Efek Compton: Pengertian, Rumus & Contoh Soal

Berdasarkan teori kuantum yang dikemukakan oleh Max Planck, ilmuwan Albert Einstein menyelidiki fenomena cahaya yang merupakan pancaran paket energi yang selanjutnya dikenal sebagai foton. Efek Compton sendiri berbicara mengenai gejala tumbukan yang terjadi antara foton dan elektron.

Pengertian Efek Compton

Perkembangan teori radiasi benda hitam yang dikemukakan oleh Max Planck menandai awal mula perkembangan teori Fisika modern hingga hari ini. Banyak ilmuwan yang kemudian meneliti fenomena yang muncul terkait dengan pancaran paket-paket energi yang kemudian dikenal sebagai foton.

Efek Compton dikemukakan oleh seorang ilmuwan di tahun 1923 bernama Arthur Holy Compton yang melakukan penelitian menggunakan perangkat cukup sederhana yakni sumber sinar X monokromatik (sinar X dengan panjang gelombang tunggal) serta keping tipis Berilium.

Riset yang dilakukan oleh Arthur Holy Compton menemukan gejala tumbukan yang terjadi antara foton yang berasal dari sinar X monokromatik dengan elektron. Dalam teori kuantum cahaya, foton sendiri dianggap sebagai partikel namun tidak mempunyai massa diam.

Di dalam efek Compton foton yang dianggap sebagai partikel memiliki energi sebesar hƒ serta momentum hƒ/c. Hasil penelitian yang dilakukan oleh Arthur Holy Compton menunjang hasil eksperimen berupa penemuan efek fotolistrik yang dikemukakan oleh Albert Einstein.

Selanjutnya Arthur Holy Compton memasang detector untuk mengamati fenomena foton dari sinar X serta elektron yang terhambur. Foton dari sinar X yang menumbuk elektron akan kehilangan sebagian energinya dan kemudian terhambur dari arah semula dengan sudut hamburan sebesar ө.

Arthur Holy Compton kemudian mengamati bahwa sinar X yang terhambur mempunyai panjang gelombang yang lebih besar dibandingkan panjang gelombang sinar X awal mula. Panjang gelombang foton terhambur yang lebih besar dikarenakan sebagian energi sinar X sudah terserap oleh elektron diam hingga terhambur.

Apabila energi foton sinar X awalnya sebesar hƒ sehingga energi foton sinar X yang terhambur menjadi sebesar hƒ – hƒ’dengan frekuensi awal lebih besar dibandingkan frekuensi akhir f > f’. Sementara panjang gelombang yang terhambur justru semakin besar yakni λ > λ’.

Rumus Efek Compton

Arthur Holy Compton kemudian merumuskan hubungan antara perubahan panjang gelombang foton yang terhambur setelah menumbuk elektron diam dengan panjang gelombang foton awal mula. Rumus efek Compton menggunakan hukum kekekalan energi dan kekekalan momentum.

λ’ – λ = [h/(m_o.c)] x (1 – cos ө)

Keterangan:

λ’ = Panjang gelombang sinar X setelah terjadi tumbukan foton dengan elektron diam (m)
λ = Panjang gelombang sinar X awal sebelum terjadi tumbukan (m)
h = Konstanta Planck (6,625 x 10^-34 Js)
m_o = massa diam elektron (9,1 x 10-³¹ kg)
c = Kecepatan cahaya (3 x 10⁸ m/s)
ө = Sudut hambur sinar X terhadap arah semula (derajat atau radian)

Besaran h/(m_o.c) dikenal juga sebagai panjang gelombang Compton. Berdasarkan eksperimen Compton yang sudah dilakukan membuktikan bahwa hamburan foton dari sinar X menunjukkan bahwa foton memang dapat dipandang sebagai partikel tanpa massa diam.

Penemuan ini menguatkan teori kuantum yang menunjukkan bahwa cahaya memiliki dua buah sifat yakni cahaya yang bersifat sebagai partikel serta cahaya yang bersifat sebagai gelombang. Dua sifat ini sering disebut sebagai dualisme gelombang cahaya.

Mengenal Efek Fotolistrik

Efek Compton tidak lengkap jika tidak berbicara mengenai efek fotolistrik. Kedua teorema ini berbicara mengenai fenomena yang terjadi pada foton ketika menumbuk elektron diam. Efek fotolistrik diteliti oleh Albert Einstein dengan menggunakan tabung hampa udara yang dilengkapi dua elektroda A serta B.

Kedua elektroda A dan B dihubungkan menggunakan sumber tegangan arus searah (DC). Alat tabung hampa udara ini kemudian dibawa ke ruangan gelap sehingga amperemeter tidak menunjukkan arus listrik.

Namun saat permukaan katoda (A) dijatuhkan sinar maka amperemeter kemudian menunjukkan adanya arus listrik. Sehingga fenomena ini menunjukkan adanya aliran arus listrik. Aliran arus listrik timbul karena elektron terlepas dari permukaan permukaan logam yang kemudian dikenal sebagai elektron foto.

Peristiwa efek fotolistrik sendiri yakni peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam karena logam disinari oleh cahaya. Ketika sumber energi listrik dari tegangan baterai diperkecil terus menerus dan menyebabkan arus listrik semakin mengecil.

Hingga kemudian tegangan menjadi bernilai negative maka amperemeter akan menunjukkan nilai nol yang artinya tidak ada arus listrik mengalir. Arus listrik mengalir menunjukkan bahwa tidak ada elektron yang keluar dari keeping logam.

Potensial henti nilainya tidak bergantung kepada intensitas cahaya yang dijatuhkan. Berikut persamaan untuk menghitung energi kinetik maksimum elektron yang keluar dari permukaan logam:

Ek = ½ x m x v² = e x Vo

Diketahui:

Ek = Energi kinetik dari elektron foto (J atau eV)
m = Massa elektron (kg)
v = kecepatan elektron hambur (m/s)
e = muatan elektron ©
Vo = Potensial henti (Volt)

Contoh Soal Efek Compton

Seberkas sinar X yang memiliki frekuensi sebesar 3 x 10¹⁹ Hz ditembakkan menuju elektron diam pada eksperimen efek Compton. Ketika seberkas sinar X tersebut menumbuk elektron diam, elektron pun terhambur dengan sudut sebesar 60⁰.

Jika diketahui bahwa besar massa diam elektron m_o sebesar 9,1 x 10-³¹ kg, dengan kecepatan cahaya (c) sebesar 3 x 10⁸ m/s dan h = 6,62 x 10^-34 Js. Tentukan frekuensi sinar X yang terhambur.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Compton di atas, dapat disimpulkan bahwa foton atau cahaya memiliki sifat dualisme yakni foton dapat bersifat sebagai gelombang dan juga partikel. Efek Compton menunjukkan foton yang menumbuk elektron diam akan terhambur dengan panjang gelombang lebih kecil.