FISIKA SMA KELAS XII
EFEK
FOTOLISTRIK
DAN SINAR X
FISIKA SMA KELAS XII
Sebelum memulai pelajaran, baca dan patuhilah peraturan dari petunjuk belajar berikut!
Bagi siswa:
1. Berdo’alah setiap akan memulai pelajaran.
2. Bacalah KI, KD, Indikator, dan Tujuan pembelajaran.
3. Pelajari setiap materi yang diberikan bila perlu garis bawahi hal–hal yang menurut ananda penting.
4. Terapkanlah nilai-nilai karakter yang ananda peroleh selama proses pembelajaran dalam kehidupan sehari-hari.
5. Kerjakanlah latihan yang ada dalam bahan ajar baik secara kelompok maupun mandiri dengan baik.
PETUNJUK BELAJAR
Sebelum belajar ayoberdo’a terlebih dahulu supaya apa yang akan kita pelajari lebihmudah kita terima dan menjadiberkah bagi kehidupan kita setelah mempelajarinya.
“Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pemurah lagi Maha Penyayang. Ya Allah tambahkanlah aku ilmu. Dan berilah aku karunia untuk dapat memahaminya. Dan jadikanlah aku termasuk golongannya orang-orang yang sholeh. Ya Allah kabulkanlah do'aku ini”
ِالل ِمْسِب
ِميِحَّرلا ِن ْحَّْرلا
ِ ب َر يِنْد ِز ،اًمْلِعْيِنْق ُز ْرا َو اًمْهَف
َعْجا َوْيِنْلَنِم َنْي ِحِلاَّصلا
نيم ايَّب َرَنْيِمَلاَعْلا
آ
Bahan Ajar
EFEK FOTOLISTRIK DAN SINAR X
Sekolah : SMA
Mata Pelajaran : Fisika
Kelas / Semester : XII / 2
MateriPokok : Efek Fotolistrik dan Sinar X
AlokasiWaktu : 8 x 45’ (8 JP)
A. Kompetensi Inti KI
1
Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya
KI 2
Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli (gotong royong, kerja sama, toleran, damai), santun, responsive dan pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan social dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia
KI 3
Memahami, menerapkan, menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, procedural dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan procedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah
KI 4
Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajari nya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan keratif, serta mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan
FISIKA SMA KELAS XII
B. Kompetensi dasar dan indikator
1.1 Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan keseimbangan perubahan medan
listrik dan medan magnet yang saling berkaitan sehingga memungkinkan manusia mengembangkan teknologi untuk mempermudah kehidupan
2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti;
cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi
3.8 Memahami fenomena efek fotolistrik dan sinar X dalam kehidupan sehari-hari
Indikator :
3.8.1 Menjelaskan konsep efek fotolistrik
3.8.2 Mengemukakan aplikasi efek fotolistrik dalam kehidupan sehari-hari 3.8.3 Menjelaskan konsep sinar X
3.8.4 Menyelidiki proses terbentuknya sinar X
3.8.5 Mengemukakan aplikasi sinar X dalam kehidupan sehari-hari
4.8 Menyajikan hasil analisis data tentang penerapan efek fotolistrik dan sinar X
dalam kehidupan sehari-hari Indikator :
4.8.1 Mendiskusikan tentang penerapan efek fotolistrik dalam kehidupan sehari-hari
4.8.2 Mendiskusikan tentang penerapan sinar x dalam kehidupan sehari-hari.
C. Tujuan pembelajaran
Jika diberikan konsep efek fotolistrik serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari, maka siswa kelas XII SMA akan dapat :
3.8.1.1 Menjelaskan konsep efek fotolistrik pada pemecahan masalah dengan benar. 3.8.1.2 Menjelaskan efek compton dengan benar.
3.8.2.1 Memberikan minimal 2 contoh aplikasi efek fotolistrik dalam kehidupan sehari-hari
Jika di berikan konsep sinar X maka Siswa kelas XII SMA dapat: 3.8.3.1 menyebutkan penemu sinar X dengan tepat.
Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton. Kedua definisi tersebut merupakan sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut
"dualisme gelombang -partikel".
Jika diberikan proses terbentuknya sinar x serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari, maka siswa kelas XII SMA akan dapat :
3.8.4.1 Menyelidiki proses terbentuknya sinar x dengan benar.
3.8.5.1 Memberikan contoh aplikasi sinar x dalam kehidupan sehari-hari dengan jelas
4.8.1.1 Setelah kegiatan diskusi siswa kelas XII SMA dapat mengetahui penerapan konsep efek fotolistrik dalam kehidupan sehari-hari .
4.8.2.1 Setelah kegiatan diskusi siswa kelas XII SMA dapat mengetahui penerapan konsep sinar X dalam kehidupan sehari-hari.
D. Materi
1. Efek Fotolistrik
Efek fotolistrik adalah gejala terlepasnya elektron dari permukaan logam tersebut disinari dengan cahaya (gelombang elektromagnetik).Elektron yang dipancarkan ini disebut dengan elektron foton (fotoelektron). Dalam studi eksperimental terhadap efek fotolistrik, kita dapat megukur laju dan energi kinetik elektron yang terpancar bergantung pada intensitas dan panjang gelombang cahaya. Percobaan efek fotolistik dilakukan dalam ruang hampa. Hal ini dimaksudkan agar elektron tidak kehilangan energinya ketika bertumbukan dengan molekul-molekul udara.
Gambar 1. Skema perangkat eksperimen efek fotolistrik
Apabila cahaya datang pada permukaan logam katoda K yang bersih, elektron akan dipancarkan. Jika elektron menumbuk anoda A, terdapat arus dalam rangkaian luarnya.
FISIKA SMA KELAS XII
Jumlah elektron yang dipancarkan yang dapat mencapai elektroda dapat ditingkatkan atau diturunkan dengan membuat anoda positif atau negatif terhadap katodanya. Apabila V positif, elektron ditarik ke anoda. Apabila V negatif, elektron ditolak dari anoda. Hanya elektron
dengan energi kinetik ½ mv2 yang lebih besar dari eV yang dapat mencapai anoda.
Ketika tegangan terus diperbesar maka pembacaan arus pada galvanometer akan
menurun ke nol. Tegangan ini dinamakan sebagai Potensial V0 disebut potensial penghenti.
Hal ini disebabkan karena elektron yang berenergi tinggi tidak dapat melewati potensial penghenti sehingga potensial ini dihubungkan dengan energi kinetik maksimum, sehingga:
Ekmaks = e.V0 (1)
Efek fotolistrik akan terjadi jika:
a. Frekuensi foton lebih besar dari frekuensi ambang logam (f>f0)
b. Panjang gelombang foton lebih kecil dari panjang gelombang ambang (λ<λ0)
Pada peristiwa efek fotolistrik berlaku persamaan:
ℎ𝑓 = ℎ𝑓0 + 𝐸𝑘 𝑒𝑉𝑜= ℎ𝑓 − ℎ𝑓0 𝑉0 = ℎ𝑓 𝑒 − ℎ𝑓0 𝑒 Dengan:
F = Frekuensi cahaya atau foton (Hz)
fo = Frekuensi ambang (Hz)
H = Konstanta Planck (6,63 x 10-34 Js)
Ek = Energi kinetik elektron (J)
Vo = Potensial henti (V)
E = Muatan elektron (1,6 x 10-19 C)
E = hf = energi foton (J)
Ek = Energi kinetik elektron (J)
W = Fungsi kerja logam (J)
2. Efek Compton
Efek Compton merupakan peristiwa yang menunjukkan perilaku cahaya atau foton
sebagai partikel. Peristiwa efek Compton menunjukkan adanya tumbukan antara foton dengan elektron-elektron bahan. Dalam hal ini cahaya atau foton yang jatuh pada bahan akan
dihamburkan oleh elektron-elektron sehingga panjang gelombang hamburannya lebih besar dari panjang gelombang cahaya yang datang.
Saat foton menumbuk elektron, sebagian energi foton akan diberikan kepada elektron sehingga elektron akan memiliki energi kinetik. Sedangkan, energi foton setelah tumbukan akan berkurang.
Gambar 2. Gejala Compton oleh elektron
Gambar2 memperlihatkan peristiwa tumbukan antara foton, berupa sinar-X, dan electron bebas. Pada gambar tersebut dilukiskan bahwa sinar-X menumbuk elektron yang diam. Setelah tumbukan, sinar-X terhambur dengan sudut θ dan mengalami penurunan
energy dari E menjadi E’. Di pihak lain, electron bergerak dengan arah membentuk sudut ∅
dengan arah gerak foton sebelum tumbukan.
Hamburan yang dialami oleh sinar-X disebut hamburan Compton dengan ciri-ciri khas terjadinya perubahan λ menjadi λ’ dengan nilai yang lebih besar.
Perubahan panjang gelombang cahaya pada efek Compton memenuhi persamaan berikut:
∆𝜆 = 𝜆′− 𝜆 = ℎ
𝑚0𝑐(1 − cos 𝜑)
Dengan:
∆𝜆 = Perubahan panjang gelombang (m)
𝑚0 = Massa diam elektron (kg)
C = Kecepatan cahaya (m/s)
𝜑 = Sudut hamburan
3. Gelombang De Broglie
Partikel yang bergerak (seperti elektron) dapat berperilaku sebagai gelombang dan menurut de Broglie panjang gelombang partikel tersebut memenuhi persamaan sebagai berikut:
FISIKA SMA KELAS XII
Sinar-X ditemukan pertama kali oleh Wilhelm Conrad Rontgen pada tahun 1895. Rontgen dilahir- kan tahun 1845 di kota Lennep, Jerman. Dia peroleh gelar doktor tahun 1869 dari Universitas Zurich.
𝜆 =
ℎ 𝑚𝑣=
ℎ 𝑃 Dengan:𝜆 = Panjang gelombang elektron (m)
M = Massa partikel (kg)
V = Laju partikel (m/s)
P = Momentum partikel (kg m/s)
Peristiwa gelombang partikel menunjukkan pada percobaan Davisson dan Garmer pada tahun 1927 yang menemukan adanya peristiwa difraksi dan interferensi elektron yang panjang gelombangnya dapat ditentukan sebagai berikut:
𝜆 = ℎ
√2𝑚𝑒𝑉 Dengan:
𝑒 = Muatan elektron (C)
V = Beda potensial (V)
4. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg
Pengukuran posisi dan momentum suatu partikel secara simultan selalu menghasilkan ketidakpastian yang lebih besar dari konstanta Planck
∆𝑝 ∙ ∆𝑥 ≥ ℎ Dengan:
∆𝑝 = Ketidakpastian momentum
∆𝑥 = Ketidakpastian posisi
5. Konsep Sinar X
Sinar-X adalah pancaran gelombang
elektromagnetik yang sejenis dengan gelombang radio, panas, cahaya sinar ultraviolet, tetapi mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek sehingga dapat menembus benda-benda.
Foton sinar-X dihasilkan ketika elektron
berkecepatan tinggi yang berasal dari katoda menumbuk
Tahukah anda!!!
...(4)
...(5)
target pada anoda. Elektron-elektron dari katoda ini berasal dari pemanasan filamen ( lebih dari 2000° C ), sehingga pada filamen ini akan terbentuk awan elektron. Elektron-elektron dari katoda ini akan bergerak cepat menumbuk bidang target (anoda) akibat diberikannya tegangan tinggi atau beda potensial antara katoda dan anoda. Dari hasil tumbukan tersebut menghasilkan foton sinar-X lebih kurang 1 % dan sisanya 99 % berupa energi panas.
6. Proses terbentuknya sinar X
Ada dua type kejadian yang terjadi di dalam proses menghasilkan foton sinar X yaitu, sinar X Bremstrahlung dan sinar X karakteristik. Dimana interaksi itu terjadi saat elektron proyektil menumbuk target.
a. Sinar X Bremstrahlung
Sinar-X Bremstrahlung terjadi ketika elektron dengan energi kinetik yang terjadi berinteraksi dengan medan energi pada inti atom. Karena inti atom ini mempunyai energi positif dan elektron mempunyai energi negatif, maka terjadi hubungan tarik- menarik antara inti atom dengan elektron.
Gambar 3. Sinar X Bremstrahlung
Ketika elektron ini cukup dekat dengan inti atom dan inti atom mempunyai medan energi yang cukup besar untuk ditembus oleh elektron proyektil, maka medan energi pada inti atom ini akan melambatkan gerak dari elektron proyektil. Melambatnya gerak dari elektron proyektil ini akan mengakibatkan elektron proyektil kehilangan energi dan berubah arah. Energi yang hilang dari elektron proyektil ini dikenal dengan photon sinar X Bremstrahlung.
b. Sinar X Karakteristik
Sinar X karakteristik terjadi ketika elektron proyektil dengan energi kinetik yang tinggi berinterkasi dengan elektron dari tiap-tiap kulit atom. Elektron proyektil ini harus mempunyai energi kinetik yang cukup tinggi untuk melepaskan elektron pada kulit atom
FISIKA SMA KELAS XII
tertentu dari orbitnya. Saat elektron dari kulit atom ini terlepas dari orbitnya maka akan terjadi transisi dari orbit luar ke orbit yang lebih dalam.
Gambar 4. Sinar X karakteristik
Energi yang dilepaskan saat terjadi transisi ini dikenal dengan photon sinar X karakteristik. Energi photon sinar X karakteristik ini bergantung pada besarnya energi elektron proyektil yang digunakan untuk melepaskan elektron dari kulit atom tertentu dan bergantung pada selisih energi ikat dari elektron transisi dengan energi ikat elektron yang terlepas tersebut.
7. Aplikasi efek fotolistrik
a. Sel surya
Sel surya atau sel fotovoltaik memanfaatkan efek fotolistrik untuk membangkitkan arus listrik dari cahaya matahari.
b. Dubbing-film
Salah satu penerapan efek fotolistrik dalam kehidupan adalah dalam dunia hiburan. Dengan bantuan peralatan elektronika saat itu, suara dubbing film di rekam dalam bentuk sinyal optik di sepanjang pinggiran keping film. Pada saat film di putar, sinyal ini di baca kembali melalui proses efek fotolistrik dan sinyal listriknya di perkuat dengan menggunakan amplifier tabung sehingga menghasilkan film bersuara.
c. Photomultiplier tube
Photomultiplier tube atau di kenal dengan nama tabung foto pengganda, dengan menggunakan tabung ini hampir semua spektrum radiasi elektromagnetik dapat di amati. Tabung ini memiliki efisiensi yang sangat tinggi, bahkan ia sanggup mendeteksi foton tunggal sekalipun.
d. Foto-diode
Foto-diode ini bermanfaat sebagai sensor cahaya berkecepatan tinggi. Bahkan dalam komunikasi serat optik tranmisi sebesar 40 GB perdetik yang setera dengan pulsa cahaya sepanjang 10 pikodetik (10-11 detik) masih dapat di baca oleh sebuah foto-diode.
e. Kamera CCD (Charge Coupled Device)
Sebut saja kamera pada ponsel atau kamera digital dengan resolusi hingga 12 Megapiksel,atau pemindai kode-batang (barcode) yang di pakai di seluruh supermarket, kesemuanya memanfaatkan efek fotolistrik internal dalam mengubah citra yang di kehendaki menjadi data data elektronik yang selanjutnya dapat di proses oleh komputer.
8. Aplikasi sinar X a. Mesin Fotocopy
Sejarah awal penemuan mesin fotokopi (photocopy dalam bahasa Inggris) diawali oleh penelitian dan percobaan yang sangat panjang. Awalnya penemu sistem Xerography, Chester Carlson, mengawali pekerjaannya sebagai penyalin dokumen paten di sebuah peruahaan analisis paten, Carlson berpikir untuk mempercepat pekerjaannya yaitu dengan membuat sebuah alat yang bisa mencetak dokumen secara berulang-ulang. Ia pun membaca berbagai referensi mengenai mesin cetak. Akhirnya, ia menemukan konsep elektrofotografi, yang sekarang kita kenal sebagai mesin fotokopi.
Pada 1938, ia membuat eksperimen kecil yang memanfaatkan bubuk jelaga (karbon) dan penyinaran cahaya dan memindahkan suatu tulisan dari sebuah medium ke medium yang lain. Ia juga menggunakan konsep yang disebut photo-conductivity, sebuah proses perubahan elektron jika terkena cahaya. Intinya, dengan proses ini, gambar bisa digandakan dengan proses perubahan elektron tersebut.
Sebagian besar literatur menyebutkan, temuan Carlson menciptakan proses mengkopi dengan menggunakan energi elektrostatik, yaitu xenography. Nama xenography berasal dari bahasa Yunani, radical xeros (kering) dan graphos (menulis). Karena, dalam prosesnya tidak melibatkan cairan kimia, tak seperti teknologi sebelumnya. Melalui teknik ini, Chester Carlson telah menemukan cara yang merombak paradigma penulis ulangan sebuah dokumen, yang nantinya akan menjadi proses yang disebut fotokopi. Teknik ini kemudian dipatenkan pada 6 Oktober 1942.
FISIKA SMA KELAS XII
Gambar 5. Mesin Fotocopy
Prinsip kerja mesin fotokopy
1. Pencahayaan, cahaya yang sangat terang yang dihasilkan dari lampu ekspose yang menyinari dokumen yang sudah diletakkan di atas kaca dengan posisi terbalik ke bawah pada kaca, gambar pada dokumen kemudian akan dipantulkan melalui lensa, kemudian lensa akan mengarahkan gambar tersebut ke arah tabung drum. Tabung drum adalah silinder dari bahan aluminium yang dilapisi dengan selenium yang sangat sensitif terhadap cahaya.
2. Gambar yang lebih terang pada permukaan drum akan mengakibatkan elektron-elektron muncul dan menetralkan ion-ion positif yang dihasilkan oleh kawat pijar (corona wire) sebelah atas drum (kawat 1), sehingga pada permukaan yang terang tidak ada elektron yang yang bermuatan, sedangkan pada cahaya yang lebih gelap akan menghasilkan tidak terjadi perubahan muatan, tetap bermuatan positif.
3. Serbuk berwarna hitam (toner) bermuatan negatif yang berada pada developer, akan tertarik oleh ion positif pada permukaan drum,
4. Tegangan tinggi DC yang diberikan pada kawat pijar (corona wire) membuat drum bermuatan positif, kawat pijar (corona wire) terdapat dua buah, satu terdapat diatas drum (kawat 1), dan di bawah drum (kawat 2).
5. Selembar kertas yang dilewatkan di bawah drum ketika drum berputar, sebelum kertas mencapai drum terlebih dahulu kertas dijadikan bermuatan positif oleh kawat 2, sehingga toner yang menempel pada kertas akan tertarik dengan sangat kuat ke kertas,
karena gaya tarik muatan positif pada kertas lebih kuat dari pada muatan positif pada drum ditambah lagi dengan gaya gravitasi
6. Berikutnya kertas akan di lewatkan melalui dua buah rol panas yang bertekanan, panas dari kedua rol tersebut akan melelahkan toner yang kemudian akan menempel erat ke kertas. Peristiwa ini akan menghasilkan kopian atau salinan gambar yang sama persis dengan aslinya.
7. Setelah toner turun ke kertas drum akan terus berputar sampai melewati blade (cleaning blade) pembersih drum kemudian melalui kawat 1 (primary corona wire), sehingga drum kembali bermuatan positif dan siap kembali disinari terus berulang-ulang.
b. Sinar Rontgen
Bisakah kita bayangkan andaikan dunia tidak punya alat Rontgen? Nyaris mustahil! Wilhelm Conrad Rontgen si penemu sinar X dilahirkan tahun 1845 di kota Lennep, Jerman. Dia peroleh gelar doktor tahun 1869 dari Universitas Zurich. Selama sembilan belas tahun sesudah itu, Rontgen bekerja di pelbagai universitas, dan lambat laun peroleh reputasi seorang ilmuwan yang jempol. Tahun 1888 dia diangkat jadi mahaguru bidang fisika dan Direktur Lembaga Fisika Universitas Wurburg. Di situlah, tahun 1895, Rontgen membuat penemuan yang membuat namanya kesohor.
Gambar 6. Sinar Rontgen
Sinar X yang digunakan untuk foto rontgen merupakan sinar yang dapat menyebarkan radiasi. Meski demikian, manfaat yang didapat dari teknologi ini lebih banyak ketimbang risikonya jika dilakukan dengan benar. Itulah mengapa, bila dianggap perlu bayi yang baru lahir pun bisa menjalani tindakan ini untuk menegakkan diagnosis
FISIKA SMA KELAS XII
ada tidaknya kelainan dalam tubuhnya. Tindakan ini dilakukan semata-mata untuk memudahkan penatalaksaan selanjutnya. Akan tetapi harus diingat bahwa permintaan foto rontgen harus berasal dari dokter yang menanganinya, apakah ada indikasi, selain telah mempertimbangkan masak-masak manfaat dan kerugiannya.
E. Evaluai
1. Frekuensi ambang suatu bahan 1,5 x 1016 Hz. Jika bahan tersebut disinari dengan
sinar yang memiliki frekuensi 2 x 1016 Hz, tentukan besar energi kinetik elektron
yang terlepas dari permukaan logam tersebut?
2. Bagaimana skema peristiwa percobaan tumbukan foton ? Jelaskan!Lengkapi dengan gambarnya!
3. Berikanlah minimal 2 contoh aplikasi efek fotolistrik dalam kehidupan sehari-hari.!
4. Sebutkan siapa penemu sinar x pertama kali! 5. Jelaskan apa yang di maksud dengan sinar-X! 6. Bagaimana proses terbentuknya sinar-X?
Daftar pustaka
Budiyanto Joko. 2009. Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII SMA/MA Program Ilmu Pengetahuan. Pusat Perbukuan, Depertemen Pendidikan Nasional: Jakarta. (Hal: 197-201)
Foster Bob. 2003. Terpadu Fisika SMU Jilid 2B Semester 2. Bandung: Erlangga. (Hal: 95-97)
Indrajit Dudi. 2009. Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII SMA/MA Program Ilmu Pengetahuan. Pusat Perbukuan, Depertemen Pendidikan Nasional: Jakarta. (Hal: 183-191)
Kanginan Marthen. 2007. Fisika untuk SMA Kelas XII. Cimahi: Erlangga. (Hal:258-271)
Saripudin Aip. 2009. Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII SMA/MA Program Ilmu Pengetahuan. Pusat Perbukuan, Depertemen Pendidikan Nasional: Jakarta. (Hal: 161-166)
Zaelani Ahmad dkk. 2006. 1700 Bank Soal Bimbingan Pemantapan Fisika. Cet. 1. Bandung: Yrama Widya. (Hal: 560-563)
