BAB FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS

Transkripsi

1 BAB FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS Cnth. Jumlah prtn, neutrn dan electrn dalam suatu atm.. 5 Tentukan Jumlah prtn, neutrn dan electrn dalam suatu atm. Fe Dari Lambang nuklida 5 Fe,maka Z dan A 5.. Jumlah prtn dalam inti ditunjukkan leh nmr atm Z sehingga jumlah prtn Z. Jumlah nuclen (prtn neutrn) ditunjukkan leh nmr massa A sehingga : Jumlah prtn + jumlah neutrn A Jumlah neutrn A-Z Untuk atm netral, jumlah electrn jumlah prtn. Cnth. Menyatakan satuan Massa atm ( u) dalam kg. Gunakan bilangan Avgadr (,0 0 3 ) untuk menunjukkan bahwa u, 0 - kg. Bilangan Avgadr N A,memiliki nilai,0 0 3 atm. ml atm C- g.,0 0 3 atm C- 0 3 kg Massa atm C-,00 Massa atm C-, kg. Sesuai dengan definisi, u tepat sama dengan Maka, u massa istp C-, kg. u, 0 - kg kg. massa istp C-, Cnth.3 Defek massa, energi ikat, dan energi ikat per nuclen. Gunakan table. untuk menghitung defek massa, energi ikat, dan energi ikat per nuklen untuk atm karbn C (massa atm, u ). Langkah Tentukan banyaknya prtn, neutrn dan elekrn dalam atm karbn C. Banyaknya prtn sama dengan nmr atm Z, yaitu. bnyaknya neutrn sama dengan selisih antara nmr massa dan nmr atm, yaitu A Z.

2 Untuk atm netral, banyaknya electrn sama dengan banyaknya prtn. Jadi, banyaknya electrn adalah. Langkah Hitung jumlah massa atm netral dari partikel partikel pembentuknya, yaitu prtn, neutrn, dan electrn ( Lihat tabel.). Massa prtn,00 u,03 5 u Massa neutrn,008 5 u, u Massa elektrn 0, u 0,003 9 u + Massa C-, u. Langkah 3 Hitung defek massa, yaitu selisih massa antara jumlah massa partikel partikel pembentuk atm (diperleh dari langkah ) dengan massa atm netral yang diperleh dari hasil pengukuran spectrmeter massa. Karena massa atm netral C- adalah, u, maka defek massa m, adalah ; m, u, u 0, u Langkah Hitung energi ikat inti E ( dalam satuan MeV) dengan menggunakan persamaan (-). E m (93 MeV/u) (0, u) ( 93 MeV/u ) 9, MeV Langkah 5 Hitung energi ikat per nuklen, yaitu hasil bagi antara energi ikat 9 dari langkah )dengan banyaknya nuklen pembentuk inti ( sama dengan nmr massa A). jadi, energi ikat rata-rata per nuklen dalam inti C- adalah : E 9,meV,8 MeV/nuklen A nuklen Cnth. Menghitung energi ikat dengan persamaan 9-) Massa istp 3 Li adalah,08 u. hitung energi ikat per nuklen. (Massa H,008 u, massa neutrn,009 u, dan u 93 MeV). 3 Li artinya nmr atm Z + 3 Nmr massa A +. Kita hitung dahulu energi ikat ttal dengan persamaan (-). E [ Zm H + ( A-Z)m n m 3 Li ] 93 MeV/u [ (3,008) + (-3) (,009) (,08)]u 93 MeV/u E 0,0 93 MeV 39,0 MeV

3 3 Energi ikat per nuklen adalah: E A 39,0meV nuklen 5,58 MeV/nuklen. Cnh.5 Energi yang dibebaskan pada peluruhan alfa Inti Ra- memancarkan sinar sesuai dengan persamaan (-). Hitung energi desintegrasi Q untuk prses ini. Ambil massa Ra-,05 0 u, massa Rn-,0 5 u, dan massa He,00 03 u. Inti induk X adalah Ra- Inti anak Y adalah Rn- Dengan menggunakan Persamaan (-) kita perleh Q (m X m Y m ) 93 MeV (,0 50,0 5 -,00 03 )u 93 MeV. 0, MeV,8 MeV. Seperti yang kita telah ketahui sebelumnya bahwa hamper semua energi ini muncul sebagai energi kinetic sinar dan sebagian kecil saja yang muncul sebagai energi kinetic inti anak. Dalam prses ini, energi kinetic sinar kira kira,8 MeV, sedangkan energi kinetic inti anak hanya kira kira 0, MeV. Sinar biasanya dipancarkan leh inti anak (Z > 83 atau A > 00). Seperti pada table.5. pada table ini juga ditunjukkan harga harga energi kinetic sinar (K ), waktu par (T ) dan tetapan peluruhan (). Cnth. Energi yang dibebaskan pada peluruhan partikel Berapa besar energi yang dibebaskan ketika memancarkan partikel. Massa atm netral : C,003 u C meluruh menjadi N dengan N,003 0 u. Karena data yang diketahui biasanya adalah untuk atm netral, maka kita harus memperhatikan electrn-elektrn yang terlibat. Anggap inti induk yang netral adalah inti induk yang memiliki atm rbital, dan massanya adalah,003 u. Inti anak, dalam peluruhan ini yaitu N, tidaklah netral sebab inti ini memiliki enam electrn rbital tetapi intinya memiliki muatan +e. tetapi massa inti ini dengan keenam elektrnnya, ditambah dengan massa dari electrn (partikel beta) yang dipancarkan (yang membuat ttal jumlah elektrn) adalah tepat dengan massa sebuah atm nitrgen ( N )netral. Karena itu massa ttal pada keadaan akhir : (massa inti N + elektrn)+ (massa elektrn) Sama dengan Massa atm N netral (termasuk elektrn).

4 Yang menurut data adalah,003 0 u. (catat bahwa neutrn tidak menyumbang baik pada keseimbangan massa maupun muatan). Jadi, massa setelah peluruhan adalah,003 u, sedangkan sebelum peluruhan adalah,003 0 u. selisih massa adalah 0,000 8 u, yang berhubungan dengan energi. (0,000 8 u) (93 MeV/u) 0,5 MeV atau 5 kev Cnth. peluruhan ke keadaan eksitasi dilanjutkan kekeadaan dasar * 5 B meluruh menjadi partikel, yang kemudian meluruh ke keadaan dasar C ( * menyatakan keadaan eksitasi dengan memancarkan C dengan memancarkan sinar yang memiliki energi kinetic,3 MeV. Berapa energi kinetic maksimum dari partikel,yang dipancarkan? Untuk menentukan harga energi G untuk peluruhan dengan persamaan peluruhan : * 5 B C + 0 β (-) Kita mula mula perlu menghitung massa inti dalam keadaan tereksitasi (massa C*). Massa C pada keadaan dasar adalah, u sehingga massa pada keadaan tereksitasi ( C*) adalah:,3mev, u +,00 58 u. 93MeV / u Perhatikan Persamaan (-), massa atm netral 5 B sebelum peluruhan adalah,0 * 35 u, sedang massa atm netral 5C sesudah peluruhan adalah,00 58 u., sehingga energi reaksi Q untuk Persamaan (-) adalah : Q (,0 35 u -,00 58 u) 93 MeV/u. 8,93 MeV * Abaikan energi kinetic dari inti 5C, maka energi kinetic maksimum partikel adalah 8,93 MeV, seperti ditunjukkan pada Gambar.. Cnth.8 Masalah peluruhan. Menghitung waktu par Sesudah jam,seperenambelas bagian suatu unsure radiaktif masuh tersisa. Hitung waktu par unsure tersebut dinyatakan dalam menit. Jawab; Umur unsure radiaktif t jam 0 menit. Unsure radiaktif yang tinggal N N Mula mula, hitung bilangan n dengan persamaan 9-). n N N N N n Kemudian kita hitung waktu par dengan persamaan (-3). n

5 5 n t T t T n 0menit 30 menit. Menentukan jumlah massa atm radiaktif setelah peluruhan Bi yang waktu par nya 5 hari meluruh menurut Bi P + β jika mula mula terdapat g 0 Waktu par Bi 0 0 Bi, berapa banyak P adalah T 5 hari. 0 Bi mula mula adalah m g. 0 Selang waktu peluruhan Bi adalah t 5 hari. dihasilkan setelah 5 hari? 0 Mula mula kita hitung dahulu Bi yang tinggal setelah meluruh dengan menggunakan Persamaan (-) dan (-3). t 5hari n 3 5hari n T N N lambing N dan N dapat kita gantikan dengan massa m dan m 0 karena banyaknya atm sebanding dengan massa. Jadi, massa Bi yang tinggal : n 3 M m ( g) 9 g 0 Ini berarti massa Bi yang telah meluruh membentuk M m g 9 g 3 g 0 P adalah : 3. Menentukan aktivasi radiasi 98 Waktu par Au adalah 3,0 hari. 98 (a). berapa tetapan peluruhan Au? 98 (b) Misalkan kita memiliki,00 g cnth Au. Berapakah aktivitasnya? (c). Berapa aktivitas cnth tersebut setelah berumur satu minggu? (a) waktu par T /,0 hari tetapan peluruhan dapat dihitung dengan Persamaan 9-b). 0,093 T / atau λ 0,093 0,093 hari jam T/,0hari jam 300s,9 0 - s -

6 (b) Aktivasi radiasi A menurut persamaan (-) adalah A N dengan N adalah banyaknya atm. Banyaknya atm n dapat kita perleh jika ml n diketahui, sesuai persamaan : N n N A, dengan N A,0 0 3 atm/ml adalah bilangan Avgadr. Ml n dapat kita perleh dari massa m (dalam gram), sesuai persamaan: n M m, dengan M massa mlar istp. 98 Untuk Au, M 98 g/ml. Massa m,00 g, g n m M,00 0, 98g / ml,00 0 N n N A 98g / ml N 3,0 0 5 atm,0 0 3 atm/ml Jadi aktivasi radiasi: A N (,9 0 - s - ) (3,0 0 5 atm) A 9, atm/s 9, Bq. Karena Ci 3, 0 0 Bq, dalam satuan Ci, 9 9,030 Bq A 0,Ci 0 3,0 Bq / Ci (c) Aktivitas mula mula A 9, Bq. Umur t minggu hari. Aktivitas akhir A, dapat kita hitung dengan Persamaan (-0): A A e -t 0,93 ;,0hari 0,93,0 ( hari) (9, hari Bq) e (9,03 0 9,9 Bq) e (9, Bq) (0,58), Bq. Cnth.9 Ketebalan lapisan Harga Par Ketebalan lapisan harga par (half Value layer, disingkat HVL) sebuah penyerap radiasi didefinisikan sebagai ketebalan medium yang akan mengurangi intensitas seberkas partikel-partikel menjadi separ dari intensitas mula-mula. Hitunglah ketebalan lapisan harga par untuk Timbal, denmgan seberkas sinar gamma dengan energi 0, MeV. Intensitas sinar gamma, I, berubah terhadap ketebalan dari timbale, dengan persamaan: I I e -

7 Dalam kasus ini I I sehingga diperleh I I e - In - In e - -In - In µ Kefisien pelemahan, untuk timbale dengan energi sinar gamma 0, MeV adalah 59,8 cm - (diperleh dari table.0) In 0,93, 0 - cm, mm. 59,8cm 59,8cm Jadi,dapat kita simpulkan bahwa Timbal adalah penyerap sinar gamma yang sangat baik Cnth.0 Dsis serapan dan dsis serapan ekivalen Seberkas sinar alfa mempunyai luas penampang cm 3 dan membawa 0 8 partikel/detik. Energi tiap partikelnya adalah,5 MeV. Berkas ini menembus daging setebal 0,5 cm (massa jenis 0,95 g/ cm 3) dan kehilangan 5% dari intensitasnya. tentukan dsis serapan (dalam Gy) dan dsis serapan ekivalen (dalam Sv) yang diserap leh daging itu setiap detiknya. Dsis serapan ialah energi yang terserap dalam setiap kg zat 9 dalam hal ini daging). Jumlah partikel yang diserap tiap detik adalah ; 8 MeV 0 9 detik) 5% 3,5 0 partikel partikel Energi yang terserap per detik adalah : MeV,5 ( 3,5 0 partikel), 0 MeV partikel Jumlah massa daging yang menyerap energi ini adalah : Massa V Ad dengan A luas dan d tebal g 0,95 3 ( cm ) (0,5 cm),3 g cm,3 0-3 kg. Jadi Dsis serapan setiap detik adalah : 9,0 MeV 0 0 ev, 0 J D 3 3,3 0 kg,30 kg ev 0,009 J/kg 0,009 Gy atau 0,9 rad Untuk menentukan dsis serapan ekivalen, H, kita tentukan dahulu factr kualitas, Q, dari sinar alfa dengan melihat table.. karena Q alfa 0 0, kita tetapkan saja Q alfa 0. dengan demikian, H (dalam Sv) D(dalam Gy) Q 0, ,098 Sv.

8 8 Cnth. energi reaksi dan energi kinetic pada reaksi inti (a) Hitung harga Q untuk reaksi inti H + 3 Cu n+ Zn (b) Deutern dengan energi,00 MeV ditembakkan pada sasaran 3 Cu, dan diamati adanya neutrn yang keluar dengan energi kinetic,85 MeV. Tentukan energi kinetic Zn. (a) Massa atm bias diperleh dari table ; H :,0 0 u n :,008 5 u 3 Cu :, u Zn : 3,99 5 u Energi reaksi q bias dihitung dengan persamaan 9-9) : Q [(m H +m Cu ) (m n + m Zn ) ] 93 MeV/u Q [,0 0 +, (, , 99 5)] u 93 MeV/u (0,58 u) 93 MeV/u 5,85 MeV (b) Diketahui K H,00 MeV, K n,85 MeV Energi kinetic Zn(K Zn ) bias dihitung dengan Persamaan (-30) : Q K n + K Zn K H ; inti sasaran Cu dianggap diam. K Zn Q + K H K n (5,85 +,00,85 ) MeV 0,35 MeV Cnth. Energi reaksi fisi kg U-35 Perkirakan energi yang dibebaskan jika kg U-35 habis membelah dalam reaksi fisi. Energi yang dibebaskan dalam reaksi fisi suatu inti U-35 dapat kita taksir dari grafik energi ikat per nuklen (lihat kembali Gambar.8). Dari grafik.8, energi ikat per nuklen untuk unsur unsure yang memempati bagian tengah table peridic (termasuk Ba- dan Kr-9) kira kira 8,5 MeV sedangkan untuk inti berat (yaitu U-35) adalah, MeV. Dengan demikian fisi U-35 akan membebaskan energi ikat 0,9 MeV (dari 8,5, ) per nuklen. Satu inti U-35 memiliki 35 nuklen dank arena itu energi dibebaskan per fisi adalah 350,9 MeV 00 MeV. Energi ini dalam kenyataannya sangat kecil, 00 mev 00 0 (, 0-9) J 3, 0 - J. bandingkan kita menghabiskan kira-kira 5 J ketika mengangkat beban ringan dari lantai keatas meja. Tetapi dalam sedikit sample uranium terdapat milyaran inti, sehingga energi ttal yang diprduksi dapat sangat besar.

9 Sebagai cnth mari kita hitung energi yang dihasilkan ketika inti yang terkandung dalam kg U-35 mengalami fisi. Massa atm U-35 adalah 35. Ini berarti bahwa ada,03 0 atm dalam 35 kg uranium. Banyak atm dalam kg U-3,030 atm 5 0 atm 35 Energi yang diketahui (5 0 ) 00 mev,5 0 00, 0-3 J sebab MeV, 0-3 J,5 0 3, 0 - J 8, 0 3 J kwh ( 0 3 J/s)(3 00 s) 3, 0 J Energi yang diprduksi leh kg U ,0 J,8 0 kwh. 3,0 J / kwh Untuk membayangkan besar energi ini,maka energi sebesar ini cukup untuk menjaga agar sebuah bla lampu pijar 00 W menyala terus- menerus selama tahun. 3 Tampak bahwa kg 9 U menghasilkan energi yang luar biasa besar. 9 Cnth.3 menghitung energi pada reaksi fusi Pada reaksi fusi : 3 H + H He+ n + Q Tentukanlah besarnya energi reaksi fusi Q. m H-,0 0 u, m H-3 3,0 09 u, m He,00 0 u, m n,008 5 u 0 Massa reaktan m H- + m H-3 (,0 0 u + 3,0 09 u) 5,030 5 u Massa prduk m He + m n (,00 0 u +,008 5 u) 5,0 u Selisih massa m 0,08 88 u Energi reaksi fusi Q m 93 MeV/u 0,08 88 u 93 MeV/u,58 mev. - Cnth. Massa Deuterium yang diperlukan pada PLTN 3 Fusi dari H + H He + Q diusulkan digunakan untuk memprduksi tenaga listrik pada industri. Anggap efisiensi prses adalah 30%, tentukan berapa kilgram deuterium akan diknsumsi dalam sehari untuk keluarga 50 MW. Deketahui: Massa H, 08u Massa He, 0038u u 93,5 MeV.

10 0 Energi dibebaskan tiap reaksi fusi (dua atm H-) adalah 93,5 MeV Q [ (,08),0038 ] u u MeV Keluaran 30% Q 0,3 MeV, MeV,MeV Keluaran per atm H- 3, MeV Untuk keluaran 50 MW atau MJ/s atau 50 0 J/s diperlukan jumlah atm deuterium (H-) sebanyak 500 J / s 9 atm 8,80 3 3,MeV, 0 J s MeV Massa deuterium (dalam kg) yang dip[erlukan dalam sehari adalah 8,8 0 9 atm jam 300s s hari jam,995 0 atm,08g ml 3 hari ml,00 atm g kg,5 0 0,05 kg. hari 000g Catatan : Factr factr kanversi yang digunakan dalam Cnth. ini adalah sebagai berikut ; MeV, 0-3 J hari jam; jam 300 s ml,08 g untuk deuterium N A,0 0 3 atm/ml. Cnth.5 Menentukan umur batuan meterit Dalam suatu batuan meterit tertentu, perbandingan antara banyak atm uranium 0 8 Pb Sebagai hasil peluruhan 38 U adalah /. Jika waktu par 38 U adalah,5 0 9 tahun, taksirlah umur batuan meterit tersebut. Ketika batuan mula-mula terbentuk,yang ada hanyalah radiistpe U-38 sedang istp stabil Pb-0. Jadi, jumlah atm Pb-0 barasal dari jumlah atm U-38 yang meluruh. Diketahui rasi

11 jumlah. atmu 38 jumlah. atmpb 0 Artinya, jumlah. atmu 38yang. sisa jumlah. atmpb 0. yang. telah. meluruh Misalkan jumlah atm U-38 mula mula adalah N dan jumlah atm U-38 yang sisa adalah N, maka rasi N N N N N N N 8 N atau N N 8 Sedangkan rumus peluruhan untuk hubungan antara N dan N (lihat Persamaan (-)) adalah : N N Sedang N N 8 n Jadi n 3 8 n 3 Sedang n T t, dengan t adalah umur batuan meterit T,5 0 9 tahun adalah waktu par U-38. Jadi, t nt 3(,5 0 9 tahun), tahun.