Penemuan sinar x dan radioaktivitas
- 1. Penemuan Sinar-X dan Radioaktivitas Ringkasan Pada saat hendak meneliti sifat sinar katoda, Roentgen yang telah meneliti sinar katoda menemukan sinar-X. Becquerel menemukan radioaktivitas ketika melakukan penelitian untuk memastikan munculnya sinar-X bersama dengan adanya perpendaran (fotoluminesensi). Pasangan suami-istri Pierre dan Marie Curie menemukan unsur baru Polonium dan Radium yang memiliki radioaktivitas tinggi dari dalam tambang uranium. Rangkaian penemuan besar ini terjadi di akhir abad 19. Dengan demikian pengetahuan kita mengenai materi mengalami kemajuan yang besar. Uraian 1. Penemuan Sinar-X. Di akhir tahun 1895, Roentgen (Wilhelm Conrad Roentgen, Jerman, 1845 - 1923), seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wuerzburg di Jerman dengan sungguh- sungguh melakukan penelitian tabung sinar katoda. Ia membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran fotoluminesensi dari dalam tabung ke luar. Lalu ia membuat ruang penelitian menjadi gelap. Pada saat membangkitkan sinar katoda, ia 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. Di tahun 1895 itu Roentgen sendirian melakukan penelitian sinar-X dan meneliti sifat- sifatnya. Pada tahun itu juga 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. Skema peralatan ditampilkan pada Gambar 1. Foto tulang tangan yang diambil pada saat itu ditampilkan pada Gambar 2.
- 2. 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). 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. 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). 2. Penemuan Radioaktivitas Uranium Laporan Roentgen diperkenalkan kepada Akademi Paris pada Januari 1896 oleh Poankale yang merupakan ilmuwan Perancis terkemuka saat itu. Di dalam artikel Akademi waktu itu terdapat prediksi Poankale yang menyatakan bahwa materi yang berpendar dengan kuat memiliki kemungkinan untuk memancarkan sinar-X juga bersama sinar fluoresensi. Banyak dikenal materi yang berpendar karena stimulasi dari sinar matahari atau sinar lain. Becquerel (Antoine Henri Becquerel, Perancis, 1852 - 1908) yang merupakan profesor fisika di Museum Sains Paris berpikir untuk memastikan hal ini. Keluarga Becquerel sejak dari generasi kakek bekerja sebagai profesor fisika di Museum Sains, ayah Becquerel adalah peneliti materi pendar. Becquerel segera dapat melakukan penelitian menggunakan materi pendar yang dikumpulkan oleh ayahnya. Becquerel memasukkan pelat fotografi dan kain hitam ke dalam kotak aluminium. Dia berupaya agar pelat fotografi tidak mengalami perubahan walaupun kotak aluminium terkena sinar matahari. Dia meletakkan (mengoleskan) garam uraniumi di atas kotak aluminium, membiarkannya terkena sinar matahari selama beberapa jam, lalu memroses pelat fotografi itu. Jika oleh stimulasi sinar matahari sinar-X dipancarkan dari uranium, maka sinar-X yang menembus kain hitam dan aluminium pasti akan menghitamkan pelat fotografi. Ternyata memang pelat fotografi menjadi hitam seperti yang diperkirakan. Tetapi kembali terjadi hal yang tidak diperkirakan. Karena hari berawan berlangsung terus, Becquerel tidak dapat menggunakan sinar matahari seperti di atas. Becquerel memroses pelat fotografi dengan suatu pikiran untuk memastikan bahwa pelat tidak akan menjadi hitam karena tidak terkena sinar matahari. Tetapi pelat tetap menjadi hitam
- 3. walaupun kotak tidak terkena sinar matahari. Becquerel menemukan fakta ini pada Maret 1896. Setelah melakukan percobaan dengan meletakkan berbagai materi di atas pelat fotografi, ia mengetahui bahwa sifat materi pendar dan bentuk kimia tidak mempunyai pengaruh dalam hal ini. Semua materi yang mengandung uranium pasti dapat menghitamkan pelat fotografi. Khususnya dalam hal logam uranium, tingkat kehitamannya besar. Becquerel berpikir bahwa dari uranium terpancar radiasi yang mirip dengan sinar-X. Untuk sementara sinar ini disebut sinar Becquerel. Kesamaan sifat antara sinar Becquerel dengan sinar-X, selain sama-sama dapat menghitamkan pelat fotografi, adalah keduanya dapat mengionkan udara. 3. Penemuan Polonium dan Radium. Marie Sklodowska Curie (Polandia-Perancis, 1867 - 1934) menikah dengan Pierre Curie (Perancis, 1859 - 1906) dan siap memulai kehidupan seorang peneliti dengan meneliti sinar Becquerel sebagai tema penelitian untuk mendapatkan gelar akademik. Pierre yang saat itu sudah menjadi salah satu peneliti terkemuka bermaksud membantu istrinya dengan menyarankan pemakaian alat ukur arus yang sangat sensitif (Galvanometer Feebles) seperti terlihat pada Gambar 3. Marie Curie menggunakan alat ukur arus yang sangat sensitif dan melakukan pengukuran secara kuantitatif radioaktivitas (kemampuan melepaskan radiasi) dari materi yang dapat ia peroleh. Hanya materi yang mengandung uranium atau thorium yang menunjukkan radioaktivitas. Berdasarkan pengukuran secara kuantitatif diketahui bahwa radioaktivitas berbanding lurus dengan jumlah uranium atau thorium, sedangkan suhu serta bentuk kimia dari materi tidak berpengaruh. Tetapi disinipun teramati sesuatu yang di luar dugaan. Dua bahan tambang uranium yaitu pitch blend (uranium oksida) dan shell corit (tembaga dan uranil) menunjukkan radioaktivitas yang besar yang tidak dapat dijelaskan dengan jumlah uranium yang ada di dalamnya. Marie Curie mencampur shell corit dengan bahan lain dan kemudian melakukan pengukuran. Ternyata hanya bagian yang mengandung uranium yang menunjukkan adanya radioaktivitas. Fakta ini dilaporkan di Akademi Sains Paris bulan April 1898. Marie Curie berpikir bahwa di dalam batuan uranium alam terdapat unsur yang belum diketahui dalam jumlah yang sangat sedikit, dan setelah itu ia lebih serius lagi menemukan unsur radioaktif yang belum diketahui. Pierre kemudian berhenti melakukan penelitiannya sendiri untuk bekerja sama dengan Marie menemukan unsur baru. (Pierre terus melakukan penelitian radioaktivitas sebelum meninggal pada tahun 1906 karena kecelakaan). Batuan dalam jumlah besar dilarutkan dan dilakukan pemisahan dengan prosedur analisis kimia. Radioaktivitas dari bagian yang terpisah diukur dengan alat ukur listrik yang dikonsentrasikan pada bagian yang memiliki radioaktivitas tinggi. Unsur radioaktif yang belum diketahui itu menunjukkan sifat yang mirip dengan bismuth. Bagian yang terambil ini ternyata merupakan campuran antara bismuth sulfat dan bahan radioaktif dalam bentuk sulfat. Pemisahan antara bismuth dan
- 4. unsur yang belum diketahui itu dapat dilakukan berdasarkan perbedaan sifat sublimasinya. Bahan campuran itu dipanaskan dalam vakum pada suhu 700° C dan dibiarkan menyublim, dalam suhu 250° - 300° C bahan radioaktif dalam bentuk sulfat itu menempel pada dinding seperti cat berwarna hitam. Beginilah cara penemuan salah satu unsur radioaktif yang belum diketahui. Pada Juni 1898 laporan atas nama suami-istri Curie disampaikan kepada Akademi. Dalam laporan ini diusulkan nama Polonium untuk unsur baru sesuai dengan nama negara kelahiran Marie Curie. Dari analisis juga ditemukan adanya radioaktifitas yang kuat di dalam kelompok barium, secara kimiawi sifatnya sama dengan barium. Pemisahan bagian yang memiliki radioaktivitas dengan cara pemisahan kristal berdasarkan perbedaan kelarutan dalam air, campuran air dan alkohol, kelarutan garam dalam larutan asam klorida. Dengan cara seperti inilah unsur radioaktif radium ditemukan. Penemuan ini dipresentasikan pada bulan September 1898 sebagai hasil penelitian bersama suami-istri Curie dan rekan sekerja Pemon. Gambar Gambar 1 Skema peralatan Roentgen. Gambar 2 Foto yang dibuat Roentgen dengan sinar-X. Gambar 3 Alat ukur arus listrik sensitif yang disarankan oleh Pierre Curie dan yang berguna pada penemuan Radium.