Interaksi Radiasi Gelombang Elektromagnetik

Interaksi  radiasi  gelombang  elektromagnetik  ketika  mengenai  materi  lebih menunjukkan  sifat  dualisme  gelombang  -  partikel  yaitu  efek  foto  listrik,  efek Compton, dan produksi pasangan.

1.   Efek Foto Listrik

Dalam peristiwa efek foto listrik, foton yang mengenai materi akan diserap sepenuhnya  dan  salah  satu  elektron  orbital  akan  dipancarkan  dengan energi kinetik yang hampir sama dengan energi foton yang mengenainya.

Gambar 11: peristiwa efek foto listrik

            Efek fotolistrik timbul karena interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan electron-elektron dalam atom bahan. Dalam peristiwa ini energy foton diserap semuanya oleh electron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga electron tersebut terlepas dari ikatan inti atom. Efek fotolistrik terutama trjadi pada foton berenergi rendah, yaitu berkisar antara 0,01 Mev hingga 0,5 Mev dan dominan pada energy foton dibawah 0,1 Mev. Radiasi elektromagnetik dengan energy fotonnya kecil akan berinteraksi dengan elektron-elektron yang berada diorbit luar atom.Semakin besar energy foton maka elektron-elektron yang berada pada orbit lebih dalam akan dilepaskan.

            Elektron yang terlempar ke luar dari atom yang paling mungkin berasal dari electron dikulit K. Energi foton datang (hv) sebagian besar berpindah ke electron fotolistrik dalam bentuk energy kinetic elektrondan sebagian sangat kecil dipakai untuk melawan energy ikat electron (B­_e). electron terlempar selanjutnya dapat melakukan proses ionisasi atom-atom lain di dalam bahan. Besar energy kinetic fotoelektron (E_k)dalam peristiwa ini adalah

                             E_k = hv – B­_e

2.      Efek Compton

Peristiwa efek Compton sangat menyerupai efek foto listrik kecuali energi foton  yang  mengenai  materi  tidak  diserap  sepenuhnya  sehingga  masih ada sisa energi foton yang dipantulkan atau dibelokkan.

Gambar 12: peristiwa efek Compton

Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energy hv berinteraksi dengan electron bebas atau electron yang tidak terikat secara kuat oleh inti, yaitu electron yang berada pada kulit terluar dari atom. Electron dilepaskan dari inti atom dan bergerak dengan energy kinetic tertentu disertai foton lain dengan energy lebih rendah dibandingkan foton dating. Foton lain itu disebut dengan foton hamburan dengan energy hv ‘ dan terhambur dengan sudut θ terhadap foton datang. Karena ada energy ikat elektron yang harus dilawan, meskipun sangat kecil, hamburan Compton ini termasuk proses interaksi inelastik.

3.                              Produksi Pasangan

Peristiwa   ini   menunjukkan   kesetaraan   antara   massa   dengan   energi sebagaimana diperkenalkan pertama kali oleh Einstein. Bila sebuah foton yang  mengenai  materi  berhasil  “masuk”  sampai  ke  daerah  medan  inti (nuclear  field)  dan  mempunyai  energi  lebih  besar  dari  1,022  MeV  maka foton   tersebut   akan   diserap   habis   dan   akan   dipancarkan   pasangan elektron   –   positron.   Positron   adalah   anti   partikel   dari   elektron,   yang mempunyai karakteristik sama dengan elektron tetapi bermuatan positif.

Gambar 13: peristiwa produksi pasangan

Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Proses ini hanya dapat terjadi dalam medan listrik di sekitar partikel bermuatan, terutama dalam medan sekitar inti. Dalam proses produksi pasangan, dapat dianggap bahwa foton berinteraksi dengan atom secara keseluruhan. Jika interaksi ini terjadi, maka foton akan lenyap. Sebagai gantinya timbul sepasang electron-positron. Karena massa diam electron/positron ekuivalen dengan 0,51 Mev maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energy foton dating ≥ 1,02 Mev.

 Dalam moda ini suatu foton sinar X akan bertransformasi menjadi satu pasangan zarah, yaitu elektron dan apa yang dinamakan positron. Transformasi ini hanya dapat terjadi di bawah pengaruh medan inti yang kuat, jadi tak dapat terjadi dalam ruang hampa. Positron adalah suatu zarah mirip elektron yang bermuatan positip. Jadi transformasi produksi pasangan dapat dituliskan sebagai berikut :

v Þ e⁺ + e^-

            Secara energetik ini dapat terjadi tentunya hanya apabila energi foton :

Hv > 2m₀c² = 1,02MeV

dengan m_o massa elektron (=massa positron)

            produksi pasangan dapat terjadi apabila energi foton lebih besar dari 1,02 MeV. Zarah positron telah diramalkan oleh PAM Dirac tahun 1929. Hal ini timbul dari penelaahannya mengenai teori kuantum relativistik.

            Dalam hal-ihwal positron ini teori mendahului eksperimen. Baru tahun 1932 positron ditemukan secara eksperimen oleh Anderson di CALTECH (California Institute of Technology). Hal itu terjadi pada saat Anderson sedang melakukan percobaan-percobaan mengenai sinar kosmos dengan kamar kabut (Wilson).

            Pada tahun tigapuluhan itu banyak fisikawan mempelajari radiasi pengion yang datang dari kosmos. Deteksinya dilakukan dengan pencacah Geiger-Muller secara sendiri, atau pencacah GM yang dikaitkan dengan suatu kamar kabut. Apabila suatu radiasi pengion melalui kamar kabut maka jejaknya dapat dilihat sebagai butir-butir kondensasi. Ini terjadi karena ion-ion udar dalam kamar kabut itu merupakan inti-inti kondensasi. Dengan pemotretan jejak itu dapat direkam dan dianalisa. Studi-studi semacam ini dapat membedakan jejak sinar a, elektron, atau pun sinar gama.

            Dengan menempatkan seluruh kamar kabut dalam medan magnet, maka dapat pula diperkirakan muatan zarah yang membuat jejak. Dalam jejak itu Anderson menemukan jejak suatu zarah yang mirik elektron, kecuali tentang muatannya yang positif (positron).

            Kekekalan energi mensyaratkan bahwa energi foton hn harus memenuhi :

            hv = E₊ + E_-

dengan E₊ dan E_- secara berturut-turut adalah energi relativistik positron dan elektron. Apabila tenaga kinetik dinyatakan dalam K, maka berlaku.

            E₊ = K₊ + m₀c²

dan

            E_- = K_- + m₀c²

            Oleh karena itu kekekalan energi mempersyaratkan

            hv = K₊ + K_- + 2 m₀c²

            dengan ..m_o = 9,11.10^-31 kg

            c = 3,00.10^sm/s

            2 m₀c² = 1,022 MeV