Pembelajaran Fisika : Aplikasi Konsep Radiasi Benda Hitam , Efek Fotolistrik , X-ray , dan Sifat Gelombang dari Partikel dalam Berbagai Bidang

Aplikasi Radiasi Benda Hitam dalam Berbagai Bidang

Istilah benda hitam ini pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862.

Dalam fisika benda hitam (black body) diartikan sebagai benda yang mampu menyerap kalor radiasi (radiasi termal ) dengan baik. Radiasi termal yang diserap dipancarkan kembali oleh benda hitam dalam bentuk gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio dan gelombang cahaya.

Berdasarkan data eksperimen diperoleh bahwa spektrum radiasi benda hitam berupa spektrum kontinu dengan tingkat intensitas masing – masing spectral tidak sama kuat. Pancaran radiasi benda hitam akan mengikuti suatu kurva sperti dibawah ini .

Penerapan

Gejala Pemanasan Global (Efek Rumah Kaca )

Efek rumah kaca telah meningkatkan suhu bumi rata-rata 10 C sampai 50 C . salah satu contoh nya dalah ketika kita memarkirkan mobil pada siang hari. Sering kali suhu di dalam mobil lebih panas dibandingkan suhu di luar. Hal ini dikarenakan sebagian energy panas matahari telah diserap oleh kursi, karpet dan dashboard mobil. Ketika benda- benda tersebut melepaskan energy panas matahari tidak semuanya keluar melalui jendela tetapi sebagian dipantulkan kembali. Hal ini disebabkan perbedaan panjang gelombang sinar matahari yang memasuki mobil dan energi panas yang dilepaskan kembali oleh kursi. Sehingga jumlah energi yang masuk lebih banyak dibandingkan energi yang dapat keluar. Sehingga terjadi kenaikan bertahap pada suhu di dalam mobil. jika tidak ada atmosfer , energy sinar matahri yang sampai ke bumi akan memanaskan bumi hingga mencapai suhu 8000C di daerah khatulistiwa.

Penggunaan Pakaian

Pada malam hari , ketika kita menggunakan pakaian berwarna hitam akan terasa lebih hangat. Hal ini dikarenakan permukaan yang gelap merupakan penyerap dan pemancar kalor yang baik. Sedangkan warna terang merupakan penyerap dan pemancar kalor yang kurang baik. Sehingga pakain berwarna putih cocok digunakan di siang hari yang panas karena tubuh kita tidak akan terlalu merasakan panasnya terik matahari.

Mengukur Suhu Matahari

$Description: C:\Users\Toshiba\Pictures\dhini\KULIAH\SP 2\index.jpg$

Dengan meniliti spectrum sebuah bintang , kita akan dapat mengetahui suhu bintang. Tidak perlu mendekat ke matahari atau bintang kita dapat berpedoman pada spectrum radiasi benda hitam .

Secara alamiah pada suhu tinggi didalam bintang – bintang akan terjadi radiasi fusi. Dimana inti – inti yang ringan akan bergabung menjadi inti yang lebih berat. Energi yang dihasilkan oleh matahari atau bintang terdiri atas berbagai bentuk radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat diketahui melalu frekuensi atau panjang gelombangnya. Semua gelombang elektromagnetik yang dipancarkan akan merambat dalam ruang angkasa dengan kecepatan yang sama yakni dengan kecepatan spektrum cahaya. Maka dari itu , seorang astronom dapat mengetahui suhu matahari melalui penelitian spectrum sebuah bintang.

Termos

Termos merupakan salah satu aplikasi yang menggunakan konsep radiasi benda hitam. Prinsip kerja dari termos adalah sebagai berikut :

Lapisan perak mengkilap : berfungsi mencegah perpindahan kalor secara radiasi. Lapisan ini memantulkan radiasi kembali ke dalam termos
Dinding gelas : berfungsi sebagai konduktor , yang mana tidak dapat memindahkan kalor
Ruang vakum antar dinding : mencegah perpindahan kalor baik secara konveksi maupun konduksi
Sumbat : sumbat ini dibuat dari bahan isolator . hal ini berfungsi agar konveksi antar udara luar terjadi

Panel Surya

Panel surya ini merupakan alat yang digunakan untuk menyerap radiasi dari matahari. Panel surya terdiri dari wadah logam yang berongga yang dicat hitam dengan panel yang terbuat dari kaca. Kalor radiasi dari matahari diserap oleh permukaan hitam dan dihantarkan secara konduksi melalui logam. Bagian dalam panel dijaga tetap hangat oleh efek rumah kaca, kemudian sirkulasi air melalui wadah logam akan membawa kalor menjauh untuk dimanfaatkan pada sistem pemanas air domestik dan memanasi kolam renang.

$Description: C:\Users\Toshiba\Pictures\dhini\KULIAH\SP 2\panel surya 3.jpg$ $Description: C:\Users\Toshiba\Pictures\dhini\KULIAH\SP 2\panel surya.jpg$

Penerapan Efek Fotolistrik dalam Berbagai Bidang

Efek fotolistrik adalah suatu proses dimana electron akan keluar dari permukaan logam ketika cahaya dengan frekuensi yang cukup tinggi datang pada permukaan logam tersebut. Fenomena efek fotolistrik pertama kali ditemukan oleh Hertz , yaitu bahwa permukaan logam yang bersih ketika disinari oleh cahaya ultra violet akan memancarkan partikel bermuatan listrik.

Dubbing

Dalam dunia hiburan kita sering kali mendengar kata “dubbing” . Dubbing ini merupakan salah satu penerapan efek foto listrik dalam dunia hiburan suara dubbing film direkam dalam bentuk sinyal optik disepanjang pinggiran keping film. Ketika film diputar , sinyal ini dibaca kembali melalui proses efek fotolistrik dan sinyal listrik diperkuat dengan menggunakan amplifier tabung sehingga menghasilkan film bersuara.

$Description: C:\Users\Toshiba\Pictures\dhini\KULIAH\SP 2\alat dubbing.jpg$

Foto Diode / Foto transistor

Sebuah fotodioda adalah suatu norman pn diododa dimana cahaya dapat masuk melalui jendela kecil casing. Photodioda ini dioperasikan pada bias balik (reverse bias) dan arus yang dihasilkan sebanding dengan banyaknya cahaya yang masuk ke jendela. Diode piranti ini digunakan nsebagi penerima serat optic dan counter cepat karena waktu respon yang cepat. Biasanya digunakan dengan dasar terputus dengan jendela yang memungkinkan cahaya untuk bersinar ke persimpanagan kolektor-basis. Hal ini memungkinkan pasangan electron-lubang yang lebih yang akan diprosuksi. Sebagai transistor penguat besi.

Manfaat dari foto transistor ini adalah dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik melalui efek foto listrik internal. Dapat bermanfaat juga sebagai sensor cahaya berkecepatan tinggi.

Sebuah semikonduktor yang disinari dengan cahaya tampak akan memisahkan elektron dan hole. Kelebihan elektron di satu sisi dan hole disatu sisi lain akan menimbulkan beda potensial yang jika dialirkan menuju beban akan menghasilkan arus listrik.

Diode laser Photo

Tabung Foto pengganda (Photomultiplier tube)

Hampir semua spektrum radiasi elektromagnetik dapat diamati dengan menggunakan alat ini. Tabung ini , memiliki efisiensi sangat tinggi, tabung ini juga dapat mendeteksi foton tunggal. Kelompok peneliti Superkamiokande di Jepang berhasil menyelidiki massa neutrino yang mana dianugerahi Nobel pada tahun 2002. Efek fotolistrik eksternal juga dimanfaatkan untuk tujuan spektroskopi melalui peralatan yang bernama photoelectron Spektroscopy (PES).

Photomultiplier tube

CCD ( charge coupled divice )

Efek fotolistrik digunakan juga dalam produk – produk elektronika yang dilengkapi dengan CCD ( charge coupled divice ). Seperti kamera pada ponsel , kamera digital denga resolusi hingga 12 megapiksel , atau pemindai kode batang (barcode) yang dipakai diseluruh supermarket. Semuangaya menggunakan efek fotolistrik internal dalam mengubah citra yang dikehendaki menjadi data – data elektronik yang selanjutnya dapat diproses computer.

CCD

Aplikasi X- Ray dalam Berbagai Bidang

Proses terjadinya sinar X yang ditemukan oleh W Rontgen (1895) menjelaskan bahwa proses terjadinya sinar X merupakan kebalikan dari fenomena efek fotolistrik. Pada efek foto listrik, foton datang pada permukaan logam lalu dari permukaan logam dikeluarkan elektron foto. X-Ray dapat dijelaskan sebagai berikut : electron energetik menumbuk permukaan logam, dan dari permukaan logam dipancarkan sinar-x atau foton. Energy kinetik elektron dirubah seluruhnya menjadi energi foton

eV = hf = hc/λ min

Spektrum sinar X berada pada daerah cahaya tidak tampak (invisible) , dengan panjang gelombang sangat pendek (orde angstrum) atau memiliki frekuensi yang sangat tinggi, sehingga sinar X memiliki daya tembus yang sangat tinggi.

Sinar X mempunyai frekuensi 1016 Hz sampai 1020Hz. Sinar X banyak di manfaatkan dalam bidang kedokteraan seperti untuk memotret keduduka tulang, dan bidang industri dimanfaatkan untuk menganalisis struktur kristal. Sinar X dapat di deteksi oleh film fotografik, karena itu digunakaan untuk menghasilkan gambar benda yang biasanya tidak dapat dilihat.

Dalam bidang Kesehatan

Mamografi

Mamografi adalah pemeriksaan payudara menggunakan sinar X yang dapat mendeteksi kelainan pada payudara dengan akurat. Perempuan memiliki mammogram, dimana payudara mereka yang diperiksa dengan sinar X untuk mencari tanda – tanda awal kanker payudara.

Sebagaimana penggunaan sinar-X lainnya, mammogram menggunakan radiasi ion untuk menghasilkan gambar. Radiolog kemudian menganalisa gambar untuk menemukan adanya pertumbuhan yang abnormal.

Diketahui bahwa sekitar 10% kasus kanker tidak terdeteksi dengan mammografi (missed cancer). Hal itu disebabkan antara lain oleh jaringan normal yang lebih tebal disekitar kanker, atau menutupi jaringan kanker sehingga jaringan kanker tidak terlihat.

Terdapat 2 jenis mammografi:

screen-film mammografi, seperti halnya rontgen menggunakan film yang harus dicetak
full-field mammografi, hasilnya dapat dilihat di monitor secara digital dan dapat dicetak jika diperlukan

Pada saat ini, mammografi masih menjadi standar terbaik untuk screening dini kanker payudara. Ultrasound, Ductography, dan Magnetic Resonance merupakan beberapa teknik lain yang juga digunakan untuk memperkuat hasil mammografi. Ductogram digunakan untuk mengevaluasi darah yang keluar dari puting. Magnetic resonance imaging (MRI) digunakan untuk evaluasi lanjutan atau sebelum operasi untuk melihat adanya daerah abnormal lainnya.

Pantau kesehatan jantung dengan Sinar X

Coronary angiografi merupakan terobosan dari solusi masalah jantung tanpa pembedahan. Angiografi koroner adalah prosedur pemeriksaan minimal invasif menggunakan sinar-X (X-Ray), yang bertujuan memeriksa struktur pembuluh darah jantung, ruang jantung, katup jantung, otot jantung dengan kamera khusus.

Histerosalpingografi (HSG): pemeriksaan untuk deteksi kelainan rahim dan saluran telur

Histerosalpingografi (HSG) adalah pemeriksaan yang digunakan untuk memeriksa rahim dan saluran telur (tuba fallopi). Pemeriksaan menggunakan sinar X (rontgen). HSG memeriksa adanya kelainan ukuran atau bentuk rahim yang dapat menyebabkan infertilitas dan masalah pada kehamilan. Juga dapat menunjukkan apakah ada penyumbatan pada saluran telur. Terkadang juga digunakan dalam beberapa bulan setelah prosedur sterilisasi untuk memastikan bahwa saluran tuba telah benar-benar terpisah. Pada kasus infertilitas pemeriksaan HSG merupakan pemeriksaan minimal yang dilakukan pada istri yang memiliki siklus haid normal.

CT Scanning

Karena jumalah informasi yang tersedia menggunakan Xrays terbatas. Maka untuk melihat tubuh dalam three dimensional adalah dengan menggunakan tomografi computer (CT scan). CT scan ini merupakan suatu perkembangan baru dalam penerapan X-ray. Sebuah computer digunakan untuk mengumpulkan gambar dari sejumlah besar tubuh irisan untuk menghasilkan komposit gambar tiga dimensi.dalam CT scanner pasien berbaring pada sofa horizontal sofa bergerak yang dapat meluncur masuk dan keluar dari scanner. Sumber sinar X bergerak di busur sekitar pasien dan menghasilkan ledakan singkat. Sejumlah detector Xray diatur , di busur di sebrang pasien. Detector ini terdiri dari natrium iodide Kristal untuk mendeteksi sinar X dan diode untuk mencatat scintillation dari Kristal.

Dalam bidang Industri

Identifikasi Struktur Kristal dengan Difraksi Sinar X

Adanya struktur kristal dapat dibuktikan dengan percobaan Difraksi sinar X ( X R D ).

Sinar X berasal dari transisi kulit K ke L

DE = E2 – E1 = hc/l1

h = konstanta planck

c = kecepatan rambat cahaya

l1 = panjang gelombang

Saat elektron transisi dari kulit K ke kulit L, elektron menyerap energi dan bilamana elektron tersebut pindah kembali ke kulit K (agar stabil) maka akan memancarkan X-Ray. Gelombang elektromagnetik berfrekuensi tinggi mempunyai panjang gelombang ( l ) yang besar sedikit dari jarak antar bidang dalam kristal. Berkas gelombang elektromagnetik yang mengenai kristal mengalami fraksi sesuai hukum-hukum fisika. Maka sudut difraksi yang terjadi digunakan untuk menentukan struktur kristal dengan ketelitian tinggi. Selain itu, dapat juga menentukan jarak antar bidang dan jari-jari atom suatu logam.

Dalam bidang Keamanan

X Ray diterapkan pada alat yang digunakan untuk mendeteksi secara visual semua barang bawaan calon penumpang pesawat udara yang dapat membahayakan keselamatan penerbangan tanpa harus membukannya.

Mesin yang digunakan di bandara biasanya didasarkan pada sistem X-ray dual-energi. Sistem ini memiliki sumber sinar-X tunggal mengirimkan sinar-X, biasanya di kisaran 140-160 (KVP). Semakin tinggi KVP, semakin jauh X-ray menembus.

Karena bahan yang berbeda menyerap sinar-X pada tingkat yang berbeda, gambar pada monitor memungkinkan operator mesin melihat item yang berbeda dalam tas. Produk yang biasanya berwarna pada layar monitor, berdasarkan rentang energi yang melewati objek, untuk mewakili salah satu dari tiga kategori utama yaitu Logam, Organik dan Anorganik.

Semua sistem X-ray menggunakan warna oranye untuk mewakili "organik." Hal ini karena sebagian besar bahan peledak organik. Operator mesin dilatih untuk mencari item yang mencurigakan - dan bukan hanya item jelas mencurigakan seperti senjata atau pisau, tetapi juga sesuatu yang bisa menjadi komponen improvised explosive device (IED).

Aplikasi Sifat Gelombang Partikel dalam Berbagai Bidang

Mikroskop Elektron

Mikroskop electron adalah penemuan teknologi yang penting dalam perkembangan teknologi mikroskop sebagai aplikasi dari sifat partikel sebagai gelombang.

Daya urai dan panjang gelombang terpendek untuk pekerjaan optik adalah 200 nm. Electron yang dipercepat dengan beda potensial pemercepat 60 kV akan mempunyai panjang gelombang 0.0055 nm. Secara teoritis harga panjang gelombang dari elektron tersebut merupakan daya pisah dari electron mikroskop.

Dalam penggunaannya electron – elekton difokuskan terlebih dahulu menggunakan medan listrik dan medan magnet. Ini berfungsi sebagai lensa lensa bagi gelombang materi. Dengan mikroskop lektron dimungkinkan untuk melakukan pengkajian bahan pembentuk selular yang kecil juga molekul.

Terdapat dua jenis mikroskop electron yang sering digunakan yakni sebagai berikut :

Mikroskop transmisi electron

Pada mikroskop ini dalam penggunaannya harus menggunkan sample (bahan contoh ) yang tebalnya kurang dari 100 nm. Ketika sample terlalu tebal maka energi yang hilang oleh electron diluar sumbu adalah jauh lebih besar dari pada energi yang hilang oleh electron yang lansung masuk kedalam sample. Sehingga panjang gelombang akan berubah sehingga electron – electron tidak dapat semuanya difokuskan secara serempak. Meskipun , daya pisah mikroskop ini sangat baik namun terdapat kesulitan dalam mempersiapkan sampel sehingga penggunaannya menjadi tidak praktis dan juga kedalaman medannya sangat kecil sehingga struktur tiga dimensi dari sampel tidak dapat difokuskan dengan baik.

Mikroskop electron pemayaran (scenning electron mikroskop / SEM ) p dapat digunakan dan hasilnya

Pada mikroskop ini sampel tidak perlu dipersiapkan secara khusus bahkan samel berupa organisme hidup dapat digunakan dan hasilnya memperlihatkan struktur tiga dimensi yang baik. Pada mikroskop electron pemayar ini electron difokuskan kesebuah titik kecil yang disapu keseluruh permukaan bahan.

Contoh

Bayangan dibentuk dengan memantau electron sekunder yang lompat dari sampel sabagai akibat dari penyinaran sinar utama. Electron – electron sekunder itu dikumpulkan dan dipercepat didalam tabung CRT. Berkas sinar katoda itu disapukan keseluruh permukaan layar pada kecepatan yang sama dengan kecepatan sapuan sinar utama pada sampel. Banyaknya electron sekunder berubah seiring dengan perubahan komposisi dan orientasi dari permukan sampel, dan terangnya jejak electron pada layar tabung sinar katoda berubah sesuai dengan perubahan banyak sedikitnya electron sekunder.