Sabtu, 15 Januari 2011

SINAR KATODA
Sinar katoda adalah sinar yang berasal dari katoda menuju anoda di dalam tabung lucutan gas. Sinar katoda tidak lain adalah partikel bermuatan negative yang bergerak dengan kecepatan tinggi.
Sifat – sifat sinar Katoda
-          Merambat lurus
-          Terdiri atas partikel bermuatan negative
-          Dapat menghitamkan film
-          Dapat menimbulkan kalor pada benda-benda yang ditumbuknya
-          Dapat menghasilkan sinar X
-          Menyimpang di dalam medan magnet
-          Menyimpang di dalam medan listrik
-          Dapat memendarkan sulfida seng dan barium platina sianida
Bagaimana cara memproduksi sinar X ?
            Perhatikan skema rangkaian di bawah ini !
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

Pada saat katode dipanasi oleh beda potensial V ± 30 kV terjadi emisi termionik (pemancaran electron-elektron karena logam  dipanasi). Selanjutnya elektron –elektron ini  ditembakkan menuju logam target atau anoda (logam target biasanya dibuat dari logam yang bernomor atom besar, misalnya timbal) hingga terjadi sinar katoda, tetapi juga terjadi sinar yang tidak dapat dilihat  namun memiliki daya tembus yang kuat . Sinar yang memiliki daya tembus yang kuat ini adalah sinar X.
Sifat – sifat sinar X    
            Setelah sinar X ditemukan, selanjutnya diamati karakter-karakter dari sinar tersebut. Berikut ini adalah beberapa sifat sinar X :
-          Merambat lurus
-          Tidak menyimpang di dalam medan listrik
-          Tidak menyimpang di dalam medan magnet
-          Dapat menghitamkan plat film
-          Dapat memendarkan bahan
-          Dapat menghasilkan foto listrik
-          Dapat mengionisasi molekul-molekul gas yang dilaluinya
-          Daya tembusnya bergantung pada jenis dan ketebalan bahan
-          Termasuk gelombang elektromagnetik


Penemuan Elektron oleh Thomson    
            Sejak ditemukannya sinar katoda, orang-orang pada waktu itu tidak tahu sinar yang bermuatan negatif ini dinamakan apa, hingga akhirnya muncul seorang yang bernama JJ. Thomson memberi nama elektron. Thomson tidak sekedar member nama, tapi ia juga melakukan percobaan mengenai sifat-sifat sinar katoda sampai ia menemukan perbandingan muatan dan massa electron dari sinar katoda tersebut.
            Thomson melewatkan sinar katoda ke daerah medan listrik dan medan magnet yang skemanya seperti pada gambar berikut ini
 








Pada saat elektron memasuki medan listrik, maka geraknya akan dibelokkan kearah keping positif, karena elektron mengalami gaya Coloumb. Selanjutnya pembelokan ini akan dibalas oleh pembelokan yang berarah ke bawah oleh sepasang electromagnet , karena elektron mengalami gaya Lorentz, akibatnya elektron akan berjalan lurus hingga ke layar.
                        FL = FC
                 B e v   =   e E
                                 v = kecepatan elektron (m s-1)
                                                B = kuat medan magnet (wb m-2)
 Layar dilapisi oleh bahan fosfor sehingga ketika elektron sampai di layar akan memendarkan cahaya hijau. Penerapan sinar katoda dalam keseharian adalah pada layar televise, monitor computer, layar oscilloscope, dsb.
            Dari tabung sinar katoda di atas, Thomson mendapatkan kecepatan elektron dengan mengukur kuat medan listrik dan medan magnet. Kemudian Thomson melanjutkan percobaannya dengan melewatkan sinar katoda melalui medan magnet homogen secara tegak lurus. Seperti yang telah kita pelajari pada bab medan magnet, maka elektron yang ditembakkan secara tegak lurus dalam daerah medan magnet homogeny akan bergerak melingkar, dengan gaya sentripetalnya adalah gaya lorenmtz.
                                                                       
                                                           


 

B = kuat medan maget, v = kecepatan elektron, dan r = jari-jari orbit elektron, yang mana ketiga besaran tersebut dapat diukur, sehingga Thomson memperoleh perbandingan muatan terhadap massa elektron
Percobaan Tetes Minyak Milikan
            Meskipun Thomson hanya berhasil menemukan sampai dengan perbandingan muatan dan massa electron, namun ia dikenal sebagai penemu electron.
Orang berikutnya adalah R.A. Milikan, yang melalui percobaannya dengan menggunakan tetes minyak berhasil menemukan muatan electron. Percobaan tetes minyak Milikan adalah sebagai berikut


 






Perhatikan gambar di atas!
Mula-mula tetes minyak jatuh dipercepat melalui lubang pada salah satu keeping positif, tapi ketika melalui daerah bermedan listrik, maka geraknya menjadi diperlambat hingga akhirnya tetes minyak melayang dalam tabung. Dalam keadaaan seimbang, gaya berat tetes minyak sama dengan gaya coulomb.
Milikan mengamati tetes-tetes minyak dengan teropong, yang pada akhirnya ia memeperoleh kesimpulan tentang muatan listrik pada tetes minyak.
-          Tidak pernah ditemukan tetesan minyak yang mengandung muatan listrik yang lebih kecil dari muatan tertentu, Muatan listrik terkecil ini adalah muatan electron yang disebut elementer (e).
-          Semua tetes minyak selalu merupakan kelipatan bilangan bulat e, 2e, 3e, 4e, . . . , tidak pernah pecahan.
Berdasarkan hasil pengamatannya itu, Milikan menetapkan muatan sebuah electron sebagai
Karena muatan electron sudah didapat, maka dari hasil percobaan Thomson e/m, dapat ditentukan massa electron.

RADIASI BENDA HITAM


RADIASI BENDA HITAM
            Radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang-gelombang elektromagnetik. Sedangkan yang benda hitam itu hanyalah model yang melukiskan  suatu benda yang permukaannya sedemikian rupa sehingga menyerap semua radiasi yg datang padanya.
            Sebetulnya setiap benda secara kontinu memancarkan kalor dalam bentuk radiasi, namun efek radiasinya itu tidak selalu tampak oleh mata kita, karena mata hanya dapat melihat radiasi yang menghasilkan cahaya tampak.
            Umumnya benda-benda di sekeliling kita itu dapat dilihat dikarenakan benda-benda tersebut memantulkan sinar yang sesaat diterima oleh benda itu, dan bukan karena meradiasikan kalor.
Benda-benda baru terlihat memancarkan cahaya jika suhu benda tersebut > 1000 K. Apabila suhu radiasi cukup tinggi, maka spektrum warna cahaya yang diradiasikan akan berubah. Bagaimana pergesran warna radiasi yang diakibatkan oleh pergesran suhu yang makin meningkat, dapat anda lihat seperti pada gambar.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   
Intensitas Radiasi
            Mengenai intensitas radiasi ini, beberapa ahli fisika memiliki pendapat sebagai berikut :
1.      Gustav Kirchoff
“Setiap benda yang berada dalam keseimbangan termal, maka radiasi yang dipancarkan sebanding dengan daya yang diserapnya.”
                       
Rf = J (f,T)        
Ini berarti bahwa daya yang dipancarkan per satuan luas per frekuensi oleh suatu benda hitam hanya bergantung pada suhu mutlak (T)dan frekuensi cahaya (f), tidak bergantung pada sifat fisis dan kimia yang menyusun benda hitam.
2.      Josef Stefan (1835 – 1893)
Melalui eksperimennya ia mendapatkan bahwa “daya total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam (Itotal) sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya.”



 


I = intensitas radiasi (Wm-2)                           e = emisivitas benda
P = daya radiasi (W) atau Js-1                         σ = tetapan stevan-boltzman = 5,67 x 10-8 Wm-2K-4
A = luas permukaan benda (m2)                     T = suhu mutlak (K)

Hukum Pergeseran Wien
            Pernahkah anda memperhatikan sebatang besi yang sedang dilas? Besi yang dipanaskan itu lama-lama menjadi pijar, besi memancarkan cahaya merah. Begitu suhu besi panas itu meningkat, maka pijar besi berubah ke warna kuning, biru, dan putih. Jika kita tinjau dari sifat fisis gelombang, maka panjang gelombang cahaya biru lebih pendek dari pada panjang gelombang cahaya merah.
            Menurut persamaan Stevan-Boltzman, intensitas radiasi akan naik sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Pada hal begitu suhu benda meningkat, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan oleh suatu benda begeser kea rah panjang gelombang yang lebih pendek. Keadaan seperti ini dapat dilukiskan secara grafik sebagai berikut
Text Box: λ_max  ~ 1/( T)
λ_max  .T=C
C=2,9 x 〖10〗^(-3 )mK
     = tetapan Wien
T   = suhu mutlak (K)
λmax= panjang gelombang saat intensitas mmaksimum (m)Text Box: Intensitas Radiasi (I)                       







Text Box: T3

 



Text Box: T1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           
Dari hasil studinya ini akhirnya Wien merumuskan hukum yang dikenal dengan Hukum Pergeseran Wien, yang bunyinya “Panjang gelombang yang membuat intensitas radiasi maksimum untuk suatu benda hitam (λmax) bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek begitu suhu benda hitam menjadi lebih panas.”
Teori Klasik Radiasi Benda Hitam
            Apakah teori pergeseran Wien itu sudah pasti benar, rasanya masih perlu diuji lagi tentang kebenarannya. Ternyata teori Wien hanya berlaku kalau panjang gelombang cahaya radiasi berkisar antara 1 µm s/d 4 µm, lebih dari itu untuk panjang gelombang yang lebih panjang terjadi penyimpngan.
Rayleigh dan Jeans juga menyelidiki tentang radiasi benda hitam ini, dan mereka mendapatkan bahwa teorinya cocok untuk panjang gelombang radiasi yg panjang gelombangnya terletak di antara 12 µm s/d 18 µm, tetapi ketika suhu benda makin tinggi, di mana panjang gelombang cahaya yang diradiasikan makin pendek terjadi penyimpangan, bahkan ketika panjang gelombang radiasi makin pendek lagi, kerapatan energy yang dipancarkannya mrnjadi tak terhingga. Peristiwa ini dinamakan bencana ultra violet.
Teori Klasik gagal menerangkan spectrum radiasi benda hitam
            Setelah mempelajari hasil pengamatan Wien dan Rayleigh-Jeans, Planck mengemukakan teorinya. Ia mendapat kesimpulan bahwa ketidakcocokan antara hasil pengamatan Wien dan Rayleigh-Jeans itu disebabkan karena mereka memandang cahaya sebagai gelombang. Planck mengemukakan teorinya yang menganggap bahwa cahaya selain bersifat sebagai gelombang juga bersifat sebagai partikel. Apabila dalam peristiwa radiasi benda hitam cahaya dipandang sebagai partikel, maka hasil pengamatan Wien dan Rayleigh – Jeans tidak akan mengalami perbedaan, sebab partikel memiliki tingkat-tingkat energy tertentu dalam meradiasikan kalor.
Jadi cahaya selain bersifat sebagai gelombang juga bersifat sebagai partikel. Selanjutnya teori ini dikenal sebagai dualisme gelombang-partikel. Maksudnya adalah dalam peristiwa-peristiwa tertentu sifat gelombang cahaya lebih menonjol (pembiasan, difraksi, interferensi, polarisasi), tapi di sisi lain sifat partikelnya lebih menonjol seperti dalam peristiwa radiasi benda hitam dan efek foto listrik.
Teori Max Planck
            Untuk mengatasi perbedaan hasil yang diperoleh Wien dan Rayleihg-Jean, Max Planck melaporkan penemuannya tentang bentuk gafis radiasi benda hitam yang berlaku untuk semua panjang gelombang sebagai berikut :
1.      Getaran molekul-molekul yang memancarkan radiasi hanya dapat memiliki satuan-satuan diskret dari energi En.
En = n h f         
            n = 1, 2, 3, 4, . . . = bilangan kuantum
            h = 6,63 x 10-34 Js = tetapan Planck
            f  = frekuensi getaran molekul
2.      Molekul-molekul menyerap atau memancarkan energi radiasi cahaya dalam paket-paket diskret yang disebut kuantum atau foton, di mana energi sebuah foton E= h f.

Efek Foto Listrik
Efek foto listrik adalah gejala terlepasnya electron-elektron dari permukaan logam ketika logam disinari oleh cahaya tertentu.
Berikut ini adalah skema rangkaian efek foto listrik











Text Box: anoda







 



           


            Efek foto listrik hanya terjadi jika logam K disinari cahaya dengan frekuensi tertentu. Frekuensi cahaya minimal yang mampu melepaskan electron dari ikatan logamnya disebut frekuensi ambang (fo). Cahaya ini memiliki energy ambang
 Eo = h fo
Namun apabila frekuensi cahaya yang diberikan f > fo, maka electron akan melompat dengan energy kinetic Ek, dimana
                        Ek = E – Eo
                        Ek = h f – h fo
Tampak bahwa persamaan dalam Ek mirip dengan persamaan garis lurus, sehingga hubungan antara Ek terhadap f, dari suatu efek foto listrik dapat dilukiskan grafiknya sebagai berikut :
 




Text Box: -h f                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           
            Selanjutnta apabila potensial baterai diperkecil secara terus – menerus hingga – Vo, maka galvano meter G menunjuk ke skala nol. Hal ini berarti bahwa tidak ada electron yang sampai ke keeping A, dan potensial yang menghentikan aliran electron ini disebut potensial henti atau stopping potensial(Vo), ini berarti bahwa energy kinetic Ek mencapai maksimum, sehingga
                        Ek maks = e Vo
                        ½ m v2    = e Vo , dengan e = 1,6 x 10-19 C, Vo = potensial henti (volt), m = massa elektron = 9,1 x 10-31 kg, v = kelajuan electron (ms-1).
Momentum Foton (p)
            Ada kesetaraan antara massa dan energy yang oleh Einstein dirumuskan E = m c2. Dalam efek foto listrik E = h f, sehingga
                             E = E                       c = λ. f
                        m c2 = h f
                        m c  = h f/c
                            p  = h / λ     dengan p = momentum foton (kg m/s)
                                                             λ = panjang gelombang foton (m)
                                                             h = tetapan planck = 6,6 x 10-34 Js
Sekali lagi persamaan p = h/λ menunjukkan bahwa cahaya bersifat sebagai partikel dan gelombang (dualism delombang partikel).

Efek Compton


 











            Berkas foton cahaya dating dengan energi E = h f menumbuk sebuah electron yang sedang diam. Setelah tumbukan, electron terpental dengan energy kinetik Ek, sedangkan foton cahaya terhambur kearah susut θ dari arah gerak semula foton dating, dengan panjang gelombang yang lebih panjang menurut persamaan
m= massa electron = 9,1 x 10-31 kg
c = kecepatan cahaya dalam vakum/udara = 3 x 108 ms-1
λ = panjang gelombang foton sebelum menumbuk electron
λ’= panjang gelombang foton setelah tumbukan (terhambur)
θ = sudut hamburan foton terhadap arah gerak foton mula-mula
Teori de Broglie
            Partikel (misalnya electron) yang bergerak dengan kecepatan tinggi ada kemungkinan memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang yang sesuai, yakni
                       
Jika v kecepatan elektron yang diperoleh dari  , maka 
V = beda potensial listrik (volt)