/index.php/pfis/article/view/2697%0Ahttp://ejournal.unp.ac.id/students/index.php/pfis/article/viewFile/2697/2220

Surya, J. 2015. Modul Iv Fisika Modern.

Syarip, S., Ahmad, B., & Nopianto, P. (2018). Kajian Aplikasi Metode Hamburan Compton Energi Ganda untuk Pengukuran Densitas Fluidadan Uji Tak Merusak Pipa. Jurnal Sains Materi Indonesia, 6(3), 1-12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---

[1] Gunawan, G., Setiawan, A., Widyantoro, D.H. 2013. Model Virtual Laboratory Fisika Modern untuk Meningkatkan Keterampilan Generik Sains Calon Guru. Jurnal Pendidikan Dan Pembelajaran, 20(1), 25–32.

[2]Surya, J. 2015. Modul Iv Fisika Modern.

[3] Syarip, S., Ahmad, B., & Nopianto, P. (2018). Kajian Aplikasi Metode Hamburan Compton Energi Ganda untuk Pengukuran Densitas Fluidadan Uji Tak Merusak Pipa. Jurnal Sains Materi Indonesia, 6(3), 1-12.

[4] Rahmawati, A. (2009). Pengkajian koefisien atenuasi massa material pada proses hamburan compton dengan menggunakan simulasi yang berbasis bahasa pemrograman delphi 7.0.