Difraksi Sinar X

DIFRAKSI SINAR-X PADA KRISTAL

 

Sejarah mengenai difraksi sinar-x telah berjalan hampir satu abad ketika tulisan ini disusun. Tahun 1912 adalah awal dari studi intensif mengenai difraksi sinar-x.  Dimulai  dari  pertanyaan M. van Laue kepada salah  seorang  kandidat doktor P.P.  Ewald  yang  dibimbing  A.Sommerfeld,  W.  Friedrich  (asisten  riset Sommerfeld) menawarkan dilakukannya eksperimen mengenai 'difraksi sinar-x'. Pada  saat  itu  eksperimen  mengenai  hamburan  sinar-x  sudah  dilakukan  oleh Barkla.

 

Laue   mengawali   pekerjaannya   dengan   menuliskan   hasil   pemikiran teoretiknya dengan mengacu pada hasil eksperimen Barkla. Laue berargumentasi, ketika sinar-x melewati sebuah kristal, atom-atom pada kristal bertindak sebagai sumber-sumber  gelombang  sekunder,  layaknya  garis-garis  pada  geritan  optik (optical grating). Efek-efek difraksi bisa jadi menjadi lebih rumit karena atom- atom tersebut membentuk  pola tiga dimensi. Eksperimen  difraksi sinar-x yang pertama  dilakukan  oleh  Herren  Friedrich  dan  Knipping  menggunakan  kristal tembaga  sulfat  dan  berhasil   memberikan   hasil  pola  difraksi  pertama  yang kemudian  menjadi  induk  perkembangan  difraksi  sinar-x  selanjutnya  Difraksi sinar-x merupakan proses hamburan sinar-x oleh bahan kristal.

 

Pembahasan  mengenai  difraksi   sinar-x  mencakup   pengetahuan   yang berhubungan dengan hal-hal berikut ini:

1. pembentukan sinar-x

2. hamburan (scattering) gelombang elektromagnetik

3. sifat kekristalan bahan (kristalografi)

 

Dengan  demikian,  difraksi  sinar-x  adalah  topik  lanjut  di  bidang  fisika  yang memerlukan pengetahuan dasar yang cukup banyak dan komplek.

 

Sinar X

 

1.     Merupakan radiasi elektromagnetik berenergi tinggi

2.    Dihasilkan akibat interaksi antara berkas berkas elektron eksternal dengan elektron pada kulit atom.

3.    Spektrum sinar x memiliki:

a.   panjang gelombang antara10^-5-1 nm,

b.  frekuensi antara 10¹⁷-10²⁰ Hz,

c.   Energi antara 10³-10⁶ eV.

d.  Panjang gelombnag Sinar X memiliki orde yang sama dengan jarak antara atom.

 

Munculnya sinar X  karena adanya perubahan energi kinetik yang dihentikan

 anoda menjadi cahaya ( gelombang elektromagnetik )

 

 

 

 

 

 

Prinsip difraksi Sinar X

 

1.     Sinar X terpancar dari tabung Sinar X.

2.    Difraksi sinar X yang konvergen diterima slit.

3.    Sinar X diterima detektor,

4.    diubah menjadi sinyal listrik.

5.    Sinyal ini dihitung sebagai analisa pulsa tinggi.

 

Difraksi Sinar X

1.     Proses hamburan sinar X oleh bahan kristal.

2.    Difraksi tergantung pada struktur kristal dan panjang gelombang.

a.   jika (λ) ukuran atom, tidak terjadi difraksi

b.  jika (λ) < ukuran atom, terjadi difraksi

3.    Teknik yang digunakan dalam karakterisasi material.

4.    Untuk mendapatkan informasi mengenai ukuran atom.

 

 

 

Hukum Bragg

Jika seberkas sinar-X mengenai bidang-bidang Kristal tersebut maka sinar akan berhamburan ke segala arah. Karena keteraturan susunan atom-atom pada arah tertentu, gelombang hamburan sinar-X akan mengalami interfrensi konstrutif. Sedangkan pada arah yang lain, gelombang hamburan sinar-X akan mengalami interferensi destruktif.

 

Contoh Soal

Kristal dengan jarak antar bidang (d) = 2Ǻ, Ka dari logam tembaga. Energi = 8 kev, berapa sudutnya?

 

Jawab

E =  ch

        l

 

      (8x10³) (1,602x10^-19)  =  (6,6 10^-34)  (3x10⁸)

                                                        l

 

       l = 1,5449 x 10^-10 m

       λ = 1,54 Ǻ

       2d sin θ  =  nλ

       Sin θ = 2,2

       θ  = 22,64

Interaksi Sinar X dengan Material

 

Ada dua proses yang terjadi bila seberkas sinar-x ditembakkan ke sebuah atom, yaitu:

1.     Energi berkas sinar-x terserap oleh atom, atau

2.    sinar-x dihamburkan oleh atom.

 

Dalam   proses   yang   pertama,   berkas   sinar-x   terserap   atom   melalui   Efek Fotolistrik  yang  mengakibatkan   tereksitasinya  atom  dan/atau  terlemparnya  elektron- elektron dari atom. Atom akan kembali ke keadaan dasarnya  dengan (1) memancarkan elektron (melalui  Auger  effect), atau (2) memancarkan  sinar-x  floresen  yang memiliki panjang  gelombang  karakteristik  atom  tereksitasinya.  Pada  proses  yang  kedua,  ada bagian berkas yang mengalami hamburan  tanpa kehilangan  kehilangan  energi (panjang gelombangnya tetap) dan ada bagian yang terhambur dengan kehilangan sebagian energi (Hamburan Compton).

 

Jadi serapan total sinar-x terjadi karena efek fotolistrik dan hamburan Compton. Namun, hamburan  Compton   memiliki efek menyeluruh  yang dapat diabaikan,  kecuali untuk radiasi dengan panjang gelombang  pendek yang mengenai  material dengan berat atom rendah.

 

Dalam  interaksinya  dengan  material,  sinar-x  juga dapat  mengalami  polarisasi linier  (seperti  halnya  cahaya  tampak),  baik  parsial  maupun  total.  Dengan  demikian berkas  sinar-x  terpolarisasi  dapat  diperoleh  dengan  cara  hamburan  dan  untuk  sudut hamburan   90°,   polarisasi   lengkap   terjadi,   yaitu   komponen   vektor   medan   listrik tegaklurus bidang yang dibentuk berkas datang dan berkas terhambur.

 

Berkas hamburan sinar-x oleh material yang dapat diukur adalah intensitas. Intensitas berkas sinar-x yang mendekati paralel adalah fluks energi yang melewati satu satuan  luasan  tertentu  per  satuan  waktu.  Untuk  gelombang   planar  monokromatik, intensitas sebanding dengan kuadrat amplitudo getaran. Intensitas radiasi yang dihasilkan oleh  sumber  titik  (atau  sumber  kuasi-titik)  pada  arah  tertentu  adalah  energi  yang dipancarkan per detik per satuan sudut ruang pada arah itu. Dalam pengukuran intensitas mutlak, cara termudah adalah dengan menentukan jumlah foton teremisi atau tertangkap (detektor) per satuan waktu, bisa per satuan luas atau per satuan sudut ruang.