PRINSIP-PRINSIP DIFRAKSI SINAR-X

I. PENDAHULUAN

Sejarah mengenai difraksi sinar-x telah berjalan hampir satu abad ketika tulisan ini disusun. Tahun 1912 adalah awal dari studi intensif mengenai difraksi sinar-x. Dimulai dari pertanyaan M. van Laue kepada salah seorang kandidat doktor P.P. Ewald yang dibimbing A. Sommerfeld, W. Friedrich (asisten riset Sommerfeld) menawari dilakukannya eksperimen mengenai 'difraksi sinar-x'.  Pada  saat  itu  eksperimen  mengenai hamburan sinar-x sudah dilakukan oleh Barkla. Laue mengawali pekerjaannya dengan menuliskan hasil pemikiran teoretiknya dengan mengacu pada hasil eksperimen Barkla. Laue berargumentasi, ketika sinar-x melewati sebuah kristal, atom-atom pada kristal bertindak sebagai sumber-sumber gelombang sekunder, layaknya garis-garis pada geritan optik  (optical grating). Efek-efek difraksi  bisa  jadi  menjadi  lebih  rumit  karena  atom-atom  tersebut  membentuk  pola  tiga dimensi. Eksperimen difraksi sinar-x yang pertama dilakukan oleh Herren Friedrich dan Knipping menggunakan kristal tembaga sulfat dan berhasil memberikan hasil pola difraksi pertama yang kemudian menjadi induk perkembangan difraksi sinar-x selanjutnya.

Difraksi sinar-x merupakan proses hamburan sinar-x oleh bahan kristal. Pembahasan
mengenai difraksi sinar-x mencakup pengetahuan yang berhubungan dengan hal-hal berikut
ini:

1.   pembentukan sinar-x

2.   hamburan (scattering) gelombang elektromagnetik

3.   sifat kekristalan bahan (kristalografi)

Dengan demikian, difraksi sinar-x adalah topik lanjut di bidang fisika  (atau kimia) yang memerlukan pengetahuan dasar yang cukup banyak dan komplek. Untuk itulah tulisan ini disusun menurut urutan tersebut di atas dengan asumsi bahwa pembaca sudah memiliki dasar yang cukup mengenai gelombang, optika dan fisika zat padat. Bahasan mengenai prinsip kristalografi diberikan secara ringkas mengingat penekanan pembahasan pada buku ini adalah pada difraksi sinar-x. Pembaca yang berminat disarankan membaca buku-buku mengenai kristalografi seperti Introduction to Crystallography karya Donald E. Sands.

II. SINAR-X

       Penemuan sinar-x memiliki sejarah yang, tentu saja, lebih panjang. Tahun 1895, W.C. Röntgen menghasilkan penemuan yang sangat vital dalam perkembangan sains modern. Röntgen menemukan sejenis radiasi yang keluar dari sebuah tabung muatan (discharge tube), yang karena misteriusnya diberi nama sinar-x. Menariknya, sinar-x ditemukan sebelum ditemukannya elektron oleh J.J. Thomson. Skema tabung sinar-x pertama diperlihatkan pada Gambar 1.1. Sedangkan Gambar 1.2 menunjukkan foto tabung sinar-x sebenarnya. Sinar-x pada tabung muatan ini terbentuk dengan cara pemberian beda tegangan pada elektrodaelektroda tabung yang menghasilkan 'sinar elektron' yang ditumbukkan ke bahan tertentu (pada masa itu dinamakan anticathode, anti-katoda). Anti-katoda menjadi sumber sinar-x, yang pada saat itu belum diketahui mekanisme sebab pembentukannya. Sejalan  perkembangan  ilmu  pengetahuan  diketahui  bahwa  sinar-x  adalah  radiasi elektromagnetik transversal, seperti cahaya tampak, tetapi dengan panjang gelombang yang jauh  lebih  pendek.  Jangkau  panjang gelombangnya tidak terdefinisi  dengan jelas  tetapi diperkirakan  mulai  dari  panjang  gelombang  cahaya  ungu  hingga  sinar  gamma  yang dipancarkan oleh bahan-bahan radioaktif. Pembaca dipersilakan mengacu pada buku-buku Fisika Modern. Dalam kristalografi, panjang gelombang yang digunakan berkisar antara 0.5 hingga 2.5Å (Guinier  1963). Penting untuk diketahui bahwa gelombang elektromagnetik memiliki interpretasi ganda: sebagai gelombang dan sebagai partikel. Pembahasan difraksi sinar-x banyak menggunakan sinar-x yang membawa sifat gelombang. 

         Karena berupa gelombang elektromagnetik, sinar-x menjalar pada medium apapun dengan kecepatan yang hampir tetap, yaitu setara dengan kecepatan cahaya di dalam vakum (≈ 3.0×10⁸ m/s); dengan perbedaan selalu kurang dari 0.01%. Dengan demikian, sinar-x, secara praktis, tidak terdeviasi oleh refraksi. Indeks refraksinya hanya sedikit lebih kecil daripada satu (0.99999, Guinier 1963). Karena selalu menjalar sepanjang garis lurus, sinar-x tidak dapat dibelokkan oleh lensa. Namun, sinar-x dapat dipantulkan oleh cermin - sehingga ada cermin sinar-x. Dari teori mengenai optik geometri diketahui bahwa bila sebuah berkas menjalar yang di udara bertemu dengan permukaan sebuah medium padat dengan indeks n kurang dari satu, maka peristiwa pantulan sempurna (total reflection) bisa terjadi saat sudut datang cukup kecil. Sudut kritis untuk sinar-x berorde 10 - 30' (tugas Anda untuk menghitungnya!).

      Awal ditemukannya difraksi sinar-x (secara teori maupun eksperimen - lihat Pengantar) memberikan ilustrasi bahwa secara prinsip sifat-sifat gelombang sinar-x dan interaksinya dengan material dapat dimanfaatkan untuk mengeksplorasi 'keadaan mikroskopik' materialmaterial yang memiliki keteraturan susunan atom. Dari sinilah kemudian berkembang ilmu analisis sinar-x (X-Ray Analysis), yang meliputi spektroskopi, difraksi, refleksi, polarisasi dan sebagainya. Ada bagian di mana sinar-x menjadi objek eksperimen, ada pula bagian di mana sinar-x dimanfaatkan untuk membantu menunjukkan sifat-sifat material. Salah satu contoh dari  yang  terakhir  adalah  penggunaan sinar-x  dalam difraksi  yang  bertujuan  membantu menunjukkan sifat-sifat  dasar  material  kristal.  Oleh  sebab  itu,  tidak  mengherankan  bila difraksi sinar-x merupakan salah satu metode standar dalam karakterisasi material

III. INTERAKSI SINAR-X DAN MATERIAL
      Ada dua proses yang terjadi bila seberkas sinar-x ditembakkan ke sebuah atom: (1) energi berkas sinar-x terserap oleh atom, atau (2) sinar-x dihamburkan oleh atom. Dalam proses  yang  pertama,  berkas  sinar-x  terserap  atom  melalui  Efek  Fotolistrik  yang mengakibatkan tereksitasinya atom dan/atau terlemparnya elektron-elektron dari atom. Atom akan kembali ke keadaan dasarnya dengan (1) memancarkan elektron (melalui Auger effect), atau (2) memancarkan sinar-x floresen yang memiliki panjang gelombang karakteristik atom tereksitasinya. Pada proses yang kedua, ada bagian berkas yang mengalami hamburan tanpa kehilangan kehilangan energi (panjang gelombangnya tetap) dan ada bagian yang terhambur dengan kehilangan sebagian energi (Hamburan Compton). Hamburan Compton dinamakan juga hamburan tak-koheren.Jadi serapan total sinar-x terjadi karena efek fotolistrik dan hamburan tak-koheren. Namun, hamburan tak-koheren memiliki efek menyeluruh yang dapat diabaikan, kecuali untuk radiasi dengan panjang gelombang pendek yang mengenai material dengan berat atom rendah. 
    Dalam interaksinya dengan material, sinar-x juga dapat mengalami polarisasi linier (seperti halnya cahaya tampak), baik parsial maupun total. Dengan demikian berkas sinar-x terpolarisasi dapat diperoleh dengan cara hamburan dan untuk sudut hamburan 90°, polarisasi lengkap terjadi, yaitu komponen vektor medan listrik tegaklurus bidang yang dibentuk berkas datang dan berkas terhambur.
      Berkas hamburan sinar-x oleh material yang dapat diukur adalah intensitas. Intensitas berkas sinar-x yang mendekati paralel adalah fluks energi yang melewati satu satuan luasan tertentu  per  satuan  waktu.  Untuk gelombang planar monokromatik, intensitas sebanding dengan kuadrat amplitudo getaran. Intensitas radiasi yang dihasilkan oleh sumber titik (atau sumber kuasi-titik) pada arah tertentu adalah energi yang dipancarkan per detik per satuan sudut ruang pada arah itu. Dalam pengukuran intensitas mutlak, cara termudah adalah dengan menentukan jumlah foton teremisi atau tertangkap  (detektor) per satuan waktu, bisa per satuan luas atau per satuan sudut ruang.

Fenomena Terbesar di Luar Angkasa

1. Tabrakan Antar Galaksi 

Ternyata galaksi pun dapat saling memakan satu sama lain. Yang lebih mengejutkan adalah galaksi Andromeda sedang bergerak mendekati galaksi Bima Sakti kita, dan gambar di atas itu adalah simulasi tabrakan antar galaksi.

 2. Quasar

Quasar tampak berkilau di tepian alam semesta yang dapat kita lihat. Benda ini melepaskan energi yang setara dengan energi ratusan galaksi yang digabungkan. Bisa jadi quasar merupakan black hole yang sangat besar sekali di dalam jantung galaksi jauh. Gambar ini adalah quasar 3C 273, yang dipotret pada 1979. menurut seseorang blackhole bima sakti sekaran sedang tertidur dan suatusaat nanti mungkin blackhole itu akan bangun jadi bersiap lah dilahap habis oleh sang Blackhole uang mungkin adalah utusan tuhan 

3. Materi Gelap (Dark Matter)

Para ilmuwan berpendapat bahwa materi gelap (dark matter) merupakan penyusun terbesar alam semesta, namun tidak dapat dilihat dan dideteksi secara langsung oleh teknologi saat ini. Kandidatnya bervariasi mulai dari neotrino berat hingga invisible black hole.

Jika dark matter benar-benar ada, kita masih harus membutuhkan pengetahuan yang lebih baik tentang gravitasi untuk menjelaskan fenomena ini dan sampai sekarang para ilmuwan dunia masih menelitinya.

4. Gelombang Gravitasi (Gravity Waves)

Gelombang gravitasi merupakan distorsi struktur ruang-waktu yang diprediksi oleh teori relativitas umum Albert Einsten. Gelombangnya menjalar dalam kecepatan cahaya, tetapi cukup lemah sehingga para ilmuwan berharap dapat mendeteksinya hanya melalui kejadian kosmik kolosal, seperti bersatunya dua black hole seperti pada gambar di atas. LIGO dan LISA merupakan dua detektor yang didesain untuk mengamati gelombang yang sukar dipahami ini.

5. Energi Vakum

Fisika Kuantum menjelaskan kepada kita bahwa kebalikan dari penampakan, ruang kosong adalah gelembung buatan dari partikel subatomik virtual yang secara konstan diciptakan dan dihancurkan.

Partikel-partikel yang menempati tiap sentimeter kubik ruang angkasa dengan energi tertentu, berdasarkan teori relativitas umum, memproduksi gaya antigravitasi yang membuat ruang angkasa semakin mengembang. Sampai sekarang tidak ada yang benar-benar tahu penyebab ekspansi alam semesta.

6. Mini Black Hole

Jika teori gravitasi braneworld yang baru dan radikal terbukti benar, maka ribuan mini black holes tersebar di tata surya kita, masing-masing berukuran sebesar inti atomik. Tidak seperti black hole pada umumnya, mini black hole ini merupakan sisa peninggalan Big Bang dan mempengaruhi ruang dan waktu dengan cara yang berbeda. tanyakan anda ...? black hole itu bisa nenyerap energi cahaya suara maupun waktu menurut para ilmuan jika kita memasukan jam ke black hole itu dengan sendirinya jam itu akan berhenti berdetak ,dan karna cahaya pundiserap oleh siblack hole jadi tidak ada cahaya yang bisa masuk kesana jadi kelihatanya black hole tu kalau dilihat hitam kelam makanya disebut black hole 

7. Neutrino

Neutrino merupakan partikel elementer yang tak bermassa dan tak bermuatan yang dapat menembus permukaan logam. Beberapa neutrino sedang menembus tubuhmu saat membaca tulisan ini. Partikel phantom ini diproduksi di dalam inti bintang dan ledakan supernova.

Detektor diletakkan di bawah permukaan bumi, di bawah permukaan laut, atau ke dalam bongkahan besar es sebagai bagian dari IceCube, sebuah proyek khusus untuk mendeteksi keberadaan neutrino.

8. Ekstrasolar Planet (Exoplanet)

Hingga awal 1990an, kita hanya mengenal planet di tatasurya kita sendiri. Namun, saat ini astronom telah mengidentifikasi lebih dari 200 ekstrasolar planet yang berada di luar tata surya kita.

Pencarian bumi kedua tampaknya belum berhasil hingga kini. Para astronom umumnya percaya bahwa dibutuhkan teknologi yang lebih baik untuk menemukan beberapa dunia seperti di bumi.

9. Radiasi Kosmik Latar Belakang

Radiasi ini disebut juga Cosmic Microwave Background (CMB) yang merupakan sisa radiasi yang terjadi saat Big Bang melahirkan alam semesta. Pertama kali dideteksi pada dekade 1960 sebagai noise radio yang nampak tersebar di seluruh penjuru alam semesta.

CBM dianggap sebagai bukti terpenting dari kebenaran teori Big Bang. Pengukuran yang akurat oleh proyek WMAP menunjukkan bahwa temperatur CMB adalah -455 derajat Fahrenheit (-270 Celsius).

10. Antimateri

Seperti sisi jahat Superman, Bizzaro, partikel (materi normal) juga mempunyai versi yang berlawanan dengan dirinya sendiri yang disebut antimateri. Sebagai contoh, sebuah elektron memiliki muatan negatif, namun antimaterinya positron memiliki muatan positif.

Materi dan antimateri akan saling membinasakan ketika mereka bertabrakan dan massa mereka akan dikonversi ke dalam energi melalui persamaan Einstein E=mc2. Beberapa desain pesawat luar angkasa 

Apa itu Holografi?

Holografi adalah teknik yang memungkinan cahaya dari suatu benda yang tersebar direkam dan kemudian direkonstruksi sehingga objek seolah-olah berada pada posisi yang relatif sama dengan media rekaman yang direkam. Teknologi holografi ini pertama kali diperkenalkan oleh Dennis Gabor pada tahun 1947 yang kemudian membuatnya dianugerahi penghargaan Nobel Fisika pada tahun 1971. Akan tetapi, dalam perkembangan selanjutnya teknik holografi ini

Contoh hologram yang terdapat dalam film Iron Man 3 yang baru diluncurkan tahun 2013 ini.
Sumber gambar: http://marvel.com/ironman3

mengalami pasang surut hingga kemudian pada tahun 1960, dengan adanya perkembangan teknologi laser, perkembangan teknologi holografi terlihat semakin nyata.

Pada artikel ini akan diulas mengenai sejarah perkembangan holografi, karakteristik hologram, hingga aplikasi teknologi holografi yang mulai berkembang pesat di dunia pada saat ini.

 ***

Sejarah holografi

Teknologi yang menjadi latar belakang terciptanya hologram ini lahir dari seorang fisikawan Hungaria, Dennis Gabor. Gabor lahir pada tanggal 5 Juni 1900 di Budapest, Hungaria. Pada tahun 1924, ia lulus dan mendapatkan gelar diploma dari Technische Hochschule Berlin. Namun kemudian pada tahun 1933, setelah Hitler berkuasa, ia melarikan diri dari Nazi ke Inggris. Di tanah Britania ini Gabor bekerja dalam pengembangan Departemen British Thomson-Houston di Rugby, Warwickshire.

Dennis Gabor, penemu konsep holografi.

Pada tahun 1947, Gabor secara tidak sengaja menemukan holografi. Pada awalnya Gabor sedang berusaha meneliti mikroskop elektron. Ia mengembangkan teori untuk meningkatkan kemampuan mikroskop tersebut. Pada saat ia berusaha membuktikan teorinya tersebut, ia tidak menggunakan pancaran elektron, melainkan menggunakan cahaya. Dengan percobaan itu, Gabor menemukan teori holografi, yaitu ilmu yang memproduksi hologram. Dengan teorinya, ia berhasil menciptakan hologram pertama di dunia. Istilah “hologram” ciptaan Gabor berasal dari Bahasa Yunani: holo dan gramma, yang berarti “pesan menyeluruh”.

Berdasarkan teori hologram Gabor, hologram dapat dibuat melalui proses pembelahduaan selajur sinar laser. Lajur pertama, disebut “acuan”, menyinari selembar lempeng peka foto atau film, sedangkan lajur kedua menyinari objek untuk diholografikan. Cahaya yang dicerminkan objek ini kemudian saling bertabrakan di atas lempengan tadi, dan menciptakan pola gabungan yang kemudian dikembangkan lagi untuk menampilkan gambar 3 dimensi. Pada saat itu, hologram hanya membutuhkan satu ruangan tempat citra tertentu ditembakkan sehingga seolah-olah menjadi bagian dari ruangan itu sendiri. Dengan demikian citra tadi akan menimbulkan kesan nyata dan sangat fantastis. Namun hologram ciptaan Gabor ini tidak tersedia secara komersial hingga pengenalan teknologi laser pada tahun 1960. 

Perkembangan selanjutnya terjadi pada tahun 1979 oleh dua orang ilmuwan Soviet yang berhasil mengadaptasi temuan Dennis Gabor dengan sinehologram. Guy Fihman dan Claudine Eizykman mulai bekerja sama di bidang hologram ketika keduanya menjadi guru besar sinema di Universitas Paris. Dengan alat yang dirancang khusus, mereka membuat dua buah sinehologram berukuran 35 mm dan 70 mm yang dipertunjukkan di College of France, Paris. Teknologi ini kemudian dikembangkan hingga berukuran 126 mm yang kemudian merupakan langkah pertama untuk membuat sinehologram yang dapat ditonton lebih dari dua orang dalam waktu yang bersamaan. Berkat temuannya melalui hologram, Dennis Gabor diangkat menjadi anggota Royal Society London pada tahun 1956 dan anggota kehormatan Akademi Ilmiah Hongaria pada tahun 1964 serta dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1971.

(Kiri) Proses terbentuknya hologram dari seperangkat alat optik; (Kanan) Proses teramatinya hologram oleh pengamat. Sumber gambar: http://www.howstuffworks.com/

Karakteristik hologram

Seperti yang telah disebutkan, holografi merupakan hasil rekonstruksi dari cahaya yang tersebar dari suatu objek tertentu sehingga citra yang direkam akan muncul secara 3 dimensi (yang disebut hologram). Teknologi perekaman citra 3 dimensi ini menggunakan sinar koheren (seperti laser). Setelah pemrosesan, penampakan benda akan terlihat berbeda-beda dari berbagai sudut. Pembuatan hologram tradisional menggunakan proses kimia yang rumit. Akan tetapi, penampakan pada hologram modern dapat dilihat dengan pencahayaan yang biasa dan dapat pula menunjukkan citra 3 dimensi benda besar yang bergerak dengan pewarnaan yang lengkap.

Hasil pencitraan hologram yang fantastis memiliki beberapa karakteristik yang unik. Beberapa di antaranya dijelaskan berikut ini.

1.  Cahaya yang sampai ke mata pengamat yang berasal dari gambar hasil rekonstruksi dari sebuah hologram adalah sama dengan objek aslinya. Seseorang saat melihat gambar hologram dapat melihat kedalaman paralaks dan berbagai perspektif berbeda seperti yang ada pada skema pemandangan yang sebenarnya.
2. Hologram dari suatu objek yang tersebar dapat direkonstruksi dari bagian kecil hologram. Jika sebuah hologram pecah berkeping-keping, setiap bagian dapat digunakan untuk reproduksi keseluruhan gambar. Walau bagaimanapun, penyusutan dari ukuran hologram dapat menyebabkan penurunan perspektif dari gambar, resolusi, dan tingkat kecerahan dari gambar.
3. Dari sebuah hologram dapat direkonstruksi dua jenis gambar: gambar nyata (pseudocopic) dan gambar maya (orthoscopic).
4. Sebuah hologram tabung dapat memberikan pandangan 360 derajat dari objek.
5. Lebih dari satu gambar independen yang dapat disimpan dalam satu pelat fotografi yang sama yang dapat dilihat satu per satu dalam satu kesempatan.

Aplikasi teknologi holografi

Salah satu aplikasi teknologi holografi adalah holographic black hole mobile phone design yaitu ponsel layar sentuh dengan teknologi multi-touch di masa depan. Dalam teknologi ini akan terlihat sentuhan nyata teknologi holografi temuan Dennis Gabor. Teknologi layar holografis ini dirancang oleh Josselin Zaïgouche untuk Apple Inc. dan akan mulai diperkenalkan pada tahun 2020. Selain itu, Apple Inc. juga telah bekerja pada jenis baru dari tampilan layar yang menghasilkan gambar 3 dimensi dan bahkan hologram tanpa membutuhkan kacamata khusus.

Teknologi masa depan ini diprediksi akan menhasilkan generasi baru dari televisi, monitor LCD, dan layar bioskop yang akan memberikan pemirsa dengan pengalaman yang lebih realistis. Sistem ini bergantung pada sebuah layar khusus yang dihiasi dengan kubah pixel berukuran kecil yang membelokkan gambar yang diambil dari sudut yang sedikit berbeda ke kanan dan mata kiri tampilan.

Dengan menampilkan gambar yang diambil dari sudut yang berbeda, akan memberikan citra stereoscopic bahwa otak menafsirkan gambar sebagai 3 dimensi. Teknologi lain yang sedang dikembangkan Apple Inc. ialah penggunaan teknologi pencitraan 3 dimensi untuk melacak  gerakan berbagai pemirsa dan posisi mata mereka sehingga arah gambar yang dibelokkan oleh layar dapat disesuaikan untuk memastikan gambar tetap tajam dalam citra 3 dimensi.