X-Ray Diffraction part 1

TEORI SINAR-X

A.    Penemuan Sinar-X

Sinar-X atau sinar Rӧntgen ditemukan oleh Wilhelm Conrad Rӧntgen pada tanggal 8 November 1895. Penemuan sinar X ini tidak bisa terlepas dari penelitian sinar katoda. Sinar katoda timbul karena adanya lucutan listrik melalui gas di dalam tabung bertekanan rendah. Peristiwa-peristiwa yang terjadi di dalam sinar katoda diselidiki oleh beberapa peneliti sekitar tahun 1870. Dengan menggunakan tabung khusus yang disebut tabung Crookes, William Crookes (1832-1919) memasang rintangan antara katoda dan dinding tabung yang dapat berpendar di depan katoda itu. Meskipun dari penelitian ini diketahui sinar katoda merambat lurus, Crookes belum berhasil mengidentifikasi apakah sinar katoda berupa partikel atau gelombang cahaya.

 

Gambar 1.

Timbulnya sinar katoda dalam tabung Crookes.

 

Gambar 2.

Berkas sinar katoda membelok saat didekatkan sebuah magnet batang.

Penyelidikan yang lain berhasil mengungkapkan bahwa sinar katoda dibelokkan oleh medan magnet maupun medan listrik. Dengan bantuan sebidang tabir yang dilapisi sulfida seng yang dapat mengeluarkan pendar berwarna hijau, akan terlihat perjalanan berkas sinar katoda yang membelok saat didekatkan sebuah magnet batang. Pembelokan ini juga terlihat bila sinar katoda dilewatkan di antara dua bidang kondensator bermuatan listrik. Dari penyelidikan ini dapat disimpulkan bahwa sinar katoda terdiri atas partikel-partikel bermuatan negatif. Inilah penelitian-penelitian awal yang membekali Rӧntgen ke arah penemuan sinar X.

Minat yang besar untuk mendalami penelitian sinar katoda mendorong Rӧntgen mempersiapkan fasilitas untuk penelitian tersebut. Dalam suatu laboratorium yang luas, Rӧntgen memasang sebuah kumparan Ruhmkorff yang dilengkapi interuptor sehingga dapat membangkitkan bunga api listrik sepanjang 10-15 cm. Rӧntgen juga melengkapi peralatannya dengan tabung Hittorf-Crookes (tabung pelucutan), beberapa tabung Lenard, dan sebuah tabung yang baru diterima dari Muller-Unkel. Peralatan lain berupa pompa vakum Rap untuk menghampakan tabung-tabung tersebut.

 

Gambar 3.

Kumparan Ruhmkorff.

Sinar-X diamati pertama kali oleh Rӧntgen pada 8 November 1895, pada saat ia sedang bekerja dengan tabung Crookes di laboratoriumnya di Universitas Wurzburg. Dia mengamati nyala hijau pada tabung yang sebelumnya menarik perhatian Crookes. Rӧntgen selanjutnya mencoba menutup tabung itu dengan kertas hitam agar tidak ada cahaya tampak yang dapat lewat. Namun, ternyata masih ada sinar tidak tampak yang lewat.

Saat Rӧntgen menyalakan sumber listrik tabung untuk penelitian sinar katoda, ia mendapatkan ada sejenis cahaya berpendar pada layar yang terbuat dari barium platinosianida. Jika sumber listrik dipadamkan maka cahaya pendar pun hilang. Rӧntgen segera menyadari bahwa sejenis sinar yang tidak kelihatan telah muncul dari dalam tabung sinar katoda. Karena sebelumnya tidak pernah dikenal maka sinar ini diberi nama sinar-X. Untuk menghargai jasanya, sinar itu dinamakan juga sinar Rӧntgen.

Nyala hijau yang terlihat oleh Crookes dan Rӧntgen ternyata merupakan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh dinding kaca tabung sewaktu elektron menabrak dinding itu. Pada saat yang bersamaan, elektron itu merangsang atom pada kaca untuk mengeluarkan gelombang elektromagnetik yang panjang gelombangnya sangat pendek, dalam bentuk sinar-X. Sejak saat itu, para ahli fisika mengetahui bahwa sinar-X dapat dihasilkan bila elektron dengan kecepatan yang sangat tinggi menabrak atom.

Tergiur oleh penemuannya yang tidak sengaja itu, Rӧntgen menyisihkan penyelidikan-penyelidikan lain dan memusatkan perhatiannya pada penyelidikan sinar-X. Dalam mempelajari sinar yang baru ditemukannya itu, Rӧntgen mendapatkan bahwa jika bahan yang tidak tembus oleh cahaya ditempatkan di antara tabung dan layar pendar, maka intensitas perpendaran pada layar itu berkurang, namun tidak hilang sama sekali. Hal ini menunjukkan bahwa sinar itu dapat menerobos bahan yang tidak tembus oleh cahaya (cahaya tampak). Di samping itu, Rӧntgen juga bisa melihat bayangan tulang tangannya pada layar yang berpendar dengan cara menempatkan tangannya di antara tabung sinar katoda dan layar. Ia juga menemukan sinar-X dapat memendarkan berbagai senyawa kimia lain seperti senyawa calsium, kaca uranium, kalsit, serta batu garam. Hal lain yang dibuktikannya adalah sinar-X bukan partikel bermuatan karena berjalan melintasi garis lurus, tidak dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.

Percobaan lainnya yang dilakukan oleh Rӧntgen adalah dengan meminta istrinya sendiri menjadi objek percobaan. Dengan memasang film fotografi di dalam kaset dan menempatkan tangan istrinya di antara kaset dan tabung sinar katoda, pada film akhirnya tercetak ruas-ruas tulang telapak tangan Ny. Rӧntgen yang memakai cincin. Setelah berbagai percobaan dilakukannya, pada 28 Oktober 1895, ia menyampaikan karya tulis ilmiahnya yang pertama tentang penemuan sinar-X itu pada perkumpulan fisika kedokteran di Wurzburg. Gambar tersebut adalah sebagai berikut:

 

Gambar 4.

Ruas-ruas tulang telapak tangan Ny. Rӧntgen yang memakai cincin.

B.     Mengukur Panjang Gelombang Sinar-X

Pada tahun 1912 suatu metode dicari untuk mengukur panjang gelombang sinar-X. Eksperimen difraksi dapat dipandang ideal, tetapi kita ingat dari optika fisis bahwa jarak antara dua garis yang berdekatan pada kisi difraksi harus berorde besar sama dengan panjang gelombang cahaya supaya didapat hasil yang memuaskan, dan kisi yang berjarak sangat kecil seperti yang diperlukan untuk sinar-X tidak dapat dibuat. Namun, pada tahun 1912, Max Von Laue menyadari bahwa panjang gelombang yang diduga berlaku untuk sinar-X berorde besar hampir sama dengan jarak antara atom-atom dalam Kristal yaitu sekitar beberapa nanometer. Dengan alasan itu ia mengusulkan bahwa Kristal dapat dipakai untuk mendefraksi sinar-X dengan kisi Kristal berlaku sebagai kisi tiga dimensi. Tahun berikutnya eksperimen yang memadai untuk hal tersebut telah dilakukan, dan sifat gelombang sinar-X secara sukses ditunjukkan. Dalam eksperimen itu panjang gelombang dari 0,013-0,048 nm hingga telah ditemukan, 10^-4 kali panjang gelombang cahaya tampak sehingga mempunyai kuanta 10⁴ kali lebih energitik.

Radiasi elektromagnetik dalam selang panjang gelombang aproksimasi 0,01 hingga 10 nm pada waktu itu digolongkan sebagai sinar-X. Batasan selang tersebut tidak tajam; pada batas panjang gelombang kecil bertumpang-tindih dengan sinar gamma dan batas panjang gelombang besar bertumpang-tindih dengan cahaya ultraungu.

 

Gambar 5.

Sebuah tabung sinar-X. Pemercepat voltase V  besar, mempercepat elektro

dan memperlambat panjang gelombang sinar-X.

Gambar 5 merupakan gambar tabung sinar-X. Sebuah katode yang dipanasi oleh filamen berdekatan yang dilalui arus listrik menyediakan elektron terus-menerus dengan emisi termionik. Perbedaan potensiaal yang tinggi V dipertahankan antara katode dengan target logam mempercepat elektron ke arah target tersebut. Permukaan target membentuk sudut relative terhadap berkas elektron, dan sinar-x yang keluar dari target melewati bagian pinggir tabung. Tabung tersebut dihampakan supaya elektron dapat sampai ke target tanpa halangan.

C.    Spektrum Sinar-X

Gambar 6 dan 7 menunjukkan spektrum sinar-X yang timbul ketika target tungsten dan molybdenum ditembaki elektron pada berbagai potensial pemercepat. Kurvanya menunjukkan dua unsur penting yang tidak bisa diterangkan dengan teori elektromagnetik:

1)      Dalam kasus molybdenum, puncak intensitas yang tajam pada panjang gelombang tertentu menunjukkan timbulnya sinar-X yang besar pada panjang gelombang tertentu. Puncak-puncak ini timbul pada berbagai panjang gelombang tertentu untuk masing-masing bahan target dan asalnya ialah penataan kembali struktur elektron atom target setelah diganggu oleh tembakan elektron. Suatu hal penting yang perlu diperhatikan pada bagian ini yaitu adanya produksi sinar-X untuk panjang gelombang khusus yang merupakan efek yang bukan klasik sebagai tambahan pada produksi spektrum sinar-X yang kontinu.

 

Gambar 6.

Spektrum sinar-X tungsten pada berbagai potensial pemercepat.

2)      Sinar-X yang timbul pada suatu potensial pemercepat tertentu V dalam panjang gelombangnya bermacam-macam, tetapi tidak terdapat panjang gelombang yang lebih kecil dari suatu harga tertentu l_min. Bertambahnya V akan menyebabkan mengecilnya l_min. Untuk suatu harga V, l_min untuk target molybdenum dan tungsten harganya sama.

 

Gambar 7.

Spektrum sinar-X molybdenum.

Duane dan Hunt menemukan secara eksperimen bahwa l_min berbanding terbalik dengan V, hubungannya adalah sebagai berikut

     …1

Pengamatan yang kedua dapat dipahami melalui teori kuantum radiasi. Sebagian besar elektron yang jatuh pada target kehilangan energi kinetiknya sedikit demi sedikit melalui berbagai tumbukan, energinya berubah menjadi panas. (Alasan inilah yang menyebabkan dipakainya target logam dalam tabung sinar-X yang mempunyai titik leleh yang tinggi seperti tungsten, dan dipakai cara yang efisien untuk mendinginkan target). Namun, sebagian kecil elektron kehilangan sebagian besar energinya atau seluruh energinya dalam suatu tumbukan tunggal dengan atom target, energi inilah yang berubah menjadi sinar-X.

Jadi, produksi sinar-X, kecuali puncak yang disebut pada poin (1) di atas, merupakan efek fotolistrik balik. Dibandingkan dengan energi foton yang ditransformasikan menjadi energi kinetik elektron, maka energi kinetik elektron ini ditransformasikan menjadi energi foton. Panjang gelombang pendek berarti frekuensi tinggi, sedangkan frekuensi tinggi berarti berenergi foton tinggi hv.

Karena fungsi kerja hanya beberapa elektronvolt, sedangkan potensial pemercepat dalam tabung sinar-X biasanya puluhan atau ratusan ribu volt, kita dapat mengabaikan fungsi kerja dan menafsirkan batas panjang gelombang terkecil dan persamaan (1) yang bersesuaian dengan hal dimana seluruh energi kinetik K = eV dari elektron yang dating seluruhnya diberikan pada foton tunggal berenergi hV_maks. Jadi,

     …2

Persamaan tersebut disebut rumusan Duane-Hunt dari persamaan (1) dan tentu saja sama dengan persamaan (2) kecuali satuannya berbeda. Dengan demikian, jelas bahwa kita dapat memandang produksi sinar-X sebagai kebalikan dari efek fotolistrik.