Ingin mempelajari Spektrofotometri Sinar X secara lebih mendalam? Kamu bisa menyimak baik-baik pembahasan yang ada di sini. Setelahnya, kamu bisa mengerjakan kuis berupa latihan soal untuk mengasah kemampuan.
Lewat pembahasan ini, kamu bisa belajar mengenai Spektrofotometri Sinar X. Kamu akan diajak untuk memahami materi dan tentang metode menyelesaikan soal.
Kamu juga akan memperoleh latihan soal interaktif yang tersedia dalam tiga tingkat kesulitan, yaitu mudah, sedang, dan sukar. Tertarik untuk mempelajarinya?
Sekarang, kamu bisa mulai mempelajari materi lewat uraian berikut. Apabila materi ini berguna, bagikan ke teman-teman kamu supaya mereka juga mendapatkan manfaatnya.
Kamu dapat download modul & contoh soal serta kumpulan latihan soal Spektrofotometri Sinar X dalam bentuk pdf pada link dibawah ini:
Definisi
Sinar X ditemukan oleh seorang ilmuwan yang berasal dari Jerman yang bernama Wilhelm Conrad Rontgent pada tahun 1895. Sinar X merupakan suatu bentuk radiasi elektromagnetik yang dihasilkan dari transisisi elektronik pada orbital atom bagian dalam (bukan elektron valensi) dan memiliki panjang gelombang berkisar antara 0.005 hingga 10 nm dan memiliki frekuensi antara 1016 hingga 1021 Hz.
Sinar X. Panjang gelombang sinar ini lebih pendek dari pada sinar UV dan lebih lama dari pada sinar gamma. meskipun seperti itu, sinar X mempunyai daya tembus kuat, diantaranya dapat menembus buku yang tebal, kayu yang tebal, bahkan pelat aluminium setebal 1 cm.
Spektrofotometri Sinar X dan Aplikasinya
1. Emisi Sinar X
Sinar-X dapat dihasilkan bila suatu material padat ditembaki dengan elektron energi tinggi (orde 1 keV sampai 100 keV). Gambar 1 menunjukkan skema 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.
Gambar 1 Skema prinsip kerja alat penghasil sinar X
2. Sinar X Diskrit
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 2 menunjukkan skema transisi terjadinya sinar X diskrit.
Gambar 2 Skema transisi terjadinya sinar X
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 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 $\mbox{K}_{\alpha},$$\mbox{K}_{\beta},$\textbf{$\mbox{K}_{\gamma},$}$\mbox{K}_{\delta}$ dan seterusnya.
Demikian pula deret sinar-X yang terjadi akibat transisi ke kulit L disebut $\mbox{L}_{\alpha},$$\mbox{L}_{\beta},$\textbf{$\mbox{L}_{\gamma},$}$\mbox{L}_{\delta}$, dan seterusnya sesuai dengan label kulit transisi level terakhir.
Intensitas spektrum sinar X $\mbox{K}_{\alpha}$dan $\mbox{K}_{\beta}$ biasanya mudah diamati. Gambar 3 contoh spektrum sinar X diskrit.
Gambar 3 spektrum sinar X diskrit
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
$\lambda^{\frac{1}{2}}$ = C ( Z – $\sigma$)
dengan C dan $\sigma$ adalah konstanta karakteristik dari spektrumnya. Karena $\lambda$= $\frac{\mbox{c}}{f}$ , maka hukum Moseley dapat ditulis lagi menggunakan besaran frekuensi
$f^{\frac{1}{2}}$= A( Z – $\mbox{Z}_{0}$)
dengan A dan $\mbox{Z}_{0}$konstanta. Nilai $\mbox{Z}_{0}$ = 1 untuk sinar X dari deret K dan $\mbox{Z}_{0}$ = 7.4 untuk sinar X dari deret L
3. Sinar X Sekunder
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 menggunakan spektrometer Fluoresensi sinar X (gambar 4).
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 jika memenuhi hukum Bragg, yaitu:
2 d sin $\theta$=$n\lambda$
n adalah orde difraksi, d jarak bidang Bragg, dan $\theta$ adalah 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). 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.
Gambar 4 Skema spektrofotometer sinar X fluoresensi
Contoh penerapan Sinar X adalah Spektroskopi fotoelektron, spektroskopi ini 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 adalah 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.
Energi foton yang ditembakkan berkaitan dengan energi ikat elektron ($\mbox{E}_{\mbox{B}})$ dan energi kinetik $\mbox{( E}_{\mbox{K}})$ saat elektron terlepas, oleh persamaan
$\mbox{E}_{\mbox{K}}$ = h$f$ – $\mbox{E}_{\mbox{B}}$
Pada kasus ini dianggap sebagian energi pental atom diabaikan. Sedangkan energi ikat $\mbox{E}_{\mbox{B}}$ tidak lain adalah selisih energi akhir ($\mbox{E}_{\mbox{f}}$) dikurangi energi awal ($\mbox{E}_{\mbox{i}})$,yaitu $\mbox{E}_{\mbox{B}}$= $\mbox{E}_{\mbox{f}}$- $\mbox{E}_{\mbox{i}}$
Contoh Soal Spektrofotometri Sinar X dan Pembahasannya
1. Uranium mempunyai tepi absorpsi K sebesar 0.107 $\mbox{Å}$ dan panjang gelombang $\mbox{K}_{\alpha}$ sama dengan 0.126 Å. Tentukan panjang gelombang untuk tepi absorpsi L?
Jawaban
Tepi absorpsi K tidak lain adalah energi ikat untuk kulit K, sebesar $\mbox{E}_{\mbox{BK}}$ = hc/$\lambda_{\mbox{BK}}$ = 12.4/0.107 = 115,9 keV. Sedangkan tepi absorpsi L diberikan oleh $\mbox{E}_{\mbox{BL}}$ = hc/$\lambda_{\mbox{BL}}$ atau $\lambda_{\mbox{BL}}$= hc/$\mbox{E}_{\mbox{BL}}$. Skema transisinya dapat dilihat pada gambar berikut.
Dari transisi terlihat bahwa $\mbox{E}_{\mbox{BK}}$- $\mbox{E}_{\mbox{BL}}$= $\mbox{E}_{\mbox{L}}$- $\mbox{E}_{\mbox{K}}$ dengan $\mbox{E}_{\mbox{L}}$- $\mbox{E}_{\mbox{K}}$ tidak lain adalah energi sinar X $\mbox{K}_{\alpha}$yang besarnya sama dengan hc/$\lambda_{K\alpha}$= 12.4/0.126 = 98.4 keV.
Maka diperoleh tepi absorpsi , yaitu $\mbox{E}_{\mbox{BL}}$ = 115.9 – 98.4 = 17.5 keV. Dengan demikian panjang gelombang tepi absorpsi L adalah $\lambda_{\mbox{BL}}$= hc/$\mbox{E}_{\mbox{BL}}$ = 0.709 Å.