BAB 14. SPEKTROSKOPI SINAR-X Oleh : Tri Siswandi Pendahuluan

Transkripsi

1 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

2 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 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 Bab 14 Spektroskopi Sinar-X 264

3 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 Produksi Sinar-X Pada umumnya ada tiga metode untuk menghasilkan sinar-x yang digunakan dalam analisis di laboratorium, yaitu: 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

4 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) 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 Bab 14 Spektroskopi Sinar-X 266

5 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 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, tepat nya 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

6 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 α, K β, K γ 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 Gambar 14.5 Spektrum Sinar-X kontinu dan diskrit) ( 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

7 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) 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

8 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 ( 2013) 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 Bab 14 Spektroskopi Sinar-X 270

9 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) 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

10 14.5 XRD (X-Ray Diffraction) XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur kristal dan bentuk ukuran kristal dari suatu bahan padat (G ambar 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

11 Gambar Skema X-Ray Diffraction (XRD) ( 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

12 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 Gambar 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: ( ) µ = ( ) dimana ( ) 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

13 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 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 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 berikut : Bab 14 Spektroskopi Sinar-X 275

14 Gambar 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

15 Gambar Proses X-ray Fluorescence (XRF) ( 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 Grafik keluaran X-ray Fluorescence (XRF) Spectroscopy Bab 14 Spektroskopi Sinar-X 277

16 REFERENSI Cazes Jack. (2005). Analytical Instrumentation Handbook. Florida Atlantic University: Marcel Dekker. Khandpur, R. S 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. (diakses pada tanggal 23 April 2013) (diaskes tanggal 20 April 2013) Bab 14 Spektroskopi Sinar-X 278