Eksperimen Sinar-X

Bab 1 Pendahuluan

A. Latar Belakang
Pada 8 November 1985, seorang fisikawan berkebangsaan Jerman Wilhelm C. Rontgen menemukan adanya sinar x. Rontgen menggunakan tabung Crookes di laboratorium Universitas Wuzburg. Selanjutnya Rontgen mencoba menutup tabung itu dengan kertas hitam agar tidak ada cahaya tampak yang dilewatinya. Namun, setelah ditutup ternyata masih ada sesuatu yang dapat lewat (menembus). Rontgen menyimpulkan bahwa terdapat sinar – sinar tidak tampak yang mampu menerobos kertas hitam itu.
Ketika Rontgen menyalakan sumber listrik tabung untuk penelitian sinar katoda, ia mendapatkan bahwa ada sejenis cahaya berpendar pada layar yang terbuat dari barium platino cyanide yang kebetulan berada di dekatnya. Rontgen bahwa ada sesuatu yang tidak kelihatan telah muncul dari dalam tabung sinar katoda. Akhirnya diketahui cahaya hijau yang terlihat oleh Rontgen merupakan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh dinding kaca pada tabung saat electron menabrak dinding tersebut, akibat terjadinya pelucutan listrik melalui gas yang masih tersisa di dalam tabung. Pada saat bersamaan electron itu merangsang atom pada kaca untuk mengeluarkan gelombang elektromagnetik yang panjang gelombangnya sangat pendek dalam bentuk sinar x. Sejak saat itu para ahli fisika telah mengetahi bahwa sinar x dapat dihasilkan bila electron dengan kecepatan tinggi menabrak atom.
Dari hasil penelitian yang dilakukan oleh Rontgen, didapat bahwa sinar x dapat memudarkan berbagai jenis bahan kimia. Sinar x juga dapat menembus berbagai materi yang tidak dapat ditembus oleh sinar tampak biasa yang sudah dikenal pada saat itu. Selain itu Rontgen juga dapat melihat bayangan tulang tangannya pada layar yang berpendar, dengan cara menempatkan tangannya diantara tabung katoda dan layar. Dari hasil penelitian, diketahui sinar x merambat lurus dan tidak dibelokkan baik oleh medan magnet maupun medan listrik.

B. Identifikasi Masalah
Dari latar belakang di atas terdapat beberapa masalah yang teridentifikasi, yaitu :

1. Bagaimanakah karakteristik dari sinar-x?
2. Bagaimana struktur Kristal yang ditembaki oleh sinar x?
3. Bagaimana hubungan antara Intensitas sinar x dengan sudut hamburan 2θ?

C. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Mempelajari kaidah penyerapan dari sinar-x.
2. Mengetahui cara mencari intensitas sudut sinar-x.
3. Menurunkan nilai konstanta Planck.

D. Manfaat Eksperimen
Manfaat dari penelitian ini adalah dapat mengetahui intensitas dari setiap sudut yang terbentuk dari sinar-x yang kemudian dapat menentukan peak-peaknya. Dari memahami prinsip difraksi sinar-x. Eksperimen ini juga bermanfaat untuk menganaisis hubungan energi dan panjang gelombang.

BAB II Kajian Teori

Sinar X ditemukan oleh Roentgen pada tahun 1895. Daya tembusnya yang luar biasa merupakan ciri yang sangat menarik pada saat itu. Dengan gaya dramawan yang besar Roentgen menyebarkan hasil foto sinar X lengkap dengan sepatu bootnya. Hal tersebut cukup menarik perhatian. Berbagai spekulasi dilontarkan mengenai sinar yang dapat menembus kemana-mana, dengan segala khalayan tentang daya tembusnya yang tinggi.
Sinar x terjadi apabila satu berkas elektron bebas berenergi kinetik tinggi mengenai logam. Biasanya permukaan logam dengan nomor atom Z yang tinggi. Tempat dimana berkas elektron itu menumbuk logam akan merupakan sumber sinar dengan daya tembus yang besar.
K adalah katode yang dihubungkan dengan kutub negatif sumber tegangan tinggi. Katoda dipanaskan dengan menggunakan filamen agar lebih mudah memancarkan elektron.
A merupakan anoda yang terbuat dari logam berat. Anoda dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan tinggi. Beda potensial yang tinggi (beberapa kilo volt sampai dengan seratus kilo volt) menyebabkan sesampainya di Anoda, elektron yang dipancarkan oleh katoda memiliki energi kinetik yang sangat besar. Elektron-elektron inilah yang dalam tumbukannya dengan Anoda menimbulkan pancaran sinar x oleh Anoda.
Baik katoda maupun anoda ditempatkan dalam tabung gelas yang divakumkan, agar perjalanan elektron dari katoda ke anoda tidak mendapat gangguan. Anoda A didinginkan dengan air untuk menyalurkan kelebihan kalor yang timbul karena benturan berkas elektron dengan permukaan andoa. Jika pendinginan tak dilakukan suhu anoda akan terus meningkat sampai terjadi peleburan.
Roentgen melaporkan bahwa sinar X terbentuk di anoda apabila elektron yang berenergi tinggi menumbuk permukaan anoda. Bagaimanakah mekanismenya ? Bagaimana pula situasi fisiknya ?
Keadaan fisiknya dapat digambarkan sebagai berikut :
Elektron berenergi tinggi sampai di permukaan logam, dan kemudian meneruskan perjalanannya di dalam logam. Dipandang dari elektron yang datang. Zat dapat merupakan susunan ion-ion berat dan lautan elektron bebas

• Interaksi antara elektron yang datang dengan susunan ion maupun larutan elektron logam adalah interaksi elektromagnetik. Secara sederhana gaya interaksi yang terjadi dapat dinamakan gaya tumbukan, dan interaksi tersebut disebut tumbukan.
• Dalam tumbukan tersebut elektron berenergi tinggi kehilangan energinya sedikit demi sedikit, karena tumbukan itu terjadi secara berangkai. Energti elektron ini diubah menjadi pancaran elektromagnet karena elektron mengalami perlambatan, dan sebagian menjadi energi getar kisi ion dalam kristal. Bagian yang akhir ini menyebabkan meningkatnya suhu anoda. Bagian yang pertama (pancaran elektromagnet) adalah sinar X.
• Panjang gelombang sinar X tersebar meliputi spektrum yang bersifat kontinu karena prosesnya beruntun. Artinya spektrum yang terlihat mencakup berbagai tumbukan sekaligus secara suksesis setiap elektron kehilangan energinya melalui tumbukan-tumbukan berangkai.

Sinar X merupakan radiasi pengion,artinya, sinar ini mengionisasi udara atau gas yang dilewatinya. Detektor sinar X yang paling sederhana terdiri atas ruang ionisasi yang berisi suatu gas. Apabila atom-atom gas ini terionisasi oleh sinar X yang  menembus dinding ruang ionisasi ini, maka dua elektroda dalam ruang ini akan mengumpulkan ion-ion tersebut dari dalam ruang. Perangkat ruang ionisasi dan elektrometer dipergunakan untuk menentukan intensitas sinar X.

X-ray dan Produksi sinar-X
Sinar-X merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang antara sekitar 0,02 Å dan 100 Å (1A = 10^-10 meter). Sinar-X adalah bagian dari spektrum elektromagnetik yang mencakup panjang gelombang radiasi elektromagnetik yang disebut cahaya tampak, mata kita peka terhadap panjang gelombang cahaya tampak yang berbeda, sebagai warna yang berbeda. Karena sinar-X memiliki panjang gelombang yang serupa dengan ukuran atom, sehingga dapat digunakan untuk mengeksplorasi kristal.
Energi sinar-X, seperti semua radiasi elektromagnetik, berbanding terbalik dengan panjang gelombang, seperti yang diberikan oleh persamaan Einstein:
E = hν = hc/λ; dengan E = energi
h = konstanta Planck, 6.62517 x 10^-27 erg.sec
ν = frekuensi
c = kecepatan cahaya = 2.99793 x 10¹⁰ cm/sec
λ = panjang gelombang

Jadi, karena sinar-X memiliki panjang gelombang lebih kecil dari cahaya tampak, mereka memiliki energi yang lebih tinggi. Dengan energi yang lebih tinggi, sinar-X dapat menembus materi lebih mudah daripada cahaya tampak biasa. Kemampuan sinar-X untuk menembus materi tergantung pada kerapatan, dan dengan demikian sinar-X memberikan pemetaan struktur internal dari tubuh manusia (kepadatan tulang lebih tinggi dari jaringan, dan dengan demikian lebih sulit untuk sinar-X untuk menembus, patah tulang pada tulang memiliki berbeda densitas dari tulang, sehingga patah tulang dapat dilihat pada gambar X-ray).
Sinar-X diproduksi dalam perangkat yang disebut tabung sinar-X. Seperti tabung digambarkan di sini. Ini terdiri dari sebuah ruang dievakuasi dengan filamen tungsten di salah satu ujung tabung, disebut katoda, dan target logam di ujung yang lain, yang disebut anoda. Listrik arus dijalankan melalui filamen tungsten, menyebabkan ia bersinar dan memancarkan elektron. Perbedaan tegangan yang besar (diukur dalam kilovolt) adalah ditempatkan di antara katoda dan anoda, yang menyebabkan elektron untuk bergerak dengan kecepatan tinggi dari filamen ke target anoda. Setelah mencolok atom dalam target, elektron mengusir batin shell elektron sehingga elektron kulit terluar harus melompat ke shell energi yang lebih rendah untuk menggantikan elektron copot. Ini transisi elektronik menghasilkan generasi sinar-X. The Xrays kemudian bergerak melalui jendela dalam tabung sinar-X dan dapat digunakan untuk memberikan informasi tentang susunan internal atom dalam kristal atau struktur bagian tubuh internal.

Karakteristik Spektrum Sinar-X
Ketika bahan target tabung sinar-X dibombardir dengan elektron yang dipercepat dari filamen katoda, dua jenis spektrum sinar-X dihasilkan. Yang pertama disebut spectrum kontinu.

Spektrum kontinyu terdiri dari berbagai panjang gelombang sinar-X dengan panjang gelombang minimum dan intensitas (diukur dalam hitungan per detik) tergantung pada bahan target dan tegangan tabung sinar-X. Panjang gelombang minimum menurun dan meningkat dengan meningkatnya intensitas tegangan.
Jenis spektrum kedua, yang disebut spektrum karakteristik, diproduksi pada tegangan tinggi sebagai akibat tertentu  transisi elektronik yang terjadi dalam atom individual dari target material. Paling mudah untuk melihat dengan menggunakan model atom sederhana Bohr. Dalam model seperti itu,  inti atom yang mengandung proton dan neutron dikelilingi oleh lapisan  elektron. Lapisan  paling dalam, disebut kulit-K, dikelilingi oleh lapisan L dan M. Ketika energi elektron dipercepat terhadap target sehingga cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron kulit-K, elektron dari kulit L – dan M – bergerak untuk mengambil tempat di kulit-K.
Intensitas sinar-x karakteristik yang terdeteksi tergantung pada 3 faktor, yaitu:

• nomor atom dari atom teradiasi dan juga atom lingkungannya
• probabilitas terabsorpsinya sinar-x sebelum terlepas keluar dari sampel.
• fluoresen sekunder yang juga merupakan salah satu akibat terabsorpsinya sinar-x tersebut.

Sebagai contoh, suatu sinar-x karakteristik energi tinggi dari unsur mungkin diabsorpsi oleh atom unsur B, karenanya merangsang sebuah emisi karakteristik dari unsur kedua dari energi yang lebih rendah. Terdapatnya unsur
A dan B dalam sampel yang sama akan menaikkan intensitas dari emisi karakteristik dari unsur B dan mengurangi emisi karakteristik dari unsur A. Inilah yang disebut sebagai efek matriks (matrix effect), yaitu sebuah efek yang
tergantung pada matriks sampel, yang karenanya membutuhkan perlakuan khusus selama analisa kuantitatif.
Sedangkan dalam menentukan panjang gelombang sinar X maka dibahas difraksi sinar X oleh kisi suatu kristal. Perhatikan sketsa kisi antar atom dengan jarak antar tetangga terdekat d dibawah ini :

Andaikata bahwa sinar X datang dengan sudut θ terhadap deretan atom seperti terlihat di gambar. Beda panjang lintasan antara sinar datang dan sinar pantul adalah: 2 d sin θ
Interferensi yang saling menguatkan terjadi apabila beda panjang lintasan itu sama dengan kelipatan bulat dari panjang gelombang sinar X. Jadi interferensi maksimum terjadi bila:
n λ = 2 d sinθ ;
Dengan:
λ = Panjang gelombang sinar-X
d = Jarak antara dua bidang kisi
θ = Sudut sinar datang dengan bidang pantul
n = orde pembiasan (n = 1,2,3,…)
Jadi pantulan sinar X terjadi bila syarat di atas terpenuhi. Pantulan itu dinamakan pantulan Bragg atau Bragg’s reflection, sedangkan kondisi interferensi saling menguatkan disebut refleksi Bragg. Jadi apabila jarak antar atom-atom kristal diketahui, maka panjang gelombang sinar X dapat dihitung.
Berkas sinar-X dalam penyebaranya dari sumber melalui suatu garis yang menyebar ke segala arah kecuali dihentikan oleh bahan penyerap sinar-X. Oleh karena itu, tabung sinar-X ditutup dalam suatu rumah tabung logam yang mampu menghentikan sebagian besar radiasi sinar-X,  hanya sinar-X yang berguna dibiarkan keluar dari tabung melalui sebuah jendela.
Sedangkan faktor-faktor yang berpengaruh pada pencitraan sinar-x antara lain:

• Pengaruh Arus (mA)

Arus akan berpengaruh pada intensitas sinar-X atau derajat terang/brightnees. Dengan peningkatan mA akan menambah intensitas sinar-X dan sebaliknya. Oleh sebab itu derajat terang dapat diatur dengan mengubah mA.

• Pengaruh jarak dan waktu pencitraan (exposure)

Di samping arus (mA) jarak dan waktu pencitraan juga berpengaruh pada intensitas. Waktu exposure yang lama juga akan meningkatkan intensitas dari sinar-X. Untuk itu dalam setiap pengoperasian pesawat sinar-X selalu dilakukan pengaturan waktu (S) dan arus (mA) atau biasa disebut dengan mAS yang bergantung pada obyek yang disinari. Jika tabung didekatkan pada obyek maka intensitas akan naik dan hasil gambar jelas dan terang. Sebaliknya jika tabung dijauhkan dari obyek maka intensitas akan menurun. Dari sini dapat disimpulkan bahwa cahaya dan sinar-X merambat dalam pancaran garis lurus yang melebar.

• Pengaruh Tegangan (kV)

Tegangan tinggi merupakan daya dorong elektron di dalam tabung dari katoda ke anoda. Supaya dapat menghasilkan sinar-X daya dorong ini harus kuat sehingga mampu menembus obyek. Dengan demikian perubahan kV sangat berpengaruh terhadap daya tembus sinar- X.

• Penyerapan Sinar-X

Penyerapan sinar-X oleh suatu bahan tergantung pada tiga faktor sebagai berikut.

• Panjang gelombang sinar-X
• Jika kV rendah maka akan dihasilkan sinar-X dengan gelombang yang panjang dan sebaliknya dengan kV tinggi maka panjang gelombang sinar-X akan semakin pendek.
• Susunan obyek yang terdapat pada alur berkas sinar-X
• Penyerapan sinar-X oleh suatu bahan juga tergantung pada susunan obyek yang dilaluinya, sedangkan susunan obyek tergantung pada nomor atom unsur, misalnya nomor atom alumunium lebih rendah dari nomor atom tembaga. Ternyata penyerapan sinar-X alumunium lebih rendah dari penyerapan sinar-X oleh tembaga. Timah hitam mempunyai nomor atom yang besar, maka daya serap terhadap sinar-X juga besar.
• Ketebalan dan kerapatan obyek
• Bahan yang tebal akan lebih banyak menyerap sinar-X dibanding dengan bahan yang tipis, tentunya pada unsur yang sama.