Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Perkembangan Teori Kuantum Pertama: Hamburan Compton

Sebelumnya, dalam menyelesaikan problem radiasi benda hitam Planck menyatakan bahwa energi radiasi dari gelombang elektromagnetik tidak bernilai sembarang dan berkesinambungan atau kontinu, melainkan bernilai diskrit dalam paket-paket energi yang disebut kuanta. Selanjutnya, Einstein menguatkan perhitungan teoritik Planck dalam menjelaskan efek fotolistrik dengan mendeskripsikan cahaya atau gelombang elektromagnetik sebagai kumpulan aliran kuanta energi yang disebut foton. Kesimpulannya, cahaya selain sebagai gelombang juga berperilaku sebagai partikel.

Setelah efek fotolistrik Einstein dikonfirmasi secara eksperimental oleh Milikan, konfirmasi selanjutnya bahwa cahaya adalah partikel datang dari eksperimen hamburan sinar-X oleh seorang fisikawan Amerika bernama Arthur Holly Compton pada tahun 1922. Eksperimen hamburan sinar-X oleh Compton ini kemudian dikenal sebagai hamburan Compton.

Hamburan Compton adalah peristiwa terhamburnya partikel foton setelah berinteraksi atau bertumbukkan dengan partikel bermuatan. Ketika hamburan tersebut menghasilkan foton dengan energi yang lebih rendah, atau dengan kata lain hamburan tersebut menyebabkan foton mengalami penurunan energi maka disebut sebagai efek Compton. Sedangkan selisih antara panjang gelombang foton yang dihamburkan dan panjang gelombang foton sebelum berinteraksi dengan materi disebut pergeseran Compton.

Agar tidak membingungkan dalam mengkaji spektrum gelombang elektromagnetik, maka kita perlu mengetahui hubungan antara panjang gelombang, frekuensi dan energi radiasi dari gelombang elektromagnetik. Energi radiasi elektromagnetik berbanding lurus dengan frekuensi, artinya ketika suatu jenis gelombang elektromagnetik frekuensinya dinaikkan maka energi radiasinya juga bertambah besar.

Selanjutnya, panjang gelombang berbanding terbalik dengan frekuensi gelombang, karena itu panjang gelombang juga berbanding terbalik dengan energi radiasi. Ini berarti, semakin besar frekuensi dan energi radiasi gelombang elektromagnetik, maka panjang gelombangnya akan semakin pendek. Sebaliknya, jika panjang gelombang elektromagnetik semakin panjang maka frekuensi dan energi radiasi dari gelombang elektromagnetik tersebut semakin kecil atau rendah.

Hal lain yang perlu diketahui selanjutnya adalah foton merupakan istilah atau nama dari kuanta partikel gelombang elektromagnetik. Umumnya, foton dikenal sebagai partikel cahaya sehingga sering dipahami sebagai partikel kuanta dari cahaya tampak. Namun, dalam arti yang lebih luas atau dalam arti yang sebenarnya, foton juga merupakan partikel kuanta dari sinar-X, sinar gamma, sinar ultraviolet, gelombang radio dan semua jenis radiasi gelombang elektromagnetik lainnya.

Pada eksperimen Compton, Ia menggunakan seberkas cahaya monokromatik sinar-X berenergi tinggi yang ditembakkan ke sebuah grafit, kemudian intensitas sinar-X yang dihamburkan diukur sebagai fungsi panjang gelombang. Hasil percobaannya menunjukkan bahwa sinar-X yang dihamburkan memiliki panjang gelombang yang sama dengan sinar-X sebelum menumbuk grafit. Selain itu, ada juga sinar-X yang dihamburkan yang memiliki panjang gelombang yang lebih besar atau dengan kata lain memiliki frekuensi dan energi yang lebih rendah dari sinar-X sebelum sebelum menumbuk grafit. Bersamaan dengan itu, karena elektron pada atom grafit terikat longgar, maka ada elektron yang terpantul akibat ditabrak foton dari sinar-X.

Dalam elektromagnetisme klasik, diramalkan bahwa panjang gelombang cahaya (gelombang elektromagnetik) yang dihamburkan harus sama dengan panjang gelombang awal. Oleh karena itu, hasil eksperimen yang menunjukkan bahwa sinar-X yang dihamburkan memiliki panjang gelombang yang lebih panjang tergantung pada sudut hamburan membingungkan ilmuwan pada saat itu.

Dalam menafsirkan hasil eksperimennya ini, Compton mengatakan bahwa sinar-X harus diasumsikan atau dipahami sebagai kumpulan partikel foton. Dalam makalahnya, Compton menurunkan hubungan matematis antara pergeseran panjang gelombang dan sudut hamburan sinar-X dengan mengasumsikan bahwa setiap foton sinar-X yang tersebar berinteraksi hanya dengan satu elektron.

Dengan memahami sinar-X sebagai partikel (foton) maka menjadi logis bahwa ketika partikel sinar-X menumbuk partikel elektron pada atom grafit keduanya saling terpantul membentuk sudut tertentu seperti fenomena tumbukan pada dua buah bola bilyar. Pada kasus sinar-X yang dihamburkan memiliki panjang gelombang atau frekuensi dan energi yang sama dengan sinar-X sebelum menumbuk atom grafit, itu berarti foton sinar-X gagal memantulkan elektron dari atom induknya.

Sedangkan untuk kasus sinar-X yang dihamburkan memiliki panjang gelombang yang lebih panjang atau memiliki frekuensi dan energi yang lebih rendah daripada yang dimiliki sinar-X sebelum menumbuk atom grafit, itu berarti ada sebagian energi dari foton sinar-X yang ditransfer ke elektron. Karena energinya dibagikan kepada elektron maka setelah terpantul atau terhambur, energi dan frekuensi foton sinar-X menjadi berkurang dan mengakibatkan panjang gelombangnya menjadi lebih panjang.

Proses dalam hamburan Compton sedikit berbeda dengan fenomena efek fotolistrik. Dalam efek fotolistrik radiasi cahaya yang digunakan adalah jenis cahaya dengan radiasi yang frekuensi dan energinya lebih lemah seperti cahaya tampak (visible light). Karena itu, saat menumbuk permukaan logam, foton cahaya mentransfer seluruh energinya untuk mementalkan elektron keluar dari permukaan logam. Sehingga ketika foton menumbuk permukaan logam maka yang dipantulkan adalah elektron.

Sedangkan dalam hamburan Compton, radiasi yang digunakan adalah sinar-X yang merupakan jenis radiasi gelombang elektromagnetik dengan frekuensi berkali-kali lebih besar dan memiliki energi yang jauh lebih tinggi. Ditambah lagi, elektron dalam atom grafit terikat longgar sehingga hanya sebagian energi dari sinar-X yang diserap elektron dan memungkinkan foton sinar-X masih ‘tersisa’ dan terpantul atau terhambur setelah menumbuk grafit. Jadi dalam kasus ini, ketika foton menumbuk permukaan grafit maka yang dipantulkan bukan cuma elektron tapi juga sinar-X dengan energi yang lebih rendah.

Karena dalam proses hamburan Compton terjadi peristiwa tumbukkan antara foton dan elektron maka berlaku hukum kekekalan energi dan momentum. Tumbukan antara elektron dan foton sinar-X menghasilkan elektron yang diberi sebagian energi dan membuatnya terpental mundur, dan foton dari energi yang tersisa dipancarkan ke arah yang berbeda dari arah asalnya, sehingga momentum keseluruhan sistem juga kekal. [Fenomena tumbukan hanya terjadi pada materi atau partikel, dan tidak terjadi pada gelombang].

Karena temuan Compton ini berkontribusi besar dalam perkembangan teori kuantum dan membuka gerbang fisika modern, maka Ia dianugerahi hadiah nobel fisika pada tahun 1927.

Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013