Aplikasi Konsep Fisika Modern

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, NO_x 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.