SPEKTROSKOPI SINAR-X KARAKTERISTIK
Pendahuluan
Pada 1900, fisikawan berkebangsaan Jerman Max Planck (1858-1947) melakukan studi untuk mempelajari radiasi benda hitam. Planck berhasil menemukan suatu persamaan matematika untuk radiasi benda hitam yang benar-benar sesuai dengan data percobaan yang diperolehnya. Persamaan tersebut selanjutnya disebut Hukum Radiasi Benda Hitam Planck, yang menyatakan bahwa intensitas cahaya yang dipancarkan dari suatu benda hitam berbeda-beda sesuai dengan panjang gelombang cahaya. Teori Planck ini dikenal juga sebagai "teori kuantum". Teori kuantum dari Planck diakui kebenarannya karena dapat dipakai untuk menjelaskan berbagai fenomena fisika yang saat itu tidak bisa diterangkan dengan teori klasik. Menjelang 1918, Planck memperoleh hadiah Nobel bidang fisika berkat teori kuantumnya itu.




Niels Bohr, ahli fisika berkebangsaan Swedia, pada 1913 menerapkan teori kuantum dalam studi spektrum atom yang dilakukannya. Bohr mengemukakan teori baru mengenai struktur dan sifat-sifat atom yang merupakan gabungan dari penemuan Ernest Rutherford mengenai struktur atom dan teori kuantum dari Max Planck. Bohr dengan cara yang mengagumkan dalam teori atomnya berusaha untuk memperhitungkan adanya garis yang berbeda-beda dalam spektrum atom.Teori atom Bohr memudahkan perhitungan tentang adanya garis dalam spektrum suatu unsur. Apabila suatu unsur dipanasi, elektron bagian dalam orbit atom akan menyerap energi dari luar. Apabila suatu unsur didinginkan, elektron akan kehilangan energi dan kembali lagi ke orbit semula. Jika peristiwa ini terjadi, satu atau lebih kuantum energi akan dilepaskan dalam bentuk cahaya. Panjang gelombang maupun frekuensi cahaya yang dilepaskan bergantung pada kandungan energi dari kuantum yang dilepaskan.
Sebuah elektron di dalam atom dapat berpindah dari lintasan tertentu ke lintasan lainnya. Lintasan-lintasan yang dilalui elektron akan menentukan tingkat energi elektron dalam lintasan itu. Lintasan yang paling stabil adalah yang paling dekat dengan inti, yaitu lintasan dengan n = 1. Dalam lintasan ini, elektron mempunyai energi potensial yang paling rendah. Apabila elektron menyerap sejumlah energi tertentu dari luar, maka elektron itu dapat meloncat ke lintasan dengan energi potensial yang lebih tinggi, yaitu lintasan dengan n = 2, 3, 4, dan seterusnya. Dalam kondisi ini dikatakan bahwa elektron berada dalam keadaan tereksitasi sehingga tidak stabil. Pada saat elektron kembali ke keadaan dasarnya (kembali ke lintasan semula), elektron tersebut akan memancarkan kelebihan energinya dalam bentuk radiasi elektromagnetik.
Teori atom Bohr merupakan langkah maju ke depan. Untuk sumbangan ini, Bohr dianugerahi Hadiah Nobel Bidang Fisika pada 1922. Untuk mendapatkan gambaran secara singkat mengenai atom, model atom Bohr dewasa ini telah diterima secara luas. Dalam model ini digambarkan bahwa atom terdiri atas inti atom yang bermuatan positif dan kulit atom dengan sejumlah elektron bermuatan negatif yang mengitari inti atom melalui lintasan-lintasan dengan tingkat energi tertentu. Oleh Bohr, lintasan-lintasan elektron itu dinamai kulit K (n = 1), kulit L (n = 2), kulit M (n = 3), dan seterusnya. Semakin besar nilai n, lintasan elektron semakin menjauhi inti. Karakteristik fisika sinar-X ternyata dapat dipahami dengan baik menggunakan teori kuantum dan model atom Bohr ini.

Proses terjadi sinar-X karakteristik
Pada pesawat sinar-X, metode terpenting dalam proses produksi sinar-X adalah proses yang dikenal dengan bremsstrahlung, yaitu istilah dalam bahasa Jerman yang berarti radiasi pengereman (braking radiation). Elektron sebagai partikel bermuatan listrik yang bergerak dengan kecepatan tinggi, apabila melintas dekat ke inti suatu atom, maka gaya tarik elektrostatik inti atom yang kuat akan menyebabkan elektron membelok dengan tajam. Peristiwa itu menyebabkan elektron kehilangan energinya dengan memancarkan radiasi elektromagnetik yang dikenal sebagai sinar-X bremsstrahlung.
Sinar-X dapat pula terbentuk melalui proses perpindahan elektron atom dari tingkat energi yang lebih tinggi menuju ke tingkat energi yang lebih rendah. Adanya tingkat-tingkat energi dalam atom dapat digunakan untuk menerangkan terjadinya spektrum sinar-X dari suatu atom. Sinar-X yang terbentuk melalui proses ini mempunyai energi sama dengan selisih energi antara kedua tingkat energi elektron tersebut. Karena setiap jenis atom memiliki tingkat-tingkat energi elektron yang berbeda-beda, maka sinar-X yang terbentuk dari proses ini disebut sinar-X karakteristik. Sinar-X bremsstrahlung mempunyai spektrum energi kontinyu yang lebar, sementara spektrum energi dari sinar-X karakteristik adalah diskrit. Sinar-X karakteristik terbentuk melalui proses perpindahan elektron atom dari tingkat energi yang lebih tinggi menuju ke tingkat energi yang lebih rendah. Beda energi antara tingkat-tingkat orbit dalam atom target cukup besar, sehingga radiasi yang dipancarkannya memiliki frekuensi yang cukup besar dan berada pada daerah sinar-X.
Sinar-X karakteristik terjadi karena elektron atom yang berada pada kulit K terionisasi sehingga terpental keluar. Kekosongan kulit K ini segera diisi oleh elektron dari kulit di luarnya. Jika kekosongan pada kulit K diisi oleh elektron dari kulit L, maka akan dipancarkan sinar-X karakteristik Ka. Jika kekosongan itu diisi oleh elektron dari kulit M, maka akan dipancarkan sinar-X karakteristik Kb. Oleh sebab itu, apabila spektrum sinar-X dari suatu atom berelektron banyak diamati, maka di samping spektrum sinar-X bremsstrahlung dengan energi kontinyu, juga akan terlihat pula garis-garis tajam berintensitas tinggi yang dihasilkan oleh transisi Ka, Kb, dan seterusnya. Jadi, sinar-X karakteristik timbul karena adanya transisi elektron dari tingkat energi lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah. Adanya dua jenis sinar-X menyebabkan munculnya dua macam spektrum sinar-X, yaitu spektrum kontinyu yang lebar untuk spektrum bremsstrahlung dan dua buah atau lebih garis tajam untuk sinar-X karakteristik.

Bila sebuah elektron ditolak dari kulit dalam atom oleh interaksi dengan berkas elektron energi tinggi, hasilnya adalah ion tersebut berada pada tingkat eksitasi. Setelah melalui proses relaksasi atau de-eksitasi, ion tereksitasi ini memancarkan energi untuk dapat kembali ke tingkat normal yaitu keadaan dasar (ground state). Proses yang paling mungkin dalam kebanyakan kasus adalah deretan transformasi yang masing-masing sebuah elektron dari kulit luar "jatuh" ke tempat kosong di dalam kulit terdalam. Seperti yang telah kita lihat, setiap kejatuhan menyebabkan elektron tersebut kehilangan sejumlah energi, katakan saja beda energi antara kulit di mana elektron berasal dan kulit ke mana elektron jatuh. Energi ini dibebaskan dalam bentuk radiasi elektromagnetik dalam kasus transisi energi tinggi yang melibatkan kulit terdalam. Energi yang diradiasikan ini secara unik mengindikasikan atom dari mana radiasi berasal, makanya disebut sebagai sinar-x karakteristik.
Garis-garis ini biasanya dinamakan sesuai dengan kulit atom ke mana elektron jatuh dan kulit dari mana elektron berasal. Misalnya, jika kulit yang kosong (tujuan) adalah kulit K dan kulit dari mana elektron berasal adalah kulit L, maka sinar-x K diradiasikan. Jika elektron jatuh dari kulit M yang berada dua tingkat di atas kulit K, maka sinar-x yang diradiasikan dinamakan sinar-x K.


Intensitas Sinar-x Karakteristik
Intensitas sinar-x karakteristik yang terdeteksi tergantung pada 3 faktor.
Pertama, nomor atom dari atom teradiasi dan juga atom lingkungannya. Kedua,
probabilitas terabsorpsinya sinar-x sebelum terlepas keluar dari sampel. Ketiga,
fluoresen sekunder yang juga merupakan salah satu akibat terabsorpsinya sinar-x
tersebut. Sebagai contoh, suatu sinar-x karakteristik energi tinggi dari unsure
mungkin diabsorpsi oleh atom unsur B, karenanya merangsang sebuah emisi
karakteristik dari unsur kedua dari energi yang lebih rendah. Terdapatnya unsur
A dan B dalam sampel yang sama akan menaikkan intensitas dari emisi
karakteristik dari unsur B dan mengurangi emisi karakteristik dari unsur A. Inilah
yang disebut sebagai efek matriks (matrix effect), yaitu sebuah efek yang
tergantung pada matriks sampel, yang karenanya membutuhkan perlakuan khusus
selama analisa kuantitatif.


Hakikat Dan Sifat Sinar-X
Sinar-X pada hakekatnya merupakan gelombang elektromagnetik, dengan panjang gelombang yang pendek yaitu kurang dari 1010 mm , sehingga memiliki daya tembus yang besar.
Adapun sifat-sifat sinar-X antara lain :
a. Dapat menembus bahan
Daya tembus makin besar bila panjang gelombang sinar-X makin
pendek, ketebalan, keraptan dan nomor atom materi yang dilalui makin rendah
b. Menimbulkan attenuasi sewaktu menembus bahan
c. Menimbulkan radiasi sekunder pada semua bahan yang dilalui
d. Memiliki efek luminiscensi
e. Memiliki efek fotografis
f. Menimbulkan efek biologis
g. Menimbulkan ionisasi pada atom atau senyawa.

Manfaat spektroskopi sinar-X Karakteristik

Metode ini memberi suatu cara yang sangat ampuh naumn sederhan untuk menentukan untuk menentukan nomor atom Z suatu atom, sebagaimana pertama kali diperagakan pada tahun 1913 oleh fisikawan muda Inggris,H.G.J Moseley. Ia mengukur mengukur sinar-X Kα(dan lainnya) dari berbagai unsur dan dengan demikian menentukan nomor atomya
Daftar Pustaka
1. Arif s, Scanning electron microscopy,FMIPA UI,Jakarta 2006
2. Merrick, H., Sinar-X, Ilmu Pengetahuan Populer, Vol. 10, Grolier International Inc./P.T. Widyadara (1997) hal. 144-151.
3. Wiharto, K., Penerapan Teknik Nuklir Dalam Kedokteran, Buletin BATAN, Th. XII (2), Badan Tenaga Atom Nasional, Jakarta (1991) Hal. 1-9.
4. Wiharto, K., Kedokteran Nuklir dan Aplikasi Teknik Nuklir dalam Kedokteran, Prosiding Presentasi Ilmiah Keselamatan Radiasi dan Lingkungan PSPKR-BATAN, Jakarta (1996), hal. 8-15.