DAFTAR ISI BAB I PENDAHULUAN

Transkripsi

1 DAFTAR ISI BAB I PENDAHULUAN 3 BAB II STRUKTUR DAN INTI ATOM 5 A Struktur Atom 6 B Inti atom 9 1. Identifikasi Inti Atom (Nuklida) 9 2. Kestabilan Inti Atom 11 Latihan 13 Rangkuman Bab II. 14 BAB III PELURUHAN RADIOAKTIF 17 A Jenis Peluruhan Peluruhan Alfa Peluruhan Beta Peluruhan Gamma 20 B Aktivitas Radiasi 21 C Waktu Paro 23 D Aktivitas Jenis 25 E Skema Peluruhan 26 Latihan 27 Rangkuman Bab III 29 BAB IV INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI 31 A Interaksi Partikel Alfa Proses Ionisasi Proses Eksitasi 32 B Interaksi Partikel Beta 33 C Interaksi Sinar Gamma dan Sinar-X Efek Fotolistrik Hamburan Compton Produksi Pasangan Ionisasi Tidak Langsung Penyerapan Radiasi Gelombang Elektromagnet 39 D Faktor Penambahan (Build up Factor) F Tameng Berlapis Banyak... G Interaksi Radiasi Neutron Tumbukan Elastik Tumbukan Tak-Elastik Reaksi Inti (Penangkapan Neutron) 46 Latihan 47 Rangkuman Bab IV. 47 BAB V SUMBER RADIASI 49 A Sumber Radiasi Alam Sumber Radiasi Kosmik Sumber Radiasi Terestrial Sumber Radiasi di dalam Tubuh 51 B Sumber Radiasi Buatan Zat Radioaktif Pesawat Sinar-X Akselerator Reaktor Nuklir 56 1

2 Latihan 57 Rangkuman Bab V 58. 2

3 FISIKA RADIASI DASAR BAB I PENDAHULUAN Modul ini berisi pengetahuan dasar tentang Fisika Radiasi yang menjadi landasan bagi pengetahuan lain yang berhubungan dengan pemanfaatan dan pengawasan tenaga nuklir, seperti aplikasi radiasi dan radioisotop, fisika kesehatan, proteksi radiasi, dan sebagainya. Dalam modul ini dibahas proses terjadinya radiasi dari atom atau inti atom yang tidak stabil, peluruhan inti atom yang tidak stabil, interaksi radiasi bila mengenai materi termasuk terjadinya reaksi inti, serta beberapa sumber radiasi baik sumber radiasi alam maupun sumber radiasi buatan. Tujuan Instruksional Umum: Setelah mempelajari materi ini peserta diharapkan mampu memahami prinsipprinsip dasar fisika radiasi, seperti: proses terjadinya radiasi, proses peluruhan inti atom, interaksi radiasi dengan materi, serta prinsip dari beberapa sumber radiasi buatan. Tujuan Instruksional Khusus: Setelah mempelajari materi ini peserta diharapkan mampu: 1. menggambarkan struktur atom berdasarkan model atom Bohr; 2. menguraikan proses transisi elektron; 3. membedakan isotop, isobar, isoton dan isomer; 4. menentukan kestabilan inti atom; 5. menyebutkan tiga jenis peluruhan radioaktif dan sifat radiasi yang dipancarkannya; 6. menghitung aktivitas suatu bahan radioaktif menggunakan konsep waktu paro; 3

4 7. menguraikan proses interaksi radiasi alfa dan beta bila mengenai materi; 8. menguraikan proses interaksi radiasi gamma dan sinar-x bila mengenai materi; 9. menguraikan proses interaksi radiasi neutron bila mengenai materi; 10. menentukan tebal penahan radiasi menggunakan konsep tebal paro; gamma dan sinar-x; 11. membedakan sumber radiasi alam dan buatan; 12. menguraikan prinsip kerja pesawat sinar-x. 4

5 BAB II STRUKTUR DAN INTI ATOM Radiasi pada dasarnya adalah suatu cara perambatan energi dari sumber energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium. Beberapa contohnya adalah perambatan panas, perambatan cahaya, dan perambatan gelombang radio. Radiasi yang akan dibahas di sini adalah radiasi yang berasal dari proses fisika yang terjadi di dalam atom. Semua bahan (materi) yang ada di alam ini tersusun dari berjuta-juta molekul, sedangkan molekul itu sendiri terdiri atas beberapa atom. Sebagai contoh, segelas air terdiri atas molekul-molekul H 2 O, sedang sebuah molekul H 2 O terdiri atas dua buah atom hidrogen (dengan lambang H) dan sebuah atom oksigen (dengan lambang O). Jadi, atom itu sendiri dapat didefinisikan sebagai bagian terkecil dari suatu materi yang masih memiliki sifat dasar materi tersebut. Atom mempunyai ukuran sekitar m atau 1 angstrom (= 1 Å). Istilah lain yang sering digunakan untuk menyatakan jenis atom adalah unsur. Sampai saat ini telah diketemukan 107 jenis unsur. Atom terdiri atas inti atom dan elektron. Inti atom yang sering disebut sebagai nuklir ataupun nuklida merupakan bagian dari atom yang memiliki massa terbesar (masif) dan berukuran sekitar m atau 10-4 Å, sedangkan elektron yang mempunyai massa sangat ringan bertebaran memenuhi ruangan atom. Pada perkembangan selanjutnya ditemukan bahwa inti atom terdiri atas dua jenis partikel yaitu proton dan neutron. Elektron merupakan partikel yang mempunyai muatan listrik negatif sebesar 1,6 x Coulomb dan mempunyai massa sebesar 9,1 x kg. Proton mempunyai muatan listrik positif dan massa 1,67 x kg. Sedangkan neutron mempunyai massa 1,675 x kg dan tidak bermuatan listrik. Karena berhubungan dengan nilai muatan dan massa yang sangat kecil, maka diperkenalkan suatu konstanta yang disebut sebagai muatan elementer (e) sebesar 1,6 x Coulomb dan massa elementer yang sering dituliskan sebagai satuan massa atom (sma) sebesar 1,6 x kg. 5

6 A. Struktur Atom Pada prinsipnya struktur atom belum diketahui secara pasti, mengingat sangat kompleksnya struktur tersebut. Namun demikian, banyak ahli telah membuat model atruktur atom sesuai dengan pemahaman yang didasarkan pada bukti-bukti pengamatan. Pemodelan struktur atom, sebenarnya merupakan usaha pendekatan dalam rangka memudahkan pemahaman. Model atom bervariasi mulai dari yang sederhana sampai dengan yang kompleks (model atom Bohr, model atom Rutherford, dsb.). Model atom Bohr merupakan model yang paling sering digunakan karena sederhana tetapi dapat menjelaskan banyak hal. Model ini menggambarkan bahwa atom terdiri atas inti atom, dan elektron-elektron yang mengelilingi inti atom dengan lintasan-lintasan atau kulit-kulit tertentu (lihat Gambar II.1). Inti atom itu sendiri terdiri atas proton dan neutron. Jenis atom yang sama mempunyai jumlah proton yang sama, sebaliknya atom yang berbeda memiliki jumlah proton yang berbeda. Sebagai contoh, unsur hidrogen (H) mempunyai sebuah proton, sedang unsur emas (Au) mempunyai 79 buah proton. Sebagai suatu konvensi, setiap jenis atom diberi suatu nomor yang disebut sebagai nomor atom berdasarkan jumlah proton yang dimilikinya. Sebagai contoh, nomor atom dari unsur hidrogen adalah 1 sedang nomor atom dari unsur emas adalah 79. Gambar II.1. Model atom Bohr Dipandang dari segi beratnya, massa suatu atom terkonsentrasi pada intinya, karena massa elektron dapat "diabaikan" bila dibandingkan dengan massa Inti Atom proton maupun neutron. Tetapi bila dipandang dari segi Elektron muatan listriknya, Lintasan Elektron muatan atom ditentukan oleh jumlah proton dan jumlah elektronnya. Bila jumlah proton dan jumlah elektron di dalam suatu atom sama, maka muatan atom tersebut nol sehingga dinamakan atom netral, sedangkan bila 6

7 jumlahnya tidak sama maka dinamakan atom tidak netral atau ion. Sebagai contoh, unsur emas memiliki 79 buah proton maka sebuah atom emas yang netral akan mempunyai 79 proton dan 79 elektron. Setiap lintasan elektron mempunyai tingkat energi tertentu. Semakin luar lintasannya, tingkat energinya semakin tinggi. Oleh karena itu elektronelektron di dalam atom selalu berusaha untuk menempati lintasan elektron yang lebih dalam. Lintasan elektron yang paling dalam dinamakan lintasan K, lintasan berikutnya L, M, N dan seterusnya. Jumlah elektran yang dapat menempati setiap lintasan dibatasi oleh suatu aturan tertentu (2 x n 2 ). Lintasan K (n = 1) hanya dapat ditempati oleh dua buah elektron sedang lintasan L (n = 2) delapan elektron. Atom ada dalam keadaan stabil bila setiap lintasan yang lebih dalam berisi penuh dengan elektron sesuai dengan kapasitasnya. Sebaliknya, bila suatu lintasan elektron masih belum penuh tetapi terdapat elektron di lintasan yang lebih luar, maka atom tersebut dikatakan tidak stabil. Sebagai contoh suatu atom yang tidak stabil adalah bila lintasan K dari suatu atom hanya berisi sebuah elektron sedang pada lintasan L nya berisi enam elektron. Perpindahan Elektron Perpindahan elektron dari satu lintasan ke lintasan yang lain disebut sebagai transisi elektron. Bila transisi tersebut berasal dari lintasan yang lebih luar ke lintasan yang lebih dalam, maka akan dipancarkan energi, sebaliknya untuk transisi dari lintasan dalam ke lintasan yang lebih luar dibutuhkan energi. Energi yang dipancarkan oleh proses transisi elektron dari lintasan yang lebih luar ke lintasan lebih dalam berbentuk radiasi sinar-x karakteristik. Gambar II.2. Perpindahan elektron dari lintasan luar ke dalam (kiri) dan dari lintasan Energi dalam ke Sinar-X luar (kanan) Eksternal karakteristik Energi radiasi sinar-x (E x ) yang dipancarkan dalam proses transisi elektron ini adalah sama Inti Atom dengan selisih tingkat energi dari lintasan asal (E a ) dan lintasan tujuan (E t ). E x = E a - E t Inti Atom Kulit K Kulit L Elektron Kulit K Kulit L Elektron 7

8 Sebaliknya, energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya proses transisi elektron dari kulit yang lebih dalam ke kulit yang lebih luar harus lebih besar dari pada selisih tingkat energi dari lintasan asal dan lintasan tujuan. Proses ini disebut sebagai proses eksitasi, yang akan dibahas lebih lanjut pada Bab IV. Proses transisi elektron tidak hanya terjadi pada lintasan-lintasan yang berurutan, mungkin saja terjadi transisi dari lintasan M ke lintasan K dengan memancarkan radiasi sinar-x. Energi yang dipancarkan oleh transisi elektron dari lintasan M ke lintasan K lebih besar daripada transisi dari lintasan L ke lintasan K. Tingkat energi lintasan dari setiap atom tidak sama. Sebagai contoh, energi sinar-x yang dipancarkan oleh transisi elektron di dalam atom perak (Ag) akan berbeda dengan energi yang dipancarkan oleh transisi elektron dalam atom tungsten (W). B. Inti Atom Sebagaimana telah dibahas sebelumnya, inti atom atau nuklir terdiri alas proton dan neutron yang disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti atom). Jumlah proton dan jumlah neutron di dalam inti atom tidak selalu sama, oleh karena itu suatu unsur (jenis atom) yang sama mungkin saja terdiri alas inti atom yang berbeda, yaitu bila jumlah protonnya sama tetapi jumlah neutronnya berbeda. 1. Identifikasi Inti Atom (Nuklida) Nuklida adalah istilah lain yang digunakan untuk menyatakan suatu jenis inti atom. Nuklida atau jenis inti atom yang ada di alam ini jauh lebih banyak daripada unsur karena unsur yang sama mungkin saja terdiri atas nuklida yang berbeda. Unsur dituliskan dengan lambang atomnya, misalnya unsur emas adalah Au dan unsur besi adalah Fe. Sedangkan penulisan suatu nuklida atau jenis inti atom harus diikuti dengan jumlah 8

9 neutronnya sebagaimana konvensi penulisan sebagai berikut. zx A X adalah simbol atom, Z adalah nomor atom yang menunjukkan jumlah proton di dalam inti atom, sedang A adalah nomor massa yang menunjukkan jumlah nukleon (jumlah proton + jumlah neutron). Meskipun tidak dituliskan pada simbol nuklida, jumlah neutron dapat dituliskan sebagai N dengan hubungan N = A - Z Sebagai contoh nuklida 2 He 4 inti atom helium (He) yang mempunyai dua buah proton (Z = 2) dan dua buah neutron (N = A Z = 2). Cara penulisan nuklida tersebut di atas merupakan konvensi atau kesepakatan saja dan bukan suatu ketentuan sehingga masih terdapat beberapa cara penulisan yang berbeda. Salah satu cara penulisan lain yang paling sering dijumpai adalah tanpa menuliskan nomor atomnya seperti berikut ini. x A atau X-A Contoh: nuklida He 4 atau He-4 dan Co 60 atau Co-60. Nomor atom tidak dituliskan karena dapat diketahui dari jenis atomnya. Setiap atom yang berbeda akan memiliki jumlah proton yang berbeda sehingga nomor atomnya pun berbeda. Berkaitan dengan komposisi jumlah proton dan jumlah neutron di dalam inti atom, terdapat beberapa istilah yang yaitu: isotop, isobar, isoton dan isomer. Isotop adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor atom (jumlah proton) sama, tetapi mempunyai nomor massa (jumlah neutron) berbeda. Jadi, setiap unsur mungkin saja terdiri atas beberapa jenis nuklida yang sama. Sebagai contoh adalah isotop hidrogen sebagai berikut: 1 H 1, 1 H 2, 1H 3. 9

10 Gambar II.3 Isotop Hidrogen Proton Isobar adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor massa (jumlah proton + jumlah neutron) sama, tetapi mempunyai nomor atom Neutron (jumlah proton) berbeda. Contoh: 1 H1 1 H2 Hidrogen Deuterium 6C 16 dan 8 O 16 1 H3 Tritium Elektron Isoton adalah nuklida-nuklida yang mempunyai jumlah neutron sama, tetapi mempunyai nomor atom dan jumlah proton berbeda. Contoh: 6C 14 ; 7 N 15 dan 8 O 16 Isomer adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor atom maupun nomor massa sama, tetapi mempunyai tingkat energi yang berbeda. Inti atom yang memiliki tingkat energi lebih tinggi daripada tingkat energi dasamya biasanya diberi tanda asterisk (*) atau m. 28Ni 60 dan 28 Ni 60* atau 28 Ni 60m Kedua nuklida tersebut di atas mempunyai jumlah proton dan jumlah neutron yang sama tetapi tingkat energinya berbeda. Tingkat energi Ni 60 berada pada keadaan dasarnya sedang Ni 60 * tidak pada keadaan dasarnya atau pada keadaan tereksitasi (excited-state). 2. Kestabilan Inti Atom Komposisi jumlah proton dan neutron di dalam inti atom sangat mempengaruhi kestabilan inti atom tersebut. Inti atom dikatakan stabil bila komposisi jumlah proton dan neutronnya sudah "seimbang" serta tingkat energinya sudah berada pada keadaan dasar. Sedangkan inti atom 10

11 dikatakan tidak stabil bila komposisi jumlah proton dan neutronnya "tidak seimbang" atau tingkat energinya tidak berada pada keadaan dasar. Jumlah Isotop neutron (N) radioaktif Gambar II.4. Hubungan antara jumlah neutron dan jumlah proton alam Gambar II.4 di atas menunjukkan posisi (koordinat dari jumlah proton N = Z dan jumlah neutron) dari nuklida yang stabil. Bila posisi suatu nuklida tidak berada pada posisi sebagaimana kurva kestabilan maka nuklida tersebut tidak stabil. Secara umum, kestabilan inti-inti ringan terjadi bila jumlah protonnya sama dengan jumlah neutronnya, terlihat bahwa posisi 0 nuklida berhimpit dengan garis N = Z, sedang Jumlah kestabilan proton (Z) inti-inti berat terjadi bila jumlah neutron mendekati 1,5 kali jumlah protonnya. Isotop yang tidak stabil disebut sebagai radioisotop. Radioisotop dan radionuklida adalah istilah yang sama, yaitu menunjukkan inti-inti atom yang tidak stabil. Sedangkan bahan yang terdiri atas radionuklida dengan jumlah cukup banyak disebut bahan radioaktif. Proses perubahan atau transformasi inti atom yang tidak stabil menjadi atom yang stabil tersebut dinamakan peluruhan radioaktif. Proses peluruhan radioaktif seringkali harus melalui beberapa tingkatan intermediet (antara) sebelum menjadi inti atom yang stabil. Peluruhan seperti ini dinamakan peluruhan berantai. LATIHAN 1. Sebutkan muatan dan massa dari partikel-partikel elementer penyusun atom. 2. Jelaskan prinsip dasar struktur atom Bohr 3. Jelaskan maksud dari atom yang tidak netral (ion) dan atom yg tidak stabil 4. Jelaskan proses terjadinya sinar-x karakteristik 5. Tentukan jumlah proton dan neutron dari nuklida 19 K 40 dan 92 U 235. Kemudian hitung muatan dan massa dari nuklida 2 He 4. 11

12 6. Tentukan pasangan nuklida di bawah ini yang merupakan isotop, isobar, isoton dan isomer. 27Co 60 dan 27 Co 60 * ; 27 Co 60 dan 27 Co 59 ; 27 Co 60 dan 28 Ni 60 ; 27 Co 60 dan 28 Ni Jelaskan, mengapa suatu inti atom dikatakan tidak stabil. 8. Jelaskan, apa yang dimaksud dengan peluruhan radioaktif. Jawaban 1. Lihat Tabel II.1 2. Struktur atom Bohr menyatakan atom terdiri dari inti atom yang berisi proton dan neutron, serta elektron yang mengitari inti pada lintasannya masing-masing. 3. Atom tidak netral (ion) adalah atom yang memiliki proton dan elektron dengan jumlah berbeda. Atom dikatakan tidak stabil bila lintasan elektron yang lebih dalam belum terisi penuh tapi lintasan yang lebih luar sudah berisi elektron. 4. Radiasi sinar-x karakteristik terjadi pada saat elektron berpindah (transisi) dari lintasan yg lebih luar ke lintasan yang lebih dalam K 40 : jumlah proton = 19; jumlah neutron = 21 92U 235 : jumlah proton = 92; jumlah neutron = 143 2He 4 : muatan nuklida = 2 x 1,6 x C = 3,2 x C massa nuklida = 4 x 1,67 x C = 6,68 x kg 6. Isomer, isotop, isobar, isoton 7. Inti dikatakan tidak stabil apabila komposisi proton dan neutronnya "tidak seimbang" atau tingkat energinya tidak berada pada keadaan dasar, lihat tabel nuklida. 8. Peluruhan radioaktif adalah proses transformasi inti atom yang tidak stabil menjadi inti atom yang lebih stabil. RANGKUMAN BAB II 1. Atom adalah bagian terkecil dari suatu materi yang masih memiliki sifat materi tersebut. 12

13 2. Atom terdiri atas inti atom (berisi proton dan neutron) serta elektron yang mengelilingi inti atom pada lintasan tertentu. 3. Muatan dan massa dari elektron, proton dan neutron adalah sebagaimana tabel berikut: Tabel II.1 Harga muatan dan massa dari partikel elementer Partikel Muatan Listrik Massa Coulomb Elementer Kg sma Elektron - 1,6 x ,1 x Proton + 1,6 x ,67 x Neutron 0 0 1, 67 X Transisi elektron dari lintasan yang lebih luar ke lintasan yang lebih dalam akan memancarkan radiasi sinar-x karakteristik. Sebaliknya, transisi elektron dari lintasan yang lebih dalam ke lintasan yang lebih luar akan membutuhkan energi eksternal. 5. Penulisan nuklida adalah Z X A dengan X adalah simbol atom, Z adalah nomor atom (jumlah proton), A adalah nomor massa (jumlah proton ditambah jumlah neutron). 6. Isotop adalah inti-inti atom yang mempunyai nomor atom sama tetapi mempunyai nomor massa berbeda. 7. Isobar adalah inti-inti atom yang mempunyai nomor massa sama tetapi mempunyai nomor atom berbeda. 8. Isoton adalah inti-inti atom atau nuklida-nuklida yang mempunyai jumlah neutron sama tetapi mempunyai nomor atom berbeda. 9. Isomer adalah inti-inti atom yang mempunyai nomor atom maupun nomor massa sama tetapi mempunyai tingkat energi yang berbeda. 10. Peluruhan radioaktif adalah perubahan inti atom yang tidak stabil menjadi inti atom yang stabil. Inti atom yang tidak stabil dapat disebut sebagai radionuklida atau radioisotop. Bahan yang terdiri atas inti atom yang tidak stabil dengan jumlah yang cukup banyak disebut bahan radioaktif. 13

14 BAB III PELURUHAN RADIOAKTIF Inti atom yang tidak stabil secara spontan akan berubah menjadi inti atom yang lebih stabil. Proses perubahan tersebut dinamakan peluruhan radioaktif (radioactive decay). Dalam setiap proses peluruhan akan dipancarkan radiasi. Bila ketidakstabilan inti disebabkan karena komposisi jumlah proton dan neutronnya yang tidak seimbang, maka inti tersebut akan berubah dengan memancarkan radiasi alfa (α) atau radiasi beta (β). Sedangkan bila ketidakstabilannya disebabkan karena tingkat energinya yang tidak berada pada keadaan dasar, maka akan berubah dengan memancarkan radiasi gamma (γ). A. Jenis Peluruhan Terdapat tiga jenis peluruhan radioaktif secara spontan yaitu peluruhan alfa (α), peluruhan beta (β), dan peluruhan gamma (γ). Jenis peluruhan atau jenis radiasi yang dipancarkan dari suatu proses peluruhan ditentukan dari posisi inti atom yang tidak stabil tersebut dalam diagram N-Z. 1. Peluruhan Alfa (α) Peluruhan alfa dominan terjadi pada inti-inti tidak stabil yang relatif berat (nomor atom lebih besar dari 80). Dalam peluruhan ini akan dipancarkan partikel alfa (α) yaitu suatu partikel yang terdiri atas dua proton dan dua neutron, yang berarti mempunyai massa 4 sma dan muatan 2 muatan elementer positif. Partikel α secara simbolik dinyatakan dengan simbol 2He 4. Radionuklida yang mengalami peluruhan akan kehilangan dua proton dan dua neutron serta membentuk nuklida baru. Peristiwa peluruhan α ini dapat dituliskan secara simbolik melalui reaksi inti sebagai berikut: 14

15 ZX A Z-2 Y A-4 + α Contoh peluruhan partikel Alfa yang terjadi di alam adalah: 92U Th234 + α Sifat Radiasi Alfa a. Daya ionisasi partikel alfa sangat besar, kurang lebih 100 kali daya ionisasi partikel β dan kali daya ionisasi sinar γ. b. Jarak jangkauan (tembus) nya sangat pendek, hanya beberapa mm udara, bergantung pada energinya. c. Partikel α akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau medan listrik. d. Kecepatan partikel α bervariasi antara 1/100 hingga 1/10 kecepatan cahaya. 2. Peluruhan Beta (β) Peluruhan beta terjadi pada inti tidak stabil yang relatif ringan. Dalam peluruhan ini akan dipancarkan partikel beta yang mungkin bermuatan negatif (β - ) atau bermuatan positif (β + ). Partikel β - identik dengan elektron sedangkan partikel β + identik dengan elektron yang bermuatan positif (positron). Pada diagram N-Z, peluruhan β - terjadi bila nuklida tidak stabil berada di atas kurva kestabilan sedangkan peluruhan β + terjadi bila nuklidanya berada di bawah kurva kestabilan. Dalam proses peluruhan β - terjadi perubahan neutron menjadi proton di dalam inti atom sehingga proses peluruhan ini dapat dituliskan sebagai persamaan inti berikut. Contoh: ZX A Z+1 Y A + β - + ν 15P S 32 + β - + ν 15

16 Sedangkan dalam proses peluruhan β + terjadi perubahan proton menjadi neutron di dalam inti atom sehingga proses peluruhan ini dapat dituliskan sebagai persamaan inti berikut. Contoh: ZX A Z-1 Y A + β + + ν - 8O 15 7 N 15 + β + + ν - Neutrino (ν + ) dan antineutrino (ν - ) adalah partikel yg tidak bermassa tetapi berenergi yg selalu mengiringi peluruhan β. Sifat Radiasi Beta a. Daya ionisasinya di udara 1/100 kali dari partikel α b. Jarak jangkauannya lebih jauh daripada partikel α, di udara dapat beberapa cm. c. Kecepatan partikel β berkisar antara 1/100 hingga 99/100 kecepatan cahaya. d. Karena sangat ringan, maka partikel β mudah sekali dihamburkan jika melewati medium. e. Partikel β akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau medan listrik. 3. Peluruhan Gamma (γ) Berbeda dengan dua jenis peluruhan sebelumnya, peluruhan gamma tidak menyebabkan perubahan nomor atom maupun nomor massa, karena radiasi yang dipancarkan dalam peluruhan ini berupa gelombang elektromagnetik (foton). Peluruhap ini dapat terjadi bila energi inti atom tidak berada pada keadaan dasar (ground state), atau pada bab sebelumnya dikatakan sebagai inti atom yang isomer. Peluruhan ini dapat terjadi pada inti berat maupun ringan, di atas maupun di bawah kurva kestabilan. Biasanya, peluruhan γ ini mengikuti peluruhan α ataupun β. 16

17 Peluruhan γ dapat dituliskan sebagai berikut. ZX A Z X A + γ Salah satu contoh peluruhan gamma yang mengikuti peluruhan β 27Co Ni 60 + β - 28Ni Ni 60 + γ Sifat Radiasi Gamma a. Sinar y dipancarkan oleh nuklida tereksitasi (isomer) dengan panjang gelombang antara 0,005 Å hingga 0,5 Å b. Daya ionisasinya di dalam medium sangat kecil sehingga daya tembusnya sangat besar bila dibandingkan dengan daya tembus partikel α atau β c. Karena tidak bermuatan, sinar γ tidak dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnit B. Aktivitas Radiasi Sebagaimana telah dibahas pada bab sebelumnya bahwa inti yang tidak stabil akan berubah menjadi stabil dengan memancarkan radiasi (proses peluruhan). Laju peluruhan - jumlah proses peluruhan per satuan waktu ( N/ t) - sebanding dengan jumlah inti yang tidak stabil (N) dan suatu konstanta yang disebut sebagai konstanta peluruhan (γ). N t = λ N (III-1) Aktivitas radiasi didefinisikan sebagai jumlah peluruhan yang terjadi dalam satu detik, atau dengan kata lain adalah laju peluruhan itu sendiri. A = λ t (III-2) Dari dua persamaan di atas, secara matematis akan diperoleh persamaan yang disebut sebagai hukum peluruhan yaitu: 17

18 N λ t = N0 e (III-3) N adalah jumlah inti atom yang tidak stabil saat ini, N 0 adalah jumlah inti atom yang tidak stabil saat mula-mula, λ adalah konstanta peluruhan sedangkan t adalah selang waktu antara saat mula-mula sampai saat ini. Persamaan di atas dapat diubah menjadi bentuk aktivitas sebagai berikut. A = A e 0 λ t (III -4) di mana A adalah aktivitas pada saat t, sedangkan A 0 adalah aktivitas mulamula. Persamaan III-4 di atas dapat digambarkan dalam grafik eksponensial yang menunjukkan hubungan antara aktivitas radioaktif terhadap waktu (Gambar III-2). Gambar III-2. Aktivitas radioaktif sebagai fungsi waktu Satuan Aktivitas Sejak tahun 1976 dalam sistem satuan intemasional (SI) aktivitas radiasi dinyatakan dalam satuan Beqcuerel (Bq) yang didefinisikan sebagai: Aktivitas (A) 1 Bq = 1 peluruhan per detik Aktivitas awal Sebelum itu digunakan satuan Curie (Ao) (Ci) untuk menyatakan aktivitas radiasi yang didefinisikan sebagai: 1 Ci = 3,7 x peluruhan per detik dan satuan-satuan berkaitan yang lebih kecil yaitu mili Curie (mci) dan micro Curie (µci), 1 mci = 10-3 Ci 1 µci = 10-6 Ci C. Waktu Paro Waktu Waktu paro (T 1/2 ) didefinisikan sebagai selang waktu yang dibutuhkan agar aktivitas suatu radioaktif menjadi separuhnya setiap radionuklida 18

19 mempunyai waktu paro yang unik dan tetap. Sebagai contoh, Co-60 mempunyai waktu paro 5,27 tahun dan Ir-192 adalah 74 hari. Gambar III-3: Hubungan antara aktivitas radioaktif dan waktu paro Nilai waktu paro suatu radionuklida dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini. 0,693 T 1 / 2 = (III-5) λ Konsep waktu paro ini sangat bermanfaat untuk menghitung aktivitas suatu radionuklida dibandingkan bila harus menggunakan persamaan matematis Aktivitas (A) Aktivitas (III-4). Bila selang waktunya sama dengan satu kali T 1/2 maka aktivitasnya awal (Ao) tinggal 0,5 nya, sedang kalau dua kali T 1/2, maka aktivitasnya tinggal 0,25 nya, dan seterusnya. Dapat juga menggunakan hubungan berikut ini. A = ½ Ao n = ¼ Ao ( 1 ) t T n A 0 (III-6) t adalah selang waktu antara saat mula-mula sampai saat pengukuran, sedangkan T T½ 2T½ 1 adalah waktu paro radionuklida. 2 Waktu (t) CONTOH SOAL 1. Sumber Ir-192 mempunyai aktivitas 100 MBq pada tanggal 1 Januari Berapa aktivitasnya pada tanggal 28 Mei 1999 jika 1r-192 mempunyai waktu paro T 1 = 74 hari? 2 Jawab: Selang waktu t = 1 Januari - 28 Mei 1999 = 148 hari n = 148/ 74 = 2 A = ( 1 ) 2 2 = 25MBq 100MBq 19

20 Jadi aktivitas Ir-192 pada tanggal 28 Mei 99 adalah 25 MBq. 2. Suatu bahan radioaktif mempunyai aktivitas 100 MBq pada pukul WIB Sedangkan pada pukul WIB aktivitasnya tinggal 25 MBq. Berapa waktu paro T 1 bahan radioaktif tersebut? 2 Jawab: Ao = 100 MBq, A(t) = 25 MBq, dan waktu t = 6 jam. 1 Setelah 6 jam aktivitasnya tinggal 25 / 100 = 4 kali yang berarti telah mencapai 2 kali T x T 1 = 6 Jam, maka T 1 = 3 jam

21 D. Aktivitas Jenis Aktivitas jenis radioaktif (A sp ) didefinisikan sebagai aktivitas dari satu gram zat radioaktif tersebut, biasanya dinyatakan dalam satuan Ci/gram. Makin pendek waktu paro unsur radioaktif, makin besar aktivitas jenisnya. A sp = λ N sp (III-7) 6,02 10 = (III-8) A N sp 23 A sp adalah jumlah atom dalam satu gram zat radioaktif, sedang A adalah nomor massanya. CONTOH SOAL Aktivitas jenis Ra-226 yang mempunyai waktu paro 1620 tahun adalah: A A sp sp 0,693 6,02 10 = = 0,97Ci / gram 23 E. Skema Peluruhan Proses peluruhan suatu radionuklida dari keadaan tidak stabil menjadi stabil ternyata menempuh tahapan tertentu yang dapat digambarkan dalam suatu skema peluruhan. Gambar berikut ini menunjukkan dua contoh yaitu skema peluruhan Cs-137 dan Co Cs137 (T ½ = 30 tahun) 27 Co60 (T ½ = 5,26 tahun) β Gambar 1 (95%) III.4. Skema Peluruhan Cs-137 dan Co-60 β 1 (99%) 0,6616 MeV 2,5057 MeV Terlihat dari skema peluruhan γ (85%) β di atas bahwa dalam perjalanannya menuju 2 (5%) β 2 (5%) stabil Cs-137 memancarkan 2 jenis radiasi β - dan sebuah radiasi γ, 0,0 MeV γ 1 1,3325 MeV 56 Ba137 γ 2 0,0 MeV Ni60 (stabil)

22 sedangkan Co-60 memancarkan 2 jenis radiasi β - dan 2 jenis radiasi γ. Dari skema peluruhan tersebut juga dapat diketahui tingkat energi dari setiap radiasi yang dipancarkan maupun probabilitas jumlah (kuantitas) pancarannya. LATIHAN 1. Tiga jenis peluruhan secara spontan dari suatu nuklida adalah sebagai berikut, kecuali a. alfa b. Beta c. gamma d. neutron 2. Suatu radionuklida Z P A memancarkan radiasi α, maka reaksi inti pada proses tersebut: A A a. P + α Z p Z + 2 A Z p Z 2 A+ 4 b. P + α A A 4 c. p P + α Z Z 2 A A+ 4 d. Z p + α Z + 2P 3. Setiap radionuklida mempunyai : a. waktu paro yang unik b. waktu paro dan aktivitas yang sama c. waktu paro dan spektrum energi yang unik d. tidak ada jawaban yang benar 4. Yang dimaksud dengan waktu paro (half life) adalah: a. waktu yang diperlukan agar aktivitas zat radioaktif bertambah separonya b. waktu yang diperlukan aktivitas zat radioaktif bertambah menjadi dua kalinya c. waktu yang diperlukan aktivitas zat radioaktif berkurang menjadi separonya d. waktu yang diperlukan untuk menurunkan aktivitas radiasi 5. Suatu zat radioaktif dengan waktu paro pendek akan menyebabkan: a. konstanta peluruhannya besar dan lambat meluruhnya b. konstanta peluruhannya kecil dan cepat meluruhnya c. konstanta peluruhannya tetap dan aktivitasnya tetap d. konstanta peluruhannya besar serta lebih cepat meluruhnya 22

23 6. Waktu paro Au-198 adalah 2,70 hari. Kalau aktivitas awal 35 curie, berapakah aktivitasnya setelah 8,1 hari kemudian dinyatakan dalam persen? a. 7,5 % b. 12,5% c. 15% d.8% 7. Pengukuran aktivitas radiasi dua sumber radiasi sesuai data dibawah ini: Waktu Aktivitas Sumber A Aktivitas S umber B Senin, jam Ci 200 Ci Kamis, jam Ci 25 Ci Selisih waktu paro kedua sumber radiasi tersebut: a. 1 hari b. 2 hari c. 3 hari d. 4 hari 8. Berapakah jumlah radiasi gamma dengan energi 1,332 Mev yang akan dipancarkan per detik oleh nuklida Co-60 dengan aktivitas Bq? a. 1,99 x b. 0,99 x c d. 0,01 x Apa yang dimaksud dengan daya ionisasi suatu partikel? 10. Berapakah muatan listrik untuk partikel α, partikel β dan foton γ? 11. Mengapa radiasi α dan β dibelokkan oleh medan magnet? 12. Sebutkan 3 sifat radiasi α, β dan γ! Jawaban: l. d 2. c 3. c 4. c 5. d 6. b 7. b 8. b 9. Kemampuan suatu partikel untuk mengionisasi atom yang dilewatinya muatan listrik partikel α = +2 - muatan listrik partikel β = -1 atau muatan foton γ = Karena radiasi α dan β bermuatan listrik 12. Sifat radiasi α: - Daya ionisasi lebih besar dari daya ionisasi α dan γ. Partikel α merupakan inti Helium - Daya tembusnya lebih kecil dari radiasi β dan γ. Sifat radiasi β: 23

24 - Daya ionisasinya lebih kecil dari sinar α tetapi lebih besar dari sinar γ - Daya tembusnya lebih besar dari sinar α tetapi lebih kecil dari sinar γ - Mudah dihamburkan jika melewati medium Sifat radiasi γ: - Daya ionisasinya lebih kecil dari sinar β - Daya tembusnya lebih besar - Merupakan radiasi gelombang elektromagnetik 24

25 RANGKUMAN BAB III 1. Dikenal tiga jenis peluruhan spontan yaitu peluruhan alfa, peluruhan beta, dan peluruhan gamma. 2. Dalam peluruhan α akan dipancarkan partikel α yang identik dengan inti atom Helium, bermuatan dua positif dan bermassa 4 sma. Nuklida yang meluruh akan kehilangan dua proton dan dua neutron, sehingga membentuk nuklida baru. 3. Dalam peluruhan β, terjadi perubahan neutron menjadi proton di dalam nuklida yang meluruh sehingga berubah menjadi nuklida baru. Sebaliknya dalam peluruhan β+, terjadi perubahan proton menjadi neutron. Partikel β identik dengan elektron sedang β+ identik dengan positron (elektron yang bermuatan positif). 4. Peluruhan gamma terjadi pada nuklida yang dalam keadaan tereksitasi (isomer). Nuklida yang mengalami peluruhan gamma tidak berubah menjadi nuklida baru. 5. Radiasi yang dipancarkan dalam peluruhan spontan berupa partikel bermuatan seperti partikel α dan β atau gelombang elektromagnetik seperti sinar γ. 6. Radionuklida meluruh mengikuti persamaan eksponensial berikut A = A e 0 7. Waktu paro dapat digunakan untuk menentukan laju peluruhan (aktivitas) suatu zat radioaktif. Waktu paro merupakan waktu yang diperlukan sehingga jumlah inti atom yang tidak stabil (atau aktivitas) berkurang menjadi separuhnya. λ t 25

26 BAB IV INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI Pada bagian ini akan dibahas interaksi yang terjadi antara radiasi dengan materi yang dilaluinya. Secara umum interaksi radiasi dapat dibedakan atas tiga jenis radiasi yaitu radiasi partikel bermuatan, seperti radiasi α dan β radiasi partikel tidak bermuatan yaitu radiasi neutron; dan radiasi gelombang elektromagnetik, seperti radiasi γ dan sinar-x. A. Interaksi Partikel Alfa Dibandingkan dengan radiasi yang lain, partikel α secara fisik maupun elektrik relatif besar. Selama melintas di dalam bahan penyerap, partikel α ini sangat mempengaruhi elektron-elektron orbit dari atom-atom bahan penyerap karena, adanya gaya Coulomb. Oleh karena itu, radiasi α sangat mudah diserap di dalam materi atau daya tembusnya sangat pendek. Radiasi α yang mempunyai energi 3,5 MeV hanya dapat menembus 20 mm udara atau hanya dapat menembus 0,03 mm jaringan tubuh. lnteraksi radiasi α dengan materi yang dominan adalah proses ionisasi dan eksitasi. lnteraksi lainnya dengan probabilitas jauh lebih kecil adalah reaksi inti, yaitu perubahan inti atom materi yang dilaluinya menjadi inti atom yang lain, biasanya berubah menjadi inti atom yang tidak stabil. 1. Proses Ionisasi Ketika radiasi α (bermuatan positif) melalui materi maka terdapat beberapa elektron (bermuatan negatif) yang akan terlepas dari orbitnya karena adanya gaya tarik Coulomb. Elektron Proses terlepasnya elektron dari lepas Radiasi, E suatu atom dinamakan sebagai proses ionisasi. 0 Radiasi, E i Inti Gambar IV.1: Proses ionisasi Lintasan elektron 26 Elektron

27 Energi radiasi setelah melakukan sebuah proses ionisasi (E 0 ) akan lebih kecil dibandingkan dengan energi mula-mula (E i ), berkurang sebesar energi yang dibutuhkan untuk melangsungkan proses ionisasi. Setelah terjadi ionisasi maka atomnya akan bermuatan positif dan disebut sebagai ion positif. Setelah melalui beberapa kali (beribu-ribu) proses ionisasi, maka energi radiasinya akan habis. 2. Proses Eksitasi Proses ini mirip dengan proses ionisasi, perbedaannya dalam proses eksitasi, elektron tidak sampai lepas dari atomnya hanya berpindah ke lintasan yang lebih luar. Gambar IV.2. Proses eksitasi Radiasi, E 0 Sebagaimana proses ionisasi, Elektron energi radiasi setelah melakukan proses pindah eksitasi (E 0 ) juga berkurang sebesar energi yang dibutuhkan untuk Inti melangsungkan proses eksitasi. Energi yang dibutuhkan untuk Lintasan melakukan eksitasi tidak sebesar energi yang elektron dibutuhkan untuk Radiasi, E mengionisasi. Setelah melakukan 1 beberapa kali (beribu-ribu) proses eksitasi, maka energi radiasinya akan habis. Elektron Proses eksitasi ini selalu diikuti oleh proses de-eksitasi yaitu proses transisi elektron dari kulit yang lebih luar ke kulit yang lebih dalam dengan memancarkan radiasi sinar-x karakteristik. B. Interaksi Partikel Beta Dibandingkan dengan partikel alfa, massa dan muatan partikel beta lebih kecil sehingga kurang diserap oleh materi atau daya tembusnya lebih besar. Sinar-X Partikel beta dengan energi sebesar 3,5 MeV dapat melintas Bremstrahlung di udara sejauh 11 meter atau Partikel dapat mencapai β jarak sekitar 15 mm) di dalam jaringan tubuh. Interaksi radiasi β dengan materi adalah proses ionisasi dan eksitasi Lintasan elektron Inti Atom 27 Elektron

28 sebagaimana radiasi α, serta proses bremstrahlung, yaitu pemancaran radiasi gelombang elektromagnetik (sinar-x kontinyu) ketika radiasi β, dibelokkan atau diperlambat oleh inti atom yang bermuatan positif. Ukuran partikel β jauh lebih kecil dan kecepatannya jauh lebih tinggi dibandingkan dengan partikel α sehingga partikel β dapat "masuk" mendekati inti atom. Gambar IV.3. Proses terbentuknya Sinar-X bremstrahlung Fraksi energi (f) dari sinar-x bremstrahlung yang dihasilkan dapat ditentukan menggunakan persamaan empiris berikut ini. f 4 = 3,5x10 Z (IV-1) E maks dengan Z adalah nomor atom bahan penyerap sedangkan E maks adalah energi maksimum dari partikel beta (dalam Me V). Dari persamaan (IV -1) di atas dapat disimpulkan bahwa: 1. Energi partikel β yang lebih besar akan menghasilkan radiasi bremstrahlung yang lebih besar. 2. Semakin besar nomor atom bahan penyerap (semakin berat) akan menghasilkan radiasi sinar-x yang lebih besar pula. 1. Sebutkan nama dari masing-masing LATIHAN proses di bawah ini. 1. Sebutkan interaksi yang terjadi di bawah ini: - Proses terlepasnya elektron dari atomnya. - Proses transisi elektron ke orbit yang lebih tinggi. - Proses transisi elektron ke orbit yang lebih rendah. - Proses terbentuknya sinar-x karena partikel β dibelokkan oleh inti atom. 2. Tentukan fraksi energi dari sinar-x bremstrahlung yang dihasilkan oleh radiasi β dari P-32 (E maks = 1,7 MeV) ketika mengenai timah hitam (Z = 82). Jawaban: 28

29 1. Ionisasi; eksitasi; de-eksitasi; bremstrahlung %. C. Interaksi Sinar Gamma dan Sinar-X Sinar γ dan sinar-x merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang berarti tidak mempunyai massa maupun muatan listrik. Oleh karena itu, sinar γ dan sinar-x sangat sulit untuk diserap oleh materi, atau daya tembusnya sangat besar. Proses interaksi antara sinar γ dan sinar-x dengan materi adalah efek fotolistrik, efek Compton dan produksi pasangan. Probabilitas terjadinya antara tiga proses tersebut sangat ditentukan oleh energi radiasi dan jenis materi (nomor atom) penyerapnya. Gambar IV-4: Probabilitas interaksi atom dengan materi 1. Efek Fotolistrik Pada efek fotolistrik, enegi foton diserap oleh elektron orbit, sehingga elektron tersebut terlepas dari atom. Elektron yang dilepaskan dalam Nomor proses Atom ini, disebut fotoelektron, mempunyai energi sebesar energi foton 100 yang mengenainya. Efek Produksi Fotolistrik Pasangan dominan dominan Efek fotolistrik sangat dominan terjadi bila foton berenergi rendah di bawah 0,5 Me 50V dan lebih banyak terjadi pada material Fotoelektron dengan Z yang Gelombang (berenergi) besar. Elektromagnet Sebagai contoh efek fotolistrik Efek lebih banyak terjadi pada timah Compton hitam (Z=82) daripada tembaga (Z=29). dominan 0 Lintasan 0 elektron 0, Inti Atom Energi Foton (MeV) 29 Elektron

30 Gambar IV-5: Efek Fotolistrik 2. Hamburan Compton Gelombang Gambar IV-6: Hamburan Compton Elektromagnet, E i =hν i Fotoelektron (berenergi) Pada hamburan Compton, foton dengan energi hν i bertumbukan dengan E o =hν o elektron terluar Lintasan dari atom, selanjutnya foton dengan energi hν 0 elektron dihamburkan dan sebuah fotoelektron Inti Atom lepas dari ikatannya. Energi kinetik elektron (E e ) sebesar selisih energi foton masuk dan foton keluar. Elektron E e = hvi hv 0 (IV -2) Hamburan Compton sangat dominan terjadi bila foton berenergi sedang (di atas 0,5 MeV) dan lebih banyak terjadi pada material dengan Z yang rendah. 30

31 3. Produksi Pasangan Proses produksi pasangan hanya terjadi bila energi foton datang hν i lebih besar dari 1,02 MeV. Ketika foton "sampai" ke dekat inti atom maka foton tersebut akan lenyap dan berubah menjadi sepasang elektronpositron. Positron adalah partikel yang identik dengan elektron tetapi bermuatan positif. Energi kinetik total dari dua partikel tersebut sama dengan energi foton yang datang dikurangi 1,02 MeV. Ee+ + Ee = hvi 1. 02Mev (IV -3) E e+ adalah energi kinetik positron dan E e- energi kinetik elektron. Gelombang Gambar IV.7. Produksi Pasangan Elektromagnet Elektron 4. Ionisasi Tidak Langsung Lintasan elektron Dari tiga interaksi gelombang elektromagnetik Inti Atom tersebut Positron diatas terlihat bahwa semua interaksi menghasilkan partikel bermuatan (elektron atau positron) yang berenergi. Elektron atau positron yang berenergi tersebut dalam pergerakannya akan mengionisasi atom-atom bahan yang dilaluinya sehingga dengan kata lain, gelombang elektromagnetik juga dapat mengionisasi bahan tetapi secara tidak langsung. 5. Penyerapan Radiasi Gelombang Elektromagnetik Berbeda dengan radiasi partikel bermuatan (α atau β), daya tembus radiasi gamma dan sinar-x sangat tinggi bahkan tidak dapat diserap, secara keseluruhan. Gambar IV.8. Penyerapan Radiasi Gelombang Elektromagnetik I o Bahan Penyerap x I x 31

32 Hubungan antara intensitas radiasi yang datang (I o ) dan intensitas yang diteruskan (I x ) setelah melalui bahan penyerap setebal x adalah sebagai berikut. I x µ x = I 0 e (IV-4) µ adalah koefisien serap linier bahan terhadap radiasi gamma dan sinar- X. µ sangat dipengaruhi oleh jenis bahan penyerap, nomor atom (Z) dan densitas (ρ) serta energi radiasi yang mengenainya. Nilai tebal bahan penyerap bisa dalam satuan panjang (mm; cm) ataupun dalam satuan massa persatuan luas (gr/cm 2 ). TerIihat bahwa persamaan (IV-4) di atas merupakan persamaan eksponensial seperti persamaan peluruhan radioaktif sehingga dapat digambarkan sebagai berikut. GambaI IV.9. Kurva intensitas radiasi yang diteruskan oleh bahan penyerap Bila pada peluruhan nuklir radioaktif dikenal istilah waktu paro, disini terdapat istilah tebal paro (HVL = half value layer) yaitu tebal bahan yang dapat menyerap separo dari intensitas mula-mula atau intensitas yang diteruskan tinggal separonya. Istilah lain adalah TVL (tenth value layer) yaitu tebal bahan yang dapat menyerap 90% intensitas mula-mula atau intensitas yang diteruskan tinggal sepersepuluh (10%) nya. Nilai Intensitas, HVL dan I TVL suatu bahan ditentukan dari koefisien serap linier (µ) nya x Intensitas dengan persamaan berikut. awal (Io) 0,693 2,303 HVL = ; TVL = (IV -5) µ µ ½ Io Perhitungan intensitas radiasi yang masih diteruskan setelah melalui suatu bahan penyerap (penahan radiasi) lebih mudah bila menggunakan konsep HVL dan TVL ini dibandingkan harus menggunakan persamaan 1/10 Io dasarnya (IV-4). HVL TVL Tebal, x 32

33 I ( 1 n ) ; 2 0 ( 1 m I I 10) I x 0 = (IV-6) x = n adalah jumlah HVL (x / HVL) sedangkan m adalah jumlah TVL (x / TVL). Prinsip-prinsip tersebut diterapkan di dalam merancang tameng radiasi (radiation shielding). Dengan bahan yang telah diketahui koefisien atenuasinya, kita bisa menghitung berapa ketebalan yang diperlukan agar intensitas radiasi bisa diturunkan ke level yang kita kehendaki. LATIHAN 1. Sebutkan tiga prinsip interaksi atom! 2. a. Yang mana di antara ketiga proses tersebut di atas yang dominan terjadi apabila energi fotonnya lebih dari 1,02 MeV? c. Sementara itu, mana di antara ketiga proses tersebut yang dominan pada energi foton yang rendah? Jawaban: 1. Efek fotolistrik, Efek Compton, Produksi pasangan 2. a. Efek produksi pasangan b. Efek fotolistrik D. Faktor Penambahan (Build-up Factor) Sebagaimana telah diuraikan di depan, bahwa seseorang bisa mengurangi intensitas dari gelombang elektromagnet (gamma, sinar-x) dengan memanfaatkan bahan yang mempunyai koefisien atenuasi tertentu sebagai tameng. Mengacu pada Gambar IV-8 dan persamaan IV-4, intensitas radiasi I 0 yang melalui bahan dengan koefisien atenuasi μ dan ketebalan X akan berkurang menjadi I x = I 0 e -( μx). Artinya, secara teori semakin tebal bahan tameng dan semakin tinggi harga μ, semakin tajam penurunan intensitas radiasinya. 33

34 Namun demikian, pada kenyataannya semakin tebal bahan tameng, semakin kompleks interaksi yang terjadi di dalamnya, sehingga timbul kemungkinan penambahan radiasi sebagai akibat interaksi tersebut. Dalam hal ini dikenal istilah Faktor Penambahan (Build-up Factor), B yang nilainya tergantung pada energi radiasi dan jenis bahan tameng. Tabel IV.1 memberikan contoh nilai-nilai B untuk bahan Besi (Fe) dan Timbal (Pb). Dengan adanya faktor penambahan B, maka intensitas radiasi gelombang elektoromagnet yang melewati bahan menjadi: I x = I 0 B e -μx (IV-7) Dengan B adalah faktor penambahan. Bahan Tabel IV.1. Faktor Penambahan, B untuk radiasi searah E 0, MeV Besi μ ox Timbal

35 E. Tameng Berlapis Banyak Prinsip penghitungan tebal tameng yang dibicarakan sebelumnya adalah tameng dengan bahan lapisan tunggal (single layer). Pada prakteknya, sering dijumpai penggunaan tameng dengan kombinasi beberapa lapisan yang berbeda (multilayered shields), seperti ditunjukkan pada Gambar IV.10 di bawah ini. μ 1 μ 2 Gambar IV.10. Tameng dengan lapisan ganda I o I 2 Dari Gambar IV.10 terlihat bahwa intensitas radiasi gelombang elektromagnet yang melewati bahan 1 akan I 1 berkurang dari I 0 menjadi I 1 dan setelah melewati bahan 2 akan berkurang X 2 lagi menjadi I 2 yang bisa dihitung X 1 dengan persamaan berikut ini. I 1 = I 0 e -μ x 1 1 (IV-8) I 2 = I 1 e -μ 2 x 2 atau dengan persamaan gabungan: I 2 = I 0 e -(μ 1 x 1 + μ 2 x 2 ) (IV-9) (IV-10) F. Interaksi Radiasi Neutron Berbeda dengan radiasi α, β dan γ, radiasi neutron memang tidak dihasilkan dari proses peluruhan spontan. Radiasi neutron dihasilkan dari proses reaksi fisi, misalnya di reaktor nuklir, atau dari neutron generator (akselerator ataupun zat radioaktif). Neutron merupakan partikel yang mempunyai massa tetapi tidak bermuatan listrik sehingga interaksinya dengan materi lebih banyak bersifat mekanik, yaitu tumbukan antara neutron dengan atom (inti atom) bahan penyerap, baik secara elastik maupun tak elastik. Setiap tumbukan dengan materi akan menyerap energi neutron sehingga setelah beberapa kali tumbukan maka energi neutron akan "habis". lnteraksi lain yang mungkin muncul --- bila 35

36 energi neutron sudah sangat rendah --- adalah reaksi inti atau penangkapan neutron oleh inti atom bahan penyerap. 1. 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 atau dihamburkan. Gambar IV.11. Peristiwa tumbukan elastik Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai Neutron Atom massa yang sama, atau hampir sama dengan massa neutron (misalnya atom Hidrogen), sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom tersebut (Sebelum cukup besar. tumbukan) (Setelah tumbukan) 2. Tumbukan Tak Elastik Proses tumbukan tak elastik sebenamya sama saja dengan tumbukan elastik, tetapi energi kinetik sebelum dan sesudah tumbukan berbeda. lni terjadi bila massa atom yang ditumbuk neutron jauh lebih besar dari massa neutron. Setelah tumbukan, atom tersebut tidak terpental, hanya bergetar, sedang neutronnya terhamburkan. 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. Neutron Atom 36 (Sebelum tumbukan) (Setelah tumbukan)

37 Gambar IV.12. Peristiwa tumbukan non-elastik 3. Reaksi Inti (Penangkapan Neutron) Bila energi neutron sudah sangat rendah atau sering disebut sebagai neutron termal (E n 0,025 ev), maka terdapat kemungkinan bahwa neutron tersebut akan "ditangkap" oleh inti atom bahan penyerap sehingga mambentuk inti atom baru, yang biasanya merupakan inti atom yang tidak stabil, yang memancarkan radiasi, misalnya α, β atau γ. Peristiwa ini disebut sebagai proses aktivasi neutron, yaitu rnengubah bahan yang stabil menjadi bahan radioaktif. Gambar IV.13. Peristiwa penangkapan neutron Neutron Atom Radiasi (Sebelum tumbukan) (Setelah tumbukan) Pada atom tertentu, penangkapan neutron diikuti dengan peristiwa pecahnya inti atom (reaksi fisi) yang disertai dengan pembentukan 2 buah inti atom baru, pelepasan energi panas dan pelepasan 2 ~ 3 buah neutron baru. Di dalam reaktor nuklir, energi panas bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik, sedangkan neutron yang baru digunakan untuk mempertahankan reaksi fisi (reaksi berantai). Atom-atom yang bisa mengalami peristiwa ini adalah: U- 235, Pu-239, Th-233, dan sebagainya. LATIHAN 1. Sebutkan tingkat energi dari tipe neutron di bawah ini: a. termal b. sedang c. cepat 2. Isilah titik-titik berikut ini: a. Dalam mekanisme., total energi sebelum tumbukan sama dengan setelah tumbukan. b. Dalam mekanisme., neutron berturnbukan dengan target yang lebih besar; 37

38 c. Sedangkan dalam mekanisrne., neutron "masuk" 'ke dalam inti, sehingga rnenghasilkan inti radibaktif. Jawaban: 1. a. E 0,025 ev b. 0,025eV < E < 0,10 MeV c. E 0,10 MeV 2. a. Tumbukan elastik b. Tumbukan tak elastis c. Reaksi inti atau penangkapan neutron. Rangkuman Bab IV 1. Ionisasi adalah proses terlepasnya elektron dari atom sehingga terbentuk pasangan ion. 2. Radiasi pengion adalah radiasi yang dapat menyebabkan proses ionisasi, baik secara langsung (radiasi α dan β) maupun secara tidak langsung (radiasi γ dan neutron). 3. Eksitasi adalah proses perpindahan elektron dari suatu orbit (lintasan) tertentu ke orbit yang lebih luar (energi lebih tinggi). Sebaliknya adalah proses de-eksitasi yaitu perpindahan elektron dari suatu orbit ke orbit yang lebih dalam dengan memancarkan sinar-x karakteristik. 4. Radiasi α disebut sebagai radiasi pengion kuat, radiasi β disebut sebagai radiasi pengion sedang, dan radiasi γ dan sinar-x disebut sebagai radiasi pengion yang lemah. 5. Daya tembus radiasi α sangat pendek, radiasi β sedang dan radiasi γ dan sinar-x sangat jauh. 6. Radiasi beta yang dibelokkan oleh medan listrik dari inti atom akan menghasilkan sinar-x bremstrahlung. 7. Fraksi energi radiasi beta yang berubah menjadi bremstrahlung sebanding dengan energi maksimal partikel beta dan nomor atom bahan. 8. lnteraksi sinar γ dan sinar-x dengan materi adalah efek fotolistrik, efek Compton, dan produksi pasangan. 9. Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari orbitnya ketika 38

39 atom menyerap seluruh energi foton yang mengenainya. 10. Efek Compton adalah peristiwa terlepasnya elektron dari orbitnya ketika atom menyerap sebagian energi foton yang mengenainya dan menghamburkan sebagian energi lainnya. 11. Produksi pasangan adalah terbentuknya pasangan elektron dan positron ketika energi foton diserap seluruhnya oleh pengaruh medan inti atom. 12. lnteraksi neutron dengan materi adalah proses tumbukan elastik, tak elastik dan reaksi inti (penangkapan neutron). 13. Tumbukan elastik terjadi bila neutron menumbuk bahan dengan nomor atom rendah, misalnya Hidrogen. Tumbukan tak elastis terjadi bila neutron menumbuk bahan dengan nomor atom yang lebih besar. 14. Reaksi inti atau penangkapan neutron oleh inti atom mungkin terjadi bila energi neutron sudah sangat lemah (neutron termal dengan energi < 0,025 ev). 39