Aplikasi Efek Compton Dalam Sinar Rontgen *)
Beta Zahara **)
________________________________________Pendahuluan
Radiasi adalah pancaran energi melalui suatu materi atau ruang dalam bentuk panas, partikel atau gelombang elektromagnetik/cahaya (foton) dari sumber radiasi. Ada beberapa sumber radiasi yang kita kenal di sekitar kehidupan kita, contohnya adalah televisi, lampu penerangan, alat pemanas makanan (microwave oven), komputer, dan lain-lain. Selain benda-benda tersebut ada sumber-sumber radiasi yang bersifat unsur alamiah dan berada di udara, di dalam air atau berada di dalam lapisan bumi. Beberapa di antaranya adalah Uranium dan Thorium di dalam lapisan bumi; Karbon dan Radon di udara serta Tritium dan Deuterium yang ada di dalam air.
Radiasi ini juga dimanfaatkan dalam mengembangkan dunia kesehatan seperti yang dipakai dalam Rontgen yang berfungsi untuk mengetahui organ dalam tubuh yang terbungkus oleh kulit luar manusia.
Oleh karena itu penulis tertarik untuk menyimpulkan antara sifta radiasi dalam Rontgen dan hubungan postulatnya dengan efek Compton. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai Radiasi, efek compton, kegiatan Rontgen dan hubungannya dalam cara kerja Rontgen. Tujuannya adalah untuk menambah informasi tentang cara kerja Rontgen dan hubungannya postulat Rontgen dengan efek compton. Penulis berharap agar makalah ini dapat bermanfaat untuk menambah pengetahuan .
*) Disampaikan dalam mata kuliah seminar fisika pada Oktober 2011
**) Mahasiswa program studi pendidikan Fisika Univ.PGRI Palembang dengan NIM:2008122009
Radiasi, Sinar X merupakan Gelombang Elektromagnetik
Dalam teori kuantum cahaya dianggap bahwa foton dalam perjalannya dalam ruang dengan kecepatan c tidak menyebar sebagaimana gelombang, tetapi tetap terkonsentrasi dalam ruang yang sangat kecil. Pada tahun 1923, Compton memberikan kesimpulannya mengenai hamburan sinar x oleh materi. Dalam naskah ilmiahnya “A Quatum Theory of Scattering of X-Rays by Light”, Compton menerangkan percobaannya tentang hamburan sinar x oleh materi. Diamatinya bahwa panjang gelombang sinar x yang terhambur berbeda dengan panjang gelombang sinar x sebelum terhambur. Perubahan panjang gelombang tersebut ternyata juga bergantung dari sudut hamburan.
Paparan radiasi dengan satuan Rontgen, atau sering disingkat dengan R saja, adalah suatu satuan yang menunjukkan besarnya intensitas sinar-X atau sinar gamma yang dapat menghasilkan ionisasi di udara dalam jumlah tertentu. Dalam hal ini 1 Rontgen adalah intensitas sinar-X atau sinar gamma yang dapat menghasilkan ionisasi di udara sebanyak 1,61 x 1015 pasangan ion per kilogram udara pasangan ion per kilogram udara.
Energi yang diperlukan untuk membuat membuat satu pasangan ion di udara adalah 5,4 x 10-18 Joule. Oleh karena itu 1 Rontgen dapat dikonversikan ke Joule sebagai berikut :
1R = (1,6 x 1015)(5,4 x10-18)J/kg udara
= 8,69 x 10-3 J/kg udara
= 0,00869 J/kg udara
Satuan Rontgen penggunaannya terbatas untuk mengetahui besarnya paparan radiasi sinar-X atau sinar Gamma di udara. Satuan Rontgen belum bisa digunakan untuk mengetahui besarnya paparan yang diterima oleh suatu medium, khususnya oleh jaringan kulit manusia.
Roentgen mempublikasikan laporan penelitiannya. Berikut ini adalah sifat-sifat sinar-X:
1. Sinar-X dipancarkan dari tempat yang paling kuat tersinari oleh sinar katoda.
2. Intensitas cahaya yang dihasilkan pelat fotoluminesensi, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik terjadinya sinar-X dengan pelat fotoluminesensi. Meskipun pelat dijauhkan sekitar 2 m, cahaya masih dapat terdeteksi.
3. Sinar-X dapat menembus buku 1000 halaman tetapi hampir seluruhnya terserap oleh timbal setebal 1,5 mm.
4. Pelat fotografi sensitif terhadap sinar-X.
5. Ketika tangan terpapari sinar-X di atas pelat fotografi, maka akan tergambar foto tulang tersebut pada pelat fotografi.
6. Lintasan sinar-X tidak dibelokkan oleh medan magnet (daya tembus dan lintasan yang tidak terbelokkan oleh medan magnet merupakan sifat yang membuat sinar-X berbeda dengan sinar katoda).
Rontgen
Laporan pertama Roentgen mengenai sinar-X dimuat pada halaman 132-141 laporan Asosiasi Fisika Medik Wuerzburg tahun 1895. Di awal tahun 1896 reprint laporan Roentgen dikirimkan kepada ilmuwan-ilmuwan terkenal. Karena tidak dibelokkan oleh medan magnet, maka orang tahu bahwa sinar-X berbeda dengan sinar katoda. Pada saat itu belum ditemukan fenomena interferensi dan difraksi. Karena itu muncullah persaingan antara teori partikel dengan teori gelombang untuk menjelaskan esensi/substansi sinar-X. Teori partikel dikemukakan antara lain oleh W.H. Bragg, teori gelombang dikemukakan antara lain oleh Stokes dan C.G. Barkla. Sejak saat itu teori gelombang didukung oleh lebih banyak orang. Pada tahun 1912, fenomena difraksi sinar-X oleh kristal ditemukan oleh Max von Laue dan kemudian dapat dipastikan bahwa sinar-X adalah gelombang elektromagnetik.
Saat mengadakan percobaan dengan aliran arus listrik dan tabung gelas yang dikosongkan sebagian (tabung sinar katode), Rontgen mengamati bahwa potongan barium platinosianida yang berdekatan melepaskan sinar saat tabung itu dioperasikan. Ia merumuskan teori bahwa saat sinar katode (elektron) menembus dinding gelas tabung, beberapa radiasi yang tak diketahui terbentuk yang melintasi ruangan, menembus bahan kimia, dan menyebabkan fluoresensi. Pengamatan lebih lanjut mengungkapkan bahwa kertas, kayu, dan aluminum, di antara bahan lain, transparan pada bentuk baru radiasi ini. Ia menemukan bahwa itu memengaruhi plat fotografi, dan, sejak tidak secara nyata menunjukkan beberapa sifat cahaya, seperti refleksi atau refraksi, secara salah ia berpikir bahwa sinar itu tak berhubungan pada cahaya. Dalam pandangan pada sifat tak pasti itu, ia menyebut fenomena radiasi X, walau juga dikenal sebagai radiasi Rontgen. Ia mengambil fotografi sinar-X pertama, dari bagian dalam obyek logam dan tulang tangan istrinya.
Efek Compton dalam Rontgen
Tahun 1922 Compton menemukan efek Compton berdasarkan penelitian hamburan Compton. Berdasarkan penelitian sinar-X ia dapat memastikan bahwa gelombang elektromagnetik memiliki sifat dualisme gelombang dan materi (partikel).
Hamburan Compton
Hamburan Compton adalah suatu efek yang merupakan bagian interaksi sebuah penyinaran terhadap suatu materi. Efek Compton adalah salah satu dari 3 proses yang melemahkan energi suatu sinar ionisasi. Bila suatu sinar jatuh pada permukaan suatu materi sebagian daripada energinya akan diberikan kepada materi tersebut, sedangkan sinar itu sendiri akan di sebarkan. Sebagai contoh : Element dalam sistem periodik dengan nomer atom yang besar seperti timbal akan meyerap energi sinar ionisasi efek fotoelektrik, sedangkan element yang bernomer atom kecil akan menyebarkan sinar ionisasi tersebut. Penyebaran sinar Rontgen pada dasarnya lebih kuat dari sinar cahaya yang dapat dilihat polychromatik. Bahkan sinar rontgen normal pada perjalanannya di udara mengalami penyebaran, ini juga yang menjadi sumber bahaya yang serius didalam penggunaan sinar rontgen di kedokteran tanpa pakaian khusus. Pada penyebaran secara normal energi sinar rontgen tidak berubah, yang berubah adalah arah begeraknya.
Hamburan Compton terjadi ketika insiden foton sinar-x dibelokkan dari jalan aslinya oleh interaksi dengan elektron. Elektron dikeluarkan dari posisi orbit dan x-ray foton kehilangan energi karena interaksi, tetapi terus perjalanan melalui materi sepanjang jalan diubah. Energi dan momentum yang dilestarikan dalam proses ini. Pergeseran energi tergantung pada sudut hamburan dan bukan pada sifat dari media hamburan. Karena x-ray tersebar foton memiliki energi lebih sedikit, memiliki panjang gelombang lebih panjang dan kurang penetrasi dari foton insiden. Efek Compton (juga disebut hamburan Compton) adalah hasil dari sebuah bertabrakan foton energi tinggi dengan target, yang melepaskan elektron yang terikat longgar dari kulit terluar dari atom atau molekul.
Bagaimana Ini Bekerja?
Hamburan ini ditunjukkan dalam gambar ke kanan. Sebuah foton energi tinggi (umumnya X-ray atau sinar gamma) bertabrakan dengan target, yang memiliki elektron yang terikat longgar di kulit terluarnya. Insiden foton memiliki energi E dan momentum p berikut linier:
E = hc / lambda
p = E / c
Eksperimen yang memberikan bukti paling nyata tentang
keberadaan sifat partikel dari radiasi. Kalau efek fotolistrik menguatkan adanya sifat partikel dari cahaya yaitu gambaran foton untuk cahaya, maka efek Compton akan memberikan gambaran sifat gelombang untuk materi meyakinkan realitas foton karena memperkenalkan momentum foton, juga energi foton kedalam situasi eksperimental.
Seberkas sinar-x dengan panjang gelombang λ dijatuhkan pada target Grafit.
Compton lalu mengukur intensitas sinar-x terhambur dari target sebagai fungsi panjang
gelombang untuk beberapa arah terpilih. Kemudian diketemukan bahwa meskipun
berkas datang hanya mengandung satu panjang gelombang, sinar-x terhambur akan
mempunyai puncak-puncak inensitas pada dua panjang gelombang. Satu puncak
berkaitan dengan panjang gelombang datang λ sedang yang lain λ’ yang lebih besar dari
λ. Selisih pajang gelombang ini disebut pergeseran Compton (Compton Shift). Hamburan Compton adalah kepentingan utama untuk biologi penyinaran , karena itu adalah interaksi yang paling mungkin dari sinar gamma dan sinar X dengan energi tinggi atom dalam makhluk hidup dan diterapkan dalam terapi radiasi
Efek Compton pertama kali diamati oleh Arthur Compton di 1923 dan penemuan ini menyebabkan penghargaan dari 1927 Penghargaan Nobel dalam Fisika. Penemuan ini penting karena menunjukkan cahaya yang tidak dapat dijelaskan murni sebagai sebuah fenomena gelombang. Pekerjaan Compton meyakinkan komunitas ilmiah bahwa cahaya dapat berperilaku sebagai aliran partikel (foton) yang energinya sebanding dengan frekuensi.
Perubahan panjang gelombang dari foton tersebar adalah diberikan oleh:
Persamaan 1
Dimana: l = panjang gelombang insiden foton sinar-x
l ' = panjang gelombang sinar-x tersebar foton
h = Konstan Planck tentang The konstanta dasar yang sama dengan rasio energi E dari kuantum energi untuk yang frekuensi v: E = hv.
m e = massa elektron saat istirahat
c = kecepatan cahaya
q = Sudut hamburan foton tersebar
Applet di bawah ini menunjukkan hamburan Compton yang dihitung dengan rumus Klein-Nishina, yang memberikan prediksi yang akurat dari distribusi sudut x-ray dan gamma-sinar yang insiden pada sebuah elektron tunggal. Sebelum formula ini berasal, elektron penampang telah klasik diturunkan oleh fisikawan Inggris dan penemu elektron, JJ Thomson. Namun, eksperimen hamburan menunjukkan penyimpangan yang signifikan dari hasil diprediksi oleh model Thomson. Klein-Nishina rumus menggabungkan faktor Breit-Dirac mundur, R, juga dikenal sebagai tekanan radiasi. Rumus juga mengoreksi untuk mekanika kuantum relativistik dan memperhitungkan interaksi spin dan momen magnetik elektron dengan radiasi elektromagnetik mekanika kuantum. Sistem mekanik didasarkan pada teori kuantum untuk memberikan penjelasan yang konsisten dari kedua gelombang elektromagnetik dan struktur atom.
Applet menunjukkan bahwa ketika sebuah foton dari energi yang diberikan hit atom, kadang-kadang tercermin dalam arah yang berbeda. Pada saat yang sama, kehilangan energi untuk elektron yang dikeluarkan dari atom. Theta adalah sudut antara arah foton tersebar dan jalur foton insiden. Phi adalah sudut antara arah elektron tersebar dan jalur foton insiden.
Unsharpness geometrik mengacu pada hilangnya definisi yang merupakan hasil dari faktor-faktor geometrik dari peralatan radiografi dan setup. Hal ini terjadi karena radiasi tidak berasal dari satu titik melainkan atas area. Pertimbangkan gambar di bawah yang menunjukkan dua sumber yang berbeda ukuran, jalan radiasi dari setiap ujung sumber untuk setiap tepi fitur sampel, lokasi di mana radiasi ini akan mengekspos film dan profil kepadatan di film. Pada gambar pertama, radiasi berasal pada sumber yang sangat kecil. Karena semua radiasi pada dasarnya berasal dari titik yang sama, sangat unsharpness geometrik sedikit diproduksi di gambar. Pada gambar kedua, ukuran sumber lebih besar dan jalan yang berbeda bahwa sinar radiasi dapat mengambil dari titik asal mereka dalam sumber penyebab tepi takik menjadi kurang didefinisikan.
Gambar 4
Tiga faktor pengendali adalah sumber unsharpness ukuran, sumber untuk objek jarak, dan objek jarak detektor. Ukuran sumber referensi diperoleh dengan spesifikasi produsen untuk sumber X-ray atau sinar gamma yang diberikan. Industri x-ray tabung sering memiliki ukuran focal spot 1,5 mm sistem kuadrat tapi microfocus memiliki ukuran tempat di kisaran 30 mikron. Sebagai ukuran sumber menurun, unsharpness geometris juga menurun. Untuk sumber ukuran tertentu, unsharpness juga dapat dikurangi dengan meningkatkan sumber ke objek jarak, tetapi ini datang dengan penurunan intensitas radiasi.
Objek jarak detektor biasanya dijaga sekecil mungkin untuk membantu meminimalkan unsharpness. Namun, ada situasi, seperti ketika menggunakan pembesaran geometris, ketika objek dipisahkan dari detektor, yang akan mengurangi definisi. Applet di bawah ini memungkinkan unsharpness geometris yang akan divisualisasikan sebagai ukuran sumber, sumber jarak objek, dan sumber jarak detektor bervariasi. Daerah dari berbagai kepadatan di tepi fitur yang hasil karena faktor geometrik disebut penumbra. Penumbra adalah daerah abu-abu terlihat dalam applet.
Gambar 5
Kode dan standar yang digunakan dalam radiografi industri mengharuskan unsharpness geometris dibatasi. Secara umum, jumlah yang diijinkan adalah 1 / 100 dari ketebalan material hingga maksimum 0,040 inci. Nilai-nilai ini mengacu pada tingkat bayangan penumbra dalam gambar radiografi. Karena penumbra hampir tidak didefinisikan dengan baik seperti yang ditunjukkan pada gambar ke kanan, sulit untuk mengukur dalam radiograf. Oleh karena itu biasanya dihitung. Ukuran sumber harus diperoleh dari produsen peralatan atau diukur. Kemudian unsharpness dapat dihitung menggunakan pengukuran terbuat dari setup.
Untuk kasus, seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan, di mana sampel ketebalan signifikan ditempatkan berdekatan dengan detektor, rumus berikut ini digunakan untuk menghitung jumlah maksimum unsharpness karena ketebalan spesimen:
Ug = f . b / a
f = sumber fokus-spot ukuran
a = jarak dari sumber ke permukaan depan objek
b = ketebalan objek
Untuk kasus ketika detektor tidak ditempatkan di samping sampel, seperti ketika perbesaran geometris sedang digunakan, perhitungan menjadi:
Ug = f . b / a
f = sumber fokus-spot ukuran.
a = jarak dari x-ray source ke permukaan depan bahan / objek
b = jarak dari permukaan depan objek untuk detektor .
Efek Radiasi Terhadap Manusia
Dilihat dari interaksi biologi tadi di atas, maka secara biologis efek radiasi dapat dibedakan atas :
1. Berdasarkan jenis sel yang terkena paparan radiasi
Sel dalam tubuh manusia terdiri dari sel genetic dan sel somatic. Sel genetic adalah sel telur pada perempuan dan sel sperma pada laki-laki, sedangkan sel somatic adalah sel-sel lainnya yang ada dalam tubuh. Berdasarkan jenis sel, maka efek radiasi dapat dibedakan atas :
• Efek Genetik (non-somatik) atau efek pewarisan adalah efek yang dirasakan oleh keturunan dari individu yang terkena paparan radiasi.
• Efek Somatik adalah efek radiasi yang dirasakan oleh individu yang terpapar radiasi. Waktu yang dibutuhkan sampai terlihatnya gejala efek somatik sangat bervariasi sehingga dapat dibedakan atas :
o Efek segera adalah kerusakan yang secara klinik sudah dapat teramati pada individu dalam waktu singkat setelah individu tersebut terpapar radiasi, seperti epilasi (rontoknya rambut), eritema (memerahnya kulit), luka bakar dan penurunan jumlah sel darah. Kerusakan tersebut terlihat dalam waktu hari sampai mingguan pasca iradiasi.
o Efek tertunda merupakan efek radiasi yang baru timbul setelah waktu yang lama (bulanan/tahunan) setelah terpapar radiasi, seperti katarak dan kanker.
2. Berdasarkan dosis radiasi
Bila ditinjau dari dosis radiasi (untuk kepentingan proteksi radiasi), efek radiasi dibedakan atas efek stokastik dan efek deterministic (non-stokastik).
Efek Stokastik adalah efek yang penyebab timbulnya merupakan fungsi dosis radiasi dan diperkirakan tidak mengenal dosis ambang. Efek ini terjadi sebagai akibat paparan radiasi dengan dosis yang menyebabkan terjadinya perubahan pada sel. Radiasi serendah apapun selalu terdapat kemungkinan untuk menimbulkan perubahan pada sistem biologik, baik pada tingkat molekul maupun sel. Dengan demikian radiasi dapat pula tidak membunuh sel tetapi mengubah sel, sel yang mengalami modifikasi atau sel yang berubah ini mempunyai peluang untuk lolos dari sistem pertahanan tubuh yang berusaha untuk menghilangkan sel seperti ini. Semua akibat proses modifikasi atau transformasi sel ini disebut efek stokastik yang terjadi secara acak. Efek stokastik terjadi tanpa ada dosis ambang dan baru akan muncul setelah masa laten yang lama. Semakin besar dosis paparan, semakin besar peluang terjadinya efek stokastik, sedangkan tingkat keparahannya tidak ditentukan oleh jumlah dosis yang diterima. Bila sel yang mengalami perubahan adalah sel genetik, maka sifat-sifat sel yang baru tersebut akan diwariskan kepada turunannya sehingga timbul efek genetik atau pewarisan. Apabila sel ini adalah sel somatik maka sel-sel tersebut dalam jangka waktu yang relatif lama, ditambah dengan pengaruh dari bahan-bahan yang bersifat toksik lainnya, akan tumbuh dan berkembang menjadi jaringan ganas atau kanker.
Maka dari itu dapat disimpulkan ciri-ciri efek stokastik :
• Tidak mengenal dosis ambang
• Timbul setelah melalui masa tenang yang lama
• Keparahannya tidak bergantung pada dosis radiasi
• Tidak ada penyembuhan spontan
• Efek ini meliputi : kanker, leukemia (efek somatik), dan penyakit keturunan (efek genetik).
Efek Deterministik (non-stokastik) adalah efek yang kualitas keparahannya bervariasi menurut dosis dan hanya timbul bila dosis ambang dilampaui. Efek ini terjadi karena adanya proses kematian sel akibat paparan radiasi yang mengubah fungsi jaringan yang terkena radiasi. Efek ini dapat terjadi sebagai akibat dari paparan radiasi pada seluruh tubuh maupun lokal. Efek deterministik timbul bila dosis yang diterima di atas dosis ambang (threshold dose) dan umumnya timbul beberapa saat setelah terpapar radiasi. Tingkat keparahan efek deterministik akan meningkat bila dosis yang diterima lebih besar dari dosis ambang yang bervariasi bergantung pada jenis efek. Pada dosis lebih rendah dan mendekati dosis ambang, kemungkinan terjadinya efek deterministik dengan demikian adalah nol. Sedangkan di atas dosis ambang, peluang terjadinya efek ini menjadi 100%.
• Mempunyai dosis ambang
• Umumnya timbul beberapa saat setelah radiasi
• Adanya penyembuhan spontan (tergantung keparahan)
• Tingkat keparahan tergantung terhadap dosis radiasi
• Efek ini meliputi : luka bakar, sterilitas / kemandulan, katarak (efek somatik)
Darai penjelasan di atas dapat disimpulkan :
• Efek Genetik merupakan efek stokastik, sedangkan
• Efek Somatik dapat berupa stokastik maupun deterministik (non-stokastik)
Efek radiasi secara biologis terhadap manusia dapat dilihat dari bagan berikut :
Gambar 7 Bagan Efek Radiasi
Daftar Pustaka
Gabriel, S. 1995. Fisika Kesehatan. ECG: Jakarta (BU.1)
www.scribd.com/doc/55473492/efek-compton
http://doni-electric.blogspot.com/2008/01/efek-compton.html
http:// inherent.ub.ac.id/vlm/mod/resource/view.php?inpopup=true&id
http:// zuhdiismail.blog.uns.ac.id/2010/10/21/efek-compton/html
http://aktifisika.wordpress.com/2010/02/22/sifat-partikel-dari-cahaya-efek-compton/
Tidak ada komentar:
Posting Komentar