Sinar X (Diajukan Guna Memenuhi Tugas Fisika Modern)
Oleh : Nur Izzati R. Nanda Nurarivikka F. Novida Ismiazizah
(120210102026) (120210102029) (120210102090)
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA JURUSAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS JEMBER 2014 A. Pengertian Sinar X 1
Sinar X atau sinar roentgen adalah gelombang elektromagnetik yang dapat menembus benda- benda lunak seperti daging dan kulit akan tetapi tidak dapat menembus tulang, gigi dan logam karena hanya memilki panjang gelombang 10-8 sampai 10-12 dan frekuensi sekitar 1016 sampai 1021 Hz. Sinar X adalah gelombang elektromagnetik dari elektron yang menabrak atom dengan kecepatan tinggi. Sinar X merupakan pancaran gelombang elektromagnetik yang sejenis dengan gelombang radio, panas, cahaya sinar ultraviolet, tetapi mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek sehingga dapat menembus benda-benda.
B. Sejarah Sinar X
Sinar X pertama kali oleh fisikawan berkembangsaan jerman wilhelm C. roentgen pada tanggal 8 november 1895. Saat itu roentgen bekerja mengunakan tabung. Dia mengamati nyala hijau pada tabung yang sebelumnya menarik perhatian crookes. Roentgen selanjutnya mencoba menutup tabung itu dengan kertas hitam dengan harapan agar tidak ada cahaya tampak yang dapat lewat. Namun setelah ditutup ternyata masih ada sesuatu yang dapat lewat. Roentgen menyimpulkan bahwa ada sinar-sinar tak tampak yang mampu menerobos kertas hitam tersebut. Pada saat roentgen menyalakan sumber listrik tabung untuk penelitian sinar katoda. Beliau mendapatkan bahwa ada sejenis cahaya berpendar pada layar yang terbuat dari barium platino cyanide yang kebetulan berada didekatnya. Jika sumber listrik dipadamkan, maka cahaya pendar pun hilang. Roentgen segera mennyadari bahwa sejenis sinar yang tidak kelihatan telah muncul dari dalm tabung sinar katoda. Karena sebelumnya tidak pernah dikenal. Maka sinar ini diberi nama sinar X. namun untuk menghargai jasa beliau dalam 2
penemuan ini maka sering kali sinar X itu dinamai dengan sinar roentgen. Nyala hijau yang terlihat oleh crookes dan roentgen akhirya diketahui bahwa sinar tersebut tak lain adalah gelombang cahaya yang dipancarkan oleh dinding kaca pada tabung sewaktu electron menabrak dinding itu. Sebagai akibat terjadinya pelucutan listrik melalui gas yang masih tersisa didalam tabung. Pada saat yang bersamaan electron itu merangsang atom pada kaca untuk mengeluarkan gelombang elektromagnetik yang panjang gelombangnya sangat pendek dalam bentuk sinar X. sejak saat itu para ahli fisika telah mengetahui bahwa sinar X dapat dihasilkan bila electron dengan kecepatan yang sangat tinggi menabrak atom. Rasa penasaran roentgen dengan penemuan yang tidak disengaja, roentgen ingin memusatkan perhatiannya untuk meneliti sinar X lebih dalam lagi dan dari penelitian itu beliau mendapatkan bahwa sinar X dapat menembus berbagai materi yang tidak dapat ditembus oleh sinar tampak seperti sinar lampu. Disamping itu, roentgen juga bisa melihat bayangan tulang tangannya pada layar yang terpendar dengan cara menempatkan tangannya diantara tabung sinar katoda dan layar. Dari hasil penyelidikan berikutnya roentgen mengetahui bahwa sinar X dapat merambat lurus dan tidak dibelokan baik oleh medan listrik maupun medan magnet. Atas jasa Roentgen dalam menemukan dan mempelajari sinar X, dan pada tahun 1901 beliau dianugerahi hadiah nobel bidang fisika yang untuk pertama kalinya diberikan dalam bidang ini.
C. Proses Terjadinya Sinar X 1. Di dalam tabung roentgen ada katoda dan anoda dan bila katoda (filament) dipanaskan lebih dari 20.000 derajat C sampai menyala dengan mengantarkan listrik dari transformator, 2. Karena panas maka electron-electron dari katoda (filament) terlepas, 3. Dengan memberikan tegangan tinggi maka electron-elektron dipercepat gerakannya menuju anoda (target), 4. Elektron-elektron mendadak dihentikan pada anoda (target) sehingga terbentuk panas (99%) dan Sinar X (1%), 5. Sinar X akan keluar dan diarahkan dari tabung melelui jendela yang disebut diafragma, 6. Panas yang ditimbulkan ditiadakan oleh radiator pendingin.
3
Sinar-X dari proces kejadiannya, dikelompokan menjadi 2 yaitu : 1. Sinar X Bremsstrahlung sinar X bremsstrahlung adalah gelombang elektromagnetik yang terbentuk apabila partikel bermuatan misalnya elektron oleh pengaruh gaya inti atom bahan mengalami perlambatan. Sinar X bremsstrahlung mempunyai energi paling tinggi sama energi kinetik partikel bermuatan pada waktu terjadinya perlambatan.
Gambar. Eksitasi elektron sinar X Ketika terjadi perlambatan dan menimbulkan sinar x, sinar X yang terjadi umumnya memiliki energi yang berbeda-beda sesuai dengan energi kinetik elektron pada saat terbentuknya sinar X dan juga tergantung pada arah pancarannya.
Gambar. Proses pembetukan sinar X memakai tabung katoda-anoda Sinar X bremsstrahlung dapat dihasilkan melalui pesawat sinar X atau pemercepat partikel. Pada dasarnya pesawat sinar X tersiri dari tiga bagian utama, yaitu tabung sinar X, sumber tegangan tinggi yang menentu tegangan listrik pada kedua elektrode dalam tabung sinar X, dan unit mengatur. Bagian pesawat sinar X yang biasa terbuat dari bahan gelas terdapat filamen yang bertindak sebagai katode dan target yang bertindak sebagai anode. Tabung pesawat sinar X dibuat hampa udara agar elektron yang berasal dari filamen tidak 4
terhalang oleh molekul udara dalam perjalanannya menuju ke anode. Filamen yang dipanasi oleh arus listrik bertengan rendah (If) menjadi sumber elektron. Makin besar arus filamen IF, akan makin tinggi suhu filamen dan berakibat makin banyak elektron dibebaskan persatuan waktu. Elektron yang dibebaskan oleh filamen tertarik ke anode oleh adanya beda potensial yang besar atau tegangan tinggi antara katode dan anode yang dicatu oleh unit sumber tegangan tinggi (potensial katode beberapa puluh hingga beberapa ratus kV atau MV lebih randah dibandingkan potensial anode ). Elektron ini menabrak bahan target yang umumnya bernomor atom dan bertitik cair tinggi (misalnya tungsten) dan terjadilah proses bremsstrahlung. Khusus pada pemercepat
partikel energi tinggi beberapa elektron atau
partikel yang dipercepat dapat agak menyimpang dan menabrak dinding sehungga menimbulkan bremsstrahlung pada dinding. Beda potensial atau tegangan antara kedua elektrode menentukan energi maksimum sinar X yang terbentuk, sedangkan fluks sinar X bergantung pada jumlah elektron persatuan waktu yang sampai ke bidang anode yang terakhir ini disebut arus tabung It yang sudah barang tentu bergantung pada arus filamen It. Namun demikian batas tertentu, tegangan tabung juga dapat mempengaruhi arus tabung. Arus tabung dalam sistem pesawar sinar X biasanya hanya memunyai tingkat besaran dalam milliampere (mA), berbeda dengan arus filamen yang besarnya dalam tingkat ampere.
2. Sinar X Karekteristik sinar X karekteristik adalah energy yang khas untuk setiap jenis atom yang terbentuk dalam proses perpindahan elektron-eloktron atom dari tingkat energi yang lebih tinggi menuju ke tingkat yang lebih rendah, misalnya dalam proses lanjutan efek foto listrik. Sinar X karekteristik yang terbentuk dengan cara sepeti ini mempunyai energi yang sama dengan selisih energi antara kedua tingkat energi yang berkaitan. sinar X karekteristik mempunyai energi farik dan Sinar x karekteristik yang timbul oleh perpindahan elektron dari suatu tingkat energi menuju ke lintasan k, disebut sinar x garis k, sedangkan yang menuju ke lintasan l, dan Seterusnya.
C. Cara kerja sinar X Dalam kehidupan sekarang atau masa modern, penciptaan sinar X tak lagi mengandalkan mekanisme tabung crookes, melainkan dengan mengunakan pesawat sinar X modern. Pesawat sinar X modern pada dasarnya membangkitkan sinar X dengan menghantam 5
target logam dengan elektron berkecepatan tinggi sehingga menghasilkan energi tinggi juga, dan mampu menembus elektron-elektron orbital luar pada materi target hingga menumbuk elektron orbital pada kulit k (terdekat dengan inti atom). Elektron yang tertumbuk akan terpental dari orbitnya, meninggalkan hole pada tempatnya semula. Hole yang ditinggalkannya itu akan diisi oleh elektron dari kulit luar dan proses itu melibatkan pelepasan foton (cahaya elektromagnetik) dari elektron pengisi tersebut. Foton yang keluar itulah yang kemudian disebut sinar X karekteristik. Adapun mekanisme lain yang mungkin terjadi adalah emisi foton yang dialami oleh elektron cepat yang dibelokkan oleh inti atom target atas konsekuensi dari intekraksi coulomb antara inti atom target dengan elektron cepat. Proses pembelokkan ini melibatkan perlambatan dan karenanya memerlukan emisi energi berupa foton. Mekanisme ini disebut bremsstrahlung (bahasa jerman dari “radiasi pengereman”).
Gambar. Proses produksi dinar X Seperti terlihat pada gambar ilustrasi, beda potensial antara anoda dan katoda dibuat sedemikian rupa sehingga mencapai angka yang cukup untuk membuat elektron melompat dengan kecepatan tinggi setelah katoda diberi energi 1000 volt. Setelah elektron pada katoda melompat dan menghantam filamen pada anoda, terjadilah sinar X yang terjadi dengan mekanisme sinar X karekteristik ataupun bremsstrahlung. Karena filamen pada anoda dimiringkan ke bawah, foton sinar X akan menuju ke bawah, keluar dari pesawat sinar X lalu melewati jaringan yang dipotret. Bayangan akan terbentuk pada film yang diletakkan di bawahnya.
D. Sifat-sifat Sinar X 6
Sifat- sifat sebagai berikut: 1)
Mempunyai daya tembus yang tinggi sampai mampu menembus bahan dengan daya tembus yang sangat besar, dan digunakan dalam proses radiografi.
2) Mempunyai panjang gelombang yang pendek Yaitu : 1/10.000 panjang gelombang yang kelihatan. 3) Mempunyai efek fotografi. Sinar X dapat menghitamkan emulsi film setelah diproses di kamar gelap. 4) Mempunyai sifat berionisasi. Efek primer sinar X apabila mengenai suatu bahan atau zat akan menimbulkan ionisasi partikel-partikel bahan zat tersebut. 5) Mempunyai efek biologi. Sinar X akan menimbulkan perubahan-perubahan biologi pada jaringan. Efek biologi ini digunakan dalam pengobatan radioterapi.
E.
Manfaat Sinar X
Manfaat Sinar X pada kehidupan manusia yaitu sebagai berikut: 1. Bidang Kesehatan a. Sinar-X lembut digunakan untuk mengambil gambar foto yang dikenal sebagai radiograf. Sinar-X boleh menembusi badan manusia tetapi diserap oleh bahagian yang lebih tumpat seperti tulang.
Gambar. foto sinar-X digunakan untuk mengesan kecacatan tulang, mengdeteksi tulang yang patah dan mempelihatkan keadaan organ-organ dalam badan. b. Sinar-X keras digunakan untuk memusnahkan sel-sel kanser. Kaedah ini dikenal sebagai radioterapi.
2. Dalam bidang Perindustrian a. mengetahui kecacatan dalam struktur binaan atau bahagian-bahagian dalam mesin dan engine b. memperbaiki rekahan dalam pipa logam, dinding konkrit dan tekanan tinggi 7
c. memeriksa retakan dalam struktur plastik dan getah.
3. Dalam bidang penyelidikan a. Penyelidikan Sinar-X digunakan untuk menyelidik struktur hablur dan jarak pemisahan antara atom-atom dalam suatu bahan hablur.
4. Kegunaan lainnya a. Sinar X digunakan untuk mengesahkan pada suatu lukisan atau objek seni purba benar atau tiruan. b. Dilapangan kapal terbang, sinar X digunakan untuk memeriksa barang atau beg penumpang.
F. Bahaya Radiasi Sinar X Walaupun sinar-X sangat berguna kepada manusia, tetapi pemakaian secara berlebihan kepada sinar X dapat menyebabkan yaitu: a.
pemusnahan sel-sel dalam badan
b. perubahan struktur genetik suatu sel c.
penyakit kanser barah
d. kesan-kesan buruk seperti rambut gugur e.
kulit menjadi merah dan berbisul
f.
radiasi sinar X dapat membunuh monosit (salah satu jenis sel darah putih) yang terdapat pada dinding arteri sehingga dapat mengakibatkan meningkatnya kadar monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1) yang dapat mengarah kepada penyakit kardiovaskular.
g. kanker.
Selain penyebab yang disebutkan diatas ada beberapa efek merugikan yang muncul pada tubuh manusia karena terpapari sinar-X segera teramati beberapa saat setelah penemuan kedua jenis radiasi tersebut yaitu berupa kerontokan rambut dan kerusakan kulit. Pada tahun 1897 di Amerika Serikat dilaporkan adanya 69 kasus kerusakan kulit yang disebabkan oleh sinar-X, sedang pada tahun 1902 angka yang dilaporkan meningkat menjadi 170 kasus. Pada tahun 1911 di Jerman juga dilaporkan adanya 94 kasus tumor yang disebabkan oleh sinar X. Meskipun beberapa efek merugikan dari sinar X telah teramati, namun upaya perlindungan terhadap bahaya penyinaran sinar X belum terfikirkan. 8
