i
TUGAS FISIKA III MAKALAH SINAR-X
DISUSUN OLEH:
CHIKA LARASATI BR SIAHAAN 130802078
ELSHA PUSPITA 140802040
SAHALA SIHOMBING 150802003
NANDA NURLINA HARAHAP 150802004
POPPY MONICA SARI 150802008
INDAH PRATIWI 150802011
ABDUL MALIK 150802018
M. RIZKY ADITYA DAMANIK 150802020
NOVITA MANURUNG 150802022
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2019
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT Tuhan semesta alam atas segala rahmat, karunia, dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini dengan judul “SINAR-X”
dalam rangka tugas mata kuliah Fisika III.
Dalam penyusunannya, penulis memperoleh bantuan dari berbagai pihak, karena itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada seluruh pihak yang telah membantu dalam penyelesaian makalah ini.
Tidak ada gading yang tak retak, begitu juga dengan isi makalah ini yang tidak lepas dari kekurangan. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik, saran dan masukan yang membangun untuk lebih baiknya makalah ini dimasa yang akan datang. Akhir kata penulis harap semoga isi karya tulis ini bisa bermanfaat.
Medan, 13 Mei 2019
Penulis
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR...i
DAFTAR ISI ...ii
BAB I. PENDAHULUAN ...1
I.1. Latar Belakang ...1
I.2. Rumusan Masalah ...1
I.3. Tujuan Penulisan ...1
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA...2
II.1. Sejarah Sinar-X...2
II.2. Produksi Sinar-X...2
II.3. Sifat-sifat Fisik Sinar-X...3
BAB III. PEMBAHASAN...4
III.1. Prinsip Sinar-X...4
III.2. Proses Terbentuknya Sinar-X...5
III.3. Spektrum Sinar-X...6
III.4. Interaksi Sinar-X Dengan Materi...6
BAB IV. PENUTUP ...10
IV.1. Kesimpulan ...10
IV.2. Saran ...11
DAFTAR PUSTAKA...12
ii
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Sejarah ditemukannya sinar–X adalah suatu perkembangan dari bidang teknologi dunia fisika dimulai dari tahun 1895 saat Wilhelm Conrad Rontgen menemukan sinar-X.
Penemuanya dimulai dari hasil percobaan sebelumnya antara lain dari J.J Thomson mengenai tabung katoda dan Heinrich Hertz tentang foto listrik. Kedua percobaan tersebut mengamati gerak elektron yang keluar dari katoda menuju ke anoda yang berada dalam tabung katoda yang hampa udara.
Sinar-X dapat terbentuk apabila partikel bermuatan misalnya elektron oleh pengaruh gaya inti atom bahan mengalami perlambatan. Sinar-X yang terbentuk mempunyai energi paling tinggi sama dengan energi kinetik partikel bermuatan pada waktu terjadinya perlambatan.
Pembangkit sinar-X berupa tabung hampa udara yang di dalamnya terdapat filament yang juga sebagai katoda dan terdapat komponen anoda. Jika filamen dipanaskan maka akan keluar elektron dan apabila antara katoda dan anoda diberi beda potensial yang tinggi, elektron akan dipercepat menuju ke anoda. Dengan percepatan elektron tersebut maka akan terjadi tumbukan tak kenyal sempurna antara elektron dengan anoda, akibatnya terjadi pancaran radiasi sinar-X.
Penggunaan sinar-X dalam berbagai jenis dan kegiatan, seperti bidang industri, bidang kedokteran, penelitian dan pelatihan telah meningkat dengan pesat dan beragam mulai dari radiasi untuk diagnostik, pemeriksaan sinar-X gigi dan penggunaan radiasi sinar-X untuk terapi.
1.2 RUMUSAN MASALAH 1. Apa itu Sinar-X?
2. Bagaimana proses terjadinya Sinar-X?
3. Apa manfaat Sinar-X?
1.3 TUJUAN
1. Untuk mengetahui apa itu Sinar-X
2. Untuk mengetahui proses terjadinya Sinar-X 3. Untuk mengetahui manfaat Sinar-X
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sejarah Sinar-X
Wilhelm Conrad Rontgen seorang ahli fisika di Universitas Wurzburg, Jerman pertama kali menemukan sinar Rontgen pada tahun 1895, sewaktu melakukan eksperimen dengan sinar katoda saat itu dia melihat timbulnya sinar fluorosensi yang berasal dari sejenis cahaya berpendar pada layar yang terbuat dari Barium Platino Cyanidaida dalam tabung Crookes-Hittorf yang dialiri listrik. Jika sumber listrik dipadamkan, maka cahaya pendar pun hilang. Rontgen segera menyadari bahwa sejenis sinar yang tidak kelihatan telah muncul dari dalam sinar katoda. Kemudian dia melanjutkan penelitiannya dan menemukan sinar yang disebutnya sebagai sinar baru atau sinar-X. (Rasad, 2005)
2.2 Produksi Sinar-X
Sinar-X merupakan gelembong elektromegnetik, dimana dalam proses terjadinya memiliki energi yang berbeda-beda. Perbedaan tersebut didasarkan pada energi kinetik elektro. Sinar-X yang berbentuk ada yang memiliki energi sangat rendah sesuai dengan energi elektron pada saat timbulnya sinar-X. Juga ada yang berenergi tinggi, yakni berenergi sama dengan energi kinetik elektron pada saat menumbuk target anode. Pada dasarnya pesawat sinar-X terdiri dari tiga bagian utama, yaitu tabung sinar-X , sumber tegangan tinggi yang mencatu tegangan listrik pada kedua elektrode dalam tabung sinar-X dan unit pengatur bagian pesawat sinar-X. Proses terjadinya sinar-X adalah sebagai berikut Filamen pada katoda dipanaskan dengan pemberian arus generator sehingga terbentuk elektron - elektron pada permukaan katoda. Dalam hal ini anoda bermuatan positif terhadap katoda. Ketrika diberikan beda potensial antara katoda dan anoda, maka elektron akan menumbuk anoda. Dari tumbukan inilah terbentuk sinar-X 1 % dan 99 % energi panas. (Rasad, 2005)
Gambar 2.1 Produksi Sinar-X
2.3 Sifat-Sifat Fisik Sinar-X
Adapun sifat-sifat fisik sinar-X yaitu:
1. Daya Tembus
Sinar-X dapat menembus bahan, dengan daya tembus sangat besar dan digunakan dalam radiografi. Makin tinggi tegangan tabung (besarnya tegangan) yang digunakan, makin besar daya tembusnya.
2. Pertebaran
Apabila berkas sinar-X melalui suatu bahan atau suatu zat, maka berkas tersebut akan bertebaran ke segala jurusan, menimbulkan radiasi sekunder (radiasi hambur) pada bahan/zat yang dilaluinya.
3. Penyerapan
Sinar-x dalam radiografi diserap oleh bahan/zat sesuai dengan berat atom atau kepadatan bahan/zat tersebut. Makin tinggi kepadatannya atau berat atomnya, makin besar penyerapannya.
4. Efek Fotografik
Sinar-X dapat menghitamkan emulsi film (emulsi perak-bromida) setelah diproses secara kimiawi (dibangkitkan) di kamar gelap.
5. Pendar Fluor (Fluoresensi)
Sinar-X menyebabkan bahan-bahan tertentu seperti kalsium-tungstat atau zinksulfid memendarkan cahaya (luminisensi), bila bahan tersebut dikenai radiasi sinar-X (Jauhari, 2008).
BAB III PEMBAHASAN
3.1 Prinsip Sinar-X
Prinsip kerja dari pembangkit sinar-X dapat dijelaskan sebagai berikut, beda potensial yang diberikan antara katoda dan anoda menggunakan sumber yang bertegangan tinggi. Produksi sinar-X dihasilkan dalam suatu tabung berisi suatu perlengkapan yang diperlukan untuk menghasilkan sinar-X yaitu bahan penghenti atau sasaran dan ruang hampa. Elektron bebas terjadi karena emisi dari filamen yang dipanaskan. Dengan sistem fokus, elektron bebas yang dipancarkan terpusat menuju anoda. Gerakan elektron ini akan dipercepat dari katoda menuju anoda bila antara katoda dan anoda diberi beda potensial yang cukup besar.
Gerakan elektron yang berkecepatan tinggi dihentikan oleh suatu bahan yang ditempatkan pada anoda. Tumbukan antara elektron dengan anoda ini menghasilkan sinar- X, pada tumbukan antara elektron dengan sasaran akan ada energi yang hilang. Energi ini akan diserap oleh sasaran dan berubah menjadi panas sehingga bahan sasaran akan mudah memuai. Untuk menghindarinya bahan sasaran dipilih yang berbentuk padat. Bahan yang biasa digunakan sebagai anoda adalah platina, wolfram, atau tungsten.
Untuk menghasilkan energi sinar-X yang lebih besar, tegangan yang diberikan ditingkatkan sehingga menghasilkan elektron dengan kecepatan yang lebih tinggi. Dengan demikian energi kinetik yang dapat diubah menjadi sinar-X juga lebih besar.
3.2 Proses Terbentuknya Sinar-X
Dalam urutan prosesnya adalah sebagai berikut:
1. Dihubungkan dengan transformator tegangan tinggi, elektron-elektron akan dipercepat gerakannya menuju anoda dan dipusatkan kealat pemusat (focusing cup) 2. Filamen dibuat relatif negatif terhadap sasaran (target) dengan memilih potensial
tinggi.
3. Awan-awan katoda (filament) dipanaskan (lebih dari 20.000°c) sampai menyala dengan mengalirkan listrik yang berasal dari transformator.
4. Karena panas, electron-elektron dari katode (filamen) terlepas.
5. Sewaktu electron mendadak dihentikan pada sasaran (target) sehingga terbentuk panas (>99%) dan sinar X (<1%).
6. Pelindung (perisai) timah akan memecah keluarnya sinar X dari tabung. Sehingga
sinar X yang terbentuk hanya dapat keluar melalui jendela.
7. Panas yang tinggi pada sasaran (target) akibat benturan elektron ditiadakan oleh radiator pendingin (Rasad, 2005).
Gambar 3.1 Skema tabung sinar-X
Keterangan gambar:
1. Katoda 4. Keping wolfarm 7. Anoda 2. Filamen 5. Ruang hampa 8. Diapragma 3. Bidang fokus 6. Selubung 9. Berkas sinar guna 3.3 Spektrum Sinar-X
Dari proses terjadinya sinar-X dapat dibedakan menjadi dua 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 yang berasal dari elektron melintas mendekati inti atom (nukleus) target, gaya tarik coulomb yang kuat menyebabkan elektron mengalami pengereman dan arah elektron dibelokkan dari lintasan awal dimana hal ini berakibat hilangnya energi kinetik elektron berubah menjadi sinar-X dengan energi sebanding dengan energi kinetik yang hilang.
Gambar 3.2 Sinar-X Bremsstrahlung
2. Sinar-X Karakteristik
Sinar-X karekteristik adalah energi 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.
Gambar 3.3 Sinar-X Karakteristik
3.4 Interaksi Sinar-X Dengan Materi
Interaksi sinar-X dengan materi mengakibatkan kehilangan energi dari sinar-X pada saat melewati materi (zat) terjadi karena tiga proses utama, yaitu:
• Efek fotolistrik
• Efek Compton
• Efek produksi pasangan
Efek fotolistrik dan Efek Compton timbul karena interaksi antara sinar-X dengan elektron-elektron dalam atom dari materi (zat) itu, sedang efek produksi pasangan timbul karena interaksi dengan medan listrik inti atom (Jauhari, 2008).
Efek foto listrik.
Pada efek foto listrik energi foton diserap oleh atom, yaitu oleh elektron, sehingga elektron tersebut dilepaskan dari ikatannya dengan atom. Elektron yang dilepaskan oleh efek foto listrik disebut foto elektron. Proses efek foto listrik terutama terjadi pada foton yang berenergi rendah yaitu antara energi 0, 01 MeV hingga 0, 5 MeV bila energinya kecil.
Gambar 3.4 Efek Foto listrik
Bila foton mengenai elektron dalam suatu orbit dalam atom, sebagian energi foton (Q) digunakan untuk mengeluarkan elektron dari atom dan sisanya dibawa oleh elektronsebagai energi kinetiknya. Seluruh energi foton dipakai dalam proses tersebut:
E = hf = Q +Ek Dimana :
Q = energi ikat elektron, Ek = energi kinetik E = energi (joule) F = frekwensi (hertz)
h = konstanta plank (6,627 x 10-34 J.s)
Efek Compton
Penghamburan compton merupakan suatu tumbukan lenting antara sebuah foton dan sebuah elektron bebas. Dimana foton berinteraksi dengan elektron yang dianggap bebas (tenaga ikat elektron lebih kecil dari energi foton datang).
Dalam suatu tumbukan antara sebuah foton dan elektron bebas maka tidak mungkin semua energi foton dapat dipindahkan ke elektron jika momentum dan energi dibuat kekal.
Hal ini dapat diperlihatkan dengan berasumsi bahwa reaksi semakin dimungkinkan. Jika hal itu memang benar, maka menurut hukum kekekalan semua energi foton diberikan kepada elektron dan didapatkan:
E = mc2
Menurut hukum kekekalan momentum, semua momentum foton (p) harus dipindahkan ke elektron, jika foton tersebut menghilang
Pada efek Compton, foton berinteraksi dengan elektron terluar dari atom.
Energi foton diserap sebagian untuk melepaskan dan menggerakan elektron, sehingga energi foton menjadi lebih rendah dan berubah lintasannya seperti ditunjukkan pada gambar 10. Foton yang mengalami perubahan lintasan disebut radiasi hambur. Radiasi hambur akan bergerak terus dan mengalami beberapa efek Compton sebelum akhirnya diserap menjadi efek fotolistrik. Efek Compton terjadi pada rentang energy antara 0,1-3 MeV.
Gambar 3.5 Efek Compton
Hamburan Compton terjadi antara foton-X dan sebuah elektron bebas atau yang terikat lemah. Elektron-elektron yang dapat dikategorikan sebagai elektron yang terikat lemah adalah elektron yang berada pada kulit terluar suatu atom. Apabila foton-X menumbuk elektron jenis ini maka berdasarkan hokum kekekalan momentum tidak mungkin elektron akan dapat menyerap seluruh tenaga foton-X seperti yang terjadi dalam efek fotolistrik. Foton-X hanya akan menyerahkan sebagian tenaganya kepada elektron dan kemudian terhambur menurut sudut θ terhadap arah gerak foton-X mula-mula.
Efek Produksi Pasangan
Proses produksi pasangan hanya terjadi bila energi datang lebih dari 1.02 MeV.
Apabila foton semacam ini mengenai inti atom berat, foton tersebut lenyap dan sebagai gantinya timbul sepasang elektron-elektron. Positron adalah partikel yang massanya sama dengan elektron-elektron bermuatan listrik positif yang besarnya
juga sama dengan energi: muatan elektron. Proses ini memenuhi hukum kekekalan
hv1 = (2 m0 c2) + (K+) + (K-) K+ = Energi Kinetik positron K- = Energi Kinetik elektron
Oleh karena proses ini hanya bisa berlangsung bilamana energi foton datang minimal
(2 m0c2) (1.02 MeV) dimana m0 adalah massa diam elektron dan c adalah kecepatan cahaya.
Pada saat bergerak dekat dengan sebuah inti, secara spontan akan menghilang dan energinya akan muncul kembali sebagai suatu positron dan elektron. Kejadian tersebut akan diikuti oleh hilangnya kedua partikel gabungan itu (hilang masa) dan berubah menjadi sepasang foton kembar yang disebut radiasi annihilasi. Sifat-sifat radiasi annihilasi
(foton kembar) :
1. Arah masing-masing saling berlawanan 180°
2. Enersi masing-masing sama yaitu sebesar 0,51 MeV
Disebut annihilasi karena jumlah enersi kedua foton kembar adalah sama dengan besarnya enersi foton mula-mula yang melakukan interaksi dengan atom. Pada produksi pasangan, foton akan berjalan mendekati nukleus atom dari objek yang diradiasi dan hilang.
Energi foton tersebut akan dirubah menjadi 2 partikel baru, negatron. (elektron biasa) dan positron (elektron bermuatan positif). Negatron dan positron memiliki massa dan besar arus yang sama. Negatron dan positron memiliki massa dan besar arus yang sama, yang berbeda adalah muatannya. Foton harus memiliki cukup energi untuk menghasilkan massa dari dua partikel. Diperlukan 1.02 MeV untuk menghasilkan elektron dan positron. Itulah mengapa, produksi pasangan tidak terjadi pada energi yang lebih rendah. Elektron akan kehilangan energi kinetiknya dengan mengionisasi atom pada saat berjalan sampai akhirnya bergabung dengan atom yang membutuhkan elektron.
.
Gambar 3.6 Produksi Pasangan
BAB IV PENUTUP
4.1 KESIMPULAN
Sinar-X adalah pancaran gelombang elektromagnetik yang sejenis dengan gelombang radio, panas, cahaya, dan sinar ultraviolet, tetapi dengan panjang gelombang yang sangat pendek dan daya tembus yang tinggi
Proses terbentuknya sinar-X sebagai berikut:
- Dihubungkan dengan transformator tegangan tinggi, elektron-elektron akan dipercepat gerakannya menuju anoda dan dipusatkan kealat pemusat (focusing cup) - Filamen dibuat relatif negative terhadap sasaran (target) dengan memilih potensial tinggi
- Awan-awan katoda (filamen) dipanaskan (lebih dari 20.000°C) sampai menyala dengan mengalirkan listrik yang berasal dari transformator karena panas, elekton elektron dari katode (filamen) terlepas
- Sewaktu electron mendadak dihentikan pada sasaran (target) sehingga terbentuk panas (>99%) dan sinar X (<1%)
- Pelindung (perisai) timah akan memecah keluarnya sinar X dari tabung. Sehingga sinar-X yang terbentuk hanya dapat keluar melalui jendela
- Panas yang tinggi pada sasaran (target) akibat benturan elektron ditiadakan oleh radiator pendingin
Manfaat dari sinar-X untuk kehidupan manusia yaitu sebagai berikut:
o Bidang Kesehatan
- Sinar-X digunakan untuk mengambil gambar foto yang dikenal sebagai radiograf - Sinar-X digunakan untuk memusnahkan sel-sel kanker yang dikenal sebagai
radioterapi o Bidang Industri
- Untuk mengetahui kecacatan mesin
- Untuk memeriksa retakan dalam struktur plastik dan getah.
o Dalam bidang penyelidikan
- Sinar-X digunakan untuk menyelidik struktur hablur dan jarak pemisahan antara atom-atom dalam suatu bahan hablur
o Kegunaan lainnya
- Sinar X digunakan untuk mengesahkan pada suatu lukisan atau objek seni purba benar atau tiruan
- Dilapangan kapal terbang, sinar X digunakan untuk memeriksa barang atau tas penumpang
4.2 SARAN
- Sebaiknya mahasiswa mempelajari lebih lanjut mengenai prinsip dan proses terbentuknya sinar-X
- Sebaiknya mahasiswa mempelajari aplikasi sinar-X dalam kehidupan
DAFTAR PUSTAKA
Jauhari, A. 2008. Berkas Sinar-X dan Pembentukan Gambar. Jakarta : Puskaradim Rasad, S. 2005. Radiologi Diagnostik. Jakarta : Gaya Baru.
