Bab 1. Jenis Radiasi dan Interaksinya dengan - ANSN

Proteksi Radiasi
BAB I
Jenis Radiasi dan Interaksinya dengan Materi
Radiasi adalah pancaran energi yang berasal dari proses transformasi atom
atau inti atom yang tidak stabil. Ketidak-stabilan atom dan inti atom mungkin
memang sudah alamiah atau buatan manusia, oleh karena itu ada sumber
radiasi alam dan sumber radiasi buatan. Sumber radiasi itu sendiri dapat
dibedakan menjadi sumber yang berupa zat radioaktif dan sumber yang
berupa mesin, seperti pesawat sinar-X, akselerator, maupun reaktor nuklir.
Adapun jenis radiasi dapat dibedakan menjadi radiasi partikel bermuatan,
radiasi partikel tak bermuatan, dan gelombang elektromagnetik atau foton.
Ketiga jenis radiasi ini mempunyai karakteristik fisis dan cara interaksi dengan
materi yang sangat berbeda.
A. Radiasi Partikel Bermuatan
Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk partikel yang
bermuatan listrik. Beberapa jenisnya adalah radiasi alpha dan beta yang
dipancarkan oleh zat radioaktif (inti atom yang tidak stabil), serta radiasi
elektron dan proton yang dihasilkan oleh mesin berkas elektron ataupun
akselerator.
q
Alpha
Partikel alpha terdiri dari dua buah proton dan dua buah neutron, identik
dengan inti atom Helium, serta mempunyai muatan listrik positif sebesar 2
muatan elementer. Radiasi alpha dipancarkan oleh zat radioaktif, atau dari
inti ataom yang tidak stabil. Jumlah proton dan jumlah neutron di dalam
inti atom yang memancarkan radiasi alpha akan berkurang dua.
2
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
Proteksi Radiasi
Gambar 1: proses peluruhan alpha
q
Beta
Terdapat dua jenis radiasi beta yaitu beta positif dan beta negatif. Beta
negatif identik dengan elektron, baik massa maupun muatan listriknya
sedangkan beta positif identik dengan positron (elektron yang bermuatan
positif). Elektron mempunyai massa yang sangat ringan bila dibandingkan
dengan partikel nukleonik lainnya (≈ 0) sedangkan muatannya sebesar
satu muatan elementer.
Gambar 2: proses peluruhan beta
Radiasi beta dipancarkan oleh zat radioaktif atau inti atom yang tidak
stabil. Ketika memancarkan radiasi beta negatif, di dalam inti atomnya
terjadi transformasi neutron menjadi proton, sebaliknya pada saat
memancarkan beta positif terjadi transformasi proton menjadi neutron.
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
3
Proteksi Radiasi
q
elektron
Radiasi elektron mempunyai sifat yang sama dengan radiasi beta negatif,
yang membedakan adalah asalnya. Partikel beta berasal dari inti atom
sedangkan elektron berasal dari atom. Radiasi elektron dapat berasal dari
zat radioaktif yang meluruh dengan cara “internal conversion” atau dari
mesin berkas elektron (akselerator).
q
Proton
Radiasi proton merupakan pancaran proton yang mempunyai massa 1
sma (satuan massa atom) dan mempunyai muatan positif sebesar satu
muatan elementer. Radiasi proton dihasilkan dari akselerator proton.
B. Interaksi Radiasi Partikel Bermuatan
Interaksi radiasi partikel bermuatan ketika mengenai materi adalah proses
Coulomb, yaitu gaya tarik menarik atau tolak menolak antara radiasi partikel
bermuatan dengan elektron orbital dari atom bahan.
q
Ionisasi
Proses ionisasi adalah peristiwa lepasnya elektron dari orbitnya karena
ditarik atau ditolak oleh radiasi partikel bermuatan. Elektron yang lepas
menjadi elektron bebas sedang sisa atomnya menjadi ion positif. Setelah
melakukan ionisasi energi radiasi akan berkurang sebesar energi ionisasi
elektron. Peristiwa ini akan berlangsung terus sampai energi radiasi
partikel bermuatan habis terserap. Radiasi alpha yang mempunyai massa
maupun muatan lebih besar mempunyai daya ionisasi yang lebih besar
daripada radiasi yang lain.
4
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
Proteksi Radiasi
Gambar 3: proses ionisasi
q
Eksitasi
Proses eksitasi adalah peristiwa “loncatnya” (tidak sampai lepas) elektron
dari orbit yang dalam ke orbit yang lebih luar karena gaya tarik atau gaya
tolak radiasi partikel bermuatan. Atom yang mengalami eksitasi ini disebut
dalam keadaan tereksitasi (excited state) dan akan kembali kekeadaan
dasar (ground state) dengan memancarkan radiasi sinar-X.
Gambar 4: peristiwa eksitasi
q
Brehmsstrahlung
Proses Brehmsstrahlung adalah peristiwa dibelokkannya atau bahkan
dipantulkannya radiasi partikel bermuatan oleh inti atom dari bahan. Ketika
radiasi tersebut dibelokkan atau dipantulkan maka akan timbul perubahan
momentum sehingga terjadi pemancaran energi berbentuk gelombang
elektromagnetik yang disebut sebagai Brehmsstrahlung.
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
5
Proteksi Radiasi
Gambar 5: peristiwa brehmsstrahlung
q
Reaksi Inti
Dalam peristiwa ini, radiasi partikel bermuatan berhasil “masuk” dan
ditangkap oleh inti atom bahan, sehingga inti atom bahan akan berubah,
mungkin menjadi inti atom yang tidak stabil. Fenomena ini disebut sebagai
proses aktivasi. Akan tetapi ada juga yang hanya sekedar bereaksi tanpa
menghasilkan inti yang tidak stabil seperti reaksi partikel alpha bila
mengenai bahan Berilium akan menghasilkan unsur Lithium dan radiasi
neutron.
α + Be
ð
Li + n
Berbeda dengan tiga peristiwa di atas, peristiwa reaksi inti ini tidak terjadi
pada semua jenis materi.
C. Radiasi Partikel tak Bermuatan (Neutron)
Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk partikel neutron yang
tidak bermuatan listrik dan mempunyai massa 1 sma (satuan massa atom).
Radiasi ini lebih banyak dihasilkan bukan oleh inti atom yang tidak stabil
(radioisotop) melainkan oleh proses reaksi inti seperti contoh sumber AmBe di
atas ataupun reaksi fisi di reaktor nuklir.
6
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
Proteksi Radiasi
Karena tidak bermuatan listrik, mekanisme interaksi radiasi neutron lebih
dominan secara mekanik, yaitu peristiwa tumbukan baik secara elastik
maupun tidak elastik. Sebagaimana radiasi partikel bermuatan, radiasi
neutron juga mempunyai potensi melakukan reaksi inti.
q
Tumbukan elastik
Tumbukan elastik adalah tumbukan di mana total energi kinetik partikelpartikel sebelum dan sesudah tumbukan tidak berubah. Dalam tumbukan
elastik antara neutron dan atom bahan penyerap, sebagian energi neutron
diberikan ke inti atom yang ditumbuknya sehingga atom tersebut terpental
sedangkan neutronnya dibelokkan/dihamburkan.
Gambar 6: peristiwa tumbukan elastik
Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai
massa yang sama, atau hampir sama dengan massa neutron (misalnya
atom Hidrogen), sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom
tersebut cukup besar.
q
Tumbukan tidak Elastik
Proses tumbukan tak elastik sebenarnya sama saja dengan tumbukan
elastik, tetapi energi kinetik sebelum dan sesudah tumbukan berbeda. Ini
terjadi bila massa atom yang ditumbuk neutron jauh lebih besar dari
massa neutron. Setelah tumbukan, atom tersebut tidak terpental, hanya
bergetar, sedang neutronnya terhamburkan.
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
7
Proteksi Radiasi
Gambar 7: peristiwa tumbukan tidak elastik
Dalam peristiwa ini, energi neutron yang diberikan ke atom yang
ditumbuknya tidak terlalu besar sehingga setelah tumbukan, energi
neutron
tidak
banyak
berkurang.
Oleh
karena
itu,
bahan
yang
mengandung atom-atom dengan nomor atom besar tidak efektif sebagai
penahan radiasi neutron.
q
Reaksi Inti
Bila energi neutron sudah sangat rendah atau sering disebut sebagai
neutron termal (En < 0,025 eV), maka kemungkinan neutron tersebut
“ditangkap” oleh inti atom bahan penyerap akan dominan sehingga
membentuk inti atom baru, yang biasanya merupakan inti atom yang tidak
stabil. Peristiwa ini yang disebut sebagai proses aktivasi neutron, yaitu
mengubah bahan yang stabil menjadi bahan radioaktif. Peristiwa aktivasi
neutron ini juga dapat disebabkan oleh neutron cepat meskipun dengan
probabilitas kejadian yang lebih rendah.
D. Radiasi Gelombang Elektromagnetik (Foton)
Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik atau foton yang tidak bermassa maupun bermuatan listrik. Terdapat
dua jenis radiasi yang berbentuk gelombang elektromagnetik yaitu sinar
gamma dan sinar-X.
8
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
Proteksi Radiasi
q
Gamma
Radiasi gamma dipancarkan oleh inti atom yang dalam keadaan
tereksitasi
(bedakan
dengan
atom
yang
tereksitasi).
Setelah
memancarkan radiasi gamma, inti atom tidak mengalami perubahan baik
jumlah proton maupun jumlah neutron.
Gambar 8: proses peluruhan gamma
q
Sinar-X
Sebenarnya dikenal dua jenis sinar-X yaitu yang dihasilkan oleh atom
dalam keadaan tereksitasi (sinar-X karakteristik) dan yang dihasilkan oleh
proses interaksi radiasi partikel bermuatan (brehmsstrahlung).
Gambar 9: produksi sinar-X karakteristik
Perbedaan kedua jenis sinar-X di atas, selain asal terjadinya, adalah
bentuk spektrum energinya. Sinar-X karakteristik bersifat “discreet” pada
energi
tertentu
sesuai
dengan
jenis
unsurnya,
sedangkan
brehmsstrahlung bersifat kontinyu.
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
9
Proteksi Radiasi
E. Interaksi Radiasi Gelombang Elektromagnetik
Interaksi radiasi gelombang elektromagnetik ketika mengenai materi lebih
menunjukkan sifat dualisme gelombang - partikel yaitu efek foto listrik, efek
Compton, dan produksi pasangan.
q
Efek Foto Listrik
Dalam peristiwa efek foto listrik, foton yang mengenai materi akan diserap
sepenuhnya dan salah satu elektron orbital akan dipancarkan dengan
energi kinetik yang hampir sama dengan energi foton yang mengenainya.
Gambar 10: peristiwa efek foto listrik
q
Efek Compton
Peristiwa efek Compton sangat menyerupai efek foto listrik kecuali energi
foton yang mengenai materi tidak diserap sepenuhnya sehingga masih
ada sisa energi foton yang dipantulkan atau dibelokkan.
10
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
Proteksi Radiasi
Gambar 11: peristiwa efek Compton
q
Produksi Pasangan
Peristiwa ini menunjukkan kesetaraan antara massa dengan energi
sebagaimana diperkenalkan pertama kali oleh Einstein. Bila sebuah foton
yang mengenai materi berhasil “masuk” sampai ke daerah medan inti
(nuclear field) dan mempunyai energi lebih besar dari 1,022 MeV maka
foton tersebut akan diserap habis dan akan dipancarkan pasangan
elektron – positron. Positron adalah anti partikel dari elektron, yang
mempunyai karakteristik sama dengan elektron tetapi bermuatan positif.
Gambar 12: peristiwa produksi pasangan
Pusat Pendidikan dan Pelatihan
11