XRD dan XRF Sebagai Bentuk Pengaplikasian Konsep Fisika Kuantum

XRD dan XRF Sebagai Bentuk Pengaplikasian Konsep Fisika Kuantum

Dalam perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, fisika kuantum telah memainkan peran yang sangat penting, terutama dalam memahami struktur dan sifat material pada skala atomik. Dua teknik analisis yang sangat penting dalam konteks ini adalah X-ray Diffraction (XRD) dan X-ray Fluorescence (XRF). Teknik-teknik ini tidak hanya memungkinkan peneliti untuk mengungkapkan karakteristik struktural dan komposisi material dengan presisi tinggi, tetapi juga menunjukkan bagaimana prinsip-prinsip fisika kuantum diterapkan secara praktis dalam penelitian ilmiah dan industri.

Sejarah Penemuan  X-ray Diffraction (XRD)

Di akhir tahun 1895, Roentgen (Wilhelm Conrad Roentgen, Jerman, 1845-1923), seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wurzburg di Jerman dengan sungguh-sungguh melakukan penelitian tabung sinar katoda. Roentgen membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran fotoluminesensi dari dalam tabung ke luar. Lalu Roentgen membuat ruang penelitian menjadi gelap. Pada saat membangkitkan sinar katoda, Roentgen mengamati sesuatu yang di luar dugaan. Pelat fotoluminesensi yang ada di atas meja mulai berpendar di dalam kegelapan. Walaupun dijauhkan dari tabung, pelat tersebut tetap berpendar. Dijauhkan sampai lebih 1 m dari tabung, pelat masih tetap berpendar. Roentgen berpikir pasti ada jenis radiasi baru yang belum diketahui terjadi di dalam tabung sinar katoda dan membuat pelat fotoluminesensi berpendar. Radiasi ini disebut sinar-X yang maksudnya adalah radiasi yang belum diketahui.  Roentgen menerima hadiah Nobel Fisika tahun 1914 untuk penemuan difraksi sinar-X pada kristal. Penemuan ini ketika ia membahas permasalahan yang terkait dengan perjalanan gelombang cahaya melalui periodik, susunan kristalin partikel (Jamaluddin,2010)

Pengertian X-ray Diffraction (XRD)

Difraksi sinar-x merupakan metode analisa yang memanfaatkan interaksi antara sinar-x dengan atom yang tersusun dalam sebuah sistem kristal. Untuk dapat memahami prinsip dari difraksi sinar-x dalam analisa kualitatif maupun kuantitatif. Ketika berkas sinar-X berinteraksi dengan suatu material, terdapat tiga kemungkinan yang dapat terjadi, yaitu absorpsi (penyerapan), difraksi (penghamburan), atau fluoresensi yakni pemancaran kembali sinar-X dengan energi yang lebih rendah. Sedangkan untuk analisis XRD adalah analisa yang digunakan untuk mengidentifikasi keberadaan suatu senyawa dengan mengamati pola pembiasan cahaya sebagai akibat dari berkas cahaya yang dibiaskan oleh material yang memiliki susunan atom pada kisi kristalnya (Nugroho,2020). 

Komponen Dasar  X-ray Diffraction (XRD)

Alat XRD sendiri memiliki komponen dasar atau utama yakni sumber sinar-X (X-ray source), material yang akan diuji, dan detektor sinar-X (X-ray detector). Dengan komponen dasar tersebut yang membuat XDR mampu melakukan analisis terhadap susunan atom pada kisi kristal.(Lestari,2018).

Prinsip Kerja X-ray Diffraction (XRD)

Sampel berupa serbuk padatan kristalin yang memiliki ukuran kecil dengan diameter butiran kristalnya sekitar 10-7 -- 10-4 m ditempatkan pada suatu plat kaca. Sinar-X diperoleh dari elektron yang keluar dari filamen panas dalam keadaan vakum pada tegangan tinggi, dengan kecepatan tinggi menumbuk permukaan logam, biasanya tembaga (Cu). Sinar-X tersebut menembak sampel padatan kristalin, kemudian mendifraksikan sinar ke segala arah dengan memenuhi Hukum Bragg. Detektor bergerak dengan kecepatan sudut yang konstan untuk mendeteksi berkas sinar-X yang didifraksikan oleh sampel. Sampel serbuk atau padatan kristalin memiliki bidang-bidang kisi yang tersusun secara acak dengan berbagai kemungkinan orientasi, begitu pula partikel-partikel kristal yang terdapat di dalamnya. Setiap kumpulan bidang kisi tersebut memiliki beberapa sudut orientasi sudut tertentu, sehingga difraksi sinar-X memenuhi Hukum Bragg : 

n=2 d sin; n=1,2,.. (Mursal,2018)

Kegunaan dari  X-ray Diffraction (XRD)

X-ray Diffraction (XRD) ini digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel dari nanokristal. XRD sangat berguna untuk mempelajari struktur kristal, komposisi kimia, dan sifat sifat fisika dari nanomaterial. Selain itu XRD juga digunakan untuk menganalisis struktur kristal guna mengetahui parameter kisi, jenis struktur, susunan atom yang berbeda pada kristal hasil pengelasan.

Sejarah Penemuan X-ray Fluoresensi (XRF)

Pada tahun 1913, fisikawan Henry Moseley mengeksplorasi lebih lanjut potensi sinar-X dengan menggunakannya untuk membantu penomoran unsur .Ia menunjukkan bahwa ketika suatu unsur kimia memancarkan sinar-X karakteristik tertentu, frekuensi sinar-X ini sebanding dengan kuadrat angka yang mendekati nomor atom unsur tersebut. Ini menjadi Hukum Moseley. Hubungan antara frekuensi dan nomor atom adalah dasar spektrometri sinar-X modern. Potensi teknik ini menghasilkan perkembangan ilmiah lebih lanjut dalam sinar-X pada beberapa dekade pertama abad ke-20. Setengah dari Hadiah Nobel dalam bidang Fisika antara tahun 1914 dan 1924 diberikan kepada karya yang terkait dengan sinar-X. Pada tahun 1920-an, para ilmuwan bereksperimen dengan sinar-X primer sebagai pengganti elektron untuk mengeksitasi sampel, dan pada tahun 1928, memelopori XRF sebagai sarana untuk melakukan analisis kuantitatif terhadap material.Akan tetapi, baru pada tahun 1940-an teknologi detektor berkembang hingga tingkat yang mengubah XRF menjadi teknik yang lebih praktis untuk analisis unsur. Pada tahun 1950-an, terdapat spektrometer sinar-X pertama yang diproduksi secara komersial yang menggunakan kristal untuk memisahkan energi sinar-X sebagai panjang gelombangnya dengan detektor sinar-X sederhana.

Pengertian  X-ray Fluoresensi (XRF)

XRF merupakan salah satu metode analisis yang tidak merusak sampel, dan dapat digunakan untuk analisis unsur dalam bahan secara kualitas dan kuantitas. Hasil analisis kualitatif ditunjukkan oleh puncak spektrum yang mewakili jenis unsur sesuai dengan energi sinar-X karakteristiknya, sedangkan analisis kuantitatif diperoleh dengan cara membandingkan intensitas sampel dengan standar (Sari,2016).

Komponen Dasar  X-ray Fluoresensi (XRF)

Alat X-ray Fluoresensi (XRF) terdiri dari dua bagian utama yakni sumber utama sinar-X dan peralatan untuk mendeteksi sinar-X yang dipancarkan dari sampel. Selain itu ada bagian bagian lain yang terdapat pada alat XRF diantaranya adalah Tabung sinar X, Penyaring sinar, Material atau sampel yang mau diuji, Kolimator, Kristal penganalisis, Penghitung sintilasi, dan pencacah atau penghitung.

Prinsip Kerja  X-ray Fluoresensi (XRF)

Prinsip kerja dari X-Ray fluorescence (XRF) adalah dengan cara menembakan radiasi foton elektromagnetik ke sampel material yang diteliti, lalu radiasi elektromagnetik yang ditembakkan akan berinteraksi dengan elektron yang berada di kulit K suatu unsur atau atom, kemudian elektron yang berada di kulit K akan memiliki energy kinetik yang cukup untuk melepaskan diri dari ikatan inti sehingga electron itu akan terpental keluar. Dari elektron yang keluar tersebut akan dilakukan analisis secara kualitatif dan kuantitatif dengan XRF (Syahfiq,2021) Analisa XRF merupakan salah satu contoh analisa yang didasarkan pada perilaku atom yang terkena radiasi. Interaksi atom dengan cahaya dapat menyebabkan berbagai fenomena yang dipengaruhi oleh kuatnya intensitas cahaya yang berinteraksi dengan atom tersebut. Ketika material berinteraksi dengan cahaya yang memiliki energi tinggi (sebagai contoh: sinar-X), maka dapat menyebabkan terpentalnya elektron yang berada pada tingkat energi paling rendah pada suatu atom. Akibatnya atom berada pada keadaan yang tidak stabil sehingga elektron yang berada pada tingkat (kulit valensi) yang lebih tinggi akan mengisi posisi kosong yang ditinggalkan oleh elektron yang terpental tadi. Proses pengisian posisi elektron pada kulit valensi yang lebih rendah dinamakan deeksitasi. Proses deeksitasi ini akan disertai dengan pemancaran cahaya dengan energi yang lebih kecil daripada energi yang menyebabkan tereksitasinya elektron. Energi yang dipancarkan ini dinamakan radiasi fluoresensi.Radiasi fluoresensi ini memiliki energi yang khas tergantung dari elektron yang tereksitasi dan terdeeksitasi pada atom penyusun sebuah material. Kekhasan karakteristik dari radiasi fluoresensi pada setiap unsur ini memungkinkan dapat dilakukannya analisa kualitatif untuk mengidentifikasi unsur-unsur yang berbeda. Sementara itu, analisa kuantitatif untuk menentukan konsentrasi dari unsur yang dianalisis dapat ditentukan berdasarkan intensitas dari radiasi fluoresensi yang dipancarkan (Setiabudi,2012).

Kegunaan dari  X-ray Fluoresensi (XRF)

Metode XRF digunakan untuk analisa unsur penyusun suatu bahan menggunakan radiasi sinar-X yang diserap dan dipantulkan oleh target atau sampel. Namun, XRF tidak bekerja dalam orde yang kecil atau mikro dan biasanya digunakan untuk analisa bahan dengan fraksi yang lebih besar seperti bahan-bahan geologi. Metode ini paling banyak digunakan untuk analisis unsur dari bahan batuan, mineral dan sedimen. Selain itu X-Ray Fluoresensi (XRF) dapat digunakan dalam berbagai aplikasi seperti: survei tanah, menambang (misalnya, mengukur kadar bijih), produksi semen, manufaktur keramik dan gelas, studi lingkungan, industri minyak bumi (misalnya, kandungan sulfur minyak mentah dan produk minyak bumi), analisis lapangan dalam studi geologi dan lingkungan (menggunakan spektrometer XRF genggam portable). X-Ray Fluoresensi (XRF) sangat cocok untuk investigasi yang melibatkan analisis kimia massal dari unsur-unsur utama (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P) dalam batuan dan sedimen.

Referensi

Jamaluddin, K. (2010). X-RD (X-Ray Diffraction). Universitas Haluoleo.

Lestari, A. S. (2018). Preparasi dan Karakteristik Nanopartikel Fe3O4 Menggunakan Metode Kopresipitasi. Jurnal Teknologi Technoscientia, 11(1), 7-10.

Mursal, L. L. P. (2018). Karakteristik XRD dan SEM pada Material Nanopartikel serta Peran Material Nanopartikel Dalam Drug Delivery System. Jurnal Sains dan Ilmu Farmasi, 3(2), 214-222. https://doi.org/10.36805/jpx.v3i2.491

Nor Syahfiq, H. A. (2021). Perbandingan Metode Uji Kadar Kalsium (Ca) Dalam Sampel Mortar Abu Vulkanik dengan Titrasi Kompleksometri dan X-Ray Fluorescence (XRF) Di Balai Konservasi Borobudur. Universitas Islam Indonesia.

Nugroho, A. D. (2020). Analisis X-Ray Diffraction (XRD) pada Brazing Antara Alumunium Seri 6061 dengan Penambahan Filler Alusol dan Filler Lokal. Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Santoso, B. A., Suryadi, F., & Budiarto. (2023). Pengaruh Jenis Forming Terhadap Struktur Kristal dan Struktur Mikro pada Baja Karbon Rendah Tipe MR. Jurnal Rekayasa Energi dan Mekanika, 3(2), 86-94.

Sari, R. K. (2016). Potensi Mineral Batuan Tambang Bukit 12 Dengan Metode XRD, XRF, dan AAS. EKSAKTA, 2(1), 13-23.

Setiabudi, A., Hardian, R., & Mudzakir, A. (2012). Karakteristik Material : Prinsip dan Aplikasinya dalam Penelitian Kimia. UPI Press.