APLIKASI FISIKA NUKLIR

Reaksi Inti

Reaksi peluruhan inti berlaku kekekalan nomor massa, kekekalan nomor atom, dan kekekalan energi. Tumbukan yang terjadi antara partikel partikel berenergi tinggi dan inti akan mengubah struktur inti sasaran dengan peluru partikel berenergi tinggi. Tumbukan antara partikel berenergi tinggi dan inti akan mengubah struktur inti akan membentuk struktur baru yang berbeda dengan inti semula.Reaksi seperti ini dinamakan reaksi inti (nuclear reaction),dan perubahan yang terjadi dinamakan perubahan inti atau transmutasi inti.

Penemuan Neutron

Partikel berenergi tinggi yang digunakan untuk menumbuk inti sasaran agar terjadi reaksi inti dapat erupa partikel bermuatan yang dihasilkan oleh siklotron (pemercepat partikel) atau neutron yang berasal dari reactor atom.

Perhitungan energi pada reaksi inti

Setelah reaksi inti terjadi kita mengamati inti baru Y dan sebuah partikel b.Secara

simbolik,reaksi inti ini kita tulis :

dengan Q adalah energi reaksi.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi sebelum reaksi sama dengan

energi sesudah reaksi.Sesuai hukum kekekalan energi,

energi sebelum reaksi = energi sesudah reaksi

energi reaktan = energi produk + energi reaksi

energi reaksi = energi reaktan – energi produk

Q = [(m_a + m_X) - (m_Y + m_b) ] x 931 MeV/u

dengan m_a , m_X , m_Y , m_b adalah massa-massa yang harus dinyatakan dalam u.

Catatan :

Jika Q > 0 maka terdapat energi yang dibebaskan (reaksi eksotermik).

Jika Q < 0 maka terdapat energi yang diserap (reaksi endotermik).

Dengan demikian kita peroleh persamaan

Q = K_Y + K_b - K_a

Pembuatan isotop radioaktif dengan reaksi inti

Partikel yang paling sering digunakan untuk menembak inti sasaran adalah neutron. Ini karena neutron tidak bermuatan sehingga tidak ditolak oleh inti atom. Sebagai contoh, isotop stabil yang sitembak dengan partikel neutron ( ) akan menghasilkan isotop radioaktif , dengan reaksi inti berikut:

dengan sumber neutron adalah reactor nuklir fisi dan sebagai sumber partikel alfa berenergi tinggi adalh siklotron.

Pemanfaatan Radioisotop (isotop-isotop yang tidak stabil)

1) Penggunaan radioisotope sebagai perunut(pencari jejak)

2) Pemanfaatan radioisotop berdasarkan sifat radiasinya:

a) Pengobatan (membunuh sel kanker dengan radiotherapy),

b) sterilisasi (sinar gamma dapat membunuh bakteri),

c) industri (pengatur ketebalan kertas menggunakan radiasi sinar beta),

d) pertanian (pemandulan serangga pengganggu),

e) seni (detektor pemalsuan lukisan dan keramik),

f) penentuan umur dengan radioaktif (menggunakan pemancaran sinar beta).

More about → APLIKASI FISIKA NUKLIR

RADIOAKTIVITAS

Radioaktivitas adalah emisi radiasi secara spontan. Eksperimen menunjukkan bahwa radioaktivitas merupakan hasil peluruhan atau desintegrasi inti yang tidak stabil. Tiga jenis radiasi yang dapat diemisikan, yaitu partikel alfa, partikel beta dan sinar gama. Partikel alfa merupakan inti 4He. Partikel beta dapat berupa elektron atau positron. Sebuah positron adalah antipartikel dari elektron, massanya sama seperti elektron kecuai muatannya +e. Sinar gama merupakan foton berenergi tinggi. Kemampuan daya tembus partikel-partikel tersebut berbeda beda. Partikel α tidak dapat melalui kertas, sedangkan beta dan gama mampu. Partikel β tidak dapat melalui aluminium, sedangkan gama mampu dan tidak dapat melalui timah.

Radiasi akan mengionisasi atom dalam sel hidup, akibatnya akan dapat merusak sel dan menyebabkan kanker atau leukaemia. Diluar tubuh, β dan γ lebih berbahaya karena dapat menembus kulit dan masuk ke organ tubuh. Sedangkan di dalam tubuh, radiasi α lebih berbahaya karena tidak punya cukup energi untuk keluar dari tubuh dan memiliki daya ionisasi paling besar untuk merusak sel. Partikel β dan γ kurang berbahaya dibanding α karena memiliki energi yang cukup untuk keluar dari tubuh.

Proses Radiasi

Peluruhan Sinar Alfa

Karena gaya tarik antar nukleon berjangkauan pendek, energi ikat total dalam inti hampir berbanding lurus pada nomor massa, banyaknya nukleon yang dikandungnya. Gaya listrik tolak-menolak antara proton memiliki jangkauan tak terbatas, dan energi total yang dapat menghancurkan inti ini berbanding lurus dengan Z2. Inti yang mengandung 210 nukleon atau lebih demikian besarnya sehingga gaya inti berjangkauan pendek yang mengikatnya hampir tidak dapat mengimbangi gaya tolak-menolak protonnya. Peluruhan alfa dapat terjadi pada inti seperti itu sebagai suatu cara untuk memperkuat kestabilannya dengan mereduksi ukuran intinya. Reaksi peluruhan alfa dijelaskan sebagai berikut:

Inti induk meluruh menjadi inti anak plus sebuah partikel alfa.

Peluruhan Sinar Beta

Seperti peluruhan alfa, peluruhan beta merupakan suatu cara untuk inti agar dapat merubah komposisinya supaya mencapai kestabilan yang lebih besar. Pada peluruhan β^- (emissi e^– ), Inti Induk meluruh menjadi inti anak plus elektron dan anti-neutrino. Anti-neutrino adalah partikel ke 3 yang menjelaskan range energi kinetik elektron. Jika atom (Z) memiliki massa lebih besar dari pada atom tetangganya (Z+1), maka peluruhan β^- mungkin terjadi. Neutron bebas dapat meluruh menjadi sebuah proton dengan waktu paruh t_1/2 = 10.8 menit dan Q = 939.57 – (938.28 + 0.511) = 0.78 MeV. Reaksi peluruhan β^- dijelaskan sebagai berikut:

Pada peluruhan β⁺ (emisi positron), inti Induk meluruh menjadi inti anak plus positron dan neutrino. Proton bebas tidak dapat meluruh menjadi sebuah neutron melalui emisi positron tidak seperti neutron bebas yang dapat meluruh menjadi sebuah proton. Proton terikat dalam inti kadang-kadang dapat mengemisikan sebuah positron karena efek energi ikat inti. Reaksi

peluruhan β⁺ dijelaskan sebagai berikut:

Penangkapan Elektron

Inti induk menangkap elektron dari orbitalnya sendiri dan mengubah sebuah proton inti menjadi sebuah neutron. Jika atom (Z) memiliki massa yang lebih besar dari tetangganya, maka penangkapan elektron memungkinkan terjadi. Jika perbedaan massa antara atom (Z) dan tetangganya (Z–1) lebih besar dari 2m_e, maka peluruhan positron juga mungkin terjadi. Reaksi penangkapan elektron dijelaskan sebagai berikut.

Peluruhan Sinar Gamma

Sinar gamma adalah foton-foton (kuanta atau paket energi) yang memiliki energi sangat tinggi. Seperti hal nya sebuah atom,inti atom itu sendiri dapat berada dalam keadaan tereksitasi. Ketika inti ini melompat ke keadaan yang lebih rendah atau keadaan dasarnya, inti ini memancarkan sebuah foton. Karena sinar tidak memiliki nomor massa dan nomor atom nol, maka pemancaran sinar tidak menyebabkan perubahan nomor massa dan nomor atom pada inti induk. Dengan kata lain, inti anak sama dengan inti induk, atau tidak terjadi inti baru pada pemancaran sinar . Dalam beberapa kasus, inti dapat tinggal dalam keadaan tereksitasi selama beberapa saat sebelum inti ini memancarkan sinar . Inti ini disebut dalam keadaan metastabil,dan inti ini disebut suatu isomer.

Peluruhan

Atom-atom radioaktif akan memancarkan sinar-sinar radioaktif () untuk menjadi atom stabil. Peristiwa pemancaran sinar radioaktif oleh zat radioaktif disebut peluruhan. Kita tidak tahu atom-atom mana yang akan meluruh lebih dulu. Dengan demikian proses meluruh adalah proses acak.

Aktivitas Bahan Radioaktif

Laju peluruhan radioaktif dalam suatu bahan radioaktif disebut aktivitas (lambang A). Aktivitas hanya ditentukan oleh banyaknya inti yang meluruh per sekon. Jika peluang untuk meluruh disebut tetapan peluruhan (lambang ),maka aktivitas bahan bergantung pada banyak inti radioaktif dalam bahan (N) dan .Secara matematis ditulis :

A= N

Tetapan peluruhan memiliki harga berbeda untuk inti yang berbeda tetapi konstan terhadap waktu. Makin banyak inti yang meluruh per satuan waktu,makin besar A. Secara matematis pernyataan ini dinyatakan oleh

Tanda negative kita berikan karena Neutron berkurang terhadap waktu,sedang kita menginginkan Atom berharga positif.

Hukum Peluruhan Radio Aktif

Dengan :

N0 = banyak inti radioaktif pada saat t=0,

N = banyak inti radioaktif setelah selang waktu t,

e = bilangan natural = 2,718…,

= tetapan peluruhan (satuan s^-1).

Banyaknya inti induk dalam suatu contoh berkurang secara eksponensial terhadap waktu. Persamaan di atas disebut Hukum peluruhan radioaktif. Kita secara nyata tidak dapat mengukur banyaknya inti radioaktif Neutron,tetapi kita dapat menyatakan dalam persamaan aktivitas,yaitu dengsn mengalikan kedua ruasnya dengan sehingga memberikan:

Aktivitas Radioaktif

Dengan:

A0 = aktivitas awal pada t=0 (satuan Becquerel atau Bq)

A = aktivitas setelah selang waktu t (dalam Bq)

Dalam SI, satuan aktivitas radiasi dinyatakan dalam Becquerel (disingkat Bq) sesuai dengan nama penemu radioaktivitas, dimana:

1 Bq = 1 peluruhan/sekon

Satuan yang paling sering digunakan oleh alat pengukur aktivitas radiasi adalah curie (disingkat Ci).Satu Curie didefinisikan sebagai banyaknya peluruhan yang dilakukan oleh satu gram radium dalam waktu satu sekon. Ternyata diperoleh 3,7 x 10¹⁰ peluruhan dalam waktu satu sekon,sehingga didapat hubungan:

1 curie = 3,7 x 10¹⁰ peluruhan/s = 3,7 x 10¹⁰ Bq

Waktu Paro

Waktu Paro dari suatu isotop radioaktif adalah selang waktu yang dibutuhkan agar aktivitas radiasi berkurang setengah dari aktivitas semula. Waktu paro juga dapat didefinisikan sebagai selang waktu yang dibutuhkan agar setengah dari inti radioaktif yang ada meluruh. Ketika t = T_1/2 maka A = sehingga kita peroleh:

Karena ln 2 = 0,693 maka :

Rumus Peluruhan

Aktivitas radioaktif tergantung pada banyaknya atom radioaktif yang masih ada. Misalkan mula-mula ada sebanyak N0 radioaktif dan waktu paro dilambangkan dengan T_1/2, maka:

setelah selang waktu 1 x T_1/2,banyak atom tinggal ;

setelah selang waktu 2 x T_1/2,banyak atom tinggal ;

setelah selang waktu n x T_1/2,banyak atom tinggal .

Jadi, bila mula-mula ada sebanyak N0 atom radioaktif, maka setelah selang t = n x T_1/2 , banyaknya atom radioaktif yang tersisa adalah :

Dengan :

T = lama penyimpanan atau umur bahan radioaktif ;

N0 = banyaknya atom radioaktif mula-mula;

N(t) = banyaknya atom radioaktif yang tersisa pada saat t.

Bahaya Radiasi

Radiasi di sekitar kita

Becquerel menemukan radioaktivitas pada tahun 1896, tetapi radiasi pengion dari dahulu sampai kapanpun adalah bagian dari lingkungan hidup kita. Ini dikenal sebagai radiasi alamiah. Kira-kira 87% radiasi di lingkungan kita dihasilkan secara ilmiah, dan hanya sekitar 13% merupakan radiasi buatan. Sejumlah radiasi yang tiba di bumi berasal dari angkasa luar dan matahari. Ini disebut radiasi kosmis. Banyak batuan mengandung sejumlah kecil uranium, padahal bahan-bahan bangunan, seperti batu bata dan balok baja dibuat dari batuan. Uranium meluruh menghasilkan radon.

Radiasi dan sel

Semua radiasi pengion merusak sel-sel hidup. Energi yang dibebaskan oleh radiasi dapat memutuskan zat kimia di dalam sel. Sel-sel selalu mati dan digantikan oleh sel-sel yang baru tepat pada waktunya. Akan tetapi, terkadang gejala ini dapat lebih serius, seprerti pada kasus-kasus berikut:

1) Jika seseorang terkena radiasi sangat kuat, maka kerusakan sel tidak dapat diperbaiki tepat pada waktunya. Radiasi ini dapat menyebabkan kematian.

2) Kadang zat kimia DNA yang membawa kode perintah di dalam tiap sel dapat sedikit rusak karena radiasi pengion.Akibat kerusakan ini akan terjadi perubahan yang tidak wajar bagi perkembangan sel.

3) Jika sel-sel kelamin pria atau wanita sedikit rusak,maka dimungkinkan anak dari sel kelamin tersebut akan mengalami abnormal.

Radiasi tingkat rendah

Radiasi pengion yang secara normal mengenai kita adalah radiasi tingkat rendah. Radiasi ini masih terlalu lemah untuk mendeteksi gejala-gejala.Tapi,ditaksir bahwa kira-kira 1% dari semua kanker dan ketidaknormalan genetic disebabkan oleh radiasi tingkat rendah.

Proteksi terhadap radiasi

Ketika orang bekerja dalam lingkungan yang melibatkan bahan-bahan radioaktif yang menghasilkan radiasi pengion, maka dibutuhkan suatu alat yang berguna sebagai pelindung. Bagian-bagian pasien yang tidak perlu difoto, khususnya organ kelamin ,dilindungi oleh baju kerja yang terbuat dari timbal, dan bagi pekerjanya biasanya menangani dari balik selembar layer kaca timbale dengan menggunakan peralatan remote control.

More about → RADIOAKTIVITAS