peluruhan sinar gama
advertisement
TRANFORMASI NUKLIR Penemuan fisi nuklir oleh Otto Hahn dan F.Strasmann, pada Januari 1939, menandai dimulainya era nuklir. Penemuan Otto Hahn dan F. Strasmann merupakan puncak dari penemuan sebelumnya, oleh Enrico Fermi di Italia, JoliotCurie dan Savitch di Prancis. Baik E. Fermi maupun Joliot-Curie pada mulanya berharap membuat unsur Transuranium Z ( 92) dari interaksi U-235 dengan netron. Hasil yang didapatkan bukannya unsur-unsur dengan Z ( 92), melainkan unsur Lanthanium dengan Z= 57, sedangkan Otto Hahn dan F. Strasmann mendapatkan Ba dengan Z= 56, dan Krypton dengan Z=36. ini adalah fisi nuklir, yang ditunjukkan oleh pembelahan inti uranium (Z=92) kedalam dua fragmen yang massanya relatif sama. Keajaiban reaksi fisi adalah, bersama fisi dibebaskan energi yang sangat hebat, dan beberapa netron. Fenomena ini kemudian dikembangkan menjadi senjata pemusnah masal (bom nuklir), dan untuk peningkatan kesejahteraan maanusia melalui misi reaktor nuklir. 1. Fisi Nuklir Setelah Otto Hahn dan F. Strasmann mengumunkan penemuannya, Lise Meitner dan O. R. Frisch mengembangkan teori tentang proses fisi nuklir. Meitner menyatakan bahwa, bila inti yang menangkap netron tereksitasi dan mengalami distorsi hingga suatu tingkat yang dapat mengatasi energi permukaan, maka akan terjadi pembelahan inti kedalam dua fragmen yang massanya sebanding. Sebagian inti yang tereksitasi dapat mengalami deeksitasi dengan cara peluruhan . Pecahan-pecahan pembelahan berbeda-beda dalam nomor massa antara 75 dan 160, akan tetapi reaksi pembelahan khas adalah 235 1 236 95 139 1 92 U + 0 n 92 U 38 Sr + 54 Xe + 2 0 n Ada beberapa ciri penting tentang reaksi ini : 1. Inti 236U terjadi untuk selama kurang dari 10-12 s, sehingga proses pembelahan dapat dianggap sebagai sesaat 2. Karena nisbah neutron terhadap proton dari 235U lebih besar dari nisbahnya pada nuklida mantap dalam daerah massa A = 125 pecahan belahan-inti mempunyai turah neutron dan terletak diatas lengkungan kemantapan.pecahan-pecahan ini, dengan demikian, mereras beta dalam sederatan langkah sampai nuklida mantap dengan nomor massa yang sama terbentuk. Inti 236U pecah dalam banyak cara yang berlainan, dan setiap pecahan membentuk suatu deret dari tiga atau empat nuklida radioktif, sehingga lebih dari 200 nuklida radioaktif yang berlainan dihasilkan dari pembelahan inti. Sebagian besar daripadanya tidak muncul secara alami di muka bumi. 3. Proses pembelahan inti, yang memerlukan neutron untuk memulai, melepaskan (secara rerata) 2,5 neutron per pembelahan. Adalah kenyataan ini yang cepat menarik para ilmuwan, karena itu berarti bahwa suatu rantai reaksi inti yang dapat berlangsung terus dengan sendirinya menjadi mungkin jika neutron ekstra yang dilepaskan didalam suatu pembelahan-inti dapat dibuat untuk memulai peristiwa pembelahan-inti tambahan. Cacah rerata neutron yang dilepaskan didalam peristiwa pembelahan inti yang akan meneruskan untuk memulai peristiwa pembelahan-inti yang lain dinamakan faktor pengali f. Pemeliharaan suatu reaksi rantai mensyaratkan bahwa f lebih besar dari atau sama dengan 1. Karena secara rerata 2,5 neutron dilepas pada setiap peristiwa belah-inti yang lain. Ini menguntungkan, karena terdapat prosesproses yang bersaing menyingkirkan neutron dari daerah reaksi. Ada empat komponen esensial pada setiap reaktor : 1. Bahan bakar, biasanya dalam bentuk batang-batang panjang tereksitasi dengan pelet uranuim dioksida (UO2) yang diperkaya. Uranium yang diperkaya itu mengandung 2 sampai 4 persen 235U yang dapat belah, dibandingkan dengan hanya 0,7 persen seperti di dalam uranium alami. 2. Moderator, biasanya air dibawah tekanan tinggi (100 atm atau lebih), yang sepenuhnya mengelilingi batang-batang bahan bakar. Pembelahan satu inti bahan bakar uranium rata-rata membebaskan 2,5 netron dengan energi 2 MeV. Netron yang dapat melakukan fisi terhadap bahan bakar uranium alam adalah netron termal dengan energi sekiter 5 eV. Untuk menurunkan energi atau memperlambat netron tersebut digunakan moderator. Bahan moderator yang baik adalah zat dengan penampang serapan netron kecil dan dapat menurunkan energi netron dalam waktu sesingkat mungkin. Netron terutama kehilangan energi melalui tumbukan elastis dengan inti lain. Bagian energi yang hilang dalam tumbukan bergantung pada perbandingan massa antara netron dengan inti yang ditumbuk dan sudut tumbukan. Kehilangan energi terbesar terjadi jika massa atom moderator mendekati massa netron. Berdasarkan hal tersebut maka bahan yang paling banyak digunakan adalah air ringan dan grafit. 3. Batang-batang kendali, biasanya dibuat dari boron. Boron siap menyerang neutron, sehingga faktor pengali dapat dinaikkan atau diturunkan dengan menyingkirkan atau menyisipkan batang-batang ini. Untuk menjamin kelangsungan reaksi berantai, harga faktor multiplikasi sekurang-kurangnya sama dengan satu. Untuk mengatur jumlah netron yang dapat melakukan fisi digunakan batang kendali, dengan cara menaikan atau mengurangi seratan netron. 4. Pendinginan, biasanya air, yang berputar-putar melalui reaktor untuk menyingkirkan bahang terbangkitkan. Pendinginan itu bertukar bahangnya didalam satu pendidih yang menghasilkan uap untuk menggerakkan turbin uap. Setiap pembelahan inti membebaskan energi yang sangat tinggi, karena itu diperlukan suatu sistem pendingin atau pengalih energi. Pendinginan biasanya dilakukan dengan mengalirkan gas atau cairan kedalam raktor yang selalu bersirkulasi. Syarat medium pemindah kalor yang baik adalah penampang serapan netronnya kecil, kalor jenis dan daya hantarnya besar, tidak tepengaruh oleh radiasi, tidak berbentuk padat pada suhu kamar, tekanan uapnya rendah pada suhu operasi reaktor, viskositas dan rapat massanya rendah. Untuk memulai suatu reaktor, batang-batang kendali secara perlahan-lahan ditarik. Ini untuk menaikkan faktor pengali dengan menurunkan kesempatan dari neutron untuk ditangkap oleh boron yang tak dapat belah. Bila faktor pengali ini melampaui 1, reaktor adalah genting. Pada tahap ini peristiwa pembelahan tunggal, yang diawali oleh neutron sinar-kosmik liar, dapat dengan cepat berlipat ganda sampai bilyun pembelahan per detik terjadi. Pembangkit-pembangkit tenaga nuklir menjadi bagian yang makin bertambah penting dari jaringan daya kita sewaktu pasokan minyak kita berkurang. Daya nuklir mempunyai keuntungan dengan tidak melepas polutan ke dalam atmosfer, tetapi hasil-hasil limbah radioaktif yang mengumpul di dalam reaktor harus disingkirkan setiap beberapa tahun. Pembuangan yang aman dari bahan berbahaya ini adalah menjadi masalah serius yang akan menjadi lebih genting selagi industri tenaga nuklir berkembang. Didalam reaktor nuklir konvensional, jumlah 239Pu yang dihasilkan adalah lebih kecil daripada jumlah 235U yang dihabiskan. Tetapi, reaktor-reaktor pembiak (breeder) sekarang sedang dikembangkan yang menghasilkan lebih banyak bahan yang dapat belah daripada yang mereka konsumsikan. Didalam reaktor-reaktor ini tidak ada moderator untuk memperlambat neutron. 2. Energi Fisi Fisi nuklir disertai dengan hilangnya sejumlah massa, yang dibebaskan sebagai energi. Besarnya energi yang dibebaskan ekivalen dengan massa yang hilang, dan ini merupakan aspek yang paling menyolok dari reaksi fisi. Sekitar 200 MeV energi dibebaskan pada setiap reaksi fisi individual. Energi sebesar tersebut terdistribusi ke dalam energi kinetik fragmen fisi, energi kinetik netron, sinar gamma pada saat fisi (prompt), serta sinar beta dan gama yang dibebaskan fragmen fisi (delate). Rincian distribusi energi fisi adalah sebagai berikut : - Energi kinetik fragmen fisi 170 MeV - Energi kinetik prompt netron 5 MeV - Sinar gamma 16 MeV - Energi peluruhan beta 9 MeV jumlah 200 MeV Nuklida-nuklida berat lainnya yang juga dapat mengalami reaksi fisi dengan netron termal adalah 233U, 232Np, 239Pu, dan 242Am. Meluruh adalah proses perubahan suatu radionuklida (inti induk) menjadi inti baru (anak) dengan cara memancarkan radiasi, yang berlangsung secara spontan tanpa dapat dipengaruhi oleh kekuatan luar. Kecepatan peluruhan sutu unsur radioaktif pada suatu saat berbending lurus dengan jumlah atom yang ada pada saat itu. Dengan berlangsungnya peluruhan, maka jumlah inti induk akan terus berkembang, demikian juga dengan kecepatan peluruhannya. Kinetika peluruhan radioaktif sesuai benar dengan reaksi tingkat satu yang secara matematis dirumuskan : dN/dt = - N Dimana adalah konstante kesebandingan yang dalam hal ini disebut konstante peluruhan radioaktif dengan dimensi per satuan waktu. Bentuk integrasi persamaan diatas , yang lebih umum digunakan ialah : N = No e- t Log N/No = -t/2,303 Dimana No = jumlah inti induk pada t = 0 Dan N = jumlah inti induk pada waktu = t. TEORI PELURUHAN ALPHA Peluruhan yang terjadi secara spontan dari sejumlah nuklida masih menjadi masalah yang menantang bagi fisika klasik. Suatu keanehan bagaimana partikel dengan energi antara 4 – 9 MeV dapat meloloskan diri dari inti yang dibatasi oleh penghalang coulomb sebesar ± 30 MeV, yang mencegah masuknya partikel dengan energi yang sama dari luar. Percobaan Rutherford dengan jelas menunjukkan bahwa bila plat tipis dari berbagai logam di bombardir dengan partikel berenergi 8-9 MeV, ternyata seluruhnya dihamburkan keluar tanpa satu pun yang mapu menembus inti unsur logam sasaran. Dari dalam dapat keluar dari luar tidak dapat masuk Masalah peluruhan serupa dengan prilaku partikel didalam suatu kotak dalam mekanika gelombang, dimana partikel dengan energi kurang dari potensial penghalang yang mengelilingi kotak, pada suatu ketika dapat keluar dari dalam kotak, walau kemungkinannya kecil, tetapi pasti. Hukum klasik selalu mengira bahwa amplitudo nol bagi partikel pada dinding dengan potensial penghalang V > E. Menurut mekanika gelombang terdapat peluang amplitudo yang kecil tetapi pasti pada dinding potensial penghalang. Sebagai akibat partikel didalam kotak pada saat tertentu dapat menerobos dinding penghalang, seolah ia menemukan suatu trowongan keluar. Gejala demikian dikenal sebagai efek trowongan (tunnel effect). PELURUHAN SINAR BETA Ada tiga jenis peluruhan , yaitu : 1. Pemancaran negatron (-) 2. Pemancaran positron (+) dan 3. Tangkapan elektron (EC) Bila suatu inti mempunyai kelebihan netron, relatif terhadap isobar yang lebih stabil, kestabilan yang lebih besar akan dicapai dengan perubahan satu netron menjadi proton. Proses ini disebut pemancaran negatron atau peluruhan negatron. 1 1 n p + -1e + v Bila suatu inti mempunyai kelebihan proton relatif terhadap isobar yang lebih stabil, kestabilan yang lebih besar dicapai dengan pengubahan suatu proton menjadi netron, pengubahan ini dapat dilakukan dengan pemancaran positron (peluruhan positron) atau dengan penangkapan elektron. Pemancaran positron 1 p 1 n + +1e + v Bila dua inti saling berdekatan, penyusunan kembali nukleon dapat terjadi sehingga terbentuk satu atau lebih inti baru. Proses seperti ini disebut reaksi nuklir. Inti bermuatan positif dan gaya tolak antara keduanya cukup besar untuk mencegah keduanya untuk berdekatan sehingga bereaksi, kecuali jika keduanya saling mendekati dengan kecepatan tinggi. Dalam laboratorium, orang mudah menimbulkan reaksi nuklir dalam skala kecil yaitu dengan memakai partikel alpa yang dipancarkan oleh radionuklida atau proton atau inti lebih berat yang dipercepat dengan berbagai cara. Akan tetapi hanya satu reaksi nuklir yang terbukti merupakan sumber energi yang praktis dibumi, yaitu fisi inti tertentu bila ditumbuk oleh neutron. Dalam reaksi nuklir sebenarnya berkaitan dengan dua langkah terpisah. Pertama partikel datang menumbuk inti target dan keduanya bergabung untuk membentuk inti baru yang disebut inti majemuk yang nomor atomik dan nomor massanya merupakan penjumlahan dari nomor atomik partikel-partikel semula dan penjumlahan nomor-nomor massanya. Inti majemuk tidak memiliki “ingatan” bagaimana terbentuknya, karena nukleonnya tercampur tidak tergantung pada asalnya dan energi yang membawanya menjadi keadaan tersebut oleh partikel datang dibagi-bagi diantara nukleon-nukleon tersebut. Dibawah ini beberapa reaksi yang menghasilkan inti majemuk 147 N* (tanda bintang menyatakan keadaan eksitasi; inti mjemuk biasanya tereksitasi dengan jumlah energi sekurang-kurangnya sama dengan energi ikat partikel-partikel yang datang). 13 1 14 * 7N + 0n 7 N (10,5 MeV) 13 6 C + 11 H 14 7 N* (7,5 MeV) 12 6 C + 2 1 H 14 7 N* (10,3 MeV) 11 6 C + 3 1 H 14 7 N* (22,7 MeV) Pembentukan dan peluruhan inti majemuk mempunyai tafsiran yang sangat menarik berdasarkan model nuklir tetes-cairan. Menurut model ini, inti tereksitasi memiliki keserupaan dengan tetes cairan panas dengan energi ikat partikel yang dipancarkan bersesuaian dengan kalor penguapan molekul cairan. Tetes cairan seperti itu pada akhirnya akan menguapkan sebuah atau lebih molekulnya, sehingga mendinginkannya. Proses penguapan terjadi jika fluktusi acak dalam distribusi energi dalam tetesan menyebabkan molekul tertentu memiliki energi cukup untuk melepaskan diri. Demikian juga, inti majemuk mempertahankan eksitasinya, sampai suatu nukleon tertentu atau sekelompok nukleon tertentu dalam sesaat ternyata bisa memiliki fraksi yang cukup besar dari energi eksitasi untuk melepaskan diri dari inti tersebut. PELURUHAN SINAR GAMA Sebuah inti dapat berada dalam keadaan ikat yang energinya lebih tinggi daripada keadaan dasar, seperti juga atom bisa berada dalam keadaaan seperti itu. Inti tereksitasi diberi tanda bintang setelah lambang yang biasa dipakai. Inti tereksitasi kembali ke keadaan dasar dengan memancarkan foton yang energinya bersesuaian dengan perbedaan energi antara berbagai keadaan awal dan keadaan akhir dalam transisi yang bersangkutan. Foton yang dipancarkan oleh inti daerah energinya berbeda-beda hingga mencapai beberapa MeV dan secara tradisional disebut sinar gama. Sebagai alternatif lain dari peluruhan gama, dalam beberapa kasus inti tereksitasi dapat kembali ke keadaan dasar dengan memberikan energi eksitasinya kesalah satu elektron orbital sekelilingnya.Kita dapat membayangkan proses yang dikenal sebagai konversi internal ini sebagai sejenis efek fotolistrik dimana sebuah foton nuklir diserap oleh elektron atomik. Elektron yang terpancar memiliki energi kinetik sama dengan energi eksitasi nuklir yang hilang dikurangi energi ikat elektron itu dalam sebuah atom. Kebanyakan inti tereksitasi memiliki umur paroh yang ependek terhadap peluruhan gama, tetapi beberapa tetap tereksitasi selama beberapa jam. Inti tereksitasi yang berumur panjang disebut isomer dari inti yang sama dalam keadaan dasar.
