Efek Compton

Salah satu eksperimen yang memberikan bukti nyata tentang keberadaan sifat partikel dari radiasi, yaitu adanya foton atau cahaya yang memiliki sifat sebagai materi, adalah eksperimen yang dilakukan oleh Arthur Holly Compton. Pada tahun 1922 Compton melakukan eksperimen penembakan bahan dengan menggunakan sinar-x. Di dalam eksperimen ini dideteksi bahwa sinar-x (gelombang) dan elektron (materi) terhambur setelah dilakukan penembakan. Dengan mengambil gagasan dari Einstein tentang kuantisasi cahaya berupa foton, kemudian Compton memperluas gagasan tersebut bahwa foton bisa berperilaku sebagai materi dalam kasus tumbukan dengan elektron. Momentum linier dari foton tersebut dinyatakan oleh  dengan E menyatakan energi dari foton dan c menyatakan cepat rambat cahaya.

Eksperimen Compton

Eksperimen yang dilakukan oleh Compton adalah dengan menembakkan seberkas sinar-x yang memiliki panjang gelombang λ pada target berupa grafit (karbon). Suatu kolimator digunakan untuk mendeteksi hamburan sinar-x pada arah tertentu saja. Sinar yang dihamburkan pada sudut lain diserap oleh kolimator timbal. Bagan eksperimen Compton ditunjukkan oleh gambar berikut.

Gagasan Compton merupakan salah satu bentuk penyebab munculnya konsep dualisme cahaya, yaitu cahaya dapat bersifat sebagai gelombang (misalnya dalam kasus interferensi dan difraksi), dan cahaya juga dapat bersifat sebagai partikel yang memiliki energi diskrit dan momentum linier seperti dalam efek Compton. Secara fisika klasik, gambaran tentang gelombang adalah jika seberkas gelombang dengan frekuensi ν bertumbukan dengan suatu bahan, maka elektron dalam bahan tersebut akan mengalami osilasi dengan frekuansi yang sama dengan frekuensi gelombang yang menumbuknya. Akibat dari osilasi elektron tersebut, maka akan timbul radiasi yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi osilasi elektron yang tentunya juga sama dengan frekuensi gelombang datang yang menumbuk bahan. Namun dari eksperimen yang dilakukan oleh Compton diperoleh hasil yang tidak sesuai dengan teori klasik ini. Hasil yang diperoleh adalah sinar terhambur memiliki puncak- puncak intensitas pada dua panjang gelombang. Satu puncak berkaitan dengan panjang gelombang datang (λ) sedangkan yang lain memiliki panjang gelombang λ’yang lebih besar dari λ padahal berkas datang hanya memiliki satu panjang gelombang (sebesar λ). Hal ini tidaklah dapat dimengerti jika dianggap berkas sinar-x datang sebagai gelombang.

Compton berasumsi bahwa berkas sinar (dalam hal ini sinar-x) yang digunakan menembak bahan merupakan arus foton. Energi foton tersebut sebesar E = hν. Foton ini bertumbukan lenting dengan elektron yang ada pada target. Jika elektron mengambil sebagian energi yang dimiliki oleh foton, maka foton yang terhambur akan memiliki energi yang lebih kecil dibandingkan dengan energi foton yang datang. Hal ini menyebabkan foton yang terhambur akan memiliki frekuensi yang lebih kecil atau panjang gelombang yang lebih besar daripada foton yang datang. Selisih panjang gelombang ini disebut dengan pergeseran Compton (Compton Shift).

Hasil eksperimen yang dilakukan oleh Compton dapat diilustrasikan seperti gambar berikut.

Dari gambar di atas dapat dijelaskan bahwa foton dengan panjang gelombang l menumbuk target mengakibatkan terhamburnya foton dengan panjang gelombang l’ dan sudut hamburan sebesar f terhadap arah datangnya foton. Selain itu, tumbukan antara foton dengan elektron menyebabkan terjadinya hambuaran elektron dengan sudut hamburan θ terhadap arah datangnya foton. Pada kasus ini berlaku hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum.

Radiasi Benda Hitam

Permukaan benda yang berwarna hitam akan menyerap kalor lebih cepat dari permukaan benda yang berwarna cerah. Hal inilah yang menyebabkan kita merasa lebih cepat gerah jika memakai baju berwarna gelap atau hitam pada siang hari. Sebaliknya, kita akan lebih nyaman memakai baju berwarna gelap atau hitam pada malam hari. Hal ini dikarenakan permukaan benda berwarna gelap atau hitam mudah memancarkan kalor daripada benda yang berwarna lain.
Jadi, benda yang permukaannya gelap atau hitam akan mudah menyerap kalor dan mudah pula memancarkannya. Untuk memahami sifat radiasi permukaan benda hitam, mari kita bahas bersama-sama
uraian materi berikut ini! Pancaran cahaya pada benda yang dipanaskan disebut sebagai radiasi termal. Radiasi termal pada permukaan benda dapat terjadi pada suhu berapa pun. Radiasi termal pada suhu rendah tidak dapat kita lihat karena terletak pada daerah inframerah. Selain dapat memancarkan radiasi, permukaan bahan juga dapat menyerap radiasi. Kemampuan bahan untuk menyerap radiasi tidak sama. Semakin mudah bahan menyerap radiasi, semakin mudah pula bahan itu memancarkan radiasi. Bahan yang mampu menyerap seluruh radiasi disebut sebagai benda hitam. Istilah benda hitam (black body) pertama kali dikenalkan oleh Fisikawan Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Benda hitam memancarkan radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan benda hitam bergantung pada suhu benda hitam tersebut.
Benda hitam memancarkan radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan benda hitam bergantung pada suhu benda hitam tersebut.
Ketika suhu permukaan benda hitam turun maka radiasi benda hitam bergeser ke arah intensitas yang lebih rendah dan panjang gelombangnya lebih panjang, demikian pula sebaliknya. Benda hitam adalah benda ideal yang sebenarnya tidak ada. Karakteristik benda hitam dapat didekati dengan menggunakan ruang tertutup berongga yang diberi sebuah lubang kecil. Perhatikan gambar 1 di atas.
Setiap radiasi yang masuk ke rongga akan terperangkap oleh pemantulan bolak-balik. Hal ini menyebabkan terjadinya penyerapan seluruh radiasi oleh dinding rongga. Lubang rongga dapat diasumsikan sebagai pendekatan benda hitam. Jika rongga dipanaskan maka spektrum yang dipancarkan lubang merupakan spektrum kontinu dan tidak bergantung pada bahan pembuat rongga. Besarnya energi radiasi per satuan waktu per satuan luas permukaan disebut intensitas radiasi dan disimbolkan dengan  I. Intensitas radiasi oleh benda hitam bergantung pada suhu benda. Berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann, intensitas radiasi dinyatakan dengan persamaan:

(Sumber : BSE)