bab 14 [x-ray spectrometers]_tri siswandi s

Bab 14 Spektroskopi Sinar-X 263

BAB 14

SPEKTROSKOPI SINAR-XOleh : Tri Siswandi

14.1 PendahuluanSeorang 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 :


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 X-

ray absorption spectroscopy (XAS), X-ray fluorescence (XRF) dan X-ray difraction

(XRD). Alat ini bekerja pada dengan sistem yang hampir sama, yang berbeda adalah


pada proses karakteristik. Misalnya XAS bekerja pada proses absorbsi atau transmisi

sinar-X yang mengenai sampel, XRF bekerja pada bahan sampel yang bisa ter-

fluoresens, dan XRD merupakan salah satu metoda untuk mengkarakterisasi sampel

material dalam bentuk kisi-kisi kristal.

14.2 Produksi Sinar-XPada umumnya ada tiga metode untuk menghasilkan sinar-X yang digunakan

dalam analisis di laboratorium, yaitu:

14.2.1 Tabung Sinar-XTabung 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 atom-

atom 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)


14.2.2 Secondary XRF SourcesPada 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 RadioisotopInti 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.


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 sinar-

X 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-XPada 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


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 K, K, K 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-XSecara 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


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 spektrometersinar-X (R.S Khandpur, 2006)

14.4.1 Sumber Sinar-XSumber 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


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 KolimatorKolimator 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.


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 DetektorX-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.


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. = 2.d.sin ; n = 1,2,3..


Gambar 14.10 Skema X-Ray Diffraction (XRD) (www.chemistryviews.org)

Dengan adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah jarak antara dua

bidang kisi, 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 2 dengan intensitas sinar-X yang dipantulkan. Untuk

difraktometer sinar-X, sinar-X terpancar dari tabung sinar-X. Sinar-X didifraksikan dari


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-XAda 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 Beers:( ) = ( ) dimana ( ) adalah intensitas sinar-X yang dilewatkan ke bahan, ( ) intensitas yangditeruskan oleh bahan, koefisien penyerapan bahan, kerapatan bahan dan x adalah

ketebalan bahan. Penyerapan sinar-X memberikan informasi mengenai spektrum

tertentu yang dapat diserap bahan.


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 sinar-

X, 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 :


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)


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


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 (diakses padatanggal 23 April 2013)

http://id.wikipedia.org/wiki/Spektrum_elektromagnetik) (diaskes tanggal 20 April2013)

bab 14 [x-ray spectrometers]_tri siswandi s

Documents