DIFRAKSI KRISTAL DAN KISI BALIK

Transkripsi

1 Nama: Niswatul Khasanah Nim : Ringkasan Materi 2 A. Jenis Difraksi Dalam Kristal 1. Sinar X DIFRAKSI KRISTAL DAN KISI BALIK Sinar- X adalah gelombang elektromagnetik dengan sifat fisik yang sama seperti gelombang elektromagnetik lainnya, seperti gelombang optik. Panang gelombang sinar-x sama dengan konstanta kisi kristal, dan hal inilah yang membuat sinar-x berguna dalam analisis struktur kristal. Energi dari sinar-x foton diberikan oleh hubungan Einstein E=hυ, di mana h adalah konstanta Planck dan υ adalah frekuensi (Bagian AI). Mengganti h = 6,6 x erg.s dan λ = 1 A (ingat bahwa υ = c / λ), orang menemukan energi E»10 4 ev, yang merupakan nilai khas. Pengaturan eksperimen dasar untuk menghasilkan sinar-x digambarkan pada Gambar 1. Elektron yang dipancarkan dari katoda di dalam tabung vakum dipercepat oleh potensial yang besar. Sehingga elektron memperoleh energi kinetik yang tinggi dan ketika elektron menumbuk target logam yang membentuk anoda pada uung tabung, hamburan sinar-x yang dipancarkan. Beberapa radiasi sinar-x kemudian diekstraksi dari tabung dan digunakan untuk tuuan yang dimaksudkan. Radiasi yang dipancarkan memiliki spektrum kontinyu yang luas, yang ditekankan serangkaian garis diskrit. Spektrum kontinyu teradi karena emisi radiasi oleh elektron seperti yang dibelokkan oleh muatan nuklir pada target, sedangkan garis diskrit disebabkan emisi oleh atom dalam target setelah garis diskrit tersebut ditimbulkan oleh elektron yang datang. Frekuensi maksimum spektrum kontinyu v o berhubungan dengan potensial percepatan oleh ev = hv 0, karena energi maksimum foton tidak dapat melebihi energi kinetik dari elektron yang datang. Panang gelombang λ diberikan oleh persamaan

2 λ 0 = 12,3 V A dimana V adalah dalam kilovolt. Ketika sinar sinar-x melewati bahan, sebagian sinar diserap. Intensitas berkas dilemahkan menurut hubungan I=I 0 e αx (2) Dimana I o adalah intensitas awal pada permukaan medium dan x arak tempuh. Parameter ini dikenal sebagai koefisien penyerapan. Pelemahan intensitas diungkapkan oleh persamaan (2) yang disebabkan oleh hamburan dan penyerapan berkas oleh atom dalam medium. Gambar 1. Generasi sinar X Difraksi sinar-x oleh sebuah materi teradi akibat dua fenomena: (1) hamburan oleh tiap atom dan (2) interferensi gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom-atom tersebut. Interferensi ini teradi karena gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom-atom memiliki koherensi dengan gelombang datang dan, demikian pula, dengan mereka sendiri. 2. Elektron Cepat Berkas elektron dihasilkan dari bedil elektron (elektron gun). Pemilihan panang gelombang elektron dilakukan dengan mengatur tegangan pemercepatnya (energi elektron), menurut persamaan : Salah satu kekurangan elektron sebagai sumber radiasi untuk difraksi kristal, adalah karena elektron merupakan partikel bermuatan. Sebagai partikel bermuatan,

3 elektron mudah diserap oleh bahan, sehingga daya tembusnya kurang. Dengan demikian, difraksi elektron hanya memberikan informasi tentang permukaan bahan saa. 3. Neutron Berkas neutron dihasilkan dari reaksi inti, yang dapat berlangsung di dalam reaktor atom (melalui reaksi fisi) dan dalam generator neutron. Dalam reaktor atom, reaksi fisi diawali dengan penembakan neutron termal yang diarahkan pada inti berat, misal uranium ( 92 U 235 ), sehingga teradi pembelahan inti (fisi) yang disertai dengan pemancaran neutron (dalam umlah yang banyak) dan pembebasan energi sampai 200 MeV; menurut reaksi : n + 92 U 235 X + Y + an MeV neutron termal inti hasil fisi seumlah neutron (tak setabil) atau dapat dituliskan dengan notasi : a(a, B)n. Salah satu contoh reaksi tersebut misalnya : 2 He 4 ( 4 Be 9, 6 C 12 ) 0 n 1. Berkas neutron, yang dihasilkan oleh reaksi inti umumnya memiliki energi yang tinggi (neutron cepat). Agar panang gelombang neutron sekitar 1 angstrom, maka menurut persamaan di atas energi neutron haruslah sekitar 0,025 ev (termasuk neutron termal). Adapun klasifikasi neutron menurut besarnya energi adalah : 1) neutron termal : berenergi 0,025 ev 2) neutron lambat : berenergi 0-1 kev 3) neutron menengah : berenergi kev 4) neutron cepat : berenergi 0,5-10 MeV 5) neutron ultra-cepat : berenergi >10 MeV Untuk menurunkan energi neutron perlu langkah termalisasi, dengan cara melewatkan berkas neutron pada moderator (air, grafit, air berat : D 2 O). Selanutnya, neutron termal (λ sekitar 1 angstrom) masih memerlukan upaya penyelesaian agar berkas neutron bersifat monokhromatis (tepatnya monoergis), dan sebagai monokhomator umumnya dipakai kristal grafit. B. Hukum Bragg Sinar-X dapat terbentuk bilamana suatu logam sasaran ditembaki dengan berkas elektron berenergi tinggi. Dalam eksperimen digunakan sinar-x yang monokromatis. Kristal akan

4 memberikan hamburan yang kuat ika arah bidang kristal terhadap berkas sinar-x (sudut θ) memenuhi persamaan Bragg, seperti ditunukkan dalam persamaan berikut (Callister, 2003). 2d sin θ = nλ Dimana: d = arak antar bidang dalam kristal θ = sudut deviasi n = orde (0,1,2,3,...) λ = panang gelombang Gambar 2. ilustrasi pemantulan Bragg dari sebuah kumpulan bidang paralel. Jika JE + EK = λ, kemudian LH + HM = 2λ, dan seterusnya serta seluruh lapisan (layer) yang bertumpuk menghamburkan sefase, maka intensitas dari foton difraksi direkam oleh detektor. Jika wavelets sedikit berbeda fase, maka interferensi destruktif teradi karena terdapat ratusan lapisan (layer) dengan ketidaksamaan fase yang meningkat sedikit demi sedikit, n umumnya diambil bernilai 1 dan ini dapat dipahami bahwa yang digunakan merupakan sinar monokromatik. C. Metode Percobaan Difraksi Sinar X Difraksi dapat teradi kapan saa ada hukum Bragg, λ = 2d sin. Persamaan ini menempatkan kondisi yang sangat ketat pada λ dan untuk setiap kristal tertentu. Dengan radiasi monokromatik, pengaturan sebarang dari kristal tunggal dalam berkas sinar-x tidak akan menghasilkan apapun dalam berkas difraksi. Beberapa cara untuk memenuhi hukum Bragg harus dirancang, dan ini dapat dilakukan dengan terus menerus memvariasikan baik λ atau selama percobaan. Terdapat tiga metoda difraksi utama:

5 1. Metode Laue Metoda Laue adalah suatu metoda difraksi yang pertama pernah digunakan, dan mereproduksi percobaan asli Von Laue. Sebuah sinar radiasi putih, spektrum kontinyu dari sebuah tabung sinar-x, yang dibiarkan atuh pada kristal tunggal. Pada sudur Bragg yang tetap untuk setiap set bidang dalam kristal, dan setiap set difraksi memiliki panang gelombang tertentu yang memenuhi hukum Bragg untuk nilai-nilai tertentu d dan. Setiap berkas difraksi memiliki panang gelombang yang berbeda. Terdapat dua variasi dari metoda Laue yang tergantung pada posisi relatif dari sumber, kristal, dan film (Gambar 3-5). Dalam setiap film yang datar, ditempatkan tegak lurus terhadap berkas peristiwa. Film dalam metoda transmisi Laue (metoda Laue asli) ditempatkan di belakang kristal sehingga dapat merekam berkas difraksi dalam arah mau. Metoda ini disebut demikian karena berkas difraksi sebagian ditransmisikan melalui kristal. Dalam metoda refleksi Laue adalah film ditempatkan di antara kristal dan sumber sinar-x, sinar berkas peristiwa melewati lubang dalam film, dan berkas difraksi dalam arah mundur dicatat. Dalam metoda tersebut, berkas difraksi membentuk sebuah susunan dari titiktitik pada film seperti diperlihatkan pada Gambar Susunan periodik pada titiktitik ini biasanya disebut sebagai pola, tetapi istilah ini tidak digunakan dalam pengertian sempurna dan tidak berarti setiap pengaturan periodik dari titik-titik. Gambar 3.5 Transmisi dan Refleksi Balik Metoda Laue 30 kv, 19 ma. Gambar 3.6 Transmisi dan Refleksi Balik Pola Laue dari Kristal aluminium. Tungsten radiasi,

6 Kurva yang terlihat dalam foto umumnya elips atau hiperbola untuk pola transmisi [Gambar. 3.6 (a)] dan hiperbola untuk pola refleksi balik [Gambar. 3.6 (b)]. Gambar 3.7 Lokasi titik Laue (a) pada elips dalam metod transmisi dan (b) pada hiperbola dalam metoda refleksi balik (C = kristal, F = film, ZA = daerah sumbu). Titik-titik terletak pada salah satu kurva yang merupakan refleksi dari bidang salah satu daerah. Hal ini disebabkan oleh fakta refleksi Laue pada bidang dari daerah semua di permukaan ke kerucut imainer yang sumbunya adalah sumbu daerah. Seperti ditunukkan pada Gambar. 3-7 (a), satu sisi kerucut bersinggungan dengan berkas transmisi, dan sudut kemiringan ϕ sumbu daerah (ZA) berkas transmisi sama dengan sudut dari semi-puncak kerucut. Sebuah film ditempatkan seperti yang ditunukkan yaitu memotong kerucut di elips imainer yang melewati pusat film, titik-titik difraksi dari bidang dari daerah yang diatur pada elips ini. Ketika sudut melebihi 45, sebuah film ditempatkan di antara kristal dan sumber sinar-x untuk merekam pola refleksi balik yang akan berpotongan pada kerucut dalam hiperbola, seperti yang ditunukkan pada Gambar-3-7 (b) Fakta bahwa refleksi Laue dari bidang pada daerah di permukaan kerucut dapat dengan baik ditunukkan dengan proyeksi stereografik. Dalam Gambar. 3-8, kristal adalah di pusat bola referensi, berkas peristiwa I masuk dari kiri, dan berkas transmisi T di sebelah kanan. Titik yang mewakili sumbu daerah terletak pada keliling lingkaran dasar dan kutub lima bidang pada daerah ini, P 1 sampai P 5, berada di

7 lingkaran besar yang ditunukkan. Arah difraksi oleh salah satu bidang, misalnya bidang P 2, dapat ditemukan sebagai berikut. I, P 2, D 2 (arah difraksi yang diperlukan), dan T sebidang. Oleh karena itu D2 terletak pada lingkaran besar melalui I, P 2, dan T. Sudut antara I dan P 2 (90 -), dan arak D 2 harus terletak pada arak sudut yang sama dengan sisi lain dari P 2, seperti yang ditunukkan. Para berkas difraksi ditemukan, D l sampai D 5, yang terlihat di lingkaran kecil, persimpangan dengan bola referensi dari sumbu kerucut adalah sumbu daerah. Gambar 3.8 Proyeksi Stereografik dari Metoda Transmisi Laue Posisi titik pada film, baik untuk transmisi dan metoda refleksi balik, tergantung pada orientasi kristal relatif ke berkas peristiwa, dan titik-titik menadi menyimpang dan melapisi kristal. Fakta-fakta ini menelaskan dua penggunaan utama dari metoda Laue yaitu penentuan orientasi kristal dan penilaian kualitas kristal. 2. Metode Rotasi Kristal Dalam Metoda rotasi kristal sebuah kristal tunggal dipasang dengan salah satu sumbu, atau beberapa arah kristallografik, normal ke berkas sinar-x monokromatik. Sebuah film silinder ditempatkan di sekitarnya dan kristal dirotasikan dengan arah yang dipilih, sumbu dari film bertepatan dengan sumbu rotasi kristal (Gambar 3-9). Sebagai kristal berputar, satu set bidang kisi tertentu akan membuat sudut Bragg untuk refleksi dari berkas peristiwa monokromatik, dan pada saat itu sebuah berkas transmisi akan terbentuk. Berkas transmisi sekali lagi terletak pada kerucut imainer tapi sekarang sumbu kerucut tersebut bertepatan dengan sumbu rotasi. Hasilnya adalah bahwa titik pada film, ketika film ini diletakkan datar, terletak pada garis horisontal imainer, seperti ditunukkan pada Gambar Kristal diputar sekitar satu sumbu, sudut Bragg tidak mengambil semua nilai yang mungkin antara 0 dan

8 90 untuk setiap set bidang. Tidak setiap set mampu menghasilkan Berkas difraksi, sebagai contoh set tegak lurus atau hampir tegak lurus dengan sumbu rotasi. Gambar 3.9 Metoda Rotasi Kristal Penggunaan utama dari metoda Rotasi kristal dan variasinya dalam mencegah struktur kristal yang tidak diketahui, dan untuk tuuan itu alat yang berguna adalah kristallographer sinar-x Namun, penentuan lengkap struktur kristal kompleks adalah subek di luar cakupan buku ini dan di luar provinsi metalurgi rata yang menggunakan sinar-x difraksi sebagai alat laboratorium. Untuk alasan ini metoda rotasi kristal tidak akan dielaskan secara detail lebih lanut, kecuali untuk diskusi singkat dalam Lampiran I. Gambar 3.10 Pola Rotasi Kristal dari Kristal hexagonal yang diputar pada sumbu C. Filter Radiasi (coretan disebabkan oleh radiasi putih tidak dihapus oleh filter) (Courtesy B.E.Warren) 3. Metode Serbuk Dalam metoda powder, kristal diperiksa dan dikurangi menadi powder yang sangat halus dan ditempatkan dalam berkas dari sinar-x monokromatik. Setiap

9 partikel powder adalah kristal kecil, atau himpunan kristal yang lebih kecil, berorientasi secara acak sehubungan dengan berkas peristiwa. Hanya secara kebetulan, beberapa kristal akan benar berorientasi sehingga (100) bidang, misalnya, dapat merefleksikan berkas peristiwa. Kristal lain akan berorientasi untuk (110) refleksi, dan sebagainya. Hasilnya bahwa setiap set bidang kisi mampu berefleksi. Massa powder setara, pada kenyataannya, rotasi kristal tunggal, bukan tentang satu sumbu, tapi tentang semua sumbu. Gambar 3.11 Pembentukan Kerucut Difraksi dari Radiasi dalam Metoda Powder Pertimbangkan satu refleksi hkl. Satu atau lebih kristals kecil akan, berorientasi bahwa (hkl) dalam bidang yang membentuk sudut Bragg untuk refleksi; Gambar (a) menunukkan satu bidang di set yang cenderung terbentuk pada Berkas terdifraksi. Jika bidang ini sekarang diputar pada berkas peristiwa sebagai sumbu sedemikian rupa sehingga dipertahankan konstan, maka Berkas refleksi akan melakukan perlintasanan di atas permukaan kerucut seperti ditunukkan pada Gambar (b), sumbu kerucut bertepatan dengan Berkas refleksi. Rotasi ini tidak benarbenar teradi dalam metoda powder, namun keberadaan seumlah besar partikel kristal memiliki semua kemungkinan orientasi setara dengan rotasi ini, karena di antara partikel-partikel ini akan ada fraksi tertentu yaitu (hkl) bidang yang membuat sudut Bragg dengan Berkas peristiwa dan pada waktu yang sama posisi rotasi pada sumbu berkas peristiwa. Refleksi hkl dari massa stasioner powder memiliki bentuk lembaran berbentuk kerucut radiasi difraksi, dan kerucut terpisah yang dibentuk untuk setiap set bidang kisi dengan ruang berbeda. Gambar 3.12 menunukkan tiga kerucut dan uga menggambarkan metoda difraksi powder-yang paling umum. Dalam hal ini, metoda Debye-Wseherrer, film

10 sempit melengkung ke dalam sebuah silinder dengan spesimen yang ditempatkan pada porosnya dan berkas peristiwa itu diarahkan pada segitiga untuk sumbu ini. Difraksi radiasi Kerucut berpotongan pada strip silinder film di garis dan, ketika strip membuka gulungan dan ditata datar, pola yang dihasilkan memiliki penampilan yang diilustrasikan pada Gambar. 3.l2 (b). Pola yang sebenarnya dihasilkan oleh berbagai serbuk logam yang disaikan pada Gambar Setiap baris difraksi ika terdiri dari banyak bintik-bintik kecil, masing-masing dari partikel kristal terpisah, yang berada begitu dekat dengan munculnya garis kontinyu. Garis umumnya melengkung, kecuali mereka teradi persis pada 2=90 ketika mereka akan menadi lurus. Dari posisi diukur dari garis difraksi diberikan pada film, dapat ditentukan, dan, mengetahui λ, kita dapat menghitung arak d dari bidang kisi yang terefleksi yang dapat menghasilkan garis Sebaliknya, ika bentuk dan ukuran sel satuan dari kristal diketahui, kita dapat memprediksi posisi garis semua difraksi pada film. Garis terendah dengan nilai 2 yang dihasilkan oleh refleksi dari bidang dari arak terbesar. Dalam sistem kubik, misalnya, d adalah maksimum ketika (h 2 + k 2 + l 2 ) adalah minimum, dan nilai minimum dari istilah ini adalah 1, sesuai dengan (hkl) sebesar (100). Refleksi 100 adalah sesuai salah satu nilai terendah 2. Refleksi berikutnya mungkin akan memiliki indeks hkl sesuai dengan nilai yang lebih tinggi berikutnya (h 2 + k 2 + l 2 ), yaitu 2, dalam hal ini (hkl) sama dengan (110), dan sebagainya Gambar 3.12 Debye-Scherrer metoda powder: (a) hubungan film untuk spesimen dan berkas peristiwa, (b) munculnya film saat diletakkan datar.

11 Debye-Scherrer dan variasi lain dari metoda powder sangat banyak digunakan, khususnya dalam metalurgi. Metoda powder, satu-satunya metoda yang dapat digunakan ketika sebuah spesimen tunggal-kristal tidak tersedia, dan hal ini teradi lebih sering daripada tidak dalam pekeraan metalurgi. Metoda ini sangat cocok untuk menentukan parameter kisi dengan presisi tinggi dan untuk identifikasi fase, apakah mereka teradi sendiri atau dalam campuran seperti paduan polyphase, produk korosi, tahan api, dan batuan. Kegunaan lainnya dari metoda powder akan sepenuhnya dielaskan dalam bab-bab selanutnya. D. Penurunan Rumus Amplitudo Hamburan 1. Analisis Fourier Sebagian besar sifat kristal dapat dihubungkan dengan komponen Fourier dari kerapatan elektron. Aspek tiga dimensi pada kecenderungan waktu tertentu tidak menyebabkan berbagai kesulitan dengan matematikanya, tapi pertama kita mengingat fungsi n (x) dengan periode a pada satu dimensi. Kita kembangkan n (x) dalam deret Fourier sinus dan kosinus : Dimana p adalah bilangan bulat positif, C p dan S p adalah konstanta real, disebut koefisien ekspansi Fourier. a : Faktor 2 п a dalam uraian akan meyakinkan bahwa n (x) memiliki periode Kita dapat menyatakan bahwa 2п p a sebuah titik pada kisi balik atau ruang Fourier pada kristal. Titik kisi balik memberitahukan kita bahwa diizikan terminologi dalam deret Fourier.

12 Terminologi diizinkan ika konsisten dengan kecenderungan waktu tertentu dari kristal, seperti gambar berikut, titik lain dalam ruang balik tidak diizinkan dalam ekspansi Fourier pada fungsi periodik. Ini adalah waktu yang tepat untuk menuliskan deret dengan rapi dari : Koefisien n p merupakan bilangan kompleks. Untuk memastikan bahwa n (x) adalah fungsi nyata, kita memerlukan n -p = n p Kemudian umlah dari terminologi p dan p adalah real. Dengan φ = 2п px/a maka umlahnya adalah : yang mana dalam umlah untuk fungsi real, ika pers. (4) terpenuhi. Re {n p } dan Im {n p } menunukkan bagian real dan imainer dari n p. Ekspansi dari Analisis Fourier untuk fungsi periodik dalam tiga dimensi tidak rumit. Kita temukan kumpulan dari vektor G adalah sama dibawah seluruh translasi kisi T yang meninggalkan kristal yang sama. 2. Vektor Kisi Balik Sumbu-sumbu vektor b 1, b 2 dan b 3 untuk kisi balik didefinisikan sebagai relasi, dengan, a 1. a 2 dan a 3 adalah vektor basis kisi. Sifat-sifat dari b 1, b 2 dan b 3 adalah bahwa berlaku aturan : i = 1 ika i = : i = 0 ika i. b 1.a 1 = 2 b 1.a 2 = b 1.a 3 = 0

13 b i.a = 2 i b 2.a 2 = 2 b 2.a 1 = b 2. a 3 = 0 b 3.a 2 = 2 b 3.a 1 = b 3. a 2 = 0 Titik-titik dalam kisi balik dipetakan dengan seperangkat vektor dalam bentuk vektor kisi balik G : G = hb 1 + kb 2 + lb 3 dengan h, k dan l adalah bilangan bulat. b 1, b 2 dan b 3 disebut dengan vektor basis balik. b3 a3 a2 b2 a1 b1 Gambar 1. Relasi vektor basis balik dan vector basis kisi Vektor b 1 adalah tegak lurus terhadap bidang yang dibuat oleh vektor a 2 dan a 3 Vektor b 2 adalah tegak lurus terhadap bidang yang dibuat oleh vector a 1 dan a 3 Vektor b 3 adalah tegak lurus terhadap bidang yang dibuat oleh vector a 1 dan a 2. a. Kisi Balik Dari Kubus Sederhana (sc = simple cubic) Vektor basis dari kisi kubus sederhana adalah a x 1 aˆ a 2 aˆ y a 3 aˆ z b 1 2π xˆ a b 2π 2 a ŷ b 3 basis primitif dari kisi baliknya adalah 2π a ẑ Volume sel adalah a 1. a 2 x a 3 =a 3. Vektor Batas-batas daerah Brillouin pertamanya adalah bidang normal dari ke 6 vektor kisi balik ±b 1, ±b 2, ±b 3, yaitu pada titik tengah dari vektor kisi balik bersangkutan.

14 b π xˆ 1 a b π 2 a ŷ b π 3 a ẑ Kisi Balik untuk Kubus Berpusat Tubuh (bcc = body center cubic) a1 a3 a2 Gambar 2. Kisi Balik untuk Kubus Berpusat Tubuh a 1 a( xˆ yˆ zˆ); 1 2 a 1 a( xˆ yˆ zˆ); 2 2 a 1 a( xˆ yˆ zˆ) 3 2 Vektor basis primitif dari kekisi bcc adalah b 2 ( yˆ zˆ) ; 1 a b 2 ( xˆ zˆ) ; 2 a b 2 ( xˆ yˆ) 3 a Vektor basis kisi balik dari bcc adalah adalah Volume sel dalam ruang balik terebut adalah b 1. b 2 x b 3 = 2 ( 2 /a) G 2 ( k ) xˆ ( h) yˆ ( hk)ˆ z a Vektor kisi baliknya dalam bilangan h k l

15 b. Kisi Balik Dari Kubus Berpusat Muka (fcc = face center cubic) Gambar 3. Vektor basis kisi kubus berpusat-muka (fcc) a ayˆ zˆ ; axˆ zˆ ; axˆ yˆ 1 a2 a3 Vektor basis primitif untuk kisi fcc adalah 2 b a 2 a 2 a xˆ yˆ zˆ ; b xˆ yˆ zˆ ; b xˆ yˆ zˆ untuk kisi fcc adalah Vektor basis primitif kisi balik 3. Kondisi Difraksi k (hkl) k k k k' 2 k Didefinisikan vektor hamburan k sedemikian rupa k + k = k. Ini merupakan ukuran dari perubahan vektor gelombang terhambur. Bila yang teradi adalah hamburan yang bersifat elastis, maka tidak ada perubahan besar vektor gelombang sehingga

16 4 Sin G G hkl hkl Perubahan vektor k dalam k adalah tegak lurus terhadap bidang (hkl). Arahnya adalah searah dengan arah G(hkl) atau vektor satuan n. Maka diperoleh hubungan k k' k 2 Sin k nˆ d hkl 2 G hkl besar G (hkl) dalam bentuk Dapat ditunukkan bahwa arak antar bidang d (hkl) berkaitan dengan k 2d ( hkl) Sin G ( hkl) Sehingga dapat diungkapkan bahwa k G hkl Jika hukum Bragg terpenuhi maka, k' G hkl k Dengan demikian relasi antara vektor gelombang awal dan akhir refleksi Bragg dari gelombang partikel dapat ditulis sebagai 2 2 k k' 2k. G G 2 0 dapat ditulis sebagai Jika kuantitas sehingga kondisi difraksi a k 2 h ; a. k 2 k ; a. k 2 l Ini adalah ungkapan bagi kondisi yang diperlukan untuk teradinya difraksi. Dapat dibuktikan bahwa

17 2k. G G 2 0 Persamaan ini adalah persamaan Laue, yang mana digunakan dalam pembicaraan simetri dan struktur kristal. E. Analisis Fourier Dari Basis Resultan gelombang difraksi oleh keseluruhan atom dalam unit sel (satu satuan sel) dinyatakan dalam faktor struktur. Bila kondisi difraksi terpenuhi amplitudo terhambur bagi kristal terdiri dari N sel adalah diungkapkan sebagai F C =N.S G r x a y a z a Dimana kuantitas S G disebut dengan faktor struktur yang didefinisikan sebagai G.r 2 hx dengan h, k, l, S G ky lz hkl f exp i2 hx ky lz Dan f = faktor atomik. Kemudian, bagi refleksi yang dilabel Sehingga faktor struktur S i hkl f e f Cos f i Sin f A F penumlahan yang bentuk eksponensial f B Amplitudo terhambur sebagai F f A 2 yaitu besar absolut F f B 2 Dalam difraksi intensitas adalah terkait dengan amplitude, A Cos 2 ( hx ky lz) ; B Sin 2 ( hx ky lz) F f cos 2 2 hx ky lz f sin 2 hx ky lz 2

18 F. Daerah Brillouin Zona Brilloin ditemui ketika teradi difraksi Bragg dari sinar-x. Ketika bidang normal yang membagi dua vektor kisi balik, daerah itu ditutup antara antara bidang tersebut dari variasi Brillouin Zone. Untuk kristal satu dimensi, berhimpit dengan sehingga 2 = 2 cos = 2, Dengan ϴ demikian nilai = + ½, dimana = n(2п/a) adalah vektor kisi respirok, dan n adalah bilangan bulat. Sehingga = + ½ = + n(п/a). Difraksi pertama teradi dan celah energi pertama teradi untuk nilai = + (п/a). C daerah antara - п/a dengan п/a disebut Daerah Brilloiun zona pertama. Latihan: 1. Perak memiliki struktur fcc dengan ari-ari atom 0,1444 nm, berapa besar sisi unit sel perak itu? Jawab : Diketahui : r= 0,1444 nm Ditanya : a? a= 4 r 2 = 4 (0,1444) =0,408 nm 2 2. Nikel memiliki struktur fcc dengan kerapatan 8,9 Mg/m 3 a) Berapakah besar volume per unit sel? b) Berdasarkan awaban bagian a) hitunglah ari-ari atomnya? Jawab : Diketahui : ρ=8,9 Mg/m 3 m= 58,69 Ditanya : a) V? b) r? ρ= m V

19 a) V = m ρ = 58,69 8,9 Mg/m 3=6,59x 103 m 3 b) V =4 x( 4 3 r3 ) sehingga r= 3 3V 16 π r= 3 3(6,59 x10 3 m 3 ) =7,328 nm 16(3,14) 3. Karena emas tebalnya 0,08 nm dan luasnya 670 nm 2. a) Bila emas itu adala kristal kubik dengan a=0,4076 nm,ada berapa unit sel dalam kertas emas itu? b) Bila emas kerapatannya 19,32 Mg/m 3, berapa massa per unit sel? Jawab : Diketahui : d=0,08 nm, luas =670 nm 2 a 0,4076 nm ρ=19,32 Mg/m 3 Ditanya : a) unit sel? b) massa per unit sel? massa sel unit ρ= volume sel unit massa sel=ρ x volume unit unit sel= ( 19,32 Mg m ) x (53,6 3 nm3 )=1,035 x10 24 mg 4. Perak memiliki struktur fcc, dengan konstanta kisi 0,4077 nm, bila berat atomnya adalah 108, berapakah kerapatannya? Jawab :

20 r= a 2 4 Diketahui : a=0,4077 nm ditanya : ρ? m=108 0,4077 nm 2 = =0,144 nm 4 V =4 x ( 4 3 ) r3 =4 x ( 4 3 ) (0,144)3 =0,05 m3 ρ= m V = 108 =2159,77 Mg/m3 3 0,05 m 5. Suatu kristal KCl memiliki struktur fcc dengan kerapatan 1,98 g/cm 3. bila berat molekulnya adalah 74,55, berapakah arak antara dua atom yang berurutan? Diketahui : ρ=1,98 g/cm 3 KCl, m=74,55 Ditanya : arak antara dua atom yang berurutan? Jawab: Massa unit sel= 4 KCl(74,55)/ (6,02 x KCl) Volume unit sel= V =a 3 Sehingga V =a 3 Massaunit sel = ρ V =a 3 Massaunit sel = se h inggaa= 3 4 KCl(74,55)/(6,02 x 1023KCl) =0,135 x10 9 m ρ 1,98 g/cm 3 arak antara dua atom yang berurutan=1/2 ( 0,135 x10 9 m )= 0,067 nm 6. Nikel memiliki struktur fcc dengan ari-ari atomnya adalah 1,243 x m. Hitunglah arak antara bidang-bidang : a) (200), b) (220),c) (111). Diketahui : r=1,243 x m

21 Ditanya : arak antara bidang a) (200), b) (220),c) (111)? Jawab: Konstanta kisi dari unit sel fcc a= 4r 2 = 4 x 1,243 x m =3,515 A 2 d 200 = 3,515 A =1,757 A d 220 = 3,515 A =1,242 A 2 d 111 = 3,515 A =2,029 A 2 7. Konstanta kisi suatu unit sel timah adalah 0,493 nm. Bila timah hitam ini memiliki struktur fcc, hitunglah umlah atom/mm 2 pada bidang (100) dan (111). Diketahui : a=0,493 nm Ditanya : umlah atom/mm 2 pada bidang (100) dan (111)? a= 4r 2 0,493 dimanar= 2 =0,174 nm 4 Bidang (100) berisi 2 atom per muka unit sel 0,493 x atom mm =2atom 2

22 Bidang (111) berisi 3 atom dari 1/6 atom dan 3 buah dari ½ atom Jumlah atom pada bidang ini=(3x1/6)+(3x1/2)=2 atom Luas bidang ini : L AFH = 1 2 x FHx AK= 1 2 a 2=1 2 a 6= 1 2 a2 3=4 r atom/mm 3 atom mm = 2atom 2 4 r 2 3 = 2atom =9,53 x 4(0,174 nm) Lukislah bidang (111) pada Cu yang memiliki struktur fcc dan konstanta kisi 0,361 nm. (a) hitunglah umlah atomnya per mm 2 dan (b) arak antar bidangnya. Diketahui : a=0,361 nm Ditanya : a) umlah atomnya per mm 2 a= 4 r 2 0,361nm dimanar= 2 =0,127 nm 4 Bidang (111) berisi 3 atom dari 1/6 atom dan 3 buah dari ½ atom Jumlah atom pada bidang ini=(3x1/6)+(3x1/2)=2 atom Luas bidang ini : L AFH = 1 2 x FHx AK= 1 2 a 2=1 2 a 6= 1 2 a2 3=4 r atom /mm 3 atom mm = 2atom 2 4 r 2 3 = 2atom =17,92 4(0,127 nm) 2 x10 3

23 9. Nikel memiliki struktur fcc dengan ari-ari atom 0,1246 nm. Berapakah arak d 200 ;d 220 ;d 111? Diketahui : r=0,1246 nm Ditanya : arak d 200 ;d 220 ;d 111? Jawab : Struktur fcc r=0,1246 nm=0,1246 x 10-9 m Konstanta kisi untuk unit sel fcc a= 4r 2 = 4 x 0,1246 x10 6 m =o,352nm 2 Untuk bidang (200) h=2,k=0,l=0 d 200 = 0,352 A =0,176 A d 220 = 0,352 A =0,124 A 2 d 111 = 0,352 A =0,203 A 2