MODUL 4 FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS DISUSUN OLEH
advertisement
MODUL 4 FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS DISUSUN OLEH: AHMAD DARMADI MGMP FISIKA GUNUNGKIDUL 2009 1 Kata Pengantar Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas karunia dan hidayah-Nya sehingga kami dapat menyusun bahan ajar modul manual mata pelajaran Fisika untuk SMA . Modul yang disusun ini menggunakan pendekatan pembelajaran berdasarkan kompetensi, sebagai konsekuensi logis dari Kurikulum KTSP menggunakan pendekatan kompetensi (CBT: Competency Based Training). Modul Fisika Inti dan Radioaktivitas merupakan salah satu diantara modul modul Pembelajaran Fisika di SMA. Modul ini diharapkan dapat menjadi sumber belajar serta dapat dijadikan pedoman dalam melakukan kegiatan pembelajaran. Dalam modul ini akan dipelajari konsep nuklida dan energi ikat inti, Radioaktivitas Kesatabilan inti dan peluruhan, Aktifitas radiasi, Waktu paro dan Energi reaksi fusi dan fisi. Dan bebarapa tambahan materi pengayaan dalam memanfaatkan zat radioaktif dalam perkembangan teknologi dan kehidupan sehari-hari. Dalam modul ini juga dilengkapi soal-soal sebagai alat untuk mengukur tingkat pemahaman anda terhadap konsep yang disajikan dalam modul. Diharapkan para pemakai berpegang pada azas keterlaksanaan, kesesuaian dan fleksibilitas, dengan mengacu pada perkembangan IPTEK dalam rangka membekali kompetensi yang terstandar pada para siswa. Penulis menyadari bahwa penyajian materi dalam modul ini masih jauh dari sempurna, baik dari segi kualitas isi dan tampilannya. Oleh karenanya penulis berharap masukan-masukan yang konstruktif dari para pembaca demi kesempurnaan modul ini. Dan atas perhatiannya disampaikan banyak terimakasih. Dan akhirnya mudah-mudahan tulisan ini bermanfaat. Gunungkidul, September 2009 Penyusun , 2 DAFTAR ISI JUDUL....................................................................................................... 1 KATA PENGANTAR …………………………………………………………… 2 DAFTAR ISI ............................................................................................ 3 DAFTAR GLOSARIUM……………………………………………………….. 4 1 PENDAHULUAN ............................................................................. 1.1 Deskripsi .................................................................................. 1.2 Prasyarat .................................................................................. 1.3 Petunjuk Penggunaan Modul ................................................... 1.4 Tujuan Akhir .............................................................................. 1.5 Cek Kemampuan ..................................................................... 5 5 5 5 6 7 2 KEGIATAN BELAJAR 1 ................................................................... 8 2.1 Fisika Inti……………………………………………………………… 8 2.2 Radioaktivitas………………………………………………………… 12 2.3 Reaksi Inti……………………………………………………………. 1 8 2.4 Rangkuman…………………………………………………………... 21 3 KEGIATAN BELAJAR 3 ................................................................... 3.1 Dsis Serap……………………………………………………………. 3.2 Detektor Radiasi…………………………………………………….. 3.3 Bahaya Radiasi…………………………………………………….... 3.4 Pemanfaatan Radioisotop…………………………………………... 22 22 22 24 25 4 EVALUASI ..................................................................................... Soal Uji Kompetensi ........................................................................ 26 26 3 DAFTAR GLOSARIUM Defek massa : massa yang hilang dan berubah menjadi energi (energi ikat inti) Elektron : partikel negatif yang mengorbit mengelilingi inti atom pada tingkat energi tertentu Foton : paket-paket energi gelombang elektromagnetik Isotop : inti-inti atom yang memiliki nomor atom sama tetapi nomor massa berbeda Netron : partikel netral penyusun inti atom Proton : partikel positif penyusun inti atom Radiasi : pancaran gelombang elektromagnetik Radioaktivitas : kegiatan peluruhan isotop-isotop tidak stabil 4 1. PENDAHULUAN 1.1 Deskripsi Nama Modul : FISIKA Kode Kompetensi : 4.1 dan 4.2 Ruang lingkup isi : - Fisika Inti dan Radioaktivitas - Pemanfaatan Radioaktif Kaitan Modul : Modul ini merupakan modul lanjutan dari modul sebelumnya tentang Teori Atom dan Relativitas. Standar Kompetensi dan Kompetensi Dasar : 4. Menunjukkan penerapan konsep fisika inti dan radioaktivitas dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari 4.1 Mengidentifikasi karakteristik inti atom dan radioaktivitas 4.2 Mendeskripsikan pemanfaatan radioaktif dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari 1.2 Prasyarat Untuk mempelajari modul ini, maka unit kompetensi dan pengetahuan yang harus dikuasai sebelumnya adalah Teori Atom dan Relativitas. 1.3 Petunjuk Penggunaan Modul Untuk peserta didik. 1. Kegiatan 1 dan 2 modul ini seperti anak tangga yang harus Anda lewati satu demi satu secara berurutan. Anda tidak diperbolehkan melompat-melompat diantara kegiatan yang ada pada modul ini. 2. Untuk setiap kegiatan, pelajarilah uraiannya secara seksama dan penuh kesungguhan. Kuasai simbol atau lambang besar-besaran yang ada pada modul ini. Hindari menghafal persamaan-persamaan atau yang Anda sebut sebagai rumus-rumus. 3. Seluruh persamaan yang ada pada modul ini didahului dengan uraian atau penjelasan mengenai asal-usul persamaan-persamaan tersebut. Pahamilah penalarannya. Perlahanlahan saja, tak perlu tergesa-gesa. Ulangi beberapa kali untuk mendapat pemahaman yang lebih sempurna. 5 4. Pahami contoh-contoh soal yang diberikan modul ini lalu ukur pemahaman Anda dengan cara menyelesaikan tugas di akhir kegiatan. Setelah itu baru maju ke kegiatan selanjutnya. 5. Diharapkan seluruh peserta didik dapat belajar secara aktif dengan mengumpulkan berbagai sumber selain modul ini, misalnya melalui buku, media elektronik maupun melalui internet. Selamat belajar! Untuk Guru 1. Membantu peserta didik dalam merencanakan proses belajar, utamanya dalam materi-materi yang relatif baru bagi peserta didik; 2. Membimbing peserta didik melalui tugas-tugas pelatihan yang dijelaskan dalam tahap belajar; 3. Membantu peserta didik dalam memahami konsep dan praktek dalam modul ini dan menjawab pertanyaan peserta didik mengenai proses belajar dan pencapaian jenjang pengetahuan peserta didik; 4. Membantu peserta didik untuk menentukan dan mengakses sumber tambahan lain yang diperlukan untuk belajar; 5. Mengorganisasikan kegiatan belajar kelompok jika diperlukan; 6. Melaksanakan penilaian 7. Menjelaskan kepada peserta didik mengenai bagian yang perlu untuk dibenahi dan merundingkan rencana pemelajaran selanjutnya; 8. Mencatat pencapaian kemajuan peserta didik. 1.4 Tujuan Akhir Setelah mempelajari modul ini, peserta didik diharapkan untuk dapat : 1. Mendeskripsikan karakteristik inti atom 2. Mendeskripsikan karakteristik radioaktivitas 3. Mendeskripsikan prinsip kesetaraan massa dan energi pada konsep energi ikat inti 4. Mendeskripsikan karakteristik radioisotop 5. Mendeskripsikan pemanfaatan dalam bidang kesehatan, industri, dan pertanian 6. Mendeskripsikan skema reaktor nuklir dan manfaatnya 7. Mendeskripsikan penghitungan umur fosil atau batuan dengan menggunakan prinsip waktu paro 8. Menjelaskan bahaya radioisotop dan cara mengurangi resikonya 6 1.5 Cek Kemampuan Apabila Anda dapat menjawab seluruh soal di bawah ini, berarti anda telah menguasai Stanar Kompetensi dan Kompetensi Dasar materi pada modul ini: 1. Jelaskan karakteristik inti atom ! 2. Jelaskan karakteristik radioaktivitas ! 3. Jelaskan prinsip kesetaraan massa dan energi pada konsep energi ikat inti ! 4. Jelaskan karakteristik radioisotop! 5. Sebutkan pemanfaatan manfaat radioisotop dalam bidang kesehatan, industri, dan pertanian! 6. Jelaskan skema reaktor nuklir dan manfaatnya! 7. Jelaskan rumus penghitungan umur fosil atau batuan dengan menggunakan prinsip waktu paro! 8. Jelakan bahaya radioisotop dan cara mengurangi resikonya! 7 2. KEGIATAN BELAJAR 1 FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS Pernahkah kalian berfikir tentang bom nuklir, apakah hanya merugikan saja atau ada pemanfaatan yang lain. Pada buku inilah kalian dapat belajar tentang fisika nuklir. Oleh sebab itu setelah belajar bab ini diharapkan kalian dapat : 1. menjelaskan tentang inti atom, 2. menentukan peluruhan suatu isotop, 3. menentukan reaksi inti. 2. 1 FISIKA INTI 2.1.1 Inti Atom Partikel-partikel bermuatan positif yang menyusun inti yang disebut dengan Proton. Menurut Millikan dan Thomson, massa electron sangatlah kecil, sehingga massa proton hanya sedikit lebih kecil dari massa atom hydrogen.James Chadwick (1891-1974), pada tahun 1933 berhasil mendemonstrasikan kehadiran partikel neutron. Proton-proton dapat dengan mudah dideteksi oleh kamar ionisasi (ionization chamber detector). Dengan demikian, inti atom terdiri dari sejumlah proton dan sejumlah neutron tak bermuatan. Proton dan neutron sebagai penyusun inti atom (nucleus) disebut sebagai nucleon. Jumlah proton dalam suatu inti atom, dilambangkan oleh Z. Sedangkan jumlah nucleon dalam inti atom disebut nomor massa, dilambangkan oleh A. Jika unsur dilambangkan oleh X maka inti atom dengan nomor massa tertentu disebut nuklida.Sebuah nuklida dilambangkan dengan: Lambang nuklida Nomor Atom beberapa unsur. Nomor atom Unsur 1 Hidrogen Lambang H 2 Helium He 3 Litium Li 4 Berilium Be 5 Boron B 92 Uranium U Isotop yang umum 5 8 Dari Lambang nuclida X, kita bisa menentukan jumlah proton dan neutron dalam inti atom, dan sekaligus juga jumlah electron yang mengitari inti, yaitu sebagai berikut: Jumlah proton =Z Jumlah neutron =A–Z Neutron = Z untuk atom netral Nuklida-nuklida dengan jumlah proton sama tetapi jumlah neutron berbeda disebut Isotop. Nuklida-nuklida dengan jumlah nucleon sama tetapi jumlah proton berbeda disebut Isobar. Sedangkan nuklida-nuklida dengan jumlah neutron yang sama disebut Isoton. 2.1.2 Muatan dan Massa Partikel-partikel pembentuk atom. Proton memiliki satu muatan elementer positif yang besarnya sama dengan muatan e electron (dengan e = 1,6 x 10 -19 ). Neutron tidak bermuatan sehingga neutron tidak dibelokkan ketika melalui suatu medan listrik atau magnetic. Itulah sebabnya neutron lebih sukar untuk dideteksi. Massa-massa inti dapat diukur dengan ketelitian tinggi dengan memakai spectrometer. Massa atom terlalu kecil jika dinyatakan dalam satuan kilogram, sehingga massa atom dinyatakan dalam atomic mass unit(u). massa.1 atomic mass unit (u) tepat sama dengan 1/12 massa isotop karbon12 ( 6C ). atau proton atau satu neutron kira-kira memiliki 1 sma. Elektron memiliki massa hanya sebagian kecil dari satu u. massa proton = 1,007 276 u massa neutron = 1,008 665 u massa electron = 0,000 549 u Ahli nuklir lebih sering menyatakan satuan massa dalam satuan energi ekivalennya,yaitu MeV/c2,dimana 1 u = 1,660 559 x 10-27 kg = 931,50 MeV/c2 dengan c = 3 x 108 m/s adalah cepat rambat cahaya dalam vakum. 2.1.3 Gaya Ikat Inti, Energi Ikat Inti dan Defek Massa Pada bab sebelumnya kalian telah belajar tentang gaya elektrostatis. Dua muatan sejenis yang berdekatan akan mendapat gaya tolak listrik (gaya elektrostatis). 9 Gambar 4.1 Inti atom memiliki dua proton dan dua elektron. Bagaimana halnya dengan inti atom? Walaupun antara proton dan netron ada gaya tarik gravitasi tetapi gaya ini cukup kecil dibanding gaya tolak elektrostatis. Jika tidak ada gaya lain pastilah inti atom akan bercerai-berai. Gaya lain inilah yang kemudian dikenal dengan nama gaya ikat inti dan menimbulkan energi ikat inti. Energi ikat inti ini berasal dari massa yang hilang. Adanya gaya ikat inti dan energi ikat inti ini dibuktikan pada kenyataan bahwa massa inti atom tidaklah sama dengan massa penyusunnya. Sejumlah proton dan sejumlah neutron yang bermassa M akan mengalami pengurangan massa saat proton dan neutron tersebut membentuk inti (massa inti < m). Pengurangan massa inti ini dinamakan defek massa. Kemanakah massa yang hilang pada inti itu? Kenyataan ini dapat dijelaskan dengan fisika modern dengan baik. Masih ingat relativitas Einstein? Pada relativitas Einstein dijelaskan tentang kesetaraan massa dan energi dengan energi relativistik E = mc2. Dengan konsep ini dapat dijelaskan bahwa defek massa inti atom membentuk energi ikat inti dan medan gaya inti. Enegi ikat inti (binding energi) adalah Energi yang diperlukan untuk memutuskan inti menjadi proton-proton dan neutron-neutron pembentuknya. Berarti energi ikat inti atom dapat ditentukan dengan persamaan berikut. E = Δm c2 .............................(2.1) dengan E = energi ikat inti (joule) Δm = defek massa (kg) c = 3.108 m/s Jika Δm dalam satuan sma, maka persamaan 2.1 dapat diubah menjadi berikut: E = Δm . 931,5 MeV ........................(2.2) Sedangkan defek massa Δm dari suatu inti atom akan memenuhi hubungan berikut. m = (Zmp + (A− Z)mn) – mX .................(2.3) dengan mp = massa proton mn = massa neutron mx = massa inti Untuk lebih telitinya massa elektron dapat itu diperhitungkan sebagai massa 10 penyusun inti, tetapi karena kecil biasanya dapat diabaikan. CONTOH 2.1 Massa proton dan neutron dapat digunakan pendekatan masing-masing sebesar 1,0078 sma dan 1,0087 sma. Jika proton dan neutron membentuk inti ternyata massa inti Litium tersebut sebesar 7,018 sma, maka tentukan : a. defek massa inti Litium b. energi ikat inti Litium dan Penyelesaian mp = 1,0078 sma mn = 1,0087 sma mx = 7,018 sma Inti Litium dilambangkan berarti : Z = 3 berarti jumlah proton = 3 A = 7 berarti jumlah netron : 7 − 3 = 4 a. Defek massa inti Li dapat dihitung sebagai berikut: Penyusun : 3 mp = 3.1,0078 = 3,0234 sma 4 mn = 4.1,0087 = 4,0348 sma + = 7,0582 sma massa inti Li = 7,0180 sma Defek massa (Δm) = 0,0402 sma b. Energi ikat inti Litium sesuai persamaan 12.5 sehingga diperoleh sebagai berikut. E = Δm . 931,5 MeV = 0,0402 . 931,5 = 37,4463 MeV Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba soal berikut. Massa inti karbon adalah 12 sma. Jika setiap proton dan netron massanya sebesar 1,0078 sma dan 1,0087 sma dan 1 sma setara dengan 931 MeV maka tentukan : a. defek massa inti karbon,dan b. energi ikat inti karbon, 11 2.2. RADIOAKTIFITAS 2.2.1 Jenis-jenis sinar radioaktif Kita dapat mendeteksi aktivitas radiasi dari bahan radioaktif dengan menggunakan pencacah Geiger-Muller. Beberapa berkas radiasi dibelokkan oleh medan magnetic sehingga lintasannya tidak mengenai tabung Geiger. Pemelokan berkas radiasi oleh medan magnet menunjukkan bahwa berkas radiasi tersebut terdiri atas partikel-partikel bermuatan. Prinsip tersebut dapat digunakan oleh berkas radioaktif lain. Pada tahun 1899 Ernest Rutherford melakukan percobaan dalam rangka studinya mengenai radioaktif. Ia menempatkan sedikit radium didasar sebuah kotak kecil dari timah hitam (timbal). Dia mendapatkan bahwa berkas sinar terpisah menjadi tiga komponen.seperti gambar 4.2 berikut: Kotak timbal Radium Gambar 4.2 Percobaan Ernest Rutherford Dengan memperhatikan arah sinar yang dibelokkan, dia menyimpulkan bahwa komponen sinar yang tidak dibelokkan adalah tidak bermuatan (sinar ), komponen sinar yang dibelokkan ke kanan adalah bermuatan positif (sinar α), dan sinar yang dibelokkan kekiri adalah bermuatan negative (sinar β). 2.2.2 Daya tembus sinar-sinar radioaktif Sewaktu selembar kertas tipis disisipkan diantara sumber dan tabung GeigerMuller, pembacaan angka pada alat hitung berkurang bila dibandingkan sebelumnya. Fakta ini menunjukkan bahwa sebagian radiasi telah diserap oleh kertas. Radiasi yang diserap kertas tipis adalah radiasi sinarα .Tambahan radiasi yang diserap oleh lembaran aluminium adalah radiasi sinar β. Radiasi yang diserap oleh selembar timbale adalah radiasi sinar Secara singkat urutan daya tembus adalah : Urutan daya tembus : sinar α < sinar β < sinar 12 Berikut ini sifat-sifat sinar α ,sinar β ,sinar . Sifat-sifat sinar α . 1) Sinar dihasilkan oleh pancaran-pancaran partikel dari sebuah sumber radioaktif. 2) Sinar tidak lain adalah inti atom helium,bermuatan +2e dan bermassa 4u. 3) Sinar dapat menghitamkan film.Jejak partikel dalam bahan radioaktif berupa garis lurus. 4) Radiasi sinar memiliki daya tembus terlemah dibandingkan dengan sinar lain. 5) Radiasi sinar memiliki jangkauan beberapa cm di udara da sekitar 10 -2 mm dalam logam tipis. 6) Radiasi sinar mempunyai daya ionisasi paling kuat sebab muatannya paling besar. 7) Sinar dibelokkan oleh medan magnetic dan medan listrik. 8) Kecepatan sinar sekitar 0,054c sampai 0,07c,dengan c = kelajuan cahaya dalam vakum. 9) Massa sinar α lebih besar dari sinar β sehingga lebih lambat. Sifat-sifat sinar β 1) Sinar dihasilkan oleh pancaran partikel-partikel . 2) Sinar tidak lain adalah electron berkecapatan tinggi yang bermuatan -1 e. 3) Radiasi sinar α < sinar β < sinar . 4) Kecepatan parikel antara 0,32c dan 0,9c. 5) Sinar dibelokkan dengan medan magnetic dan medan listrik karena massanya kecil. 6) Jejak partikel dalam bahan berkelok-kelok. 7) Sinar memiliki jangkauan beberapa cm di udara. Sifat-sifat sinar 1) Memiliki daya tembus paling besar tetapi daya ionisasi paling lemah. 2) Tidak dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnetic. 3) Sinar merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat pendek. Sinar hampir tidak bermassa. 4) Kecepatan bernilai sama dengan kecepatan cahaya di ruang hampa. 5) Sinar dalam interaksinya menimbulkan peristiwa fotolistrik atau juga dapat menimbulkan produksi pasangan. Dalam interaksi dengan bahan, seluruh energi sinar diserap oleh bahan. Peristiwa inilah yang disebut produksi pasangan. 2.2.3 Kestabilan Inti Di alam ditemukan atom-atom atau nuklida-nuklida yang memiliki nomor atom sama tetapi nomor massa berbeda, misalnya dan , dan . Pada atom-atom yang nomor atomnya sama berarti pada inti nya memiliki jumlah proton sama, sedangkan perbedaan nomor massa menunjukkan bahwa jumlah neutron dalam intinya berbeda. Atom atau nuklida yang memiliki sifat ini disebut Isotop. 13 Inti-inti dengan nomor atom 20 ke bawah (Z ≤ 20) akan stabil jika jumlah protonnya sama dengan jumlah neutronnya (N = Z). Contohnya adalah 8O16, 11Na22, 2He4 dan 6C12. Berarti 2He3 dan 6C14 tidaklah stabil atau termasuk radioisotop yang dapat memancarkan zat-zat radioaktif. Untuk inti dengan Z > 20 yang akan stabil jika nilai N lebih besar dari Z (N/Z > 1) berarti jumlah netronnya harus lebih banyak dari jumlah proton dalam inti. 2.2.4 Peluruhan Inti Untuk mempertahankan kekekalan muatan (muatan total sebelum dan sesudah peluruhan adalah sama), peruahan muatan seperti ini berarti bahwa sebuah electron negative harus dipancarkan. Dengan demikian, Pemancaran electron + Elektron meninggalkan inti dan dikenal dengan “partikel beta”. Pemancaran positron + Peristiwa disini juga disebut sebagai peluruhan beta, karena mirip dengan pancaran electron negative. Proses pengkapan elektron oleh proton untuk menjadi neutron dapat dinyatakan sebagai Penangkapan electron + Semua inti berat (Z>83) tidak stabil karena intinya kelebihan proton maupun neutron. Untuk mencapai stabil, inti ini memancarkan partikel alfa sehingga jumlah proton dan jumlah neutron dalam intinya masing-masing berkurang 2. Peluruhan sinar Alfa Telah diketahui bahwa sinar α tidak lain adalah inti atom ( ), yang mengandung 4 nukleon, yaitu 2 proton dan dua neutron. Ketika sebuah inti memancarkan sinar α inti tersebut kehilangan empat nukleon, 2 diantaranya adalah proton. Sesuai dengan hukum kekekalan nomor massa dan hukum kekekalan nomor atom, maka - Nomor massa (A) berkurang 4 ,dan - Nomor atom (Z) berkurang 2. Jadi, jika sebuah inti induk X berubah menjadi inti anak Y sambil memancarkan sinar α, maka peluruhannya dapat ditulis sebagai: + Peluruhan Sinar Beta Sebuah inti yang meluruh dengan memancarkan sinar beta tidak akan berkurang nomor massanya tetapi nomor atomnya akan bertambah satu. Jadi, jika sebuah inti induk X berubah menjadi inti anak Y sambil memancarkan sinar beta reaksi intinya diberikan oleh: + +v 14 Peluruhan Sinar Gamma Sinar gamma adalah foton-foton (kuanta atau paket energi) yang memiliki energi sangat tinggi. Seperti halnya sebuah atom, inti atom itu sendiri dapat berada dalam keadaan tereksitasi. Ketika inti ini melompat ke keadaan yang lebih rendah atau keadaan dasarnya, Inti ini memancarkan sebuah foton. Karena sinar tidak memiliki nomor massa dan nomor atom nol, maka pemancaran sinar tidak menyebabkan perubahan nomor massa dan nomor atom pada inti induk. Dengan kata lain, inti anak sama dengan inti induk, atau tidak terjadi inti baru pada pemancaran sinar . Dalam beberapa kasus, inti dapat tinggal dalam keadaan tereksitasi selama beberapa saat sebelum inti ini memancarkan sinar . Inti ini disebut dalam keadaan metastabil,dan inti ini disebut suatu isomer. Aktivitas Bahan Radioaktif Laju peluruhan radioaktif dalam suatu bahan radioaktif disebut aktivitas (lambing A). Aktivitas hanya ditentukan oleh banyaknya inti yang meluruh per sekon. Jika peluang untuk meluruh disebut tetapan peluruhan (lambing ), maka aktivitas bahan bergantung pada banyak inti radioaktif dalam bahan (N) dan . Secara matematis ditulis A= N Tetapan peluruhan memiliki harga berbeda untuk inti yang berbeda tetapi konstan terhadap waktu. Hukum peluruhan radioaktif N = N0 e -t dengan N0 = banyak inti radioaktif pada saat t=0, N = banyak inti radioaktif setelah selang waktu t, e = bilangan natural = 2,718…, = tetapan peluruhan (satuan s-1 ). Banyaknya inti induk dalam suatu contoh berkurang secara eksponensial terhadap waktu.Persamaan diatas disebut Hukum peluruhan radioaktif. Kita secara nyata tidak dapat mengukur banyaknya inti radioaktif Neutron, tetapi kita dapat menyatakan dalam persamaan aktivitas, yaitu dengan mengalikan kedua ruasnya dengan sehingga memberikan: N = N0 e-t Aktivitas Radioaktif A = A0 e-t dengan A0 = aktivitas awal pada t=0 (satuan Becquerel atau Bq) A = aktivitas setelah selang waktu t (dalam Bq) Dalam SI,satuan aktivitas radiasi dinyatakan dalam Becquerel (disingkat Bq) sesuai dengan nama penemu radioaktivitas,dimana, 1 Bq = 1 peluruhan/sekon 15 Satuan yang paling sering digunakan oleh alat pengukur aktivitas radiasi adalah curie (disingkat Ci). Satu Curie didefinisikan sebagai banyaknya peluruhan yang dilakukan oleh satu gram radium dalam waktu satu sekon.Ternyata diperoleh 3,7 x 1010 peluruhan dalam waktu satu sekon, sehingga didapat hubungan: 1 curie = 3,7 x 1010 peluruhan/s = 3,7 x 1010 Bq Satu curie adalah satuan aktivitas yang cukup besar,sehingga didalam praktek kita lebih sering menggunakan satuan-satuan milicurie (mCi) dan mikrocurie ( Ci). 1 mCi = 10-3 Ci 1 Ci = 10-6 Ci Waktu Paro Waktu Paro dari suatu isotop radioaktif adalah selang waktu yang dibutuhkan agar aktivitas radiasi berkurang setengah dari aktivitas semula. Waktu paro juga dapat didefinisikan sebagai selang waktu yang dibutuhkan agar setengah dari inti radioaktif yang ada meluruh. Ketika t = T1/2 maka A = A0/2 sehingga kita peroleh Waktu Paro T1/2 = ln 2/ Karena ln 2 = 0,693 maka T1/2 = Rumus Peluruhan Aktivitas radioaktif tergantung pada banyaknya atom radioaktif yang masih ada. Misalkan mula-mula ada sebanyak N0 radioaktif dan waktu paro dilambangkan dengan T1/2, maka misalnya mula-mula ada N0 partikel. Partikelnya menjadi N0 dalam waktu T1/2, menjadi N0 dalam 2T1/2 dan menjadi N0 dalam 3T1/2. Perubahan N ini akan memenuhi deret dengan persamaan seperti berikut. N = N0 ( .)t/T..............................(2.4) dengan N = jumlah partikel sisa N0 = jumlah partikel mula-mula t = waktu meluruh T = waktu paro Deret Radioaktif Proses peluruhan radioaktif terus menerus dilakukan sampai diperoleh isotop yang staibil. Proses peluruhan berturut-turut seperti ini dikatakan sebagai peluruhan radioaktif berantai,yang umumnya yang umumnya mengikuti tahaptahap tertentu yang mengikuti suatu deret radioaktif . Masing-masing deret radioaktif diberi nama sesuai dengan inti induknya. Deret 4n + 2 diberi nama deret uranium karena inti induknya adalah , yang mengalami peluruhan sampai inti akhir stabil 16 CONTOH 2.2 Suatu unsur radioaktif meluruh dan tinggal 25% dari jumlah semula setelah 20 menit. Bila mula-mula massa unsur tersebut 120 gr, maka setelah setengah jam meluruh tentukan massa sisa unsur ! Penyelesaian m0 = 120 gram t1 = 20 menit, m1 = 25% m0 = m t2 = 0,5 jam = 30 menit Dari nilai m1 dan t1 dapat ditentukan waktu paro unsur tersebut. m1 = m0( )t1/T ¼ m0 = m0( ½)20/T berarti : = 2 dan T = 10 menit Dari nilai T dapat diperoleh massa sisa setelah t2 sebesar: m2 = m0( ½) = 120/8 . = 15 gr 30/10 17 2.3 REAKSI INTI 2.3.1 Pengertian Reaksi Inti Seperti penjelasan sebelumnya bahwa inti-inti atom dapat memancarkan zatzat radioaktif sehingga akan membentuk inti baru. Selain itu ternyata inti juga dapat pecah menjadi dua inti atau lebih yang hampir sama dan dapat pula bergabung. Peristiwa-peristiwa perubahan inti menjadi inti baru ini dinamakan reaksi inti. Dalam suatu reaksi inti ternyata berlaku beberapa kekekalan yaitu: hukum kekekalan nomor atom, hukum kekekalan nomor massa dan kekekalan massa - energi. Dari penjelasan di atas maka pada suatu reaksi inti akan memiliki jumlah nomor atom dan nomor massa sebelum dan sesudah reaksi sama besar. Perhatikan contoh berikut. CONTOH 2.3 Sebuah partikel α ditembakkan pada inti Jika setelah penembakan sebuah proton dapat dibebaskan maka inti apakah yang akan terbentuk! Penyelesaian Partikel alfa : proton : Reaksi yang terjadi dapat dituliskan : 2α4 + 7N14 → ZXA + 1p1 Nomor atom kekal : 2+7 =Z+1 Z =8 Nomor massa kekal : 4 + 14 = A + 1 A = 17 Berarti : 8X17 adalah Oksigen 8O17 Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba soal berikut: 14 N ditembaki dengan partikel alfa, sehingga Inti atom melepaskan sebuah proton, unsur apakah yang akan terbentuk ? 7 2.3.2 Reaksi Fisi Inti berat yang ditumbuk oleh sebuah partikel dapat membelah menjadi dua inti baru yang lebih ringan. Massa total produk lebih kecil daripada massa total reaktan. Selisih massa muncul sebagai energi. Reaksi inti seperti ini disebut reaksi pembelahan inti atau reaksi fisi. Sebagai contoh,ketika inti (3 Li 7 ) yang ditembak dengan proton ( 1H1 ) terbelah menjadi dua inti ringan ( 2He 4 ). Reaksi fisinya adalah sebagai berikut. 1H 11 + 3Li 7 2He4 + 2He4 + Q dengan Q adalah energi reaksi fisi yang akan kita hitung.Jadi,energi yang diperoleh pada reaksi fisi ini merupakan proses yang mahal karena kita memerlukan alat siklotron untuk mempercepat proton. 18 Reaksi Berantai Tak Terkendali dan Terkendali Reaksi Berantai (chain reactions) adalah sederetan pembelahan inti dimana neutron–neutron yang dihasilkan dalam tiap pembelahan inti menyebabkan pembelahan inti-inti lainnya. Jika dalam setiap pembelahan inti, dua neutron atau lebih hasil pembelahan menyebabkan pemelahan inti-inti lainnya,maka ini adalah kondisi reaksi berantai tak terkendali (uncontrolled chain reactions). Energi fisi tak terkendali ini sangat besar hingga dapat bertindak sebagai senjata pemusnah massal, seperti yang ditunjukkan oleh bom atom. Dalam suatu reaksi berantai terkendali (controlled chain reactions),hanya satu neutron dari tiap hasil reaksi fisi yang diperkenankan untuk membelah satu inti U-235 lainnya. Neutron-neutron ini diserap oleh batang-atang pengendali yang dibuat dari material-material seperti kadmium (yang menyerap neutron tanpa mengalami pembelahan). Reaksi berantai fisi terkendali merupakan prinsip dasar reactor nuklir atau reactor atom. Reaktor Atom Fisi Berdasarkan jenisnya,reactor atom fisi dapat diklasifikasikan sebagai: a. Reaktor Termal dimana neutron-neutron yang dihasilkan memiliki energi yang hampir sama dengan energi partikel-partikel gas pada suhu normal. b. Reaktor Cepat (fast reactor) dimana neutron-neutron yang menghasilkan fisi memiliki energi yang besar. Reaktor Termal memiliki lima komponen dasar yang sama: (1) elemen bahan bakar, (2) moderator neutron,(3) batang pengendali, (4) pendingin, (5) perisai radiasi (radiator shielding). Reaktor atom jenis air bertekanan (PWR) mengangkat kalor dari reactor dengan mengkondisikan suhu air 3000oC. 2.3.3 Reaksi Fusi Dua inti ringan dapat bergabung menjadi sebuah inti yang lebih berat. Energi ikat inti lebih besar daripada total energi ikat kedua inti ringan pembentuknya. Karena itu dalam penggabungan dua inti ini,massa inti baru lebih kecil daripada total massa kedua inti ringan pembentuknya. Defek massa ini muncul sebagai energi fusi. Reaksi inti seperti ini disebut reaksi penggabungan inti atau reaksi fusi. Jenis-jenis reaksi fusi: a. Rantai proton-proton yang terjadi di bagian dalam Matahari dan bintangbintang, b. bom hidrogen, c. reaktor fusi. Reaksi Fusi Nuklir Ada dua syarat untuk mengendalikan fusi: a. Suhu harus sangat tinggi (dalam orde 108 0C). Pada suhu tertentu disebut suhu pembakaran (ignition temperature), proses fusi akan berlangsung sendiri. b. Pada suhu sangat tinggi,semua atom terionisasi habis membentuk suatu plasma (sejenis gas yang disusun oleh partikel-partikel bermuatan seperti H+ dan elektron ).Plasma panas ini harus ditahan dalam selang waktu yang cukup lama agar tumbukan-tumbukan antar ion dapat menyebabkan fusi. Masalahnya tidak ada wadah fisik yang dapat menampung plasma panas ini. 19 Salah satu contoh reaksi fusi adalah: 1 H2 + 1 H 3→ 2 He4 + 0 n1 Suhu sangat tinggi (diatas 100 juta celcius) diperlukan agar kedua inti ringan dapat mengatasi gaya Couloumb dan bergabung. Reaksi tak terkendali sudah diproduksi pada bom hydrogen.Sedang reaksi fusi terkendali masih dalam taraf penelitian.Ini karena sangat sukar untuk menahan plasma panas (108 celius) dalam selang waktu cukup lama agar ion-ion dapat bersatu.Teknologi paling popular saat ini untuk menahan plasma adalah prinsip tokamak. 2.3.3 Hukum Kekekalan Massa - Energi Dalam suatu reaksi inti tidak ada yang memenuhi kekekalan massa begitu pula kekekalan energi. Berarti pada reaksi inti selalu terjadi perubahan massa. Perubahan massa inilah yang diimbangi dengan perubahan energi sesuai kesetaraan massa-energi relativistik. Sehingga yang lebih tepat dapat dijelaskan bahwa pada reaksi inti terjadi kekekalan massa-energi. Jika terjadi penambahan massa maka reaksinya membutuhkan energi. Begitu pula saat terjadi kehilangan massa maka reaksinya akan menghasilkan energi. Dua reaksi di atas merupakan salah satu kemungkinan reaksi yang terjadi. Banyak kemungkinan lain yang bisa terjadi misalnya 1H2 bereaksi lagi dengan 1H1. Hal penting yang perlu diperhatikan pada reaksi itu adalah timbulnya energi. Kesetaraan massa dan energi reaksi sesuai persamaan berikut. E = Δm . 931,5 MeV .................................(2.5) CONTOH 2.4 Di matahari terjadi reaksi fusi seperti di bawah.: 2He3 + 2He3 → 2He4 + 21H1 + E Diketahui massa inti 1H1 = 1,0081 sma; massa inti 2He3 = 3,0169 sma; massa inti 2He4 = 4,0089 sma. Bila 1 sma setara dengan energi 931 MeV, maka tentukan energi yang dihasilkan pada setiap reaksi fusi di atas ! Penyelesaian Massa pereaksi m0 : m0 = 2m(2He ) = 2 . 3,0169 = 6,0338 sma massa hasil reaksi m : m = m(2He4)+ 2m (1H1 ) = 4,0039 + 2 . 1,0081= 6,0201 sma Perubahan massa dalam reaksi inti (massa berkurang) sebesar: Δm = m0 - m = 6,0338 - 6,0201= 0,0137 sma Karena massa berkurang berarti akan dihasilkan energi yaitu sebesar E = Δm . 931 = 0,0157 . 931 = 12,7547 MeV 3 Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba soal berikut. Massa inti 2 He4 dan 1 H2 masing-masing 4,002603 sma dan 2,014102 sma. Jika 1 sma = 931 MeV, maka berapakah energi minimum yang diperlukan untuk memecah partikel alpha menjadi dua deuteron ? 20 2.4 RANGKUMAN 1. Isotop disimbulkan : Z = nomor atom yang menyatakan jumlah proton A = nomor massa yang menyatakan jumlah netron dan proton dalam inti 2. Inti atom terdiri dari proton dan netron. Ikatan antar neutron dapat terjadi karena ada defek massa. m = (Zmp + (A− Z)mn) – mX Energi ikatnya memenuhi : E= m.931 Mev m dalam sma. 3. Isotop ada yang stabil dan ada yang tidak stabil. a. Isotop stabil memiliki ciri : • untuk Z < 20 N = Z • untuk Z > 20 N > Z • untuk Z > 83 tidak ada yang stabil N = jumlah netron dan Z jumlah proton. b. Isotop yang tidak stabil akan mengalami peluruhan. Sisa peluruhan memenuhi persamaan: N = No ( )t/T Konstanta peluruhan disimbulkan . = 4. Reaksi Inti Reaksi inti adalah perubahan yang terjadi dengan melibatkan inti atom. Pada reaksi inti berlaku : a. Hukum Kekekalan jumlah nomor atom. b. Hukum Kekekalan jumlah nomor massa. c. Hukum Kekekalan massa - Energi E= (m sebelum reaksi - m setelah reaksi).931 MeV 21 3. KEGIATAN BELAJAR 2 3.1 Dosis Serap Dalam perambatannya sinar radioaktif membawa energi. Bila sinar radioaktif ini mengenai suatu materi, maka energinya akan diserap oleh materi tersebut Dosis serapan (diberi lambang D) didefinisikan sebagai banyak energi radiasi pengion yang diserap oleh materi per satuan massa. Satu rad adalah jumlah radiasi yang meningkatkan energi 1 kg material penyerap dengan 1x 10-2 J. Dengan demikian, 1 rad = 10-2 J/kg Dalam satuan SI,dosis serapan dinyatakan dalam gray (disingkat Gy). Hubungan Gy dan rad adalah: 1 Gy = 1 joule/kg = 100 rad atau 1 rad = 0,01 Gy Membandingkan kerusakan yang ditimbulkan oleh radiasi dengan kerusakan yang ditimbulkan oleh sinar-X atau sinar gamma untuk dosis serapan yang sama,disebut factor kualitas atau RBE (relatifive biological effectiveness),diberi lambang Q. Faktor kualitas dari berbagai jenis radiasi. Radiasi Faktor Kualitas Sinar-X dan sinar gamma 1,0 Partikel beta 1,0 – 1,7 Partikel alfa 10- 20 Neutron lambat 4–5 Neutron cepat dan proton 10 Ion-ion berat 20 3.2 Detektor radiasi Sinar radioaktif berbahaya dan tidak dapat kita lihat sehingga kita harus memiliki alat untuk mendeteksi adanya sinar radioaktif. Alat detector sinar radioaktif disebut detektor radiasi. Pencacah Geiger-Muller Pencacah Geiger-Muller (GM) adalah detector yang paling banyak digunakan untuk mendeteksi radiasi. Pulsa arus listrik dicatat pada sebuah pencacah (scaler). Pulsa arus listrik biasanya juga dihubungkan ke sebuah pengeras suara (loudspeaker) sehingga Anda dapat mendengar suara “klik” setiap kali suatu sinar radioaktif melewati tabung. Kamar Kabut Jika udara didinginkan sedimikian sehingga uap mencapai keadaan jenuh,maka udara itu maka udara itu masih dapat didinginkan tanpa terjadi pengembunan. Pada keadaan ini uap dinamakan superjenuh. Pada tahun1911,CTR.Wilson menemukan ion-ion gas dapat juga bertindak 22 sebagai inti pengembunan. Ia menyadari bahwa gejala ini dapat digunakan untuk menunjukkan lintasan-lintasan radiasi ionisasi melalui udara. Bentuk jejak-jejak kabut yang dihasilkan pada kamar kabut bergantung pada partikel-partikel radioaktif yang digunakan. Dengan demikian, jejak-jejak ini dapat digunakan sebagai petunjuk untuk mengenali jenis partikel radioaktif itu. Film fotografis Becquerel telah menggunakan film fotografis ketika ia secara tidak sengaja menemukan radioaktif alami dari uranium. Disini Becquerel menemukan sinar radioaktif yang telah menghitamkan film. Setiap bulan film fotografis dicuci. Banyaknya penghitaman pada film akan menunjukkan apakah mereka terkena radiasi atau tidak. Detektor Sintilasi Alat ini menggunakan bahan logam yang atom-atomnya dengan mudah dideteksi oleh radiasi yang datang (efek fotolistrik). Efek fotolistrik adalah keluarnya electron-elektron dari permukaan logam ketika terkena radiasi. Bahan-bahan yang umum digunakan sebagai sintilator adalah kristal-kristal natrium iodida. Bahan-ahan ini diletakkan di salah satu ujung peralatan yang disebut tabung foto penggaanda (photomultiplier) sehingga foton yang dikeluarkan oleh sintilator dapat diubah menjadi sinyal listrik.Tabung foto pengganda terdiri atas beberapa elektroda yang disebut dinoda. Detektor sintilasi lebih sensitive bila dibandingka pencacah Geiger-Muller, terutama terhadap sinar gamma yang berinteraksi lebih kuat dengan zat dibandingkan dengan partikel-partikel bermuatan. Rangkuman mengenai Detektor Radiasi. Prinsip Keja Detektor Ionisasi gas Tabung GM Tidak peka terhadap sinar Kamar kabut Pencacah percikkan Film fotografi Ionisasi atom emulsi Efek fotolistrik Mengubah ionisasi jadi pulsa listrik Mengubah timbunan electron jadi pulsa listrik Melihat jejakjejak partikel Sintilasi Tabung GM Keterangan peka terhadap Tabung GM sintilasi Kamar kabut Film fotografis 23 3.3 Bahaya Radiasi Radiasi disekitar kita Becquerel menemukan radioaktivitas pada tahun 1896, tetapi radiasi pengion dari dahulu sampai kapanpun adalah bagian dari lingkungan hidup kita. Ini dikenal sebagai radiasi alamiah. Kira-kira 87% radiasi di lingkungan kita dihasilkan secara ilmiah,dan hanya sekitar 13% merupakan radiasi buatan. Sejumlah radiasi yang tiba di bumi berasal dari angkasa luar dan matahari. Ini disebut radiasi kosmis. Banyak batuan mengandung sejumlah kecil uranium, padahal bahan-bahan bangunan, seperti batu bata dan balok baja dibuat dari batuan Uranium meluruh menghasilkan radon. Radiasi dan sel Semua radiasi pengion merusak sel-sel hidup. Energi yang dibebaskan oleh radiasi dapat memutuskan zat kimia di dalam sel. Sel-sel selalu mati dan digantikan oleh sel-sel yang baru tepat pada waktunya. Akan tetapi, terkadang gejala ini dapat lebih serius, seperti pada kasus-kasus berikut. 1. Jika seseorang terkena radiasi sangat kuat,maka kerusakan sel tidak dapat diperbaiki tepat pada waktunya. Radiasi ini dapat menyebabkan kematian. 2. Kadang zat kimia DNA yang membawa kode perintah di dalam tiap sel dapat sedikit rusak karena radiasi pengion. Akibat kerusakan ini akan terjadi perubahan yang tidak wajar bagi perkembangan sel. 3. Jika sel-sel kelamin pria atau wanita sedikit rusak, maka dimungkinkan anak dari sel kelamin tersebut akan mengalami abnormal. Radiasi tingkat rendah Radiasi pengion yang secara normal mengenai kita adalah radiasi tingkat rendah. Radiasi ini masih terlalu lemah untuk mendeteksi gejala-gejala.Tapi, ditaksir bahwa kira-kira 1% dari semua kanker dan ketidaknormalan genetic disebabkan oleh radiasi tingkat rendah. Dosis serapan radiasi dan efek biologis Dosis serapan yang berkaitan dengan efek biologis adalah dosis serapan ekivalen,yang diberi lambang H dan diberi satuan Sv. Dosis serapan Ekivalen (Sv) < 0,1 0,1 – 0,2 2 – 10 > 10 Efek biologis tidak ada efek bisa mengarah ke kanker sakit radiasi akut menyebabkan kematian Proteksi terhadap radiasi Ketika orang bekerja dalam lingkungan yang melibatkan bahan-bahan radioaktif yang menghasilkan radiasi pengion,maka dibutuhkan suatu alat yang berguna sebagai pelindung.Bagian-bagian pasien yang tidak perlu difoto,khususnya organ kelamin,dilindungi oleh baju kerja yang terbuat dari timbal,dan bagi pekerjanya biasanya menangani dari balik selembar layer kaca timbale dengan menggunakan peralatan remote control. 24 3.4 Pemanfaatan Radioisotop (isotop-isotop yang tidak stabil) 1) Penggunaan radioisotop sebagai perunut (pencari jejak) Radioisotop I-123 I-131 Na-24 C-14 Co-60 Cr-51 Se-75 Te-99 Ga-67 Organ yang discan atau diagnosa ginjal tiroid,paru-paru penyempitan pembuluh darah diabetes dan anemia membunuh sel kanker limpa pankreas tulang,paru-paru getah bening 2) Pemanfaatan radioisotop berdasarkan sifat radiasinya: a. Pengobatan (membunuh sel kanker dengan radiotherapy), b. sterilisasi (sinar gamma dapat membunuh bakteri), c. industri (pengatur ketebalan kertas menggunakan radiasi sinar beta), d. pertanian (pemandulan serangga pengganggu), e. seni (detektor pemalsuan lukisan dan keramik), f. penentuan umur dengan radioaktif (menggunakan pemancaran sinar beta). 25 4. EVALUASI I. SOAL PILIHAN GANDA 1. Suatu atom X mempunyai 42 proton, 42 elektron, dan 65 netron. Simbol untuk atom ini adalah .... A. 147 X 42 B. 107X42 C. 65X42 D. 107X84 E. 147X84 2. Dibandingkan dengan jumlah massa nukleon-nukleon dalam suatu inti, massa inti tersebut adalah .... A. lebih besar B. sama atau lebih besar C. sama atau lebih kecil D. lebih kecil E. mungkin lebih kecil dan mungkin pula lebih besar 3. Jika massa inti 2He4 = 4,0020 sma, massa proton = 1,0078 sma, massa neutron = 1,0087 sma dan 1 sma = 930 MeV, maka energi ikat inti 2He4 adalah .... A. 23 MeV B. 23,44 MeV C. 28,83 MeV D. 43,44 MeV E. 46,22 MeV 4. Salah satu ciri dari sinar alfa (α) adalah .... A. lintasanya tidak membelok dalam medan magnet B. bahwa ia tidak bermuatan C. bahwa sesungguhnya ia sama dengan sinar katoda D. bahwa ia terdiri dari inti-inti atom helium E. bahwa ia terdiri dari atom hidrogen 5. Bi210 yang waktu paruhnya 5 jam meluruh menurut Bi210 → Po210 + β-. Jika mula-mula terdapat 72 gr Bi210 maka setelah 15 jam dihasilkan Po210 sebanyak .... A. 9 gr B. 24 gr C. 32 gr D. 48 gr E. 63 gr 6. Suatu batu diteliti mengandung Uranium U dan Timbal Pb. 75 % batu mengandung timbal dan sisanya adalah uranium. Jika diketahui bahwa 26 uranium meluruh menjadi timbal dengan waktu paruh 100 tahun, maka umur batu tersebut adalah .... A. 50 tahun B. 200 tahun C. 400 tahun D. 800 tahun E.1600 tahun 7. Dalam reaksi berikut 7N14+ α → X + p dilepaskan sejumlah energi. Pada persamaan reaksi di atas, X adalah .... A. 8O16 B. 7N16 C. 8O17 D. 8O18 E. 9F16 8. Jika suatu neutron dalam inti berubah menjadi proton, maka inti itu memancarkan .... A. partikel alfa B. partikel beta C. sinar gamma D. proton E. deuteron 9. 92U238 meluruh menjadi isotop timbale 82Pb206 oleh emisi 8 partikel alfa dan oleh emisi elektron sebanyak .... A. 6 B. 5 C. 4 D. 3 E. 2 10. Massa inti 2He4 dan 1H2 masing-masing 4,002603 sma dan 2,014102 sma. Jika 1 sma = 931 MeV, maka energi minimum yang diperlukan untuk memecah partikel alpha menjadi dua deutron adalah .... A. 4 MeV B. 14 MeV C. 24 MeV D. 34 MeV E. 44 MeV 27
