BAB IVSPEKTROSKOPI SINAR-X

4.1Pendahuluan

4.1.1 Deskripsi Singkat

Pada bagian ini hendak dibahas spektroskopi dan proses terjadinya sinar-X,

fotoelektron, dan elektron Auger beserta beberapa aplikasinya.

4.1.2 Relevansi

Mahasiswa dapat mereview lagi proses terjadinya sinar-X termasuk efek

fotolistrik inner elektron, di mata kuliah Fisika Modern. Aplikasi spektroskopi sinar-X

ini sangat berguna untuk identifikasi bahan atau unsur material padat. Di dunia

industri spektroskopi sinar-X juga berkembang pesat, terutama untuk identifikasi dan

uji kualitas suatu bahan. Di dunia medis, aplikasi sinar-X berguna untuk pencitraan

dan diagnostik.

4.1.3 Kompetensi

4.1.3.1 Standar Kompetensi

Setelah mempelajari bagian ini, mahasiswa dapat menjelaskan konsep dasar

sinar-X karakteristik, Bremsstrahlung, elektron auger, sinar-X fluoresensi,

spektroskopi sinar-X, beserta aplikasinya.

4.1.3.2 Kompetensi Dasar

Setelah mempelajari pokok bahasan ini mahasiswa dapat:

Menjelaskan perbedaan proses terjadinya sinar-X Bremsstrahlung dan sinar-X

karakterisitik.

Menentukan jenis unsur dari deret sinar-X K, L, M

Menggunakan hukum Moseley untuk menentukan dan mengidentifikasi unsur

Menjelaskan proses terjadinya sinar-X fluoresensi,

Menjelaskan proses terjadinya absorpsi sinar-X oleh bahan,

Menentukan batas-batas tepi absorpsi sinar-X pada suatu bahan,

Menjelaskan proses terjadinya fotoelektron,

Menjelaskan proses terjadinya elektron Auger,

Menentukan energi ikat suatu unsur dari proses elektron Auger,

Menyebutkan dan menjelaskan beberapa contoh aplikasinya

4.2 Spektrokopi Sinar-X

49

Anoda

Katoda

pemanas Elektron

Sinar-X

Sinar-X

-e, E0

-e, E<E0

hf

Ze

4.2.1 Emisi Sinar-X

Sinar-X dapat dihasilkan bila suatu material padat ditembaki dengan elektron

energi tinggi (orde 1 keV sampai 100 keV). Gambar 4.1 menunjukkan skema prinsip

kerja peralatan penghasil sinar-X. Pancaran radiasi sinar-X dari pesawat sinar-X ini

mempunyai daya tembus yang cukup tinggi, dan dapat dideteksi misal, dengan

mengenakan pancaran foton itu pada plat film.

Gambar 4.1 prinsip kerja peralatan penghasil sinar-X. Dalam tabung hampa, katoda yang dipanasi menghasilkan elektron bebas. Beda potensial yang tinggi antara katoda dan anoda memaksa elektron bebas dari katoda dipercepat sehingga menumbuk anoda. Akibat tumbukan dengan elektron dengan atom-atom pada anoda, maka dihasilkan sinar-X.

4.2.1.1 Bremsstrahlung

Radiasi sinar-X yang dipancarkan dari pesawat sinar-X biasanya terdiri dari

radiasi yang kontinyu (Bremsstrahlung) dan radiasi yang diskrit (karakteristik).

Bremsstrahlung terjadi akibat elektron berenergi tinggi berinteraksi dengan atom,

terutama medan inti. Akibatnya, kecepatan elektron mengalami perubahan arah dan

pengurangan, atau dengan kata lain terjadi perlambatan. Menurut teori

elektrodinamika, elektron yang mengalami percepatan atau perlambatan

menghasilkan radiasi elektromagnetik yang nilainya kontinyu dari nol sampai suatu

nilai maksimum. Skema proses pembentukan Bremsstrahlung dapat dilihat pada

gambar 4.2.

Gambar 4.2 Skema terjadinya Bremsstrahlung. Elektron dengan energi awal E0 memasuki inti atom (menumbuk material) sehingga mengalami pembelokkan dan perlambatan. Akibatnya diemisikan foton dalam bentuk sinar-X kontinyu atau yang dikenal dengan Bremsstrahlung.

Elektron dengan energi mula-mula E0 dipercepat menumbuk suatu material. Akibat

pengaruh medan inti atom (nomor atom Ze) penyusun material itu, maka elektron

mengalami pembelokan dan perlambatan. Akibatnya dihasilkan foton berenergi hf

yang tidak lain adalah sinar-X kontinyu atau yang dikenal dengan Bremsstrahlung.

50

K

L

M

N

O

K K K K

L L L

MM

Elektron yang telah mengalami pembelokan energinya berkurang menjadi E. Energi

foton atau sinar-X bernilai dari 0 – hfmaks, dengan fmaks berkaitan dengan energi

maksimum sinar-X tergantung dari besarnya beda potensial yang dikenakan, melalui

persamaan

hf hfmaks = hc/min (4.1)

4.2.1.1 Sinar-X Karakteristik

Radiasi sinar-X diskrit atau karakteristik dihasilkan dari transisi elektron

yang mengisi kekosongan ruang elektron bagian dalam (terutama tingkat energi

bagian dasar). Elektron bagian dalam yang ditembaki menggunakan elektron energi

tinggi terlempar ke luar (atom tidak hanya tereksitasi, biasanya juga terionisasi).

Kekosongan ruang pada bagian dalam ini segera terisi oleh elektron bagian atas

disertai pelepasan energi tinggi dalam bentuk sinar-X. Karena energi ini bersesuaian

dengan jarak antar level antara elektron yang jatuh ke orbit yang kosong, maka

energi sinar-X bersifat diskrit atau karakteristik. Tingkat atom yang berbeda-beda,

menghasilkan sinar-X diskrit ini juga berbeda-beda, sehingga memberikan nilai khas

untuk unsur atau elemen dari bahan yang diselidiki. Gambar 4.3 menunjukkan

skema transisi terjadinya sinar-X karakteristik.

Gambar 4.3 skema emisi sinar-X karakteristik.

Elektron berenergi tinggi menumbuk elektron dalam, pada kulit K, sehingga elektron

kulit K terlempar ke luar mengakibatkan kekosongan pada kulit ini. Dalam keadaan

tereksitasi atau terionisasi, elektron kulit L mengisi kekosongan tersebut disertai

51

pancaran radiasi gelombang elektromagnetik dalam bentuk sinar-X. Kulit L yang

sekarang kosong, bergantian, diisi oleh elektron kulit M disertai pancaran sinar-X

yang lain, demikian seterusnya sehingga terdapat deret atau spektrum garis sinar-X

yang diemisikan. Deret sinar-X yang dihasilkan akibat transisi ke kulit K disebut

sinar-X K, K, K, K, dan seterusnya. Demikian pula deret sinar-X yang terjadi

akibat transisi ke kulit L disebut L, L, L, L, dan seterusnya, sesuai dengan label

kulit transisi level terakhir. Intensitas spektrum sinar-X K, dan K, biasanya mudah

diamati. Gambar 4.4 adalah contoh spektrum sinar-X kontinyu dan karakteristik.

Gambar 4.4 contoh spektrum sinar-X kontinyu dan karakteristik menggunakan sebuah target dari bahan Mo yang dibombardir oleh elektron berenergi 35 keV (gambar disadur langsung dari referensi 1).

Tingkat-tingkat energi elektron bagian dalam tidak dipengaruhi oleh sifat lingkungan

kimia dari atom-atom, sehingga emisi sinar-X karakteristik ini cocok untuk analisis

unsur. Hubungan panjang gelombang sinar-X yang diemisikan merupakan fungsi

nomor atom dari unsur target yang mengemisikan sinar-X, melalui hukum Moseley

-½ = C(Z - ) (4.1),

dengan C dan adalah konstanta-konstanta karakteristik dari spektrumnya. Karena

= c/, maka hukum Moseley pada persamaan 4.1 dapat ditulis lagi menggunakan

besaran frekuensi

½ = A(Z – Z0) (4.2),

dengan A dan Z0 konstanta. Nilai Z0 = 1 untuk sinar-X dari deret K, dan Z0 = 7,4

untuk sinar-X dari deret L.

52

Contoh Soal:

1. Sebuah tabung televisi menggunakan tegangan pemercepat elektron sebesar 20

kV. Tentukan: (a) energi maksimum, dan (b) panjang gelombang minimum sinar-

X yang dihasilkan.

Jawab:

Elektron dalam tabung televisi mempunyai energi kinetik 20 keV, dan bila

ditumbukkan pada suatu target akan menghasilkan foton berupa sinar-X dengan (a)

energi maksimum sebesar E = 20 keV, dan (b) panjang gelombang minimum foton

sinar-X adalah = c/ = hc/h = 12,4 keV Å/20 keV = 0,62 Å.

2. Pada persamaan Moseley ½ = A(Z – 1), Manakah yang lebih besar, nilai A

untuk K atau K?

Jawab:

Mengingat transisi K lebih besar dari K maka nilai A untuk K yang lebih besar.

3. Tentukan panjang gelombang sinar-X K untuk unsur Mo (Z = 42).

Jawab:

Dari persamaan Moseley, ½ = A(Z – 1) = 4,97107 (42 – 1) = 2,04109.

= c/ = 3108/(2,04109)2 = 0,721 Å

4. Sebuah eksperimen mengukur panjang gelombang beberapa unsur dengan

hasil sebagai berikut: Fe 1,94 Å; Co 1,79 Å; Ni 1,66 Å; Cu 1,54 Å. Tentukanlah

nomor atom dari unsur-unsur tersebut. Asumsikan panjang gelombang foton

yang dihasilkan termasuk dalam deret K.

Jawab:

Dari persamaan Moseley, -½ = C(Z – ) , didapat Z = (c/)½ C-1 + . Untuk deret K,

= 1, dan C = A/c½. Untuk A = 4,97107 Hz½ dan c½ = (3108)½ , maka Z dapat

dihitung dengan hasil pada tabel berikut:

Unsur Fe Co Ni Cu (Å) 1,94 1,79 1,66 1,54

Z 26 27 28 29

Metode lain untuk menghasilkan sinar-X adalah sinar-X fluoresensi. Sebuah

target ditembak dengan sumber radiasi sinar-X, sehingga dihasilkan sinar-X yang

baru namun energinya lebih rendah dari energi sinar-X sumber. Dengan kata lain,

target menyerap sinar-X primer dan mengemisikan sinar-X sekunder. Salah satu

cara untuk menentukan energi sinar-X yang dihasilkan adalah dengan

53

2

Kristal

Detektor

Sampel target

Sumber sinar-X primer

emisi sinar-X sekunder

Kolimator

menggunakan spektrometer Fluoresensi sinar-X (gambar 4.5). Alat ini menggunakan

prinsip difraksi Bragg, dimana sampel target yang ditembaki dengan sumber sinar-X

menghasilkan sinar-X sekunder yang kemudian terkolimasi menuju kristal. Radiasi

ini dapat ditangkap oleh detektor bila memenuhi hukum Bragg

2dsin = n (4.3).

Gambar 4.5 skema spektrometer sinar-X fluoresensi. Difraksi Brrag digunakan untuk

menentukan sinar-X fluoresensi (sekunder).

Pada persamaan 4.2, n adalah orde difraksi, panjang gelombang sinar-X, d jarak

bidang Bragg, dan sudut difraksi. Kristal yang digunakan dalam difraksi Bragg

biasanya sudah diketahui jarak antar bidang Braggnya. Misalnya NaCl (d = 0,56 nm)

atau LiF (d = 0,4 nm). Sistem untuk mensejajarkan sinar-X disebut sebagai kolimator

yang terdiri dari plat logam tipis (50 m) yang disusun sejajar dengan jarak 0,5 mm.

Sinar-X fluoresensi sangat cocok sebagai alat untuk mendeteksi elemen-elemen

yang ada pada sampel berbentuk padat atau serbuk, berdasarkan energi dan

intensitas yang terekam oleh detektor.

Sinar-X karakteristik dapat pula dihasilkan melalui partikel berat yang

dipercepat semacam proton, kemudian dihantamkan pada sampel target, sehingga

atom-atom target tereksitasi atau terionisasi, dan akhirnya dihasilkan sinar-X diskrit

seperti yang sudah-sudah. Teknik semacam ini biasanya dinamakan PIXE (Particle-

induced X-ray Emission). Kebolehjadian terjadinya kekosongan kulit pada elektron

bagian dalam sangat tinggi bila digunakan proton berenergi beberapa MeV,

sehingga sensitivitasnya lebih baik daripada teknik sinar-X fluoresensi. Hampir

sebagian unsur (kecuali unsur ringan) dapat dideteksi dengan metode ini sampai

batas konsentrasi 1 ppb. Detektor yang digunakan biasanya menggunakan material

Si(Li), dimana tegangan yang terukur sebanding dengan energi sinar-X yang

terdeteksi. Gambar 4.6 contoh spektrum sinar-X dengan teknik PIXE.

54

Gambar 4.6 contoh spektrum sinar-X dari material air laut dengan teknik PIXE.

Gambar disadur langsung dari referensi 1.

Banyak aplikasi dari penggunaan sinar-X kharakteristik ini, misal di bidang

medis, lingkungan, pabrik semikonduktor dan monitoring sains forensik. Misal

dengan memilih salah satu panjang gelombang, distribusi intensitasnya digunakan

untuk pencitraan unsur-unsur yang berbeda-beda pada rambut manusia. Selain itu,

dengan berbagai energi eksitasi, dapat dimanfaatkan untuk pengukuran kandungan

logam-logam berat dalam kasus cemaran udara.

Contoh soal:

Pada kristal NaCl, diketahui jarak bidang Bragg sama dengan 2,82Å. Bila difraksi

Bragg orde pertama terjadi untuk sinar-X K pada sudut 16, tentukan panjang

gelombang sinar-X tersebut.

Jawab:

Dari persamaan 4.3, 2d sin = n maka = 2 d sin untuk n = 1 sebagai difraksi

orde kesatu. Dengan memasukkan nilai d = 2,82 Å dan = 16, didapat = 1,54 Å.

4.2.2 Absorpsi Sinar-X

Salah satu aspek penting selain emisi sinar-X adalah absorpsi sinar-X.

Dengan menggunakan sinar-X kontinyu, sampel menyerap energi sebagai fungsi

panjang gelombang. Proses yang paling dominan terhadap serapan sinar-X adalah

efek fotolistrik, efek Compton, dan produksi pasangan. Hanya saja untuk produksi

pasangan, energi sinar-X harus lebih dari 1 MeV. Bila energi kurang dari 1 MeV,

55

k

K

LILII

LIII

M k -3

intensitas sinar-X direduksi oleh dua proses saja, yakni efek fotolistrik (paling

dominan) dan efek Compton. Intensitas sinar-X I setelah melewati suatu bahan

sejauh x diberikan oleh persamaan

I = I0 e-kx (4.4)

dengan I0 intensitas sebelum melalui bahan, dan k koefisien serapan bahan yang

tergantung dari atom-atom penyusun bahan dan energi sinar-X. Elektron-elektron

pada atom target mengalami eksitasi atau ionisasi sehingga menciptakan banyak

level-level yang kosong. Semakin besar energi sinar-X, semakin besar elektron

terionisasi sehingga menciptakan emisi elektron sampai batas ionisasinya. Dengan

kata lain, absorpsi sinar-X terus berkurang dengan bertambahnya energi sampai

menyamai energi ikat elektron dalam. Sampai batas ini elektron tiba-tiba mengalami

efek fotolistrik yang berakibat meningkatnya koefisien absorpsi secara tajam. Pada

level ini tercipta sebuah tepi absorpsi yang bersesuaian dengan energi ikat atom-

atom target. Semakin besar energi sinar-X, maka nilai ambang emisi elektron akan

terlampaui dan mengakibatkan terjadinya tepi absorpsi yang lain sesuai dengan

level-level elektron dalam atom. Gambar 4.7 menunjukkan contoh tepi absorpsi

sinar-X.

Gambar 4.7 contoh tepi absorpsi sinar-X. LI, LII, dan LIII adalah efek struktur halus pada level L.

Intensitas absorpsi berkurang secara drastis dengan bertambahnya energi sinar-X.

Hal ini tercermin pada nilai koefisen absorpsi k. Pada gambar 4.5 terlihat bahwa

koefisien absorpsi k sebanding dengan -3. Kenaikan nilai k yang sangat tajam

terjadi pada energi ikat masing-masing elektron dalam dan karenanya menciptakan

tepi-tepi absorpsi. Dengan mengukur energi-energi dari tepi absorpsi K, L, M dan

seterusnya, dapat diperoleh energi ikat elektron bagian dalam. Karena tiap-tiap atom

mempunyai nilai energi ikat yang berbeda-beda maka absorpsi sinar-X dapat

dimanfaatkan untuk identifikasi unsur-unsur pada sampel padatan.

56

EB

EKBatas ionisasi

E

h

Aplikasi lain dari sinar-X adalah pencitraan medis, mikroskop sinar-X dan juga

lithografi. Pada pencitraan medis berfungsi sebagai diagnostik organ-organ dalam

tubuh makhluk hidup. Pada mikroskop sinar-X, diperoleh pencitraan untuk obyek-

obyek nano yang lebih menguntungkan dari pada mikroskop optik konvensional.

Sedangkan sinar-X untuk lithografi, berfungsi pada pembuatan alat-alat mikro

elektronik di industri elektronik yang lebih menguntungkan dari pada menggunakan

sinar UV, yakni resolusi yang diperoleh lebih tinggi.

4.2.3 Spektroskopi Fotoelektron

Spektroskopi fotoelektron sangat bermanfaat untuk identifikasi tingkat-tingkat

energi atom atau molekul. Teknik ini sering disebut sebagai XPS atau XPES (X-ray

photoelectron spectroscopy), dan berguna untuk mendeteksi atom-atom ringan

maupun berat dalam suatu material, atau molekul-molekul organik. Sumber sinar-X

dengan energi tertentu membombardir sampel target yang hendak diuji. Elektron

yang dilepaskan dari atom target mempunyai kecepatan atau energi yang berbeda-

beda. Dengan spektroskopi fotoelektron ini yang diamati adalah jumlah elektron

sebagai fungsi kecepatan atau energinya. Prinsip dasar spektroskopi fotoelektron

dapat dilihat pada gambar 4.8. Elektron dalam atom terikat di tempat oleh inti yang

disebut sebagai energi ikat (yang sering juga identik dengan energi ionisasi, energi

yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari atom sehingga terionisasi).

Gambar 4.8 prinsip fotoelektron. Beberapa elektron digambarkan sebagai bulatan pada tingkat-tingkat energi tertentu.

Pada gambar, foton sinar-X dengan energi tertentu h menumbuk elektron pada

bagian dasar. Elektron tersebut terpental sehingga atom terionisasi. Energi foton

yang ditembakkan berkaitan dengan energi ikat elektron EB dan energi kinetik EK

saat elektron terlepas, oleh persamaan

57

h

sampel

Lensa elektrostatik

Plat semi-sferis

detektor

Penampil spektrum+ -

n =

n = 1

n = 2

K = 0,126 Å

EBK = 0,107 Å

EBL = ?

EK

EL

EK = h - EB (4.5).

Pada kasus ini dianggap sebagian energi pental atom diabaikan. Sedangkan energi

ikat EB tidak lain adalah selisih energi akhir Ef, dikurangi energi awal, Ei,

EB = Ef – Ei (4.6).

Contoh prinsip kerja peralatan yang menggunakan XPES dapat dilihat pada gambar

4.9 berikut.

Gambar 4.9 prinsip kerja spektrometer fotoelektron. Sampel ditembaki dengan foton berenergi tertentu. Elektron yang ke luar dilewatkan lensa elektrostatis memasuki plat elektrostatis semi-sferis. Energi elektron yang berbeda-beda tertangkap dengan detektor dan ditampilkan pada spektrum.

Contoh Soal:

1. Uranium mempunyai tepi absorpsi K sebesar 0,107 Å dan panjang gelombang

K sama dengan 0,126 Å. Tentukan panjang gelombang untuk tepi absorpsi L.

Jawab:

Tepi absorpsi K tidak lain adalah energi ikat untuk kulit K, sebesar EBK = hc/BK =

12,4/0,107 = 115,9 keV. Sedangkan tepi absorpsi L diberikan oleh EBL = hc/BL

atau BL = hc/EBL. Skema transisinya dapat dilihat pada gambar berikut.

Dari transisi terlihat bahwa EBK – EBL = EL – EK dengan EL – EK tidak lain adalah

energi sinar-X K yang besarnya sama dengan hc/K = 12,4/0,126 = 98,4 keV. Maka

58

diperoleh tepi absorpsi L: EBL = 115,9 – 98,4 = 17,5 keV. Dengan demikian panjang

gelombang tepi absorpsi L adalah BL = hc/EBL = 0,709 Å.

2. Sebuah bahan dengan tepi absorpsi K sebesar 0,15 Å disinari dengan foton

yang panjang gelombangnya 0,1 Å. Hitunglah energi kinetik elektron dari efek

fotolistrik yang dihasilkan oleh kulit K.

Jawab:

Energi ikat elektrok kulit K adalah EBK = hc/BK = 12,4/0,15 = 82,7 keV. Energi

foton sebesar E = hc/ = 12,4/0,1 = 124 keV ini diserap oleh elektron kulit K, sisa

energi diubah menjadi energi kinetik elektron maksimum sebesar Ekin = E – EBK =

124 – 82,7 = 41,3 keV.

3. Sebuah foton dengan panjang gelombang 0,5 Å menumbuk material, sehingga

dihasilkan fotoelektron dari kulit K dan teramati bergerak dalam lintasan

lingkaran berjari-jari 23 mm dalam medan magnet 210-2 T. Tentukan energi

ikat elektron kulit K tersebut.

Jawab:

Kecepatan elektron ditentukan dari gaya sentripetal elektron yang bergerak

melingkar melalui persamaan mv2/r = qvB atau v = (q/m)Br. Dengan

memasukkan nilai r, B dan q untuk muatan elektron diperoleh energi kinetik

elektron Ekin = ½ mv2 = 2,9710-15 J = 18,6 keV.

Energi foton adalah E = hc/ = 12,4/0,5 = 24,8 keV.

Energi ikat elektron kulit K adalah EBK = E – Ekin = 24,8 – 18,6 = 6,2 keV.

4.2.4 Spektroskopi Elektron Auger

Elektron Auger terjadi berkaitan dengan elektron bagian dalam dari suatu

atom. Proses terjadinya elektron Auger dapat dijelaskan seperti pada gambar 4.10

berikut. Gambar 4.10 (A), elektron pada keadaan dasar dengan energi Ex menerima

berkas foton sebesar h, sehingga elektron terpental yang berakibat atom dalam

keadaan tereksitasi atau terionisasi seperti terlihat pada gambar 4.10 (B). Setelah itu

terjadi proses elektron Auger, gambar 4.10 (C), elektron pada energi Ey mengisi

kekosongan tingkat energi Ex, sambil melepaskan energi dalam bentuk foton. Energi

foton ini segera diserap atau diterima oleh elektron bagian atas, Ez, sehingga

elektron terpental ke luar, yang akhirnya dinamakan elektron Auger dengan energi

kinetik sebesar EAuger dipenuhi oleh persamaan

EAuger = - Ez +(Ey - Ex) (4.7).

59

(A) Keadaan dasar

EAuger

Batas ionisasiE

hf

Ez

Ey

Ex(B) Keadaan tereksitasi (C) Proses Auger (D) Keadaan Akhir

hf '

L

K

Auger

h

Gambar 4.10 Proses terjadinya elektron Auger

Gambar 4.10 (D) adalah keadaan akhir sesaat setelah terjadi proses elektron Auger,

atom dalam keadaan terionisasi. Terlihat bahwa energi elektron Auger tak berkaitan

langsung dengan energi foton datang yang ditembakkan ke sampel. Merujuk pada

gambar 4.3 sebelumnya dan persamaan 4.5 dapat dikatakan bahwa elektron Auger

sangat erat kaitannya dengan energi ikat elektron. Dengan Ey – Ex = EK, serta EB

energi ikat elektron pada level Ez, maka energi kinetik elektron Auger dapat ditulis

lagi menjadi

EAuger = EK - EB (4.8).

Kebolehjadian elektron Auger ternyata semakin besar untuk atom-atom ringan,

sedangkan untuk atom-atom berat semakin kecil. Bila proses yang terjadi melibatkan

kulit K untuk Ex, dan kulit L untuk Ey dan Ez, maka proses disebut elektron Auger

KLL. Lihat gambar 4.9.

Gambar 4.9 skema proses elektron Auger KLL

Contoh soal:

Pada atom Zn (Z = 30), energi ionisasi (energi ikat) dari elektron kulit K dan L

masing-masing adalah 9,659 keV dan 1,021 keV. Tentukan energi kinetik elektron

Auger yang diemisikan dari kulit L oleh foton sinar-X K.

60

Jawab:

Energi elektron Auger diberikan oleh persamaan 4.8 EAuger = EBL - EK dengan EBL =

1,021 keV, EBK = 9,659 keV, dan EK = EBK – EBL = 8,638 keV. Diperoleh EAuger = EK -

EBL = 8,638 – 1,021 = 7,617 keV.

4.3 Latihan

1. Sebuah atom target dibombardir menggunakan elektron yang dipercepat melalui

beda potensial 100 kV. Tentukan, berapa panjang gelombang minimal foton

sinar-X yang dapat dipancarkan?

2. Seberkas sinar-X karakteristik K dipancarkan dengan panjang gelombang 0,786

Å. Tentukan usur sampelnya.

3. Dengan menggunakan model atom Bohr, buktikan bahwa nilai A pada hukum

Moseley untuk sinar-X K diberikan oleh AK = 4,97107 Hz½ , dan untuk sinar-X

L diberikan oleh AL = 2,14107 Hz½.

4. Tepi absorpsi untuk unsur Y (Z = 39) adalah 0,7277 Å. Untuk memperoleh emisi

sinar-X deret K, diperlukan sedikitnya potensial pemercepat elektron sebesar

17,039 kV. Tentukan nilai h/e dari data tersebut.

5. Tingkat-tingkat energi K, L, dan M untuk unsur Cu, Ni, dan Co diberikan pada

tabel berikut. Radiasi K dari unsur Cu hendak difilter menggunakan bahan Ni

dan Co. Manakah bahan yang lebih efektif sebagai filter?

Unsur Z EK (keV) EL (keV) EM (keV)

Cu 29 - 8,979 - 0,931 - 0,074

Ni 28 - 8,333 - 0,855 - 0,068

Co 27 - 7,709 - 0,779 - 0,060

4.4 Tes formatif (Pilihlah satu jawaban yang paling tepat).

1. Manakah dari unsur-unsur berikut yang paling mungkin menghasilkan radiasi

sinar-X?

a. He b. Li c. C d. O e. Na

2. Diperlukan sebuah sampel padat sebagai target agar diemisikan sinar-X. Maka

diperlukan sumber eksitasi berupa ...

a. Sumber sinar UV

b. Sumber netron termal

61

L

K

M

N

I

A

B

C

D

c. Sumber elektron berenergi 1 – 100 eV

d. Sumber proton berenergi 1 – 10 keV

e. Sumber sinar gamma

3. Manakah dari pernyataan berikut yang paling tepat sehingga sinar-X dapat

diemisikan?

a. Elektron yang tereksitasi atau terionisasi adalah elektron terluar

b. Elektron yang tereksitasi atau terionisasi elektron bagian dalam

c. Elektron tidak harus tereksitasi ataupun terionisasi

d. Netron yang ditembaki sehingga ke luar dari atom

e. Proton yang ditembaki sehingga proton terpental ke luar

4. Perhatikan transisi pada gambar berikut. Jenis sinar-X yang

dihasilkan pada proses ini adalah ...

a. K b. K c. L d. L e. M

5. Pada gambar berikut menampilkan puncak-puncak sinar-X

karakteristik. Urutan yang paling tepat untuk puncak A, B, C, dan D berturut-turut

adalah ...

a. K, K, K, L

b. L, K, K, K,

c. L, K, K, K,

d. K, K, K, L,

e. K, K, K, L,

6. Bila terjadi struktur halus, maka jumlah garis spektrum

untuk sinar-X K adalah ...

a. 1 b. 2 c. 3 d. 4 e. 5

7. Transisi sinar-X untuk jenis L pada unsur Ca (Z = 20) adalah 30,1 Å. Nilai

konstanta A (dalam satuan SI) pada hukum Moseley adalah ...

a. 2,29106 b. 2,51106 c. 2,29107 d. 2,51107 e. 2,51108

8. Seberkas sinar-X yang diemisikan dari bahan tembaga mempunyai K = 1,54 Å,

K = 1,39 Å, dan tepi absorpsi BK = 1,38 Å. Foton tersebut melewati selembar

nikel yang mempunyai K = 1,66 Å, K = 1,50 Å, dan tepi absorpsi BK = 1,49 Å.

62

h

sampel

Plat semi-sferis

A

+ -

B C

Berapa panjang gelombang sinar-X yang dipancarkan dengan intensitas

terbesar?

a. 4,03 Å b. 8,05 Å c. 4,03 nm d. 8,05 nm e.805Å

9. Pada persamaan Moseley, bagaimana kaitan antara konstanta C dan A?

Diketahui c adalah laju cahaya dalam ruang hampa.

a. C = A c½,

b. C = A/c½,

c. C = Ac,

d. C = A/c,

e. C = A c ¼.

10. Pada suatu unsur, manakah yang lebih besar, energi ikat EBK atau energi sinar-X

EK?

a. EBK > EK

b. EK > EBK

c. EK EBK

d. Keduanya selalu sama

e. Bisa sama, bisa tidak (lebih kecil atau lebih besar)

11. Akibat radiasi sinar-X pada sampel, elektron diemisikan oleh sampel kemudian

diteruskan melalui plat elektrostatis berbentuk semi sferis. Bila teramati tiga

spektrum A, B, dan C, manakah urutan energi dari kecil ke besar yang paling

tepat?

a. A, B, C

b. C, B, A

c. B, A, C

d. B, C, A

e. Ketiga elektron

energinya sama besar

12. Pada unsur Os dengan Z = 76, tepi absorpsi K dan L masing-masing 0,168 Å

dan 1,17 Å. Berapa panjang gelombang sinar-X jenis K yang diemisikan?

a. 0,0196 Å b. 0,396 Å c. 0,196 Å d. 1,96 Å e. 19,6 Å

63

13. Pada unsur Ta (Z = 73) diketahui emisi sinar-X jenis K pada panjang

gelombang 0,216 Å dan tepi absorpsi L adalah 1,25 Å. Energi tepi absorpsi K

sama dengan ...

a. 0,674 keV

b. 6,74 keV

c. 67,4 keV

d. 674 keV

e. 6740 keV

14. Energi kinetik elektron Auger yang diemisikan oleh sinar-X K dari kulit L dari

tepi absorpsi K 0,827 Å terukur sebesar 10,2 keV. Energi sinar-X K sama

dengan ...

a. 0,126 keV

b. 0,63 keV

c. 1,26 keV

d. 6,3 keV

e. 12,6 keV

15. Salah satu manfaat spektroskopi sinar-X adalah...

a. Menentukan jarak antar molekul

b. Identifikasi unsur-unsur ringan pada molekul gas di suatu ruang

c. Diagnostik organ tubuh bagian dalam

d. Komunikasi radio

e. Radar berfrekuensi tinggi

4.5Umpan Balik

Apabila mampu menjawab minimal 8 (delapan) soal dengan benar, anda

dianggap sudah menguasai pokok bahasan ini.

Tindak Lanjut

Mahasiswa diharapkan mereview struktur Molekul pada Bab III untuk

mempelajari Bab V tentang spektroskopi Infra Merah.

4.6 Rangkuman

Emisi sinar-X dapat dihasilkan oleh tembakan-tembakan radiasi foton berupa

sinar gamma atau sinar-X dan dapat juga tembakan-tembakan pada sampel

menggunakan partikel berupa elektron atau proton energi tinggi. Radiasi sinar-X

64

yang kontinyu disebut Bremsstrahlung dan yang diskrit dinamakan sinar-X

karakteristik. Emisi sinar-X diskrit oleh transisi ke kulit K disebut sinar-X K, K, dan

K, transisi ke kulit L disebut L dan L dan seterusnya. Emisi sinar-X oleh sampel

yang ditembaki dengan sumber sinar-X, disebut sinar-X fluoresensi, dengan energi

yang diemisikan lebih rendah dari energi primernya. Dua proses yang berperan pada

absorpsi sinar-X adalah efek fotolistrik dan Compton, dengan proses yang paling

dominan adalah efek fotolistrik. Koefisien absorpsinya berkurang drastis dengan

bertambahnya energi sinar-X pangkat tiga. Batas-batas dinsing absorpsi K, L, M dan

sebagainya berkaitan dengan energi ikat elektron dalam pada kulit K, L, M dan

seterusnya. Spektroskopi fotoelektron merupakan perkembangan dari efek radiasi

sinar-X pada bahan. Identik dengan itu pula dapat dihasilkan elektron Auger.

Transisi elektron ke kulit K, menghasilkan energi berupa foton namun diserap oleh

elektron di tingkat atas, misal L, M dst. Elektron kulit L atau M ini terpental ke luar

dan disebut sebagai elektron Auger. Aplikasi spektroskopi, selain dapat digunakan

untuk identifikasi unsur-unsur dalam suatu bahan, juga berkembang laus di dunia

industri logam, elektronika, forensik dan juga dunia medis, misal untuk diagnostik

organ tubuh bagian dalam.

4.7 Kunci Jawaban Latihan dan Tes Formatif

Jawaban Tes Formatif

1. e 2. e 3. b 4. b 5. e 6. b 7. d 8. b 9. a 10. a 11. a 12.

C 13. c 14. e 15. c

DAFTAR PUSTAKA

1. Sune Svanberg, Atomic and Molecular Spectroscopy, Springer Verlag,

1991

2. Colin N. Banwell & Elaine M. McCash, Fundamental of Molecular

Spectroscopy, McGraw-Hill, 1994.

3. Anne P. Thorne, Spectrophysics, ELBS, 1988.

4. Haken & Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie, Springer, 1997.

SENARAI

Elektron bagian dalam (inner): elektron pada kulit K, L, M atau N dalam

sebuah atom

65

Bremsstrahlung: radiasi sinar-X yang dihasilkan akibat elektron cepat

diperlambat oleh medan di sekitar inti. Energi foton ini bersifat kontinyu

Sinar-X Kharakteristik: radiasi sinar-X diskrit yang dihasilkan oleh transisi

elektron pada tingkat-tingkat energi dalam suatu atom atau unsur berat.

Sinar-X K, K: Sinar-X kharakteristik hasil dari transisi elektron dari kulit L ke

K (K), dan dari kulit M ke K (K)

Sinar-X L, L: Sinar-X kharakteristik hasil dari transisi elektron dari kulit M ke

L (L), dan dari kulit N ke L (L)

Sinar-X Fluoresensi: Sinar-X yang dihasilkan dari suatu sampel akibat

dibombardir oleh sinar-X lain. Sinar-X yang diemisikan lebih rendah dari sinar-

X sumber.

Absorpsi sinar-X: serapan intensitas sinar-X oleh suatu bahan

Tepi Absorpsi: batas energi absorpsi oleh akumulasi serapan intensitas sinar-

X dalam suatu bahan yang naik secara drastis akibat efek fotolistrik. Tepi

absorpsi bersesuaian dengan energi ikat elektron dalam pada kulit K, L, M

dan seterusnya.

Spektroskopi Fotoelektron: emisi elektron bagian dalam akibat suatu material

disinari dengan foton atau partikel energi tinggi

Elektron Auger: transisi elektron ke kulit dasar, mengakibatkan emisi elektron

di kulit bagian atasnya.

66