1

Daftar Isi

COVER

DAFTAR ISI 1

BAB I PENDAHULUAN

Bab 1.1 Latar Belakang 2

Bab 1.2 Tujuan 2

Bab 1.3 Ruang Lingkup Materi 2

BAB II LANDASAN TEORI

Bab 2.1 Sejarah Sinar-X 3

Bab 2.2 Teori Sinar – X 3

Bab 2.3 Cara Kerja Mesin Sinar – X 8

BAB III PENUTUP

Bab 3.1 Kesimpulan 14

Bab 3.2 Saran 14

DAFTAR PUSTAKA 15

2

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dalam fisika zat padat dipelajari materi tentang kristalografi,

Kristalografi merupakan sains eksperimental yang bertujuan menentukan

susunan atom dalam zat padat. Dahulu istilah ini digunakan untuk studi ilmiah kristal. Kata

"kristalografi" berasal dari kata bahasa Yunani crystallon = tetesan dingin/beku, dengan

makna meluas kepada semua padatan transparan pada derajat tertentu, dan graphein =

menulis.

studi kristal didasarkan pada geometri kristal. Ini termasuk mengukur sudut

permukaan kristal relatif terhadap sumbu referensi teoretis (sumbu kristalografik), dan

menetapkan kesetangkupankristal yang bersangkutan.

Salah satu aplikasi dari kristalografi adalah difraksi sinar-x, sinar-x saat ini

digunakan sebagai salah satu instrumen medis untuk membantu melakukan pemeriksaan

terhadap kondisi didalam tubuh manusia.

Dalam tugas makakah ini akan dijelaskan aplikasi difraksi sinar x dan pemanfaatan

dalam bidang kedokteran.

1.2 Tujuan Penulisan

Tujuan dibuatnya makalah ini adalah

1. Syarat kelulusan nilai ujian khusus materi Fisika Zat Padat

2. Mengetahui aplikasi fisika zat padat dalam bidang kedokteran

3. Mengetahui dan memahami cara kerja difraksi sinar-x dan pemanfaatannya

1.3 Ruang Lingkup Materi

Materi yang di gunakan dalam materi berasal dari berbagai sumber dan referensi

mengenai difraksi sinar – x

3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Awal mula penemuan Sinar X

Sinar-X ditemukan pertama kali oleh fisikawan berkebangsaan Jerman Wilhelm C.

Roentgen pada tanggal 8 November 1895. Saat itu Roentgen bekerja menggunakan tabung.

rookes di laboratoriumnya di Universitas Wurzburg. 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 tidak tampak yang mampu menerobos kertas hitam

tersebut.1

Pada saat Roentgen menyalakan sumber listrik tabung untuk penelitian sinar katoda,

beliau mendapatkan bahwa ada sejenis cahaya berpendar pada layar yang terbuat daribar

ium platino cyanida yang kebetulan berada di dekatnya. Jika sumber listrik dipadamkan,

maka cahaya pendar pun hilang. Roentgen segera menyadari bahwa sejenis sinar yang tidak

kelihatan telah muncul dari dalam tabung sinar katoda. Karena sebelumnya tidak pernah

dikenal, maka sinar ini diberi nama sinar-X. Namun untuk menghargai jasa beliau dalam

penemuan ini maka seringkali sinar-X itu dinamai juga sinar Roentgen. Kita menyebutnya

sinar Ronsen. Nyala hijau yang terlihat oleh Crookes dan Roentgen akhirnya diketahui

bahwa sinar tersebut tak lain adalah gelombang cahaya yang dipancarkan oleh dinding kaca

pada tabung sewaktu elektron menabrak dinding itu, sebagai akibat terjadinya pelucutan

listrik melalui gas yang masih tersisa di dalam tabung. Pada saat yang bersamaan elektron

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 elektron dengan kecepatan yang

sangat tinggi menabrak atom.

Roentgen memusatkan perhatiannya pada penyelidikan sinar-X. Dari penyelidikan

itu beliau mendapatkan bahwa sinar-X dapat memendarkan berbagai jenis bahan kimia.

Sinar-X juga dapat menembus berbagai materi yang tidak dapat ditembus oleh sinar tampak

1 https://heruvee.wordpress.com/2011/04/25/sejarah-penemu-sinar-x-serta-cara-kerjanya/

4

biasa yang sudah dikenal pada saat itu. Di samping itu, Roentgen juga bisa melihat

bayangan tulang tangannya pada layar yang berpendar dengan cara menempatkan tangannya

di antara tabung sinar katoda dan layar. Dari hasil penyelidikan berikutnya diketahui bahwa

sinar-X ini merambat menempuh perjalanan lurus dan tidak dibelokkan baik oleh medan

listrik maupun medan magnet. Atas jasa-jasa Roentgen dalam menemukan dan mempelajari

sinar-X ini, maka pada tahun 1901 beliau dianugerahi Hadiah Nobel Bidang Fisika yang

untuk pertama kalinya diberikan dalam bidang ini. Penemuan Sinar-X ternyata mampu

mengantarkan ke arah terjadinya perubahan mendasar dalam bidang kedokteran. Dalam

kegiatan medik, Sinar-X dapat dimanfaatkan untuk diagnosa maupun terapi. Dengan

penemuan sinar-X ini, informasi mengenai tubuh manusia menjadi mudah diperoleh tanpa

perlu melakukan operasi bedah.

2.2 Teori Sinar - X

Sinar-X dapat terbentuk apabila partikel bermuatan misalnya elektron oleh pengaruh

gaya inti atom bahan mengalami perlambatan. Sinar-X yang tidak lain adalah gelombang

elektromagnetik yang terbentuk melalui proses ini disebut sinar-X bremsstrahlung. Sinar-X

yang terbentuk dengan cara demikian mempunyai energi paling tinggi sama dengan energi

kinetik partikel bermuatan pada waktu terjadinya perlambatan.1

Gambar 2.1 Panjang gelombang 1

Diasumsikan mula-mula ada seberkas elektron bergerak masuk kedalam bahan

dengan energi kinetik sama, elektron mungkin saja berinteraksi dengan atom bahan itu pada

saat dan tempat yang berbeda-beda. Karena itu berkas elektron selanjutnya biasanya terdiri

dari elektron yang memiliki energi kinetik berbeda-beda. Ketika pada suatu saat terjadi

perlambatan dan menimbulkan sinar-X, sinar-X yang terjadi umumnya memiliki energi

11 https://heruvee.wordpress.com/2011/04/25/sejarah-penemu-sinar-x-serta-cara-kerjanya/

5

yang berbeda-beda sesuai dengan energi kinetik elektron pada saat terbentuknya sinar-X dan

juga bergantung pada arah pancarannya.

Gambar 2.2 Proses produksi sinar – X1

Berkas sinar-X yang terbentuk ada yang berenergi rendah sekali sesuai dengan

energi

elektron pada saat menimbulkan sinar-X itu, tetapi ada yang berenergi hampir sama dengan

energi kinetik elektron pada saat elektron masuk kedalam bahan. Dikatakan berkas sinar-X

yang terbentuk melalui proses ini mempunyai spektrum energi nirfarik. Sinar-X dapat juga

terbentuk dalam proses perpindahan elektron-elektron atom dari tingkat energi yang lebih

tinggi menuju ke tingkat energi yang lebih rendah, misalnya dalam proses lanjutan efek

fotolistrik. Sinar-X yang terbentuk dengan cara seperti ini mempunyai energi yang sama

dengan selisih energi antara kedua tingkat energi yang berkaitan. Karena energi ini khas

untuk setiap jenis atom, sinar yang terbentuk dalam proses ini disebut sinar-X karakteristik,

kelompok sinar-X demikian mempunyai energi farik. Sinar-X karakteristik yang timbul oleh

berpindahnya elektron dari suatu tingkat energi menuju ke lintasan k, disebut sinar-X garis

K, sedangkan yang menuju ke lintasan l, dan seterusnya. Sinar-X bremsstrahlung dapat

dihasilkan melalui pesawat sinar-X atau pemercepat partikel.1

11 https://heruvee.wordpress.com/2011/04/25/sejarah-penemu-sinar-x-serta-cara-kerjanya/

6

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 yang menjadi sumber radiasi adalah

tabung sinar-X. Didalam tabung pesawat sinar-X yang biasanya 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

terhalang oleh molekul udara dalam perjalanannya menuju ke anode. Filamen yang di

panasi oleh arus listrik bertegangan 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

rendah 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 sehingga

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 dalam batas tertentu, tegangan tabung juga dapat mempengaruhi arus

tabung. Arus tabung dalam sistem pesawat sinar-X biasanya hanya mempunyai tingkat

besaran dalam milliampere (mA), berbeda dengan arus filamen yang besarnya dalam tingkat

ampere.

Sinar-X pada hakikatnya “bersaudara” dengan cahaya tampak. Yaitu cahaya yang

menyebabkan kita dapat melihat sekeliling kita. Mereka adalah bagian dari spektrum

gelombang elektromagnetik dan kita tahu bahwa gelombang elektromagnetik ini terdiri atas

paket-paket energi yang disebut foton. perbedaan antara sinar-X dengan cahaya tampak

terletak pada energi foton yang menyusunnya, dan energi foton ini berkaitan dengan

panjang gelombangnya. Energi foton sinar-X lebih besar dibandingkan energi foton cahaya

tampak. Karena energi foton berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya, maka bisa

dikatakan bahwa panjang gelombang foton sinar-X lebih pendek dibandingkan panjang

7

gelombang foton cahaya tampak. Sayang sekali mata kita hanya mampu menangkap

panjang gelombang tertentu yang kebetulan panjang gelombang tersebut hanya dimiliki oleh

cahaya tampak sehingga kita tidak mampu melihat sinar-X itu. 2

Baik foton sinar-X maupun foton cahaya tampak, keduanya dihasilkan oleh

perpindahan elektron dalam atom. Kita tahu bahwa elektron menempati tingkat-tingkat

energi tertentu, yang kita sebut orbital, di sekeliling inti atomnya. Jika sebuah elektron jatuh

ke tingkat energi yang lebih rendah, maka elektron ini harus mengeluarkan sejumlah energi

tertentu, dan energi ini dilepaskan dalam bentuk foton. Besar energi foton yang terlepas

bergantung pada seberapa dalam orbit yang dituju elektron tersebut.

Gambar 2.3 Proses Tumbukan Atom

Pada saat sebuah foton menumbuk atom lain, atom yang ditumbuk akan menyerap

energi foton yang menumbuknya dan memicu sebuah elektron dalam atom tersebut untuk

bergerak ke orbit yang lebih tinggi. Satu syarat yang harus dipenuhi untuk hal itu, yaitu

energi foton yang menumbuk atom harus sama dengan selisih antara dua orbit elektron. Jika

tidak demikian, foton tersebut tidak mampu menggeser elektron atom itu. 

Atom-atom kulit tubuh kita menyerap foton cahaya tampak dengan sangat baik.

Energi yang dimiliki oleh foton cahaya tampak tersebut klop dengan selisih tingkat energi

22 http://amateur-physics.blogspot.com/2015/02/foto-rontgen-dan-cara-kerja-sinar-x.html

8

antar atom-atom penyusun kulit kita. Untuk jenis gelombang elektromagnetik lain, misalnya

gelombang radio energi yang dimiliki oleh foton-fotonnya tidak mencukupi untuk dapat

membuat elektron atom tubuh berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Itulah sebabnya

gelombang radio akan menembus hampir semua material. Sinar-X juga mampu menembus

banyak material (bahan) tetapi bukan karena energi yang dimilikinya kurang, melainkan

karena energi yang dimiliki oleh foton-fotonnya justru sangat besar. Energi foton sinar-X

bahkan bisa menyebabkan elektron atom terlempar keluar dari atom. Beberapa energi dari

foton sinar-X dapat memisahkan elektron dari atom, dan sisanya menyebabkan elektron

melayang di udara. Atom yang lebih besar lebih mudah menyerap foton sinar-X, karena

atom yang lebih besar tersebut memiliki selisih tingkat-tingkat energi yang lebih besar pula.

Sedangkan atom-atom yang lebih kecil, dimana selisih antara tingkat-tingkat energi

elektronnya (orbit) kecil, lebih sulit menyerap sinar-X; yang berarti lebih mudah ditembus

sinar-X. 

Lapisan kulit kita yang lunak tersusun atas atom-atom yang kecil, sehingga tidak

dapat menyerap sinar-X atau meneruskan sinar-X dengan baik. Atom-atom kalsium yang

merupakan atom penyusun tulang kita memiliki atom yang jauh lebih besar sehingga atom-

atom tersebut menyerap sinar-X sehingga tulang sulit ditembus sinar-X. Untuk

menggunakan sinar-X dalam melakukan foto Rontgen dalam bidang kedokteran, diperlukan

alat pemancar sinar-X2

.

2.3 Cara Kerja Mesin Sinar-X

Bagian utama dari mesin sinar-X adalah sepasang elektrode, yaitu katode dan anode,

yang ditempatkan dalam sebuah tabung kaca yang divakumkan. Katode terbuat dari sebuah

filamen yang dipanaskan, seperti yang biasa ditemukan pada lampu pijar model lama. Arus

listrik pada mesin pemancar sinar-X dilewatkan melalui filamen ini sehingga filamen

tersebut menjadi panas. Akibatnya, elektron-elektron terpancar dari permukaan filamen

tersebut. Anode yang bermuatan positif, dibuat dari bahan tungsten berbentuk lingkaran

datar, menarik elektron-elektron tersebut membentuk berkas elektron dari katode ke anode

dalam tabung.

22 http://amateur-physics.blogspot.com/2015/02/foto-rontgen-dan-cara-kerja-sinar-x.html

9

Gambar 2.4 Proses Pengambilan Gambar

Antara katode dan anode diberi beda potensial yang sangat besar, sehingga berkas

elektron mengalir dalam tabung dengan energi yang sangat tinggi. Ketika elektron berenergi

tinggi ini menumbuk atom tungsten di anode, sebuah elektron yang berada pada orbit yang

relatif rendah dari atom tungsten tersebut akan terlempar meninggalkan tempatnya. Elektron

lain yang berada di orbit yang lebih tinggi akan segera jatuh mengisi tempat kosong di

orbital yang lebih rendah yang telah ditinggalkan elektron. Karena elektron jatuh dari orbital

yang lebih tinggi ke orbital yang lebih rendah, maka dalam proses ini akan dilepaskan foton.

pada peristiwa ini, elektron yang jatuh tersebut berasal dari tingkat energi yang jauh lebih

tinggi, sehingga foton yang dihasilkan juga merupakan foton dengan energi yang cukup

tinggi, yaitu foton-foton sinar-X.2

 Elektron yang bebas juga dapat menghasilkan foton tanpa menumbuk sebuah atom.

Hal ini terjadi karena sebuah inti atom yang menarik elektron yang bergerak bebas akan

menyebabkan elektron yang bergerak tersebut akan mengalami perlambatan. Perlambatan

atau pengurangan kecepatan tersebut terjadi dengan cara yang cukup cepat. Perubahan

kecepatan ini akan menyebabkan dilepaskannya energi dalam bentuk foton sinar-X.

22 http://amateur-physics.blogspot.com/2015/02/foto-rontgen-dan-cara-kerja-sinar-x.html

10

Gambar 2.5 Proses Penarikan elektron oleh inti atom2

Peristiwa tumbukan yang sangat kuat dalam proses pembentukan sinar-X akan

menimbulkan panas. Untuk menghindari terjadinya pelelehan pada anode akibat panas ini,

pada mesin pemancar sinar-X terdapat sebuah motor yang memutar anode. Dengan

demikian, berkas elektron tidak selalu menumbuk bagian anode yang sama. Selain itu dalam

mesin juga terdapat minyak pendingin yang berfungsi menyerap panas. 

Di sekeliling alat penghasil sinar-X ini, dipasangi sebuah penghalang tebal dari bahan

timbal. Ini untuk menjaga agar sinar-X tidak keluar memancar ke segala arah. Untuk

menyalurkan berkas sinar-X yang dihasilkan, dibuat sebuah lubang kecil di bagian lapisan

penghalang tersebut. Sebelum sinar-X ini mengenai tubuh pasien yang akan difoto, sinar-X

ini akan melewati sejumlah penyaring (filter) sesuai dengan kebutuhan. 

Sebuah kamera di sisi lain pasien akan merekam pola sinar-X yang melewati tubuh

pasien. Kamera sinar-X ini menggunakan teknologi film yang sama dengan kamera film

biasa (bukan kamera digital). Bedanya adalah reaksi kimia pada film foto disebabkan oleh

sinar-X bukan sinar cahaya tampak seperti pada kamera film biasa. 

Sinar-X bisa dihasilkan oleh seperangkat alat yang desebut pesawat sinar X. Pesawat

sinar X banyak digunakan di bidang kesehatan untuk keperluan diagnostik dan terapi dan di

bidang industri, antara lain untuk radiografi. Sinar-X ditemukan pertama kali oleh fisikawan

berkebangsaan Jerman Wilhelm Conrad Roentgen pada tanggal 8 November 1895. Saat itu

Roentgen bekerja menggunakan tabung Crookes di laboratoriumnya diUniversitas

Wurzburg.

22 http://amateur-physics.blogspot.com/2015/02/foto-rontgen-dan-cara-kerja-sinar-x.html

11

Gambar 2.6 Skema persilangan dari tabung sinar-X1

Proses pembuatan gambar anatomi tubuh manusia dengan sinar-X dapat dilakukan

pada permukaan film fotografi. Gambar terbentuk karena adanya perbedaan intensitas sinar-

X yang mengenai permukaan film setelah terjadinya penyerapan sebagian sinar-X oleh

bagain tubuh manusia. Daya serap tubuh terhadap sinar-X sangat bergantung pada

kandungan unsur-unsur yang ada di dalam organ. Tulang manusia yang didominasi oleh

unsur Ca mempunyai kemampuan menyerap yang tinggi terhadap sinar-X. Karena

penyerapan itu maka sinar-X yang melewati tulang akan memberikan bayangan gambar

pada film yang berbeda dibandingkan bayangan gambar dari organ tubuh yang hanya berisi

udara seperti paru-paru atau air seperti jaringan lunak pada umumnya

Pada aplikasinya, penciptaan sinar-x tak lagi mengandalkan mekanisme tabung

crookes, melakinkan dengan menggunakan pesawat sinar-x modern. Pesawat sinar-x

modern pada dasarnya membangkitkan sinar-x dengan mem’bombardir’ target logam

dengan elektron berkecepatan tinggi. Elektron yang berkecepatan tinggi tentunya memiliki

energi yang tinggi, dan karenanya mampu menembus elektron-elektron orbital luar pada

materi target hingga menumbuk elektron orbital pada kulit k (terdekat dengan inti).

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, dan keseluruhan proses

terbentuknya sinar-x melalui mekanisme tersebut disebut mekanisme sinar-x karakteristik.

Adapun mekanisme lain yang mungkin terjadi adalah emisi foton yang dialami oleh

elektron cepat yang dibelokkan oleh inti atom target atas konsekuensi dari interaksi coulomb

11 https://heruvee.wordpress.com/2011/04/25/sejarah-penemu-sinar-x-serta-cara-kerjanya/

12

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’).2

Gambar 2.4 Proses bremmstrhalung2

selanjutnya, pesawat sinar-x modern memanfaatkan kedua kemungkinan di atas untuk

memungkinkan produksi sinar-x.

Gambar 2.7 Cara kerja alat sinar –X2

seperti terlihat pada gambar 2.7, beda potensial antara anoda dan katoda dibuat

sedemikian rupa sehingga mencapai angka yang cukup untuk membuat elektron melompat

dengan kecepatan tinggi setelah katoda diberi energy (biasanya 1000 volt). Setelah elektron

13

pada katoda melompat dan menghantam filamen pada anoda, terjadilah sinar-x yang terjadi

dengan mekanisme sinar-x karakteristik 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/citra pun

terbentuk pada film yang diletakkan di bawahnya.2

BAB III

PENUTUP

22 https://heruvee.wordpress.com/2011/04/25/sejarah-penemu-sinar-x-serta-cara-kerjanya/

14

3.1 Kesimpulan

Pemanfaatan fisika zat padat sangat luas salah satunya pada bidang medis,

dengan menggunakan sinar-x, dokter dapat mendiagnosa penyakit atau kerusakan

didalam tubuh manusia, yang tidak dapat dilihat dari luar, dengan mempelajari

kristalografi dan difraksi sinar-x sesuai dengan tujuan dari pembuatan makalah ini

penulis dapat memahami aplikasi fisika zat padat dan teori yang dipelajari

didalamnya.

3.2 Saran

1. Materi fisika zat padat luas sehingga aplikasi tidak hanya pada bidang

medis

2. Penulis harus mempelajari lebih dalam materi fisika zat padat untuk

mempertanggung jawabkan nilai yang didapat setelah makalah ini di

setujui.

\

DAFTAR PUSTAKA

15

1. https://heruvee.wordpress.com/2011/04/25/sejarah-penemu-sinar-x-serta-cara-

kerjanya/

2. http://amateur-physics.blogspot.com/2015/02/foto-rontgen-dan-cara-kerja-sinar-

x.html

3. https://id.wikipedia.org/wiki/Kristalografi