A.
Radiasi
Benda Hitam
Pada tahun 1900 Max Planck
mengemukakan teori radiasi benda hitam yang sesuai dengan hasil eksperimen.
Planck menganggap bahwa gelombang elektromagnetik berperilaku sebagai osilator-osilator
di rongga. Getaran yang ditimbulkan osilator kemudian diserap dan dipancarkan
kembali oleh atom-atom. Planck sampai pada kesimpulan bahwa energi yang
dipancarkan dan diserap tidaklah kontinu tetapi dalam bentuk paket-paket energi listrik yang
disebut kuanta.
Dengan menggunakan
prinsip radiasi benda hitam kita dapat menentukan daya yang dipancarkan oleh
matahari, suhu matahari, dan radiasi yang dipancarkan oleh tubuh manusia.
1.
Penentuan
suhu permukaan matahari
Suhu
permukaan matahari atau bintang dapat ditentukan dengan mengukur daya radiasi
yang diterima bumi. Matahari memancarkan daya yang sama ke segala arah, dan
bumi hanya menyerap sebagian kecil daya dari matahari. Namun bumi mampu
memancarkan daya ke segala arah. Misalkan bumi dalam keseimbangan termal. Maka
daya yang diserap bumi sama dengan daya yang dipancarkan. Dengan demikian besarnya suhu permukaan matahari dapat
ditentukan.
2. Radiasi energi yang dipancarkan manusia
Penerapan
radiasi benda hitam juga dapat diterapkan pada benda-benda yang tidak berada
dalam kesetimbangan radiasi. Sebagian besar energi manusia diradiasikan dalam
bentuk radiasi elektromagnetik, khususnya infra merah. Untuk dapat memancarkan
suatu energi , tubuh manusia harus menyerap energi dari lingkungan sekitarnya.
Total energi yang dipancarkan manusia
adalah selisih antara energi yang diserap dengan energi yang dipancarkan.
B.
Kesetaraan
Massa dan Energi
Teori Einstein tentang kesetaraan
massa dan energi telah membuka kemungkinan baru untuk memperoleh energi dari
pemecahan atau penggabungan massa. Rumus kesetaraan dari Einstein yang sangat
sederhana menyatakan bahwa energi sama dengan massa dikalikan dengan kuadrat
kecepatan cahaya. Konsep kesetaraan massa dan energi
ini dimanfaatkan dalam berbagai teknologi diantaranya salah satunya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir
(PLTN).
Pada PLTN panas dihasilkan dari
reaksi pembelahan inti atom yang bahan bakarnya Uranium di dalam reaktor
nuklir. Panas yang dihasilkan digunakan untuk membangkitkan uap di dalam alat
pembangkit uap dan kemudian uap
digunakan untuk menggerakkan turbin dan generator untuk menghasilkan listrik.
Dalam membangkitkan listrik, PLTN tidak membebaskan asap atau debu yang
mengandung logam berat atau CO2, SO2, NOx ke
lingkungan. Panas untuk membangkitkan uap dalam PLTN didapatkan dari proses
pembelahan inti. Bila sebuah partikel neutron berhasil masuk ke dalam inti atom
bahan bakar Uranium, maka inti Uranium menjadi lebih tidak stabil dan akibatnya
mengalami pembelahan. Hasil dari pembelahan ini adalah dua buah atom materi
yang lain, 2 sampai 3 buah neutron baru dan energi. Total massa seluruh materi
yang terbentuk sesudah terjadinya pembelahan inti atom Uranium lebih kecil
daripada sebelum terjadi pembelahan. Selisih massa inilah yang berubah menjadi
energi. Neutron baru yang terbentuk setelah pembelahan inti dapat menumbuk inti
atom Uranium lain dan seterusnya menghasilkan atom materi lain, 2-3 buah
neutron baru dan energi. Demikian seterusnya sehingga terbentuklah sebuah
reaksi berantai. Satu gram Uranium akan dapat menghasilkan daya sebesar 1 juta
watt selama 1 hari. Seandainya sebuah rumah menggunakan energi sebesar 1000
kilowatt-jam dalam sehari, maka energi yang dihasilkan 1 gram Uranium dapat
digunakan selama sekitar 24 hari.
Agar reaksi berantai tidak
berkembang menjadi tidak terkendali, seperti halnya bom atom, maka digunakanlah
bahan kendali, antara lain terbuat dari cadmium, untuk membuat reaksi berantai
berjalan stabil dan terkendali. Neutron baru hasil pembelahan memiliki
kecepatan yang sangat tinggi, karena itu agar dapat lebih mudah masuk ke dalam
inti atom neutron ini harus diperlambat. Bahan yang sering digunakan sebagai
pelambat atau moderator adalah air biasa yang telah dihilangkan mineralnya.
Bisa juga digunakan air berat, atau grafit sebagai moderator sesuai dengan
jenis bahan bakarnya.
Panas yang dihasilkan di dalam bahan
bakar uranium sangat tinggi. Jika tidak dilakukan pendinginan maka bahan bakar
bisa mengalami kerusakan atau meleleh. Ada beberapa jenis bahan yang biasanya
dipakai sebagai pendingin, misalnya air ringan, air berat, logam natrium cair,
dan gas. Pemilihan jenis pendingin bergantung juga kepada jenis bahan bakarnya.
C.
Efek
Foto listrik (EFL)
Efek foto listrik
merupakan peristiwa dimana elektron keluar dari logam ketika disinari cahaya
dengan frekuensi yang cukup tinggi. Cahaya disini berlaku sebagai partikel
(foton) bersifat diskrit yang memiliki energi sebesar E=nhf. Dari percobaan EFL
disimpulkan bahwa:
1. Energi
kinetik elektron yang keluar dari logam tidak bergantung pada intensitas cahaya
yang datang. Besar kecilnya intensitas hanya mempengaruhi banyak sedikitnya
elektron yang dihasilkan.
2. Semakin
besar frekuensi, maka semakin besar pula energi kinetik elektron.
3. Setiap
logam memiliki frekuensi cut off (frekuensi ambang) yang berbeda-beda. Jika
frekuensi foton datang lebih kecil dari frekuensi ambang logam, maka tidak
terjadi EFL.
Prinsip EFL
diterapkan pada berbagai piranti fotonik (photonic device) seperti:
a. Lampu LED (light emitting device)
LED merupakan sumber cahaya dalam
bentuk laser semikonduktor yang dapat dipakai sebagai sumber pembawa sinyal
pada komputer fotonik. Teknologi serat optis pun sudah berkembang sedemikian
rupa sehingga siap mendukung tampilnya perangkat fotonik.
b. Detektor Cahaya (photo detector).
c. Komputer Fotonik
Arun N. Netravali, ilmuwan berdarah
India yang menjabat Vice President Research Lucent Technology dan Direktur Bell
Labs di AS, telah melakukan terobosan dalam proses pembuatan prosesor fotonik. Basis
dari perangkat fotonik ini bukan lagi pada teknologi silikon seperti yang saat
ini banyak diaplikasikan, melainkan mulai bergerak menuju teknologi foton yang
memanfaatkan cahaya. Para ilmuwan mengembangkan komputer elektronik menjadi komputer
fotonik. Banyak kelebihan yang dimiliki komputer fotonik ini jika kelak
benar-benar bisa diwujudkan, yaitu :
·
Sinyal dibawa oleh foton (gelombang elektromagnetik)
dalam bentuk cahaya tampak.
·
Cepat rambat foton tiga kali lebih cepat dibandingkan
cepat rambat elektron sehingga komputer fotonik akan bekerja jauh lebih cepat.
·
Data dapat disimpan secara tiga dimensi dalam medium
yang ketebalannya berorde mikro meter. Jadi satu penyimpan fotonik bisa
memiliki kapasitas yang setara dengan ribuan penyimpan elektronik.
d. Film bersuara
Dengan
bantuan peralatan elektronika saat itu suara dubbing film direkam dalam bentuk
sinyal optik di sepanjang pinggiran keping film. Pada saat film diputar, sinyal
ini dibaca kembali melalui proses efek fotolistrik dan sinyal listriknya
diperkuat dengan menggunakan amplifier tabung sehingga menghasilkan film
bersuara.
e. Tabung Foto Pengganda (photomultiplier
tube)
Dengan
menggunakan tabung ini hampir semua spektrum radiasi elektromagnetik dapat
diamati. Tabung ini memiliki efisiensi yang sangat tinggi, bahkan ia sanggup
mendeteksi foton tunggal sekalipun. Dengan menggunakan tabung ini, kelompok
peneliti Superkamiokande di Jepang berhasil menyelidiki massa neutrino yang
akhirnya dianugrahi hadiah Nobel pada tahun 2002.
f. PES (photoelectron spectroscopy)
PES
merupakan aplikasi dari EFL eksternal yang dimanfaatkan untuk tujuan
spektroskopi.
g.
Foto Diode atau Foto Transistor
Merupakan
aplikasi dari EFL internal yang bermanfaat sebagai sensor cahaya berkecepatan
tinggi. Bahkan dalam komunikasi serat optik transmisi sebesar 40 Gigabit
perdetik yang setara dengan pulsa cahaya sepanjang 10 pikodetik (10-11 detik)
masih dapat dibaca oleh sebuah foto-diode.
h.
Sel Surya
Sel surya dapat
mengubah energi matahari menjadi energi listrik melalui EFL internal. Sebuah
semikonduktor yang disinari dengan cahaya tampak akan memisahkan elektron dan
hole. Kelebihan elektron di satu sisi yang disertai dengan kelebihan hole di
sisi lain akan menimbulkan beda potensial yang jika dialirkan menuju beban akan
menghasilkan arus listrik.
i.
Kamera CCD (charge coupled device)
Produk-produk
elektronik yang dilengkapi dengan kamera CCD seperti kamera pada ponsel, kamera
digital dengan resolusi hingga 12 Megapiksel, atau pemindai kode-batang (barcode)
yang dipakai diseluruh supermarket, kesemuanya memanfaatkan efek fotolistrik
internal dalam mengubah citra yang dikehendaki menjadi data-data elektronik yang
selanjutnya dapat diproses oleh komputer.
D.
Sinar-X
Proses terjadinya sinar-X merupakan
kebalikan dari EFL yang dijelaskan sebagai berikut: elektron energetik menumbuk
permukaan logam dan dari permukaan logam dipancarkan foton dalam bentuk
sinar-X. Produksi sinar-X sendiri dapat melalui dua cara, yaitu:
1. Efek
Pengereman
2. Eksitasi
Transisi Atom Logam
Sinar-X
dapat dimanfaatkan dalam berbagai bidang:
a.
Bidang
Kesehatan
· Ahli
radiologi menggunakan pemindaian sinar-X untuk menghasilkan gambar struktur internal
tubuh pasien melalui suatu alat Radiograf.
Hal ini memungkinkan berbagai diagnosa seperti patah tulang, adanya tumor, dan
bahkan melihat saluran pencernaan dapat dilakukan dengan lebih akurat. Dengan
menggunakan ‘ruang ion’ yang terletak antara pasien dan film sinar-X, ahli
radiologi dapat mengatur jumlah paparan radiasi yang diemisikan ke pasien.
·
Untuk melihat kondisi tulang, gigi serta organ tubuh
yang lain tanpa melakukun pembedahan yang dikenal dengan nama Foto Rontgen.
· Sinar-X
keras digunakan untuk Radioterapi. Radioterapi
adalah suatu pengobatan yang menggunakan sinar pengion yang banyak dipakai
untuk menangani penyakit kanker.
b. Bidang Industri
·
Memeriksa kecacatan dalam struktur binaan atau
bahagian-bahagian dalam mesin dan engine.
·
Memeriksa rekahan dalam pipa logam, dinding konkrit
dan dandang tekanan tinggi.
·
Memeriksa retakan dalam struktur plastik dan getah.
·
Menyelidiki struktur hablur dan jarak pemisahan antara
atom-atom dalam suatu bahan hablur.
c. Bidang Kesenian
·
Mengesahkan apakah suatu lukisan atau objek seni purba
itu benar atau tiruan.
d. Bidang Penerbangan
·
Di bandara, sinar-X lembut digunakan untuk memeriksa
barang-barang dan baggage penumpang.
·
Sinar-X dapat digunakan untuk mengetahui instrument pesawat
yang mengalami kerusakan. Namun kekuatan yang digunakan 10 kali lipat dari yang
biasa digunakan untuk rongent di rumah sakit sehingga operator yang menggunakan
sinar-X harus ekstra hati-hati agar tidak mengenai tubuh manusia.
Walaupun
sinar-X sangat berguna bagi manusia, tetapi pendedahan secara berlebihan kepada
sinar-X dapat menyebabkan:
Ø Pemusnahan
sel-sel dalam badan
Ø Perubahan
struktur genetik suatu sel
Ø Penyakit
kanker
Ø Kesan buruk
seperti rambut gugur, kulit menjadi merah.
E.
Efek
Compton
Pada rentang pita
energi 1-30 MeV hamburan Compton dapat dideteksi. Hamburan Compton terjadi
ketika sebuah foton dan sebuah elektron dengan sebagian energi foton
dipindahkan ke partikel bermuatan. Konsep hamburan Compton diterapkan pada
Teleskop Pencar Compton yang berkembang menjadi Comptel (Compton Telescope)
serta Spektroskopi gamma.
a.
Teleskop
Compton (Comptel)
Teleskop pencar Compton
biasanya memiliki dua tingkat instrumen. Pada tingkat atas, sinar gamma Compton
menyebarkan kosmik dari sebuah elektron dalam suatu sintilator. Foton tersebar
kemudian bergerak kebawah ketingkat
kedua bahan sintilator yang benar-benar menyerap foton tersebar.
Comptel merupakan
bentuk perkembangan dari teleskop pencar Compton. Prinsip kerja Comptel :
Sebuah foton masuk dari
atas dan menyebarkan Compton di lapisan deteksi pertama (biru) kemudian
sebagian diserap dalam lapisan kedua (hijau). Area efektif yang dapat dideteksi
oleh teleskop pencar Compton relatif kecil, karena hanya sejumlah kecil insiden
sinar gamma Compton tersebar ditingkat atas. Resolusi energi untuk detektor ini
cukup baik 5-10%, dibatasi oleh ketidakpastian dalam pengukuran energi yang
disimpan oleh setiap lapisan.
Penelitian teleskop
Compton pada saat ini menekankan pada cara pelacakan elektron tersebar
ditingkat atas, sehingga solusi lengkap untuk lintasan masuk dari sinar gamma
dapat ditentukan. Hal ini memungkinkan Comptel memiliki pendekatan analisis
data lebih konvensional.
b.
Spektroskopi
gamma
Sinar gamma ini
dihasilkan oleh suatu bahan radioaktif. Sinar gamma adalah termasuk sinar yang
tidak dapat dilihat oleh mata, untuk itu perlu adanya detektor. Detektor yang
digunakan adalah NaI (Tl). Apabila sinar gamma mengenai detektor NaI(Tl) maka
akan terjadi tiga efek, yaitu efek fotolistrik, efek compton dan bentukan
pasangan. Efek fotolistrik terjadi apabila ada sinar gamma yang mengenai
elektron d kulit K dari sebuah atom maka elektron tersebut akan kosong sehingga
akan diisi oleh elektron dari kulit yang lain, transisi ini yang menyebabkan
terjadinya efek fotolistrik. Efek compton adalah efek yang terjadi apabila
sinar gamma mengenai elektron bebas atau elektron terluar dari suatu atom yang
dianggap daya ikatnya sangatlah kecil sehingga sama dengan elektron bebas.
Apabila sinar gamma memancar ke elektron bebas ini maka akan terjadi hamburan,
yang disebut hamburan compton. Sedangkan Efek bentukan pasangan terjadi ketika
sinar gamma melaju di dekat inti atom sehingga akan terbentuk pasangan positron
dan elektron, syaratnya tenaga sinar haruslah cukup. Dari ketiga efek tersebut,
efek comptonlah yang paling kuat hal ini diakibatkan karena tenaga yang
digunakan untuk melepas elektron juga yang lebih besar. Dan dari ketiga efek
tersebut menghasilkan sintilasi atau pancaran cahaya, pancaran cahaya ini akan
diteruskan ke fotokatoda yang dapat menguraikan cahaya ini menjadi elektron-elektron.
Elektron ini masih lemah maka harus dikuatkan lagi dayanya oleh pre amplifier,
dan dikuatkan tinggi pulsa dengan amplifier. Lalu elektron tadi dimasukkan ke
PMT yang terdiri dari tegangan bertingkat dan banyak katoda, keluaran dari PMT
menjadi berganda. Kemudian melalui counter nilai cacahnya dapat diketahui. Dalam
spektroskopi gamma juga dicari resolusi tenaganya, semakin kecil resolusinya
semakin bagus data yang diperoleh, semakin besar resolusinya maka semakin tidak
valid data yang diperoleh.
F.
Difraksi
Elektron
Pada tahun 1927
Davisson dan Germer di AS dan G.P Thomson di Inggris meyakinkan hipotesis de
Broglie dengan menunjukkan bahwa elektron terdifraksi bila berkas itu
dihamburkan oleh kisi atom yang teratur dari suatu kristal. Konsep difraksi
elektron ini diterapkan pada beberapa produk teknologi seperti pada Mikroskop elektron.
Sifat gelombang
elektron yang bergerak merupakan dasar dari mikroskop elektron yang dibuat
pertama kali tahun 1932. Daya pisah setiap instrumen optis dibatasi oleh
difraksi sehingga besarnya berbanding lurus dengan panjang gelombang yang
dipakai untuk menyinari benda yang diselidiki. Dalam mikroskop elektron,
kumparan yang berarus listrik dipakai untuk menimbulkan medan magnetik yang
berlaku sebagai lensa untuk memfokuskan berkas elektron pada benda yang
diselidiki. Untuk mencegah berkas itu tersebar sehingga mengaburkan bayangan
yang dihasilkan , dipakai sampel yang tipis dan seluruh sistem dihampakan. Mikroskop elektron menggunakan sinar
elektron dengan panjang gelombangnya yang lebih pendek dari panjang gelombang
cahaya. Keadaan vakum diperlukan untuk menghalang pecutan elektron berlanggar
dengan molekul-molekul lain yang berada dalam ruang bebas udara yang mengganggu
fungsi utama mikroskop elektron itu tadi.
Terdapat dua jenis mikroskop elektron yang utama yaitu
Mikroskop Transmisi Elektron (TEM) dan Mikroskop Imbasan Elektron (
SEM). Dalam penghasilan piranti mikroelektronik, TEM sering digunakan untuk
melihat retakan piranti berikut sifat kristal yang ada pada piranti
mikroelektronik itu tadi. Dalam suatu keadaan lain, TEM juga digunakan untuk
melihat permukaan dari sebuah piranti. Prinsip operasi SEM berbeda dengan TEM karana
elektron hanya akan mengimbas permukaan sampel selanjutnya hasil dari imbasan
tersebut akan dipancarkan dalam bentuk gambar. gambar yang dihasilkan seperti
gambar pada layar televisi.