BAB 14 SPEKTROSKOPI SINAR-X

BAB 14
SPEKTROSKOPI SINAR-X
Oleh : Tri Siswandi
14.1 Pendahuluan
Seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman, William Conrad Rontgen pada tahun
1895 berhasil menemukan sinar-X atau sinar rontgen. Penemuan sinar-X ini diilhami
oleh percobaan-percobaan sebelumnya yang dilakukan oleh J.J.Thompson dan Heinrich
Hertz. Percobaan Thompson mengenai tabung katoda dan percobaan Hertz mengenai
fotolistrik. Saat itu, Rontgen sedang melakukan percobaan dengan "sinar katoda". Sinar
katoda terdiri atas arus elektron. Arus diproduksi dengan menggunakan tegangan tinggi
antara elektroda yang ditempatkan pada masing-masing ujung tabung gelas yang
udaranya hampir dikosongkan seluruhnya.
Pada peristiwa ini, Rontgen sudah sepenuhnya menutup seluruh tabung sinar
katoda dengan kertas hitam tebal, sehingga walaupun sinar listrik dinyalakan, tidak ada
cahaya yang bisa terlihat dari tabung. Akan tetapi, pada saat Rontgen menyalakan arus
listrik di dalam tabung sinar cathode, Rontgen terperanjat melihat bahwa cahaya mulai
memijar pada layar yang terletak dekat bangku seperti distimulir oleh sinar lampu.
Kemudian ia memadamkan tabung dan layar (yang terbungkus oleh barium platino
cyanide) dan cahaya berhenti memijar. Karena tabung sinar katoda sepenuhnya
tertutup, Rontgen segera sadar bahwa suatu bentuk radiasi yang tak kelihatan
seharusnya datang dari tabung ketika cahaya listrik dinyalakan. Karena ini merupakan
hal yang misterius, Rontgen menyebut radiasi yang tampak itu sebagai "sinar-X".
Adapun lambang "X" merupakan lambang matematik biasa untuk menyatakan sesuatu
yang tidak diketahui.
Sinar-X adalah pancaran gelombang elektromagnetik (EM) yang sejenis dengan
gelombang listrik, radio, inframerah panas, cahaya, sinar gamma, sinar kosmik dan
sinar ultraviolet, tetapi
dengan
panjang
gelombang yang sangat pendek. Sinar-X
memiliki beberapa sifat antara lain :
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
263
1. Tidak dapat dilihat oleh mata, bergerak dalam lintasan lurus dan dapat
mempengaruhi film topografi.
2. Daya tembusnya sangat tinggi.
3. Dapat digunakan untuk membuat gambar bayangan sebuah objek pada film
fotografi.
4. Memiliki energi E = hv.
5. Orde panjang gelombangnya berada diantara panjang gelombang sinar gamma dan
sinar ultraviolet.
Sinar-X merupakan gelombang EM yang memiliki panjang gelombang yang
lebih pendek dari pada sinar UV dan memiliki energi lebih tinggi dari sinar UV sinar-X
dapat memendarkan berbagai jenis bahan kimia, merambat lurus dan tidak dipengaruhi
oleh medan magnet ataupun medan listrik. Sinar dapat dibuat dengan penembakan
elektron dengan energi tinggi, kemudian dihentikan oleh elektron permukaan logam
objek, sehingga energi kinetik elektron berubah menjadi foton sinar-X. Hal ini dapat
dilihat pada Gambar 14.1.
Gambar 14.1 Spektrum Gelombang Elektromagnet (id.wikipedia.org)
Beberapa bentuk spektroskopi yang bekerja atas dasar sifat sinar-X adalah Xray absorption spectroscopy (XAS), X-ray fluorescence (XRF) dan X-ray difraction
(XRD). Alat ini bekerja pada dengan sistem yang hampir sama, yang berbeda adalah
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
264
pada proses karakteristik. Misalnya XAS bekerja pada proses absorbsi atau transmisi
sinar-X yang mengenai sampel, XRF bekerja pada bahan sampel yang bisa terfluoresens, dan XRD merupakan salah satu metoda untuk mengkarakterisasi sampel
material dalam bentuk kisi-kisi kristal.
14.2 Produksi Sinar-X
Pada umumnya ada tiga metode untuk menghasilkan sinar-X yang digunakan
dalam analisis di laboratorium, yaitu:
14.2.1 Tabung Sinar-X
Tabung sinar-X terdiri dari kawat filamen yang berfungsi sebagai katoda dan
logam murni seperti tembaga, kromium, molibdenum, rodium, emas, perak, paladium,
dan tungsten sebagai anoda serta sebuah lubang (window) dari berilium (0,3-0,5 mm)
untuk memungkinkan sinar-X untuk dapat keluar. Saat kawat dipanaskan, terjadi emisi
termal dengan pelepasan elektron menuju anoda. Elektron ini berinteraksi dengan atomatom permukaan anoda. Khusus pada pemercepat partikel energi tinggi beberapa
elektron atau partikel yang dipercepat dapat menyimpang dan menabrak dinding
potensial sehingga menimbulkan Bremsstrahlung pada dinding (Gambar 13.2).
Beda potensial atau tegangan antara kedua elektroda dan jenis anoda yang
digunakan akan menentukan energi maksimum sinar-X yang terbentuk, sedangkan
fluks sinar-X bergantung pada jumlah elektron persatuan waktu yang sampai ke bidang
anoda. Sinar-X yang terbentuk dengan cara ini mempunyai energi paling tinggi, yakni
sama dengan energi kinetik elektron pada waktu terjadinya perlambatan.
Gambar 14.2 Diagram Skema Tabung Sinar-X (4kV-50kV)
(missanezjutek.blogspot.com)
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
265
14.2.2 Secondary XRF Sources
Pada saat sampel dilewati oleh sinar-X, maka ada sebagian sinar yang diabsorbsi.
Radiasi elektromagnetik yang dipancarkan akan berinteraksi dengan elektron yang
berada di kulit K suatu sampel. Akibat interaksi ini, elektron yang berada di kulit K
akan memiliki energi kinetik yang cukup untuk melepaskan diri dari ikatan inti,
sehingga elektron itu akan terpental keluar (terseksitasi) dalam bentuk sinar-X
secondary. Spektrum yang dihasilkan oleh primary sinar-X (Bremsstrahlung) adalah
kontinuitas seperti diperlihatkan pada Gambar 13.3 (a), sedangkan yang dihasilkan
oleh secondary sinar-X bersifat diskrit (Gambar 13.3 (b)).
Gambar 14.3 Perbedaan spektrum (a) Primary Sinar-X dan (b) Secondary Sinar-X
(R.S Khandpur, 2006)
14.2.3 Radioisotop
Inti atom yang tidak stabil (radio nuklida) akan mengalami peluruhan radioaktif.
Partikel-partikel kecil dengan kecepatan tinggi dan sinar-sinar menyebar dari inti atom
ke segala arah. Para ahli memisahkan sinar-sinar tersebut ke dalam kelompok yang
berbeda dengan menggunakan medan magnet dan ternyata ditemukan tiga tipe radiasi
nuklir yang berbeda yaitu sinar alfa, beta, dan gamma (hampir mirip dengan sinar-X),
seperti terlihat pada Gambar 13.4.
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
266
Gambar 14.4 Peluruhan sinar gamma (identik dengan sinar-X) dari unsur radioaktif
(oscartigasembilan03.blogspot.com)
Semua radionuklida secara alami memancarkan salah satu atau lebih dari ketiga
jenis radiasi tersebut. Sinar gamma atau sinar-X merupakan emisi foton-foton yang
mempunyai daya tembus besar dan berkas sinar ini tidak dapat dibelokkan oleh medan
listrik maupun medan magnet. Keuntungan radioisotop sebagai sumber sinar-X adalah
untuk memproduksinya tidak membutuhkan catu daya, tapi lebih lemah daripada sinarX yang dihasilkan dengan tabung dan pengoptimalannya tidak bisa dilakukan dengan
mengubah tegangan seperti yang dapat dilakukan pada sumber dari tabung. Selain itu
sinar-X yang dihasilkan tidak dapat dihentikan produksinya.
14.3 Spektrum Sinar-X
Pada peristiwa terjadinya tumbukan tak sempurna antara elektron dengan atom
permukaan anoda (target) akan terjadi dua hal sebagai berikut:
1. Terjadi radiasi yang dikenal dengan Bremsstrahlung yaitu elektron yang mendekati
atom target (anoda) akan berinteraksi dengan atom anoda, tepatnya dengan
elektron luar atom tersebut. atom mengalami perlambatan (defleksi) sehingga
menghasilkan radiasi. Radiasi ini memiliki aneka ragam panjang gelombang. Oleh
karena itu proses Bremsstrahlung dapat dialami elektron berulang kali, sehingga
spektrum radiasi ini bersifat kontinu. Spektrum tersebut mempunyai frekuensi cut
off (batasan) atau panjang gelombang cut off yang tergantung pada potensial
percepatan.
2. Jika elektron yang ditembakkan cukup besar energinya, maka akan mampu
melepaskan elektron target dari kulitnya. Kemudian, kekosongan kulit yang
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
267
ditinggalkan elektron akan diisi oleh elektron yang lebih luar dengan
memancarkan radiasi. Transisi ini akan menyebabkan sederet baris (garis-garis)
spektrum diskrit. Spektrum ini disebut garis-garis Kα, Kβ, Kγ dan seterusnya. Pada
sistem pencitraan sinar-X diperlukan tegangan tinggi, dengan tujuan agar dapat
dihasilkan berkas sinar-X. Spektrum kontinu dan diskrit dari sinar-X dapat dilihat
pada Gambar 13.5.
Gambar 14.5 Spektrum Sinar-X kontinu dan diskrit) (www.miniphysics.com)
14.4 Instrumentasi Spektroskopi Sinar-X
Secara umum, spektroskopi sinar-X terdiri dari: sumber sinar-X dengan panjang
gelombang dalam orde sekitar 10-9 m yang membawa energi, selektor panjang
gelombang, kolimator, filter dan detektor. Monokromator pada alat ini digunakan sama
seperti pada alat spektrokopi yang lainnya untuk merubah hamburan sinar-X yang
masih bersifat polikromator. Biasanya dipasang didekat sumber sinar-X (telah dibahas
pada Bab Spektrometer Elektron dan Ion). Pada Gambar 13.6 (a) merupakan gambar
skema bagian tengah dari XRD sedangkan pada Gambar 13.6 (b) merupakan skema
secara umum spektrokopi sinar-X. Sinar dari X-ray tube dipilih panjang gelombangnya
kemudian difokuskan pada kolimator. Setelah itu mengenai sampel. Hasil dari sampel
ditangkap oleh detektor. Fungsi Detektor disini adalah untuk mendeteksi energi hasil
interaksi antara sinar-X dengan sampel. Detektor mengubahnya dalam bentuk tegangan
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
268
kecil. Tegangan kecil ini dikuatkan oleh amplifier, setelah itu di-display dalam bentuk
grafik.
(a)
(b)
Gambar 14.6 (a) Skema spektrometer sinar-X. (b) Diagram Blok kerja spektrometer
sinar-X (R.S Khandpur, 2006)
14.4.1 Sumber Sinar-X
Sumber sinar-X dapat diperoleh dari salah satu dari tiga buah sumber yang ditulis
di atas, bisa juga dari synchrotron tapi biasanya untuk keperluan riset, banyak peneliti
menggunakan dari sumber tabung sinar-X (Gambar 13.7) karena intensitasnya dapat
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
269
diatur. Tabung sinar-X dilengkapi dengan high voltage generator dan stabilizer. Proses
yang terjadi pada alat ini adalah proses Bremsstrahlung.
Gambar 14.7 Tabung Sinar-X (www.miniphysics.com, 2013)
14.4.2 Kolimator
Kolimator terdiri atas sejumlah besar timbal dengan beberapa lubang paralel
yang memiliki tampang lintang yang sama. Kegunaaan kolimator adalah untuk
memberikan penajaman pada citra karena hanya melewatkan sinar-X yang searah
dengan orientasi lubang kolimator dan menahan sinar-X hamburan.
Skema kolimator yaitu memfokuskan sinar atau memilih sinar yang lurus saja
untuk diteruskan sampel diperlihatkan pada Gambar 13.8.
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
270
Gambar 14.8 Skema kolimator 9 (en.wikipedia.org, 2013)
Kolimator ada dua bagian, yaitu:
a. Kolimator pada tabung sinar-X, yang fungsinya adalah untuk mengurangi dosis
emisi sebagai pembatas luas bidang penyinaran dan mengurangi bayangan
penumbra dengan adanya focal spot kecil.
b. Kolimator pada detektor, yang berfungsi sebagai pengarah radiasi menuju ke
detektor, pengontrol radiasi hamburan dan menentukan ketebalan lapisan (slice
thickness).
14.4.3 Detektor
X-ray detector berfungsi untuk mengubah energi foton menjadi pulsa listrik.
Pulsa listrik dihitung untuk setiap periode waktu. Jumlah rata-rata diartikan sebagai
jumlah pulsa tiap detiknya yang dikenal sebagai intensitas sinar-X.
Ada beberapa jenis detektor yang digunakan yaitu propotional counter, ion
chamber, Geiger-muller counter, scintillation detektor, Imaging Plate Detectors, charge
coupled device (CCD) dan solid state semiconductor. (telah dibahas pada Bab Instrumen
Radiokimia). Saat ini yang banyak digunakan adalah detektor solid state
semiconductor. Hal ini dikarenakan tingkat kecepatan, resolusi dan efisiensinya lebih
baik dari pada detektor lainya.
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
271
14.5 XRD (X-Ray Diffraction)
XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur kristal
dan bentuk ukuran kristal dari suatu bahan padat (Gambar 13.9 dan 13.6 (a)). Semua
bahan yang mengandung kristal tertentu ketika dianalisa menggunakan XRD akan
memunculkan puncak-puncak yang spesifik. Adapun kelemahan alat ini tidak dapat
untuk mengkarakterisasi bahan yang bersifat amorf.
Metode difraksi umumnya digunakan untuk mengidentifikasi senyawa yang
belum diketahui yang terkandung dalam suatu padatan dengan cara membandingkan
dengan data difraksi dengan database yang dikeluarkan oleh International Centre for
Diffraction Data berupa Powder Diffraction File (PDF).
Gambar 14.9 X-Ray Diffraction (XRD) (dartmouth.edu)
Dasar dari penggunaan difraksi sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah
berdasarkan persamaan Bragg:
n.λ = 2.d.sin θ ; n = 1,2,3..
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
272
Gambar 14.10 Skema X-Ray Diffraction (XRD) (www.chemistryviews.org)
Dengan λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah jarak antara dua
bidang kisi, θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang normal, dan n adalah
bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan.
Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X dijatuhkan pada sampel
kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang
gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut (Gambar 13.10). Sinar
yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah
puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat
intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD
mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga
dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian
dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk hampir semua jenis material. Standar
ini disebut Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS)
Keuntungan utama penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material adalah
kemampuan penetrasinya, dikarenakan sinar-X memiliki energi sangat tinggi akibat
panjang gelombangnya yang pendek. Metode difraksi sinar-X digunakan untuk
mengetahui struktur dari lapisan tipis yang terbentuk. Sampel diletakkan pada sampel
holder difraktometer sinar-X. Proses difraksi sinar-X dimulai dengan menyalakan
difraktometer sehingga diperoleh hasil difraksi berupa difraktogram yang menyatakan
hubungan antara sudut difraksi 2θ dengan intensitas sinar-X yang dipantulkan. Untuk
difraktometer sinar-X, sinar-X terpancar dari tabung sinar-X. Sinar-X didifraksikan dari
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
273
sampel yang konvergen yang diterima slit dalam posisi simetris dengan respon ke fokus
sinar-X. Sinar-X ini ditangkap oleh detektor sintilator dan diubah menjadi sinyal listrik.
Sinyal tersebut, setelah dieliminasi komponen noisenya, dihitung sebagai analisa pulsa
tinggi. Teknik difraksi sinar-X juga digunakan untuk menentukan ukuran kristal,
regangan kisi, komposisi kimia dan keadaan lain yang memiliki orde yang sama.
Contoh grafik yang ditampilkan diperlihatkan oleh Gambar 14.11.
Gambar 14.11 Spektra Hasil XRD (anekakimia.blogspot.com)
14.6 Fenomena Absorbsi Sinar-X
Ada beberapa jenis spektrometer yang memanfaatkan sinar-X yaitu spektrometer
absorbsi sinar-X (XAS). Apabila berkas sinar-X dilewatkan pada bahan logam murni
yang tipis, maka sebagian dari intensitas sinar-X akan diserap oleh bahan dan sisanya
akan ditransmisikan. Besarnya penyerapan yang dilakukan oleh sampel dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan Hukum Beer’s:
dimana
( )=
( )
µ
( ) adalah intensitas sinar-X yang dilewatkan ke bahan, ( ) intensitas yang
diteruskan oleh bahan, µ koefisien penyerapan bahan, ρ kerapatan bahan dan x adalah
ketebalan bahan. Penyerapan sinar-X memberikan informasi mengenai spektrum
tertentu yang dapat diserap bahan.
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
274
Di dalam proses penyerapan, sama seperti spektrometer absorbsi lainnya, bahan
atau sampel mengalami reaksi yang mengakibatkan perubahan enegi pada kulit k, l atau
m.
Gambar 14.12 Spektrum Absorbsi Sinar-X pada Metal Murni (R.S Khandpur, 2006)
Skema instrumentasi XAS hampir sama dengan XRF, terdiri dari sumber sinarX, monokromator, kolimator, sampel dan detektor (Gambar 13.13)
Gambar 14.13 Spektrum Absorbsi Sinar-X pada Metal Murni (file.upi.edu,)
Grafik yang dihasilkan dikeluarkan dari XAS berupa perbandingan sinar yang
diabsorbsi/transmisikan terhadap energi yang diberikan seperti Gambar 13.13 berikut :
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
275
Gambar 14.14 Grafik Spektrum Absorbsi Sinar-X pada beberapa sampel
(openi.nlm.nih.gov)
14.7 Fenomena Fluerensensi Sinar-X (XRF)
XRF merupakan alat yang digunakan untuk menganalisis komposisi kimia
beserta konsentrasi unsur-unsur yang terkandung dalam suatu sampel dengan
menggunakan metode spektrometri. XRF digunakan untuk menganalisis unsur dalam
mineral atau batuan. Analisis unsur dilakukan secara kualitatif maupun kuantitatif.
Analisis kualitatif dilakukan untuk menganalisis jenis unsur yang terkandung dalam
baha dan analisis kuantitatif dilakukan untuk menentukan konsentrasi unsur dalam
bahan.
Prinsip dasar XRF adalah sinar-X akan mengeluarkan elektron yang terdapat
pada kulit bagian paling dalam (misalnya kulit K) dalam suatu atom, dan menyebabkan
kekosongan elektron pada bagian ini, sehingga elektron pada kulit yang lebih luar
(misalnya kulit L, M, N) akan mengisi kekosongan elektron pada kulit bagian dalam
yang menyebabkan pelepasan energi berupa energi foton atau memancarkan sinar-X
(Gambar 14.15)
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
276
Gambar 14.15 Proses X-ray Fluorescence (XRF) (www.acegrinding.com)
Sinar-X dari tabung sinar-X (atau sumber isotop) akan mengenai sampel. Dalam
sampel akan terjadi pelepasan elektron pada kulit K, dan elektron dari kulit L dan M
akan mengisi kekosongan elektron pada kulit K yang akan memancarkan sinar-X.
Sinar-X dari sampel akan dikirim ke detektor, yang akan didinginkan baik secara
elektrik atau dengan cairan nitrogen. Sinyal dari detektor akan diproses oleh elektronik
dan dikirim ke PC komputer yang kemudian akan ditampilkan dalam bentuk spektrum.
Grafik yang dihasilkan berupa perbandingan antara energi dan logaritma dari
jumlah cacahan (Gambar 14.6)
Gambar 14.16 Grafik keluaran X-ray Fluorescence (XRF) Spectroscopy
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
277
REFERENSI
Cazes Jack. (2005). Analytical Instrumentation Handbook. Florida Atlantic University:
Marcel Dekker.
Khandpur, R. S.1989. Handbooks of Analytical Instrument. Second edition. New Delhi.
Tata McGraw-Hill.
Robinson, W James.2005 Undergraduate Instrumental Analysis. New York: Taylor &
Francis e-Library
Willard, Hobart H. (1974). Instrumental Method of Analysis. Van Nostrand Reinhold.
http://dunia-wahyu.blogspot.com/2011/11/x-ray-fluorosence-xrf.html
tanggal 23 April 2013)
(diakses
pada
http://id.wikipedia.org/wiki/Spektrum_elektromagnetik) (diaskes tanggal 20 April
2013)
Bab 14 Spektroskopi Sinar-X
278