RADIOAKTIVITAS
RINGKASAN
Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi
menjadi inti yang stabil. Materi yang mengandung inti tak-stabil yang memancarkan radiasi,
disebut zat radioaktif. Besarnya radioaktivitas suatu unsur radioaktif (radionuklida) ditentukan
oleh konstanta peluruhan (l), yang menyatakan laju peluruhan tiap detik, dan waktu paro
(t½). Kedua besaran tersebut bersifat khas untuk setiap radionuklida. Berdasarkan
sumbernya, radioaktivitas dibedakan atas radioaktivitas alam dan radioaktivitas buatan.
Radioaktivitas buatan banyak digunakan di berbagai bidang.
URAIAN
1. Definisi radioaktivitas
Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi dan
berubah menjadi inti stabil. Proses perubahan ini disebut peluruhan dan inti atom yang takstabil
disebut radionuklida. Materi yang mengandung radionuklida disebut zat radioaktif.
Peluruhan ialah perubahan inti atom yang tak-stabil menjadi inti atom yang lain, atau
berubahnya suatu unsur radioaktif menjadi unsur yang lain.
Radioaktivitas ditemukan oleh H. Becquerel pada tahun 1896. Becquerel menamakan radiasi
dengan uranium. Dua tahun setelah itu, Marie Curie meneliti radiasi uranium dengan
menggunakan alat yang dibuat oleh Pierre Curie, yaitu pengukur listrik piezo (lempengan
kristal yang biasanya digunakan untuk pengukuran arus listrik lemah), dan Marie Curie
berhasil membuktikan bahwa kekuatan radiasi uranium sebanding dengan jumlah kadar
uranium yang dikandung dalam campuran senyawa uranium. Disamping itu, Marie Curie juga
menemukan bahwa peristiwa peluruhan tersebut tidak dipengaruhi oleh suhu atau tekanan,
dan radiasi uranium dipancarkan secara spontan dan terus menerus tanpa bisa dikendalikan.
Marie Curie juga meneliti campuran senyawa lain, dan menemukan bahwa campuran
senyawa thorium juga memancarkan radiasi yang sama dengan campuran senyawa uranium,
dan sifat pemancaran radiasi seperti ini diberi nama radioaktivitas.
Pada tahun 1898, ia menemukan unsur baru yang sifatnya mirip dengan bismut. Unsur baru
ini dinamakan polonium diambil dari nama negara asal Marie Curie, yaitu Polandia. Setelah
itu H. Becquerel dan Marie Curie melanjutkan penelitiannya dengan menganalisis pitch blend
(bijih uranium). Mereka berpendapat bahwa di dalam pitch blend terdapat unsur yang
radioaktivitasnya lebih kuat daripada uranium atau polonium. Pada tahun yang sama mereka
mengumumkan bahwa ada unsur radioaktif yang sifatnya mirip dengan barium. Unsur baru ini
dinamakan radium (Ra), yang artinya benda yang memancarkan radiasi. Detail dari
penemuan ini dapat dilihat pada pokok bahasan tentang Penemuan Radioaktivitas Alam.
2. Waktu Paro
Waktu paro (t½) adalah waktu yang diperlukan oleh suatu radionuklida untuk meluruh
sehingga jumlahnya tinggal setengahnya. Radiasi radionuklida mempunyai sifat yang khas
(unik) untuk masing-masing inti. Peristiwa pemancaran radiasi suatu radionuklida sulit untuk
ditentukan, tetapi untuk sekumpulan inti yang sama, kebolehjadian peluruhannya dapat
diperkirakan. Waktu paro bersifat khas terhadap setiap jenis inti.
Laju pancaran radiasi dalam satuan waktu disebut konstanta peluruhan (l) dan secara
matematik hubungan antara l dan t½ dinyatakan dengan
l = 0,693/ t½
3. Radioaktivitas alam dan buatan
Berdasarkan asalnya, radioaktivitas dikelompokkan menjadi radioaktivitas alam, dan
radioaktivitas buatan, yaitu hasil kegiatan yang dilakukan manusia. Dalam radioaktivitas alam,
ada yang berasal dari alam dan dari radiasi kosmik. Radioaktivitas buatan dipancarkan oleh
radioisotop yang sengaja dibuat manusia, dan berbagai jenis radionuklida dibuat sesuai
dengan penggunaannya.
4. Radioaktivitas alam
4.1 Radioaktivitas primordial
Pada litosfer, banyak terdapat inti radioaktif yang sudah ada bersamaan dengan terjadinya
bumi, yang tersebar secara luas yang disebut radionuklida alam. Radionuklida alam banyak
terkandung dalam berbagai macam materi dalam lingkungan, misalnya dalam air, tumbuhan,
kayu, bebatuan, dan bahan bangunan.
Radionuklida primordial dapat ditemukan juga di dalam tubuh mausia. Terutama radioisotop
yang terkandung dalam kalium alam. Uraian lengkap mengenai radioaktivitas alam dijelaskan
pada pokok bahasan "inti radioaktif alam (08-01-01-02)".
4.2 Radioaktivitas yang berasal dari radiasi kosmik
Pada saat radiasi kosmik masuk ke dalam atmosfer bumi, terjadi interaksi dengan inti atom
yang ada di udara menghasilkan berbagai macam radionuklida. Yang paling banyak
dihasilkan adalah H-3 dan C-14.
Kecepatan peluruhan dan kecepatan pembentukan radionuklida seimbang, sehingga secara
teoritis jumlahnya di alam adalah tetap. Berdasarkan fenomena tersebut, maka dengan
mengukur kelimpahan C-14 yang ada dalam suatu benda, dapat ditentukan umur dari benda
tersebut dan metode penentuan umur ini dinamakan penanggalan karbon (Carbon Dating).
5. Radioaktivitas Buatan
5.1. Radioaktivitas yang berhubungan dengan pembangkit listrik tenaga nuklir
Energi yang dihasilkan oleh proses peluruhan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik
tenaga nuklir. Dalam instalasi pembangkit listrik tenaga nuklir, faktor keselamatan radiasi
menjadi prioritas yang utama, dan dengan berkembangnya teknologi pembangkit listrik
tenaga nuklir, maka tingkat keselamatan radiasinya pun semakin tinggi.
5.2. Radioaktivitas akibat percobaan senjata nuklir
Radioaktivitas yang berasal dari jatuhan radioaktif akibat percobaan senjata nuklir disebut fall
out. Tingkat radioaktivitas dari fall out yang paling tinggi terjadi pada tahun 1963 dan setelah
itu jumlahnya terus menurun. Hal itu disebabkan pada tahun 1962 Amerika dan Rusia
mengakhiri percobaan senjata nuklir di udara.
5.3. Radioaktivitas dalam kedokteran
Radioaktivitas yang berasal dari radioisotop dalam bidang kedokteran digunakan misalnya
untuk diagnosis, terapi, dan sterilisasi alat kedokteran. Uraian lengkap dari penggunaan
radioaktivitas di bidang kedokteran dapat dibaca pada pokok bahasan penggunaan radiasi
dalam bidang kedokteran.
5.4. Radioaktivitas dalam rekayasa teknologi
Penggunaan radiasi dalam bidang pengukuran (gauging), analisis struktur materi,
pengembangan bahan-bahan baru, dan sebagai sumber energi dibahas dalam pokok
bahasan penggunaan radiasi dalam rekayasa teknologi.
5.5. Radioaktivitas dalam bidang pertanian
Penggunaannya dalam bioteknologi, pembasmian serangga atau penyimpanan bahan
pangan, dan teknologi pelestarian lingkungan dibahas dalam pokok bahasan penggunaan
radiasi dalam produksi pertanian, kehutanan dan laut.
Sumber : www.batan.go.id
Sabtu, 01 Januari 2011
peluruhan gamma
VII. PELURUHAN GAMMA
Sub-pokok Bahasan Meliputi:
• Peluruhan Gamma
• Absorbsi Sinar Gamma
• Interaksi Sinar Gamma dengan Materi
7.1. PELURUHAN GAMMA
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Gamma, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan proses peluruhan gamma
• Menjelaskan hakikat sinar gamma sebagai gelombang elektromagnetik
Setelah peluruhan alfa dan beta, inti biasanya dalam keadaan tereksitasi. Seperti halnya atom, inti akan mencapai keadaan dasar (stabil) dengan memancarkan foton (gelombang elektromagnetik) yang dikenal dengan sinar gamma (γ).
Dalam proses pemancaran ini, baik nomor atom atau nomor massa inti tidak berubah.
γ+→XXAA*)(
Energi gelombang ini ditentukan oleh panjang gelombang )(λatau oleh frekuensinya (f) sesuai persamaan
λ/hchfE== (7.1)
dengan h adalah tetapan plank yang besarnya 6,63 10-34 Js.
Energi tiap foton adalah beda energi antara keadaan awal dan keadaan akhir inti, dikurangi dengan sejumlah koreksi kecil untuk energi pental inti. Energi ini berada pada kisaran 100 KeV hingga beberapa MeV.
Inti dapat pula dieksitasi dari keadaan dasar ke keadaan eksitasi dengan menyerap foton dengan energi yang tepat.
Gambar 7.1 memperlihatkan suatu diagram tingkat energi yang khas dari keadaan eksitasi inti dan beberapa transisi sinar gamma yang dipancarkan. Wakto paro khas bagi tingkat eksitasi inti adalah 10-9 hinga 10-12 s.
Ada beberapa yang memiliki waktu paro lama (beberapa jam bahkan beberapa hari). Intiinti yang tereksitasi seperti ini dinamakan isomer dan keadaan tereksitasinya dikenal sebagai keadaan isomerik.
51
e-e-0,412 MeV0Au198 Hg198γ1 γ2 γ3
Gambar 7.1 Diagram Tingkat Energi Inti
Dalam menghitung energi partikel alfa dan beta yang dipancarkan dalam peluruhan radioaktif di depan dianggap tidak ada sinar gamma yang dipancarkan. Jika ada sinar gamma yang dipancarkan, maka energi yang ada (Q) harus dibagi bersama antara partikel dengan sinar gamma.
7.2 ABSORBSI SINAR GAMMA
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Absorbsi Sinar Gamma, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan dan menghitung penyerapan sinar gamma oleh material
• Menjelaskan dan menghitung nilai tebal paro
Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang membawa energi dalam bentuk paket-paket yang disebut foton. Jika sinar gamma masuk ke dalam suatu bahan, juga mengahsilkan ionisasi, hanya saja ionisasi yang dihasilkan sebagian besar melalui proses ionisasi sekunder. Jadi, jinar gamma berinteraksi dengan materi hanya beberapa pasang ion primer saja yang terbentuk. Ion-ion primer itu selanjutnya melakukan proses ionisasi sekunder sehingga diperoleh pasangan ion yang lebih banyak dibandingkan yang terbentuk pada proses ionisasi primer.
Apabila sinar gamma (gelombang elektromagnetik) memasuki perisai, maka intensitas radiasi saja yang akan berkurang, sedangkan energi tetap tidak berubah.
deIIμ−=0 (7.2)
52
Dengan Io adalah intensitas mula-mula, I Intensitas yang diteruskan, d adalah ketebalan bahan perisasi dan μ adalah koefisien serapan linier bahan perisai.
Karena μd tidak memiliki satuan, maka satuan μ dan d menyesuaikan. Jika d dalam cm, maka μ dalam 1/cm.
Nilai μ untuk setiap bahan sangat bergantung pada nomor atom bahan dan juga pada radiasi gamma.
Untuk beberapa tujuan tertentu, seringkali tabel bahan perisai tidak dinyatakan dalam tebal linier dengan satuan panjang, tetapi dinyatakan dalam tebal kerapatan (gr/cm2). Jika besaran itu yang dipakai maka koefisien serapan bahan dinyatakan dalam koefisiem serapan massa μm dengan satuan cm2/gr.
Hubungan keduanya dinyatakan dalam:
)/()/()(321cmgrxgrcmcmmρμμ=− (7.3)
Selain kedua koefisien serapan tersebut, juga digunakan koefisien serapan atomik (μa), yaitu fraksi berkas radiasi gamma yang diserap oleh atom . Koefisien serapan atomik dirumuskan )/()()/(312cmatomNcmatomcma−=μμ (7.4)
Dengan N adalah jumlah atom penyerap per cm3. Koefisien serapan atomik ini selalu menunjukkan tampang lintang (cross section) dengan satuan barn.
1 barn = 10-24 cm2
Koefisien serapan atomik seringkali disebut microscopic cross section (σ), sedangkan koefisien serapan linier sering dikenal dengan istilah macroscopic cross section (). Σ=σN
Sedangkan nilai tebal paro atau half value thickness (HVT) adalah tebal bahan perisai yang diperlukan radiasi gelombang elektromagnetik untuk mengurangi intensitas radiasinya, sehingga tinggal setengah dari semula.
Jika penurunan intensitas dirumuskan dan pada saat intensitas menjadi setengahnya deIIμ0=021II=
Maka μ693,0=HVT (7.5)
53
Dilihat dari daya tembusnya, radiasi gamma memiliki daya tembus paling kuat dibandingkan dengan radiasi partikel yang dipancarkan inti radioaktif lainnya.
Sebaliknya, daya ionisasinya paling lemah. Karena sinar gamma termasuk gelombang elektromagnetik, maka kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya.
7.3 INTERAKSI SINAR GAMMA DAN MATERI
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Interaksi Sinar Gamma dengan Materi, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan jenis-jenis interaksi sinar gamma dan materi
• Menjelaskan efek foto listrik, hamburan Compton dan produksi pasangan.
Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi gamma melewati bahan, yaitu efek fololistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut melepaskan elektron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan.
Peluang terjadinya interaksi antara radiasi gamma dengan bahan ditentukan oleh koefisien absorbsi linier (μ). Karena penyerapan intensitas gelombang elektromagnetik melalui tiga proses utama, maka nilai μ juga ditentukan oleh peluang terjadinya ketiga proses tersebut, yaitu μf untuk foto listrik, μc untuk hamburan Compton dan μpp untuk produksi pasangan.
Koefisien absorbsi total (μt) dari ketiga koefisien tersebut
ppcftμμμμ++= (7.6)
7.3.1 Efek fotolistrik
Efek foto listrik adalah peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh elektron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan atom. Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron.efek foto listrik terutama terjadi antara 0,01 MeV hingga 0,5 MeV.
Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi pada materi dengan Z yang besar, seperti tembaga (Z = 29).
Energi foton yang datang sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam bentuk energi kinetik elektron dan sebagian lagi digunakan untuk melawan energi ikat elektron (W0).
Besarnya energi kinetik fotoelektron (K) dalam peristiwa ini adalah:
0WhfK−= (7.7)
54
Dari persamaan 7.7 terlihat bahwa agar efek fotolistrik terjadi, maka energi foton harus sekurang-kurangnya sama dengan energi ikat elektron yang berinteraksi.
7.3.2 Hamburan Compton
Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hf berinteraksi dengan elektron bebas atau elektron yang tidak terikat dengan kuat oleh inti, yaitu elektron terluar dari atom. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti dan bergerak dengan energi kinetik tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton datang. Foton lain ini dinamakan foton hamburan.
Kemungkinan terjadinya hamburan Compton berkurang bila energi foton yang datang bertambah dan bila Z bertambah.
Dalam hamburan Compton ini, energi foton yang datang yang diserap atom diubah menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan. Perubahan panjang gelombang foton hamburan dari λ menjadi λ’ dirumuskan )cos1(θλλλ−=−′=Δcmhe (7.8)
dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh
)cos1(0242,0)(θλ−=ΔA (7.9)
Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 200 keV hingga 5 MeV dalam sebagian besar unsur-unsur ringan.
7.3.3 Produksi pasangan
Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai gantinya akan timbul sepasang elektron-positron. Karena massa diam elektron ekivalen dengan energi 0,51 MeV, maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energi foton ≥ 1,02 MeV (2mec2).
Energi kinetik total pasagan elektron-positron sesuai dengan persamaan:
22cmcmKKhfpepe+++=. (7.10)
Kedua partikel ini akan kehilangan energinya melalui proses ionisasi atom bahan. Positron yang terbentuk juga bisa bergabung dengan elektron melalui suatu proses yang dinamakn annihiliasi.
55
Soal-soal:
1. Inti memancarkan alfa menjadi dalam keadaan tereksitasi, yang kemudian meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan foton 217 KeV. Hitunglah energi kinetik partikel alfa. Massa dan adalah 228,028726u dan 224,020196u Th228Ra224Th228Ra224
2. Inti memancarkan beta positif ke keadaan eksitasi , yang sesudah itu meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan sinar gamma 4,43 MeV. Berapakah energi kinetik maksimum partikel beta yang dipancarkan. Massa dan adalah 12,018613u dan 12,004756u. N12C12N12C12
3. Radiasi gamma dengan energi 1,25 MeV mengalami hamburan Compton dengan sudut hambur 600 dari arah datangnya radiasi. Tentukan panjang gelombang foton terhambur.
4. Radiasi elektromagnetik dengan energi 206 eV diserap oleh suatu bahan. Jika energi yang diperlukan untuk melepas elektron dari ikatan inti sebesar 4 eV, berapa energi kinetik fotoelektron yang terlepas.
5. Koefisien serapan linier suatu bahan 0,25/cm. Berapa tebal bahan yang diperlukan untuk mengurangi intensitas sinar gamma menjadi ¼ dari intensitas semula.
56
Sub-pokok Bahasan Meliputi:
• Peluruhan Gamma
• Absorbsi Sinar Gamma
• Interaksi Sinar Gamma dengan Materi
7.1. PELURUHAN GAMMA
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Gamma, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan proses peluruhan gamma
• Menjelaskan hakikat sinar gamma sebagai gelombang elektromagnetik
Setelah peluruhan alfa dan beta, inti biasanya dalam keadaan tereksitasi. Seperti halnya atom, inti akan mencapai keadaan dasar (stabil) dengan memancarkan foton (gelombang elektromagnetik) yang dikenal dengan sinar gamma (γ).
Dalam proses pemancaran ini, baik nomor atom atau nomor massa inti tidak berubah.
γ+→XXAA*)(
Energi gelombang ini ditentukan oleh panjang gelombang )(λatau oleh frekuensinya (f) sesuai persamaan
λ/hchfE== (7.1)
dengan h adalah tetapan plank yang besarnya 6,63 10-34 Js.
Energi tiap foton adalah beda energi antara keadaan awal dan keadaan akhir inti, dikurangi dengan sejumlah koreksi kecil untuk energi pental inti. Energi ini berada pada kisaran 100 KeV hingga beberapa MeV.
Inti dapat pula dieksitasi dari keadaan dasar ke keadaan eksitasi dengan menyerap foton dengan energi yang tepat.
Gambar 7.1 memperlihatkan suatu diagram tingkat energi yang khas dari keadaan eksitasi inti dan beberapa transisi sinar gamma yang dipancarkan. Wakto paro khas bagi tingkat eksitasi inti adalah 10-9 hinga 10-12 s.
Ada beberapa yang memiliki waktu paro lama (beberapa jam bahkan beberapa hari). Intiinti yang tereksitasi seperti ini dinamakan isomer dan keadaan tereksitasinya dikenal sebagai keadaan isomerik.
51
e-e-0,412 MeV0Au198 Hg198γ1 γ2 γ3
Gambar 7.1 Diagram Tingkat Energi Inti
Dalam menghitung energi partikel alfa dan beta yang dipancarkan dalam peluruhan radioaktif di depan dianggap tidak ada sinar gamma yang dipancarkan. Jika ada sinar gamma yang dipancarkan, maka energi yang ada (Q) harus dibagi bersama antara partikel dengan sinar gamma.
7.2 ABSORBSI SINAR GAMMA
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Absorbsi Sinar Gamma, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan dan menghitung penyerapan sinar gamma oleh material
• Menjelaskan dan menghitung nilai tebal paro
Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang membawa energi dalam bentuk paket-paket yang disebut foton. Jika sinar gamma masuk ke dalam suatu bahan, juga mengahsilkan ionisasi, hanya saja ionisasi yang dihasilkan sebagian besar melalui proses ionisasi sekunder. Jadi, jinar gamma berinteraksi dengan materi hanya beberapa pasang ion primer saja yang terbentuk. Ion-ion primer itu selanjutnya melakukan proses ionisasi sekunder sehingga diperoleh pasangan ion yang lebih banyak dibandingkan yang terbentuk pada proses ionisasi primer.
Apabila sinar gamma (gelombang elektromagnetik) memasuki perisai, maka intensitas radiasi saja yang akan berkurang, sedangkan energi tetap tidak berubah.
deIIμ−=0 (7.2)
52
Dengan Io adalah intensitas mula-mula, I Intensitas yang diteruskan, d adalah ketebalan bahan perisasi dan μ adalah koefisien serapan linier bahan perisai.
Karena μd tidak memiliki satuan, maka satuan μ dan d menyesuaikan. Jika d dalam cm, maka μ dalam 1/cm.
Nilai μ untuk setiap bahan sangat bergantung pada nomor atom bahan dan juga pada radiasi gamma.
Untuk beberapa tujuan tertentu, seringkali tabel bahan perisai tidak dinyatakan dalam tebal linier dengan satuan panjang, tetapi dinyatakan dalam tebal kerapatan (gr/cm2). Jika besaran itu yang dipakai maka koefisien serapan bahan dinyatakan dalam koefisiem serapan massa μm dengan satuan cm2/gr.
Hubungan keduanya dinyatakan dalam:
)/()/()(321cmgrxgrcmcmmρμμ=− (7.3)
Selain kedua koefisien serapan tersebut, juga digunakan koefisien serapan atomik (μa), yaitu fraksi berkas radiasi gamma yang diserap oleh atom . Koefisien serapan atomik dirumuskan )/()()/(312cmatomNcmatomcma−=μμ (7.4)
Dengan N adalah jumlah atom penyerap per cm3. Koefisien serapan atomik ini selalu menunjukkan tampang lintang (cross section) dengan satuan barn.
1 barn = 10-24 cm2
Koefisien serapan atomik seringkali disebut microscopic cross section (σ), sedangkan koefisien serapan linier sering dikenal dengan istilah macroscopic cross section (). Σ=σN
Sedangkan nilai tebal paro atau half value thickness (HVT) adalah tebal bahan perisai yang diperlukan radiasi gelombang elektromagnetik untuk mengurangi intensitas radiasinya, sehingga tinggal setengah dari semula.
Jika penurunan intensitas dirumuskan dan pada saat intensitas menjadi setengahnya deIIμ0=021II=
Maka μ693,0=HVT (7.5)
53
Dilihat dari daya tembusnya, radiasi gamma memiliki daya tembus paling kuat dibandingkan dengan radiasi partikel yang dipancarkan inti radioaktif lainnya.
Sebaliknya, daya ionisasinya paling lemah. Karena sinar gamma termasuk gelombang elektromagnetik, maka kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya.
7.3 INTERAKSI SINAR GAMMA DAN MATERI
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Interaksi Sinar Gamma dengan Materi, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan jenis-jenis interaksi sinar gamma dan materi
• Menjelaskan efek foto listrik, hamburan Compton dan produksi pasangan.
Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi gamma melewati bahan, yaitu efek fololistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut melepaskan elektron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan.
Peluang terjadinya interaksi antara radiasi gamma dengan bahan ditentukan oleh koefisien absorbsi linier (μ). Karena penyerapan intensitas gelombang elektromagnetik melalui tiga proses utama, maka nilai μ juga ditentukan oleh peluang terjadinya ketiga proses tersebut, yaitu μf untuk foto listrik, μc untuk hamburan Compton dan μpp untuk produksi pasangan.
Koefisien absorbsi total (μt) dari ketiga koefisien tersebut
ppcftμμμμ++= (7.6)
7.3.1 Efek fotolistrik
Efek foto listrik adalah peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh elektron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan atom. Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron.efek foto listrik terutama terjadi antara 0,01 MeV hingga 0,5 MeV.
Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi pada materi dengan Z yang besar, seperti tembaga (Z = 29).
Energi foton yang datang sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam bentuk energi kinetik elektron dan sebagian lagi digunakan untuk melawan energi ikat elektron (W0).
Besarnya energi kinetik fotoelektron (K) dalam peristiwa ini adalah:
0WhfK−= (7.7)
54
Dari persamaan 7.7 terlihat bahwa agar efek fotolistrik terjadi, maka energi foton harus sekurang-kurangnya sama dengan energi ikat elektron yang berinteraksi.
7.3.2 Hamburan Compton
Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hf berinteraksi dengan elektron bebas atau elektron yang tidak terikat dengan kuat oleh inti, yaitu elektron terluar dari atom. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti dan bergerak dengan energi kinetik tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton datang. Foton lain ini dinamakan foton hamburan.
Kemungkinan terjadinya hamburan Compton berkurang bila energi foton yang datang bertambah dan bila Z bertambah.
Dalam hamburan Compton ini, energi foton yang datang yang diserap atom diubah menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan. Perubahan panjang gelombang foton hamburan dari λ menjadi λ’ dirumuskan )cos1(θλλλ−=−′=Δcmhe (7.8)
dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh
)cos1(0242,0)(θλ−=ΔA (7.9)
Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 200 keV hingga 5 MeV dalam sebagian besar unsur-unsur ringan.
7.3.3 Produksi pasangan
Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai gantinya akan timbul sepasang elektron-positron. Karena massa diam elektron ekivalen dengan energi 0,51 MeV, maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energi foton ≥ 1,02 MeV (2mec2).
Energi kinetik total pasagan elektron-positron sesuai dengan persamaan:
22cmcmKKhfpepe+++=. (7.10)
Kedua partikel ini akan kehilangan energinya melalui proses ionisasi atom bahan. Positron yang terbentuk juga bisa bergabung dengan elektron melalui suatu proses yang dinamakn annihiliasi.
55
Soal-soal:
1. Inti memancarkan alfa menjadi dalam keadaan tereksitasi, yang kemudian meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan foton 217 KeV. Hitunglah energi kinetik partikel alfa. Massa dan adalah 228,028726u dan 224,020196u Th228Ra224Th228Ra224
2. Inti memancarkan beta positif ke keadaan eksitasi , yang sesudah itu meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan sinar gamma 4,43 MeV. Berapakah energi kinetik maksimum partikel beta yang dipancarkan. Massa dan adalah 12,018613u dan 12,004756u. N12C12N12C12
3. Radiasi gamma dengan energi 1,25 MeV mengalami hamburan Compton dengan sudut hambur 600 dari arah datangnya radiasi. Tentukan panjang gelombang foton terhambur.
4. Radiasi elektromagnetik dengan energi 206 eV diserap oleh suatu bahan. Jika energi yang diperlukan untuk melepas elektron dari ikatan inti sebesar 4 eV, berapa energi kinetik fotoelektron yang terlepas.
5. Koefisien serapan linier suatu bahan 0,25/cm. Berapa tebal bahan yang diperlukan untuk mengurangi intensitas sinar gamma menjadi ¼ dari intensitas semula.
56
peluruhan beta
VI. PELURUHAN BETA
Sub-pokok Bahasan Meliputi:
• Peluruhan Beta
• Karakteristik Sinar Beta
6.1 PELURUHAN BETA
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Beta, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan konsep peluruhan beta negatif dan beta positif dan hakikat partikel beta
• Menjelaskan hipotesis neutrino dan anti-neutrino
• Menjelaskan proses tangkapan elektron oleh inti
• Menjelaskan dan menghitung energi dalam proses peluruhan beta
6.1.1 Peluruhan Beta
Dalam peluruhan beta, sebuah proton berubah menjadi inti atau sebaliknya. Jadi Z dan N masing-masinng berubah satu satuan, tetapi A tidak berubah.
Pada peluruhan beta, yang paling utama adalah sebuah netron meluruh menjadi sebuah proton dan sebuah elektron
epn+→
Ketika proses peluruhan ini pertama kali dipelajari, partikel yang dipancarkan disebut partikel beta, kemudian baru diketahui bahwa partikel itu adalah elektron.
Elektron yang dipancarkan pada peluruhan beta bukanlah elektron kulit atom dan juga bukan elektron yang semula berada dalam inti. Tetapi elektron ini diciptakan oleh inti dari energi yang ada. Jika ada beda energi diam sekurang-kurangnya , maka penciptaan elektron sangat mungkin terjadi. 2cme
6.1.2 Hipotesis Neutrino
Dari eksperimen yang telah dilakukan berkaitan dengan peluruhan beta ini, yaitu:
1. Spin intrinsik proto, netron dan elektron masing-masing bernilai ½. Jika terjadi peluruhan netron (spin ½), gabungan spin proton dan elektron hasil peluruhan bisa sejajar (spin total = 1) atau berlawanan (spin total 0), dan tidak ada kemungkinan
45
spin totalnya ½. Oleh karena itu, proses peluruhan ini tampaknya melanggar hukum kekekalan momentum sudut
2. Persoalan energi beta. Dari pengukuran elektron yang dipancarkan didapatkan bahwa spektrum energinya kontinyu dari 0 hingga nilai maksimum Ke(max). Menurut perhitungan dalam peluruhan netron, nilai . Persoalan distribusi energi yang kontinyu ini (karena adanya beberapa energi yang hilang), dicoba dipecahkan oleh para fisikawan eksperimen sebelum tahun 1930, tapi semuanya tidak berhasil. MeVcmmmQepn782,0)(2=−−=
Energi kinetik elektronJumlah elektron Ke (max)
Gambar 6.1. Grafik Distribusi Energi Partikel Beta
Pemecahan terhadap fenomena yang tampak melanggar hukum kekekalan momentum sudut dan energi ini ditemukan oleh Wolfgang Pauli. Ia mengusulkan bahwa ada partikel ketiga yang dipancarkan pada peluruhan beta ini. Partikel ketiga ini bermuatan elektrik nol dan memiliki spin ½. Hilangnya energi ini tidak lain adalah energi yang diambil partikel ini.
Partikel ini disebut neutrino (yang dalam bahasa Italia berarti netral kecil) dan diberi lambang ν. Neutrino ini memiliki massa diam nol. Neutrino ini juga memiliki anti partikel yang dinamakan antineutrino ν. Pada kenyataannya yang dipancarkan dalam peluruhan beta adalah antineutrino. Dengan demikian proses peluruhan beta secara lengkap adalah: ν++→−epn
Energi reaksi ini muncul sebagai energi kinetik elektron, energi antineutrino dan energi pental proton.
Proses peluruhan beta lainnya adalah peluruhan proton, yang reaksinya
ν++→+enp 46
+eadalah elektron positif atau positron yang merupakan antipartikel dari elektron. Positron memiliki massa sama dengan elektron, tetapi memiliki muatan elektrik yang berlawanan. Apabila positron bertemu dengan elektron, keduanya akan bergabung dan musnah. Proses ini dinamakan annihilasi. Energi keduanya berubah menjadi gelombang elektromagnetik.
Energi kinetik positron Jumlah positron Ke (max)
Gambar 6.2. Grafik Distribusi Energi Positron
6.1.3 Tangkapan Elektron
Salah satu proses peluruhan inti adalah tangkapan elektron (Electron capture, EC). Proses reaksinya adalah
ν+→+−nep
Di sini sebuah proton menagkap elektron dariorbitnya beralih menjadi sebuah netron ditambah sebuah neutrino. Elektron yang ditangkap ini adalah elektron terdalam sebuah atom, dan proses ini dicirikan dengan kulit asal elektronnya: tangkapan kulit K, kulit L, dan seterusnya. Tangkapan elektron ini tidak terjadi pada proton bebas, tetapi hanya proton yang ada di dalam inti.
6.1.4 Energi Peluruhan.
Peluruhan beta terjadi pada sebuah inti atom. Pada saat pemancaran , sebuah inti atom dengan Z proton dan N netron meluruh ke inti atom lain dengan Z + 1 proton dan N – 1 netron. −eν++→−−+eYXNAZNAZ11
Nilai Q dari peluruhan ini, dihitung dengan mengurangi massa-massa elektron (Zme)
47
2222)())1(()(cmmQQcmcmZmcZmmYXeeYeX−=+++−=− (6.1)
Massa elektron saling menghapuskan dalam perhitungan Q. Energi yang dilepas dalam peluruhan ini sebagai energi kinetik antineutrino, energi kinetik elektron dan sejumlah kecil energi kinetik inti. Elektron memiliki energi kinetik maksimum jika energi antineutrino hampir nol.
Sedangkan dalam pemancaran , proton inti berubah menjadi netron. Reaksinya dapat digambarkan +e
ν++→++−eYXNAZNAZ11
Nilai Q pada proses ini
2222)2())1(()(cmmmQQcmcmZmcZmmeYXeeYeX−−=++−−=− (6.2)
Sedang untuk tangkapan elektron, reaksinya
ν+→++−−11NAZNAZYeX
Dan nilai Q-nya
2222)())1(()(cmmQQcmZmcmcZmmYXeYeeX−=+−−=+− (6.3)
Contoh
Berapakah energi maksimum elektron yang teremisi dari peluruhan di dalam H −e
Jawab
Reaksi peluruhan veHeH++→−3231
MeVuMeVxuucmmQHeH0186,0/5,931)016030,3016050,3()(2=−=−=
Energi kinetik inti He bisa diabaikan karena terlalu kecil sehingga Ke terjadi pada saat Kv = 0, maka Ke = 0,0186 MeV
6.2 KARAKTERISTIK PARTIKEL BETA
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Karakteristik Partikel Beta, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan dan menghitung daya jangkau partikel beta di udara dan di bahan
• Mejelaskan dan menghitung daya ionisasi partikel beta
48
6.2.1 Daya Jangkau Sinar Beta
Sinar beta, baik elektron atau positron, keduanya termasuk kelompok partikel ringan bermuatan. Besar massa diam dan muatan elektriknya juga sama, hanya tandanya saja yang berlawanan. Kecepatan gerak di udara antara 0,32 c sampai 0,7 c. Jejak partikel beta ini berbelok-belok karena elektron ini mengalami hamburan di dalam bahan.
Energi rata-rata elektron ini (1/3) Kmax, sedangkan untuk positron 0,4 Kmax.
Panjang jangkaun partikel ini di medium dinyatakan dalam cm, namun kadang-kadang juga dinyatakan dalam bentuk ketebalan densitas (density thickness, dt) dengan satuan massa per satuan luas (mg/cm2) untuk menggantikan jarak atau ketebalan (d).
)/()()/(32cmmgxcmdcmmgdtρ= (6.4)
ρ adalah massa jenis medium.
Dengan sistem satuan ini, jangkauan partikel di dalam medium tidak lagi memperhatikan jenis bahan medium.
Perumusan matematis yang menunjukkan hubungan antara jangkauan dt dan energi maksimum Km (MeV) adalah sebagai berikut:
MeVKuntukKcmmgdMeVKuntukKcmmgdmmtmKmtm5,2106530)/(5,201,0412)/(2)ln(0954,0265,12>−=≤≤=− (6.5)
Contoh
Berapakah jangkauan linier partikel beta (dalam cm) dengan energi maksimum 2,86 MeV yang dipancarkan dari inti yang melewati aluminum. Mn5625
Jawab cmcmgrcmgddcmgcmmgxdAltt52,0/7,2/41,1/41,1/14106,1086,25303222=====−=ρ
6.2.2 Daya Ionisasi Partikel Beta
Mekanisme hilangnya partikel beta sama dengan mekanisme pada partikel alfa, yaitu diserap bahan yang dilewati untuk proses ionisasi dan eksistasi.
Partikel beta akan kehilangan energi 3,4 eV setiap pembentukan satu pasang ion. Namun karena partikel beta lebih kecil (sekitar 1/7300 dari massa partikel alfa) dan muatan yang lebih rendah (1/2 dari partikel alfa), maka konsekuensinya partikel beta dalam sepanjang jejaknya tidak memproduksi pasangan ion per cm sebanyak yang dibentuk
49
partikel alfa. Partikel beta dengan energi 3 MeV mempunyai jangkaun di udara lebih dari 1.000 cm namun hanya mampu menghasilkan beberapa pasangan ion per mm sepanjang jejaknya.
Ionisasi spesifik (Is) partikel beta di udara bervariasi dari 60 sampai 7.000 pasangan ion per cm. Ionisasi spesifik bernilai besar untuk partikel beta berenergi rendah, selanjutnya berkurang secara cepat untuk energi yang makin besar, hingga mencapai minimum pada energi sekitar 1 MeV. Ionisasi spesifik ini berlahan-lahan naik untuk energi lebih besar dari 1 MeV.
Persamaan ionisasi spesifik ditulis: WdxdKIs/= (6.6)
dK/dx adalah laju kehilangan energi akibat ionisasi dan eksitasi oleh partkel beta (MeV/cm) dan W adalah energi rata-rata untuk membentuk satu pasangan ion.
Satu hal yang menarik, karena partikel beta bermuatan listrik dan bergerak dengan kecepatan tinggi, apabila melintas dekat inti atom, maka gaya elektrostatik inti menyebabkan partikel beta membelok dengan tajam. Peristiwa ini menyebabkan partikel beta kehilangan energinya dengan memancarkan gelombang elektromagnetik yang dikenal sinar-X Bremsstrahlung.
Soal-soal:
1. Tentukan energi minimum suatu antineutrino yang menghasilkan reaksi ++→+enpν
2. Tentukanlah energi yang dilepas ketika mengalami tangkapan elektron. Diketahui massa dan adalah 7,016929u dan 7,0016004u. Be74Be74Li73
3. Inti meluruh ke inti dengan memancarkan beta negatif. Berapakah energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan. Diketahui massa dan adalah 22,994466u dan 22,989770u. Ne23Na23Ne23Na23
4. Inti atom K40 memancarkan partikel beta dengan energi 1,32 MeV. Tentukan jangkauan linier partikel beta di dalam air (ρair = 1 gr/cm3).
5. Inti memancarkan partikel beta dengan energi 0,546 MeV. Tentukan tebal bahan yang diperlukan untuk menahan semua radiasi beta tersebut jika bahan yang digunakan aluminium (ρSr90Al = 2,7 gr/cm3).
50
Sub-pokok Bahasan Meliputi:
• Peluruhan Beta
• Karakteristik Sinar Beta
6.1 PELURUHAN BETA
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Beta, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan konsep peluruhan beta negatif dan beta positif dan hakikat partikel beta
• Menjelaskan hipotesis neutrino dan anti-neutrino
• Menjelaskan proses tangkapan elektron oleh inti
• Menjelaskan dan menghitung energi dalam proses peluruhan beta
6.1.1 Peluruhan Beta
Dalam peluruhan beta, sebuah proton berubah menjadi inti atau sebaliknya. Jadi Z dan N masing-masinng berubah satu satuan, tetapi A tidak berubah.
Pada peluruhan beta, yang paling utama adalah sebuah netron meluruh menjadi sebuah proton dan sebuah elektron
epn+→
Ketika proses peluruhan ini pertama kali dipelajari, partikel yang dipancarkan disebut partikel beta, kemudian baru diketahui bahwa partikel itu adalah elektron.
Elektron yang dipancarkan pada peluruhan beta bukanlah elektron kulit atom dan juga bukan elektron yang semula berada dalam inti. Tetapi elektron ini diciptakan oleh inti dari energi yang ada. Jika ada beda energi diam sekurang-kurangnya , maka penciptaan elektron sangat mungkin terjadi. 2cme
6.1.2 Hipotesis Neutrino
Dari eksperimen yang telah dilakukan berkaitan dengan peluruhan beta ini, yaitu:
1. Spin intrinsik proto, netron dan elektron masing-masing bernilai ½. Jika terjadi peluruhan netron (spin ½), gabungan spin proton dan elektron hasil peluruhan bisa sejajar (spin total = 1) atau berlawanan (spin total 0), dan tidak ada kemungkinan
45
spin totalnya ½. Oleh karena itu, proses peluruhan ini tampaknya melanggar hukum kekekalan momentum sudut
2. Persoalan energi beta. Dari pengukuran elektron yang dipancarkan didapatkan bahwa spektrum energinya kontinyu dari 0 hingga nilai maksimum Ke(max). Menurut perhitungan dalam peluruhan netron, nilai . Persoalan distribusi energi yang kontinyu ini (karena adanya beberapa energi yang hilang), dicoba dipecahkan oleh para fisikawan eksperimen sebelum tahun 1930, tapi semuanya tidak berhasil. MeVcmmmQepn782,0)(2=−−=
Energi kinetik elektronJumlah elektron Ke (max)
Gambar 6.1. Grafik Distribusi Energi Partikel Beta
Pemecahan terhadap fenomena yang tampak melanggar hukum kekekalan momentum sudut dan energi ini ditemukan oleh Wolfgang Pauli. Ia mengusulkan bahwa ada partikel ketiga yang dipancarkan pada peluruhan beta ini. Partikel ketiga ini bermuatan elektrik nol dan memiliki spin ½. Hilangnya energi ini tidak lain adalah energi yang diambil partikel ini.
Partikel ini disebut neutrino (yang dalam bahasa Italia berarti netral kecil) dan diberi lambang ν. Neutrino ini memiliki massa diam nol. Neutrino ini juga memiliki anti partikel yang dinamakan antineutrino ν. Pada kenyataannya yang dipancarkan dalam peluruhan beta adalah antineutrino. Dengan demikian proses peluruhan beta secara lengkap adalah: ν++→−epn
Energi reaksi ini muncul sebagai energi kinetik elektron, energi antineutrino dan energi pental proton.
Proses peluruhan beta lainnya adalah peluruhan proton, yang reaksinya
ν++→+enp 46
+eadalah elektron positif atau positron yang merupakan antipartikel dari elektron. Positron memiliki massa sama dengan elektron, tetapi memiliki muatan elektrik yang berlawanan. Apabila positron bertemu dengan elektron, keduanya akan bergabung dan musnah. Proses ini dinamakan annihilasi. Energi keduanya berubah menjadi gelombang elektromagnetik.
Energi kinetik positron Jumlah positron Ke (max)
Gambar 6.2. Grafik Distribusi Energi Positron
6.1.3 Tangkapan Elektron
Salah satu proses peluruhan inti adalah tangkapan elektron (Electron capture, EC). Proses reaksinya adalah
ν+→+−nep
Di sini sebuah proton menagkap elektron dariorbitnya beralih menjadi sebuah netron ditambah sebuah neutrino. Elektron yang ditangkap ini adalah elektron terdalam sebuah atom, dan proses ini dicirikan dengan kulit asal elektronnya: tangkapan kulit K, kulit L, dan seterusnya. Tangkapan elektron ini tidak terjadi pada proton bebas, tetapi hanya proton yang ada di dalam inti.
6.1.4 Energi Peluruhan.
Peluruhan beta terjadi pada sebuah inti atom. Pada saat pemancaran , sebuah inti atom dengan Z proton dan N netron meluruh ke inti atom lain dengan Z + 1 proton dan N – 1 netron. −eν++→−−+eYXNAZNAZ11
Nilai Q dari peluruhan ini, dihitung dengan mengurangi massa-massa elektron (Zme)
47
2222)())1(()(cmmQQcmcmZmcZmmYXeeYeX−=+++−=− (6.1)
Massa elektron saling menghapuskan dalam perhitungan Q. Energi yang dilepas dalam peluruhan ini sebagai energi kinetik antineutrino, energi kinetik elektron dan sejumlah kecil energi kinetik inti. Elektron memiliki energi kinetik maksimum jika energi antineutrino hampir nol.
Sedangkan dalam pemancaran , proton inti berubah menjadi netron. Reaksinya dapat digambarkan +e
ν++→++−eYXNAZNAZ11
Nilai Q pada proses ini
2222)2())1(()(cmmmQQcmcmZmcZmmeYXeeYeX−−=++−−=− (6.2)
Sedang untuk tangkapan elektron, reaksinya
ν+→++−−11NAZNAZYeX
Dan nilai Q-nya
2222)())1(()(cmmQQcmZmcmcZmmYXeYeeX−=+−−=+− (6.3)
Contoh
Berapakah energi maksimum elektron yang teremisi dari peluruhan di dalam H −e
Jawab
Reaksi peluruhan veHeH++→−3231
MeVuMeVxuucmmQHeH0186,0/5,931)016030,3016050,3()(2=−=−=
Energi kinetik inti He bisa diabaikan karena terlalu kecil sehingga Ke terjadi pada saat Kv = 0, maka Ke = 0,0186 MeV
6.2 KARAKTERISTIK PARTIKEL BETA
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Karakteristik Partikel Beta, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan dan menghitung daya jangkau partikel beta di udara dan di bahan
• Mejelaskan dan menghitung daya ionisasi partikel beta
48
6.2.1 Daya Jangkau Sinar Beta
Sinar beta, baik elektron atau positron, keduanya termasuk kelompok partikel ringan bermuatan. Besar massa diam dan muatan elektriknya juga sama, hanya tandanya saja yang berlawanan. Kecepatan gerak di udara antara 0,32 c sampai 0,7 c. Jejak partikel beta ini berbelok-belok karena elektron ini mengalami hamburan di dalam bahan.
Energi rata-rata elektron ini (1/3) Kmax, sedangkan untuk positron 0,4 Kmax.
Panjang jangkaun partikel ini di medium dinyatakan dalam cm, namun kadang-kadang juga dinyatakan dalam bentuk ketebalan densitas (density thickness, dt) dengan satuan massa per satuan luas (mg/cm2) untuk menggantikan jarak atau ketebalan (d).
)/()()/(32cmmgxcmdcmmgdtρ= (6.4)
ρ adalah massa jenis medium.
Dengan sistem satuan ini, jangkauan partikel di dalam medium tidak lagi memperhatikan jenis bahan medium.
Perumusan matematis yang menunjukkan hubungan antara jangkauan dt dan energi maksimum Km (MeV) adalah sebagai berikut:
MeVKuntukKcmmgdMeVKuntukKcmmgdmmtmKmtm5,2106530)/(5,201,0412)/(2)ln(0954,0265,12>−=≤≤=− (6.5)
Contoh
Berapakah jangkauan linier partikel beta (dalam cm) dengan energi maksimum 2,86 MeV yang dipancarkan dari inti yang melewati aluminum. Mn5625
Jawab cmcmgrcmgddcmgcmmgxdAltt52,0/7,2/41,1/41,1/14106,1086,25303222=====−=ρ
6.2.2 Daya Ionisasi Partikel Beta
Mekanisme hilangnya partikel beta sama dengan mekanisme pada partikel alfa, yaitu diserap bahan yang dilewati untuk proses ionisasi dan eksistasi.
Partikel beta akan kehilangan energi 3,4 eV setiap pembentukan satu pasang ion. Namun karena partikel beta lebih kecil (sekitar 1/7300 dari massa partikel alfa) dan muatan yang lebih rendah (1/2 dari partikel alfa), maka konsekuensinya partikel beta dalam sepanjang jejaknya tidak memproduksi pasangan ion per cm sebanyak yang dibentuk
49
partikel alfa. Partikel beta dengan energi 3 MeV mempunyai jangkaun di udara lebih dari 1.000 cm namun hanya mampu menghasilkan beberapa pasangan ion per mm sepanjang jejaknya.
Ionisasi spesifik (Is) partikel beta di udara bervariasi dari 60 sampai 7.000 pasangan ion per cm. Ionisasi spesifik bernilai besar untuk partikel beta berenergi rendah, selanjutnya berkurang secara cepat untuk energi yang makin besar, hingga mencapai minimum pada energi sekitar 1 MeV. Ionisasi spesifik ini berlahan-lahan naik untuk energi lebih besar dari 1 MeV.
Persamaan ionisasi spesifik ditulis: WdxdKIs/= (6.6)
dK/dx adalah laju kehilangan energi akibat ionisasi dan eksitasi oleh partkel beta (MeV/cm) dan W adalah energi rata-rata untuk membentuk satu pasangan ion.
Satu hal yang menarik, karena partikel beta bermuatan listrik dan bergerak dengan kecepatan tinggi, apabila melintas dekat inti atom, maka gaya elektrostatik inti menyebabkan partikel beta membelok dengan tajam. Peristiwa ini menyebabkan partikel beta kehilangan energinya dengan memancarkan gelombang elektromagnetik yang dikenal sinar-X Bremsstrahlung.
Soal-soal:
1. Tentukan energi minimum suatu antineutrino yang menghasilkan reaksi ++→+enpν
2. Tentukanlah energi yang dilepas ketika mengalami tangkapan elektron. Diketahui massa dan adalah 7,016929u dan 7,0016004u. Be74Be74Li73
3. Inti meluruh ke inti dengan memancarkan beta negatif. Berapakah energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan. Diketahui massa dan adalah 22,994466u dan 22,989770u. Ne23Na23Ne23Na23
4. Inti atom K40 memancarkan partikel beta dengan energi 1,32 MeV. Tentukan jangkauan linier partikel beta di dalam air (ρair = 1 gr/cm3).
5. Inti memancarkan partikel beta dengan energi 0,546 MeV. Tentukan tebal bahan yang diperlukan untuk menahan semua radiasi beta tersebut jika bahan yang digunakan aluminium (ρSr90Al = 2,7 gr/cm3).
50
peluruhan alpha
5.1.1 Peluruhan Alfa
Peluruhan alfa adalah emisi partikel alfa (inti helium) yang dapat dituliskan sebagai He atau 42α. Ketika sebuah inti tak stabil mengeluarkan sebuah partikel alfa, nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat. Peluruhan alfa dapat ditulis: 42
α4242+→−−YXAZAZ
Sebagai contoh meluruh dan mengeluarkan sebuah partikel alfa U234
α+→ThU2309023492
5.1.2 Energi Peluruhan Alfa
Dalam peluruhan dibebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat dari pada inti semula. Energi yang dibebaskan muncul sebagai energi kinetik partikel alfa dan energi kinetik inti anak (inti hasil) , yang dapat dihitung dengan persamaan: αKYK
(5.1) 2)(cmmmQYXα−−=
Karena energi yang dilepas muncul sebagai energi kinetik, maka:
(5.2) αKKQY+=
Dengan asumsi kita memilih kerangka acauan laboratorium (dijelaskan pada reaksi inti). Selanjutnya, kita dapat menghitung energi kinetik alfa dengan persamaan:
QAAK4−≅α (5.3)
39
5.1.3 Teori Peluruhan Alfa
Peluruhan alfa merupakan salah satu peristiwa efek trobosan (tunneling effect), seperti dibahas dalam mekanika kuantum.
Diasumsikan dua netron dan dua proton yang berada dalam inti membentuk partikel alfa. Dua proton dan dua netron ini bergerak terus di dalam inti, yang kadang-kadang bergabung dan terkadang berpisah. Di dalam inti partikel alfa terikat oleh gaya inti yang sangat kuat. Tetapi jika partikel alfa inti bergerak lebih jauh dari jari-jari inti ia akan segera merasakan tolakan gaya Coulomb.
Energi x R EαPartikel α
Gambar 5.1 Potensial Inti dan Proses Efek Trobosan Oleh Partikel Alfa
Tinggi potensial halang dalam inti berat sekitar 30 MeV sampai 40 MeV, sementara partikel alfa hanya memiliki energi sekitar 4 sampai 8 MeV. Jadi, secara klasik partikel alfa tidak akan mengkin menerobos potensial Coulomb yang begitu besar.
Namun, dalam mekanika kuantum, penerobosan seperti itu diijinkan. Terdapat peluang partikel alfa untuk menerobos “dinding yang begitu tebal dan kuat”
Probabilitas persatuan waktu λ.bagi partikel alfa untuk muncul adalah probabilitas menerobos potensial halang dikalikan banyaknya partikel alfa menumbuk penghalang per detik dalam usahanya untuk keluar. Jika partkel alfa bergerak dengan laju ν di dalam sebuah inti berjari-jari R, maka selang waktu yang dibutuhkan untuk menumbuk penghalang bolak-balik dalam inti sebesar ν/2R. Inti berat nilai R sekitar 6 fm, maka partikel alfa menumbuk dinding inti berat sebesar 1022 kali per detik.
Taksiran kasar probabiltas peluruhan alfa, berdasarkan mekanika kuantum adalah
40
)(2RRkeRv−′−=λ (5.4)
Dengan 2/))(/2(2αKVmkB−=, VB merupakan tinggi maksimum penghalang atau merupakan energi Coulomb partikel alfa pada permukaan inti atom, yang besarnya , dan . Jika persamaan diatas dihitung, maka akan didapatkan nilai antara 10ReZVB024/)2(2πε−=απεKezR024/)2(2−=′5 /s hingga 10-21/s, lumayan sama dengan hasil eksperimen.
Berdasarkan data eksperimen, usia paro peluruhan alfa ada ketergantungan dengan energi artikel alfa. Semakin besar energi partikel alfa, waktu paro nya semakin cepat dan sebaliknya. Dikusikanlah masalah ini!
Tabel 5.1 Hubungan Energi Kinatik Alfa Dengan Waktu Paro
Isotop αK (MeV) 2/1t λ (1/s)
4,01
1,4 x 1010 thn
1,6 x 10-18
U238
4,19
4,5 x 109 thn
4,9 x 10-18
Th230
4,69
8,0 x 104 thn
2,8 x 10-13
Pu238
5,50
88 thn
2,5 x 10-10
U230
5,89
20,8 hari
3,9 x 10-7
Rn220
6,29
56 s
1,2 x 10-2
Ac222
7,01
5 s
0,14
Rn216
8,05
45 sμ
1,5 x 104
Po212
8,78
0,3 sμ
2,3 x 106
5.2 KARAKTERISTIK PARTIKEL ALFA
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Karakteristik Partikel Alfa, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan dan menghitung daya jangkau partikel alfa di udara dan di bahan
• Menjelaskan dan menghitung daya ionisasi partikel alfa
5.2.1 Daya Jangkau Partikel Alfa
Berdasarkan hasil eksperimen diketahui bahwa kecepatan gerak partikel alfa berkisar antara 0,054 c hingga 0,07 c. Karena massa partikel alfa cukup besar, yaitu 4 u, maka 41
jangkauan partikel alfa sangat pendek.partikel alfa dengan energi paling tinggi, jangkauannya di udara hanya beberapa cm. Sedangkan dalam bahan hanya beberapa mikron.
Partikel alfa yang dipancarkan oleh sumber radioaktif memiliki energi tunggal (mono-energetic). Bertambah tebalnya bahan hanya akan mengurangi energi partikel alfa yang melintas, tetapi tidak megurangi jumlah partikel alfa itu sendiri.
Pengujian jejak partikel alfa dengan kamar kabut Wilson, menunjukkan bahwa sebagian besar partikel alfa memiliki jangkauan yang sama di dalam gas dan bergerak dengan jejak lurus.
Jangkauan partikel alfa biasanya diukur di udara pada suhu 0 C dan tekanan 70 mmHg dan dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut.
MeVEMeVExcmdMeVEMeVExcmd8462,2)(24,1)(4)(56,0)(<<−=<= (5.5)
Sedangkan jangkauannya dalam medium (dm) selain udara didefinisikan dengan pendekatan persamaan Bragg-Kleeman sebagai berikut: dAxdmmmρ4102,3−= (5.6)
dengan ......22112211++++=AnAnAnAnAm
mρadalah massa jenis medium (gr/cm3)
Ni fraksi atom dari unsur i
Ai berat atom unsur i
Contoh
Berapak jangkauan partikel alfa dengan energi 4,195 MeV di dalam molekul UO2 dengan masaa jenis 10,9 gr/cm3. Diketahui massa atom U dan O masing-masing 238 dan 16
Jawab
Molekul UO2 terdiri atas 3 atom (1 U dan 2 O), sehingga fraksi atom untuk U, n =1/3 dan untuk O, n = 2/3 52,1116)3/2(238)3/1()16)(3/2()238)(3/1(2=++=UOA
Jangkauan partikel alfa di udara d = 1,24 x 4,195 – 2,62 = 2,58 cm 42
Maka jangkau partikel alfa di dalam molekul UO2 cmxxdUO441073,89,10)52,11(102,32−−==
5.2.2 Daya Ionisasi
Mekanisme utama hilangnya energi partikel alfa adalah melalui ionisasi dan eksitasi. Dalam udara partikel alfa rata-rata kehilangan energi sebesar 3,5 eV untuk menghasilkan pasangan ion (p, e). Sementara eksitasi terjadi ketika energi yang ditransfer ke elektron atom medium, tidak cukup untuk melepaskan elektron dari pengaruh ikatan inti.
Partikel alfa bergerak cukup pelan karena massanya yang relatif besar. Karena muatannya juga besar (2e), maka ionisasi spesifik sangat tinggi. Ionisasi sepisifik adalah banyaknya pasangan ion yang terbentuk per satuan panjang lintasan. Pasangan ion yang terbentuk dalam orde puluhan ribu paangan ion per centimeter lintasan di udara.
Ionisasi spesifik (Is) dirumuskan: )/(.)(cmionpasangandWKcmjangkaunionPasanganIsαα==Σ (5.7)
αK adalah energi partikel alfa (eV) dan W adalah energi yang diperlukan untuk membentuk 1 pasang ion di udara, 35 eV/pasang
Energi partikel alfa (MeV) Pasangan ion per mm-udara 2610 4.000 8.000
Gambar 5.2 Kurva Bragg untuk Ionisasi Spesifik Partikel Alfa di Udara
43
Contoh
Berapa jumlah pasangan ion per cm di udara yang dihasilkan oleh partikel alfa dengan energi 4,5 MeV
Jawab
Jangkaun alfa di udara d = 1,24 x 4,5 – 2,62 = 2,96 cm
Jumlah pasngan ion per cm cmionpasangcmxeVeVxIs/436.4396,235105,46==
Peluruhan alfa adalah emisi partikel alfa (inti helium) yang dapat dituliskan sebagai He atau 42α. Ketika sebuah inti tak stabil mengeluarkan sebuah partikel alfa, nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat. Peluruhan alfa dapat ditulis: 42
α4242+→−−YXAZAZ
Sebagai contoh meluruh dan mengeluarkan sebuah partikel alfa U234
α+→ThU2309023492
5.1.2 Energi Peluruhan Alfa
Dalam peluruhan dibebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat dari pada inti semula. Energi yang dibebaskan muncul sebagai energi kinetik partikel alfa dan energi kinetik inti anak (inti hasil) , yang dapat dihitung dengan persamaan: αKYK
(5.1) 2)(cmmmQYXα−−=
Karena energi yang dilepas muncul sebagai energi kinetik, maka:
(5.2) αKKQY+=
Dengan asumsi kita memilih kerangka acauan laboratorium (dijelaskan pada reaksi inti). Selanjutnya, kita dapat menghitung energi kinetik alfa dengan persamaan:
QAAK4−≅α (5.3)
39
5.1.3 Teori Peluruhan Alfa
Peluruhan alfa merupakan salah satu peristiwa efek trobosan (tunneling effect), seperti dibahas dalam mekanika kuantum.
Diasumsikan dua netron dan dua proton yang berada dalam inti membentuk partikel alfa. Dua proton dan dua netron ini bergerak terus di dalam inti, yang kadang-kadang bergabung dan terkadang berpisah. Di dalam inti partikel alfa terikat oleh gaya inti yang sangat kuat. Tetapi jika partikel alfa inti bergerak lebih jauh dari jari-jari inti ia akan segera merasakan tolakan gaya Coulomb.
Energi x R EαPartikel α
Gambar 5.1 Potensial Inti dan Proses Efek Trobosan Oleh Partikel Alfa
Tinggi potensial halang dalam inti berat sekitar 30 MeV sampai 40 MeV, sementara partikel alfa hanya memiliki energi sekitar 4 sampai 8 MeV. Jadi, secara klasik partikel alfa tidak akan mengkin menerobos potensial Coulomb yang begitu besar.
Namun, dalam mekanika kuantum, penerobosan seperti itu diijinkan. Terdapat peluang partikel alfa untuk menerobos “dinding yang begitu tebal dan kuat”
Probabilitas persatuan waktu λ.bagi partikel alfa untuk muncul adalah probabilitas menerobos potensial halang dikalikan banyaknya partikel alfa menumbuk penghalang per detik dalam usahanya untuk keluar. Jika partkel alfa bergerak dengan laju ν di dalam sebuah inti berjari-jari R, maka selang waktu yang dibutuhkan untuk menumbuk penghalang bolak-balik dalam inti sebesar ν/2R. Inti berat nilai R sekitar 6 fm, maka partikel alfa menumbuk dinding inti berat sebesar 1022 kali per detik.
Taksiran kasar probabiltas peluruhan alfa, berdasarkan mekanika kuantum adalah
40
)(2RRkeRv−′−=λ (5.4)
Dengan 2/))(/2(2αKVmkB−=, VB merupakan tinggi maksimum penghalang atau merupakan energi Coulomb partikel alfa pada permukaan inti atom, yang besarnya , dan . Jika persamaan diatas dihitung, maka akan didapatkan nilai antara 10ReZVB024/)2(2πε−=απεKezR024/)2(2−=′5 /s hingga 10-21/s, lumayan sama dengan hasil eksperimen.
Berdasarkan data eksperimen, usia paro peluruhan alfa ada ketergantungan dengan energi artikel alfa. Semakin besar energi partikel alfa, waktu paro nya semakin cepat dan sebaliknya. Dikusikanlah masalah ini!
Tabel 5.1 Hubungan Energi Kinatik Alfa Dengan Waktu Paro
Isotop αK (MeV) 2/1t λ (1/s)
4,01
1,4 x 1010 thn
1,6 x 10-18
U238
4,19
4,5 x 109 thn
4,9 x 10-18
Th230
4,69
8,0 x 104 thn
2,8 x 10-13
Pu238
5,50
88 thn
2,5 x 10-10
U230
5,89
20,8 hari
3,9 x 10-7
Rn220
6,29
56 s
1,2 x 10-2
Ac222
7,01
5 s
0,14
Rn216
8,05
45 sμ
1,5 x 104
Po212
8,78
0,3 sμ
2,3 x 106
5.2 KARAKTERISTIK PARTIKEL ALFA
TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS:
Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Karakteristik Partikel Alfa, mahasiswa diharapkan dapat:
• Menjelaskan dan menghitung daya jangkau partikel alfa di udara dan di bahan
• Menjelaskan dan menghitung daya ionisasi partikel alfa
5.2.1 Daya Jangkau Partikel Alfa
Berdasarkan hasil eksperimen diketahui bahwa kecepatan gerak partikel alfa berkisar antara 0,054 c hingga 0,07 c. Karena massa partikel alfa cukup besar, yaitu 4 u, maka 41
jangkauan partikel alfa sangat pendek.partikel alfa dengan energi paling tinggi, jangkauannya di udara hanya beberapa cm. Sedangkan dalam bahan hanya beberapa mikron.
Partikel alfa yang dipancarkan oleh sumber radioaktif memiliki energi tunggal (mono-energetic). Bertambah tebalnya bahan hanya akan mengurangi energi partikel alfa yang melintas, tetapi tidak megurangi jumlah partikel alfa itu sendiri.
Pengujian jejak partikel alfa dengan kamar kabut Wilson, menunjukkan bahwa sebagian besar partikel alfa memiliki jangkauan yang sama di dalam gas dan bergerak dengan jejak lurus.
Jangkauan partikel alfa biasanya diukur di udara pada suhu 0 C dan tekanan 70 mmHg dan dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut.
MeVEMeVExcmdMeVEMeVExcmd8462,2)(24,1)(4)(56,0)(<<−=<= (5.5)
Sedangkan jangkauannya dalam medium (dm) selain udara didefinisikan dengan pendekatan persamaan Bragg-Kleeman sebagai berikut: dAxdmmmρ4102,3−= (5.6)
dengan ......22112211++++=AnAnAnAnAm
mρadalah massa jenis medium (gr/cm3)
Ni fraksi atom dari unsur i
Ai berat atom unsur i
Contoh
Berapak jangkauan partikel alfa dengan energi 4,195 MeV di dalam molekul UO2 dengan masaa jenis 10,9 gr/cm3. Diketahui massa atom U dan O masing-masing 238 dan 16
Jawab
Molekul UO2 terdiri atas 3 atom (1 U dan 2 O), sehingga fraksi atom untuk U, n =1/3 dan untuk O, n = 2/3 52,1116)3/2(238)3/1()16)(3/2()238)(3/1(2=++=UOA
Jangkauan partikel alfa di udara d = 1,24 x 4,195 – 2,62 = 2,58 cm 42
Maka jangkau partikel alfa di dalam molekul UO2 cmxxdUO441073,89,10)52,11(102,32−−==
5.2.2 Daya Ionisasi
Mekanisme utama hilangnya energi partikel alfa adalah melalui ionisasi dan eksitasi. Dalam udara partikel alfa rata-rata kehilangan energi sebesar 3,5 eV untuk menghasilkan pasangan ion (p, e). Sementara eksitasi terjadi ketika energi yang ditransfer ke elektron atom medium, tidak cukup untuk melepaskan elektron dari pengaruh ikatan inti.
Partikel alfa bergerak cukup pelan karena massanya yang relatif besar. Karena muatannya juga besar (2e), maka ionisasi spesifik sangat tinggi. Ionisasi sepisifik adalah banyaknya pasangan ion yang terbentuk per satuan panjang lintasan. Pasangan ion yang terbentuk dalam orde puluhan ribu paangan ion per centimeter lintasan di udara.
Ionisasi spesifik (Is) dirumuskan: )/(.)(cmionpasangandWKcmjangkaunionPasanganIsαα==Σ (5.7)
αK adalah energi partikel alfa (eV) dan W adalah energi yang diperlukan untuk membentuk 1 pasang ion di udara, 35 eV/pasang
Energi partikel alfa (MeV) Pasangan ion per mm-udara 2610 4.000 8.000
Gambar 5.2 Kurva Bragg untuk Ionisasi Spesifik Partikel Alfa di Udara
43
Contoh
Berapa jumlah pasangan ion per cm di udara yang dihasilkan oleh partikel alfa dengan energi 4,5 MeV
Jawab
Jangkaun alfa di udara d = 1,24 x 4,5 – 2,62 = 2,96 cm
Jumlah pasngan ion per cm cmionpasangcmxeVeVxIs/436.4396,235105,46==
Kamis, 30 Desember 2010
radioaktifitas
RADIOAKTIVITAS
RINGKASAN
Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi
menjadi inti yang stabil. Materi yang mengandung inti tak-stabil yang memancarkan radiasi,
disebut zat radioaktif. Besarnya radioaktivitas suatu unsur radioaktif (radionuklida) ditentukan
oleh konstanta peluruhan (l), yang menyatakan laju peluruhan tiap detik, dan waktu paro
(t½). Kedua besaran tersebut bersifat khas untuk setiap radionuklida. Berdasarkan
sumbernya, radioaktivitas dibedakan atas radioaktivitas alam dan radioaktivitas buatan.
Radioaktivitas buatan banyak digunakan di berbagai bidang.
URAIAN
1. Definisi radioaktivitas
Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi dan
berubah menjadi inti stabil. Proses perubahan ini disebut peluruhan dan inti atom yang takstabil
disebut radionuklida. Materi yang mengandung radionuklida disebut zat radioaktif.
Peluruhan ialah perubahan inti atom yang tak-stabil menjadi inti atom yang lain, atau
berubahnya suatu unsur radioaktif menjadi unsur yang lain.
Radioaktivitas ditemukan oleh H. Becquerel pada tahun 1896. Becquerel menamakan radiasi
dengan uranium. Dua tahun setelah itu, Marie Curie meneliti radiasi uranium dengan
menggunakan alat yang dibuat oleh Pierre Curie, yaitu pengukur listrik piezo (lempengan
kristal yang biasanya digunakan untuk pengukuran arus listrik lemah), dan Marie Curie
berhasil membuktikan bahwa kekuatan radiasi uranium sebanding dengan jumlah kadar
uranium yang dikandung dalam campuran senyawa uranium. Disamping itu, Marie Curie juga
menemukan bahwa peristiwa peluruhan tersebut tidak dipengaruhi oleh suhu atau tekanan,
dan radiasi uranium dipancarkan secara spontan dan terus menerus tanpa bisa dikendalikan.
Marie Curie juga meneliti campuran senyawa lain, dan menemukan bahwa campuran
senyawa thorium juga memancarkan radiasi yang sama dengan campuran senyawa uranium,
dan sifat pemancaran radiasi seperti ini diberi nama radioaktivitas.
Pada tahun 1898, ia menemukan unsur baru yang sifatnya mirip dengan bismut. Unsur baru
ini dinamakan polonium diambil dari nama negara asal Marie Curie, yaitu Polandia. Setelah
itu H. Becquerel dan Marie Curie melanjutkan penelitiannya dengan menganalisis pitch blend
(bijih uranium). Mereka berpendapat bahwa di dalam pitch blend terdapat unsur yang
radioaktivitasnya lebih kuat daripada uranium atau polonium. Pada tahun yang sama mereka
mengumumkan bahwa ada unsur radioaktif yang sifatnya mirip dengan barium. Unsur baru ini
dinamakan radium (Ra), yang artinya benda yang memancarkan radiasi. Detail dari
penemuan ini dapat dilihat pada pokok bahasan tentang Penemuan Radioaktivitas Alam.
2. Waktu Paro
Waktu paro (t½) adalah waktu yang diperlukan oleh suatu radionuklida untuk meluruh
sehingga jumlahnya tinggal setengahnya. Radiasi radionuklida mempunyai sifat yang khas
(unik) untuk masing-masing inti. Peristiwa pemancaran radiasi suatu radionuklida sulit untuk
ditentukan, tetapi untuk sekumpulan inti yang sama, kebolehjadian peluruhannya dapat
diperkirakan. Waktu paro bersifat khas terhadap setiap jenis inti.
Laju pancaran radiasi dalam satuan waktu disebut konstanta peluruhan (l) dan secara
matematik hubungan antara l dan t½ dinyatakan dengan
l = 0,693/ t½
3. Radioaktivitas alam dan buatan
Berdasarkan asalnya, radioaktivitas dikelompokkan menjadi radioaktivitas alam, dan
radioaktivitas buatan, yaitu hasil kegiatan yang dilakukan manusia. Dalam radioaktivitas alam,
ada yang berasal dari alam dan dari radiasi kosmik. Radioaktivitas buatan dipancarkan oleh
radioisotop yang sengaja dibuat manusia, dan berbagai jenis radionuklida dibuat sesuai
dengan penggunaannya.
4. Radioaktivitas alam
4.1 Radioaktivitas primordial
Pada litosfer, banyak terdapat inti radioaktif yang sudah ada bersamaan dengan terjadinya
bumi, yang tersebar secara luas yang disebut radionuklida alam. Radionuklida alam banyak
terkandung dalam berbagai macam materi dalam lingkungan, misalnya dalam air, tumbuhan,
kayu, bebatuan, dan bahan bangunan.
Radionuklida primordial dapat ditemukan juga di dalam tubuh mausia. Terutama radioisotop
yang terkandung dalam kalium alam. Uraian lengkap mengenai radioaktivitas alam dijelaskan
pada pokok bahasan "inti radioaktif alam (08-01-01-02)".
4.2 Radioaktivitas yang berasal dari radiasi kosmik
Pada saat radiasi kosmik masuk ke dalam atmosfer bumi, terjadi interaksi dengan inti atom
yang ada di udara menghasilkan berbagai macam radionuklida. Yang paling banyak
dihasilkan adalah H-3 dan C-14.
Kecepatan peluruhan dan kecepatan pembentukan radionuklida seimbang, sehingga secara
teoritis jumlahnya di alam adalah tetap. Berdasarkan fenomena tersebut, maka dengan
mengukur kelimpahan C-14 yang ada dalam suatu benda, dapat ditentukan umur dari benda
tersebut dan metode penentuan umur ini dinamakan penanggalan karbon (Carbon Dating).
5. Radioaktivitas Buatan
5.1. Radioaktivitas yang berhubungan dengan pembangkit listrik tenaga nuklir
Energi yang dihasilkan oleh proses peluruhan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik
tenaga nuklir. Dalam instalasi pembangkit listrik tenaga nuklir, faktor keselamatan radiasi
menjadi prioritas yang utama, dan dengan berkembangnya teknologi pembangkit listrik
tenaga nuklir, maka tingkat keselamatan radiasinya pun semakin tinggi.
5.2. Radioaktivitas akibat percobaan senjata nuklir
Radioaktivitas yang berasal dari jatuhan radioaktif akibat percobaan senjata nuklir disebut fall
out. Tingkat radioaktivitas dari fall out yang paling tinggi terjadi pada tahun 1963 dan setelah
itu jumlahnya terus menurun. Hal itu disebabkan pada tahun 1962 Amerika dan Rusia
mengakhiri percobaan senjata nuklir di udara.
5.3. Radioaktivitas dalam kedokteran
Radioaktivitas yang berasal dari radioisotop dalam bidang kedokteran digunakan misalnya
untuk diagnosis, terapi, dan sterilisasi alat kedokteran. Uraian lengkap dari penggunaan
radioaktivitas di bidang kedokteran dapat dibaca pada pokok bahasan penggunaan radiasi
dalam bidang kedokteran.
5.4. Radioaktivitas dalam rekayasa teknologi
Penggunaan radiasi dalam bidang pengukuran (gauging), analisis struktur materi,
pengembangan bahan-bahan baru, dan sebagai sumber energi dibahas dalam pokok
bahasan penggunaan radiasi dalam rekayasa teknologi.
5.5. Radioaktivitas dalam bidang pertanian
Penggunaannya dalam bioteknologi, pembasmian serangga atau penyimpanan bahan
pangan, dan teknologi pelestarian lingkungan dibahas dalam pokok bahasan penggunaan
radiasi dalam produksi pertanian, kehutanan dan laut.
Sumber : www.batan.go.id
RINGKASAN
Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi
menjadi inti yang stabil. Materi yang mengandung inti tak-stabil yang memancarkan radiasi,
disebut zat radioaktif. Besarnya radioaktivitas suatu unsur radioaktif (radionuklida) ditentukan
oleh konstanta peluruhan (l), yang menyatakan laju peluruhan tiap detik, dan waktu paro
(t½). Kedua besaran tersebut bersifat khas untuk setiap radionuklida. Berdasarkan
sumbernya, radioaktivitas dibedakan atas radioaktivitas alam dan radioaktivitas buatan.
Radioaktivitas buatan banyak digunakan di berbagai bidang.
URAIAN
1. Definisi radioaktivitas
Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi dan
berubah menjadi inti stabil. Proses perubahan ini disebut peluruhan dan inti atom yang takstabil
disebut radionuklida. Materi yang mengandung radionuklida disebut zat radioaktif.
Peluruhan ialah perubahan inti atom yang tak-stabil menjadi inti atom yang lain, atau
berubahnya suatu unsur radioaktif menjadi unsur yang lain.
Radioaktivitas ditemukan oleh H. Becquerel pada tahun 1896. Becquerel menamakan radiasi
dengan uranium. Dua tahun setelah itu, Marie Curie meneliti radiasi uranium dengan
menggunakan alat yang dibuat oleh Pierre Curie, yaitu pengukur listrik piezo (lempengan
kristal yang biasanya digunakan untuk pengukuran arus listrik lemah), dan Marie Curie
berhasil membuktikan bahwa kekuatan radiasi uranium sebanding dengan jumlah kadar
uranium yang dikandung dalam campuran senyawa uranium. Disamping itu, Marie Curie juga
menemukan bahwa peristiwa peluruhan tersebut tidak dipengaruhi oleh suhu atau tekanan,
dan radiasi uranium dipancarkan secara spontan dan terus menerus tanpa bisa dikendalikan.
Marie Curie juga meneliti campuran senyawa lain, dan menemukan bahwa campuran
senyawa thorium juga memancarkan radiasi yang sama dengan campuran senyawa uranium,
dan sifat pemancaran radiasi seperti ini diberi nama radioaktivitas.
Pada tahun 1898, ia menemukan unsur baru yang sifatnya mirip dengan bismut. Unsur baru
ini dinamakan polonium diambil dari nama negara asal Marie Curie, yaitu Polandia. Setelah
itu H. Becquerel dan Marie Curie melanjutkan penelitiannya dengan menganalisis pitch blend
(bijih uranium). Mereka berpendapat bahwa di dalam pitch blend terdapat unsur yang
radioaktivitasnya lebih kuat daripada uranium atau polonium. Pada tahun yang sama mereka
mengumumkan bahwa ada unsur radioaktif yang sifatnya mirip dengan barium. Unsur baru ini
dinamakan radium (Ra), yang artinya benda yang memancarkan radiasi. Detail dari
penemuan ini dapat dilihat pada pokok bahasan tentang Penemuan Radioaktivitas Alam.
2. Waktu Paro
Waktu paro (t½) adalah waktu yang diperlukan oleh suatu radionuklida untuk meluruh
sehingga jumlahnya tinggal setengahnya. Radiasi radionuklida mempunyai sifat yang khas
(unik) untuk masing-masing inti. Peristiwa pemancaran radiasi suatu radionuklida sulit untuk
ditentukan, tetapi untuk sekumpulan inti yang sama, kebolehjadian peluruhannya dapat
diperkirakan. Waktu paro bersifat khas terhadap setiap jenis inti.
Laju pancaran radiasi dalam satuan waktu disebut konstanta peluruhan (l) dan secara
matematik hubungan antara l dan t½ dinyatakan dengan
l = 0,693/ t½
3. Radioaktivitas alam dan buatan
Berdasarkan asalnya, radioaktivitas dikelompokkan menjadi radioaktivitas alam, dan
radioaktivitas buatan, yaitu hasil kegiatan yang dilakukan manusia. Dalam radioaktivitas alam,
ada yang berasal dari alam dan dari radiasi kosmik. Radioaktivitas buatan dipancarkan oleh
radioisotop yang sengaja dibuat manusia, dan berbagai jenis radionuklida dibuat sesuai
dengan penggunaannya.
4. Radioaktivitas alam
4.1 Radioaktivitas primordial
Pada litosfer, banyak terdapat inti radioaktif yang sudah ada bersamaan dengan terjadinya
bumi, yang tersebar secara luas yang disebut radionuklida alam. Radionuklida alam banyak
terkandung dalam berbagai macam materi dalam lingkungan, misalnya dalam air, tumbuhan,
kayu, bebatuan, dan bahan bangunan.
Radionuklida primordial dapat ditemukan juga di dalam tubuh mausia. Terutama radioisotop
yang terkandung dalam kalium alam. Uraian lengkap mengenai radioaktivitas alam dijelaskan
pada pokok bahasan "inti radioaktif alam (08-01-01-02)".
4.2 Radioaktivitas yang berasal dari radiasi kosmik
Pada saat radiasi kosmik masuk ke dalam atmosfer bumi, terjadi interaksi dengan inti atom
yang ada di udara menghasilkan berbagai macam radionuklida. Yang paling banyak
dihasilkan adalah H-3 dan C-14.
Kecepatan peluruhan dan kecepatan pembentukan radionuklida seimbang, sehingga secara
teoritis jumlahnya di alam adalah tetap. Berdasarkan fenomena tersebut, maka dengan
mengukur kelimpahan C-14 yang ada dalam suatu benda, dapat ditentukan umur dari benda
tersebut dan metode penentuan umur ini dinamakan penanggalan karbon (Carbon Dating).
5. Radioaktivitas Buatan
5.1. Radioaktivitas yang berhubungan dengan pembangkit listrik tenaga nuklir
Energi yang dihasilkan oleh proses peluruhan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik
tenaga nuklir. Dalam instalasi pembangkit listrik tenaga nuklir, faktor keselamatan radiasi
menjadi prioritas yang utama, dan dengan berkembangnya teknologi pembangkit listrik
tenaga nuklir, maka tingkat keselamatan radiasinya pun semakin tinggi.
5.2. Radioaktivitas akibat percobaan senjata nuklir
Radioaktivitas yang berasal dari jatuhan radioaktif akibat percobaan senjata nuklir disebut fall
out. Tingkat radioaktivitas dari fall out yang paling tinggi terjadi pada tahun 1963 dan setelah
itu jumlahnya terus menurun. Hal itu disebabkan pada tahun 1962 Amerika dan Rusia
mengakhiri percobaan senjata nuklir di udara.
5.3. Radioaktivitas dalam kedokteran
Radioaktivitas yang berasal dari radioisotop dalam bidang kedokteran digunakan misalnya
untuk diagnosis, terapi, dan sterilisasi alat kedokteran. Uraian lengkap dari penggunaan
radioaktivitas di bidang kedokteran dapat dibaca pada pokok bahasan penggunaan radiasi
dalam bidang kedokteran.
5.4. Radioaktivitas dalam rekayasa teknologi
Penggunaan radiasi dalam bidang pengukuran (gauging), analisis struktur materi,
pengembangan bahan-bahan baru, dan sebagai sumber energi dibahas dalam pokok
bahasan penggunaan radiasi dalam rekayasa teknologi.
5.5. Radioaktivitas dalam bidang pertanian
Penggunaannya dalam bioteknologi, pembasmian serangga atau penyimpanan bahan
pangan, dan teknologi pelestarian lingkungan dibahas dalam pokok bahasan penggunaan
radiasi dalam produksi pertanian, kehutanan dan laut.
Sumber : www.batan.go.id
Senin, 27 Desember 2010
konversi cahaya matahari menjadi listrik
Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p.
Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.
Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor.
Misal semikonduktor intrinsik yang dimaksud ialah silikon (Si). Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam Si. Unsur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen (N), fosfor (P) atau arsen (As) ke dalam Si. Dari sini, tambahan elektron dapat diperoleh. Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak mengandung unsur tambahan. Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan dengan berat Si yang hendak di-doping.
Dua jenis semikonduktor n dan p ini jika disatukan akan membentuk sambungan p-n atau dioda p-n (istilah lain menyebutnya dengan sambungan metalurgi / metallurgical junction) yang dapat digambarkan sebagai berikut.
1. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung.
2. Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n. Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan awal.
3. Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan positif..
Pada saat yang sama. hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.
4. Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W.
5. Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda.
6.
Dikarenakan adanya perbedaan muatan positif dan negatif di daerah deplesi, maka timbul dengan sendirinya medan listrik internal E dari sisi positif ke sisi negatif, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p dan elektron ke semikonduktor n. Medan listrik ini cenderung berlawanan dengan perpindahan hole maupun elektron pada awal terjadinya daerah deplesi (nomor 1 di atas).
7.
Adanya medan listrik mengakibatkan sambungan pn berada pada titik setimbang, yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari semikonduktor p ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali kearah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan jumlah elektron yang berpindah dari smikonduktor n ke p, dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan medan listrik E. Dengan kata lain, medan listrik E mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu ke semiikonduktor yang lain.
Pada sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik terjadi.
Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambungan p yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p.
Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.
Cahaya matahari dengan panjang gelombang (dilambangkan dengan simbol “lambda” sbgn di gambar atas ) yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula.
Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n.
Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p.
Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.
Pada umumnya, untuk memperkenalkan cara kerja sel surya secara umum, ilustrasi di bawah ini menjelaskan segalanya tentang proses konversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
Bagaimana cara membuat sel surya dapat dilihat di artikel Pembuatan Sel Surya Silikon : Sang Primadona
Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.
Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor.
Misal semikonduktor intrinsik yang dimaksud ialah silikon (Si). Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam Si. Unsur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen (N), fosfor (P) atau arsen (As) ke dalam Si. Dari sini, tambahan elektron dapat diperoleh. Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak mengandung unsur tambahan. Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan dengan berat Si yang hendak di-doping.
Dua jenis semikonduktor n dan p ini jika disatukan akan membentuk sambungan p-n atau dioda p-n (istilah lain menyebutnya dengan sambungan metalurgi / metallurgical junction) yang dapat digambarkan sebagai berikut.
1. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung.
2. Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n. Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan awal.
3. Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan positif..
Pada saat yang sama. hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.
4. Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W.
5. Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda.
6.
Dikarenakan adanya perbedaan muatan positif dan negatif di daerah deplesi, maka timbul dengan sendirinya medan listrik internal E dari sisi positif ke sisi negatif, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p dan elektron ke semikonduktor n. Medan listrik ini cenderung berlawanan dengan perpindahan hole maupun elektron pada awal terjadinya daerah deplesi (nomor 1 di atas).
7.
Adanya medan listrik mengakibatkan sambungan pn berada pada titik setimbang, yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari semikonduktor p ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali kearah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan jumlah elektron yang berpindah dari smikonduktor n ke p, dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan medan listrik E. Dengan kata lain, medan listrik E mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu ke semiikonduktor yang lain.
Pada sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik terjadi.
Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambungan p yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p.
Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.
Cahaya matahari dengan panjang gelombang (dilambangkan dengan simbol “lambda” sbgn di gambar atas ) yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula.
Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n.
Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p.
Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.
Pada umumnya, untuk memperkenalkan cara kerja sel surya secara umum, ilustrasi di bawah ini menjelaskan segalanya tentang proses konversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
Bagaimana cara membuat sel surya dapat dilihat di artikel Pembuatan Sel Surya Silikon : Sang Primadona
divais semikonduktor
Pembahasan tentang divais semikonduktor tentunya tidak bisa lepas dari material semikonduktor itu sendiri sebagai bahan dasar pembuatan divais tersebut. Silikon (Si) dengan persediaan yang berlimpah di bumi dan dengan teknologi pembuatan kristalnya yang sudah mapan, telah menjadi pilihan dalam teknologi semikonduktor. Silikon very large scale integration (VLSI) telah membuka era baru dalam dunia elektronika di abad ke-20 ini. Kebutuhan akan kecepatan yang lebih tinggi dan unjuk kerja yang lebih baik dari komputer telah mendorong teknologi silikon VLSI ke silikon ultra high scale integration (ULSI). Saat ini metaloxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) masih dominan sebagai divais dasar teknologi integrated circuit (IC). Dimensi dari MOSFET menjadi semakin kecil dan akan menjadi sekitar 0,1 mikron untuk ukuran giga-bit dynamic random acces memories (DRAMs). Beberapa masalah yang timbul dalam usaha memperkecil dimensi dari MOSFET antara lain efek short channel dan hot carrier yang akan mengurangi unjuk kerja dari transistor itu sendiri.
Walaupun sudah banyak kemajuan yang dicapai, pertanyaan yang selalu muncul adalah sampai seberapa jauh limit pengecilan yang dapat dilakukan ditinjau dari segi proses produksi, sifat fisika dari divais itu sendiri dan interkoneksinya. Banyak masalah dari segi fabrikasi yang dapat menjadi penghambat. Sebagai salah satu contoh keterbatasan dari proses produksi adalah teknik lithography yaitu teknik yang diperlukan untuk merealisasikan desain sirkuit ke lempengan (waver) silikon dalam proses fabrikasi IC. Dengan menggunakan cahaya sebagai sumber berkas, dimensi dari lithography dengan sendirinya akan dibatasi oleh panjang gelombang dari cahaya itu sendiri. Oleh sebab itu dikembangkan teknik lithography yang lain menggunakan sinar-X dan berkas elektron. Dengan menggunakan kedua teknik ini tidak terlalu ekonomis untuk digunakan pada proses produksi IC secara massal. Dari uraian di atas, terlihat masih adanya beberapa masalah yang akan timbul dalam proses fabrikasi IC di masa yang akan datang.
Walaupun sudah banyak kemajuan yang dicapai, pertanyaan yang selalu muncul adalah sampai seberapa jauh limit pengecilan yang dapat dilakukan ditinjau dari segi proses produksi, sifat fisika dari divais itu sendiri dan interkoneksinya. Banyak masalah dari segi fabrikasi yang dapat menjadi penghambat. Sebagai salah satu contoh keterbatasan dari proses produksi adalah teknik lithography yaitu teknik yang diperlukan untuk merealisasikan desain sirkuit ke lempengan (waver) silikon dalam proses fabrikasi IC. Dengan menggunakan cahaya sebagai sumber berkas, dimensi dari lithography dengan sendirinya akan dibatasi oleh panjang gelombang dari cahaya itu sendiri. Oleh sebab itu dikembangkan teknik lithography yang lain menggunakan sinar-X dan berkas elektron. Dengan menggunakan kedua teknik ini tidak terlalu ekonomis untuk digunakan pada proses produksi IC secara massal. Dari uraian di atas, terlihat masih adanya beberapa masalah yang akan timbul dalam proses fabrikasi IC di masa yang akan datang.
Material Semikonduktor
Material Semikonduktor
Bila ditinjau dari sifat listriknya, suatu bahan zat padat dapat dikelompokan menjadi
beberapa bagian:
1. Bahan isolator yang memiliki harga resistivitas antara 1014 – 1022 Ω.cm
2. Bahan semikonduktor yang memiliki harga resistivitas antara 10-2 – 109 Ω.cm
3. Bahan konduktor yang memiliki harga resistivitas 10-5Ω.cm
Ketiga jenis bahan tersebut banyak dimanfaatkan untuk bahan baku pembuatan komponen-
komponen elektronik, misalnya bahan isolator banyak digunakan sebagai lapisan dielektrik
pada kapasitor metal-oksida-semikonduktor, bahan semikonduktor digunakan sebagai lapisan
aktif pada komponen-komponen elektronik maupun komponen optoelektronik sedangkan
konduktor sering digunakan untuk pembuatan kontak pada komponen elektronik.
Fokus pembahasan kita pada modul ini adalah tentang bahan semikonduktor. Setiap
bahan semikonduktor memiliki karakteristik fisis tertentu sehingga dalam aplikasinya harus
merujuk pada karakteristik fisisnya tersebut sebagai contoh untuk aplikasi sensor sinar
ultraviolet yang tingkat sensitifitasnya tinggi tentu kita harus memilih bahan yang memiliki
energi gap yang cukup lebar seperti semikonduktor galium nitrida dengan energi gap sekitar
3,4 eV. Kita bisa juga menggunakan bahan silikon untuk aplikasi sensor ultraviolet namun
divais ini kurang sensitif dibandingkan bahan galium nitrida.
Pada awal perkembangannya bahan semikonduktor yang pertama kali dieksplorasi
adalah Germanium, namun sampai saat ini bahan semikonduktor yang banyak diteliti untuk
bahan baku pembuatan divais elektronik maupun optoelektronik adalah Silikon dengan
pertimbangan bahan silikon cukup melimpah di alam ini dan harganya relatif murah. Selain
silikon material lain yang banyak dipelajari dan diteliti adalah material paduan dari golongan
II-VI atau III-V dalam tabel periodik (gambar 1) baik binary (paduan 2 unsur) maupun
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
2
Modul 4 Semikonduktor
ternary (paduan 3 unsur) seperti ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb, AlGaN, AlGaSb,
GaNAs dan sebagainya dimana material-material paduan tersebut masing-masing memiliki
ciri khas dan keunikan tersendiri baik dari sifat listrik maupun sifat optiknya yang aplikasinya
dapat disesuaikan dengan karakteristik fisisnya masing-masing.
Gambar 1 Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor
B. Model Ikatan atom pada bahan Semikonduktor
Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling berdekatan dan
saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan kristal yang disebut ikatan kovalen.
Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal tersebut, di bawah ini digambarkan terbentuknya
ikatan kristal pada bahan Silikon. Gambar 2a menunjukan ilustrasi ikatan kovalen dari atom
Silikon pada kondisi temperature nol Kelvin, untuk kasus ini setiap atom Silikon
menyumbangkan satu electron untuk tiap pasangan ikatan kovalen. Apabila kristal
semikonduktor tersebut diberi energi termal dengan kata lain temperaturnya dinaikan, maka
penambahan energi termal tersebut dapat menyebabkan putusnya ikatan kovalen, hal ini
dapat membangkitkan pasangan elektron-hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari
keadaan valensi ke keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang ditinggalkan elektron akan
menjadi hole seperti nampak pada gambar 2b.
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
3
(a)
(b)
Modul 4 Semikonduktor
Gambar 2 Gambaran ikatan kovalen atom silikon pada kondisi (a) temperatur nol
Kelvin, (b) pada temperatur di atas nol Kelvin
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
4
C. Model Pita Energi Semikonduktor
Modul 4 Semikonduktor
Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki sejumlah elektron valensi pada
kulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar 3b), keadaan elektron valensi ini
memiliki tingkat energi yang besarnya EV. Elektron valensi ini berkontribusi pada
pembentukan ikatan kovalen antara atom-atom penyusun kristal semikonduktor. Sedangkan
keadaan dimana elektron sudah terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi
dengan tingkat Energi EC (gambar 3a). Apabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnya
dinaikan maka akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya ikatan
kovalen yang terbentuk. Pemutusan ikatan kovalen ini akan menghasilkan elektron bebas
yang sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi EC. Pada gambar 3c diilustrasikan
keadaan elektron konduksi dimana setelah terjadinya pemutusan ikatan kovalen, elektron
valensi pada tingkat energy EV akan berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat Energi
EC. Selisih antara tingkat energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan energi
celah pita (energy gap) dimana energi gap tersebut merupakan energi minimal yang
dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor.
(a) (b) (c)
Gambar 3. Model pita energi bahan semikonduktor
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
5
D. Tipe Semikonduktor
Modul 4 Semikonduktor
Tabel 1 Energi gap bahan semikonduktor
Bahan semikonduktor dapat dibedakan dari jenis muatan pembawanya, yaitu
semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan
semikonduktor murni yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Apabila
semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektron-hole dimana
elektron bermuatan negative dan hole dapat dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi
elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan :
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
6
Modul 4 Semikonduktor
Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan konsentrasi hole-nya
tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom
pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5
pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang
tidak terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat
menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini dinamakan
semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron (gambar 4)
Gambar 4 kristal silikon yang diberi pengotor fosfor
Apabila kristal Silikon diberi atom pengotor Boron yang memiliki elektron valensi 3
maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan
(hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan pembawa pada kristal
silikon yang telah diberi pengotor Boron akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga
kristal silikon akan bertipe-p (positif) (gambar 5)
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
7
Modul 4 Semikonduktor
Gambar 5 Kristal Silikon yang telah diberi atom pengotor Boron
E. Tipe arus listrik pada Semikonduktor
Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik
listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu
arus hanyut (drift) dan arus difusi.
1. Arus Hanyut (Drift)
Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel
bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang
berbanding lurus dengan medan listriknya.
Laju hanyut elektron
Laju hanyut
Dimana
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
8
Rapat arus drift untuk elektron adalah:
Rapat arus drift untuk hole adalah:
Modul 4 Semikonduktor
Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari rapat arus
drift elektron dengan rapat arus drift hole :
Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:
=q(n n + p p) (1/Ω.cm)
Dan resistivitasnya = 1/ (Ω.cm)
2. Arus Difusi
Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.
Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang
memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan gradien
konsentrasi yang dirumuskan :
Arus difusi untuk hole
Arus difusi untuk elektron
Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
9
Modul 4 Semikonduktor
Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dengan arus
difusi yang dirumuskan :
Rapat arus total untuk elektron
Rapat arus total untuk hole
Bila ditinjau dari sifat listriknya, suatu bahan zat padat dapat dikelompokan menjadi
beberapa bagian:
1. Bahan isolator yang memiliki harga resistivitas antara 1014 – 1022 Ω.cm
2. Bahan semikonduktor yang memiliki harga resistivitas antara 10-2 – 109 Ω.cm
3. Bahan konduktor yang memiliki harga resistivitas 10-5Ω.cm
Ketiga jenis bahan tersebut banyak dimanfaatkan untuk bahan baku pembuatan komponen-
komponen elektronik, misalnya bahan isolator banyak digunakan sebagai lapisan dielektrik
pada kapasitor metal-oksida-semikonduktor, bahan semikonduktor digunakan sebagai lapisan
aktif pada komponen-komponen elektronik maupun komponen optoelektronik sedangkan
konduktor sering digunakan untuk pembuatan kontak pada komponen elektronik.
Fokus pembahasan kita pada modul ini adalah tentang bahan semikonduktor. Setiap
bahan semikonduktor memiliki karakteristik fisis tertentu sehingga dalam aplikasinya harus
merujuk pada karakteristik fisisnya tersebut sebagai contoh untuk aplikasi sensor sinar
ultraviolet yang tingkat sensitifitasnya tinggi tentu kita harus memilih bahan yang memiliki
energi gap yang cukup lebar seperti semikonduktor galium nitrida dengan energi gap sekitar
3,4 eV. Kita bisa juga menggunakan bahan silikon untuk aplikasi sensor ultraviolet namun
divais ini kurang sensitif dibandingkan bahan galium nitrida.
Pada awal perkembangannya bahan semikonduktor yang pertama kali dieksplorasi
adalah Germanium, namun sampai saat ini bahan semikonduktor yang banyak diteliti untuk
bahan baku pembuatan divais elektronik maupun optoelektronik adalah Silikon dengan
pertimbangan bahan silikon cukup melimpah di alam ini dan harganya relatif murah. Selain
silikon material lain yang banyak dipelajari dan diteliti adalah material paduan dari golongan
II-VI atau III-V dalam tabel periodik (gambar 1) baik binary (paduan 2 unsur) maupun
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
2
Modul 4 Semikonduktor
ternary (paduan 3 unsur) seperti ZnO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaSb, AlGaN, AlGaSb,
GaNAs dan sebagainya dimana material-material paduan tersebut masing-masing memiliki
ciri khas dan keunikan tersendiri baik dari sifat listrik maupun sifat optiknya yang aplikasinya
dapat disesuaikan dengan karakteristik fisisnya masing-masing.
Gambar 1 Unsur-unsur yang banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor
B. Model Ikatan atom pada bahan Semikonduktor
Kristal semikonduktor tersusun dari atom-atom yang letaknya saling berdekatan dan
saling berikatan satu sama lain membentuk suatu ikatan kristal yang disebut ikatan kovalen.
Sebagai ilustrasi dari model ikatan kristal tersebut, di bawah ini digambarkan terbentuknya
ikatan kristal pada bahan Silikon. Gambar 2a menunjukan ilustrasi ikatan kovalen dari atom
Silikon pada kondisi temperature nol Kelvin, untuk kasus ini setiap atom Silikon
menyumbangkan satu electron untuk tiap pasangan ikatan kovalen. Apabila kristal
semikonduktor tersebut diberi energi termal dengan kata lain temperaturnya dinaikan, maka
penambahan energi termal tersebut dapat menyebabkan putusnya ikatan kovalen, hal ini
dapat membangkitkan pasangan elektron-hole dimana elektron tersebut dapat bebas dari
keadaan valensi ke keadaan konduksi sedangkan kekosongan yang ditinggalkan elektron akan
menjadi hole seperti nampak pada gambar 2b.
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
3
(a)
(b)
Modul 4 Semikonduktor
Gambar 2 Gambaran ikatan kovalen atom silikon pada kondisi (a) temperatur nol
Kelvin, (b) pada temperatur di atas nol Kelvin
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
4
C. Model Pita Energi Semikonduktor
Modul 4 Semikonduktor
Setiap atom penyusun kristal semikonduktor memiliki sejumlah elektron valensi pada
kulit terluarnya yang menempati keadaan valensi (gambar 3b), keadaan elektron valensi ini
memiliki tingkat energi yang besarnya EV. Elektron valensi ini berkontribusi pada
pembentukan ikatan kovalen antara atom-atom penyusun kristal semikonduktor. Sedangkan
keadaan dimana elektron sudah terbebas dari ikatan kovalen disebut keadaan konduksi
dengan tingkat Energi EC (gambar 3a). Apabila kristal semikonduktor tersebut temperaturnya
dinaikan maka akan ada penambahan energi termal yang menyebabkan terputusnya ikatan
kovalen yang terbentuk. Pemutusan ikatan kovalen ini akan menghasilkan elektron bebas
yang sudah dalam keadaan konduksi dengan tingkat energi EC. Pada gambar 3c diilustrasikan
keadaan elektron konduksi dimana setelah terjadinya pemutusan ikatan kovalen, elektron
valensi pada tingkat energy EV akan berpindah kekeadaan konduksi dengan tingkat Energi
EC. Selisih antara tingkat energi konduksi dengan tingkat energi valensi ini dinamakan energi
celah pita (energy gap) dimana energi gap tersebut merupakan energi minimal yang
dibutuhkan untuk memutuskan ikatan kovalen pada kristal semikonduktor.
(a) (b) (c)
Gambar 3. Model pita energi bahan semikonduktor
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
5
D. Tipe Semikonduktor
Modul 4 Semikonduktor
Tabel 1 Energi gap bahan semikonduktor
Bahan semikonduktor dapat dibedakan dari jenis muatan pembawanya, yaitu
semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan
semikonduktor murni yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Apabila
semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektron-hole dimana
elektron bermuatan negative dan hole dapat dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi
elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan :
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
6
Modul 4 Semikonduktor
Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan konsentrasi hole-nya
tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom
pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5
pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang
tidak terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat
menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini dinamakan
semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron (gambar 4)
Gambar 4 kristal silikon yang diberi pengotor fosfor
Apabila kristal Silikon diberi atom pengotor Boron yang memiliki elektron valensi 3
maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan
(hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan pembawa pada kristal
silikon yang telah diberi pengotor Boron akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga
kristal silikon akan bertipe-p (positif) (gambar 5)
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
7
Modul 4 Semikonduktor
Gambar 5 Kristal Silikon yang telah diberi atom pengotor Boron
E. Tipe arus listrik pada Semikonduktor
Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik
listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu
arus hanyut (drift) dan arus difusi.
1. Arus Hanyut (Drift)
Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel
bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang
berbanding lurus dengan medan listriknya.
Laju hanyut elektron
Laju hanyut
Dimana
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
8
Rapat arus drift untuk elektron adalah:
Rapat arus drift untuk hole adalah:
Modul 4 Semikonduktor
Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari rapat arus
drift elektron dengan rapat arus drift hole :
Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:
=q(n n + p p) (1/Ω.cm)
Dan resistivitasnya = 1/ (Ω.cm)
2. Arus Difusi
Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.
Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang
memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan gradien
konsentrasi yang dirumuskan :
Arus difusi untuk hole
Arus difusi untuk elektron
Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
9
Modul 4 Semikonduktor
Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dengan arus
difusi yang dirumuskan :
Rapat arus total untuk elektron
Rapat arus total untuk hole
superkonduktor
Superkonduktor
Ismunandar dan Cun Sen (Kimia ITB)
Superkonduktor belakangan ini menjadi topik pembicaraan dan penelitian yang paling populer. Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kita, misalnya transmisi listrik yang efisien (tak ada lagi kehilangan energi selama transmisi). Memang saat ini penggunaam superkonduktor belum praktis, dikarenakan masalah perlunya pendinginan (suhu kritis superkonduktor masih jauh di bawah suhu kamar). Tulisan singkat berikut mengajak Anda mengenal lebih jauh superkonduktor.
Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).
Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4 K atau ? 269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus. Kurva hasil pengamatan Onnes digambarkan pada gambar 1.
Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan mengalirkan arus pada suatu kumparan superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama superkondutivitas. Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913.
Penemuan lainnya yang berkaitan dengan superkonduktor terjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini kemudian dikenal dengan efek Meissner. Efek Meissner ini sedemikian kuatnya sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor, gambar 2. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.
Dengan berlalunya waktu, ditemukan juga superkonduktor-superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Sebagai contoh, karbon juga bersifat superkonduktor dengan Tc 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga dan perak yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor.
Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang superkonduktivitas. Alex Müller and Georg Bednorz, peneliti di Laboratorium Riset IBM di Rüschlikon, Switzerland berhasil membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium, Tembaga, dan Oksigen yang bersifat superkonduktor pada suhu tertinggi pada waktu itu, 30 K. Penemuan ini menjadi spektakuler karena keramik selama ini dikenal sebagai isolator. Keramik tidak menghantarkan listrik sama sekali pada suhu ruang. Hal ini menyebabkan para peneliti pada waktu itu tidak memperhitungkan bahwa keramik dapat menjadi superkonduktor. Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun kemudian.
Penemuan demi penemuan dibidang superkonduktor kini masih saja dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga fenomenal adalah berhasil disintesanya suatu bahan organik yang bersifat superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K.
Pada bulan Februari 1987, ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K. Penemuan ini menjadi penting karena dengan demikian dapat digunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya. Karena suhunya cukup tinggi dibandingkan dengan material superkonduktor yang lain, maka material-material tersebut diberi nama superkonduktor suhu tinggi.Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.
Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor dibidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, gambar 3. Kereta api ini melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km/jam.
Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja dibidang listrik. Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 an ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan amerika, American Superconductor Corp. diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat efisiensi sebesar 7000 ari segi tempat.
Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTS-SQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5000 tenaga kuda.
Berdasarkan perkiraan yang kasar, perdagangan superkonduktor di dunia diproyeksikan untuk berkembang senilai $90 trilyun pada tahun 2010 dan $200 trilyun pada tahun 2020. Perkiraan ini tentu saja didasarkan pada asumsi pertumbuhan yang linear. Apabila superkonduktor baru dengan suhu kritis yang lebih tinggi telah ditemukan, pertumbuhan dibidang superkonduktor akan terjadi secara luar biasa
Ismunandar dan Cun Sen (Kimia ITB)
Superkonduktor belakangan ini menjadi topik pembicaraan dan penelitian yang paling populer. Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kita, misalnya transmisi listrik yang efisien (tak ada lagi kehilangan energi selama transmisi). Memang saat ini penggunaam superkonduktor belum praktis, dikarenakan masalah perlunya pendinginan (suhu kritis superkonduktor masih jauh di bawah suhu kamar). Tulisan singkat berikut mengajak Anda mengenal lebih jauh superkonduktor.
Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).
Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4 K atau ? 269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus. Kurva hasil pengamatan Onnes digambarkan pada gambar 1.
Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan mengalirkan arus pada suatu kumparan superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama superkondutivitas. Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913.
Penemuan lainnya yang berkaitan dengan superkonduktor terjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini kemudian dikenal dengan efek Meissner. Efek Meissner ini sedemikian kuatnya sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor, gambar 2. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.
Dengan berlalunya waktu, ditemukan juga superkonduktor-superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Sebagai contoh, karbon juga bersifat superkonduktor dengan Tc 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga dan perak yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor.
Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang superkonduktivitas. Alex Müller and Georg Bednorz, peneliti di Laboratorium Riset IBM di Rüschlikon, Switzerland berhasil membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium, Tembaga, dan Oksigen yang bersifat superkonduktor pada suhu tertinggi pada waktu itu, 30 K. Penemuan ini menjadi spektakuler karena keramik selama ini dikenal sebagai isolator. Keramik tidak menghantarkan listrik sama sekali pada suhu ruang. Hal ini menyebabkan para peneliti pada waktu itu tidak memperhitungkan bahwa keramik dapat menjadi superkonduktor. Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun kemudian.
Penemuan demi penemuan dibidang superkonduktor kini masih saja dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga fenomenal adalah berhasil disintesanya suatu bahan organik yang bersifat superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K.
Pada bulan Februari 1987, ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K. Penemuan ini menjadi penting karena dengan demikian dapat digunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya. Karena suhunya cukup tinggi dibandingkan dengan material superkonduktor yang lain, maka material-material tersebut diberi nama superkonduktor suhu tinggi.Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.
Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor dibidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, gambar 3. Kereta api ini melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km/jam.
Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja dibidang listrik. Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 an ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan amerika, American Superconductor Corp. diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat efisiensi sebesar 7000 ari segi tempat.
Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTS-SQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5000 tenaga kuda.
Berdasarkan perkiraan yang kasar, perdagangan superkonduktor di dunia diproyeksikan untuk berkembang senilai $90 trilyun pada tahun 2010 dan $200 trilyun pada tahun 2020. Perkiraan ini tentu saja didasarkan pada asumsi pertumbuhan yang linear. Apabila superkonduktor baru dengan suhu kritis yang lebih tinggi telah ditemukan, pertumbuhan dibidang superkonduktor akan terjadi secara luar biasa
Momen magnetik
Momen magnetik
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Momen dipol magnetik elektron dan Momen magnetik nuklir
Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi dengan momentum sudut suatu objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku seperti ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ), dengan elektron, proton, dan neutron semuanya memiliki spin ½ ħ, atau "spin-½". Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain memiliki spin juga memiliki momentum sudut orbital, manakala inti atom memiliki momentum sudut pula oleh karena spin nuklirnya sendiri.[69]
Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini. Namun, kontribusi yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh karena elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang dapat ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap.[70]
Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.[70][71]
Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.[72][73]
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Momen dipol magnetik elektron dan Momen magnetik nuklir
Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi dengan momentum sudut suatu objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku seperti ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ), dengan elektron, proton, dan neutron semuanya memiliki spin ½ ħ, atau "spin-½". Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain memiliki spin juga memiliki momentum sudut orbital, manakala inti atom memiliki momentum sudut pula oleh karena spin nuklirnya sendiri.[69]
Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini. Namun, kontribusi yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh karena elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang dapat ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap.[70]
Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.[70][71]
Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.[72][73]
LED
LED atau Light Emitting Diode
Aha . . Pasti uda pada tau tentang LED. LED adalah dioda yang dapat mengeluarkan cahaya. Karena kemampuannya itu maka LED lebih sering dipakai sebagai indikator dalam suatu alat. Ingin mengetahui lebih dalam lagi ??? Pembahasannya akan disajikan dengan bahasa yang mudah dipahami maka Ikuti terus tutorial ini.
Prinsip kerja LED
Di dalam LED terdapat sejumlah zat kimia yang akan mengeluarkan cahaya jika elektron-elektron melewatinya. Dengan mengganti zat kimia ini, kita dapat mengganti panjang gelombang cahaya yang dipancarkan, seperti infrared, hijau/biru/merah dan ultraviolet.
Cara Kerja LED
Kita sudah tau bahwa LED adalah dioda, sehingga memiliki kutup ( polar ). Arah arus konvensional hanya dapat mengalir dari anoda ke katoda. Dan bagaimana kita dapat membedakan kutup-kutupnya ?? Perhatikan bahwa 2 kawat ( kaki ) pada LED memiliki panjang yang berbeda. Kawat yang panjang adalah anoda sedangkan yang pendek adalah katoda.
Aha . . Pasti uda pada tau tentang LED. LED adalah dioda yang dapat mengeluarkan cahaya. Karena kemampuannya itu maka LED lebih sering dipakai sebagai indikator dalam suatu alat. Ingin mengetahui lebih dalam lagi ??? Pembahasannya akan disajikan dengan bahasa yang mudah dipahami maka Ikuti terus tutorial ini.
Prinsip kerja LED
Di dalam LED terdapat sejumlah zat kimia yang akan mengeluarkan cahaya jika elektron-elektron melewatinya. Dengan mengganti zat kimia ini, kita dapat mengganti panjang gelombang cahaya yang dipancarkan, seperti infrared, hijau/biru/merah dan ultraviolet.
Cara Kerja LED
Kita sudah tau bahwa LED adalah dioda, sehingga memiliki kutup ( polar ). Arah arus konvensional hanya dapat mengalir dari anoda ke katoda. Dan bagaimana kita dapat membedakan kutup-kutupnya ?? Perhatikan bahwa 2 kawat ( kaki ) pada LED memiliki panjang yang berbeda. Kawat yang panjang adalah anoda sedangkan yang pendek adalah katoda.
teori elektron
Bagian-bagian Atom
Semua material terdiri dari molekul, dan molekul juga terdiri dari atom. Atom mempunyai suatu inti dengan elektron yang beredar disekitarnya. Inti atom terdiri dari kutub positif (proton) dan negatif (elektron). Kebanyakan atom dikenal hanya memiliki proton dan elektron. Elektron memiliki muatan listrik negatif (-), sedangkan proton memiliki muatan positif (+). Netron tidak memiliki muatan listrik atau netral. Muatan listrik negatif yang dimiliki oleh elektron seimbang dengan muatan listrik positif yang dimiliki oleh proton. Hal ini dikenal sebagai ikatan elektron.
Elektron Bebas
Elektron yang berada di luar ikatan, dapat beredar bebas dari aplikasi gaya luar, seperti pergerakan melalui medan magnet, friksi atau pengaruh kimia. Elektron tersebut dikenal sebagai elektron bebas. Elektron bebas dapat meninggalkan garis edarnya, dimana dapat diisi oleh elektron yang memaksa keluar dari garis edar pada atom yang lain. Elektron bebas berpindah satu atom ke atom berikutnya, disitulah arus elektron diproduksi. Ini adalah prinsip dasar dari kelistrikan.
Semua material terdiri dari molekul, dan molekul juga terdiri dari atom. Atom mempunyai suatu inti dengan elektron yang beredar disekitarnya. Inti atom terdiri dari kutub positif (proton) dan negatif (elektron). Kebanyakan atom dikenal hanya memiliki proton dan elektron. Elektron memiliki muatan listrik negatif (-), sedangkan proton memiliki muatan positif (+). Netron tidak memiliki muatan listrik atau netral. Muatan listrik negatif yang dimiliki oleh elektron seimbang dengan muatan listrik positif yang dimiliki oleh proton. Hal ini dikenal sebagai ikatan elektron.
Elektron Bebas
Elektron yang berada di luar ikatan, dapat beredar bebas dari aplikasi gaya luar, seperti pergerakan melalui medan magnet, friksi atau pengaruh kimia. Elektron tersebut dikenal sebagai elektron bebas. Elektron bebas dapat meninggalkan garis edarnya, dimana dapat diisi oleh elektron yang memaksa keluar dari garis edar pada atom yang lain. Elektron bebas berpindah satu atom ke atom berikutnya, disitulah arus elektron diproduksi. Ini adalah prinsip dasar dari kelistrikan.
PEMBENTUKAN SAMBUNGAN P-N
PEMBENTUKAN SAMBUNGAN P-N
Hubungan PN dapat terjadi dengan mendifusi impuritas tipe-p pada salah satu ujung kristal tipe-n. walaupun ada hubungan antara dua tipe silikon namun sebagai keseluruhan bertindak sebagai kisi kristal tunggal. Akibatnya elektron bebas dari tipe-n akan bergerak menuju hole pada tipe-p demikian pula hole pada tipe-p bergerak ke elektron di tipe-n sehingga terjadi proses rekombinasi. Selanjutnya akan terjadi lapisan deplesi. Pada dasarnya lapisan ini adalah isolator dengan kelebihan elektron di sisi tipe-p dan kelebihan hole di sisi tipe-n dan berakibat timbulnya beda tegangan di hubungan pn, yaitu Vγ, seperti ditunjukkan pada gambar 3 berikut.
Setelah hubungan PN terbentuk, hole dari tipe-p konsentrasinya lebih besar dari hole di tipe-n, sehingga hole akan berdifusi, demikian pula pada elektron juga akan berdifusi dan berekombinasi. Namun proses ini tidak terjadi terus-menerus dan akan berhenti jika terjadi kesetimbangan antara difusi dan drift. Dalam keadaan seimbang :
1. daerah tipe-p netral
2. daerah muatan ruang tipe-p
3. daerah muatan ruang tipe-n
4. daerah tipe-n netral
Daerah (2) dan (3) → daerah muatan ruang/lapisan deplesi/dipole listrik. Pada daerah ini ada medan listrik walaupun tidak diberi tegangan.
Dalam keadaan seimbang, Jn = 0, sehingga : J_n=qμ_n n E+q D_n dn/dx=0
Diperoleh E=-D_n/μ_n 1/n dn/dx=-kT/q d/dx(ln〖n)〗 (Relasi Einstein D_n/μ_n =kT/q )
Atau :
V_b=∫_(〖-d〗_p)^(d_n)▒〖E dx〗=∫_(〖-d〗_p)^(d_n)▒kT/q d/dx(ln〖n)〗 dx
V_b=kT/q ln〖n_n/n_p 〗=kT/q ln〖(n_n n_p)/(n_i^2 )〗=kT/q ln〖(n_A n_D)/(n_i^2 )〗
Jadi walaupun dalam keadaan kesetimbangan termal, terdapat beda tegangan antara kedua kutub dioda – tegangan difusi.
Misalkan kita memiliki sepotong silikon tipe-p dan sepotong silikon tipe-n dan secara sempurna terhubung membentuk sambungan p-n seperti diperlihatkan pada gambar 7.1. Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semikonduktor terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 7.1, sebelah kanan) memiliki sejumlah elektron yang akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipe-p), atom aseptor menarik elektron (atau menghasilkan lubang). Kedua pembawa muatan mayoritas tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi lain sambungan. Pada hal ini terjadi difusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi lubang dari tipe-p ke tipe-n.
Proses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektron yang sudah berada di tempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses difusi berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir.
Kita harus memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat menyeberang sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi (depletion region) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang-elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi dari tipe-n. Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai “drift”. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift.
Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan positip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p.
Lapisan muatan pada daerah diplesi ini dapat dibandingkan dengan kapasitor keping sejajar yang termuati. Karena terjadi penumpukan muatan yang berlawanan pada masing-masing keping, maka terjadi perbedaan potensial yang disebut sebagai “potensial kontak”atau “potensial penghalang” o V (lihat gambar 7.3). Keadaan ini disebut diode dalam keadaan rangkaian terbuka.
Dalam keadaan rangkaian terbuka seperti diperlihaatkan pada gambar 7.3, hanya pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi; daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi mengakibatkan terjadinya medan listrik e dalam arah - x . Kita dapat menggunakan v = -òe dx untuk mendapatkan distribusi potensial pada daerah deplesi dengan mengambil integral medan listrik. Potensial kontak/potensial penghalang Vo yang terjadi akan menahan terjadinya difusi pembawa muataan mayoritas dan memberi kesempataan terjadinya arus drift melalui sambungan seperti telah dijelaskan di atas.
Gambar 7.4. Dioda p-n berpanjar maju (forward bias) : a) Rangkaian dasar dan; b) Potensial penghalang mengalami penurunan
Hubungan PN dapat terjadi dengan mendifusi impuritas tipe-p pada salah satu ujung kristal tipe-n. walaupun ada hubungan antara dua tipe silikon namun sebagai keseluruhan bertindak sebagai kisi kristal tunggal. Akibatnya elektron bebas dari tipe-n akan bergerak menuju hole pada tipe-p demikian pula hole pada tipe-p bergerak ke elektron di tipe-n sehingga terjadi proses rekombinasi. Selanjutnya akan terjadi lapisan deplesi. Pada dasarnya lapisan ini adalah isolator dengan kelebihan elektron di sisi tipe-p dan kelebihan hole di sisi tipe-n dan berakibat timbulnya beda tegangan di hubungan pn, yaitu Vγ, seperti ditunjukkan pada gambar 3 berikut.
Setelah hubungan PN terbentuk, hole dari tipe-p konsentrasinya lebih besar dari hole di tipe-n, sehingga hole akan berdifusi, demikian pula pada elektron juga akan berdifusi dan berekombinasi. Namun proses ini tidak terjadi terus-menerus dan akan berhenti jika terjadi kesetimbangan antara difusi dan drift. Dalam keadaan seimbang :
1. daerah tipe-p netral
2. daerah muatan ruang tipe-p
3. daerah muatan ruang tipe-n
4. daerah tipe-n netral
Daerah (2) dan (3) → daerah muatan ruang/lapisan deplesi/dipole listrik. Pada daerah ini ada medan listrik walaupun tidak diberi tegangan.
Dalam keadaan seimbang, Jn = 0, sehingga : J_n=qμ_n n E+q D_n dn/dx=0
Diperoleh E=-D_n/μ_n 1/n dn/dx=-kT/q d/dx(ln〖n)〗 (Relasi Einstein D_n/μ_n =kT/q )
Atau :
V_b=∫_(〖-d〗_p)^(d_n)▒〖E dx〗=∫_(〖-d〗_p)^(d_n)▒kT/q d/dx(ln〖n)〗 dx
V_b=kT/q ln〖n_n/n_p 〗=kT/q ln〖(n_n n_p)/(n_i^2 )〗=kT/q ln〖(n_A n_D)/(n_i^2 )〗
Jadi walaupun dalam keadaan kesetimbangan termal, terdapat beda tegangan antara kedua kutub dioda – tegangan difusi.
Misalkan kita memiliki sepotong silikon tipe-p dan sepotong silikon tipe-n dan secara sempurna terhubung membentuk sambungan p-n seperti diperlihatkan pada gambar 7.1. Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semikonduktor terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n (gambar 7.1, sebelah kanan) memiliki sejumlah elektron yang akan dengan mudah terlepas dari atom induknya. Pada bagian kiri (tipe-p), atom aseptor menarik elektron (atau menghasilkan lubang). Kedua pembawa muatan mayoritas tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi lain sambungan. Pada hal ini terjadi difusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi lubang dari tipe-p ke tipe-n.
Proses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektron yang sudah berada di tempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses difusi berakhir saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir.
Kita harus memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat menyeberang sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah deplesi (depletion region) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan pasangan lubang-elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi dari tipe-n. Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. Gerakan pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai “drift”. Situasi akan stabil saat arus difusi sama dengan arus drift.
Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang sangat tipis terjadi pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan positip di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p.
Lapisan muatan pada daerah diplesi ini dapat dibandingkan dengan kapasitor keping sejajar yang termuati. Karena terjadi penumpukan muatan yang berlawanan pada masing-masing keping, maka terjadi perbedaan potensial yang disebut sebagai “potensial kontak”atau “potensial penghalang” o V (lihat gambar 7.3). Keadaan ini disebut diode dalam keadaan rangkaian terbuka.
Dalam keadaan rangkaian terbuka seperti diperlihaatkan pada gambar 7.3, hanya pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi; daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi mengakibatkan terjadinya medan listrik e dalam arah - x . Kita dapat menggunakan v = -òe dx untuk mendapatkan distribusi potensial pada daerah deplesi dengan mengambil integral medan listrik. Potensial kontak/potensial penghalang Vo yang terjadi akan menahan terjadinya difusi pembawa muataan mayoritas dan memberi kesempataan terjadinya arus drift melalui sambungan seperti telah dijelaskan di atas.
Gambar 7.4. Dioda p-n berpanjar maju (forward bias) : a) Rangkaian dasar dan; b) Potensial penghalang mengalami penurunan
tipe semikonduktor
Tipe Semikonduktor
Modul 4 Semikonduktor
Tabel 1 Energi gap bahan semikonduktor
Bahan semikonduktor dapat dibedakan dari jenis muatan pembawanya, yaitu
semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan
semikonduktor murni yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Apabila
semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektron-hole dimana
elektron bermuatan negative dan hole dapat dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi
elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan :
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
6
Modul 4 Semikonduktor
Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan konsentrasi hole-nya
tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom
pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5
pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang
tidak terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat
menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini dinamakan
semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron (gambar 4)
Gambar 4 kristal silikon yang diberi pengotor fosfor
Apabila kristal Silikon diberi atom pengotor Boron yang memiliki elektron valensi 3
maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan
(hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan pembawa pada kristal
silikon yang telah diberi pengotor Boron akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga
kristal silikon akan bertipe-p (positif) (gambar 5)
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
7
Modul 4 Semikonduktor
Gambar 5 Kristal Silikon yang telah diberi atom pengotor Boron
E. Tipe arus listrik pada Semikonduktor
Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik
listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu
arus hanyut (drift) dan arus difusi.
1. Arus Hanyut (Drift)
Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel
bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang
berbanding lurus dengan medan listriknya.
Laju hanyut elektron
Laju hanyut
Dimana
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
8
Rapat arus drift untuk elektron adalah:
Rapat arus drift untuk hole adalah:
Modul 4 Semikonduktor
Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari rapat arus
drift elektron dengan rapat arus drift hole :
Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:
=q(n n + p p) (1/Ω.cm)
Dan resistivitasnya = 1/ (Ω.cm)
2. Arus Difusi
Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.
Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang
memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan gradien
konsentrasi yang dirumuskan :
Arus difusi untuk hole
Arus difusi untuk elektron
Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
9
Modul 4 Semikonduktor
Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dengan arus
difusi yang dirumuskan :
Rapat arus total untuk elektron
Rapat arus total untuk hole
Modul 4 Semikonduktor
Tabel 1 Energi gap bahan semikonduktor
Bahan semikonduktor dapat dibedakan dari jenis muatan pembawanya, yaitu
semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik merupakan
semikonduktor murni yang belum diberikan atom pengotor (impuritas). Apabila
semikonduktor intrinsik ini dipanaskan maka akan terbentuk pasangan elektron-hole dimana
elektron bermuatan negative dan hole dapat dianggap sebagai muatan positif. Konsentrasi
elektron pada semikonduktor intrinsik sama dengan konsentrasi hole-nya yang dirumuskan :
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
6
Modul 4 Semikonduktor
Sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik konsentrasi elektron dan konsentrasi hole-nya
tidak sama hal ini disebabkan oleh adanya penambahan muatan pembawa akibat adanya atom
pengotor. Sebagai contoh pemberian atom pengotor fosfor yang memiliki elektron valensi 5
pada semikonduktor silikon yang bervalensi 4 akan menyebabkan adanya satu elektron yang
tidak terpasangkan untuk membentuk ikatan kovalen akibatnya elektron ekstra ini dapat
menyumbangkan pada konsentrasi elektron keseluruhan. Semikonduktor jenis ini dinamakan
semikonduktor tipe-n (negatif) karena didominasi oleh muatan pembawa elektron (gambar 4)
Gambar 4 kristal silikon yang diberi pengotor fosfor
Apabila kristal Silikon diberi atom pengotor Boron yang memiliki elektron valensi 3
maka akan terbentuk ikatan kovalen yang tidak sempurna karena terdapat satu kekosongan
(hole) yang tidak terisi elektron. Sehingga dengan demikian muatan pembawa pada kristal
silikon yang telah diberi pengotor Boron akan didominasi oleh muatan positif (hole) sehingga
kristal silikon akan bertipe-p (positif) (gambar 5)
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
7
Modul 4 Semikonduktor
Gambar 5 Kristal Silikon yang telah diberi atom pengotor Boron
E. Tipe arus listrik pada Semikonduktor
Keberadaan elektron dan hole pada semikonduktor akan mempengaruhi karakteristik
listrik pada bahan tersebut. Ada dua jenis arus listrik yang terjadi pada semikonduktor yaitu
arus hanyut (drift) dan arus difusi.
1. Arus Hanyut (Drift)
Ketika semikonduktor diberi medan listrik E, maka partikel-partikel
bermuatan dalam semikonduktor tersebut akan bergerak (hanyut) dengan laju yang
berbanding lurus dengan medan listriknya.
Laju hanyut elektron
Laju hanyut
Dimana
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
8
Rapat arus drift untuk elektron adalah:
Rapat arus drift untuk hole adalah:
Modul 4 Semikonduktor
Sehingga rapat arus total drift pada semikonduktor adalah penjumlahan dari rapat arus
drift elektron dengan rapat arus drift hole :
Konduktivitas muatan pembawa pada semikonduktor:
=q(n n + p p) (1/Ω.cm)
Dan resistivitasnya = 1/ (Ω.cm)
2. Arus Difusi
Arus difusi terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi muatan pembawa.
Arus difusi akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah yang
memiliki konsentrasi rendah. Arus difusi akan sebanding dengan gradien
konsentrasi yang dirumuskan :
Arus difusi untuk hole
Arus difusi untuk elektron
Konstanta DP dan Dn adalah konstanta difusivitas dari hole dan elektron
Materi Pelatihan Guru-Guru SMA/MA Provinsi Nangro Aceh Darussalam
9
Modul 4 Semikonduktor
Rapat arus total dalam semikonduktor adalah penjumlahan dari arus drift dengan arus
difusi yang dirumuskan :
Rapat arus total untuk elektron
Rapat arus total untuk hole
Minggu, 26 Desember 2010
semi konduktor
3. a. Semikonduktor Intrinsik (murni)
Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam
elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai
elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral
dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom
tetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.
Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan
erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.
Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1
eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),
sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari
ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar
6.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke
pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen
terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi
kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron
bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan
kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari
ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di
tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.
Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor
pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom
pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki
muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon
dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen
lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).
Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron
bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang
dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena
menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor.
Semikonduktor tipe-p
Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat
dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,
galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom
pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya
dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi
atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa
sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yang
disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut
semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang
netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut
sebagai atom aseptor (acceptor)
1. Semikoduktor
Semikonduktor adalah bahan padat yang sifat hantaran listriknya terletak antara
bahan konduktor dan bahan isolator. Pada suhu rendah berprilaku seperti bahan isolator,
dan pada suhu tinggi berprilaku seperti bahan konduktor. Pita konduksi dan pita valensi
terisi sebagian serta band gapnya cukup sempit. Semikonduktor juga dapat diartikan
sebagai bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yakni
sebesar 10-6 sampai dengan 104ohm.m. semikonduktor dapat juga diartikan bahan yang
memiliki pita energi terlarang terlarang (forbidden band) atau energi gap (EG) yang relatf
kecil kira-kira sebesar 1 eV.
Pita Energi Si dan Ge
Pita energi adalah kumpulan garis pada tingkat energi yang sama akan saling
berimpit. Berdasarkan pengisian elektron, pita energi dapat dibedakan menjadai dua jenis,
yaitu pita valensi dan pita konduksi. Pita valensi adalah pita energi teratas yang terisi
penuh oleh elektron, sedangkan pita konduksi adalah pita energi yang berada di atas pita
valensi yang terisi oleh sebagian atau tidak terisi sama sekali oleh elektron. Pada umumnya
diantara pita valensi dan pita konduksi terdapat suatu celah yang disebut dengan celah
energi ( hole ).[1]
pita energi untuk Kristal
semikonduktor. pada keadaan kesetimbangan (equilibrium), pita energi terbagi menjadi
dua bagian dan dipisahkan oleh daerah dimana elektron tidak bisa bergerak atau
beroperasi, daerah ini disebut daerah terlarang (forbidden gap atau band gap). Pita atas
dinamakan pita konduksi, dan pita bagian bawah dinamakan pita valensi.
Donor atau Semikonduktor Jenis n
Suatu unsure Sb ditambahkan dalam jumlah sedikit ke dalam semikonduktor Ge
dan Si. Atom-atom pencampur mempunyai ukuran yang sebanding dengan atom-atom Ge
dan Si. Di dalam Kristal, satu atom pencampur dikelilingi oleh atom-atom bahan
semikonduktor. Empat atom tetangga dari atom pencampur (Gambar 3). Elektron valensi
ke lima dari atom pencampur lepas dari ikatan, sehingga dapat dikeluarkan dan dibebaskan
dengan mengeluarkan sejumlah energy yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan
energy yang diperlukan untuk membongkar ikatan kovalen.
dipisahkan dan dipindahkan ke pita hantaran atau pencampur menjadi ion tidak bergerak
bermuatan positif. Masing-masing atom pencampur dalam peristiwa ini memberikan satu
electron bebas ke semikonduktor. Semikonduktor yang berisi pencampur jenis ini
dinamakan semikonduktor jenis n karena pembawa-pembawa arus yang dihasilkan
merupakan muatan negative (elektron). Elektron-elektron bebas yang dihasilkan dengan
cara ini dinamakan electron berlebihan.
Elektron-elektron merupakan pembawa mayoritas dan lubang yang dibangkitkan
panas merupakan pembawa minoritas dalam semikonduktor jenis n. alam semikonduktor
jenis n, kalau n dan p berturut-turut menggambarkan konsentrasi electron dan konsentrasi
lobang, dapat ditunjukkan bahwa np = nipi = ni
2 dimana ni dan pi adalah nilai-nilai
intrinsik.
Silikon dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam
elektronika. Keduanya terletak pada kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai
elektron valensi empat. Struktur kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral
dengan setiap atom memakai bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom
tetangganya. Gambar 6.1 memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dalam dua dimensi.
Pada temperatur mendekati harga nol mutlak, elektron pada kulit terluar terikat dengan
erat sehingga tidak terdapat elektron bebas atau silikon bersifat sebagai insulator.
Energi yang diperlukan mtuk memutus sebuah ikatan kovalen adalah sebesar 1,1
eV untuk silikon dan 0,7 eV untuk germanium. Pada temperatur ruang (300K),
sejumlah elektron mempunyai energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari
ikatan dan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas (gambar
6.2). Besarya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke
pita konduksi ini disebut energi terlarang (energy gap). Jika sebuah ikatan kovalen
terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole). Pada daerah dimana terjadi
kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif, dan daerah yang ditempati elektron
bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang memberikan
kontribusi adanya aliran listrik pada semikonduktor murni. Jika elektron valensi dari
ikatan kovalen yang lain mengisi lubang tersebut, maka akan terjadi lubang baru di
tempat yang lain dan seolah-olah sebuah muatan positif bergerak dari lubang yang lama ke lubang baru.
Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor
pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom
pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki
muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon
dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen
lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.3).
Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron
bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang
dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-n karena
menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor.
Semikonduktor tipe-p
Dengan cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat
dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium, boron,
galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni. Atom-atom
pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya
dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen menempati posisi
atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tiga ikatan kovalen lengkap, dan tersisa
sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan (lihat gambar 6.4) yang
disebut lubang (hole). Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut
semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang
netral. Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut
sebagai atom aseptor (acceptor)
1. Semikoduktor
Semikonduktor adalah bahan padat yang sifat hantaran listriknya terletak antara
bahan konduktor dan bahan isolator. Pada suhu rendah berprilaku seperti bahan isolator,
dan pada suhu tinggi berprilaku seperti bahan konduktor. Pita konduksi dan pita valensi
terisi sebagian serta band gapnya cukup sempit. Semikonduktor juga dapat diartikan
sebagai bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator yakni
sebesar 10-6 sampai dengan 104ohm.m. semikonduktor dapat juga diartikan bahan yang
memiliki pita energi terlarang terlarang (forbidden band) atau energi gap (EG) yang relatf
kecil kira-kira sebesar 1 eV.
Pita Energi Si dan Ge
Pita energi adalah kumpulan garis pada tingkat energi yang sama akan saling
berimpit. Berdasarkan pengisian elektron, pita energi dapat dibedakan menjadai dua jenis,
yaitu pita valensi dan pita konduksi. Pita valensi adalah pita energi teratas yang terisi
penuh oleh elektron, sedangkan pita konduksi adalah pita energi yang berada di atas pita
valensi yang terisi oleh sebagian atau tidak terisi sama sekali oleh elektron. Pada umumnya
diantara pita valensi dan pita konduksi terdapat suatu celah yang disebut dengan celah
energi ( hole ).[1]
pita energi untuk Kristal
semikonduktor. pada keadaan kesetimbangan (equilibrium), pita energi terbagi menjadi
dua bagian dan dipisahkan oleh daerah dimana elektron tidak bisa bergerak atau
beroperasi, daerah ini disebut daerah terlarang (forbidden gap atau band gap). Pita atas
dinamakan pita konduksi, dan pita bagian bawah dinamakan pita valensi.
Donor atau Semikonduktor Jenis n
Suatu unsure Sb ditambahkan dalam jumlah sedikit ke dalam semikonduktor Ge
dan Si. Atom-atom pencampur mempunyai ukuran yang sebanding dengan atom-atom Ge
dan Si. Di dalam Kristal, satu atom pencampur dikelilingi oleh atom-atom bahan
semikonduktor. Empat atom tetangga dari atom pencampur (Gambar 3). Elektron valensi
ke lima dari atom pencampur lepas dari ikatan, sehingga dapat dikeluarkan dan dibebaskan
dengan mengeluarkan sejumlah energy yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan
energy yang diperlukan untuk membongkar ikatan kovalen.
dipisahkan dan dipindahkan ke pita hantaran atau pencampur menjadi ion tidak bergerak
bermuatan positif. Masing-masing atom pencampur dalam peristiwa ini memberikan satu
electron bebas ke semikonduktor. Semikonduktor yang berisi pencampur jenis ini
dinamakan semikonduktor jenis n karena pembawa-pembawa arus yang dihasilkan
merupakan muatan negative (elektron). Elektron-elektron bebas yang dihasilkan dengan
cara ini dinamakan electron berlebihan.
Elektron-elektron merupakan pembawa mayoritas dan lubang yang dibangkitkan
panas merupakan pembawa minoritas dalam semikonduktor jenis n. alam semikonduktor
jenis n, kalau n dan p berturut-turut menggambarkan konsentrasi electron dan konsentrasi
lobang, dapat ditunjukkan bahwa np = nipi = ni
2 dimana ni dan pi adalah nilai-nilai
intrinsik.
Langganan:
Postingan (Atom)