peluruhan radioaktif - iful06*[dot]*wordpress*[dot]

BAB VI
KERADIOAKTIFAN
A. Peluruhan Radioaktif
Jika suatu inti terdiri atas sejumlah neutron yang tidak seimbang, inti tersebut
menjadi tegang dan mempunyai kelebihan energi. Beginilah keadaan inti dan suatu
atom karbon jika di dalamnya terdapat kurang dari enam atau lebih dan tujuh neutron.
Inti ini tidak dapat bertahan. Suatu saat inti akan melepaskan kelebihan energi dan
mungkin melepaskan satu atau dua partikel radiasi sekaligus.
Satu inti karbon dengan enam proton dan enam neutron disebut sebagai karbon
- 12 atau ditulis dengan simbol C-12. Angka 12 menunjukkan jumlah dari nukleon. Satu
inti karbon dengan 7 neutron dapat diindentifikasi sebagai C-13. Inti karbon C-12 dan
C-13 mempunyai sifat stabil. Selain bentuk ini, bentuk yang lain tidak stabil. Semakin
janggal jumlah neutronnya, semakin bertambah ketegangannya dan semakin cepat pula
inti melepaskan kelebihan energinya dalam bentuk sinar radiasi. Satu inti karbon
dengan hanya 5 neutron, atau yang disebut C-11, dapat mempertahankan
kondisi/keadaan tersebut selama 20 menit. C-10 membelah dalam waktu 19 detik dan
C-9 hanya dalam 1/8 detik.
Lebih mudah bagi inti untuk bertahan dengan kelebihan 1 neutron. Karbon-14,
inti dengan 8 neutron, dapat tetap bertahan selama beribu-ribu tahun tanpa ada masalah.
Kelebihan 2 neutron menjadikan inti tidak dapat bertahan dalam waktu 2 atau 3 detik.
Inti yang memiliki kelebihan 3 neutron akan meletup dalam waktu 1 detik. Gambargambar berikut ini memperlihatkan seluruh struktur inti suatu atom karbon, yaitu semua
isotop dan karbon. Apa yang kita pelajari mengenai karbon di sini tidak hanya berlaku
untuk karbon saja. Keadaan itu juga sama bagi hampir setiap elemen, baik besi atau
emas, nitrogen atau oksigen, radon atau uranium. Jika jumlah neutron dalam suatu inti
sesuai, inti itu stabil atau non-radioaktif. Tetapi bila jumlah neutron tidak sesuai, inti
menjadi tidak stabil dan suatu saat akan melepaskan ketegangannya dengan
mengeluarkan sinar radiasi. Inti yang tidak stabil mengakibatkan zat menjadi
radioaktif.
Setiap inti melepaskan ketegangannya dengan cara yang berbeda dan
mengeluarkan energi atau partikel radiasi yang berbeda. Pada sebagian besar kasus, inti
melepaskan energi elektromagnetik yang disebut radiasi gamma, yang dalam banyak
hal mirip dengan sinar-X. Ia bergerak secara lurus, melemah bila membentur suatu
benda. tetapi sering sebagian dari radiasi gamma menembus benda tersebut. Dalam
banyak hal, inti juga melepaskan radiasi beta. Radiasi beta lebih mudah untuk
dihentikan. Pelat seng biasa atau kaca dapat menghentikan semua radiasi beta. Bahkan
pakaian yang kita pakai dapat melindungi dengan baik dan radiasi beta.
Suatu kejadian dimana atom yang tidak stabil melepaskan kelebihan energinya
disebut proses peluruhan radioaktif. Inti yang ringan dengan sedikit nukleon menjadi
stabil setelah hanya mengalami I (satu) kali proses peluruhan. Tetapi inti yang berat
mengandung ratusan nukleon. Apabila inti berat mengalami peluruhan. ada
kemungkinan inti tersebut tetap tidak stabil. Oleh karena itu, kondisi stabil dapat dicapai
setelah beberapa kali peluruhan.
Jika jumlah proton berubah selama proses peluruhan, elemen tersebut akan
berubah menjadi elemen lain. Contohnya, uranium U-238 (terdiri atas 92 proton dan
146 neutron) selalu melepaskan 2 proton dan 2 neutron ketika sedang meluruh. Setelah
mengalami satu kali proses peluruhan jumlah protonnya menjadi 90. Tetapi elemen
dengan 90 proton disebut torium. Inti torium ini juga tidak stabil dan akan berubah
menjadi protaktinium setelah proses peluruhan berikutnya. Kemudian, inti ini juga akan
berubah menjadi inti lain. Pada akhirnya menjadi inti stabil, yaitu inti timah hitarn yang
akan dihasilkan setelah peluruhan ke 14.
B. KERADIOAKTIFAN ALAM
Terjadi secara spontan
Misalnya: 92238 U ®
224
90
Th + 24 He
1. Jenis peluruhan
a. Radiasi Alfa
- terdiri dari inti 24 He
- merupakan partikel yang massif
- kecepatan 0.1 C
- di udara hanya berjalan beberapa cm sebelum menumbuk molekul udara
b. Radiasi Beta
- terdiri dari elektron -10 e atau -10 beta
- terjadi karena perubahan neutron 01 n ®
- di udara kering bergerak sejauh 300 cm
1
1
p + -10 e
c. Radiasi Gamma
- merupakan radiasi elektromagnetik yang berenergi tinggi
- berasal dari inti
- merupakan gejala spontan dari isotop radioaktif
d. Emisi Positron
- terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan hampir sama dengan elektron
- terjadi dari proton yang berubah menjadi neutron 1 1 p ®
1
0
n + +10 e
e. Emisi Neutron
- tidak menghasilkan isotop unsur lain
2. Kestabilan inti
1. Pada umumnya unsur dengan nomor atom lebih besar dari 83 adalah
radioaktif.
2. Kestabilan inti dipengaruhi oleh perbandingan antara neutron danproton di
dalam inti.

isotop dengan n/p di atas pita kestabilan menjadi stabil dengan
memancarkan partikel beta.

isotop dengan n/p di bawah pita kestabilan menjadi stabil dengan
menangkap elektron.

emisi positron terjadi pada inti ringan.

penangkapan elektron terjadi pada inti berat.
3. Deret keradioaktifan
Deret radioaktif iajlah suatu kumpulan unsur-unsur hasil peluruhan suatu radioaktif
yang
berakhir
dengan
terbentuknya
unsur
yang
a. Deret Uranium-Radium
Dimulai dengan
92
238
U dan berakhir dengan
82
206
Pb
b. Deret Thorium
Dimulai oleh peluruhan
90
232
Th dan berakhir dengan
82
208
Pb
stabil.
c. Deret Aktinium
Dimulai dengan peluruhan 92 235 U dan berakhir dengan
82
207
Pb
d. Deret Neptunium
Dimulai dengan peluruhan
Bi
93
237
Np dan berakhir dengan
83
209
Di alam, kita dapat menemukan beberapa contoh inti berat yang dapat mencapai
kondisi stabil setelah melalui masa peluruhan yang panjang. Inilah salah satu alasan
mengapa lingkungan mengandung banyak sekali bahanbahan radioaktif alam. Pada
suatu mata rantai peluruhan tertentu, unsur yang dihasilkan adalah radium. Radium
adalah logam. seperti unsur-unsur pada awal mulainya peluruhan. Tetapi, yang
mengherankan sewaktu radium meluruh, unsur ini berubah menjadi bahan yang bersifat
gas yang disebut radon. Bahanbahan lain dari proses peluruhan tetap berada di dalam
bumi, tetapi gas radon bergerak menuju ke permukaan bumi. Pada saat mencapai
permukaan bumi ia menyebar ke segala arah dan membaur. Dalam hal ini gas radon
tidak membahayakan sama sekali. Tetapi, jika ada sebuah rumah tepat berada di suatu
tempat dirnana gas radon mencapai permukaan bumi, gas radon akan masuk ke dalam
rumah itu dan tidak akan bercampur dengan udara luar. Konsentrasi radon dalam udara
yang kita hirup di dalam rumah mungkin ratusan, bahkan ribuan kali lebih tinggi
daripada yang ada di luar rumah. Apabila kita menghirup udara, atom-atom radon
masuk ke dalam paru-paru. Hal yang sama terjadi pada setiap bahan yang dihasilkan
selama peluruhan radon, yang juga bersifat radioaktif. Akibatnya, paru-paru terkena
radiasi. Ada beberapa faktor lain yang mempengaruhi adanya paparan oleh radon,
seperti kandungan partikel udara dalam rumah, bahan-bahan bangunan yang digunakan
(yang juga mengeluarkan radon) dan juga gedung di tempat kita tinggal. Akibat dari
gas radon, banyak orang yang pekerjaannya berhubungan dengan radiasi menerima
dosis radiasi lebih tinggi di rumah daripada di tempat kerja. Dalam berpuluh-puluh ribu
rumah, para penghuninya menerima dosis radiasi beberapa kali lipat dari batas dosis
yang direkomendasikan bagi para pekerja di industri, pembangkit tenaga nuklir dan
fasilitas perawatan dengan sinar-X.
Radioaktivitas Alam
Inti
Kestabilan inti
•
Inti stabil
•
Inti tidak stabil menjadi stabil ( berubah secara spontan).
Unsur RA U 238 yang langsung dari lam digunakan sebagai bahan bakar
100 gr U238 = 99,3 % U238 + 0,7% U235
Unsur – Unsur RA di alam :
40
K
T1/2 = 1,28 x 109 th
87
Rb
T1/2 = 4,8 x 1010 th
113
Cd T1/2 = 9 x 1015th
Unsur radioaktif yang dihasilkan secara kontinu dalam atmosfer bumi sebagai hasil
reaksi molekul udara dengan partikel berenergi tinggi yang dikaenal dengan sinar
kosmik (14C ).
Penentuan Umur Radiometrik
Sinar kosmik inti atomik berenergi tinggi ( proton) masuk ke atmosfer sehingga
terjadi tumbukan dengan partikel sekunder menghasilkan netron. Netron tersebut
kemudian bereaksi dengan Nitrogen di udara ( 147 N )
14
Reaksi : 7
N
1
+ 0
n
 6 C 1 H
14
1
Setelah dihasilkan di atmosfer, karbon membentuk CO2 radioaktif yang
kemudian diserap oleh tumbuhan dan dimakan oleh konsumen-konsumen di atasnya
(manusia dan hewan).
Radiokarbon
Mengukur kandungan 14C dalam tanaman diambil sampel diuapkan dan diambil uapnya
(gas) CO2 yang kemudian dimasukkan ke dalam indikator ”peka-beta”.
R = Ro e   t
T=
Dimana :
1

ln
Ro
R
Ro = aktivitas sample masih hidup.
R = aktivitas sample yang sudah mati.
Gambar 1. Detektor Peka-Beta
Detektor peka-beta adalah sebuah alat yang dipergunakan untuk mengamati
hasil dari aktivitas peluruhan beta yang terjadi pada sample radioaktif.
Secara bahasa detektor adalah : Alat yang peka terhadap radiasi, menghasilkan sinyal
respons yang dapat diukur atau dianalisis.
Radioisotop
Membandingkan penjumlahan inti mula-mula yang ada pada sampel karang,
tunggu sampai inti meluruh sampai stabil membentuk (Pb206). Pb206 yang terbentuk
dikonversikan dengan 238U (inti mula-mula). Dalam 25 tahun, 1206Pb yang diperkirakan
terbentuk.
Keradioaktifan Buatan
Merupakan perubahan inti yang terjadi karena ditembak oleh partikel.
Prinsip penembakan:
Jumlah nomor atom sebelum penembakan = jumlah nomor atom setelah penembakan.
Jumlah nomor massa sebelum penembakan = jumlah nomor massa setelah
penembakan.
Misalnya:
7
14
N+
4
2
He
8
17
O + 11 p
RUMUS
k = (2.3/t) log (No/Nt)
k = tetapan laju peluruhan
k = 0.693/t1/2
t = waktu peluruhan
t = 3.32 . t1/2 . log No/Nt
No = jumlah bahan radioaktif mula-mula
Nt = jumlah bahan radioaktif pada saat t
t1/2 = waktu paruh
PELURUHAN ALFA
Peluruhan Alfa
Peluruhan alfa adalah emisi partikel alfa (inti helium) yang dapat dituliskan
sebagai
4
2
He atau 42 α. Ketika sebuah inti tak stabil mengeluarkan sebuah partikel alfa,
nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat. Peluruhan alfa dapat
ditulis:
X →ZA−−42Y +24α
Sebagai contoh 234U meluruh dan mengeluarkan sebuah partikel alfa
Z
A
234
92U
→23090Th +α
Energi Peluruhan Alfa
Dalam peluruhan dibebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat
dari
pada inti semula. Energi yang dibebaskan muncul sebagai energi kinetik partikel alfa
Kα dan energi kinetik inti anak (inti hasil) KY , yang dapat dihitung dengan
persamaan:
Karena energi yang dilepas muncul sebagai energi kinetik, maka:
Q = KY + Kα Dengan asumsi kita memilih kerangka acauan laboratorium
(dijelaskan pada reaksi
inti). Selanjutnya, kita dapat menghitung energi kinetik alfa dengan persamaan:
Kα ≅
A −4
Q
A
Teori Peluruhan Alfa
Peluruhan alfa merupakan salah satu peristiwa efek trobosan (tunneling effect),
seperti dibahas dalam mekanika kuantum.
Diasumsikan dua netron dan dua proton yang berada dalam inti membentuk
partikel alfa. Dua proton dan dua netron ini bergerak terus di dalam inti, yang kadangkadang bergabung dan terkadang berpisah. Di dalam inti partikel alfa terikat oleh gaya
inti yang sangat kuat. Tetapi jika partikel alfa inti bergerak lebih jauh dari jari-jari inti
ia akan segera merasakan tolakan gaya Coulomb.
Energi
Partikel α
Eα
R
x
Gambar 6.1 Potensial Inti dan Proses Efek Trobosan Oleh Partikel Alfa
Tinggi potensial halang dalam inti berat sekitar 30 MeV sampai 40 MeV,
sementara partikel alfa hanya memiliki energi sekitar 4 sampai 8 MeV. Jadi, secara
klasik partikel alfa tidak akan mengkin menerobos potensial Coulomb yang begitu
besar.
Namun, dalam mekanika kuantum, penerobosan seperti itu diijinkan. Terdapat
peluang partikel alfa untuk menerobos “dinding yang begitu tebal dan kuat”
Probabilitas persatuan waktu λ .bagi partikel alfa untuk muncul adalah
probabilitas menerobos potensial halang dikalikan banyaknya partikel alfa menumbuk
penghalang per detik dalam usahanya untuk keluar. Jika partkel alfa bergerak dengan
laju ν di dalam sebuah inti berjari-jari R, maka selang waktu yang dibutuhkan untuk
menumbuk penghalang bolak-balik dalam inti sebesar 2R /ν . Inti berat nilai R sekitar
6 fm, maka partikel alfa menumbuk dinding inti berat sebesar 1022 kali per detik.
Taksiran kasar probabiltas peluruhan alfa, berdasarkan mekanika kuantum
adalah
λ=
v −k ( R′−R)
e
2R
Dengan k =
(5.4)
(2m / =2 )(VB − Kα ) / 2 , VB merupakan tinggi maksimum
penghalang atau merupakan energi Coulomb partikel alfa pada permukaan inti atom,
yang besarnya
VB = 2(Z − 2)e2 / 4πε0 R , dan R′ = 2(z − 2)e2 / 4πε0 Kα . Jika persamaan diatas dihitung,
maka akan didapatkan nilai antara 105 /s hingga 10-21/s, lumayan sama dengan hasil
eksperimen.
Berdasarkan data eksperimen, usia paro peluruhan alfa ada ketergantungan
dengan energi artikel alfa. Semakin besar energi partikel alfa, waktu paro nya semakin
cepat dan sebaliknya. Dikusikanlah masalah ini!
Tabel 6.1 Hubungan Energi Kinatik Alfa Dengan Waktu Paro
Isotop
Kα (MeV)
t
1/ 2
λ (1/s)
Th
238U
230Th
238 Pu
230U
220 Rn
222 Ac
4,01
1,4 x 1010 thn
1,6 x 10-18
4,19
4,5 x 109 thn
4,9 x 10-18
4,69
8,0 x 104 thn
2,8 x 10-13
5,50
88 thn
2,5 x 10-10
5,89
20,8 hari
3,9 x 10-7
6,29
56 s
1,2 x 10-2
7,01
5s
0,14
216
Rn
8,05
45 μs
1,5 x 104
212
Po
8,78
0,3 μs
2,3 x 106
232
KARAKTERISTIK PARTIKEL ALFA
Daya Jangkau Partikel Alfa
Berdasarkan hasil eksperimen diketahui bahwa kecepatan gerak partikel alfa
berkisar
antara 0,054 c hingga 0,07 c. Karena massa partikel alfa cukup besar, yaitu 4 u, maka
jangkauan partikel alfa sangat pendek.partikel alfa dengan energi paling tinggi,
jangkauannya di udara hanya beberapa cm. Sedangkan dalam bahan hanya beberapa
mikron.
Partikel alfa yang dipancarkan oleh sumber radioaktif memiliki energi tunggal
(mono-energetic). Bertambah tebalnya bahan hanya akan mengurangi energi partikel
alfa yang melintas, tetapi tidak megurangi jumlah partikel alfa itu sendiri.
Pengujian jejak partikel alfa dengan kamar kabut Wilson, menunjukkan bahwa
sebagian besar partikel alfa memiliki jangkauan yang sama di dalam gas dan bergerak
dengan jejak lurus.
Jangkauan partikel alfa biasanya diukur di udara pada suhu 0 C dan tekanan 70
mmHg dan dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut.
d (cm) = 0,56 x E (MeV )
E < 4 MeV
d (cm) =1,24 x E (MeV ) − 2,62
4 < E < 8 MeV
(5.5)
Sedangkan jangkauannya dalam medium (dm) selain udara didefinisikan dengan
pendekatan persamaan Bragg-Kleeman sebagai berikut:
dengan
Am =
.
n1 A1 + n2 A2 +...
n1 A1 + n2
A2 +...
ρm adalah massa jenis medium
(gr/cm3) Ni fraksi atom dari unsur
i
Ai berat atom unsur i
Contoh
Berapak jangkauan partikel alfa dengan energi 4,195 MeV di dalam molekul UO2
dengan masaa jenis 10,9 gr/cm3. Diketahui massa atom U dan O masing-masing 238
dan 16 Jawab
Molekul UO2 terdiri atas 3 atom (1 U dan 2 O), sehingga fraksi atom untuk U, n =1/3
dan untuk O, n = 2/3
Jangkauan partikel alfa di udara d = 1,24 x 4,195 – 2,62 = 2,58 cm
Maka jangkau partikel alfa di dalam molekul UO2
Daya Ionisasi
Mekanisme utama hilangnya energi partikel alfa adalah melalui ionisasi dan
eksitasi. Dalam udara partikel alfa rata-rata kehilangan energi sebesar 3,5 eV untuk
menghasilkan pasangan ion (p, e). Sementara eksitasi terjadi ketika energi yang
ditransfer ke elektron atom medium, tidak cukup untuk melepaskan elektron dari
pengaruh ikatan inti.
Partikel alfa bergerak cukup pelan karena massanya yang relatif besar. Karena
muatannya juga besar (2e), maka ionisasi spesifik sangat tinggi. Ionisasi sepisifik
adalah banyaknya pasangan ion yang terbentuk per satuan panjang lintasan. Pasangan
ion yang terbentuk dalam orde puluhan ribu paangan ion per centimeter lintasan di
udara.
Ionisasi spesifik (Is) dirumuskan:
Is =
∑Pasangan ion
jangkaun α (cm)
=
Kα
( pasangan ion / cm)
W .d
Kα adalah energi partikel alfa (eV) dan W adalah energi yang diperlukan untuk
membentuk 1 pasang ion di udara, 35 eV/pasang
Gambar 6.2 Kurva Bragg untuk Ionisasi Spesifik Partikel Alfa di Udara
(5.7)
Contoh
Berapa jumlah pasangan ion per cm di udara yang dihasilkan oleh partikel alfa
dengan energi 4,5 MeV
Jawab
Jangkaun alfa di udara d = 1,24 x 4,5 – 2,62 =
2,96 cm Jumlah pasngan ion per cm
4,5 x10 6 eV
= 43.436 pasang ion / cm
35eV x 2,96 cm
Peluruhan Beta
Is =
Dalam peluruhan beta, sebuah proton berubah menjadi inti atau sebaliknya. Jadi
Z dan N masing-masinng berubah satu satuan, tetapi A tidak berubah. Pada peluruhan
beta, yang paling utama adalah sebuah netron meluruh menjadi sebuah proton dan
sebuah elektron
n→p+e
Ketika proses peluruhan ini pertama kali dipelajari, partikel yang dipancarkan
disebut partikel beta, kemudian baru diketahui bahwa partikel itu adalah
elektron.Elektron yang dipancarkan pada peluruhan beta bukanlah elektron kulit atom
dan juga bukan elektron yang semula berada dalam inti. Tetapi elektron ini diciptakan
oleh inti dari energy yang ada. Jika ada beda energy diam sekurang-kurangnya
penciptaan elektron sangat mungkin terjadi.
Hipotesis Neutrino
Dari eksperimen yang telah dilakukan berkaitan dengan peluruhan beta ini, yaitu:
1. Spin
intrinsik
proto,
netron
dan
elektron
masing-
masing bernilai ½. Jika terjadi peluruhan netron (spin ½), gabungan spin
proton dan elektron hasil peluruhan bisa sejajar (spin total = 1)
atau berlawanan (spin total 0), dan tidak ada kemungkinan spin totalnya ½.
Oleh karena itu, proses peluruhan ini tampaknya melanggar hukum
kekekalan momentum sudut
2. Persoalan
energi beta. Dari pengukuran elektron yang dipancarkan di
dapatkan bahwa spektrum energinya kontinyu dari 0 hingga nilai maksimum
Ke(max). Menurut perhitungan dalam peluruhan netron, nilai Q = (mn mp - mc)c2 = 0,782 MeV. Persoalan distribusi energi yang kontinyu ini
(karena adanya beberapa energi yang hilang), dicoba dipecahkan oleh para
fisikawan eksperimen sebelum tahun 1930, tapi semuanya tidak berhasil.
Gambar 6.3. Grafik Distribusi Energi Partikel Beta
Pemecahan terhadap fenomena yang tampak melanggar hukum kekeka
lan momentum sudut dan energi ini ditemukan oleh Wolfgang Pauli. Ia mengusulkan
bahwa ada partikel ketiga yang dipancarkan pada peluruhan beta ini. Partikel ketiga ini
bermuatan elektrik nol dan memiliki spin ½. Hilangnya energi ini tidak lain adalah
energi yang diambil partikel ini.
Partikel ini disebut neutrino (yang dalam bahasa Italia berarti netral kecil) dan
diberi lambang ν . Neutrino ini memiliki massa diam nol. Neutrino ini juga memiliki
anti partikel yang dinamakan antineutrino ν . Pada kenyataannya yang dipancarkan
dalam peluruhan beta adalah antineutrino. Dengan demikian proses peluruhan beta
secara lengkap adalah:
n→p+e−+ν
Energi reaksi ini muncul sebagai energi kinetik elektron, energi antineutrino dan energi
pental proton. Proses peluruhan beta lainnya adalah peluruhan proton, yang reaksinya
p→n+e+ + ν
e+ adalah elektron positif atau positron yang merupakan antipartikel dari elektron.
Positron memiliki massa sama dengan elektron, tetapi memiliki muatan elektrik
yang berlawanan. Apabila positron bertemu dengan elektron, keduanya akan bergabung
dan musnah. Proses ini dinamakan annihilasi. Energi keduanya berubah menjadi
gelombang elektromagnetik.
Gambar 6.4. Grafik Distribusi Energi Positron
Tangkapan Elektron
Salah satu proses peluruhan inti adalah tangkapan elektron (Electron capture, EC).
Proses reaksinya adalah
p + e− → n + ν
Di sini sebuah proton menagkap elektron dariorbitnya beralih menjadi sebuah
netron ditambah sebuah neutrino. Elektron yang ditangkap ini adalah elektron terdalam
sebuah atom, dan proses ini dicirikan dengan kulit asal elektronnya: tangkapan kulit K,
kulit L, dan seterusnya. Tangkapan elektron ini tidak terjadi pada proton bebas, tetapi
hanya proton yang ada di dalam inti.
Energi Peluruhan.
Peluruhan beta terjadi pada sebuah inti atom. Pada saat pemancaran e−, sebuah
inti atom dengan Z proton dan N netron meluruh ke inti atom lain dengan Z + 1 proton
dan N – 1 netron.
Nilai Q dari peluruhan ini, dihitung dengan mengurangi massa-massa elektron (Zme)
Massa
elektron
saling
menghapuskan
dalam
perhitungan Q. Energi yang dilepas dalam peluruhan ini sebagai energi kinetik
antineutrino, energi kinetik elektron dan sejumlah kecil energi kinetik inti. Elektron
memiliki energi kinetik maksimum jika energi antineutrino hampir nol.
Sedangkan dalam pemancaran dapat digambarkan e+ , proton inti berubah
menjadi netron. Reaksinya
Nilai Q pada proses ini
Sedang untuk tangkapan elektron, reaksinya
Dan nilai Q-nya
Contoh
Berapakah energi maksimum elektron yang teremisi dari peluruhan e − di dalam H?
Jawab
Reaksi peluruhan
Energi kinetik inti He bisa diabaikan karena terlalu kecil sehingga Ke terjadi pada saat
Kv = 0, maka Ke = 0,0186 MeV
KARAKTERISTIK PARTIKEL BETA
Daya Jangkau Sinar Beta
Sinar beta, baik elektron atau positron, keduanya termasuk kelompok partikel
ringan bermuatan. Besar massa diam dan muatan elektriknya juga sama, hanya
tandanya saja yang berlawanan. Kecepatan gerak di udara antara 0,32 c sampai 0,7 c.
Jejak partikel beta ini berbelok-belok karena elektron ini mengalami hamburan di dalam
bahan.
Energi rata-rata elektron ini (1/3) Kmax, sedangkan untuk positron 0,4
Kmax. Panjang jangkaun partikel ini di medium dinyatakan dalam cm, namun kadangkadang juga dinyatakan dalam bentuk ketebalan densitas (density thickness, dt) dengan
satuan massa per satuan luas (mg/cm2) untuk menggantikan jarak atau ketebalan (d).
dt (mg / cm2 ) = d (cm) x ρ(mg / cm3)
ρ adalah massa jenis medium.
Dengan sistem satuan ini, jangkauan partikel di dalam medium tidak lagi
memperhatikan jenis bahan medium. Perumusan matematis yang menunjukkan
hubungan antara jangkauan dt dan energi maksimum Km (MeV) adalah sebagai
berikut:
Contoh
Berapakah jangkauan linier partikel beta (dalam cm) dengan energi maksimum 2,86
MeV yang dipancarkan dari inti 5625Mn yang melewati aluminum.
jawab
Daya Ionisasi Partikel Beta
Mekanisme hilangnya partikel beta sama dengan mekanisme pada partikel alfa,
yaitu diserap bahan yang dilewati untuk proses ionisasi dan eksistasi.
Partikel beta akan kehilangan energi 3,4 eV setiap pembentukan satu pasang ion.
Namun karena partikel beta lebih kecil (sekitar 1/7300 dari massa partikel alfa) dan
muatan yang lebih rendah (1/2 dari partikel alfa), maka konsekuensinya partikel beta
dalam sepanjang sejaknya tidak memproduksi pasangan ion per cm sebanyak yang
dibentuk partikel alfa. Partikel beta dengan energi 3 MeV mempunyai jangkaun di
udara lebih dari 1.000 cm namun hanya mampu menghasilkan beberapa pasangan ion
per mm sepanjang jejaknya.
Ionisasi spesifik (Is) partikel beta di udara bervariasi dari 60 sampai 7.000 pasangan
ion per cm. Ionisasi spesifik bernilai besar untuk partikel beta berenergi rendah,
selanjutnya berkurang secara cepat untuk energi yang makin besar, hingga mencapai
minimum pada energi sekitar 1 MeV. Ionisasi spesifik ini berlahan-lahan naik untuk
energi lebih besar dari 1 MeV.
Persamaan ionisasi spesifik ditulis:
dK/dx adalah laju kehilangan energi akibat ionisasi dan eksitasi oleh partkel
beta (MeV/cm) dan W adalah energi rata-rata untuk membentuk satu pasangan ion.
Satu hal yang menarik, karena partikel beta bermuatan listrik dan bergerak dengan
kecepatan tinggi, apabila melintas dekat inti atom, maka gaya elektrostatik inti
menyebabkan partikel beta membelok dengan tajam. Peristiwa ini menyebabkan
partikel beta kehilangan energinya dengan memancarkan gelombang elektromagnetik
yang dikenal sinar-X Bremsstrahlung.
PELURUHAN GAMMA
Setelah peluruhan alfa dan beta, inti biasanya dalam keadaan tereksitasi. Seperti
halnya atom, inti akan mencapai keadaan dasar (stabil) dengan memancarkan foton
(gelombang elektromagnetik) yang dikenal dengan sinar gamma (γ).
Dalam proses pemancaran ini, baik nomor atom atau nomor massa inti tidak
berubah. ( AX )* →AX +γ
Energi gelombang ini ditentukan oleh panjang gelombang (λ) atau oleh
frekuensinya
(f) sesuai persamaan
E = hf = hc / λ
(7.1)
dengan h adalah tetapan plank yang besarnya 6,63 10-34 Js.
Energi tiap foton adalah beda energi antara keadaan awal dan keadaan akhir inti,
dikurangi dengan sejumlah koreksi kecil untuk energi pental inti. Energi ini berada pada
kisaran 100 KeV hingga beberapa MeV.
Inti dapat pula dieksitasi dari keadaan dasar ke keadaan eksitasi dengan menyerap
foton dengan energi yang tepat.
Gambar 7.1 memperlihatkan suatu diagram tingkat energi yang khas dari keadaan
eksitasi inti dan beberapa transisi sinar gamma yang dipancarkan. Wakto paro khas bagi
tingkat eksitasi inti adalah 10-9 hinga 10-12 s.
Ada beberapa yang memiliki waktu paro lama (beberapa jam bahkan beberapa
hari). Intiinti yang tereksitasi seperti ini dinamakan isomer dan keadaan tereksitasinya
dikenal sebagai keadaan isomerik.
198
e-
Au
γ2
γ3
e0,412 MeV
γ1
0
198
Hg
Gambar 6.5 Diagram Tingkat Energi Inti
Dalam menghitung energi partikel alfa dan beta yang dipancarkan dalam
peluruhan radioaktif di depan dianggap tidak ada sinar gamma yang dipancarkan. Jika
ada sinar gamma yang dipancarkan, maka energi yang ada (Q) harus dibagi bersama
antara partikel dengan sinar gamma.
ABSORBSI SINAR GAMMA
Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang membawa energi
dalam bentuk paket-paket yang disebut foton. Jika sinar gamma masuk ke dalam suatu
bahan, juga mengahsilkan ionisasi, hanya saja ionisasi yang dihasilkan sebagian besar
melalui proses ionisasi sekunder. Jadi, jinar gamma berinteraksi dengan materi hanya
beberapa pasang ion primer saja yang terbentuk. Ion-ion primer itu selanjutnya
melakukan proses ionisasi sekunder sehingga diperoleh pasangan ion yang lebih
banyak dibandingkan yang terbentuk pada proses ionisasi primer.
Apabila sinar gamma (gelombang elektromagnetik) memasuki perisai, maka
intensitas radiasi saja yang akan berkurang, sedangkan energi tetap tidak berubah.
I = I0 e−μd
Dengan Io adalah intensitas mula-mula, I Intensitas yang diteruskan, d adalah
ketebalan bahan perisasi dan μ adalah koefisien serapan linier bahan perisai.
Karena μd tidak memiliki satuan, maka satuan μ dan d menyesuaikan. Jika d dalam
cm, maka μ dalam 1/cm.
Nilai μ untuk setiap bahan sangat bergantung pada nomor atom bahan dan juga
pada radiasi gamma.
Untuk beberapa tujuan tertentu, seringkali tabel bahan perisai tidak dinyatakan
dalam tebal linier dengan satuan panjang, tetapi dinyatakan dalam tebal kerapatan
(gr/cm2). Jika besaran itu yang dipakai maka koefisien serapan bahan dinyatakan
dalam koefisiem serapan massa μm dengan satuan cm2/gr.
Hubungan keduanya dinyatakan dalam:
μ(cm−1 ) = μm (cm2 / gr) x ρ(gr / cm3 )
Selain kedua koefisien serapan tersebut, juga digunakan koefisien serapan
atomik (μa), yaitu fraksi berkas radiasi gamma yang diserap oleh atom . Koefisien
serapan atomik dirumuskan
μa (cm 2 / atom) =
μ(cm−1 )
N (atom / cm3 )
Dengan N adalah jumlah atom penyerap per cm3. Koefisien serapan atomik ini
selalu menunjukkan tampang lintang (cross section) dengan satuan barn.
1 barn = 10-24 cm2
Koefisien serapan atomik seringkali disebut microscopic cross section (σ),
sedangkan koefisien serapan linier sering dikenal dengan istilah macroscopic cross
section ( ∑= Nσ ). Sedangkan nilai tebal paro atau half value thickness (HVT) adalah
tebal bahan perisai yang diperlukan radiasi gelombang elektromagnetik untuk
mengurangi intensitas radiasinya, sehingga tinggal setengah dari semula.
Jika penurunan intensitas dirumuskan I = I 0 eμd dan pada saat intensitas
menjadi setengahnya I = 1/2I0
Maka
Dilihat dari daya tembusnya, radiasi gamma memiliki daya tembus paling kuat
dibandingkan dengan radiasi partikel yang dipancarkan inti radioaktif lainnya.
Sebaliknya, daya ionisasinya paling lemah. Karena sinar gamma termasuk
gelombang elektromagnetik, maka kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya.
INTERAKSI SINAR GAMMA DAN MATERI
Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila
radiasi gamma melewati bahan, yaitu efek fololistrik, hamburan Compton dan produksi
pasangan. Ketiga proses tersebut melepaskan elektron yang selanjutnya dapat
mengionisasi atom-atom lain dalam bahan.
Peluang terjadinya interaksi antara radiasi gamma dengan bahan ditentukan oleh
koefisien absorbsi linier (μ). Karena penyerapan intensitas gelombang elektromagnetik
melalui tiga proses utama, maka nilai μ juga ditentukan oleh peluang terjadinya ketiga
proses tersebut, yaitu μf untuk foto listrik, μc untuk hamburan Compton dan μpp untuk
produksi pasangan.
Koefisien absorbsi total (μt) dari ketiga koefisien tersebut
μt = μ f + μc + μpp
Efek fotolistrik
Efek foto listrik adalah peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh elektron
yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan atom.
Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron.efek foto listrik terutama terjadi antara
0,01 MeV hingga 0,5 MeV.
Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi pada materi dengan Z yang besar,
seperti tembaga (Z = 29).
Energi foton yang datang sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam
bentuk energi kinetik elektron dan sebagian lagi digunakan untuk melawan energi ikat
elektron (W0).
Besarnya energi kinetik fotoelektron (K) dalam peristiwa ini adalah:
K = hf −W0
Dari persamaan 7.7 terlihat bahwa agar efek fotolistrik terjadi, maka energi
foton harus sekurang-kurangnya sama dengan energi ikat elektron yang berinteraksi.
Hamburan Compton
Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hf berinteraksi dengan
elektron bebas atau elektron yang tidak terikat dengan kuat oleh inti, yaitu elektron
terluar dari atom. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti dan bergerak dengan energi
kinetik tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton
datang. Foton lain ini dinamakan foton hamburan.
Kemungkinan terjadinya hamburan Compton berkurang bila energi foton yang
datang bertambah dan bila Z bertambah.
Dalam hamburan Compton ini, energi foton yang datang yang diserap atom
diubah menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan. Perubahan panjang
gelombang foton hamburan dari λ menjadi λ’ dirumuskan
dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh
λ ( A) = 0,0242 (1 − cosθ)
Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 200 keV
hingga 5 MeV dalam sebagian besar unsur-unsur ringan.
Produksi pasangan
Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik
dalam inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai
gantinya akan timbul sepasang elektron-positron. Karena massa diam elektron ekivalen
dengan energi 0,51 MeV, maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energi
foton ≥ 1,02 MeV (2mec2).
Energi kinetik total pasagan elektron-positron sesuai dengan persamaan:
hf = Ke + K p + me c2 + mp c2 .
Kedua partikel ini akan kehilangan energinya melalui proses ionisasi atom bahan.
Positron yang terbentuk juga bisa bergabung dengan elektron melalui suatu proses yang
dinamakn annihiliasi