Hamburan Compton

1. Hamburan Compton

1. Efek Compton

Pada tahun 1905 para ilmuwan menemukan pemikiran bahwa cahaya terdiri dari foton-foton dengan besar energi tertentu, namun pemikiran tersebut belum dapat membuktikan bahwa foton-foton tersebut juga membawa momentum. Dalam teori klasik, gambaran tentang gelombang adalah jika seberkas gelombang dengan frekuensi f1 bertumbukan dengan suatu bahan, maka elektron dalam bahan tersebut akan mengalami osilasi dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi gelombang yang menumbuknya. Akibat dari osilasi elektron tersebut, maka akan timbul radiasi yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi osilasi elektron yang tentunya juga sama dengan frekuensi gelombang datang yang menumbuk bahan.

Namun dari eksperimen yang dilakukan oleh Compton diperoleh hasil yang tidak sesuai dengan teori klasik.

Padatahun 1923, Compton menjelaskan hasil eksperimennya denganberasumsi bahwa berkas sinar (dalam hal ini sinar-x) yang digunakan untukmenembak bahan merupakan arus foton. Energi foton tersebut sebesar E = hν. Foton ini bertumbukan lenting dengan elektron yang ada pada target. Jika elektron mengambil sebagian energi yang dimiliki oleh foton, maka foton yang terhambur akan memiliki energi yang lebih kecil dibandingkan dengan energi foton yang datang. Hal ini menyebabkan foton yang terhambur akan memiliki frekuensi yang lebih kecil atau panjang gelombang yang lebih besar daripada foton yang datang.

Gambar 1 Skema percobaan tumbukan foton dengan elektron oleh Compton. Foton yang terhambur memiliki panjang gelombang lebih panjang  λ ‘ dan momentum p’. Electron terpental dengan momentum pe. Arah foton yang terhambur membentuk sudut 𝝦 dengan arah foton datang.

Gambar tersebut memperlihatkan sebuah tumbukan foton dan sebuah elektron, di mana elektron tersebut mula-mula dianggap diam dan dapat dianggap bebas, yakni tidak terikat kepada atom-atom penghambur. Ternyata, sinar X tersebut dihamburkan dengan sudut θ terhadap arah datangnya. Panjang gelombang sinar X yang terhambur menjadi lebih besar daripada panjang gelombang semula. Analisis teori gelombang mengharuskan panjang gelombang sinar X tidak berubah, sementara pada kenyataannnya memberikan hasil yang berbeda.

Foton-foton dalam sinar X bertumbukan dengan elektron bebas dan foton tersebut terhambur. Ketika tumbukan terjadi, foton kehilangan sebagian energinya karena diserap oleh elektron. Oleh karena itu, panjang gelombang foton yang terhambur menjadi besar karena energinya menjadi kecil. Karena terjadi tumbukan antara foton dan elektron mengharuskan foton memiliki momentum sehingga berlaku Hukum Kekekalan Momentum, besarnya momentum tersebut dapat dihitung dengan cara menurunkan momentum foton dari teori relativitas khusus Einstein yaitu :

Eistein menyatakan kesetaraan energi-massa dengan  E = m . c2 .  Dalam efek fotolistrik kita melihat bahwa cahaya yang dijatuhkan pada keping logam diperlukan sebagai paket – paket energiyang disebut foton dengan energi tiap foton sebesar E = hf.

E = m . c2

E = mc . c = p . c

Mengingat energi  foton Planck E = hf  maka momentum relativistic foton dapat ditentukan:

p=mc= hfc

Nilai λ=cf atau 1λ= fcsehingga persamaan diatas dapat ditulis sebagai berikut :

p=hλatau λ=hp

p = momentum sebuah foton (Ns)

c  = laju cahaya (m/s)

h = tetapan Planck (6,63 X 10-34 Js)

λ = panjang gelombang foton (m)

f = frekuensi cahaya (Hz)

Dengan menggunakan persamaan tersebut untuk momentum foton, Compton menerapkan Hukum Kekekalan Momentum dan Energi pada tumbukan antara foton dan elektron. Hasilnya adalah pergeseran panjang gelombang fotonsinar X yang  memenuhi persamaan:

Δλ = λ’ – λ = hm0 c ( 1- cos θ )

Dengan : Δλ = pergeseran panjang gelombang foton (m)

λ  = panjang gelombang foton datang (m)

λ’ = panjang gelombang foton hambur (m)

m0= massa diam elektron

h  = konstanta Plank (6,63 x 10-34 Js)

θ= suduthamburan(o)

DaftarPustaka

Kanginan,M.(2015).FISIKA untuk SMA/MA Kelas XII Kelsompok Peminatan Matematika dan Ilmu Alam.Jakarta: Erlangga

Drajat. (2009). FISIKA untuk SMA/MA Kelas XII. Bandung : Departemen PendidikanNasional

Sinaga,P.(2006).FISIKA Modern. Bandung : Departemen Pendidikan Fisika FPMIPA UPI