TERLENGKAP! Kumpulan Contoh Soal Fisika Sinar X (Pilihan Ganda, Esai, & Kunci Jawaban)

1. C

Pembahasan: Wilhelm Conrad Röntgen adalah fisikawan Jerman yang menemukan Sinar X pada tahun 1895, sebuah penemuan yang memberinya Hadiah Nobel Fisika pertama.

2. A

Pembahasan: Urutan spektrum elektromagnetik dari panjang gelombang terpanjang ke terpendek (atau frekuensi terendah ke tertinggi) adalah: gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, cahaya tampak, ultraviolet, Sinar X, dan sinar gamma.

3. B

Pembahasan: Dalam tabung Coolidge, elektron-elektron yang dipercepat dari katoda menumbuk target anoda (logam berat), dan interaksi ini menghasilkan Sinar X melalui proses Bremsstrahlung dan Sinar X karakteristik.

4. C

Pembahasan: Sinar X memiliki daya tembus yang tinggi. Dalam aplikasi medis, Sinar X dapat menembus jaringan lunak tubuh (seperti otot dan organ) dengan relatif mudah, tetapi diserap lebih kuat oleh materi dengan nomor atom lebih tinggi seperti tulang, sehingga memungkinkan pencitraan struktur internal.

5. C

Pembahasan: Panjang gelombang minimum Sinar X (λmin) berbanding terbalik dengan beda potensial (V) yang diterapkan pada tabung, sesuai rumus λmin = hc / (eV). Semakin tinggi tegangan, semakin pendek panjang gelombang minimumnya.

6. B

Pembahasan: Sinar X karakteristik dihasilkan ketika elektron yang dipercepat menumbuk atom target, mengeluarkan elektron dari kulit atom bagian dalam. Kekosongan ini kemudian diisi oleh elektron dari kulit atom yang lebih tinggi, memancarkan foton Sinar X dengan energi karakteristik (spesifik untuk jenis atom target).

7. B

Pembahasan: Sinar X umumnya dihasilkan dari interaksi elektron dengan elektron atau inti atom (transisi elektron kulit dalam atau pengereman elektron). Sinar gamma dihasilkan dari peluruhan radioaktif inti atom.

8. C

Pembahasan: Hukum Bragg menjelaskan kondisi difraksi Sinar X oleh kisi kristal, yang memungkinkan penentuan jarak antar bidang atom (d) dan struktur kristal.

9. C

Pembahasan: Energi maksimum foton Sinar X (Emax) sama dengan energi kinetik maksimum elektron yang dipercepat, yaitu Emax = eV. Jika tegangan (V) adalah 80 kV, maka energi maksimumnya adalah 80 keV. (1 eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ J)

10. B

Pembahasan: Bremsstrahlung (radiasi pengereman) adalah Sinar X yang dihasilkan ketika elektron yang dipercepat mendekati inti atom target dan melambat secara tiba-tiba karena gaya Coulomb, melepaskan energi dalam bentuk foton Sinar X.

11. C

Pembahasan: Daya tembus Sinar X berbanding lurus dengan energinya. Energi Sinar X berbanding lurus dengan tegangan tabung (E = eV). Jadi, meningkatkan tegangan tabung akan menghasilkan Sinar X dengan energi lebih tinggi dan daya tembus lebih besar.

12. B

Pembahasan: Di industri, Sinar X digunakan untuk Non-Destructive Testing (NDT) seperti memeriksa cacat pada material, las, atau komponen mesin tanpa merusaknya.

13. C

Pembahasan: Filter Sinar X berfungsi untuk menyerap foton Sinar X berenergi rendah (soft X-rays) yang memiliki daya tembus rendah, tidak berkontribusi pada pencitraan, dan hanya meningkatkan dosis radiasi pada pasien.

14. B

Pembahasan: Katoda (biasanya filamen yang dipanaskan) adalah sumber elektron yang akan dipercepat menuju anoda.

15. B

Pembahasan: Menggunakan rumus c = λf, maka f = c/λ. Karena 0,1 nm = 0,1 × 10⁻⁹ m = 10⁻¹⁰ m, maka f = (3 × 10⁸ m/s) / (10⁻¹⁰ m) = 3 × 10¹⁸ Hz.

16. C

Pembahasan: Timbal (Pb) adalah material yang sangat efektif dalam menyerap Sinar X karena nomor atomnya yang tinggi, sehingga apron timbal digunakan sebagai pelindung radiasi.

17. A

Pembahasan: Menggunakan rumus E = hf. E = (6,63 × 10⁻³⁴ J·s) × (2 × 10¹⁸ Hz) = 13,26 × 10⁻¹⁶ J = 1,326 × 10⁻¹⁵ J.

18. C

Pembahasan: Efek Compton, di mana foton Sinar X menumbuk elektron dan kehilangan energi serta berubah arah, adalah bukti kuat dualisme gelombang-partikel dari cahaya, termasuk Sinar X.

19. C

Pembahasan: Tungsten (W) adalah pilihan yang umum untuk anoda karena memiliki titik leleh yang sangat tinggi, nomor atom yang tinggi (untuk efisiensi produksi Sinar X), dan konduktivitas termal yang baik.

20. C

Pembahasan: Intensitas Sinar X (jumlah foton yang dihasilkan) berbanding lurus dengan jumlah elektron yang menumbuk anoda per detik, yang pada gilirannya ditentukan oleh arus filamen (jumlah elektron yang dipancarkan oleh katoda).

1. Wilhelm Conrad Röntgen

2. Coolidge

3. Bremsstrahlung

4. Gray (Gy)

5. Jarak antar bidang atom dalam kristal

1. Dalam tabung Coolidge, proses produksi Sinar X dimulai dengan pemanasan filamen katoda, yang melepaskan elektron melalui emisi termionik. Elektron-elektron ini kemudian dipercepat oleh beda potensial tinggi antara katoda dan anoda (target logam berat, biasanya tungsten atau molibdenum). Saat elektron-elektron berkecepatan tinggi ini menumbuk anoda, energi kinetik mereka diubah menjadi Sinar X melalui dua mekanisme utama: Pertama, radiasi Bremsstrahlung (radiasi pengereman), di mana elektron melambat tiba-tiba saat berinteraksi dengan medan listrik inti atom target, melepaskan energi sebagai foton Sinar X dengan spektrum kontinu. Kedua, Sinar X karakteristik, yang terjadi ketika elektron yang datang mengeluarkan elektron dari kulit atom dalam target. Kekosongan ini diisi oleh elektron dari kulit yang lebih tinggi, memancarkan foton Sinar X dengan energi spesifik yang merupakan karakteristik dari materi target.

2. Tiga sifat utama Sinar X adalah: 1. **Daya Tembus Tinggi**: Sinar X memiliki energi yang sangat tinggi, memungkinkannya menembus berbagai material padat yang buram terhadap cahaya tampak, seperti jaringan lunak tubuh manusia, kayu, atau plastik. Daya tembus ini bergantung pada energi Sinar X dan kerapatan serta nomor atom material. 2. **Merambat Lurus dan Tidak Dibelokkan oleh Medan Listrik atau Magnet**: Karena Sinar X adalah gelombang elektromagnetik (foton) dan tidak bermuatan, ia merambat lurus dan tidak dipengaruhi oleh medan listrik maupun medan magnet, mirip dengan cahaya tampak. 3. **Dapat Mengionisasi Materi**: Sinar X memiliki energi yang cukup tinggi untuk melepaskan elektron dari atom atau molekul yang dilewatinya, menyebabkan ionisasi. Efek ionisasi ini yang bertanggung jawab atas kerusakan biologis (misalnya pada sel tubuh) dan juga prinsip dasar deteksi Sinar X (misalnya pada film fotografi atau detektor digital).

3. Hukum Bragg menjelaskan fenomena difraksi Sinar X oleh kisi kristal. Ketika Sinar X ditembakkan ke kristal, ia akan dihamburkan oleh atom-atom dalam kristal. Jika sudut datang Sinar X (θ) dan jarak antar bidang atom (d) memenuhi kondisi tertentu, gelombang Sinar X yang dihamburkan dari bidang-bidang atom yang berbeda akan berinterferensi secara konstruktif, menghasilkan pola difraksi yang terdeteksi sebagai puncak intensitas. Pola difraksi ini unik untuk setiap struktur kristal. Dengan mengukur sudut difraksi (θ) dan mengetahui panjang gelombang Sinar X (λ), Hukum Bragg memungkinkan penentuan jarak antar bidang atom (d) dalam kristal, sehingga mengungkap struktur atomik kristal tersebut. Persamaan Hukum Bragg adalah: 2d sinθ = nλ, di mana d adalah jarak antar bidang atom, θ adalah sudut Bragg (sudut datang), n adalah bilangan bulat (orde difraksi), dan λ adalah panjang gelombang Sinar X.

4. Diketahui: Beda potensial (V) = 50 kV = 50 × 10³ V. Konstanta Planck (h) = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s. Kecepatan cahaya (c) = 3 × 10⁸ m/s. Muatan elektron (e) = 1,6 × 10⁻¹⁹ C. Rumus panjang gelombang minimum (λmin) adalah: λmin = hc / (eV). Substitusikan nilai-nilai yang diketahui: λmin = (6,63 × 10⁻³⁴ J·s × 3 × 10⁸ m/s) / (1,6 × 10⁻¹⁹ C × 50 × 10³ V). λmin = (19,89 × 10⁻²⁶ J·m) / (80 × 10⁻¹⁶ J). λmin = 0,248625 × 10⁻¹⁰ m. λmin = 2,486 × 10⁻¹¹ m. Jadi, panjang gelombang minimum Sinar X yang dihasilkan adalah sekitar 2,486 × 10⁻¹¹ meter.

5. Sinar X berbahaya bagi kesehatan karena sifatnya yang dapat mengionisasi materi. Ketika Sinar X menembus jaringan tubuh, energinya dapat merusak DNA dalam sel, menyebabkan mutasi, kematian sel, atau bahkan perkembangan kanker. Paparan radiasi Sinar X juga dapat menyebabkan efek samping jangka pendek seperti kulit terbakar radiasi atau kerontokan rambut, serta efek jangka panjang seperti katarak atau masalah kesuburan. Cara meminimalkan risiko paparan Sinar X meliputi: 1. **Pembatasan Waktu (Time)**: Mengurangi durasi paparan radiasi. Semakin singkat waktu paparan, semakin rendah dosis yang diterima. 2. **Jarak (Distance)**: Menjaga jarak sejauh mungkin dari sumber radiasi. Intensitas radiasi berkurang sebanding dengan kuadrat jarak dari sumber. 3. **Perisai (Shielding)**: Menggunakan material pelindung yang efektif seperti timbal (apron timbal, dinding berlapis timbal) untuk menyerap radiasi dan mencegahnya mencapai tubuh. 4. **Penggunaan Dosis Serendah Mungkin (ALARA principle)**: Selalu berusaha menggunakan dosis radiasi seminimal mungkin yang masih efektif untuk tujuan diagnostik atau terapeutik. 5. **Pemantauan Dosis**: Penggunaan dosimeter (alat pengukur dosis radiasi) untuk memantau paparan radiasi yang diterima oleh pekerja radiasi.

1. A-2, B-1, C-3

2. A-2, B-1, C-3