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.