Pertemuan ke 10 (SINAR X)

FISIKA MODERN

  Sub Tema Pertemuan Ke 10 • Perangkat sinar x

• Produksi Bremsstrahlung

  SINAR X

• Spektrum sinar x karakteristik
• Relasi Moseley Nurun Nayiroh, M.Si
• Absorbsi sinar x
• Fluoresensi sinar x

  Perangkat Sinar x

• Sinar x yang ditemukan oleh Willhelm Roentgen pada _{A (anoda)=target}

  Radiasi foton sinar x tahun 1985, adalah foton berenergi tinggi (1 100 keV) _{K (katoda)} dengan panjang gelombang berorde 1 A .

• Sinar x biasanya diproduksi dengan cara

  Elemen pemanas katoda memberondong target dengan seberkas elektron berenergi tinggi.

• Energi kinetik elektron elektron di katoda dapat

  A K diabaikan, sehingga ketika mengenai target, elektron _{(elektron yang dipercepat) Berkas elektron} elektron tersebut akan memiliki energi kinetik K=eV.

  Tegangan akselerasi (V ≈10 kV Ketika terjadi transisi elektron dari tingkat energi tinggi ke yang lebih rendah, maka dipancarkan Produksi sinar x foton sinar x

• Ada dua tipe kejadian yang terjadi di dalam proses

  sinar x K α menghasilkan foton sinar x yaitu,

• – Sinar x Bremsstrahlung n =2 _i M – Sinar x karakteristik. Dimana interaksi itu terjadi saat elektron proyektil menumbuk target.

  L n =1 _f

  sinar x L

  α ₊ K

  sinar x K

  β Sinar x Bremsstrahlung

• Sinar x Bremstrahlung terjadi ketika elektron dengan energi kinetik berinteraksi dengan medan energi pada inti atom . Karena inti atom ini mempunyai energi (+) dan elektron mempunyai • energi ( ), maka terjadi hubungan tarik menarik antara inti atom dengan elektron.
• Ketika elektron ini cukup dekat dengan inti atom dan inti atom mempunyai medan energi yang cukup besar untuk ditembus oleh elektron proyektil, maka medan energi pada inti atom ini akan melambatkan gerak dari elektron proyektil. Melambatnya gerak dari elektron proyektil ini akan mengakibatkan • elektron proyektil kehilangan energi dan berubah arah. Energi yang hilang dari elektron proyektil ini dikenal dengan •

  → _{Sinar x Bremsstrahlung}

  _{tinggi dengan beberapa harga tegangan tinggi.} Spektrum sinar x bremstrahlung untuk tegangan _{V3 > V2 > V1.} Sinar X Karakteristik

• Sinar X karakteristik terjadi ketika elektron proyektil dengan energi

  kinetik yang tinggi berinterkasi dengan elektron dari tiap tiap kulit atom.

  Elektron proyektil ini harus mempunyai energi kinetik yang cukup • tinggi untuk melepaskan elektron pada kulit atom tertentu dari orbitnya.

• Saat elektron dari kulit atom ini terlepas dari orbitnya maka akan _{Nilai λ secara matematik min} terjadi transisi dari orbit luar ke orbit yang lebih dalam. _{dapat ditentukan sebagai barikut:}
• Energi yang dilepaskan saat terjadi transisi ini dikenal dengan foton _{Proses bremsstrahlung akan} sinar X karakteristik. _{menghasilakan radiasi dengan}

  Energi photon sinar X karakteristik ini bergantung pada besarnya • _{spektrum kontinyu yang memiliki} energi elektron proyektil yang digunakan untuk melepaskan elektron _{frekuensi atau gelombang yang} dari kulit atom tertentu dan bergantung pada selisih energi ikat dari _{bergantung pada tegangan akselerasi} elektron transisi dengan energi ikat elektron yang terlepas tersebut.

• Sebagai contoh: apabila sinar x ini timbul akibat transisi elektron dari kulit L ke kulit K (n=1) maka sinar x ini akan memiliki energi E = E – E . Garis _{L K} spektrum sinar x tersebut lazim dinamai K , sehingga _α panjang gelombangnya sering disebut λ . _Kα
• Nama nama garis spektrum lainnya adalah K (untuk _β transisi dari kulit M ke kulit K), K (untuk transisi dari _ϒ kulit N ke kulit K), dan seterusnya.
• Jika transisi itu terjadi dari tingkat tingkat energi yang lebih tinggi ke kulit L, maka nama nama untuk garis garis spektrum sinar x yang dihasilkannya adalah L _α ,L , L , .... dst., untuk transisi yang terjadi masing _{β ϒ Sinar X Karakteristik}

  masing dari kulit M, N, O, ...., dst Spektrum Sinar X karakteristik

• Ketika spektrum suatu atom berelektron banyak dieksitasi oleh elektron proyektil, maka akan terlihat latar belakang bremstrahlung yang kontinu dengan panjang

  Kulit N (n=3) gelombang minimum, sprektrum bremstrahlung ini

  M M β _α tentulah bersama sama dengan spektrum sinar x

  Kulit M karakteristik yaitu garis tajam yang dinyatakan oleh Kα,

  (n=3) L _γ Kβ,... dan seterusnya .

  L Deret M _β L _α

• Setiap garis garis sinar x karakteristik, ternyata

  Kulit L mengandung sejumlah garis garis yang sangat

  (n=2) _{K β} K _γ berdekatan, splitting ini sebagai hasil dari splitting struktur halus dari tingkat tingkat energi atom.

  K α Deret L Kulit K (n=1)

  Deret K _{bremsstrahlung.} Sinar x karakteristik K dan K yang tumpang tindih di dalam spektrum _{α β} Absorbsi Sinar X

  Ketika sinar X melewati suatu material, beberapa dari foton akan • berinteraksi dengan atom atom material. Hal ini mengakibatkan foton akan terserap keluar dari berkas sinar.

• Interaksi yang paling bertanggung jawab terhadap pengurangan intensitas berkas foton adalah efek fotolistrik, hamburan Compton, dan produksi pasangan. Untuk menghasilkan produksi pasangan dibutuhkan energi lebih • dari 1000 keV, sedangkan sinar x mempunya energi 1 100 keV sehingga sinar x tidak sanggup memproduksi pasangan.
• Dari sini terlihat bahwa intensitas sinar x hanya terserap oleh _{bergantung pada jenis bahan anoda yang digunakan besarnya tegangan tinggi yang digunakan, tetapi ia hanya Nilai lntensitas sinar x karakteristik ini tidak bergantung pada} adanya efek fotolistrik dan hamburan Compton.

Absorbsi Sinar x Efek Auger Intensitas I dari berkas sinar x monokromatis setelah melewati •

• Dalam pembahasan di atas, dianggap bahwa elektron

  material setebal x diberikan oleh persamaan: _μx elektron foto dihasilkan oleh sinar x yang berasal dari I = I e suatu sumber dari luar.

  Dimana I = intensitas berkas yang datang, μ = koefisien absorbsi

• Akan tetapi ada kemungkinan sinar x yang dipancarkan dari material.

  oleh karena terjadi transisi dalam suatu atom, akan

• Besaran μ bergantung pada atom atom sasaran dan energi sinar x

  diserap oleh sebuah elektron dalam atom itu sendiri, hal Makin besar energi sinar x, koefisien absorbsi menurun, sebab • elektron foto atau hamburan compton sukar terjadi bila foton foton ini mengakibatkan elektron itu dipancarkan keluar atom. yang digunakan berenergi lebih tinggi

• Elektron elektron foto yang dihasilkan oleh proses

  Penurunan μ ini kontinyu sampai energi sinar x persis sama dengan • seperti itu dinamakan elektron Auger. energi ikat dari salah satu elektron core

  Fluoresensi Sinar x MANFAAT SINAR X

• Foton foton sinar x dapat digunakan untuk mengeksitasi

  RADIOLOGI atau mengeluarkan elektron core.

NOMOR DALAM BIDANG ATOM

• Bila terjadi transisi dari keadaan eksitasi kembali ke

KESEHATAN LOGAM

  keadaan dasar, atom akan menghasilkan foton foton sinar x tambahan; di mana foton foton sinar x tambahan memiliki energi yang lebih rendah dari pada energi sinar x yang datang mula mula.

  SUSUNAN

INDUSTRI KRISTAL

  Rumus sinar x k p

2 AK

  17 10 x 2 f =

  KRISTAL _Na Na ^Cl a a

  9 0,851 10 x f =

  18 0,72244 10 x f =

  3 _{18 34} ^{19 3} = =

  10 x

  J.s 6,626 10 x J 1,6 10 x x

  h E f = Hz , 7244 10 x

  15 λ = λ c f = keV

  9 0,447 10 x f = A

  8 = =

  E E =

  10

  17

  3

  15 m/s 10 x

  10 x

  Hz 10 x 2 m

  λ hc E hf foton Energi = =

  λ hc Energi hf x sinar = =

  1 e V =

  2

  mv

3 E =

  PENGUKURAN PANJANG GELOMBANG SINAR X

  HENRY G. MOSELEY _DETEKTOR KEBANGSAAN 1887 1915

  INGGRIS K RUTHERFORD

  θ θ θ HUBUNGAN PANJANG A

  SPEKTRUM GELOMBANG DENGAN SINAR X KRISTAL NOMOR ATOM ATOM BOHR

  Relasi Moseley Amati ilustrasi berikut !!

• Dalam tahun 1913 H. Moseley mendapatkan bahwa frekuensi f dari deret deret K dan L dari sinar X dapat dicocokkan dari hubungan: _1/2 f = A(Z Z ) di mana Z adalah nomor atom dari material sasaran dan A dan Z adalah konstanta dari transisi yang diamati.
• Untuk deret K diperoleh secara eksperimen bahwa Z = 1 dan harga A berubah sedikit bergantung pada transisi Kα, Kβ,..... yang diamati.
• Untuk deret L, Z = 7,4 dan juga ada sedikit perubahan A untuk garis garis Lα, Lβ , ...
• Persamaan di atas dapat diturunkan dari model tipe Bohr

  RUMUS Model tipe Bohr

  Gerak elektron

  sinar x K α

  seperti model gerak planet planet mengelilingi

• matahari

  dalam tata surya

  3

  2 f = c R ( Z − 1 )

  4 RUMUS RUMUS Model tipe Bohr Model tipe Bohr

  Sinar x K β sinar x L

  α

  5

  2

  8

  2 f = c R ( Z − 7 , 4 ) f = c R Z −

  2 ( )

  36

  9

  GRAFIK vs Z ₉ f

  f x

  10 Hz

• Harga harga di atas cukup sesuai dengan apa yang didapatkan dalam percobaan dan digunakan dalam soal 0,95 soal yang menyangkut relasi Moseley.
• Meskipun teori Bohr dikembangkan untuk atom atom yang tidak berinteraksi dalam keadaan gas, tapi terlihat juga menghasilkan penjelasan mengenai perilaku atom atom dalam material padat di mana atom satu sama yang lain memiliki interaksi yang kuat.

  α 0,5

  Z

  11

  20 k

DATA MOSELEY DATA MOSELEY

  Nomor Panjang Frekuensi Nomor Panjang Frekuensi f f

  18

  18 N0 Atom gelombang (x10 N0 Atom gelombang (x10

  9

  9

  (Z) (A ) Hz) (x10 ) (Z) (A ) Hz) (x10 )

  1 20 42,375

  1 20 42,375 0,264

  2 30 12,987

  2 30 12,987 0,481

  3 42 5,423

  3 42 5,423 0,743

  4 50 3,619

  4 50 3,619 0,910

  5 58 2,567

  5 58 2,567 1,081 DATA MOSELEY

  f N0

  DATA MOSELEY

  (Z) Energi

  (keV) Frekuensi

  (x10

  18 Hz) (x10

  9

  )

  1 25 0,64

  2 30 1,04

  3 35 1,60

  4 40 2,16

  5 45 2,89

  f N0

  f N0

  Nomor Atom

  (Z) Energi

  (keV) Frekuensi

  (x10

  18 Hz) (x10

  9

  )

  1 25 0,64 0,393

  2 30 1,04 0,501

  3 35 1,60 0,621

  4 40 2,16 0,722

  Nomor Atom

  DATA MOSELEY

  Nomor Atom

  DATA MOSELEY

  (Z) Energi

  (keV) Frekuensi

  (x10

  18 Hz) (x10

  9

  )

  1 25 6,06

  2 30 8,94

  3 35 12,25

  4 40 16,04

  5 45 20,48

  f N0

  5 45 20,48 2,223

  Nomor Atom

  (Z) Energi

  (keV) Frekuensi

  (x10

  18 Hz) (x10

  9

  )

  1 25 6,06 1,209

  2 30 8,94 1,469

  3 35 12,25 1,719

  4 40 16,04 1,968

  5 45 2,89 0,835

DATA MOSELEY

DATA MOSELEY

  Nomor Atom

  5 45 22,80 2,346

  4 40 17,80 2,073

  3 35 13,33 1,794

  2 30 9,67 1,528

  1 25 6,51 1,253

  )

  9

  18 Hz) (x10

  (x10

  (keV) Frekuensi

  f N0

  Nomor Atom

  f N0

18 Hz) (x10

  5 45 22,80

  4 40 17,80

  3 35 13,33

  2 30 9,67

  1 25 6,51

  )

  9

  (x10

  (keV) Frekuensi

  (Z) Energi

  (Z) Energi