Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik adalah peristiwa timbulnya akumulasi muatan atau arus listrik pada suatu bahan yang disinari cahaya. Hal ini disebabkan electron yang terlepas dari ikatan atom atau ion karena ditumbuk oleh foton. Efek fotolistrik ini memberi petunjuk bahwa cahaya juga mempunyai sifat partikel. Jika cahaya bersifat gelombang, mestinya semakin besar intensitas semakin banyak elektron yang terlepas dari ikatannya.
Akan tetapi pada kenyataannya berbeda, besarnya arus listrik yang ditimbulkan lebih bergantung pada frekuensi atau panjang gelombang cahaya yang menyinarinya. Ada suatu frekuensi yang menjadi batas antara ada arus dan tidak ada arus. Jika frekuensi cahayanya lebih dari batas itu ada arus, meskipun intensitas cahaya tidak tinggi. Jika frekuensi cahaya kurang dari batas itu tidak ada arus sama sekali, meskipun intensitas cahayanya tinggi. Memang ada kebergantungan kuat arus pada intensitas cahaya. Semakin tinggi intensitas cahayanya semakin besar arusnya, tapi itu hanya berlaku untuk frekuensi diatas frekuensi batas.
Hal adanya frekuensi batas ini dapat dijelaskan sebagai berikut, elektron yang terikat membutuhkan energi minimum tertentu untuk bisa lepas dari
Materi : Efek fotolistrik, data digital Kelas XII
Kompetensi dasar :
XII.3.8 Memahami efek fotolistrik dan sinar X dalam kehidupan sehari-hari XII.3.9 Memahami transmisi dan penyimpanan data dalam bentuk digital dan penerapannya dalam teknologi informasi dan komunikasi
XII.4.8 Menyajikan hasil analisis data tentang penerapan efek fotolistrik dan sinar X dalam kehidupan sehari-hari
XII.4.9 Menyajikan hasil penelusuran informasi tentang transmisi dan penyimpanan data dalam bentuk digital dan penerapannya dalam teknologi informasi dan komunikasi
140 DATA DIGITAL BENDA LANGIT ikatan dan menjadi arus listrik. Cahaya merupakan paket-paket seperti partikel-partikel yang masing-masing energinya h. Kalau h ini lebih besar
daripada energy minimum yang dibutukan elektron untuk lepas, maka paket h ini dapat menumbuk elektron hingga terpental dari ikatannya. Sedangkan jika energy tiap fotonnya lebih kecil dari h, foton-foton itu
tidak dapat melepaskan elektron meskipun paket-paket fotonnya banyak. Efek fotolistrik ini kemudian mulai dimanfaatkan di dunia Astronomi dengan dibuatnya photoelectric photometer menggunakan bahan yang sensitive terhadap cahaya. Fotometer ini adalah alat untuk mengukur kuat arus suatu sumber cahaya. Cahaya dari sumber itu dijatuhkan pada suatu material yang memiliki sifat efek fotolistrik. Sumber cahaya yang kuat menimbulkan kuat arus yang besar. Maka, dengan mengukur kuat arus, dapat diperoleh harga fluks cahaya relatif, kemudian melalui kaliberasi didapatkan harga pengukuran fluks. Kemudian, para ilmuwan dapat memperkecil ukuran detektor hingga berukuran micron. Dengan demikian banyak detektor kecil dapat disusun dalam bentuk matriks. Setiap detector disebut pixel dan setiap pixel dapat diukur kuat arusnya, dari sana lahirlah kamera CCD.
Kamera CCD
Teropong bintang membantu astronom untuk melihat bintang atau obyek langit lain secara lebih teliti. Untuk keperluan analisis dan penelitian lebih lanjut, obyek langit yang dilihat itu perlu direkam. Sebelum manusia mengenal alat untuk merekam, obyek yang terlihat melalui teropong bintang itu digambar dengan tangan. Setelah ditemukan zat kimia, khususnya emulsi yang sensitif terhadap cahaya, ilmuwan membuat pelat fotografi dengan melapisi kaca atau plastik dengan emulsi tersebut untuk merekam citra benda langit. Kemudian setelah ditemukannya efek fotolistrik, manusia membuat kamera elektronik, diantaranya yang paling banyak dipakai di dunia astronomi adalah kamera CCD (Charge Coupled Device).
Kamera CCD adalah alat yang dapat merekam cahaya sehingga menghasilkan citra. Bagian utama kamera CCD yang sensitif terhadap cahaya adalah chip. Chip ini terdiri dari ribuan pixel yang sensitif terhadap cahaya. Sebuah chip CCD yang terdiri dari 1024 baris x 1024 kolom pixel misalnya, mempunyai lebih dari satu juta pixel. Setiap pixel adalah titik yang sensitif terhadap cahaya yang mandiri, yang dapat melepaskan elektron jika mendapat iluminasi cahaya. Semakin tinggi intensitas cahaya yang jatuh pada pixel semakin banyak elektron yang dapat lepas dari pixel.
DATA DIGITAL BENDA LANGIT 141
Gambar 11.1 Chip CCD KAF 1001-E buatan SBIG, gambar kanan adalah ilustrasi
sebagian kecil chip CCD.
sumber: http://astronomyonline.org/astrophotography/ccd.asp
Elektron yang lepas dan ditampung di dalam pixel chip itu kemudian dapat dideteksi (dibaca) secara elektronik dan direkam sebagai angka dengan konversi tertentu, misalnya, setiap 5 elektron dihitung sebagai 1 count, ditulis 5e-/ADU, ADU adalah singkatan dari Analog-Digital Unit.
Daya tampung setiap pixel tentu saja terbatas, maka pada pixel CCD ada batas saturasi. Misalkan dalam sebuah chip setiap pixel maksimum hanya dapat menampung kira-kira 459000 elektron pada kamera 16 bit, jumlah count maksimum yang dapat direkam untuk setiap pixel adalah 459000e-/65535 ADU, maka faktor konversinya adalah kira-kira 7e-/ADU.
Ketika citra itu direkam menjadi file citra di dalam memori komputer, sebenarnya yang direkam adalah deretan angka-angka jumlah count dari setiap pixel. Citra sebuah bintang mungkin menempati beberapa pixel. Semakin terang sebuah bintang, semakin banyak foton yang diterima chip dari bintang itu, membuat lebih banyak pixel yang menerima foton, membuat citra bintang semakin besar dan angka count yang diterima pixel-pixel itu juga semakin tinggi.
Gambar 11.2 Ilustrasi cara penyimpanan data dalam file hasil rekaman dari
kamera CCD. Angka count itu berbanding lurus dengan jumlah foton yang tiba pada pixel yang terkena sinar.
142 DATA DIGITAL BENDA LANGIT Untuk mengukur kuat cahaya bintang, secara prinsip sangat mudah, yaitu tinggal menjumlahkan angka-angka count pada pixel-pixel yang menerima foton dari bintang yang dipotret. Akan tetapi pada prakteknya masih ada koreksi-koreksi yang harus dilakukan, misalnya karena pengaruh temperatur, karena perbedaan sensitivitas antara satu pixel dengan yang lain, karena pengaruh cahaya langit latar belakang dan lain-lain. Setelah koreksi-koreksi itu dilakukan, barulah angka-angka cacah foton dari beberapa pixel yang mendapat cahaya bintang dapat dijumlahkan dan kemudian dikonversikan menjadi satuan kecerlangan bintang, magnitudo seperti yang telah dijelaskan di bab 9.
Kemungkinan melakukan koreksi ini membuat kamera CCD menjadi lebih unggul dari pelat fotografi. Pada pemotretan dengan pelat fotografi, cahaya yang diterima oleh pelat bukan hanya cahaya bintang, melainkan juga cahaya langit yang berasal dari permukaan Bumi dan disebarkan oleh partikel-partikel atmosfir. Gangguan cahaya dari permukaan Bumi ini akan semakin buruk di lingkungan perkotaan yang mempunyai banyak sumber cahaya. Banyaknya cahaya permukaan Bumi yang disebarkan oleh atmosfir yang mengganggu citra benda langit disebut polusi cahaya. Citra bintang menjadi lebih suram dan cahaya bintang yang diukur kecerlangannya merupakan jumlah cahaya yang berasal dari bintang dan dari atmosfir. Pada pemotretan dengan pelat fotografi kita tidak dapat melakukan koreksi yang mengompensasi polusi cahaya ini. Akan tetapi pada citra elektronik yang didapat dari kamera CCD, kita dapat mengukur cacah foton rata-rata di bagian-bagian yang tidak mengandung bintang pada citra. Ini disebut cacah foton langit latar belakang (sky background photon count). Angka-angka pada pixel-pixel yang mengandung cahaya bintang kemudian dikurangkan dengan angka cacah foton langit latar belakang ini, diperoleh citra bersih benda langit. Citra hasil koreksi ini akan nampak lebih bersih dan lebih kontras dibanding semula.
Contoh soal
Sebuah bintang diamati dengan teropong dan kamera CCD, setelah dilakukan koreksi dan semua pixel yang dianggap menampung cahaya bintang itu dijumlahkan diperoleh cacah foton total 28971 count. Sedangkan bintang lain yang udah diketahui magnitudonya 3,6 cacah fotonnya 97853 count. Berapakah magnitudo bintang itu?
Jawab:
Dengan mengingat bahwa cacah foton sebanding dengan fluks, maka kita
DATA DIGITAL BENDA LANGIT 143 Perekaman Spektrum Bintang
Hasil pengamatan spektrum bintang bisa juga direkam di dalam kamera CCD. Cahaya bintang yang diuraikan oleh spektrograf dapat dijatuhkan pada permukaan chip kamera CCD dan direkam. Salah satu contoh hasil perekaman adalah seperti pada gambar 11.3. Citra bagian bawah adalah citra yang direkam pada kamera CCD. Jika kita merunut pixel-pixel citra spektrum itu dari kiri ke kanan, artinya kita merunut menurut perubahan panjang gelombang. Tetapi jika kita merunut dari atas ke bawah, pixel-pixel pada kolom yang sama memuat informasi fluks dari panjang gelombang yang sama. Oleh karena itu kita dapat menjumlahkan angka-angka pada spektrum yang kolomnya sama karena merupakan informasi tentang panjang gelombang yang sama.
Penjumlahan angka cacah foton pada kolom yang sama ini meningkatkan jumlah cacah foton sehingga meningkatkan ketelitian pengukuran. Jika hasil penjumlahan cacah foton per kolom itu digrafikkan diperoleh representasi spektrum dalam bentuk grafik seperti pada gambar 11.3 bagian atas. Spektrum dalam bentuk grafik ini akan memudahkan peneliti menyerap informasi dari spektrum. Seperti misalnya perhitungan kecepatan gerak bintang, perhitungan lebar garis, kuat garis dan lain-lain. Lagipula ukuran data spektrum dalam bentuk grafik lebih kecil dibandingkan dalam bentuk citra, oleh karena itu sekarang umumnya spektrum bintang disajikan dalam bentuk grafik.
dapat menggunakan persamaan (9.6) dengan mengganti fluks dengan cacah foton
144 DATA DIGITAL BENDA LANGIT
(Å)
Spektrum Bintang Kelas G
0 20 40 60 80 100 120 140 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Panjang Gelombang In te n s it a s H H H H H G band K+H Lines Mg I Mg I
Gambar 11.3 Contoh spektrum bintang. Bagian bawah adalah hasil perekaman
dengan kamera CCD, bagian atas adalah grafik hasil perunutan spektrum.
Penyimpanan Citra Benda Langit
Hasil pemotretan dengan kamera CCD disimpan secara elektronik di dalam CD ROM atau di dalam Hardisk atau Solid State Hardisk atau alat penyimpanan elektronik (storage) lain. Dengan berkembangnya teknologi alat penyimpan data bisa mempunyai kapasitas semakin lama semakin besar dengan ukuran yang relatif kecil.
Data citra benda langit dapat disimpan dalam bentuk data digital, kombinasi antara 0 dan 1 yang disebut bit. Pada sistem penyimpanan 32 bit misalnya, satu huruf atau karakter dapat disajikan dalam kombinasi 0 atau 1 sebanyak 32 buah, dan disebut satu bita (byte). Hardisk berukuran 100 giga byte (GB), misalnya, dapat menyimpan kira-kira 1011 huruf. Bagaimana dengan penyimpanan data gambar? Pada dasarnya gambar foto disimpan dalam bentuk byte juga, satu pixel bisa disimpan dalam 1, 2 atau 4 byte bergantung pada gradasi, warna dan sistem penyimpanannya. Seandainya data satu pixel disimpan dalam 4 byte, maka file citra hasil pemotretan dari satu chip CCD berukuran 736 x 1024 pixel, akan
DATA DIGITAL BENDA LANGIT 145 mempunyai ukuran file kira-kira 3 megabyte. Akan tetapi sekarang ada teknologi kompresi sehingga ukuran file citra yang disimpan bisa diperkecil. Misalnya, jika dengan teknologi kompresi, file 3 megabyte dapat dimampatkan menjadi 1 megabyte saja, maka hardisk 100 gigabyte yang berukuran sebesar sebuah telefon genggam dapat menyimpan kira-kira 100 000 citra. Jika citra itu dalam bentuk pelat fotografi, maka diperlukan sebuah gudang untuk menampungnya. Betapa besar daya tampung sebuah storage elektronik pada masa kini.
Penyimpanan data dalam bentuk elektronik ini juga mempermudah pengiriman dan penggandaan. Melalui internet, data dapat dikirim, disimpan jarak jauh, diunduh dengan mudah. Kecepatan transfer data melalui internet juga semakin lama semakin tinggi sehingga dapat mempercepat proses pengiriman dan pengambilan data ke dan dari tempat yang jauh.
Sementara itu fasilitas pengamatan benda langit di berbagai negara semakin lama semakin banyak, membuat data citra dan katalog hasil pengamatan semakin banyak juga. Untuk memudahkan para astronom dan masyarakat pada umumnya memanfaatkan data itu, telah dibuat banyak pusat data astronomi hasil pengamatan, baik oleh teropong di permukaan Bumi maupun oleh satelit dari angkasa luar. Pusat data citra benda langit yang dapat diakses oleh masyarakat melalui internet itu sering disebut virtual observatory (observatorium maya).
Para astronom dapat mengunduh data citra atau data numerik benda langit yang sudah diolah dan dikoreksi, untuk keperluan penelitian atau pendidikan atau keperluan lain. Contoh observatorium virtual adalah Sloan Digital Sky Survey (SDSS) dengan alamat web : http://www.sdss.org dan Simbad dengan alamat http://simbad.u-strasbg.fr/simbad. Data dari berbagi observatorium itu juga dapat dikombinasikan dengan software peta bintang sehingga bersifat lebih interaktif, edukatif dan menarik seperti pada software World Wide Telescope yang dapat diunduh melalui alamat web http://www.wwt.com
146 DATA DIGITAL BENDA LANGIT Soal-soal
1. (IOAA 2009) Diberikan citra hasil pengamatan bintang yang sudah diolah sehingga bersih, berukuran 50 × 50 pixel, disana nampak citra 5 buah bintang. Tabel angka cacah foton tiap pixel diberikan dalam bentuk matriks. Tiga buah bintang diketahui magnitudonya. Siswa diminta menghitung magnitudo dua bintang lainnya dengan menggunakan aperture berbentuk bujur sangkar.
2. Berapa byte ukuran sebuah citra benda langit yang terdiri dari 756 × 948 pixel yang data setiap pixelnya disimpan dalam memory 4 byte?
147