Sinar Gamma

Sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat pendek (dalam orde Angstrom) yang dipancarkan oleh inti atom yang tidak stabil yang bersifat radioaktif. Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang membawa energi dalam bentuk paket-paket yang disebut foton. Jika sinar gamma masuk ke dalam suatu bahan, juga mengahasilkan ionisasi, hanya saja ionisasi yang dihasilkan sebagian besar melalui proses ionisasi sekunder. Jadi, sinar gamma berinteraksi dengan materi hanya beberapa pasang ion primer saja yang terbentuk. Ion-ion primer itu selanjutnya melakukan proses ionisasi sekunder sehingga diperoleh pasangan ion yang lebih banyak dibandingkan yang terbentuk pada proses ionisasi primer.

Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi gamma melewati bahan, yaitu efek fololistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut melepaskan elektron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan. Tiga interaksi utama sinar gamma dapat kehilangan energi ketika melewati suatu materi:

1.          Efek Fotolistrik

Efek Fotolistrik yaitu foton dapat mentransfer seluruh energinya pada electron atomic materil penyerap. Efek Fotolistrik merupakan peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh elektron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan atom. Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron. Efek Fotolistrik terutama terjadi antara 0,01 MeV hingga 0,5 MeV.

Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi pada materi dengan Z yang besar, seperti tembaga (Z = 29). Energi foton yang datang sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam bentuk energi kinetik elektron dan sebagian lagi digunakan untuk melawan energi ikat elektron.

2.          Hamburan Compton

Hamburan Compton yaitu foton dating memberikan sebagian energinya pada electron atomic penyerap, foton baru yang muncul memiliki frekuensi yang lebih rendah. Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hf berinteraksi dengan elektron bebas atau elektron yang tidak terikat dengan kuat oleh inti, yaitu elektron terluar dari atom. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti dan bergerak dengan energi kinetik tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton datang. Foton lain ini dinamakan foton hamburan.

Kemungkinan terjadinya hamburan Compton berkurang bila energi foton yang datang bertambah dan bila Z bertambah. Dalam hamburan Compton ini, energi foton yang datang yang diserap atom diubah menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan. Perubahan panjang gelombang foton hamburan dari λ menjadi λ’

3.          Produksi Pasangan

Produksi Pasangan yaitu foton dating yang berenergi sekurang-kurangnya 1.02 MeV dapat melakukan materialisasi menjadi pasangan electron - elektron ketika melewati dekat inti, kehadiran inti diperlukan supaya kekekalan momentum dipenuhi.

Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai gantinya akan timbul sepasang elektron-positron. Karena massa diam elektron ekivalen dengan energi 0,51 MeV, maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energi foton ≥ 1,02 MeV.

Dalam semua kasus itu energi foton ditransfer pada electron yang diikuti dengan kehilangan energi terutama disebabkan oleh proses eksitasi atau ionisasi atom dalam penyerap.

Pada energi foton yang rendah, efek fotolistrik merupakan mekanisme utama dari kehilangan energi. Pentingnya efek fotolistrik berkurang dengan bertambahnya energi, diganti oleh hamburan Compton. Lebih besar nomor atomic penyerapnya, lebih tinggi pula energi ketika efek fotolistrik memegang peranan penting. Dalam unsur ringan, hamburan Compton berperan utama pada energi foton beberapa puluh keV, sedangkan pada unsur berat peranan utamanya baru terlihat pada energi 1 MeV. Produksi pasangan peluangnya lebih meningkat lebih besar energinya dari energi ambang 1.02 MeV. Lebih besar nomor atomic penyerapnya, lebih rendah ketika produksi pasangan mengambil alih mekanisme utama dari kehilangan energi oleh sinar gamma. Dalam unsur terberat energi persilangn ini ialah sekitar 4 MeV, tetapi untuk unsur yang lebih ringan energi itu melebihi 10 MeV. Jadi sinar gamma dalam daerah energi yang biasa terjadi dalam peluruhan radioaktif  berinteraksi dengan material terutama melalui hamburan Compton.

Teori Kuantum Einstein tentang Efek Fotolistrik

Dalam postulatnya Planck mengkuantisasikan energi yang dapat dimiliki osilator, tetapi tetap memandang radiasi thermal dalam rongga sebagai gejala gelombang. Einstein dapat menerangkan efek fotolistrik dengan meluaskan konsep kuantisasi Planck. Einstein menggambarkan bahwa apabila suatu osilator dengan energi pindah ke suatu keadaan dengan energi, maka osilator tersebut memancarkan suatu gumpalan energi elektromagnetik dengan energi, Einstein  menganggap bahwa gumpalan energi yang semacam itu yang kemudian dikenal sebagai foton, yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut :

1. Pada saat foton meninggalkan permukaan dinding rongga tidak menyebar dalam ruang seperti gelombang tetapi tetap terkonsentrasi dalam ruang yang terbatas yang sangat kecil.
2. Dalam perambatannya, foton bergerak dengan kecepatan cahaya c.
3. Energi faton terkait dengan frekuensinya yang memenuhi e = hv.
4. Dalam proses efek fotolistrik energi foton diserap seluruhnya oleh elektron yang berada di permukaan logam.

Lima tahun sesudah Planck mengajukan makalah ilmiahnya tentang teori radiasi thermal oleh benda hitam sempurna, yaitu pada tahun 1905, Albert Einstein mengemukakan teori kuantum untuk menerangkan gejala fotolistrik. Secara eksperimental sahihnya teori kuantum itu dibuktikan oleh Millikan pada tahun 1914. Millikan secara eksperimental membuktikan hubungan linear antara tegangan pemberhentian elektron dan frekwensi cahaya yang mendesak elektron pada bahan katoda tertentu.

Pada tahun 1921 Albert Einstein memperoleh hadian Nobel untuk Fisika, karena secara teoritis berhasil menerangkan gejala efek fotolistrik.

Emisi Termionik

Kesahihan penafsiran Einstein mengenal fotolistrik diperkuat dengan telaah tentang emisi termionik. Telah alam diketahui bahwa dengan adanya panas akan dapat meningkatkan konduktivitas udara yang ada di sekelilingnya. Menjelang abad ke-19 ditemukan emisi elektron dari benda panas. Emisi termionik memungkinkan bekerjanya piranti seperti tabung televisi yang di dalamnya terdapat filamen logam atau katoda berlapisan khusus yang pada temperatur tinggi mampu menyajikan arus elektron yang rapat.

Jelaslah bahwa elektron yang terpancar memperoleh energi dari agitasi thermal zarah pada logam, dan dapat diharapkan bahwa elektron harus mendapat energi minimum tertentu supaya dapat lepas. Energi minimum ini dapat ditentukan untuk berbagai permukaan dan selalu berdekatan dengan fungsi kerja fotolistrik untuk permukaan yang sama. Dalam emisi fotolistrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedang dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakannya. Dalam kedua kasus itu proses fisis yang bersangkutan dengan timbulnya elektron dari permukaan logam adalah sama.

Mekanisme Terjadinya Efek Fotolistrik

Dalam eksperimennya Hertz menemukan bahwa latu pada celah transmiter terjadi bila cahaya ultraungu diarahkan pada salah satu bola logamnya. Ia tidak melanjutkan percobaan tersebut, akan tetapi ahli fisika yang lain melanjutkan percobaan tersebut. Mereka menemukan bahwa penyebab terjadinya latu adalah terpancarnya elektron pada frekuensi yang cukup tinggi. Gejala ini dikenal sebagai efek fotolistrik. Gajala ini merupakan salah satu ironi sejarah bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik.

Ilustrasi alat yang dipergunakan untuk membangkitkan gejala fotolistrik. Tabung yang divakumkan berisi dua elektrode yang dihubungkan dengan rangkaian eksternal. Keping logam yang permukaannya mengalami iradiasi, digunakan sebagaio anode. Sebagian dari gotoelektron yang muncul dari permukaan yang mengalami radiasi memiliki energi yang cukup untuk mencapai katode lebih sedikit dan arusnya menurun. Akhirnya ketika v sama dengan atau melebihi suatu harga Vo yang besarnya dalam orde beberapa volt, maka tidak ada elektron yang mencapai katode dan arusnya terhenti.

Gejala efek fotolistrik dapat diterangkan sebagai berikut : gelombang cahaya membawa energi, dan sebagian energi yang diserap logam dapat terkonsentrasi pada elektron tertentu dan muncul sebagai energi kinetik. Salah satu sifat yang menimbulkan pertanyaan pengamat adalah distribusi elektron yang dipancarkan (fotoelektron), ternyata tak bergantung pada intensitas cahaya. Berkas cahaya yang kuat menghasilkan fotoelektron lebih besar dari pada berkas cahaya yang lemah untuk frekuensi yang sama, akan tetapi energi elektron rata-ratanya sama saja. dalam batas ketelitian eksperimen (10^-9 s), tak terdapat kelambatan waktu antara datangnya cahaya pada permukaan logam dan terpancarnya elektron.  

Tebal Paruh Lempeng Lead dan Polyethylene

Sekilas promosi efektif menggunakan media iklan inline.

Dengan diketahuinya nilai koefisien serapan sinar gamma, maka kita dapat mengunakanya untuk memetukan harga tebal paruh (X1/2) dari lempeng Lead dan Polyethylene yang digunakan sebagai bahan penyerap. Tebal paruh merupakn sifat karakteristik dari suatu bahan, sehingga besarnya tergantung pada jenis bahannya. Sinar gamma yang terserap akan berinteraksi dengan elektron-elektron yang ada pada lempengan bahan serapan. Kita ketahui bahwa sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat pula ditinjau sebagai paket-paket catu tenaga yang dinamakan foton  gamma. Apabila sinar gamma berinteraksi dengan materi maka tenaga akan diserahkan pada atom-atom materi yang dilaluinya.

Dari berbagai proses tersebut hanya ada tiga proses yang penting untuk diperhatikan dalam serapan sinar gamma, yaitu : Hamburan Compton ( terjadi antara foton gamma dan sebuah elektron bebas atau yang terikat lemah ), Efek Fotolistrik ( adanya interaksi antara foton gamma dengan sebuah elektron yang terikat kuat ), dan Pembentukan Pasangan ( pasangan antara elektron dengan positron ). Ketiga proses tersebut menghasilkan pembebasan elektron dari atom-atom materi yang berinteraksi dengan sinar gamma. Efek fotolistrik penting pada daerah tenaga sinar gamma di bawah 1 MeV, Hamburan Compton penting pada daerah jangkauan tenaga yang sangat lebar, sedangkan pembentukan pasangan hanya penting untuk tenaga sinar gamma lebih besar dari 1,022 MeV. Pada peristiwa pembentukan pasangan harus memenuhi ketiga hukum kekekalan, yaitu:

1.    Hukum kekekalan massa dan tenaga

2.    Hukum kekekalan muatan listrik

3.    Hukum kekekalan momentum

Dengan demikian, efek pembentukan pasangan tidak akan terjadi kecuali jika tenaga sinar gamma yang berinteraksi lebih besar dari 2 X 0,511 MeV = 1,022 MeV. Apabila tenaga sinar gamma mula-mula adalah Eo MeV maka kelebihan tenaga sebesar ( Eo – 1,022 MeV ) akan dibagikan antara elektron dan positron dalam bentuk tenaga gerak.

  

Dari percobaan yang dilakukan diperoleh harga tebal paroh lempeng lead sebesar 0,70477 cm, maksudnya bahwa ketebalan bahan sebesar itu akan menyerap tepat separuh dari radiasi sinar gamma yang dating. Sehingga setelah melewati lempeng lead intensitas dari sinar gamma yang tercacah oleh detektor tinggal separuhnya.

Koefisien Serapan Sinar Gamma

Koefisien serapan sinar gamma merupakan suatu konstanta pembanding yang menghubungkan antara besarnya intensitas sumber radioaktif yang terserap dengan ketebalan suatu bahan penyerap. Besarnya koefisien serapan sinar gamma dapat ditentukan dengan mencacah intensitas sumber radioaktif 137 Cs yang memancarkan sinar gamma dengan detektor MCA. Untuk mendapat cacahan yang murni dari sinar gamma, maka dalam percobaan perlu dicari cacah latar terlebih dahulu. Setelah cacahan latar ini diperoleh maka cacahan latar ini nantinya digunakan untuk mengurangi dari jumlah cacahan atau intensitas yang diperoleh, maksudnya bahwa intensitas sebenarnya yang dapat dipakai dalam perhitungan adalah intensitas yang dihasilkan oleh isotop tanpa bahan penyerap ataupun isotop dengan bahan penyerap dikurangi dengan intensitas dari cacah latar. Hal ini dikarenakan bahwa di alam sekitar terdapat unsur-unsur radioaktif yang dapat terdeteksi oleh detektor.

Jika bahan penyerap yang berupa lempengan lead diletakkan diantara sumber sinar gamma 137 Cs dan detektor, maka intensitas yang terbaca pada MCA akan berkurang karena sebagian intensitas terserap oleh lempeng lead. Dapat dikatakan bahwa harga intensitas radiasi menurun secara ekponensial terhadap ketebalan bahan penyerap sinar gamma yang mempunyai tenaga tinggi akan menghasilkan pulsa yang tinggi sedangkan sinar gamma bertenaga rendah akan menghasilkan pulsa yang rendah pula. Di lain pihak intensitas sinar gamma yang terdeteksi mempengaruhi cacah elektron yang dibebaskan. Makin tinggi intensitas sinar gamma makin banyak elektron yang dibebaskan dan makin banyak pula pulsa yang dihasilkan oleh detektor.

Prinsip Percobaan Milikan

Prinsip yang digunakan pada percobaan milikan adalah pengaruh gaya gravitasi dan gaya listrik pada partikel bermuatan ( tetesan minyak ). Tetesan minyak yang dihamburkan dalam ruang pengamatan dipengaruhi oleh medan listrik, medan listrik sendiri yaitu efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan listrik, seperti elektron, ion, atau proton dalam ruangan di sekitarnya. Medan listrik tersebut ditimbulkan dari beda potensial antara elektroda positif ( atas ) dan elektroda negatif ( bawah ) yang diberikan pada pelat kondensator. Pada saat gaya gravitasi sama dengan gaya listrik maka tetesan minyak tersebut akan mengambang. Tetesan minyak dalam medan listrik dipengaruhi oleh beberapa gaya yaitu gaya berat, gaya Stokes yang merupakan gaya penghambat, gaya dorong dan gaya elektrostatis.

Percobaan ini menggunakan dua metode yaitu metode statis ( keseimbangan ) dan metode dinamis. Untuk metode keseimbangan, karena tetesan minyak tersebut merupakan partikel bermuatan, sehingga setelah tegangannya dihilangkan maka tetesan minyak tersebut akan turun atau jatuh pada saat tetesan minyak tersebut jatuh, laju tetesan minyak tersebut nol. Dengan demikian gaya yang bekerja pada tetesan minyak tersebut hanya gaya berat atau gaya gravitasi dan gaya dorong yang arahnya berlawanan dengan gaya berat. Kemudian tetesan minyak akan mengalami resultan gaya ke bawah. Oleh karena itu, tetesan minyak akan mengalami percepatan sehingga kecepatannya bertambah. Seiring dengan bertambahnya kecepatan, gaya Stokes akan membesar dan pada suatu ketika akan terjadi keseimbangan antara ketiga gaya tersebut, resultan ketiga gaya tersebut nol. Oleh karena itu kecepatan tetesan minyak tersebut akan konstan. Dari sini tegangan dan kecepatan tetesan minyak tersebut dapat diketahui, berdasarkan pengamatan nilai beda potensial dan lamanya waktu yang dibutuhkan tetesan minyak untuk menempuh jarak S yang diperoleh bervariasi. Sehingga berdasarkan perhitungan dapat diperoleh nilai muatan rata-rata dari tetesan minyak tersebut yaitu, untuk metode statis q = 4.09 x 10^-17 C sedangkan untuk metode dinamis q = 8.62 x 10^-17 C . Nilai ini jelas jauh dari referensi, berdasarkan percobaan Millikan diperoleh bahwa muatan tetesan minyak selalu merupakan kelipatan bilangan 1,6 x 10^-19. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa satu elektronnya adalah 1,6 x 10^-19 C, muatan sebesar ini merupakan muatan elementer. Perbedaan tersebut dikarenakan kekurangtelitian praktikan dalam mengamati tetesan minyak yang disebabkan oleh beberapa faktor diantaranya yaitu kekeliruan dalam melihat dan mengamati gerak satu tetesan minyak dari sekian banyak tetesan minyak yang terhambur dalam ruang pengamatan, selain itu faktor lainnya yaitu ketidak cermatan antara penglihatan dengan kecepatan tangan saat menghidupkan stop watch sehingga mengakibatkan kesalahan dalam mengukur waktu yang dibutuhkan untuk menempuh jarak S.