REAKSI NUKLIR

REAKSI NUKLIR
2010/2011
Pendahuluan …
• Peristiwa perubahan inti atom suatu nuklida
menjadi
nuklida
lain,
disebut
juga
TRANSMUTASI.
• Dapat terjadi secara spontan (disintegrasi /
peluruhan), dengan sengaja (benturan radiasi
nuklir dengan inti).
• Hasil reaksi : nuklida stabil, nuklida tidak
stabil, radiasi nuklir, baik yang sejenis dengan
proyektilnya maupun yang lain.
• Reaksi nuklir yang dibuat pertama kali,
dilakukan dengan partikel alfa yang berasal
dari disintegrasi radionuklida alam
→
TERBATAS.
• Reaksi nuklir dapat digunakan untuk :
mengubah inti suatu atom menjadi inti atom
yang lain, memperoleh radionuklida buatan ,
memperoleh unsur-unsur baru termasuk
unsur transuranium, dan untuk memperoleh
energi yang besar (fisi dan fusi)
Transmutasi Buatan …
• Dilakukan 1st oleh Rutherford (1919) yaitu
antara inti N-14 ditembak dengan partikel alfa,
sehingga berubah menjadi O-17 dan 1 proton.
• Pada reaksi nuklir berlaku hukum: KEKEKALAN
MASSA dan ENERGI; KEKEKALAN MUATAN;
KEKEKALAN MOMENTUM dan KEKEKALAN
NUKLEON.
• Menurut Blackett (1925) berdasarkan
eksperimen dengan kamar kabut, jalannya
reaksi: mula-mula partikel alfa ditangkap oleh
nitrogen sehingga terbentuk Fluor, baru
kemudian melepaskan proton, sehingga
berubah menjadi oksigen.
• Fluor ini disebut INTI Senyawa, dimana suatu
inti dalam keadaan teroksidasi yang kemudian
terurai menjadi oksigen dan melepaskan
proton.
• Eksperimen lain dilakukan oleh Cockeroft dan
Walton (1931), dengan menembakkan proton
kepada nuklida Li – 7 menghasilkan 2 partikel
alfa.
• Untuk eksperimen menggunakan Li, energi
protonnya sebesar 0,3 MeV; padahal energi
partikel alfa yang dihasilkan adalah 8,6 MeV,
sehingga jika menghasilkan 2 partikel alfa
energinya adalah 2x 8,6 MeV.
sehingga energi 0,3 MeV ini hanya berfungsi
untuk memacu reaksi sedangkan reaksinya
bersifat Eksotermis.
• Reaksi nuklir banyak menghasilkan
radionuklida buatan, seperti reaksi yang
dilakukan oleh JOLIET dan IRINE CURIE (1934):
Energi pada Reaksi Nuklir…
• Perubahan massa pada reaksi nuklir
merupakan perubahan energi (= Q), mungkin
dibutuhkan dan mungkin dilepaskan.
• Dalam reaksi:
A (a, b) B + Q
bila Q > 0 → reaksi eksotemal
Q < 0 → reaksi endotermal
Δm = Q
Hubungan energi partikel penembak dengan Q
Reaksi umum:
A + a → B + b + Q
atau :
A (a, b) B + Q
jika:
Q > 0 → reaksi akan berlangsung spontan
Q < 0 → reaksi baru akan berlangsung jika E
partikel lebih besar daripada Q
• Kenyataannya, reaksi dapat berlangsung jika
menggunakan partikel yang memiliki energi
yang lebih tinggi dari Q
• Hal ini diperlukan untuk melawan potensial
penghalang yang ditimbulkan oleh gaya tolak
Coloumb.
• Misal: sebuah sasaran A dengan massa M
ditembak dengan partikel a dengan massa m,
terjadi inti senyawa (inti transisi) X dengan
massa M + m, setelah itu baru terurai sbb:
• Menurut hukum kekekalan energi:
Ekp = Ex + Q
dimana:
Ekp : energi kinetik partikel
Ex : energi kinetik yang diberikan kepada
sistem keseluruhan
Q : energi yang terjadi dalam reaksi
• Menurut hukum Kekekalan Momentum:
Pa = Px
Ekp = ½ m v2 , karena p = mv, maka diperoleh:
Ekp = (1 + m/M) ΙQΙ
dari persamaan di atas, terlihat bahwa suatu reaksi
nuklir diperlukan energi kinetik yang lebih besar
daripada Q
Jadi Ekp > Q agar reaksi dapat berlangsung.
Ekp disebut ENERGI AMBANG.
Tentukan Q nya! Analisis Ekp dan pembagiannya!
Massa = [(7p + 7n) + (2p + 2n)] - [(8p + 9n) + (1p)]
Q = 18,005678 - 18,006958
= [- 0,001280] sma
= [- 1,19] MeV
Ekp alfa yang digunakan harus melampaui 1,19
MeV
Dari penilaian ternyata pembagian energi kinetik
partikel alfa adalah:
4/18 → untuk energi kinetik hasil reaksi
14/18 → untuk reaksi
jadi agar reaksi dapat berlangsung, maka
partikel alfa sekurang-kurangnya harus
mempunyai energi sebesar : 18/14 x 1,19 MeV
= 1,53 MeV (partikel alfa dapat masuk ke
dalam inti).
Teori Reaksi Nuklir…
Menurut model inti senyawa, proses reaksi nuklir
berlangsung dalam 2 tahap, yaitu:
1. penangkapan partikel penembak kemudian
pembentukan inti senyawa.
2. penguapan partikel dari inti senyawa
tereksitasi.
Kedua tahapan saling bergantung, artinya
pembentukan inti
senyawa dapat dengan
berbagai cara, demikian juga dengan proses
peluruhannya.
• Setiap cara peluruhan tidak tergantung dari cara
pembentukan inti senyawa, artinya jika suatu
partikel dengan energi kinetik yang cukup
ditembakkan ke arah inti sasaran maka partikel itu
akan masuk ke dalam inti, kemudian energi yang
dibawa dipindahkan / disebarkan ke seluruh
nukleon dalam inti tersebut sehingga terbentuk inti
senyawa yang tereksitasi.
• Secara random dapat dimungkinkan bahwa energi
inti yang diterima itu terkumpul pada salah satu
nukleon yang menyebabkan nukleon itu dapat lolos
dari ikatan inti.
• Peristiwa pemancaran partikel dari inti senyawa
yang tereksitasi disebut PENGUAPAN. Hal ini
dapat terjadi bilamana energi kinetik partikel
penembak cukup besar. Bilamana energi kinetik
partikel penembak kecil maka hanya akan terhadi
perubahan dari keadaan inti senyawa tereksitasi
ke keadaan dasar dengan memancarkan sinar
gama.
• Reaksi nuklir dengan penempakan partikel
bermuatan (p atau α) lebih banyak terjadi pada
inti ringan daripada pada inti berat (Z >>). Hal ini
berkaitan dengan potensial penghalang Coloumb.
Penampang Lintang
Reaksi Nuklir…
• Jika partikel ditembakkan pada suatu inti sasaran,
mungkin menyebabkan adanya reaksi nuklir tetapi
bisa juga tidak terjadi reaksi nuklir.
• Kebolehjadian
berlangsungnya
reaksi
nuklir
dinyatakan dengan penampang lintang reaksi nuklir
atau cross section (σ), cm2.
• Besarnya penampang lintang reaksi nuklir tergantung
banyak faktor, diantaranya jenis partikel radiasi, jenis
nuklida sasaran, energi radiasi nuklida sasaran serta
energi radiasi nuklir yang digunakan.
• Banyaknya radiasi nuklir yang berinteraksi
dengan inti atom materi sasaran adalah:
dimana:
no : intensitas radiasi nuklir setelah menembus sasaran
setebal x.
nx : intensitas radiasi nuklis sebelum menembus sasaran.
c : jumlah inti atom per cm3 materi.
σ : penampang lintang reaksi nuklir.
x : tebal sasaran
• Pada reaksi :
nuklida Au-197, 100% berada di alam dengan
penampang lintang reaksi 99 b (1 b = 10-24 cm2) .
Dibuat lempeng emas sebagai sasaran dengan
ukuran tebal 0,3 cm luas 5 cm2 dan dipaparkan
kepada netron dengan fluks 107 cm-2det-1. Massa
jenis emas 19,3 gr cm-3. Reaksi yang terjadi (n, γ)
sedang reaksi yang lain tidak ditinjau. Bila massa
atom Au 197,2 maka tentukanlah berapa buah
atom Au-198 yang terjadi!!!
Jawab:
no = 5 cm2 x 107 (netron) cm-2 det-1
c = 19,3/197,2 x 6,023 x 1023
= 1,62 x 1021 inti Au – 198 cm-3
x = 0,3 cm
σ = 99 x 10-24 cm2
Diperoleh : 2,35 x 106 inti Au-198 per detik.
Macam Reaksi Nuklir…
• Macam reaksi nuklir ditentukan oleh jenis
partikel penembak dan oleh partikel yang
dilepaskan dari inti sasaran.
• Ada 5 macam reaksi nuklir berdasarkan jenis
partikel penembaknya, yaitu: reaksi dengan
netron, reaksi dengan proton, reaksi dengan
deteron, reaksi dengan alfa dan reaksi dengan
gama.
Reaksi dengan Netron…
• Merupakan partikel penembak yang paling
efektif, karena tidak bermuatan listrik. Bahkan
netron dengan energi rendah, reaksi tetap
dapat berlangsung.
• Kemungkinan reaksi (n,p); (n,d) dan (n, α)
berkurang dengan naiknya nomor atom
nuklida sasaran.
• Untuk nuklida dengan Z besar, reaksi (n,n);
(n, γ), dan (n,β+) lebih mungkin terjadi.
• Besarnya energi netron yang digunakan
dibedakan atas:
netron termal : En = 0,025 eV
netron lambat : En = 1 keV
netron cepat : En > 500 keV
• Reaksi (n, α), sebagian besar nuklida mengalami
reaksi (n, γ), seperti Pt-198 (n, γ) Pt-199; Na-23
(n, γ) Na-24; dan Mo-98 (n, γ) Mo-99
• Reaksi (n,p), seperti S-32 (n,p) P-32;
N-14 (n,p) C-14
• Reaksi (n, α), seperti
Reaksi dengan Proton…
• Reaksi (p, α) →
• Reaksi (p, n) →
• Reaksi (p, γ) →
Reaksi dengan Deteron…
• Banyak reaksi nuklir dilakukan dengan deteron
energi tinggi sampe beberapa MeV, dipercepat
dengan generator elektrostatik.
• Reaksi (d, α) →
• Reaksi (d, p) →
Reaksi dengan alfa…
• Dapat menggunakan ion dengan energi tinggi
(N-14, O-16, C-11) atau partikel/ion dengan
kecepatan tinggi.
misal:
Reaksi dengan gama…
• Reaksi dengan foton energi tinggi disebut juga foto
disintegrasi. Energi foton adalah sebagai energi
kinetik, paling sedikit harus sama dengan energi ikat
inti sasaran, umumnya mencapai energi 10 MeV.
• Misal:
Reaksi Fisi …
• Untuk mengukur kestabilan inti digunakan
besaran energi ikat inti per nukleon. Inti
dengan energi ikat paling besar (A = 60)
adalah inti yang paling stabil.
• Dengan melihat energi ikat inti nukleon, untuk
nuklida ringan, sedang, dan berat.
Misalnya: H-1 = 1,1 MeV; Ni-60 = 8,8 MeV dan
U-238 = 7,6 MeV.
• Nuklida ringan dan berat relatif kurang stabil,
jika dibandingkan dengan nuklida pertahanan.
Hal ini dikarenakan akan dilepaskan energi
apabila suatu nuklida berat mengalami
perpecahan atau suatu nuklida ringan
mengadakan penggabungan.
• Peristiwa pecahnya nulkida berat menjadi dua
nuklida sedang disebut reaksi FISI nuklir.
• Sedangkan peristiwa penggabungan nuklida
ringan menjadi nuklida sedang disebut reaksi
FUSI nuklir.
• Misal: U-236 pecah menjadi X-96 dan Y-140
dengan energi ikat inti per nukleon berturutturut: 7, 5 MeV, 8,6 MeV dan 8,3 MeV.
Energi total dalam inti U-236 = [- 1770 MeV]
Energi total dalam inti X -96 = [- 825,6 MeV]
Energi total dalam inti Y-140 = [- 1162,0 MeV]
Energi total nuklida setelah reaksi: [-1987,6 MeV]
Q = [+ 218 MeV] ---- dilepaskan
• Dalam prakteknya, energi yang dilepaskan sekitar
200 MeV, diantaranya 60% berwujud panas (120
MeV).
• Agar dapat berlangsung suatu reaksi fisi nuklir, maka
suatu nuklida berat, misal: U – 236 harus ditembak
dengan partikel nuklir seperti netron, alfa, deteron dan
gamma. Diantaranya yang paling penting adalah reaksi
fisi dari nuklida berat U – 235 yang ditembak dengan
partikel penembak netron.
• Mula-mula U-235 menangkap netron kemudian
terbentuk U -236 yang tidak stabil, segera pecah
menjadi 2 inti sedang X dan Y. Nomor massa X dan Y
tak tertentu melainkan terdistribusi antara 60 – 170.
• Mungkin keduanya merupakan inti yang tidak stabil,
tetapi
sekurang-kurangnya
satu
diantaranya
merupakan inti yang tidak stabil.
• Netron yang terkandung pada nuklida berat,
kelebihan netron dalam nuklida hasil fisi akan
dilepaskan menurut 2 cara, yaitu:
1. beberapa buah netron dilepaskan dalam waktu
10-14 detik.
netron jenis ini disebut netron serentak yang
jumlahnya meliputi 99%. Beberapa menit
kemudian baru dilepaskan lagi netron yang
disebut netron tertunda yang jumlahnya sangat
sedikit yaitu 0,75%.
2. memancarkan partikel beta secara berturutan.
Reaksi Fusi …
• Jika suatu nuklida ringan bersatu akan terbentuk
nuklida yang lebih berat disertai dengan pelepasan
energi yang besar. Selain menghasilkan energi yang
besar, reaksi ini berlangsung pada suhu yang sangat
tinggi, maka reaksi fusi disebut juga reaksi
TERMONUKLIR.
• Reaksi fusi memerlukan energi ambang yang besar
dan suhu yang tinggi ± 108 C. Pada suhu ini semua
gas terionisasi. Kondisi ini disebut PLASMA.
• Secara teori reaksi fusi lebih menguntungkan
daripada reaksi fisi. Hal ini disebabkan oleh 2 hal,
yaitu: energi yang dihasilkan lebih besar dan inti yang
terjadi stabil sehingga mengurangi bahaya radiasi.
• Reaksi fusi tergantung atas besar kecilnya energi
ambang, penampang lintang reaksi dan kelimpahan
inti. Untuk nuklida dengan Z besar memiliki
penampang lintang yang lebih besar.
• Keadaan plasma dalam inti tidak boleh
bersinggungan
dengan
wadahnya,
sehingga
diperlukan wadah khusus yaitu MEDAN MAGNET.
• Plasma terdiri atas partikel inti yang bermuatan dan
elektron-elektron bebas yang bergerak dengan
energi kinetik yang besar sekali.
• Dengan medan magnet, plasma ini dapat
didekatkan sehingga inti-inti dapat bergabung.
• Energi yang dihasilkan dari reaksi fusi belum
dapat dimanfaatkan kecuali dalam bom
Hidrogen.
• Reaksi fusi merupakan sumber energi pada
bintang dan matahari.
• Reaksi siklus karbon terjadi pada bintang
dengan tiap siklus menghasilkan 30 MeV,
sedangkan pada matahari terjadi siklus protonproton yang menghasilkan energi per siklus 24,6
MeV.