INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI

INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI
Disusun Oleh :
ERMAWATI
UNIVERSITAS GUNADARMA
JAKARTA
1999
1
ABSTRAK
Dalam mendesain semua sistem nuklir, pelindung radiasi, generator isotop, sangat
tergantung dari jalan interaksi radiasi nuklir dengan materi. Jika neutron menumbuk inti, inti
akan terbelah atas bagian – bagian, yang disebut mengalami fisi. Rekasi ini adalah
merupakan sumber prinsip dari energi nuklir untuk penggunaan praktis. Reaksi fisi dapat
membentuk reaksi berantai tak terendali yang memilii daya leda yang dahsyat dan dapat
dibuat dalam bentuk bom nuklir. Faktor – faktor yang harus dipertimbangkan dalam memilih
bahan nuklir adalah karakteristik inti target, penampang lintang neutron. Inti
dan
dipakai dalam jumlah yang besar pada beberapa reaktor nuklir.
Oleh
Ermawati
[email protected]
2
PENDAHULUAN
Untuk mendesain semua sistem nuklir, pelindung radiasi, generator isotop, sangat
tergantung dari jalan interaksi radiasi nuklir dengan materi. Dalam tulisan ini interaksi
tersebut di diskusikan untuk neutron, sinar ɣ dan berbagai partikel bermuatan dengan energi
sekitar 20 Mev. Sebagian besar dari radiasi yang terjadi dalam peralatan nuklir dengan energi
20 Mev.
1. Interaksi – interaksi Neutron
Neutron adalah partikel yang tidak mempunyai muatan, oleh karena itu
interaksinya dengan materi sangat berbeda dengan interaksi partikel bermuatan.
Neutron bebas dari pengaruh medan listrik coulomb,,akibatnya neutron bebas
mendekati bahkan masuk ke inti atom dan menembusnya. Jika suatu neutron masuk
menembus inti dan keluar lagi, maka hanya terjadi peristiwa hamburan (scattering).
Hamburan ini dapat berupa hamburan elastis dan in elastis.
Neutron dapat berinteraksi dengan inti dalam berbagai acara sebagai berikut :
Hamburan elastis
Neutron menumbuk inti yang terletak dalam keadaan diam, kemudian neutron
keluar dari inti dan meninggalkan inti dalam keadaan seperti semula (tak mengalami
eksitasi). Interaksi ini disingkat dengan simbol (n,n). Ringkasnya hamburan dikatakan
elastis, jika keadaan sistem tetap seperti semula (unexcited).
Hamburan inelastis
Hamburan menjadi inelastis, jika inti yang ditinggalkan setelah terjadi
interaksi dalam keadaan tereksitasi. Karena energi diterima oleh inti, ini merupakan
interaksi endotermik. Hamburan inelastis ini disimbolkan dengan (n,n’). Inti yang
dalam keadaan tereksitasi tersebut dalam meluruh dengan mengemissi sinar ɣ . dalam
peristiwa ini, karena sinar ɣ berasal dari hamburan inelastis maka sinar tersebut
disebut sinar ɣ inelastis.
Penangkapan Radiasi
3
Dalam hal ini neutron ditangkap oleh inti dan mengemissi satu atau lebih sinar
ɣ yang disebut capture ɣ - rays. Peristiwa ini adalah interaksi eksotermik dan
disimbolkan dengan (n, ɣ). Karena neutron asli tersebut diserap, proses ini adalah
salah satu contoh dari bentuk interaksi yang dikenal dengan reaksi penyerapan.
Reaksi – reaksi partikel bermuatan
Neutron – neutron yang hilang sebagai hasil dari reaksi penyerapan tipe (n,α)
dan (n,p). Reaksi – reaksi tersebut dapat berupa reaksi eksotermik atau endotermik.
Reaksi – reaksi penghasil neutron
Reaksi – reaksi dari tipe (n,2n) dan (n,3n) terjadi dengan neutron yang
energitic. Reaksi – reaksi tersebut merupakan reaksi endotermik, karena di dalam
reaksi (n,2n) didapat 1 neutron dan dari (n,3n) diperoleh 2 neutron dari inti yang
tertumbuk. Reaksi tipe (n,2n) sangat penting dalam reaktor yang mengandung air
berat atau Berilium, karena
dan
mempunyai neutron yang terikat lemah,
sehingga dapt dengan mudah di injeksi.
Fisi (pembelahan)
Jika neutron menumbuk inti, inti akan terbelah atas bagian – bagian, yang
disebut mengalami fisi. Reaksi ini adalah merupakan sumber prinsip dari energi nuklir
untuk penggunaan praktis.
2. Penampang Lintang
Interaksi netron – netron dengan inti – inti atom dapat dilukiskan secara
kuantitatif dengan menggunakan pengertian penampang lintang. Hal tersebut
didefenisikan oleh eksperimen berikut. Jika berkas dari netron – netron yang mono
energi bertumbukan dengan target yang tipis dengan ketebalannya X dan luas Q. Jika
n adalah netron per cm³ dan v adalah kecepatan netron – netron maka Intensitas
berkas adalah :
I = n v ......................(2.1)
Karena netron bergerak dengan jarak v dalam 1 detik sehingga semua netron –
netron dalam volume vQ didepan target akan menumbuk target dalam 1 detik,
4
sehingga : nvQ = IQ , IQ/Q = I , adalah merupakan jumlah netron – netron yang
menumbuk target per cm² / detik.
Karena inti kecil dan target dianggap tipis, maka sebagian besar netron –
netron yang bertumbukan dengan target pada umumnya melewati target tanpa
berinteraksi dengan beberapa inti. Jumlah dari netron yang bertumbukan berbanding
lurus dengan intensitas berkas, kerapatan atom N target dan luas Q, serta ketebalan
target X. Berdasarkan hasil penyelidikan dapat disimpulkan dengan persamaan
sebagai berikut:
Jumlah tumbukan per detik
(dalam seluruh target)
= σINQX
.................(2.2)
Dengan σ adalah konstanta pembanding yang disebut dengan penampang
lintang. Faktor NQX dalam persamaan 2.2 adalah jumlah total inti dalam target.
Jumlah tumbukan per detik dengan satu inti adalah tepat sama dengan σI. Maka σ
adalah sama dengan jumlah tumbukan per detik dengan satu inti per satuan intensitas
berkas.
Ada cara lain untuk membuat konsep penampang lintang. Total netron –
netron yang bertumbukan perdetik adalah IQ. Sedangkan interaksinya dengan
beberapa inti adalah σI, maka dapat disimpulkan untuk itu adalah :
σ
=
σ
.............. (2.3)
Adalah probabilitas berkas netron yang menumbuk inti.
Dari persamaan akan terlihat bahwa σ mempunyai satuan luas. Sesungguhnya,
σ adalah tidak lebih dari luas penampang lintang yang efektif yang disebut dengan
penampang lintang, dilambangkan dengan σ
.
Penampang lintang netron dinyatakan dalam satuan barn yang disimbolkan
dengan huruf b, 1 barn sama dengan
cm².
Dianggap berkas netron menumbuk seluruh target. Walaubagaimanapun juga,
dalam beberapa eksperimen bahwa sesungguhnya berkas netron mempunyai diameter
5
lebih kecil dari diameter target. Rumus 2.3 masih dipakai hanya saja sekarang Q
merupakan daerah berkas sebagai ganti daerah target. Dan defenisi dari penampang
lintang tetap sama.
Masing – masing proses yang digambarkan dalm seksi 2.1 yang merupakan
interaksi netron – netron dengan inti, ditunjukan oleh karkteristik penampang lintang.
Hamburan elastis digambarkan oleh penampang lintang elastis ( σ ѕ), hamburan
inelastis oleh penampanglintang in-elastis (σi), reaksi (n,ɤ) atau penangkapan radiasi
oleh penampang lintang penangkapan, fisi oleh penampang lintang fisi σ
dan
sebagainya. Jumlah dari semua penampang lintang untuk semua kemungkinan
terjadinya interaksi yang disebut penampang lintang total disimbolkan dengan σ
yaitu :
=
+
+
+
+ ...... (2.4)
Penampang lintang total adalah ukuran – ukuran dari berbagai interaksi yang
akan terjadi ketika netron menumbuk target. Jumlah penampang lintang dari semua
reaksi penyerapan yang disebut penampang lintang penyerapan, disimbolkan dengan
σ
,
Yaitu sebagai berikut :
=
Dengan
+
+
+
+ ...... (2.5)
adalah penampang lintang reaksi (n,p), dan
adalah
penampang lintang reaksi (n,α).
Fisi yang terdapat pada persamaan (2.5) dinyatakan sebagai suatu proses
penyerapan.
Dengan
yang telah diuraikan sebelumnya, penampang lintang ini jumlah
probabilitas suatu tumbukan dari berbagai tipe yang terjadi. Karena QX adalah
volume total target, jika persamaan dibagi dengan volume total ini akan menghasilkan
kerapatan tumbukan ( F ) yang diberikan dengan rumus :
6
F=I N
...........(2.7)
Hasil kali kerapatan atom dengan penampang lintang seperti yang terdapat
pada persamaan diatas sering ditemui dalam persamaan (2.7) teknik nuklir, dengan
N σ = Ʃ yang disebut penampang lintang makroskopik, sedangkan N
=
adalah
penampang lintang hamburan makroskopik dan lain – lainnya. Karena N satuannya
dan σ adalah cm² maka satuannya Ʃ adalah
. Dalam bentuk penampang
lintang makroskopik maka persamaan dapat ditulis sebagai berikut :
F=I
.............. (2.8)
2.3 ATENUASI NETRON
Dalam seksi ini digunakan target tebal, dengan ketebalan X yang diletakkan
dalam satu arah berkas dengan intensitas
, dan sebuah detektor netron diletakkan
di belakangnya dengan jarak tertentu. Dengan anggapan bahwa target dan detektor
begitu kecil, dan detektor membentuk sudut kecil terhadap target. Dalam peristiwa ini
setiap netron yang bertumbukan di dalam target akan melepaskan cahaya, dan hanya
netron tersebut yang tidak berinteraksi, kemudian masuk ke detektor.
Jika I (X) intensitas dari neutron – neutron yang tak bertumbukan setelah
masuk ketarget sejauh x. Kemudian dalam melewati pertambahan jarak dx intensitas
berkas yang tidak bertumbukan akan dikurangi oleh jumlah neutron – neutron yang
bertumbukan dalam target tipis dengan luasnya 1 cm² dan mempunyai ketebalan dx.
Dalam persamaan (2.2) pengurangan intensitas diberikan oleh
-
d I (x) = N
I (x) dx =
I (x) dx ....... (2.9)
Persamaan (2.9) dapat diintegrasi menghasilkan
I (X) =
...... (2.10)
Intensitas neutron – neutron yang tidak bertumbukan menurun secara
eksponensial terhadap jarak dalam target. Intensitas berkas dari neutron – neutron
yang tidak bertumbukan yang muncul dari target adalah
7
I (X) =
...... (2.11)
Intensitas inilah yang diukur oleh detektor.
Jika target sangat tebal seperti pada pelindung radiasi, yang menyebabkan
hampir semua neutron datang akan mempunyai sekurang – kurangnya satu tumbukan
dalam target, sehingga bagian terbesar dari neutron – neutron yang muncul akan
mengalami hamburan dengan target. Karena neutron – neutron tertentu saja yang
dapat memenuhi persamaan 2.11.
Jadi persaman ini tidak dapat dipakai untuk menghitung keefektivitas dari
sebuah pelindung (shield). Dan juga akan dapat mengabaikan bagian terbesar
komponen terpenting dari radiasi yang muncul yaitu neutron – neutron yang
dihamburkan.
Jika persamaan (2.9) dibagi dengan I (x), maka akan diperoleh sbb :
-
=
dx ................. (2.12)
Kuantitas dI (x) adalah jumlah intensitas netron diluar jumlah I (x) yang
bertumbukkan dalam dx, sedangkan dI (x) /I (x) adalah probabilitas netron yang tidak
mengalami tumbukkan sampai ketebalan x, dan yang akan mengalami tumbukkan
dalam dx berikutnya. Oleh karena itu
dx pada persamaan (1.12) adalah
probabilitas netron yang akan mengalami tumbukkan dalam dx berikutnya. Sehingga
dapat disimpulkan bahwa
adalah probabilitas suatu netron per satuan panjang
jejak yang akan mengalami tumbukkan selama netron tersebut bergerak dalam
medium.
Perbandingan I(x) /
=
adalah probabilitas netron sampai ketebalan x
tanpa mengalami tumbukan.
Kuantitas p(x) dx adalah probabilitas netron yang mempunyai tumbukkan
pertamanya dalam dx setelah x. Hal ini sama dengan probabilitas netron yang
bertumbukan dalam dx dikali dengan probabilitas netron yang tanpa mengalami
tumbukkan sampai ketebalan x . p(x) diberikan oleh :
8
.
P (x) dx =
dx
=
dx
adalah probabilitas netronper satuan panjang jejak. Jarak rata – rata dari
satu netron yang bergerak diantara tumbukan – tumbukan disebut jalan bebas rata –
rata ( mean free path ).
Kuantitas ini disimbolkan dengan
λ , adalah sama dengan harga rata – rata x,
jarak yang ditempuholeh satu netron tanpa mengalami satu tumbukan. Fungsi
probabilitas adalah :
λ= ∫
=
x p (x) dx
∫
= 1/
x
dx
.................................. (1.13)
Berikutnya satu campuran homogen dari dua macam inti x dan y yang
kerapatannya
dan
atom/cm³, dan mempunyai penampang lintang
dan
untuk beberapa interaksi tertentu. Probabilitas per unit path dari satu netron yang
bertumbukan dengan inti, untuk tipe pertama adalah
tipe kedua adalah
=
=
.
Dan untuk inti
. Jadi probabilitas total per unit path dari interaksi
satu netron dengan inti yang pertama maupun terhadap inti yang kedua, adalah
Ʃ=
+
=
+
............................ (2.14)
Jika inti atom – atom tersebut terikat dalam satu molekul maka persamaan
(2.14) dapat digunakan untuk mendefenisikan suatu penampang lintang ekivalen
untuk molekul. Hal ini dapat dikerjakan dengan sederhana yaitu dengan jalan
membagi penampang lintang makroskopik dari campuran tersebut dengan jumlah
molekul per satuan volume. N adalah molekul – molekul
= mN dan
per cm³, sedangkan
= n N dan dari persamaan 2.14 maka penampang lintang untuk
molekul adalah :
9
σ=
=m
+n
...............................(2.15)
Persamaan 2.14 dan 2.15 berdasarkan pada asumsi bahwa inti X dan Y
bergerak sendiri – sendiri satu sama lainnya bila mereka berinteraksi dengan netron.
Ini berlaku untuk semua interaksi netron kecuali hamburan elastis oleh molekul dan
zat padat.
Penampang lintang hamburan energi rendah untuk zat – zat seperti ini harus
diperoleh melalui percobaan.
2.4 Data Penampang Lintang Netron
Semua penampang lintang netron adalah fungsi dari energi netron datang,
karakteristik inti target. Faktor – faktor tersebut harus dipertimbangkan dalam
memilih bahan – bahan nuklir.
Kebanyakan data penampang lintang yang dibutuhkan untuk kegunaan umum,
diperoleh dari BNL – 325. Sebelumnya diterangkan dulu tentang data, karena data
penting untuk memikirkan mekanisme interaksi netron dengan inti.
Pembentukan Inti Gabungan
Kebanyakan interaksi netron diawali dengan dua langkah, netron datang,
tumbukan netron dengan inti target membentuk inti gabungan. Jika inti target adalah
, inti gabungan menjadi
. Inti gabungan tersebut dapat meluruh dalam
berbagai cara. Misalnya jika netron dengan energi 1 MeV menumbuk target
inti gabungan akan menjadi
,
.
Dan inti gabungan ini akan melurh dengan jalan mengemissi netron elastis
atau netron inelastis.
Satu ciri atau bentuk tumbukkan dari interaksi yang menghasilkan inti
gabungan adalah penampang lintangnya dalam keadaan maxima pada energi tertentu
dari netron datang, maxima seperti itu disebut Resonansi.
Selanjutnya jika netron menumbuk inti akan terbentuk inti gabungan dalm
suatu keadaan tereksitasi yang mempunyai energi sama dengan energi kinetik netron
10
datang ditambah dengan energi pemisahan atau energi ikat netron dalam inti
gabungan.
Hamburan Elastis
Penampang lintang hamburan elastis sebagai fungsi energi netron datang dapat
dibagi dalam 3 daerah yang berbeda – beda. Pertama, daerah energi rendah,
mendekati konstan. Hamburan dalam daerah ini tidak terjadi oleh pembentukan inti
gabungan, hanya saja karena ada gaya dari inti target sewaktu dilewati netron.
Penampang lintang untuk potensial hamburan adalah :
(potensial hamburan) = 4Л R² .......................... (2.16)
dengan R adalah jari – jari inti.
Diatas daerah potensial hamburan adalah daerah resonansi selama
pembentukan inti gabungan. Pada saat energi masih lebih tinggi, resonansi berkumpul
sampai sedemikian besar yang mana masing – masing resonansi tidak dapat lagi
dipecahkan dan dalam daerah inti
Turun dengan lambat setiap pertambahan energi.
FISI (Pembelahan)
Ketika netron menumbuk inti fisile, hasilnya akan selalu mengalami fisi.
Sudah umum terjadi jika netron berinteraksi dengan inti mungkin dihamburkan secara
elastis, netron – netron ini mungkin diserap dalam penangkapan radiasi dan
sebagainya. Suatu inti yang mengalami fisi, akan membelah menjadi dua atau lebih.
Kenyataannya fisi simetri jarang terjadi. Fisi adalah a simetri sehingga massa kedua
bagian tersebut, pada dasarnya sangat berbeda, dimana medan hasil fisi adalah
persentase dari fragmen – fragmen fisi yang dihasilkan dengan nomor massa, adalah
ditunjukkan sebagai fungsi dari A, untuk fisi yang disebabkan oleh netron termal
dalam
. dengan meningkatnya energi netron datang, fisi menjadi lebih simetri.
Ketika hasil fisi terbentuk pertama kalinya, hasil ini secara berturut –turut
menghasilkan netron, yaitu mereka mengandung lebih banyak netron dari pada yang
dibutuhkan untuk stabilitasnya, sehingga akibatnya mereka meluruh dengan
11
mengemisi berturut – turut sinar
, yang diikuti oleh sinar
ɤ. Contohnya isotop
(palladium- 115) dihasilkan langsung dalam fisi dan meluruh secara berantai.
→
Ag
→
Cd
→
In – (stabil).
Banyak hasil fisi yang meluruh secara berantai dari macam ini telah dapat
diidentifikasikan dan dapat ditarik kesimpulan dari data pada daftar nuklida – nuklida.
12
KESIMPULAN
1. Jika inti yang ditinggalkan setelah terjadi interaksi dengan neutron mengalami
eksitasi maka dapat meluruh dengan mengemisi sinar γ. Emisi sinar γ dapat
merusak DNA, mengakibatkan luka bakar, merusak jaringan sel sehatdan
mengakibatkan kerusakan organ dan menyebabkan kematian. Selain dampak
negative, terdapat dampak positif yaitu dapat membunuh mikroorganisme
yang bisa memperpanjang tempo penyimpanan makanan kaleng atau makanan
yang dikemas, penyembuhan kanker, serta sebagai bahan senjata nuklir.
2. Keradioaktifan hasil – hasil fisi adalah penyebab dari sejumlah masalah dalam
pemanfaatan energi nuklir. Untuk suatu hal, hasil – hasil fisi terakumulasi
dalam suatu operating reaktor sebagai bahan bakar yang mengalami fisi, dan
perluasan dalam tindakan pencegahan harus menjamin bahwa unsur – unsur
yang radioaktif tersebut tidak akan menyebar ke lingkungan sekitarnya.
Selanjutnya panas yang dilepaskan oleh hasil fisi yang meluruh dapat sangat
besar, sehingga reaktor harus didinginkan setelah shutdown untuk mencegah
kerusakan bahan bakar.
3. Emisi radiasi yang terus menerus dari hasil – hasil fisi juga cenderung untuk
menjadi bagian dari reaktor yang tidak dapat teratasi setelah reaktor shutdown,
karena hasil – hasil fisi menyimpan bahan bakar yang radioaktifnya tinggi.
Ketika dipindahkan dari reaktor harus didinginkan yang biasanya memakan
waktu yang cukup lama sebelum dapat di proses.
13
DAFTAR PUSTAKA
Burcham, W.E., Nuclear Physics. New York : Mc Graw-Hill, 1963,Part D.
Foderaro, A., The Elements of Neutron Interaction Theory. Cambridge, Mass: MIT Press,
1971.
Glasstone, S., And A. Sesonske, Nuclear Reactor Engineering. New York: Van Nostrand,
1967, Chapter 2.
Lamarsh, J.R., Introduction to Nuclear Reactor Theory, Reading Mass., : Addison-Wesley,
1966, Chapter 2 and 3.
14