BUKU AJAR MATA KULIAH: FISIKA NUKLIR. Disusun oleh: Choirul Anam Much. Azam K. Sofjan Firdausi

Transkripsi

1 BUKU AJAR MATA KULIAH: FISIKA NUKLIR Disusun oleh: Choirul Anam Much. Azam K. Sofjan Firdausi JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS DIPONEGORO 007

2 Dan kami ciptakan logam (al hadid) yang di dalamnya terdapat energi yang dasyat dan berbagai manfaat bagi manusia. (QS. Al Hadid 5) ii

3 MOTO ii KATA PENGANTAR iii PENDAHULUAN iv DAFTAR ISI vi I. STRUKTUR DAN SIFAT INTI a. Struktur Materi 1 b. Sifat Inti 3 II. ENERGI IKAT DAN GAYA INTI a. Energi Ikat 14 b. Gaya Inti 16 III. MODEL INTI a. Model Tetes Cairan b. Model Kulit 4 IV. RADIOAKTIVITAS a. Kestabilan Inti 9 b. Peluruhan Radioaktif 31 c. Hukum-hukum dalam Peluruhan Radioaktif 35 V. PELURUHAN ALFA a. Peluruhan Alfa 39 b. Karakteristik Partikel Alfa 41 VI. PELURUHAN BETA a. Peluruhan Beta 45 b. Karakteristik Partikel Beta 48 VII. PELURUHAN GAMMA a. Peluruhan Gamma 51 b. Absorbsi Sinar Gamma 5 c. Interaksi Sinar Gamma dan Materi 54 VIII. DETEKSI RADIASI NUKLIR a. Detektor Isian Gas 57 b. Detektor Sintilasi 61 c. Detektor Kamar Kabut 63 IX. REAKSI NUKLIR a. Reaksi Nuklir 66 vi

4 b. Klasifikasi Reaksi Nuklir 67 c. Sistem Kerangka Acuan 69 d. Energi Reaksi Inti 71 X. REAKSI FISI a. Reaksi Fisi 74 b. Distribusi Energi Fisi 75 c. Reaksi Berantai 77 XI. REAKSI FUSI a. Reaksi Fusi 81 b. Reaksi Fusi Matahari 8 c. Reaksi Fusi Terkendali 85 XII. REAKTOR NUKLIR a. Reaktor Nuklir 87 b. Komponen Reaktor Nuklir 88 c. PLTN 90 d. Pengelolaan Limbah Radioaktif 93 DAFTAR PUSTAKA 98 vii

5 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, puji syukur kami panjatkan kepada Allah SWT karena atas taufiq dan hidayah-nya, Buku Ajar Fisika Nuklir ini telah berhasil diselesaikan. Buku ajar ini dimaksudkan untuk meningkatkan kualitas pengajaran Mata Kuliah Fisika Nuklir. Sehingga dengan peningkatan tersebut diharapkan penguasaan dan pengetahuan mahasiswa menjadi meningkat dan lebih baik. Diharapkan juga mahasiswa termotivasi agar mengembangkannya ke tingkatan yang lebih tinggi, yaitu dengan pengembangan teori dan teknologi untuk kesejahteraan masyarakat. Terima kasih kami ucapkan kepada semua pihak yang telah membantu terwujudnya buku ajar ini. Selain itu tak lupa juga diucapkan banyak terima kasih pada Dirjen Dikti yang telah membantu dalam pendanaan melalui hibah penganjaran PHK A. Akhirnya, kami berharap saran dan kritik demi peningkatan kualitas buku ajar ini. Semarang, 007 Tim Penyusun iii

6 I. STRUKTUR DAN SIFAT INTI Sub-pokok Bahasan Meliputi: Struktur Materi Sifat Inti 1.1 STRUKTUR MATERI TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Struktur Materi, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan struktur materi, terutama tentang atom. Menjelaskan model-model atom, yaitu model: Thomson, Rutherford dan model Bohr Pendahuluan Filosof Yunani zaman dahulu berspekulasi bahwa bumi tersusun dari beberapa kombinasi unsur (substansi dasar). Mereka menganggap unsur dasar ini adalah: bumi, udara, air, dan api. Ilmuan modern menunjukkan bahwa Filosof Yunani benar dalam menggagas konsep bahwa materi terdiri dari kombinasi unsur-unsur, tapi kurang tepat dalam mengidentifikasi unsur-unsur penyusunnya. Konsep dasar lain yang diperdebatkan Filsosof Yunani adalah apakah materi bersifat kontinyu (bila dipecah tidak ada habisnya) atau diskrit (bila dipecah akan berakhir pada ukuran tertentu yang tidak dapat dipecah lagi). Democritus (450 SM) megusulkan bahwa materi tersusun dari partikel sangat kecil, yang karena sedemikian kecilnya sehingga tidak dapat dibagi-bagi lagi. Namun, konsep tentang atom ini murni hanya pemikiran. Pada saat itu, tidak mungkin untuk membuktikan atau membantah teori tersebut. Bukti modern dari sifat dasar atom pertama kali dikemukakan oleh John Dalton pada tahun Menurut Dalton, atom merupakan partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi. Atom-atom suatu unsur semuanya serupa dan tidak dapat berubah menjadi unsur lain. Dua atom atau lebih yang berasal dari unsur-unsur berlainan dapat membentuk molekul. Pada saat itu Dalton berhasil menyuguhkan teori atom yang dapat digunakan untuk menjelaskan reaksi-reaksi kimia dan dapat dibuktikan di laboratorium. 1

7 1.1. Model Atom Selama lebih dari 100 tahun setelah Dalton, ada anggapan yang beredar bahwa tidak mungkin untuk membagi atom menjadi bagian yang lebih kecil. Keseluruhan hasil dari penelitian kimia selama waktu itu menunjukkan bahwa atom memang tak dapat dibagi. Sampai akhirnya J.J Thomson menemukan elektron. Elektron adalah partikel bermuatan negatif yang mempunyai massa 1/1835 dari massa atom hidrogen. Dengan ditemukan elektron, maka runtuh pendapat dan aksioma yang menyatakan bahwa atom adalah materi terkecil yang tidak dapat berubah dan bersifat kekal. Kemudian Thomson menjelaskan model atom, bahwa atom mempunyai bentuk seperti bola yang muatan positifnya terbagi rata ke seluruh isi atom. Muatan positif tersebut dinetralkan oleh elektron-elektron bermuatan negatif yang tersebar merata diantara muatan positif itu Gambar 1.1. Model Atom Thomson Untuk menguji model atom yang dikemukakan Thomson, E. Rutherford melakukan percobaan dengan menembakkan partikel alfa pada suatu lempeng emas yang sangat tipis, sekitar 0,01 mm. Apabila model atom Thomson benar maka gerakan partikel alfa tidak akan dibelokkan atau memantul ketika menumbuk lempeng emas, karena energi partikel alfa dan massanya jauh lebih besar dibanding elektron dan muatan positif yang menyebar. Dari percobaan itu didapatkan bahwa partikel alfa yang ditembakkan ke lempeng emas tidak seluruhnya mampu menembus lempeng emas secara lurus. Beberapa partikel alfa dibelokkan dan sebagian lagi dipantulkan kembali. Hal ini menunjukkan bahwa muatan positif tidak menyebar, tetapi mengumpul. Rutherford berkesimpulan, sebagian partikel alfa yang dipantulkan kembali adalah karena bertumbukan dengan bagian yang sangat keras dari atom, yang kemudian dinamakan inti atom. Kemudian Rutherford mengusulkan model atom baru, yaitu: atom terdiri dari muatan positif dan negatif, dimana semua muatan positif dan sebagian besar

8 massa atom terkumpul pada inti atom. Inti atom dikelilingi elektron-elektron yang bermuatan negatif pada jarak yang relatif jauh. Elektron-elektron berputar mengelilingi inti seperti planet-planet mengelilingi matahari. Teori atom Rutherford ini kemudian disempurnakan oleh Niels Bohr pada tahun 1913 untuk mengatasi masalah kesetabilan inti. Dalam postulatnya Bohr mengatakan: 1. Elektron tidak dapat berputar mengelilingi inti melalui sembarang lintasan, tetapi hanya dapat melalui lintasan-lintasan tertentu saja, tanpa membebaskan energi. Lintasan ini disebut lintasan stasioner.. Apabila terjadi perpindahan elektron dari lintasan luar ke lintasan dalam, maka akan disertai pelepasan energi. Sebaliknya, jika elektron berpindah dari lintasan dalam ke luar, akan terjadi penyerapan energi. hf Inti + Gambar 1.. Model Atom Bohr 1. SIFAT INTI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Sifat Inti, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep inti atom Menjelaskan pertikel penyusun inti atom Menjelaskan lambang nuklida Menjelaskan isotop, isoton dan isobar Menjelaskan satuan dan orde massa inti serta teknik mengukur massa inti Menjelaskan jari-jari inti dan teknik mengukurnya Inti Atom Inti suatu atom (nuklida) sangat kecil jika dibanding dengan diameter sebuah atom. Jika diameter atom diperbesar sebesar lapangan sepak bola, maka inti hanya sebesar kelereng. Bahkan, inti atom hanya menempati bagian volume atom. Walaupun kecil, 3

9 inti mengandung 99,99% massa sebuah atom. Sebab, massa setiap partikel inti kira-kira 1800 massa sebuah elektron. Inti juga menghasilkan gaya tarik elektrik yang menghimpun atom menjadi satu kesatuan. Bila gaya tarik Coulomb inti ini tidak ada, gaya tolak-menolak antara elektron akan menyebabkan atom berantakan. Lalu, gaya apakah yang menyebabkan partikel-partikel di dalam inti dapat menyatu? Apakah proton-proton di dalam inti tidak tolak-menolak? Padahal, sebuah muatan positif pada permukaan inti akan mengalami gaya sangat besar, yakni sekitar 100 MeV. Untuk dapat mempertahankan keutuhan inti, terdapat gaya ikat yang sangat besar, melebihi 100 MeV. Inilah yang dinamakan gaya inti (gaya nuklir). 1.. Partikel Penyusun Inti Massa sebuah atom dipusatkan di inti atom. Inti atom yang kecil tersebut terdiri atas proton-proton yang bermuatan positif. Kesimpulan ini didapatkan dari riset yang dilakukan oleh Rutherford yang menembaki inti atom dengan partikel alfa. Proton-proton dalam inti atom dikelilingi elektron-elektron yang bermuatan negatif, dimana jumlah elektron sama dengan jumlah proton sehingga secara keseluruhan atom bersifat netral. Apakah inti atom hanya terdiri dari proton-proton? Jika inti atom hanya terdiri dari proton, maka atom oksigen yang memiliki 8 proton akan memiliki massa kira-kira 8 kali massa atom hidrogen yang hanya memiliki 1 proton dalam intinya. Padahal hasil eksperimen menunjukkan bahwa massa atom oksigen kira-kira 16 kali massa inti atom hidrogen. Jelas bahwa selain terdiri atas proton-proton, inti atom juga terdiri atas partikelpartikel netral (tidak bermuatan) yang menyumbang pada massa inti atom. Para ilmuan berusaha untuk menemukan jawaban atas masalah tersebut. Salah satunya adalah fisikawan J. Chadwick, pada tahun 1933 berhasil menemukan partikel netral yang menyumbang massa atom. Dia menyebut partikel tersebut sebagai netron. Dengan demikian, sebuah inti terdiri atas proton dan netron. Kedua partikel ini disebut nukleon atau nuklida (penyusun inti) Netron Proton Gambar 1.3. Inti Atom Terdiri Dari Sejumlah Proton dan Sejumlah Netron 4

10 Lambang Nuklida Unsur-unsur yang berbeda memiliki jumlah proton yang berbeda. Contoh, Hidrogen memiliki 1 proton, Helium memiliki proton, dan Litium memiliki 3 proton. Bilangan yang menunjukkan jumlah proton dinamakan nomor atom, lambangnya Z. Jumlah netron pada netron disebut dengan nomor netron dan disimbolkan N. Nomor massa adalah jumlah total proton dan neutron. Nomor massa diberi simbol A dan dapat ditentukan dengan persamaan Z + N = A. Setiap nuklida memiliki lambang berbeda. Suatu nuklida dengan simbol kimia X, nomor massa A dan nomor atom Z, ditulis sebagai: Nomor Massa Nomor Atom A X Z Simbol Unsur Gambar 1.4. Lambang Nuklida Tabel 1.1. Contoh Penulisan Lambang Nuklida Nuklida Unsur Proton Elektron Netron 1 1 H 10 5 Bo 14 7 N Cd 35 9 U Hidrogen Boron Nitrogen Cadmium Uranium Isotop Inti atom yang memiliki jumlah proton yang sama diberi lambang atom sama. Contoh nuklida yang memiliki proton dinamakan Helium (He). Di alam ternyata ditemukan nuklida 3 4 He dan He. Contoh lain, nuklida yang memiliki jumlah proton 9 adalah tembaga (Cu). Di alam juga ditemukan nuklida 9 Cu dan Cu 9. Kedua variasi inti atom Helium dan Tembaga tersebut dinamakan isotop. Jadi, isotop adalah nuklida yang memiliki nomor atom sama, tetapi nomor massa berbeda. Atau dapat 5

11 juga dikatakan bahwa isotop adalah nuklida yang jumlah protonnya sama, tetapi jumlah netronnya berbeda. biasa), Setiap unsur memiliki isotop. Hidrogen memiliki tiga isotop, yaitu 1 1 H (hidrogen 1 H (dinamakan deuterium), dan 3 1 H (dinamakan tritium). Unsur-unsur lain memiliki isotop yang lebih banyak. Selain isotop juga dikenal istilah isobar dan isoton. Isobar adalah nuklida dengan nomor massa sama, tetapi nomor atom berbeda. Atau nuklida dengan jumlah nukleon sama, tetapi jumlah protonnya berbeda. Contoh H dan He. Isoton adalah nuklida-nuklida yang jumlah netron dalam intinya sama. Contoh H dan He Massa Inti Satuan massa untuk SI adalah kg. Namun, satuan massa tersebut terlalu besar untuk menggambarkan massa atom atau massa sebuah inti. Sebagai gantinya digunakan satuan massa atom, yang dilambangkan u. 1 1 satuan massa atom (u) didefinisikan massa isotop 1 6 C 1 Menurut eksperimen 1 mol isotop 1 6 C adalah 1 gram. 1 mol adalah jumlah zat sebanyak 6,0 x 10 3 (yang dikenal dengan bilangan Avogadro, N A ) Bila dihitung: 1 1 mol atom C =1 g 6 6, atom 1 6 C = Massa 1 atom C = kg/(6, ) = 1, kg. 6 Sesuai dengan definisi 1 u sama dengan 1/1 massa aisotop kg 1 u = 1, kg/1 = 1, kg. 1 u = 1, kg 1 6 C Dalam perhitungan fisika nuklir, massa adalah ekivalen dengan energi yang dapat dihitung dengan persamaan Einstein Maka 1 u setara dengan: E = mc. 6

12 E = (1, kg) (, m/s) = 14, J Karena 1 ev = 1, J Maka 1 u setara dengan energi 931,50 MeV 1 u setara dengan energi 931,50 MeV Tabel 1.. Muatan, Massa Diam dan Spin Nukleon Proton Muatan +1, C C Netron Massa Diam 1, kg 1, ,56 MeV 1,00777 u Spin ½ ½ 939,550 MeV 1, u -7 kg 1..5 Menentukan Massa Inti Untuk mengukur massa inti dengan ketelitian tinggi digunakan spektrometer massa. Bila detektornya masih menggunakan film, dinamakan spektrograf massa. Prinsip kerja spektrograf massa dapat dijelaskan sebagai berikut (lihat gambar 1.5). S x x x S 1 x x x S Film x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Gambar 1.5 Gambar Spektrograf Massa Partikel bermuatan ditembakkan memasuki suatu ruang dari sumber S melalui celah S 1, dan masuk ke dalam ruang yang dipengaruhi medan magnet B dan medan listrik E yang saling tegak lurus. Hal ini berguna untuk mengatur partikel (ion) agar bergerak dengan kecepatan tertentu. 7

13 Partikel di dalam dua medan yang berlawanan akan mengalami dua gaya yang berlawanan qe = qvb (1.1) Sehingga didapatkan kecepatan partikel sebesar E v = (1.) B Setelah itu partikel akan bergerak dengan kecepatan v memasuki ruang yang memiliki medan magnet B yang tegak lurus dengan lintasan partikel, melalui celah S. Di dalam medan magnet B, partikel akan dibelokkan oleh gaya Lorentz dengan lintasan lingkaran berjari-jari r hingga jatuh pada pelat film. F Lorentz = F v qvb' = m r qb' r m = v s (1.3) Jika nilai q, B, dan v telah diketahui, maka nilai m ditentukan oleh besarnya nilai r. Untuk r kecil, m juga kecil dan sebaliknya. Contoh Sumber ion mengeluarkan ion melalui velocity selector yang medan listriknya E = 4,0 kv/m dan medan magnetnya B = 0,1 T. A) berapakah kecepatan ion, B) Jika setelah melewati S memasuki medan magnet B = 0,05 T, jika jari-jari lintasannya 13 cm dan dan muatannya 1, C Jawab a. 3 E v = = = 4 10 m / s B 0,1 qb' r 6 b. m = =,6 10 kg v 1..6 Jari-jari Inti Mendefinisikan secara tepat jari-jari inti sama sulitnya mendefinisikan jari-jari sebuah atom. Sebab, distribusi muatannya tidak berakhir pada suatu tepi yang jelas. Banyak inti berbentuk agak bulat (walaupun ada beberapa yang agak lonjong) dan ketergantungan kerepatan ditunjukkan oleh gambar 1.6: inti fm -3 0,06 8

14 Gambar 1.6. Disribusi Muatan Inti Dari beraneka ragam eksperimen, diketahui banyak hal mengesankan tentang sifat rapat inti. Terlihat bahwa rapat inti tidak berubah. Dengan kata lain, jumlah netron dan proton tiap satuan volume kurang lebih tidak berubah di seluruh daerah inti atom: jumlah netron + proton volume inti A = (4 / 3) πr 3 tetapan (1.4) Jadi 3 A R Atau 1/ 3 R A Dengan mendefinisikan tetapan pembanding R 0, diperoleh 1/ 3 R = R 0 A (1.5) Tetapan R 0 harus ditentukan dengan eksperimen. Di antara eksperimen yang digunakan adalah dengan menghamburkan partikel bermuatan (alfa atau elektron) pada inti. Ternyata nilai R 0 sangat bergantung pada sifat inti yang diukur. Untuk ukuran distribusi massa, R 0 sekitar 1,4 fm (10-15 m) dan untuk ukuran distribusi muatan, R 0 sekitar 1, fm. Contoh a. Hitunglah nilai hampiran jari-jari karbon (A = 1) dan b. Hitunglah massanya seandainya inti karbon memiliki jari-jari r = 1 cm Solusi a. R = (1, )(1) 1/ 3 =, m 9

15 b. ρ = m V m = ρ( V ) A = (4 / 3) πr m = 1,01 10 pengandaian 1 kg 3 A = (4 / 3) πr 3 (4 / 3) π r x1,66 x10 kg (10 = 15 3 (,7 10 ) Massa inti karbon dengan jari-jari 1 cm, sekitar 1 milyar ton!?! ) Mengukur Jari-Jari Inti Salah satu cara untuk mengukur ukuran inti adalah dengan menghamburkan partikel bermuatan, seperti partikel alfa pada hamburan Rutherford. Selama partikel alfa masih di luar inti, rumus Rutherford tetap berlaku, begitu jarak terdekatnya lebih kecil daripada jarijari inti, terjadi penyimpangan dari rumus Rutherford. Intensitas hamburan pada sudut 60 0 Rumus Rutherford (MeV) Gambar 1.7. Grafik Hamburan Rutherford dan Hamburan Nuklir Percobaan lain juga dapat digunakan untuk mengukur jari-jari inti. Gambar 1.8 memperlihatkan semacam pola difraksi. Difraksi di sini sama dengan difraksi cahaya oleh celah bulat. Minimum pertama dapat dicari dengan persamaan: λ θ = sin 1 (1, ) (1.6) d λ adalah panjang gelombang radiasi terhambur dan d diameter. Pada energi 40 MeV, elektron memiliki panjang gelombang debroglie,95 fm, dan pengamatan minimum pada sekitar 44 0 untuk 16 O dan 50 0 untuk 1 C. Dari hasil itu bisa dihitung jari-jari 16 O dan 1 C sebesar,6 fm dan,3 fm. 10

16 Intensitas terhambur Sudut hamburan (derajat) Gambar 1.8. Pola Difraksi Hamburan Nuklir Soal-soal 3 1. Tentukan jumlah netron dan proton untuk inti 86 Rn dan 90 Th. Berapa jumlah molekul yang terdapat dalam 0,534 kg UO uranium dan oksigen masing-masing 35 dan 16) 3. Tentukan jari-jari inti 16 O dan 08 Pb (diketahui A untuk 4. Carilah rasio inti terhadap kerapatan atomik untuk hidrogen (diasumsikan jari-jari inti 1 fm). 5. Dalam spektrograf massa, ion klor yang bermuatan tunggal masuk dalam medan megnet B = 0,15 T secara tegak lurus dengan kecepatan m/s. Klor ternyata mempunyai dua isotop bermassa 34,97u dan 36,97u. Tentukan jari-jari lingkaran yang ditempuh masing-masing isotop dalam medan magnet tersebut. Biografi THOMSON Sir Joseph John Thomson adalah ahli fisika penemu elektron (1897), penemu neon 0 dan (191), pemenang Hadiah Nobel (1906), pembaharu Laboratorium Cavendish (1884), guru yang menghasilkan murid-murid peraih nobel. Murid Thomson antara lain Sir George Paget Thomson (anaknya sendiri), Francis W. Aston (penemu spektroskop), Rutherford (penemu sinar alfa, proton, beta dan teori struktur atom), Cockroft dan Walton (penemu reaksi nuklir buatan), 11 Chadwick (penemu netron); direktur Laboratorium Cavendish selama 35 tahun ( ), dan anggota Royal Society. Thomson adalah orang pertama yang membuat model atom (1904). Menurut Thomson,

17 RUTHERFORD Ernest Rutherford adalah ahli fisika nuklir penemu radioaktivitas, penemu transmutasi atom (190), penemu teori struktur atom (1911), penemu sinar alfa, beta, dan proton; penemu unsur buatan pertama di dunia (1919); meramalkan adanya netron, isotop, hidrogen dan helium (190); pemenang Hadiah Nobel untuk kimia (1908), bapak fisika nuklir, Presiden Royal Society, pengarang (80 karya tulis), mendapat hadiah Order of Merit (191) dan Medali Copley 919). Medali Copley adalah hadiah tertinggi dari Royal Society (Lembaga Ilmu Pengetahuan Inggris) untuk ilmuan paling berprestasi. Rutherford lahir di Spring Grove, Selandia Baru pada tanggal 30 Agustus 1871 dan meninggal di Cambridge, Inggris, pada tanggal 19 Oktober 1937 pada umur 66 tahun. Ayahnya mempunyai 1 anak dan dia anak yang keempat. Ayah Rutherford hanyalah pemilik bengkel yang kerjanya memperbaiki roda gerobak dan kereta yang rusak. Ia juga merangkap sebagai petani. Ketika mendapat kabar akan mendapat beasiswa, Rutherford sedang menanam kentang di ladang. Ia sangat bergembira. Meski anak miskin, Rutherford anak yang cerdas. Pada umur 16 tahun ia mendapat beasiswa dari Nelson College. Di sini ia cukup dikenal karena pandai bermain sepak bola, mau mengerjakan pekerjaan kasar dan berhasil jadi juara kelas. Akibatnya ia mendapat beasiswa lagi dari Canterbury College. Ia kuliah di sini sampai mendapat gelar MA. Ia mencari nafkah dengan jalan menjadi guru honorer. Ia membuat karya tulis yang membuat dia memperoleh beasiswa dari Universitas Cambridge di Inggris. Pada 1895 pada umur 4 tahun ia pindah ke Inggris. CHADWICK Sir James Chadwick adalah ahli fisika penemu neutron, pemenang Hadiah Nobel, anggota Royal Society, penerima Mendali Franklin, Medali Copley, Medal of Merit. Chadwick lahir di Manchester, Inggris, pada tanggal 0 Oktober 1891 dan meninggal di Cambridge pada tanggal 4 Juli 1974 pada usia 83 tahun. Sejak tahun 1919 ia bekerja dengan Rutherford. Mereka berdua membuat transmutasi buatan dengan jalan menembakkan partikel alfa pada unsur-unsur. Pada tahun 1897 Thomson menemukan elektron. Pada tahun 1911 Rutherford menemukan proton. Inti atom sendiri terdiri 1 dari proton dan netron, tapi pada waktu itu orang belum menemukan netron. Pada tahun 1930 W. Bothe dan H. Becker yang sedang mengadakan riset di Jerman yaitu dengan menembaki berilium menggunakan partikel alfa. Akibatnya timbul sinar yang sangat

18 ASTON Francis William Aston adalah ahli fisika penemu spektograf massa (1919), pemenang Nobel karena menemukan isotop, penerima Royal Medal, dan anggota Royal Society. Spektograf massa adalah alat untuk mengukur massa atom. Dengan alat itu dapat diketahui atom yang ringan dan atom yang berat. Aston lahir di Harborne, Brimingham, Inggris pada tanggal 1 September 1877 dan meninggal di Cambridge Inggris pada tanggal 0 November Sejak kecil ia belajar kimia, tetapi setelah Rontgen menemukan sinar-x pada tahun 1895, Aston mulai mempelajari terjadinya sinar-x. Tujuh tahun kemudian (1910) ia jadi asisten Thomson. Thomson sedang menyelidiki sinar bermuatan positif yang berasal dari pelepasan gas. Sesudah menyelidiki neon, Thomson berkesimpulan bahwa hanya neon yang terdiri dari campuran isotop. Selanjutnya Aston membuat alat sinar positif jenis baru yang diberi nama spektrograf massa. Dengan alat ini ia dapat memisahkan atom-atom yang berlainan massanya dan mengukur massanya dengan ketepatan yang sangat tinggi. Dengan alat ini ia membuktikan bahwa kesimpulan Thomson kurang tepat. Tidak hanya neon yang terdiri dari campuran isotop, tapi banyak unsur lain juga campuran isotop. Bahkan Aston dapat menemukan 1 dari 87 isotop yang terjadi secara alamiah. 13

19 II. ENERGI IKAT DAN GAYA INTI Sub-pokok Bahasan Meliputi: Energi Ikat Gaya Inti.1 ENERGI IKAT TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Energi Ikat, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep massa defek dan energi ikat inti serta caranya menghitung Menjelaskan energi ikat per nukleon dan cara menghitungnya Menjelaskan grafik energi ikat per nukleon untuk tiap inti dan indikasi adanya reaksi fisi dan fusi.1.1 Massa Defek Dan Energi Ikat Hasil pengukuran menunjukkan bahwa massa atom tertentu selalu lebih kecil dibandingkan dengan massa total dari netron, proton, dan elektron yang menyusun atom. Perbedaan antara massa atom dan penjumlahan total dari massa penyusun atom disebut massa defek. Massa defek ( m) dapat dihitung menggunakan Persamaan (.1): [ Z m p + me ) + ( A Z mn ] matom m = ( ) (.1) dengan m p adalah massa satu proton, m n adalah massa satu neutron, m e massa satu elektron, m atom adalah massa atom, Z nomor atom, dan A nomor massa. Dalam kasus inti juga sama. Massa inti tertentu juga selalu lebih kecil dibanding dengan massa total dari partikel-partikel penyusunnya. Perbedaan massa untuk inti dirumuskan m = [ Zm p + ( A Z) mn ] mint i (.) Sebagai contoh inti deuterium 1 H atau d, yang tersusun dari satu proton dan satu netron, massanya lebih kecil dibanding partikel-partikel penyusunnya. Kemanakah massa yang hilang tersebut? Ternyata massa yang hilang tersebut dikonversi menjadi energi ikat (Binding Energy, B), yang mengikat agar partikel-partikel penyusun inti tidak berantakan. Konversi massa-energi dapat dihitung dengan perumusan Einstein: E = mc (.3) 4

20 dengan c adalah kecepatan cahaya,998 x 10 8 m/s Dengan demikian maka energi ikat deuterium ( dan satu netron dituliskan: m d B 1 H ) yang tersusun dari satu proton = ( mn + m p md ) c (.4) adalah massa inti deuterium, bukan massa atom deuterium. Perlu diingat bahwa massa inti atom berbeda dengan massa atom. Hubungan massa ataom dan inti, dinyatakan: m + Zm + B atom = m int i e e (.5) B e adalah energi ikat elektron total. Dalam kenyataannya, energi massa inti berorde 10 9 hingga ev, sementara massa elektron total berorde 1 hingga 10 4 ev. Jadi, suku terakhir persamamaan (.5) yaitu (B e ) kecil sekali dibanding dengan suku-suku di depannya. Dalam batas ketelitian tertentu, suku terakhir terkadang bisa dihilangkan. Sehingga biasanya dinyatakan, misalnya, bahwa massa inti atom hidrogen (proton atau 1 1 H ) adalah massa atom hidrogen dikurangi massa satu elektron. Dengan menyisipkan pernyataan ini ke dalam persamaan (.4), didapatkan: B = ( m + ( m( c n 1 1 H ) me ) ( m( 1H ) me ) B n 1 )) 1 = ( m + m( H ) m( 1H c (.6) Dari persamaan (.6), dapat dilihat bahwa massa elektron saling menghilangkan. Oleh karena itu, persamaan (.6) dapat diperluas untuk menentukan energi ikat total sembarang inti atom B A Z X A = ( Zm p + ( A Z) mn m( Z X )) c (.7) dengan m( A Z X ) adalah massa atom X. Jika m dalam satuan massa atom (u), maka akan lebih mudah jika c ditulis tulis 931,5 MeV/u. (Lihat bab I tentang satuan massa) Contoh Hitunglah energi ikat Jawab 16 5Te B = ( 5 x1,00785u + 7 x1,008665u 15,9033u) x931,5 MeV / u = 1,066 x10 3 MeV.1. Energi Ikat Pernukleon Untuk mengetahui besarnya energi ikat yang dirasakan setiap partikel inti (nukleon), tinggal membagi energi ikat total dengan jumlah seluruh nukleon (nomor massa, A). Jika

21 energi ikat per nukelon (B/A) untuk tiap unsur dihitung, lalu ditampilkan dalam grafik, maka akan tampak seperti gambar (.1) Energi ikat per nukleon (J) Fusi Fisi Nomor Mass A Gambar..1 Grafik Energi Ikat per Nukleon Gambar.1 memberikan ilustrasi salah satu aspek penting dalam fisika inti. Energi ikat per nukleon (B/A) bermula dengan nilai yang rendah, kemudian naik menuju titik 56 maksimum yaitu sekitar 8,79 MeV bagi Fe, dan selanjutnya turun lagi pada inti-inti berat. Gambar.1 tersebut memberi indikasi bahwa energi inti dapat dibebaskan dengan 38 dua cara berbeda. Jika jika inti berat (seperti U ) dipecah menjadi dua inti yang lebih ringan, maka akan dilepaskan energi. Sebab, energi ikat per nukleon (B/A) lebih besar bagi kedua pecahannya, dibandingkan inti semula. Jika energi ikat pernukleon (B/A) lebih besar berarti massanya lebih kecil. Artinya ada massa yang hilang yang akan dikoversi menjadi energi. Proses ini dikenal dengan fisi inti. Selain itu, jika dua inti ringan (seperti H ) digabungkan menjadi suatu inti yang lebih berat, juga akan dibebaskan energi. Sebab, energi ikat per nukleon (B/A) juga lebih besar bagi inti abungan dibandingkan inti semula. Proses ini dikenal dengan fusi inti.. GAYA INTI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Gaya Inti, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan sifat-sifat gaya inti: besarnya gaya inti, jangkauan gaya inti Menjelaskan model gaya inti dan hipotesis adanya meson 6

22 ..1 Sifat Gaya Inti Jika proton dan proton didekatkan, keduanya pasti akan saling menolak, karena adanya gaya Coulomb. Padahal di dalam inti, terutama inti berat, terdapat banyak proton. Seharusnya inti atom berantakan karena proton-proton saling menolak. Tetapi, hal ini tidak terjadi, karena di inti ada gaya lain yang sangat besar yang mengikat inti untuk bersatu dan jauh lebih besar dibanding gaya tolak elektrostatik. Gaya tersebut dinamakan gaya inti. Gaya ini merupakan gaya paling kuat dari semua gaya yang diketahui. Karena itu, gaya ini sering disebut gaya kuat (strong force). Namun gaya ini jangkauannya sangat pendek, yaitu hanya sejauh ukuran inti (sekitar m). Pada jarak lebih dari 1 fm gaya ini akan melemah dan akhirnya menjadi nol. Sehingga ketika kedua proton terpisah agak jauh, yang ada hanya gaya tolakan elektrostatic Coulomb, sementara gaya nuklirnya bernilai nol. 0 Jarak Pisah Energi ikat inti ~ 1 fm 40 MeV Gambar.. Jangkauan Gaya Inti Ada dua bukti mengenai jangkauan pendek dari gaya inti ini. 1. Dari kajian kerapatan zat inti. Penambahan nukleon pada inti tidak mengubah kerapatan inti. Ini menunjukkan bahwa bahwa tiap nukleon yang ditambahkan hanya merasakan gaya dari tetangga terdekatnya, dan tidak dari nukleon yang lain.. Dari energi ikat per nukleon. Karena energi ikat per nukleon kurang lebih tetap, maka energi ikat inti total kurang lebih sebanding dengan A. Suatu gaya berjangkauan panjang (seperti gaya Coulomb dan gaya gravitasi) memiliki energi yang sebanding dengan A. Sebagai contoh, tolakan elektrostatik total antara proton dalam inti sebanding dengan Z (Z-1) atau sekitar Z. hal ini karena setiap Z proton, merasakan tolakan dari (Z-1) proton lainnya.

23 ~ fm Gambar.3. Jangkauan Gaya Inti pada Partikel Tetangga Terdekat Gaya inti dua nukleon juga tidak bergantung pada jenis nukleon. Gaya inti antara proton-netron sama seperti gaya proton-proton... Model Gaya Inti Model yang berhasil menjelaskan asal usul gaya berjangkaun pendek ini adalah model gaya tukar (exchange force), yang diusulkan oleh Yukawa. Diandaikan ada sebuah proton dan netron di dalam inti. Menurut model ini, netron memancarkan sebuah partikel dan sekaligus menariknya dengan gaya yang sangat kuat. Jika partikel tadi menghampiri proton, ia akan tertarik pola oleh proton dengan suatu gaya tarik yang sangat kuat. Proton kemudian memancarkan sebuah partikel yang dapat diserap oleh netron. Karena proton dan netron masing-masing menarik partikel yang dipertukarkan tersebut dengan gaya tarik yang kuat, maka mereka seakan saling menarik. Gambar.4. Ilustrasi Model Gaya Inti Lalu, bagaimana mungkin sebuah netron dengan massa diam m 0c memancarkan partikel dengan massa diam mc dan tetap sebagai netron, tanpa melanggar hukum kekeakaln energi? Jawabannya diberikan oleh asas ketidakpastian Heisenberg:

24 E x t (.8) Energi adalah kekal, jika energi itu dapat diukur secara pasti. Kenyataannya, menurut ketidakpastian Heisenberg, energi E memiliki ketidak-pastian dalam selang waktu t. Oleh karena itu, hukum kekekalan energi dapat dilanggar sebesar waktu t = / E yang cukup singkat. E dalam selang Jumlah energi yang melanggar hukum kekekalan energi dalam model gaya tukar netron-proton ini adalah mc, yaitu energi diam partikel yang dipertukarkan. Dengan demikian, partikel ini hanya dapat hadir dalam selang (dalam kerangka laboratorium) t = (.9) mc Jarak terjauh yang dapat dicapai partikel ini dalam selang waktu t adalah x = c Dengan c adalah kecepatan cahaya. Namun, kecepatan yang sesuangguhnya partikel tersebut di bawah kecepatan cahaya. Persamaan tersebut dapat diubah: Atau x c t = c mc = mc 00 MeV t. (.10) c mc = x (.11) Karena telah diketahui jangkaun gaya inti hanya sekitar m, maka energi diam partikel tersebut dapat ditaksir, yaitu sekitar: Partikel yang dipertukarkan ini berupa sebuah partikel virtual. Jika inti atom dilihat lebih seksama, gaya tarik menarik antara proton dan netron dapat terlihat, tetapi partikel virtual ini tidak terlihat. Jika inti atom ditembaki dengan proyektil (partikel berenergi tinggi), proyektil tersebut akan menumbuk proton dan netron sedemikian kuatnya, sehingga memasok momentum pental yang memperkenankan partikel virtual itu menjadi partikel nyata dan muncul dalam laboratorium. Partikel itu dinamakan dengan meson.

25 Soal-soal: 1. Jika diasumsikan bahwa muatan inti terdistribusi seragam, buktikan bahwa energi potensial listrik proton-proton di dalam inti adalah 73. Hitunglah energi Coulomb 3 Ge 3 kz( Z 1) e = 5 R E c Hitunglah energi ikat total dan energi ikat per nukleon untuk Co dan Ca 4. Berapakah energi yang dibutuhkan untuk melepas ikatan satu netron yang cukup kuat dalam C (diketahui massa 0 Ca 39,96589u dan massa 0 Ca 38,970691u) 5. Interaksi lemah (gaya yang menyebabkan terjadinya peluruhan beta) diduga berasal dari partikel tukar dengan massa kurang lebih 75 GeV. Berapakah jangkaun gaya ini. Biografi YUKAWA (PENEMU TEORI MESON) Hideki Yukawa adalah ahli fisika Jepang, penemu teori meson. Ia meramalkan adanya meson (1935). Dua belas tahun kemudian (1947) Powell, ahli fisika Inggris, menemukan meson. Jadi ramalan Yukawa benar. Oleh karena itu, pada tahun 1949 Yukawa mendapat Hadiah Nobel untuk fisika. Yukawa adalah orang Jepang pertama yang mendapat Hadiah Nobel. Yukawa lahir di Tokyo pada 3 Januari Ayahnya guru besar geologi. Pada umur tahun ia lulus dari Universitas Kyoto. Kemudian ia berusaha keras untuk menyusun teorinya tentang partikel elementer. Memang sejak SMA ia sangat tertarik pada fisika murni tentang atom. Pada tahun 193 ia memberi kuliah di Universitas Kyoto. Enam tahun kemudian mendapat gelar doktor dari Universitas Osaka. Pada tahun 190 Rutherford menemukan proton dan pada tahun 193 Chadwick menemukan neutron. Sesudah proton dan netron ditemukan, Yukawa mulai berpikir, apa yang menyebabkan proton dan netron bersatu sehinga tidak berantakan? Tentu saja harus ada semacam lem yang mengikat antara proton dengan netron. Maka Yukawa lalu menyusun teorinya. Massa partikel (sebagai lem ) itu haruslah diantara massa elektron dan proton, atau kira-kira 00 kali massa elektron. Maka partikel itu kemudian dinamakan meson (kata Yunani yang berarti tengah). Apakah partikel itu ada? Itu harus dibuktikan. Pada tahun 191 Victor Hess, ahli fisika Austria, menemukan sinar kosmik. Sinar ini berasal dari angkasa luar dan kemudian diketahui terdiri dari proton, elektron, netron, positron, dan foton. Pada tahun 1947 Powell menemukan meson dalam sinar kosmik. Ternyata meson mempunyai energi yang sangat besar dan bergerak mendekati kecepatan cahaya serta dapat menembus apa saja. Meson dapat menembus atom, inti atom, air, dan tanah setebal 700 meter. Partikel itu sekarang dikenal dengan nama meson pi atau pion dan mempunyai massa 70 kali massa elektron. Di dalam inti atom, netron dan proton dengan cepat sekali saling menukarkan meson pi. Netron dan proton terus menerus menyerap dan melepaskan meson pi sehingga netron dan proton bersatu padu dengan kuat sekali. 0

26 ALBERT EINSTEIN Einstein adalah ahli fisika teori terbesar sepanjang abad ini, pemikir paling kreatif di dunia, pemenang Hadiah Nobel karena menemukan teori foton cahaya (191) dan penemu formula E = Δmc. Pada umur 6 tahun ia menemukan teori relativitas khusus (1905) dan pada umur 37 tahun menemukan teori relativitas umum (1916). Einstein lahir di Ulm, Wurttemberg, Jerman, pada tanggal 14 Maret 1879 dan meninggal pada tanggal 18 april 1955 di Princeton, New Jersey, AS, pada umur 76 tahun. Ayahnya bernama Hermann, ibunya bernama Paulina Koch. Ayahnya memiliki perusahaan kecil yang membuat alat-alat listrik. Satu tahun sesudah Einstein lahir keluarga itu pindah ke Munich, Jerman. Ketika anak yang sebaya sudah dapat bicara, Einstein belum dapat. Orang mengira bahwa Einstein anak yang terlambat perkembangannya. Pada umur 5 tahun ia diberi ayahnya sebuah kompas. Ia heran mengapa jarum kompas tetap menunjuk ke utara meskipun kompas diputar ke arah mana pun. Kelak ia tahu bahwa di belakang semua benda tampak, ada kekuasaan yang mahabesar yang tak tampak. Pada saat duduk di bangku SD Einstein sama sekali tidak menonjol, bahkan ia termasuk anak yang bodoh. Ia tidak suka pada disiplin sekolah yang keras. Ia tidak suka menghafalkan fakta dan data. Ia hanya tertarik pada fisika dan matematika. Kegemarannya yang sangat menonjol adalah membaca, berpikir, dan belajar sendiri. Guru-gurunya menganggap dia pemalu, bodoh, malas belajar, dan suka menentang tata tertib. Karena ia hanya mau mempelajari fisika dan matematika maka ia tidak lulus SMP. Pada waktu itu perusahaan ayahnya bangkrut. Ayahnya lalu pindah ke Swiss. Di Swiss Einstein melanjutkan sekolahnya. Ia dapat lulus sampai SMA, tapi ketika menempuh ujian masuk perguruan Tinggi, ia tidak lulus. Ia baru lulus setelah menempuh ujian yang kedua. Ia lalu diterima di Institut di Zurich, Swiss. Tapi ia jarang ikut kuliah. Ia lebih suka membaca dan belajar sendiri fisika teori. Namun ia dapat lulus dari Perguruan Tinggi itu karena meminjam catatan teman kuliah. Pada umur 1 tahun ia jadi warga Swiss. Tapi ia tidak segera mendapat pekerjaan. Ia mengangur selama tahun. Baru pada tahun 190 pada umur 3 tahun, ia mendapat pekerjaan di kantor paten di Bern setelah menjadi guru matematika selama dua bulan. Namun tiap ada kesempatan ia selalu berpikir dan mempelajari fisika teori. Pada umur 4 tahun ia menikah dengan Mileva Marie, bekas teman saat kuliah. Mereka dikaruniai dua orang anak laki-laki. Tapi perkawinan mereka tidak bahagia. Pada tahun 1905 pada umur 6 tahun, Einstein menemukan teori relativitas khusus. Ia lalu diangkat menjadi profesor fisika teori di Universitas Jerman di Praha (191). Tahun berikutnya ia diangkat jadi direktur Institut Fisika Kaisar Wilhelm di Berlin. Sebenarnya ia segan kembali ke Jerman. Tapi jabatan itu memberikan banyak waktu luang kepadanya untuk berpikir karena tak ada tugas resmi atau kewajiban mengajar. Ia terpaksa menerima jabatan tersebut dan kehilangan istri, karena Mileva tidak mau ikut ke Jerman. Mereka akhirnya bercerai. Einstein menemukan teori relativitas umum pada tahun Einstein pindah ke AS (1933) dan bekerja pada Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey. Ia datang di Amerika bersama istrinya yang kedua, Elsa. Meskipun membenci perang, pada tahun 1939 Einstein-lah yang berkirim surat kepada Presiden Roosevelt untuk meyakinkan agar AS membuat bom atom sebelum didahului oleh Jerman. Bersama Bertrand Russell, ahli filsafat dan matematika Inggris, ia membuat deklarasi anti bom atom dan anti perang. Einstein percaya bahwa alam semesta tidak terjadi karena kebetulan. Ia percaya bahwa alam diciptakan Tuhan dan Tuhan menata alam semesta dengan hukum-hukum dan aturanaturan yang rapi dan harmonis. Hal yang paling tidak dapat dipahami tentang dunia adalah bahwa dunia dapat dipahami, katanya. Ia adalah pemiki serius yang tak takut salah. Einstein berkata, Saya berpikir terusmenerus, berbulan-bulan, dan bahkan bertahun-tahun. Sembilan puluh sembilan kali kongklusi saya keliru. Tapi yang keseratus kali saya benar.

27 III. MODEL-MODEL INTI Sub-pokok Bahasan Meliputi: Model Tetes Cairan Model Kulit 3.1 MODEL TETES CAIRAN TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Model Tetes Cairan, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep model tetes cairan dan persamaan semi empiris model ini Menjelaskan koreksi-koreksi terhadap persamaan semi empiris Konsep Model Tetes Cairan Saat ini tidak ada teori dasar yang dapat menjelaskan sifat-sifat inti yang teramati. Sebagai pengganti teori, beberapa model telah dikembangkan, namun hanya beberapa yang dapat menjelaskan sifat inti. C. V. Wieszacker pada tahun 1935 mendapati bahwa sifat-sifat inti berhubungan dengan ukuran, masa dan energi ikat. Hal ini mirip dengan yang dijumpai pada tetes cairan. Kerapatan cairan adalah konstan, ukurannya sebanding dengan jumlah partikel atau molekul di dalam cairan, dan penguapannya (energi ikatnya) berbanding lurus dengan massa atau jumlah partikel yang membentuk tetesan. Model tetes cairan membawa pada persamaan semi empiris. Massa defek inti dirumuskan: m = Zm A / 3 1/ / 4 p + ( A Z) mn b1 A + b A + b3z A + b4 ( A Z) A + b5 (3.1) Konstanta dalam persamaan (3.1) ditentukan dari eksperimen, yang nilainya: b 1 = 14,0 MeV b 3 = 0,58 MeV b = 13,0 MeV b 4 = 19,3 MeV Sedangkan b 5 nilanya ditentukan dengan skema berikut: A Z b 5 Genap Genap -33,5 MeV Genap Ganjil +33,5 MeV Ganjil - 0

28 3.1. Koreksi Persamaan Semi Empiris Persamaan (3.1) diperoleh dari berbagai koreksi yang dilakukan berurutan. Dengan energi ikat yang diabaikan, estimasi pertama adalah untuk massa inti yang tersusun dari proton Z dan neutron N = A-Z adalah Zm + ( A Z) m Selanjutnya, estimasi massa ini dikoreksi untuk menghitung energi ikat inti. Lantaran gaya inti adalah tarik menarik, energi ikatnya menjadi positif, sehingga massa inti menjadi lebih kecil dibanding massa nukleon yang terpisah-pisah. Dari model tetes cairan, penguapan panas (energi ikat) berbanding lurus dengan jumlah nukleon A. Sehingga menghasilkan koreksi sebesar ( b 1 A). Asumsi pada koreksi pertama, yaitu b 1 pernukleon, tentu tidak terlalu tepat. Sebab, hal itu hanya berlaku untuk inti di bagian dalam yang dikelilingi inti yang lain. Sedangkan inti pada bagian permukaan, pasti terikat lebih lemah. Makanya diperlukan koreksi permukaan yang besarnya seluas permukaan inti, yaitu (b A /3 ). Selanjutnya adalah koreksi dari adanya Energi Coulomb (E c ) antar proton yang tolakmenolak. Adanya gaya tolak-menolak ini, energi ikat (besanya massa defek) akan lebih kecil. E c Z = R Z Z 1/ 3 1/ 3 ( r0 A ) A p n (3.) Yang memberikan koreksi sebesar (b 3 Z A -1/3 ). Sampai disini bentuk ekspresi massa inti telah didapatkan dari analogi dengan tetesan cairan bermuatan. Selain itu, muncul koreksi dari mekanika kuantum. Menurut prinsip pengecualian Pauli, jika terdapat kelebihan netron ketimbang proton atau kebalikannya di dalam inti, maka energinya (massanya) akan mengalami kenaikan. Akhirnya muncul koreksi b 1 4 ( N Z) A = b4 ( A Z) A 1 Nukleon-nukleon di dalam inti juga cenderung berpasangan. Netron-netron atau proton-proton akan berkelompok bersama dalam spin-spin yang berbeda. Akibat efek ini menimbulkan pasangan energi hadir bervariasi sebesar A -3/4 dan bertambah sebesar jumlah nukleon-nukleon tidak berpasangan. Rata-rata energi ikat per nukleon diperoleh dari persamaan diatas: BE / A = BE / A = b b A [ Zm + ( A Z) m ] 1 p 1/ 3 A b Z 3 n A m c 4 / 3 b 4 ( A Z) b A 5 7 / 4 (3.3) 3

29 Dari persamaan diatas jika digambarkan akan tampak seperti gambar 3.1. Energi ikat per nukleon (MeV) Fe Nomor Mass A Gambar 3.1 Energi ikat per nukleon Pendekaan tersebut nampak cukup sesuai dengan hasil eksperimen, meskipun tidak tepat sama. 3. Model Kulit TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Model Kulit, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep model kulit inti Menjelaskan tingkat-tingkat energi inti 3..1 KonsepModel Kulit Pada model tetesan cairan, nukleon-nukleon tidak diperlakukan secara individu, tetapi dipandang secara kolektif (rata-ratanya). Model ini berhasil menjelaskan beberapa sifat inti, seperti rata-rata energi ikat per nukleon. Namun, sifat inti lainya, seperti energienergi keadaan eksitasi dan momen magnetik inti, membutuhkan pemakaian model mikroskopik dalam perhitungan perilaku nukleon-nukleon secara individu. Menurut data eksperimenl, terbukti bahwa sifat-sifat inti mengalami perubahan pada N atau Z sebesar, 8, 0, 8, 50, 8, atau 16 yang dikenal sebagai bilangan ajaib 4

30 (Gambar cari di buku Krane). Pada bilangan ajaib ini didapatkan bahwa inti berada dalam keadaan stabil dan berjumlah banyak. Selain itu, energi-energi keadaan tereksitasi pertama pada bilangan ajaib, ternyata lebih besar dibandingkan dengan inti-inti di luar bilangan ajaib. Sebagai contoh perak, dengan bilangan ajaib Z = 50 memiliki 10 isotop stabil, sehingga energi yang dibutuhkan untuk melepaskan proton sekitar 11 MeV dan keadaan tereksitasi pertama untuk isotoisotop genap-genap (N dan Z bernilai genap) adalah sekitar 1, MeV di atas keadaan dasar. Sebaliknya untuk isotop-isotop terulium (Z = 5) energi yang dibutuhkan untuk melepas proton 7 MeV dan untuk isotop-isotop genap, keadaan tereksitasi pertama memiliki energi sebesar 0,6 MeV. Tampak sekali ada semacam pola sebagaimana pada atom yang elektron-elektronnya mengisi kulit atom dengan pola tertentu. Kesamaan dalam perilaku ini mengisyaratkan adanya kemungkinan bahwa beberapa sifat inti dapat dijelaskan dengan model kulit inti Tingkat Energi Model Kulit Struktur kulit atom didapatkan dari suatu deret pendekatan yang berurutan. Pertama kita asumsikan bahwa tingkat-tingkat energi untuk suatu inti bermuatan Ze telah terisi penuh oleh elektron-elektron Z dan seolah-olah tidak terjadi interaksi satu dengan yang lain. Kemudian dibuat koreksi untuk menghitung efek-efek interaksi yang terjadi. Efek utama, yang menghasilkan pendekatan pertama terhadap tingkat-tingkat kulit, memunculkan suatu keadaan bahwa secara rata-rata elektron bergerak independen di dalam medan Coulomb inti. Jika pendekatan yang sama digunakan untuk mengembangkan gambaran kulit inti, potensial yang berbeda harus digunakan untuk merepresentasikan gaya-gaya inti. Salah satu pendekatannya adalah dengan megasumsikan bahwa nukleon-nukleon bergerak di dalam suatu rata-rata potensial osilator harmonik. V 1 kr 1 m = = ω (3.4) R Setelah dihitung dengan mekanika kuantum, maka tingkat-tingkat energinya diberikan oleh: 3 E = ( Ν + ) ω (3.5) 5

31 Dengan N = ( n 1) + l. Besaran l adalah bilangan kuantum momentum orbital dan nilainya adalah 0, 1,, 3... serta berhubungan dengan vektor momentum anguler orbital dalam bentuk biasa I = l( l +1). Besaran n adalah bilangan bulat yang nilainya adalah 1,,3... namun, berbeda dengan solusi atom hidrogen, nilai l inti tidak dibatasi oleh n. Keadaan momentum anguler orbital nukleon ditunjukkan dalam notasi spektroskopik: Nilai l Simbol huruf s p d f g h... Bila nilai n di depan simbol huruf, akan menunjukkan orde (terhadap kenaikan energi) dari suatu keadaan l tertentu. Dengan demikian d adalah keadaan l = setelah keadaan yang paling rendah. Untuk menghitung bilangan ajaib yang teramati, Mayer dan Jensen pada tahun 1949 secara independen memperlihatkan keberadaan interaksi spin-orbit (l.s) selain potensial osilator harmonis. Karena nukleon memiliki nilai s = ½ yang tunggal untuk bilangan kuantum spinnya, efek spin orbit akan menyebabkan setiap keadaan momentum anguler orbital dengan l > 0 terbagi menjadi dua orbit, mengikuti apakah total bilangan kuantum momentum anguler j adalah j = l + s atau j = l s. Energi relatif untuk melakukan pembagian diperoleh melalui pengevaluasian l.s: 1 l. s = 1 l. s = l + 1 [ j( j + 1) l( l + 1) s( s + 1) ] j = l + 1/ (3.6) j = l 1/ Pengurangan kedua ekspresi ini memperlihatkan bahwa pemisahan energi antar kedua orbit sebanding dengan l +1 dan menjadi besar seiring dengan bertambahnya l. Selanjutnya lambang 1d 3/ merupakan kombinasi bilangan-bilangan kuantum n = 1, l =, j = l-s = 3/. Untuk inti, prinsip Pengecualian Pauli dinyatakan: tidak ada dua nukleon dapat memiliki kumpulan bilangan kuantum yang sama (n, l, j, m j ). Ini berarti setiap orbit dapat memuat maksimum j + 1 nukleon. 6

32 Notasi Jumlah proton & netron Bilangan ajaib 1i 13/ 1h 9/ f 5/ 3p 1/ 3p 3/ f 7/ 1h 11/ 1g 7/ d 3/ 3s 1/ d 5/ 1g 9/ 1f 5/ p 1/ p 3/ 1f 7/ 1d 3/ s 1/ 1d 5/ 1p 1/ 1p 3/ 1s 1/ Gambar 3. Tingkat Energi Inti 7

33 Soal-soal: 1. Buktikanlah bahwa isobar yang paling stabil untuk A ganjil denagn model tetesan A cairan adalah Z = / 3 0,015A +. Untuk A = 5, carilah inti yang paling stabil 3. Carilah momentum anguler keadaan dasar O dan K 4. Tunjukkan bahwa orbit dari j tertentu mungkin berada pada nukleon-nukleon j + 1. Tunjukkan bahwa kedaan p (l = 1), hasil ini konsisten dengan prinsip Pauli memperbolehkan (l + 1) = 6 nukleon Berapakh nilai-nilai momentum anguler keadaan dasar yang mungkin untuk 15 P 19 Biografi Singkat JENSEN Johannes Hans Daniel Jensen adalah ahli fisika penemu teori struktur kulit inti atom dan peraih Hadiah Nobel. Ia lahir di Hamburg, Jerman, pada 5 Juni Ia bekerja di Universitas Hamburg, lalu pindah ke Institut Hannover dan akhirnya bekerja di Universitas Heidelberg. Menurut Jensen, inti atom mempunyai struktur seperti kulit elektron yang berlapis-lapis dengan garis tengah yang berbeda-beda. Lapisan kulit itu ditempati proton dan netron dengan susunan menurut sifat-sifat proton dan netron. Pada tahun yang sama (1949) di tempat yang berlainan Mayer, ahli fisika AS, menemukan teori yang sama di Universitas Chicago. Padahal mereka bekerja sendiri-sendiri. Pada tahun itu juga Jensen bersama Wigner mengajukan model kulit inti. Pada tahun 1955 Jensen, Mayer dan Wigner mendapat Nobel untuk fisika karena dapat menerangkan sifat-sifat inti atom secara terperinci. 8

34 IV. RADIOAKTIVITAS Sub-pokok Bahasan Meliputi: Kestabilan Inti Peluruhan Inti Hukum-hukum dalam Peluruhan 4.1 KESTABILAN INTI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Kestabilan Inti, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep kestabilan inti dan memprediksi jenis pancaran radiasi Menjelaskan radioaktivitas alam Kestabilan Inti Hinga kini telah ditemukan sekitar 1500 inti, namun hanya ada kira-kira 400 inti yang stabil Jumlah Netron Garis Kestabilan N = Z Jumlah Proton Gambar 4.1. Garfik Kestabilan Inti Perhatikan bahwa inti ringan (kira-kira sampai dengan Z = 0) sangat stabil, jika intinya mengandung jumlah proton dan netron yang sama (N = Z atau N/Z = 1). Sebagai contoh inti helium yang mengandung proton dan netron adalah sangat stabil. 9

35 Inti berat lebih stabil jika jumlah netron melebihi jumlah proton. Begitu jumlah proton bertambah, gaya tolak Coulomb antara proton-proton bertambah sehingga cenderung untuk memisahkan nukleon di dalam inti. Untuk mengikat nukleon-nukleon tetap di dalam inti, maka gaya tolak Coulomb oleh proton-proton tambahan diimbangi oleh gaya tarik-menarik antara netron-netron tambahan. Namun karena satu proton menolak seluruh proton lainnya, sedang satu netron hanya menarik netron-netron tetangganya, maka jelas penambahan netron penambahan netron harus lebih besar daripada penambahan proton. Inti berat lebih stabil jika jumlah netron kira-kira sama dengan 1,6 kali jumlah proton (N = 1,6 Z atau N/Z = 1,6). Hanya saja pada saat Z > 83, gaya tolak antara proton-proton tidak dapat lagi diimbangi dengan penambahan netron. Oleh karena itu, inti-inti yang mengandung lebih dari 83 proton (Z > 83) tidak memiliki inti yang stabil. Adalah menarik bahwa kebanyakan inti stabil memiliki nomor massa ganjil. Beberapa fakta menunjukkan bahwa nilai-nilai tertentu dari Z dan N berhubungan dengan inti-inti yang lebih stabil. Nilai-nilai Z dan N disebut angka-angka ajaib, yaitu: Z dan N =, 8, 0, 8, 50, 8, 16 Sebagai contoh, inti helium yang memiliki dua proton dan dua netron ( N = Z = ) adalah sangat stabil. Inti ringan tidak stabil yang terletak di atas garis kesetabilan N = Z (N > Z) memiliki kelebihan netron. Untuk mencapai kesetabilan, kelebihan netron harus diubah menjadi proton melalui pemancaran sinar beta (elektron). Misal 14 6 C memiliki Z = 6 proton dan N = 8 netron, akan menjadi stabil dengan memancarkan sinar beta: 14 6 C 14 7 N + e Inti ringan yang terletak di bawah garis kestabilan (Z > N) memiliki kelebihan proton. Untuk mencapai keadaan stabil, kelebihan proton diubah menjadi netron dengan memancarkan positron (e +, elektron positif). Misalnya inti akan stabil dengan memancarkan beta positif (positron) 11 6 C 11 5 B + e + Inti berat (Z > 83) yang terletak di atas garis kestabilan memiliki kelebihan netron dan proton. Untuk mencapai keadaan inti stabil, inti ini memancarkan partikel alfa sehingga intinya kehilangan dua proton dan dua netron. Misalnya dengan memancarkan partikel alfa C Ra mencapai stabil 30

36 88 Ra 86 Rn+ 6 4 He 4.1. Radioaktivitas Alam Pada tahun 1896, Becquerel menemukan kristal uranium mengemisikan sinar yang sama dengan sinar-x, yang mempunyai daya tembus tinggi, dapat menghitamkan plat fotografi dan menyebabkan konduktivitas listrik pada gas. Penemuan Becquerel diikuti oleh identifikasi zat radioaktif lainnya, polonium dan radium oleh Piere dan Marie Currie pada tahun Unsur berat seperti uranium atau thorium, dan unsur deret peluruhan tak stabil mengemisikan radiasi secara alami. Uranium dan plutonium, sudah ada sejak awal periode geologi, dan mempunyai kecepatan peluruhan yang sangat lambat. Semua nuklida atau atom yang ada di alam dengan nomor atom lebih besar dari 8 bersifat radioaktif. 4. PELURUHAN RADIOAKTIF TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Radioaktif, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan aktivitas peluruhan radioaktif Menjelaskan dan menghitung waktu paro dan waktu hidup rata-rata Menjelaskan deret radioaktif 4..1 Peluruhan Radioaktif Aktivitas adalah laju peluruhan inti radioaktif. Semakin besar aktivitas, semakin banyak inti yang meluruh per satuan waktu. Aktivitas tidak berhubungan dengan jenis radiasi dan energi radiasi, namun hanya berhubungan dengan jumlah peluruhan per satuan waktu tertentu. Satuan aktivitas dalam SI adalah Becquerel (Bq). Satu Becquerel sama dengan satu peluruhan per detik. Satuan ini terlalu kecil dan sebagai gantinya digunakan satuan Curie. Semula, Curie didefinisikan sebagai aktivitas dari satu gram radium. Definisi ini kemudian diubah dengan yang lebih memudahkan, yaitu: 1 Curie (Ci) = 3,7 x peluruhan / detik 1 Curie adalah satuan bilangan yang sangat besar, sehingga untuk kepentingan praktis sering dipakai satuan milicurie (mci) dan mikrocurie (μci). Satu cuplikan bahan radioaktif yang berorde beberapa gram, mengandung atom dalam orde Jika cuplikan ini memiliki aktivitas 1 Ci, maka akan ada sekitar inti 31

37 yang meluruh setiap detiknya. Dapat juga dikatakan bahwa 1 inti atom sembarang memiliki probabilitas (10 10 /10 3 ) atau untuk meluruh setiap detiknya. Besaran ini, yaitu probabilitas peluruhan per inti per detik, disebut dengan tetapan peluruhan dan dinyatakan dengan λ. Dengan demikian, maka aktivitas adalah perkalian jumlah inti radioaktif dan probabilitasnya untuk meluruh. A = λn (4.1) Ketika cuplikan inti meluruh, jumlah inti yang radioaktif berkurang, maka aktivitas juga semakin kecil. Jadi, jumlah peluruhan per detik semakin lama semakin sedikit. Dapat dikatakan bahwa aktivitas A, pada hakikatnya adalah perubahan jumlah (pengurangan) inti radioaktif yang meluruh setiap satuan waktu. dn A = (4.) dt dn/dt bernilai negatif, karena N menurun dengan bertambahnya waktu. Dari persamaan 4.1 dan 4. diatas diperoleh: Atau dn dt dn N = λn (4.3) = λdt (4.4) Persamaan ini dapat langsung diintegrasikan, dengan hasil ln N = λt + c (4.5) c adalah tetapan integrasi. Hasil ini dapat dituliskan kembali menjadi Atau N N = e λt+ c (4.6) λt = 0 (4.7) N e Di sini e c telah diganti dengan No. Pada saat t = 0, N = No. Jadi No adalah jumlah inti radioaktif mula-mula. Persamaan 4.7 dinamakan dengan hukum peluruhan radioaktif eksponensial. Pada kenyataannya kita tidapat mengukur N, sehingga diperlukan persamaan yang lebih bermanfaat, yaitu dengan mengalikan kedua belah ruas dengan λ, yang memberikan persamaan A A e = 0 λt (4.8) 3

38 Ao adalah aktivitas mula-mula. Jika dalam suatu cuplikan bahan radioaktif dihitung aktivitasnya, kemudian beberapa waktu kemudian dihitung lagi aktivitasnya dan seterusnya, maka didapatkan grafik. A A o t Gambar 4. Garfik Peluruhan Radioaktif 4.. Waktu Paro Setiap zat radioaktif juga memiliki waktu paro (t 1/ ), yaitu waktu yang diperlukan zat radioaktif untuk meluruh sehingga tinggal setengah dari jumlah semula. Semakin pendek waktu paro zat radioaktif, maka semakin cepat zat tersebut meluruh sehingga kemampuannya memancarkan radiasi berkurang dengan cepat. Ketika zat radioaktif tinggal setengahnya t = t 1/ 1 N = N 0 Bila N dari persamaan 4.7 disubstitusi, maka didapatkan: (4.9) 1 λ 1 / N t 0 = N 0e 0,693 = λ t 1/ 0,693 t 1 / = (4.10) λ Contoh Tentukan waktu paro zat radioaktif yang memiliki konstanta peluruhan 0,01/hari Jawab 1 t = 0,693/ 0,01( hari ) 69, 3 hari 1 / = 4..3 Waktu Hidup Rata-rata Inti bahan radioaktif bisa melakukan peluruhan kapan saja, mulai dari t = 0 sampai t = ~ setelah pengamatan. Untuk beberapa tujuan tertentu, kadang lebih mudah digunakan 33

39 waktu hidup rata-rata zat radioaktif tersebut. Waktu hidup rata-rata didefinisikan sebagai jumlah waktu hidup dari setiap inti, dibagi dengan total zat radioaktif yang ada. Laju peluruhan inti radioaktif yang mengandung N inti adalah λn. Dalam interval waktu antara t dan t + dt, jumlah total inti yang melakukan peluruhan λn dt. Sehingga waktu hidup semua inti adalah tλn dt. Waktu hidup rata-rata dari tiap-tiap inti τ adalah: ~ 1 τ = tλndt (4.11) N 0 0 Dengan mensubsitusikan nilai N dari persamaan 4.7, diperoleh: 1 ~ τ = tλn N e dt = λt 1 λ (4.1) Karena λ = 0,693/ t1 /, maka τ = 1,45 t (4.13) 1/ Contoh Berapa waktu hidup rata-rata inti radioisotop dengan konstanta peluruhan 0,5/jam Jawab t1/ = 0,693/ 0,5 jam =,77 jam τ = 1,45 x,77 jam = 4,0 jam 4..3 Deret Radioaktif Inti radioaktif tidak selalu meluruh dan menghasilkan inti anak yang stabil. Seringkali inti anak juga tidak stabil, sehingga terjadi peluruhan berikutnya yang juga belum tentu stabil. Setelah beberapa kali meluruh, akan terbentuk inti yang benar-benar stabil. Tahapan-tahapan peluruhan tersebut akan mengikuti suatu urutan yang disebut deret radioaktif. Peluruhan yang demikian disebut peluruhan berantai. Dalam proses peluruhan radioaktif, nomor massa A inti induk akan berubah dengan 4 satuan (peluruhan alfa) atau A tidak berubah (peluruhan beta). Karena itu nomor massa A dari isotop-isotop anggota peluruhan berantai, pasti meluruh dengan kelipatan 4. Dengan demikian ada empat deret yang mungkin dengan nomor massa A, yang dapat dinyatakan dengan rumus 4n, 4n + 1, 4n +, 4n +3, dengan n adalah bilangan bulat. Masing-masing deret radioaktif diberi nama dengan inti induknya. Deret radioaktif 4n + diberi nama deret uranium. Deret radioaktif 4n + 3 diberi nama deret aktinium. Deret 4n diberi nama deret deret Thorium dan deret 4n + 1 diberi nama deret Neptunium. 34

40 Tabel. 4.1 Empat Deret Radioaktif Deret Inti induk Waktu paro Thorium Neptunium Uranium Aktinium 3 90 Th Np 38 9 U 35 9 U (tahun) 1,41 x 10 10,14 x ,47 x ,14 x 10 8 Rumus deret 4n 4n + 1 4n + 4n +3 Inti stabil akhir 08 8 Pb Bi 06 8 Pb 07 8 Pb Tiap deret mempunyai deretan yang cukup panjang sampai akhirnya menjadi inti stabil. Berikut ini adalah tabel delapan isotop dari deret uranium Tabel 4.. Delapan Pertama Deret Uranium Unsur Inti Waktu paro Radiasi Energi α dan β (MeV) Uranium 38 9 U 34 Thorium 90 Th 34 Protactinium 91 Pa 4,5 x 109 thn 4,1 hari 6,75 jam α β α γ γ γ 4, 0,19,3 Uranium,47 x 105 thn α γ 4, U Thorium 8,0 x 104 thn α γ 4, Th Radium thn α γ 4,78 88 Ra Radon 86 Rn 3,8 hari α 5,49 Polonium 3,05 menit α 6, Po 4.3 HUKUM-HUKUM DALAM PELURUHAN TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Hukum-hukum dalam Peluruhan, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan hukum kekekalan massa-energi dalam peluruhan radioaktif Menjelaskan hukum kekekalan momentum linier dan sudutdalam peluruhan radioaktif Menjelaskan hukum kekekalan muatan elektrik dan nomor massa Hukum Kekalan Massa-Energi Seandainya inti awal adalah X meluruh menjadi Y, dengan memancarkan partikel b, maka: m c = ( m + m ) c X Y b + Q 35

41 Q = ( mx my mb ) c (4.14) Jelas, bahwa peluruhan ini terjadi jika nilai Q (energi) positif. Kelebihan energi Q ini muncul sebagai energi kinetik partikel-partikel hasil peluruhan: Q = K Y + K b (4.15) 4.3. Hukum Kekekalan Momentum Linier Jika inti yang meluruh pada awalnya diam, maka momentum total semua partikel hasil peluruhannya haru nol: p p = 0 (4.16) Y + b Biasanya, massa partikel yang dipancarakan b, lebih kecil dibanding massa inti sisa Y, sehingga momentum pental p Y menghasilkan energi kinetik K Y yang kecil Hukum Kekekalan Momentum Sudut Ada dua jenis momentum sudut, yaitu momentum sudut spin s dan momentum sudut gerak atau orbital l. Dalam kerangka diamdari inti X, momentum sudut total sebelum peluruhan adalah s X. Setelah peluruhan, terdapat spin inti Y dan partikel-partikel b. Juga ada momentum sudut l = r x p dari b dan Y, yang bergerak relatif terhadap titik dalam ruang yang semula ditempati inti X. Dengan demikian berlaku: s = s + s + l + l X Y b Y b (4.17) Hukum Kekekalan Muatan Elektrik Hukum ini merupakan bagian mendasar dalam seluruh proses peluruhan. Hukum ini menyatakan bahwa muatan elektrik sebelum dan sesudah peluruhan harus sama besar Hukum Kekealan Nomor Massa. Hukum ini menyatakan bahwa total nomor massa sebelum reaksi harus sama dengan nomor massa sesudah reaksi. Soal-soal: 1. Sampel suatu unsur radioaktif memiliki aktivitas 9 x 10 1 Bq. Waktu paro unsur tersebut 80 s. Berapa waktu yang diperlukan agar aktivitasnya tinggal x 10 1 Bq.. Berapa aktivitas satu gram 6 88 Ra yang memiliki waktu paro 16 tahun. 3. Berapa waktu yang diperlukan oleh bahan radioaktif yang berwaktu paro hari, agar 63/64 bagiannya melakukan peluruhan. 36

42 60 4. Co yang waktu apro-nya 5 tahun sering digunakan sebagai sumber radiasi dalam bidang kedokteran. Setelah berapa lama sejak cuplikan kobalt baru diterima dari pesanan, aktivitasnya akan berkurang hingga tinggal 1/8 aktivitas semula. 5. Zat radioaktif a (dengan konstanta peluruhan λ a ) meluruh menjadi b yang juga radioaktif (dengan konstanta peluruhan λ b ). Buktikan bahwa jumlah zat b yang tersisa λ t λa N b a0 λat λbt setelah t adalah N b = N b0e + ( e e ). λ λ b a Biografi Singkat Biografi BECQUEREL Antonie Henri Becquerel adalah ahli fisika dan sekretaris Academie des Sciences. Pada tahun 1896 ia menemukan radioaktivitas. Kemudian Pierre Curie dan Marie Curie mempelajari radioaktivitas lebih lanjut. Pada tahun 1903 Becquerel, Pierre Curie dan Marie Curie, mendapat Hadiah Nobel untuk fisika. Becquerel lahir pada 15 Desember 185 di Paris dan meninggal pada 5 Agustus 1908 di Le Croisic. Ayah dan kakeknya juga ahli fisika. Nama ayahnya Alexandre Edmond Becquerel dan nama kakeknya Antonie Cesar Becquerel. Pada umur 0 tahun ia kuliah di Ecole Polytechnique. Tiga tahun kemudian ia diangkat jadi dosen pada Perguruan Tinggi tersebut. Pada umur 6 tahun ia jadi guru besar di Musee d Histoire Naturelle, menggantikan ayah dan kakeknya. Pada umur 36 tahun ia mendapat gelar doktor. Tahun berikutnya ia diterima sebagai anggota Academie des Sciences. Pada umur 43 tahun ia diangkat menjadi guru besar di Ecole Polytechnique. Pada saat Rontgen menemukan sinar-x, Becquerel sangat tertarik dengan penemuan tersebut. Sinar-X berasal dari tempat yang berpendar di dalam tabung sinar katoda. Becquerel lalu berpikir apakah tidak ada benda lain yang juga memancarkan sinar yang sangat kuat daya tembusnya. Dalam percobaan yang dilakukan, sebenarnya Becquerel sedang mempelajari gejala fluoresens dan fosforesens (yang disebabkan sinar-x). Fluoresens adalah gejala dimana suatu benda dapat memancarkan cahaya yang berbeda ketika menerima cahaya dari luar. Fosforesens adalah gejala dimana suatu benda dapat memancarkan cahaya beberapa selang waktu kemudian setelah benda itu menerima cahaya dari luar, seperti pada jarum penunjuk arloji yang bersinar pada malam hari. Dalam penyelidikannya secara tidak sengaja, ia menemukan bahwa senyawa uranium dapat memancarkan radiasi yang daya tembusnya sangat kuat, seperti sinar-x. Mula-mula ia menduga bahan ini menyimpan energi matahari yang diperoleh sebelumnya. Kemudian ia menempatkan bijih uranium dalam kotak timah yang tertutup rapat dan menyimpannya beberapa bulan. Ternyata, meskipun sudah tertutup rapat, bahan uranium tersebut tetap menunjukkan keaktifan radiasi, yakni dapat menghitamkan film.. Becquerel menceritakan gejala ini kepada Marie Curie. Marie Curie menamakan gejala itu dengan radioaktivitas dan sinar yang berasal dari bijih uranium itu dinamakan sinar- Becquerel. Jadi, radioaktivitas pertama kali ditemukan oleh dia 37

43 CURIE Marie Sklodowska Curie adalah ahli fisika dan kimia. Marie Curie adalah orang pertama yang mendapat dua kali Hadiah Nobel, yang pertama untuk fisika dan yang kedua untuk kimia. Bersama suaminya Piere Curie dan Becquerel pada tahun 1903 Marie Curie mendapat Hadiah Nobel untuk fisika karena menemukan radioaktivitas. Pada tahun 1911 Marie Curie menadapat Hadiah Nobel Kimia karena menemukan polonium, radium dan mengisolasi radium. Marie Curie lahir di Warsama, Polandia pada 7 November 1867 dan meninggal di Savoy, Prancis pada 4 Juli 1934 karena menderita sakit kanker darah, akibat terlalu banyak terkena sinar radioaktif ketika menyelidiki radium. Sejak kecil ia adalah orang yang cerdas. Pada umur 15 tahun ia lulus Sekolah Menengah dengan nilai tertinggi. Tapi malang, orang tuanya miskin. Pada umur 17 tahun terpaksa mencari nafkah dengan menjadi guru privat. Pada saat itu Marie Curie ingin kuliah, tapi kebijakan di Polandia, gadis dilarang masuk Perguruan Tinggi. Oleh karena itu, ia menabung dan setelah tabungannya cukup ia pindah ke Paris dan kuliah di Sorbonne, bagian dari Universitas Paris. Pada tahun 1896 ia bertemu Pierre Curie. Tahun berikutnya ia melangsungkan pernikahan. Ia dikaruniai anak Irene dan Eve. Irene juga mendapat hadiah Nobel untuk kimia 1935 karena membuat unsur baru yang radioaktif. Eve terkenal karena menulis riwayat hidup ibunya. SEABORG (Penemu Deret Radioaktif) Glenn Theodore Seaborg adalah ahli kimia nuklir, pemenang Hadiah Nobel, dan bersama ilmuan lain menemukan plutonium, amerisium, kurium, berkelium, kalifornium, einsteinium, fermium, mendelevium, dan nobelium. Ia menemukan metode pemisahan kimia untuk membuat plutonium. Ia menemukan deretan radioaktif dan konsep aktinida mengenai kedudukan unsur-unsur berat dalam daftar periodik. Seaborg lahir di Michigan, AS, pada 19 April 191, keturunan imigran dari Swedia. Ia tamat SMA pada umur 17 tahun dan melanjutkan ke Universitas California. Mula-mula ia tertarik pada sastra. Tapi pada tahun ke-3 kuliah ia pindah jurusan. Ia menambil jurusan kimia dan fisika karena pengaruh seorang dosen yang pandai mengajar. Ia lulus pada umur tahun dan mendapat gelar doktor pada umur 5 tahun. Pada umur 7 tahun ia diangkat jadi instruktur di Berkeley. Di siklotron Ernest Lawrence ia menembaki unsur-unsur biasa dan menemukan banyak isotop penting yang dikemudian dipakai secara luas dalam bidang pengobatan dan industri. Pada tahun 1941 Seaborg bersama Edwin M. McMillan, Joseph W. Kennedy dan Arthur C. Wahl menemukan plutonium, unsur transuranium terpenting yang dipakai untuk bahan bakar di reaktor-reaktor nuklir dan sebagai bahan yang aktif dalam senjata nuklir. Pada tahun 1951 bersama Edwin M. McMillan ia mendapat Hadian Nobel karena menemukan unsur transuranium. Pada tahun 1958 ia diangkat menjadi rektor Universitas Berkeley. Pada tahun 1961 menjadi kepala Komisi Energi Atom AS. Pada tahun 1971 ia menjabat sebagai direktur Laboratorium Berkeley Lawrence. 38

44 V. PELURUHAN ALFA Sub-pokok Bahasan Meliputi: Peluruhan Partikel Alfa Karakteristik Partikel Alfa 5.1 PELURUHAN ALFA TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Alfa, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep peluruhan alfa Menjelaskan dan menghitung energi pada peluruhan alfa Menjelaskan teori mekanika kuantum pada peluruhan alfa Peluruhan Alfa Peluruhan alfa adalah emisi partikel alfa (inti helium) yang dapat dituliskan sebagai 4 He atau 4 α. Ketika sebuah inti tak stabil mengeluarkan sebuah partikel alfa, nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat. Peluruhan alfa dapat ditulis: A Z X Y A 4 4 Z + α Sebagai contoh 34 U meluruh dan mengeluarkan sebuah partikel alfa 34 U Th + α 5.1. Energi Peluruhan Alfa Dalam peluruhan dibebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat dari pada inti semula. Energi yang dibebaskan muncul sebagai energi kinetik partikel alfa Kα dan energi kinetik inti anak (inti hasil) Q K Y, yang dapat dihitung dengan persamaan: = ( mx my mα ) c (5.1) Karena energi yang dilepas muncul sebagai energi kinetik, maka: Q = K + (5.) Y K α Dengan asumsi kita memilih kerangka acauan laboratorium (dijelaskan pada reaksi inti). Selanjutnya, kita dapat menghitung energi kinetik alfa dengan persamaan: A 4 Kα Q (5.3) A 39

45 5.1.3 Teori Peluruhan Alfa Peluruhan alfa merupakan salah satu peristiwa efek trobosan (tunneling effect), seperti dibahas dalam mekanika kuantum. Diasumsikan dua netron dan dua proton yang berada dalam inti membentuk partikel alfa. Dua proton dan dua netron ini bergerak terus di dalam inti, yang kadang-kadang bergabung dan terkadang berpisah. Di dalam inti partikel alfa terikat oleh gaya inti yang sangat kuat. Tetapi jika partikel alfa inti bergerak lebih jauh dari jari-jari inti ia akan segera merasakan tolakan gaya Coulomb. Energi E α Partikel α R x Gambar 5.1 Potensial Inti dan Proses Efek Trobosan Oleh Partikel Alfa Tinggi potensial halang dalam inti berat sekitar 30 MeV sampai 40 MeV, sementara partikel alfa hanya memiliki energi sekitar 4 sampai 8 MeV. Jadi, secara klasik partikel alfa tidak akan mengkin menerobos potensial Coulomb yang begitu besar. Namun, dalam mekanika kuantum, penerobosan seperti itu diijinkan. Terdapat peluang partikel alfa untuk menerobos dinding yang begitu tebal dan kuat Probabilitas persatuan waktu λ.bagi partikel alfa untuk muncul adalah probabilitas menerobos potensial halang dikalikan banyaknya partikel alfa menumbuk penghalang per detik dalam usahanya untuk keluar. Jika partkel alfa bergerak dengan laju ν di dalam sebuah inti berjari-jari R, maka selang waktu yang dibutuhkan untuk menumbuk penghalang bolak-balik dalam inti sebesar R / ν. Inti berat nilai R sekitar 6 fm, maka partikel alfa menumbuk dinding inti berat sebesar 10 kali per detik. Taksiran kasar probabiltas peluruhan alfa, berdasarkan mekanika kuantum adalah 40

46 v = e R k ( R R) λ (5.4) Dengan k = (m / )( V ) /, V B B K α merupakan tinggi maksimum penghalang atau merupakan energi Coulomb partikel alfa pada permukaan inti atom, yang besarnya = ( Z ) e / 4πε R, dan R = ( z ) e / 4πε 0Kα. Jika persamaan diatas dihitung, V B 0 maka akan didapatkan nilai antara 10 5 eksperimen. /s hingga 10-1 /s, lumayan sama dengan hasil Berdasarkan data eksperimen, usia paro peluruhan alfa ada ketergantungan dengan energi artikel alfa. Semakin besar energi partikel alfa, waktu paro nya semakin cepat dan sebaliknya. Dikusikanlah masalah ini! Isotop Tabel 5.1 Hubungan Energi Kinatik Alfa Dengan Waktu Paro K α (MeV) 1/ t λ (1/s) 3 Th 4,01 1,4 x thn 1,6 x U 4,19 4,5 x 10 9 thn 4,9 x Th 4,69 8,0 x 10 4 thn,8 x Pu 5,50 88 thn,5 x U 5,89 0,8 hari 3,9 x Rn 6,9 56 s 1, x 10 - Ac 7,01 5 s 0,14 16 Rn 8,05 45 µ s 1,5 x Po 8,78 0,3 µ s,3 x KARAKTERISTIK PARTIKEL ALFA TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Karakteristik Partikel Alfa, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan dan menghitung daya jangkau partikel alfa di udara dan di bahan Menjelaskan dan menghitung daya ionisasi partikel alfa 5..1 Daya Jangkau Partikel Alfa Berdasarkan hasil eksperimen diketahui bahwa kecepatan gerak partikel alfa berkisar antara 0,054 c hingga 0,07 c. Karena massa partikel alfa cukup besar, yaitu 4 u, maka 41

47 jangkauan partikel alfa sangat pendek.partikel alfa dengan energi paling tinggi, jangkauannya di udara hanya beberapa cm. Sedangkan dalam bahan hanya beberapa mikron. Partikel alfa yang dipancarkan oleh sumber radioaktif memiliki energi tunggal (mono-energetic). Bertambah tebalnya bahan hanya akan mengurangi energi partikel alfa yang melintas, tetapi tidak megurangi jumlah partikel alfa itu sendiri. Pengujian jejak partikel alfa dengan kamar kabut Wilson, menunjukkan bahwa sebagian besar partikel alfa memiliki jangkauan yang sama di dalam gas dan bergerak dengan jejak lurus. Jangkauan partikel alfa biasanya diukur di udara pada suhu 0 C dan tekanan 70 mmhg dan dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut. d ( cm) = 0,56 x E ( MeV ) E < 4 MeV (5.5) d ( cm) = 1,4 x E ( MeV ),6 4 < E < 8 MeV Sedangkan jangkauannya dalam medium (d m ) selain udara didefinisikan dengan pendekatan persamaan Bragg-Kleeman sebagai berikut: d m 3, x10 = ρ m 4 A m d (5.6) dengan A m = n1 A1 + n A +... n A + n A ρ m adalah massa jenis medium (gr/cm 3 ) N i fraksi atom dari unsur i A i berat atom unsur i Contoh Berapak jangkauan partikel alfa dengan energi 4,195 MeV di dalam molekul UO dengan masaa jenis 10,9 gr/cm 3. Diketahui massa atom U dan O masing-masing 38 dan 16 Jawab Molekul UO terdiri atas 3 atom (1 U dan O), sehingga fraksi atom untuk U, n =1/3 dan untuk O, n = /3 A UO (1/ 3)(38) + ( / 3)(16) = (1/ 3) 38 + ( / 3) 16 = 11,5 Jangkauan partikel alfa di udara d = 1,4 x 4,195,6 =,58 cm 4

48 Maka jangkau partikel alfa di dalam molekul UO 4 3, x10 (11,5) 4 d UO = = 8,73 x10 cm 10,9 5.. Daya Ionisasi Mekanisme utama hilangnya energi partikel alfa adalah melalui ionisasi dan eksitasi. Dalam udara partikel alfa rata-rata kehilangan energi sebesar 3,5 ev untuk menghasilkan pasangan ion (p, e). Sementara eksitasi terjadi ketika energi yang ditransfer ke elektron atom medium, tidak cukup untuk melepaskan elektron dari pengaruh ikatan inti. Partikel alfa bergerak cukup pelan karena massanya yang relatif besar. Karena muatannya juga besar (e), maka ionisasi spesifik sangat tinggi. Ionisasi sepisifik adalah banyaknya pasangan ion yang terbentuk per satuan panjang lintasan. Pasangan ion yang terbentuk dalam orde puluhan ribu paangan ion per centimeter lintasan di udara. Ionisasi spesifik (I s ) dirumuskan: Pasangan ion Kα I s = = ( pasangan ion / cm) jangkaun α ( cm) W. d (5.7) K α adalah energi partikel alfa (ev) dan W adalah energi yang diperlukan untuk membentuk 1 pasang ion di udara, 35 ev/pasang Pasangan ion per mm-udara Energi partikel alfa (MeV) Gambar 5. Kurva Bragg untuk Ionisasi Spesifik Partikel Alfa di Udara 43

49 Contoh Berapa jumlah pasangan ion per cm di udara yang dihasilkan oleh partikel alfa dengan energi 4,5 MeV Jawab Jangkaun alfa di udara d = 1,4 x 4,5,6 =,96 cm Jumlah pasngan ion per cm 6 4,5 x10 ev I s = = pasang ion / cm 35eV x,96cm Soal-soal: Hitunglah energi yang dilepas pada peluruhan alfa dari U 34. Diketahui massa U dan massa 30 Th adalah 34,040947u dan 30,033131u. Hitunglah energi kinetik partikel alfa yang dipancarkan dari 6 Ra. Diketahui massa 6 Ra. dan Rn adalah,05406u dan,017574u Pt memancarkan partikel alfa dengan energi 3,16 MeV. Tentukan jangkaun partikel alfa tersebut di dalam air (H O) jika diketahui ρ air 1 gr/cm 3, massa atom H = 1 dan O = Pu memancarkan partikel alfa dengan energi 5,15 MeV. Tentukan ionisasi spesifik 94 partikel alfa di dalam gas Xenon, jika untuk pembentukan 1 pasang ion gas Xenon diperlukan energi ev. A 4 5. Buktikan bahwa energi kinetik alfa adalah: Kα Q A 44

50 VI. PELURUHAN BETA Sub-pokok Bahasan Meliputi: Peluruhan Beta Karakteristik Sinar Beta 6.1 PELURUHAN BETA TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Beta, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep peluruhan beta negatif dan beta positif dan hakikat partikel beta Menjelaskan hipotesis neutrino dan anti-neutrino Menjelaskan proses tangkapan elektron oleh inti Menjelaskan dan menghitung energi dalam proses peluruhan beta Peluruhan Beta Dalam peluruhan beta, sebuah proton berubah menjadi inti atau sebaliknya. Jadi Z dan N masing-masinng berubah satu satuan, tetapi A tidak berubah. Pada peluruhan beta, yang paling utama adalah sebuah netron meluruh menjadi sebuah proton dan sebuah elektron n p + e Ketika proses peluruhan ini pertama kali dipelajari, partikel yang dipancarkan disebut partikel beta, kemudian baru diketahui bahwa partikel itu adalah elektron. Elektron yang dipancarkan pada peluruhan beta bukanlah elektron kulit atom dan juga bukan elektron yang semula berada dalam inti. Tetapi elektron ini diciptakan oleh inti dari energi yang ada. Jika ada beda energi diam sekurang-kurangnya penciptaan elektron sangat mungkin terjadi. m e c, maka 6.1. Hipotesis Neutrino Dari eksperimen yang telah dilakukan berkaitan dengan peluruhan beta ini, yaitu: 1. Spin intrinsik proto, netron dan elektron masing-masing bernilai ½. Jika terjadi peluruhan netron (spin ½), gabungan spin proton dan elektron hasil peluruhan bisa sejajar (spin total = 1) atau berlawanan (spin total 0), dan tidak ada kemungkinan 45

51 spin totalnya ½. Oleh karena itu, proses peluruhan ini tampaknya melanggar hukum kekekalan momentum sudut. Persoalan energi beta. Dari pengukuran elektron yang dipancarkan didapatkan bahwa spektrum energinya kontinyu dari 0 hingga nilai maksimum K e(max). Menurut perhitungan dalam peluruhan netron, nilai Q = ( mn m p me ) c = 0, 78 MeV. Persoalan distribusi energi yang kontinyu ini (karena adanya beberapa energi yang hilang), dicoba dipecahkan oleh para fisikawan eksperimen sebelum tahun 1930, tapi semuanya tidak berhasil. Jumlah elektron K e (max) Energi kinetik elektron Gambar 6.1. Grafik Distribusi Energi Partikel Beta Pemecahan terhadap fenomena yang tampak melanggar hukum kekekalan momentum sudut dan energi ini ditemukan oleh Wolfgang Pauli. Ia mengusulkan bahwa ada partikel ketiga yang dipancarkan pada peluruhan beta ini. Partikel ketiga ini bermuatan elektrik nol dan memiliki spin ½. Hilangnya energi ini tidak lain adalah energi yang diambil partikel ini. Partikel ini disebut neutrino (yang dalam bahasa Italia berarti netral kecil) dan diberi lambang ν. Neutrino ini memiliki massa diam nol. Neutrino ini juga memiliki anti partikel yang dinamakan antineutrino ν. Pada kenyataannya yang dipancarkan dalam peluruhan beta adalah antineutrino. Dengan demikian proses peluruhan beta secara lengkap adalah: n p + e +ν Energi reaksi ini muncul sebagai energi kinetik elektron, energi antineutrino dan energi pental proton. Proses peluruhan beta lainnya adalah peluruhan proton, yang reaksinya p n + e + +ν 46

52 + e adalah elektron positif atau positron yang merupakan antipartikel dari elektron. Positron memiliki massa sama dengan elektron, tetapi memiliki muatan elektrik yang berlawanan. Apabila positron bertemu dengan elektron, keduanya akan bergabung dan musnah. Proses ini dinamakan annihilasi. Energi keduanya berubah menjadi gelombang elektromagnetik. Jumlah positron K e (max) Energi kinetik positron Gambar 6.. Grafik Distribusi Energi Positron Tangkapan Elektron Salah satu proses peluruhan inti adalah tangkapan elektron (Electron capture, EC). Proses reaksinya adalah p + e n +ν Di sini sebuah proton menagkap elektron dariorbitnya beralih menjadi sebuah netron ditambah sebuah neutrino. Elektron yang ditangkap ini adalah elektron terdalam sebuah atom, dan proses ini dicirikan dengan kulit asal elektronnya: tangkapan kulit K, kulit L, dan seterusnya. Tangkapan elektron ini tidak terjadi pada proton bebas, tetapi hanya proton yang ada di dalam inti Energi Peluruhan. Peluruhan beta terjadi pada sebuah inti atom. Pada saat pemancaran e, sebuah inti atom dengan Z proton dan N netron meluruh ke inti atom lain dengan Z + 1 proton dan N 1 netron. X A + Y + e A Z N Z 1 N 1 +ν Nilai Q dari peluruhan ini, dihitung dengan mengurangi massa-massa elektron (Zm e ) 47

53 ( m X Q = ( m Zm ) c X e m ) c Y = ( m Y ( Z + 1) m e ) c + m c e + Q (6.1) Massa elektron saling menghapuskan dalam perhitungan Q. Energi yang dilepas dalam peluruhan ini sebagai energi kinetik antineutrino, energi kinetik elektron dan sejumlah kecil energi kinetik inti. Elektron memiliki energi kinetik maksimum jika energi antineutrino hampir nol. Sedangkan dalam pemancaran dapat digambarkan X Y A A Z N Z 1 N + 1 Nilai Q pada proses ini + e + +ν + e, proton inti berubah menjadi netron. Reaksinya ( m X Q = ( m Zm ) c X e m Y = ( m Y m e ( Z 1) m ) c e ) c + m c Sedang untuk tangkapan elektron, reaksinya e + Q (6.) A Z X N A + e Z 1Y N + Dan nilai Q-nya 1 +ν Contoh ( m X Q = ( m Zm ) c X e m ) c Y + m c e = ( m Y ( Z 1) m e ) c + Q Berapakah energi maksimum elektron yang teremisi dari peluruhan Jawab Reaksi peluruhan H He + e + v e di dalam H (6.3) Q = ( mh mhe ) c = (3,016050u 3,016030u) x931,5 MeV / u = 0, 0186 MeV Energi kinetik inti He bisa diabaikan karena terlalu kecil sehingga K e terjadi pada saat K v = 0, maka K e = 0,0186 MeV 6. KARAKTERISTIK PARTIKEL BETA TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Karakteristik Partikel Beta, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan dan menghitung daya jangkau partikel beta di udara dan di bahan Mejelaskan dan menghitung daya ionisasi partikel beta 48

54 6..1 Daya Jangkau Sinar Beta Sinar beta, baik elektron atau positron, keduanya termasuk kelompok partikel ringan bermuatan. Besar massa diam dan muatan elektriknya juga sama, hanya tandanya saja yang berlawanan. Kecepatan gerak di udara antara 0,3 c sampai 0,7 c. Jejak partikel beta ini berbelok-belok karena elektron ini mengalami hamburan di dalam bahan. Energi rata-rata elektron ini (1/3) K max, sedangkan untuk positron 0,4 K max. Panjang jangkaun partikel ini di medium dinyatakan dalam cm, namun kadangkadang juga dinyatakan dalam bentuk ketebalan densitas (density thickness, d t ) dengan satuan massa per satuan luas (mg/cm ) untuk menggantikan jarak atau ketebalan (d). ) d t ( mg / cm ) = d( cm) x ρ( mg / cm 3 (6.4) ρ adalah massa jenis medium. Dengan sistem satuan ini, jangkauan partikel di dalam medium tidak lagi memperhatikan jenis bahan medium. Perumusan matematis yang menunjukkan hubungan antara jangkauan d t dan energi maksimum K m (MeV) adalah sebagai berikut: dt ( mg / cm ) = 41 K d ( mg / cm ) = 530 K t 1,65 0,0954 ln( Km ) m m 106 untuk 0,01 K m,5 MeV untuk K >,5 MeV m (6.5) Contoh Berapakah jangkauan linier partikel beta (dalam cm) dengan energi maksimum,86 MeV yang dipancarkan dari inti Jawab 56 5 Mn yang melewati aluminum. d t = 530 x,86 10,6 = 1410 mg / cm dt d = ρ Al 1,41g / cm =,7 gr / cm 3 = 0,5 cm = 1,41 g / cm 6.. Daya Ionisasi Partikel Beta Mekanisme hilangnya partikel beta sama dengan mekanisme pada partikel alfa, yaitu diserap bahan yang dilewati untuk proses ionisasi dan eksistasi. Partikel beta akan kehilangan energi 3,4 ev setiap pembentukan satu pasang ion. Namun karena partikel beta lebih kecil (sekitar 1/7300 dari massa partikel alfa) dan muatan yang lebih rendah (1/ dari partikel alfa), maka konsekuensinya partikel beta dalam sepanjang jejaknya tidak memproduksi pasangan ion per cm sebanyak yang dibentuk 49

55 partikel alfa. Partikel beta dengan energi 3 MeV mempunyai jangkaun di udara lebih dari cm namun hanya mampu menghasilkan beberapa pasangan ion per mm sepanjang jejaknya. Ionisasi spesifik (I s ) partikel beta di udara bervariasi dari 60 sampai pasangan ion per cm. Ionisasi spesifik bernilai besar untuk partikel beta berenergi rendah, selanjutnya berkurang secara cepat untuk energi yang makin besar, hingga mencapai minimum pada energi sekitar 1 MeV. Ionisasi spesifik ini berlahan-lahan naik untuk energi lebih besar dari 1 MeV. Persamaan ionisasi spesifik ditulis: dk / dx I s = (6.6) W dk/dx adalah laju kehilangan energi akibat ionisasi dan eksitasi oleh partkel beta (MeV/cm) dan W adalah energi rata-rata untuk membentuk satu pasangan ion. Satu hal yang menarik, karena partikel beta bermuatan listrik dan bergerak dengan kecepatan tinggi, apabila melintas dekat inti atom, maka gaya elektrostatik inti menyebabkan partikel beta membelok dengan tajam. Peristiwa ini menyebabkan partikel beta kehilangan energinya dengan memancarkan gelombang elektromagnetik yang dikenal sinar-x Bremsstrahlung. Soal-soal: 1. Tentukan energi minimum suatu antineutrino yang menghasilkan reaksi ν + p n + e + 7. Tentukanlah energi yang dilepas ketika 4 Be mengalami tangkapan elektron. 7 7 Diketahui massa 4 Be dan 3 Li adalah 7,01699u dan 7, u Inti Ne meluruh ke inti 3 Na dengan memancarkan beta negatif. Berapakah 3 energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan. Diketahui massa Ne dan 3 Na adalah,994466u dan,989770u Inti atom K memancarkan partikel beta dengan energi 1,3 MeV. Tentukan jangkauan linier partikel beta di dalam air (ρ air = 1 gr/cm 3 ). 5. Inti 90 Sr memancarkan partikel beta dengan energi 0,546 MeV. Tentukan tebal bahan yang diperlukan untuk menahan semua radiasi beta tersebut jika bahan yang digunakan aluminium (ρ Al =,7 gr/cm 3 ). 50

56 VII. PELURUHAN GAMMA Sub-pokok Bahasan Meliputi: Peluruhan Gamma Absorbsi Sinar Gamma Interaksi Sinar Gamma dengan Materi 7.1. PELURUHAN GAMMA TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Gamma, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan proses peluruhan gamma Menjelaskan hakikat sinar gamma sebagai gelombang elektromagnetik Setelah peluruhan alfa dan beta, inti biasanya dalam keadaan tereksitasi. Seperti halnya atom, inti akan mencapai keadaan dasar (stabil) dengan memancarkan foton (gelombang elektromagnetik) yang dikenal dengan sinar gamma (γ). Dalam proses pemancaran ini, baik nomor atom atau nomor massa inti tidak berubah. ( X ) A * A X + γ Energi gelombang ini ditentukan oleh panjang gelombang (λ) atau oleh frekuensinya (f) sesuai persamaan E = hf = hc / λ (7.1) dengan h adalah tetapan plank yang besarnya 6, Js. Energi tiap foton adalah beda energi antara keadaan awal dan keadaan akhir inti, dikurangi dengan sejumlah koreksi kecil untuk energi pental inti. Energi ini berada pada kisaran 100 KeV hingga beberapa MeV. Inti dapat pula dieksitasi dari keadaan dasar ke keadaan eksitasi dengan menyerap foton dengan energi yang tepat. Gambar 7.1 memperlihatkan suatu diagram tingkat energi yang khas dari keadaan eksitasi inti dan beberapa transisi sinar gamma yang dipancarkan. Wakto paro khas bagi tingkat eksitasi inti adalah 10-9 hinga 10-1 s. Ada beberapa yang memiliki waktu paro lama (beberapa jam bahkan beberapa hari). Intiinti yang tereksitasi seperti ini dinamakan isomer dan keadaan tereksitasinya dikenal sebagai keadaan isomerik. 51

57 198 Au e - e - γ γ 3 0,41 MeV γ Hg Gambar 7.1 Diagram Tingkat Energi Inti Dalam menghitung energi partikel alfa dan beta yang dipancarkan dalam peluruhan radioaktif di depan dianggap tidak ada sinar gamma yang dipancarkan. Jika ada sinar gamma yang dipancarkan, maka energi yang ada (Q) harus dibagi bersama antara partikel dengan sinar gamma. 7. ABSORBSI SINAR GAMMA TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Absorbsi Sinar Gamma, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan dan menghitung penyerapan sinar gamma oleh material Menjelaskan dan menghitung nilai tebal paro Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang membawa energi dalam bentuk paket-paket yang disebut foton. Jika sinar gamma masuk ke dalam suatu bahan, juga mengahsilkan ionisasi, hanya saja ionisasi yang dihasilkan sebagian besar melalui proses ionisasi sekunder. Jadi, jinar gamma berinteraksi dengan materi hanya beberapa pasang ion primer saja yang terbentuk. Ion-ion primer itu selanjutnya melakukan proses ionisasi sekunder sehingga diperoleh pasangan ion yang lebih banyak dibandingkan yang terbentuk pada proses ionisasi primer. Apabila sinar gamma (gelombang elektromagnetik) memasuki perisai, maka intensitas radiasi saja yang akan berkurang, sedangkan energi tetap tidak berubah. I µ d = I 0 e (7.) 5

58 Dengan Io adalah intensitas mula-mula, I Intensitas yang diteruskan, d adalah ketebalan bahan perisasi dan μ adalah koefisien serapan linier bahan perisai. Karena μd tidak memiliki satuan, maka satuan μ dan d menyesuaikan. Jika d dalam cm, maka μ dalam 1/cm. Nilai μ untuk setiap bahan sangat bergantung pada nomor atom bahan dan juga pada radiasi gamma. Untuk beberapa tujuan tertentu, seringkali tabel bahan perisai tidak dinyatakan dalam tebal linier dengan satuan panjang, tetapi dinyatakan dalam tebal kerapatan (gr/cm ). Jika besaran itu yang dipakai maka koefisien serapan bahan dinyatakan dalam koefisiem serapan massa μ m dengan satuan cm /gr. Hubungan keduanya dinyatakan dalam: 1 µ ( cm ) = µ m ( cm / gr) x ρ( gr / cm 3 ) (7.3) Selain kedua koefisien serapan tersebut, juga digunakan koefisien serapan atomik (μ a ), yaitu fraksi berkas radiasi gamma yang diserap oleh atom. Koefisien serapan atomik dirumuskan 1 µ ( cm ) µ a ( cm / atom) = 3 N( atom / cm ) (7.4) Dengan N adalah jumlah atom penyerap per cm 3. Koefisien serapan atomik ini selalu menunjukkan tampang lintang (cross section) dengan satuan barn. Koefisien serapan atomik seringkali disebut microscopic cross section (σ), sedangkan koefisien serapan linier sering dikenal dengan istilah macroscopic cross section ( = N σ ). Sedangkan nilai tebal paro atau half value thickness (HVT) adalah tebal bahan perisai yang diperlukan radiasi gelombang elektromagnetik untuk mengurangi intensitas radiasinya, sehingga tinggal setengah dari semula. Jika penurunan intensitas dirumuskan 1 setengahnya I = I 0 Maka 1 barn = 10-4 cm I µ d = I 0e dan pada saat intensitas menjadi 0,693 HVT = (7.5) µ 53

59 Dilihat dari daya tembusnya, radiasi gamma memiliki daya tembus paling kuat dibandingkan dengan radiasi partikel yang dipancarkan inti radioaktif lainnya. Sebaliknya, daya ionisasinya paling lemah. Karena sinar gamma termasuk gelombang elektromagnetik, maka kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya. 7.3 INTERAKSI SINAR GAMMA DAN MATERI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Interaksi Sinar Gamma dengan Materi, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan jenis-jenis interaksi sinar gamma dan materi Menjelaskan efek foto listrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi gamma melewati bahan, yaitu efek fololistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut melepaskan elektron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan. Peluang terjadinya interaksi antara radiasi gamma dengan bahan ditentukan oleh koefisien absorbsi linier (μ). Karena penyerapan intensitas gelombang elektromagnetik melalui tiga proses utama, maka nilai μ juga ditentukan oleh peluang terjadinya ketiga proses tersebut, yaitu μ f untuk foto listrik, μ c untuk hamburan Compton dan μ pp untuk produksi pasangan. Koefisien absorbsi total (μ t ) dari ketiga koefisien tersebut µ + t = µ f + µ c µ pp (7.6) Efek fotolistrik Efek foto listrik adalah peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh elektron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan atom. Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron.efek foto listrik terutama terjadi antara 0,01 MeV hingga 0,5 MeV. Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi pada materi dengan Z yang besar, seperti tembaga (Z = 9). Energi foton yang datang sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam bentuk energi kinetik elektron dan sebagian lagi digunakan untuk melawan energi ikat elektron (W 0 ). Besarnya energi kinetik fotoelektron (K) dalam peristiwa ini adalah: K = hf W 0 (7.7) 54

60 Dari persamaan 7.7 terlihat bahwa agar efek fotolistrik terjadi, maka energi foton harus sekurang-kurangnya sama dengan energi ikat elektron yang berinteraksi Hamburan Compton Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hf berinteraksi dengan elektron bebas atau elektron yang tidak terikat dengan kuat oleh inti, yaitu elektron terluar dari atom. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti dan bergerak dengan energi kinetik tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton datang. Foton lain ini dinamakan foton hamburan. Kemungkinan terjadinya hamburan Compton berkurang bila energi foton yang datang bertambah dan bila Z bertambah. Dalam hamburan Compton ini, energi foton yang datang yang diserap atom diubah menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan. Perubahan panjang gelombang foton hamburan dari λ menjadi λ dirumuskan λ = λ λ = h mec ( 1 cosθ ) dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh (7.8) λ ( A ) = 0,04(1 cosθ ) (7.9) Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 00 kev hingga 5 MeV dalam sebagian besar unsur-unsur ringan Produksi pasangan Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai gantinya akan timbul sepasang elektron-positron. Karena massa diam elektron ekivalen dengan energi 0,51 MeV, maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energi foton 1,0 MeV (m e c ). Energi kinetik total pasagan elektron-positron sesuai dengan persamaan: hf = K e + K p + mec + m p c. (7.10) Kedua partikel ini akan kehilangan energinya melalui proses ionisasi atom bahan. Positron yang terbentuk juga bisa bergabung dengan elektron melalui suatu proses yang dinamakn annihiliasi. 55

61 Soal-soal: 8 1. Inti Th memancarkan alfa menjadi 4 Ra dalam keadaan tereksitasi, yang kemudian meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan foton 17 KeV. Hitunglah energi kinetik partikel alfa. Massa dan 4,00196u 1. Inti N 8 Th dan 4 Ra adalah 8,0876u memancarkan beta positif ke keadaan eksitasi 1 C, yang sesudah itu meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan sinar gamma 4,43 MeV. 1 Berapakah energi kinetik maksimum partikel beta yang dipancarkan. Massa N dan 1 C adalah 1,018613u dan 1,004756u. 3. Radiasi gamma dengan energi 1,5 MeV mengalami hamburan Compton dengan sudut hambur 60 0 dari arah datangnya radiasi. Tentukan panjang gelombang foton terhambur. 4. Radiasi elektromagnetik dengan energi 06 ev diserap oleh suatu bahan. Jika energi yang diperlukan untuk melepas elektron dari ikatan inti sebesar 4 ev, berapa energi kinetik fotoelektron yang terlepas. 5. Koefisien serapan linier suatu bahan 0,5/cm. Berapa tebal bahan yang diperlukan untuk mengurangi intensitas sinar gamma menjadi ¼ dari intensitas semula. 56

62 VIII. DETEKSI RADIASI NUKLIR Sub-pokok Bahasan Meliputi: Detektor Isian Gas Detektor Sintilator Detektor Kamar Kabut 8.1 DETEKTOR ISIAN GAS TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Detektor Isian Gas, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan prinsip kerja detektor ionisasi gas Menjelaskan dan mengoperasikan detektor ionisasi gas pada daerah kamar ionisasi, daerah proporsional dan Geiger-Muller Prinsip Kerja Sinar radioaktif tidak dapat dilihat dengan mata biasa, sehingga untuk mendeteksinya harus digunakan alat. Alat deteksi sinar radioaktif dinamakan detektor radiasi. Salah satu jenis detektor radiasi yang pertama kali diperkenalkan dan sampai saat ini masih digunakan adalah detektor ionisasi gas. Detektor ini memanfaatkan hasil interaksi antara radiasi pengion dengan gas yang dipakai sebagai detektor. Lintasan radiasi pengion di dalam bahan detektor dapat mengakibatkan terlepasnya elektron-elektron dari atom bahan itu sehingga terbentuk pasangan ion positif dan ion negatif. Karena bahan detektornya berupa gas maka detektor radiasi ini disebut detektor ionisasi gas. Jendela tipis Silinder metal Isolasi Menuju amplifier Kawat Gas R Gambar 8.1 Skema Detektor Isian Gas 57

63 Jumlah pasangan ion yang terbentuk bergantung pada jenis dan energi radiasinya. Radiasi alfa dengan energi 3 MeV misalnya, mempunyai jangkaun (pada tekanan dan suhu standar) sejauh,8 cm dapat menghasilakn pasangan ion per mm lintasannya. Sedang radiasi beta dengan energi kinetik 3 MeV mempunyai jangkaun dalam udara (pada tekanan dan suhu standar) sejauh cm dan menghasilkan pasangan ion sebanyak 4 pasang tiap mm lntasannya. Detektor ionisasi gas berbentuk silinder yang diisi gas dan mempunyai dua elektroda. Dinding tabung yang dipakai sebagai selubung gas sebagai elektroda negatif (katoda). Kawat di tengah-tengah tabung berfungsi sebagai elektroda positif (anoda). Kedua elektroda berfungsi sebagai keping-keping kapasitor. Apabila kapasitas dari kapasitor adalah C dan beda potensial antara kedua elektrodanya adalah sebesar sumber tegangannya V, maka muatan listrik Q yang disimpan dalam kapasitor adalah: Q = C x V (8.1) Masuknya radiasi ke dalam tabung detektor menyebabkan terbentuknya pasangan ion. Ion positif akan tertarik ke katoda dan ion negatif tertarik ke anoda. Karena menarik ionion yang berlawanan, maka akan terjadi pengurangan muatan listrik pada masing-masing elektroda. Penurunan jumlah muatan itu, mengakibatkan penurunan tegangan antara kedua elektroda, yang dirumuskan: Q V = (8.) C Jika N menyatakan jumlah pasangan ion yang terbentuk dan e adalah muatan elektron (1,6 x C) maka jumlah penurunan muatan pada kapasitor: Q = Ne (8.3) Dengan mensubstitusi persamaan 8. dan 8.3 diperoleh: Ne V = (8.4) C Dari persamaan tersebut terlihat bahwa penurunan tegangan sebanding dengan pasangan ion yang terbentuk. Sedang jumlah pasangan ion itu sendiri bergantung pada jenis dan energi radiasi yang ditangkap detektor. Perubahan tegangan itu akan mengakibatkan terjadinya aliran listrik (denyut out put) yang dapt diubah menjadi angkaangka hasil cacahan radiasi. 58

64 Dengan memanfaatkan tingkah laku ion-ion gas dalam medan listrik, telah berhasil dikembangkan tiga jenis alat pantau radiasi yang menggunakan gas sebagai detektornya, yaitu: alat pantau kamar ionisasi, alat pantau proporsional, dan alat pantau Geiger-Muller (GM). Ketiganya mempunyai bentuk dasar dan prinsip kerja yang sama. Perbedaanya terletak pada tegangan operasi masing-masing Detektor Kamar Ionisasi Detektor kamar ionisasi beroperasi pada tegangan paling rendah. Jumlah elektron yang terkumpul di anoda sama dengan jumlah yang dihasilkan oleh ionisasi primer. Dalam kamar ionisasi ini tidak terjadi pelipat-gandaan (multiplikasi) jumlah ion oleh ionisasi sekunder. Dalam daerah ini dimungkinkan untuk membedakan antara radiasi yang berbeda ionisasi spesifikasinya, misalnya antara partikel alfa, beta dan gamma. Namun, arus yang timbul sangat kecil, kira-kira 10-1 A sehingga memerlukan penguat arus sangat besar dan sensitivitas alat baca yang tinggi Detektor Proporsional Salah satu kelemahan dalam mengoperasikan detektor pada daerah kamar ionisasi adalah out put yang dihasilkan sangat lemah sehingga memerlukan penguat arus sangat besar dan sensitivitas alat baca yang tinggi. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, tetapi masih tetap dapat memanfaatkan kemampuan detektor dalam membedakan berbagai jenis radiasi, maka detektor dapat dioperasikan pada daerah proporsional. Alat pantau proporsional beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi daripada kamar ionisasi. Daerah ini ditandai dengan mulai terjadinya multiplikasi gas yang besarnya bergantung pada jumlah elektron mula-mula dan tegangan yang digunakan. Karena terjadi multiplikasi maka ukuran pulsa yang dihasilkan sangat besar. Anoda _ Ion negatif mula-mula Katoda Gambar 8.. Proses Multiplikasi Ion + Ion positif mula-mula 59

65 Multiplikasi terjadi karena elektron-elektron yang dihasilkan oleh ionisasi primer dipercepat oleh tegangan yang digunakan sehingga elektron tersebut memiliki energi yang cukup untuk melakukan ionisasi berikutnya (ionisasi sekunder). Meskipun terjadi multiplikasi, namun jumlah elektron yang dihasilkan tetap sebanding (proporsional) dengan ionisasi mula-mula. Karena itu dinamakan alat pantau proporsional. Keuntungan dari alat pantau proporsional adalah bahwa alat ini mampu mendeteksi radiasi dengan intensitas cukup rendah. Namun, memerlukan sumber tegangan yang super stabil, karena pengaruh tegangan pada daerah ini sangat besar terhadap tingkat multiplikasi gas dan juga terhadap tinggi pulsa out put Detektor Geiger-Muller Detektor Geiger-Muller (GM) beroperasi pada tegangan di atas detektor proporsional. Dengan mempertinggi tegangan akan mengakibatkan proses ionisasi yang terjadi dalam detektor menjadi jenuh. Pulsa yang dihasilkan tidak lagi bergantung pada ionisasi mulamula maupun jenis radiasi. Jadi, radiasi jenis apapun akan menghasilkan keluaran sama. Karena tidak mampu lagi membedakan berbagai jenis radiasi yang ditangkap detektor, maka detektor GM hanya dipakai untuk mengetahui ada tidaknya radiasi. Keuntungan dalam pengoprasian GM ini adalah denyut out put sangat tinggi, sehingga tidak diperlukan penguat (amplifier) atau cukup digunakan penguat yang biasa saja Daerah Rekombinasi Kamar Ionisasi Daerah Proporsional Terbatas Daerah GM 10 6 Daerah Proporsional Daerah Discharge 10 4 Partikel alfa 10 Elektron V (volt) Gambar 8.3. Grafik Pembagian Daerah Kerja Detektor Isian Gas 60

66 8. DETEKTOR SINTILASI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Detektor Sintilasi, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan prinsip detektor sintilasi Menjelaskan spektroskopi gamma dengan detektor sintilasi Detektor generasi lebih baru dibanding dengan detektor isian gas adalah detektor sintilasi. Detektor jenis ini menggunakan dasar efek sintilasi (kelipan) apabila bahan sintilator dikenai suatu radiasi nuklir. Proses ini terutama disebabkan oleh proses eksitasi yang diikuti oleh deeksitasi. Banyak bahan yang bersifat sintilator ini tetapi mempunyai kebolehjadian efek sintilasi yang berbeda-beda untuk ketiga jenis radiasi α, β dan γ. Untuk radiasi α biasa dipakai bahan ZnS(Ag), CsI(Tr). Untuk radiasi β adalah jenis plastik, organik (antrasin). Sedang untuk γ sering dipakai NaI(Tl) juga plastik. Mengenai proses sintilasinya dapat dijelaskan sebagai berikut. Ditinjau tingkattingkat energi atom sintilatornya. Sebagai contoh adalah ZnS(Ag). Pita Konduksi Pita Eksitasi Pita Jebakan 10 ev 3 ev Tingkat eksitasi aktivator Tingkat dasar aktivator Pita Valensi Gambar 8.4. Tingkat-tingkat Energi Bila energi antara pita valensi dan pita konduksi atau pita eksitasi cukup besar (orde 10 ev), maka keboleh-jadian berpindahnya elektron ke pita konduksi atau eksitasi sangat kecil. Namun, dengan adanya aktivator (Ag) maka energi dasar dan eksitasinya menjadi 61

67 kecil (3 ev) sehingga proses sintilasi menjadi mudah. Karena selisih energi tingkat dasar dan eksitasi 3 ev maka energi foton yang dipancarkan adalah juga 3 ev atau panjang gelombangnya sebesar 4500 A. Fotokatoda Dinoda Anoda Tegangan Tinggi R Foton Minyak Silikon PMT Gambar 8.5. Skema Detektor Sintilasi Sintilator dilekatkan pada dinding PMT (Photomultiplier Tube) dengan minyak silicon untuk menghilangkan pantulan oleh dinding PMT. Cahaya yang terjadi karena proses sintilasi tadi mengenai katoda yang terbuat dari foto sel (disebut fotokatoda) yang menghasilkan fotoelektron yang banyaknya sebanding dengan intensitas cahaya. Selanjutnya fotoelektron tersebut melalui deretan anoda yang terbuat dari bahan fotosel juga, yang tegangannya bertingkat dari rendah dekat katoda, makin tinggi sampai di anoda terakhir. Anoda-anoda ini disebut dinoda. Oleh tegangan tinggi yang terpasang pada dinoda-dinoda, fotoelektron tadi dipercepat ke dinoda pertama menghasilkan elektron lebih banyak, lalu dipercepat ke dinoda kedua menghasilkan elektron lebih banyak lagi. Demikian seterusnya sampai semua elektron dikumpulkan di anoda dan menghasilkan pulsa listrik. Tinggi pulsa yang dihasilkan sebanding dengan banyaknya elektron yang terkumpul di anoda, sedang banyaknya elektron terkumpul ini sebanding dengan banyaknya fotoelektron, banyaknya fotoelektron sebanding dengan intensitas cahaya hasil proses sintilasi dan intensitas cahaya ini sebanding dengan tenaga radiasi. Maka, detektor sintilasi dapat dipakai untuk spektroskopi. 6

68 Karena pulsa ini masih cukup tinggi, perlu diperkuat dengan penguat awal (pre amp) dan penguat utama (main amp) baru dimasukkan ke penganalisa tinggi pulsa, bisa berupa SCA (single channel analyzer) atau MCA (multi channel analyzer). SCA dan MCA ini tidak lain adalah penganalisa tinggi pulsa (pulse high analyzer/pha) yang dapat digunakan untuk mentransformasikan distribusi tinggi pulsa pada keluaran penguat utama menjadi spektrum energi. Intensitas Relatif Energi (KeV) Gambar 8.6 Spektrum Energi Sinar Gamma dari 60 Co, Didperoleh dengan Detektor Sintilasi 8.3 DETEKTOR KAMAR KABUT TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Detektor Kamar Kabut, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan prinsip kerja detektor kamar kabut Menjelaskan kegunaan detektor kamar kabut Jika udara didinginkan sehingga uap mencapai keadaan jenuh, maka udara itu masih dapat didinginkan tanpa terjadi pengembunan. Pada keadaan ini, uap dinamakan superjenuh. Keadaan superjenuh ini akan terjadi hanya jika udara bebas dari debu atau partikel-partikel garam yang dapat bertindak sebagai inti pengembunan sehingga membentuk tetes-tetes kabut. 63

69 Pada tahun 1911, Wilson menemukan bahwa ion-ion gas dapat juga bertindak sebagai inti pengembunan. Kemudian gejala ini digunakan untuk menunjukkan lintasanlintasan radiasi ionisasi melalui udara. Sebuah sumber radioaktif memancarkan partikel-partikel dalam sebuah kamar udara yang jenuh dengan uap air dan alkohol. Ketika partikel-partikel ini melalui udara, mereka bertumbukan dengan molekul-molekul udara. Tumbukan ini mengakibatkan terjadinya ionisasi, sehingga meninggalkan jejak ion positif dan negatif. Jika tekanan dalam kamar dikurangi dengan cara memompa sebagian udara keluar, maka udara menjadi lebih dingin. Keadaan ini memungkinkan partikel-partikel uap superjenuh mengembun pada ion-ion tersebut, sehingga jejak tetes-tetes uap sepanjang lintasan ion-ion dapat terlihat. Bentuk jejak kabut yang dihasilkan dalam kamar kabut bergantung pada partikelpartikel radioaktif yang digunakan. Uap Kaca Sumber radiasi Layar gelap Pengisap Gambar 8.7. Skema Detektor Kamar Kabut 64

70 Soal-soal: 1. Sebuah detektor radiasi membentuk piringan bundar berdiameter 3 cm diletakkan sejauh 5 cm dari sumber radioaktif. Detektor itu mencatat 150 cacahan per detik. Dengan asumsi detektor mencatat setiap radiasi yang jatuh padanya, hitunglah aktivitas cuplikan (dalam curie). Jelaskan, mengapa pada detektor proporsional terjadi multiplikasi ion tapi jumlahnya masih proporsional dengan ionisasi primer? 3. Jelaskan prinsip kerja SCA dan MCA pada detektor sintilasi 4. Dengan spektroskopi sinar gamma, dapat diketahui jenis unsur dan kandungannya pada suatu cuplikan. Mengapa dan bagaimana caranya? 5. Prediksilah bagaimana lintasan sinar alfa dan sinar beta pada detektor kamar kabut. Biografi Singkat WILSON Charles Thomson Rees Wilson adalah ahli fisika Skotlandia. Barsam Arthur H. Compton, ahli fisika AS, mendapat Hadiah Nobel untuk fisika karena menemukan kamar Wilson atau kamar kabut. Kamar Wilson merupakan detektor radiasi untuk mengamati dan menentukan jalur lintasan partikel-partikel seperti partikel alfa, beta, gamma, proton dan lain-lain. Alat ini dipakai secara luas untuk mempelajari radioaktivitas, sinar-x, sinar kosmis dan fenomena nuklir yang lain. Wilson lahir di Glencorse, Midlothian, Skotlandia pada tanggal 14 Februaru 1869 dan meninggal di Carlops, peeblesshire pada tanggal 15 November Ia mendapat pendidikan di Owens College, Manchester dan Sidney Sussex College di Cambridge. Kemudia ia menjadi guru besar filsafat alam di Universitas Cambridge. Aslinya ia adalah ahli meteorologi. Sebagai ahli meteorologi ia sering mempelajari awan. Ia sering melihat awan berkumpul di dekat puncak pegunungan. Ia sering melihat uap air mengembun pada debu kemudian membentuk tetes air hujan. Kemudian ia ingin tahu apakah upa air juga mengembun pada benda-benda kecil seperti partikel atom. Ia mulai membuat kamar kabut pada tahun 1896 dan menyempurnakannya pada tahun 191. Jadi pembuatan dan penyempurnaan kamar kabut itu membutuhkan waktu 16 tahun. Kamar kabut terdiri dari tabung berbentuk silinder. Di dalam silinder ada semacam pengisa atau piston. Diatas silinder ada bola kaca. Bola kaca ini diisi udara yang jenuh dengan uap air dan bersih dari debu. Bila pengisap atau piston ditarik ke bawah, maka suhu di dalam kaca akan turun sehingga ruang di dalam kaca menjadi lewat jenuh uap air. Jika kedalam kamar (ruang) dimasukkan zat radioaktif maka akan timbul ion yang bersifat seperti debu. Di dalam kamar terjadilah pengembunan. Bila zat yang masuk ke dalam kamar mampu memancarkan cahaya, maka embun itu akan menghamburkan cahaya. Lintasan sinarnya tampak seperti garis kabut. Garis kabut ini dapat di potret. Kamar kabut ini ternyata sangat penting untuk mempelajari fisika nuklir dan menyebabkan dikembangkannya kamar gelembung (buble chamber). 65

71 IX. REAKSI NUKLIR Sub-pokok Bahasan Meliputi: Reaksi Nuklir Jenis-jenis Reaksi Nuklir Sistem Kerangka Acuan Energi Reaksi Nuklir 9.1 REAKSI NUKLIR TUJUAN ISNTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Nuklir, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan definisi reaksi nuklir Menjelaskan persamaan dalam reaksi nuklir Dalam peristiwa radioaktivitas, inti meluruh secara spontan dan menghasilkan inti yang baru. Dengan perkembangan teknologi, unsur baru dapat dibentuk dengan menciptakan reaksi inti. Berbeda dengan reaksi kimia yang hanya melibatkan elektron luar (elektron valensi), reaksi inti melibatkan partikel-partikel yang ada di dalam inti. Reaksi inti ini biasanya dilakukan dengan menembaki inti sebuah isotop dengan partikel lain yang lebih kecil dan berenergi tinggi, misalnya netron atau proton. Seperti halnya dalam reaksi kimia, dalam reaksi inti juga dapat dituliskan persamaan reaksinya. sisa a + X b + Y a adalah proyektil, X adalah inti target, b adalah partikel terdeteksi dan Y adalah inti Diantara contoh-contoh partikel proyektil ditunjukkan dalam tabel 9.1 Tabel 9.1. Proyektil dan Notasinya Proyektil Netron Notasi n, n 1 0 Proton Deuteron Triton p, H 1 1 d, H 1 t, H

72 Helium-3 Helium-4 (partikel alfa) 3 h, He α, 4 He Sebagai contoh reaksi netron dengan uranium-35: U + 0n 57 La+ 35Br + 0n + Energi ( Q) 35 Isotop uranium-35 ditembaki dengan netron menghasilkan isotop La-146 dan Br-87 disertai 3 netron dan energi. Dalam reaksi inti berlaku hukum kekekalan nomor atom dan nomor massa. Sebelum reaksi jumlah nomor atom 9 sama dengan jumlah nomor atom setelah reaksi. Jumlah nomor massa sebelum reaksi 36 sama dengan jumlah nomor massa setelah reaksi. Selain hukum kekekalan tersebut, juga berlaku hukum kekekalan momentum dan dan hukum kekekalan massa-energi. 9. KLASIFIKASI REAKSI NUKLIR TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Klasifikasi Reaksi Nuklir, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan klasifikasi reaksi nuklir Menjelaskan hamburan nuklir, baik elastis maupun tak elastis Menjelaskan reaksi tangkapan dan pelepasan Menjelaskan reaksi inti campuran dan reaksi fisi Reaksi nuklir diklasifikasi berdasarkan proyektil, partikel terdeteksi dan inti sisa. Jika proyektil dan partikel terdeteksinya sama dinamakan reaksi hamburan. Xe + n Xe + n Jika inti sisa dalam keadaan tak tereksitasi, maka hamburannya dinamakan hamburan tak elastis, sedangkan jika inti sisa berada dalam keadaan tereksitasi, maka hamburannya dinamakan hamburan elastis. Selanjutnya, jika proyektil penembak inti target memperoleh nukleon dari inti target dinamakan reaksi tangkapan. Sedangkan jika proyektil melepaskan nukleon ke inti target dinamakan reaksi pelepasan. Contoh reaksi pengambilan 67

73 O+ 1 Ca+ H He O H Ca+ 4 He Contoh reaksi pengambilan Zr+ 1 Na+ H He Zr H Mg+ 1 H Pada reaksi pengambilan dan pelepasan, biasanya terjadi pada energi-energi yang cukup tinggi sehingga diasumsikan reaksinya berjalan secara langsung. Pada reaksi tersebut, diasumsikan bahwa nukleon yang terlibat masuk atau keluar dari orbit model kulit inti target, tanpa mengganggu nukleon lain di dalam inti target tersebut. Salah satu reaksi yang berbeda dengan semua jenis reaksi diatas, dikenal dengan inti campuran. Inti tersebut berada dalam keadaan tereksitasi dalam waktu yang sangat singkat, yaitu sekitar s, kemudian meluruh. Waktu tersebut sangat singkat dan lain itu, idak bisa diamati secara langsung, hanya saja waktunya lebih lama dibanding dengan waktu yang dibutuhkan proyektil untuk menjelajahi jarak nuklir yang ordenya, hanya 10 1 s. Biasanya terdapat beberapa reaksi berbeda yang akan menghasilkan inti campuran yang sama. Selain itu, juga terdapat hasil yang berbeda-beda setelah peluruhan. Setelah inti bercampur, ada yang memancarkan sinar gamma atau partikel lain, dan ada juga yang setelah inti bercampur kemudian mengalami fisi (terpecah menjadi dua inti yang massanya hampir sama). Contoh reaksi inti campuran: 19 9 F + p 17 8O + h O α N + 3Li 1 8 C+ Be B+ 5B 0 [ Ne] 10 * F + p Ne + n Ne + γ F + d F + t O + h O + α 6 N + Li 7 N + Li 8 C+ Be 9 C+ Be B+ B B B 68

74 9.3 SISTEM KERANGKA ACUAN TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Sistem Kerangka Acuan, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan reaksi nuklir dengan kerangka acuan laboratorium Menjelaskan dan menganalisis reaksi nuklir dengan kerangka acuan sistem pusat massa Sistem Laboratorium Ada dua sistem kerangka acuan dalam menganalisis reaksi-reaksi nuklir, yaitu sistem laboratorium dan sistem pusat massa. Jika inti target dianggap dalam keadaan diam, dinamakan sistem laboratorium. M i Sebelum tumbukan v v Sesudah tumbukan m f M f V f Gambar 9.1. Sistem Laboratorium 9.3. Sistem Pusat Massa Jika partikel sebelum tumbukan dan setelah tumbukan masing memiliki total momentum nol, maka sistem yang digunakan adalah sistem pusat massa. Reaksi inti dalam suatu eksperimen biasanya dianalisis menggunakan sistem pusat massa. Dalam sistem pusat massa, besarnya kecepatan inti target V sama dengan kecepatan pusat massa V cm dan besarnya kecepatan partikel datang v V = V v = v cm V cm v adalah besarnya kecepatan partikel datang yang terukur di laboratorium. (9.1) 69

75 Sebelum tumbukan m i v V (m i v = M i V ) M i v f m f (m f v f = M f V f ) Sesudah tumbukan M f V f Gambar 9.. Sistem Pusat Massa Dengan mensyaratkan jumlah momentum inti target dan partikel datang sama dengan nol di pusat massa, maka: dan M V i + m v i = 0 M ivcm + mi ( v V ( M + m ) V = m v i i cm i cm ) = 0 Dengan menggabungkan persamaan 9.1 dan 9. didapatkan (9.) mi V = v (9.3) m + M i i M i v = v (9.4) m + M i i Setelah reaksi, partikel-partikel akhir harus bergerak ke arah yang berlawanan dengan momentum di sistem pusat massa yang sama. Contoh Ketika diamati dalam sistem laboratorium, proton 6 MeV mengenai target diam. Carilah kecepatan inti karbon dalam sistem pusat massa. Jika massa proton 1u. Jawab 1 C yang 70

76 Dengan pendekatan non relativistik, kecepatan proton di dapatkan dari persamaan K i = Maka 1 m v i v = K K i i 8 (6 MeV ) 6 = c = (3x10 ) = 3,41x10 mi mic (1u )(931,5 MeV / u) m / s Selanjutnya, kecepatan inti karbon dalam sistem pusat massa mi u V = v = (3,41x10 M + m 1u + 1u Dalam arah proton. i i m / s) =,6 x10 m / s 9.4 ENERGI REAKSI INTI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Energi Reaksi Inti, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan dan menghitung energi dalam reaksi inti Menjelaskan reaksi endotermik dan eksotermik Menjelaskan dan menghitung energi ambang bagi reaksi inti Untuk menghitung jumlah energi yang dibebaskan atau diperlukan dalam reaksi digunakan hukum kekekalan energi massa. Perhatikan reaksi berikut: a + X b + Y + Q Pada reaksi ini, inti atom X ditembak dengan partikel a sehingga menghasilkan unsur Y dan partikel b. Energi yang dibebaskan dalam reaksi ini adalah Q. Pada reaksi ini akan terjadi perbedaan massa antara atom-atom sebelum reaksi dan sesudah reaksi. Jika massa sesudah reaksi lebih besar dari massa sebelum reaksi maka diperlukan energi untuk memperoleh reaksi tersebut. Sebaliknya, jika massa setelah reaksi lebih kecil dibanding sebelumnya, maka dalam reaksi tersebut dilepaskan energi. Menurut hukum kekekalan energi akan berlaku: energi a + energi X = energi b + energi Y + Q (9.5) atau Q = [( m + m ) ( m + m )] x 931,5 MeV u a X Y b / (9.6) 71

77 dengan m adalah massa dalam satuan u dan indeks adalah unsur atau partikel yang bersangkutan. Dapat juga ditinjau energi yang dihasilkan berdasarkan energi kinetik dari pereaksi dan hasil reaksi. Misalkan unsur X dalam keadaan diam K x = 0 ketika ditembak oleh partikel a yang mempunyai energi kinetik K a. Hasilnya adalah adalah unsur Y yang memiliki energi kinetik K Y dan partikel b yang mempunyai energi kinetik K b. Selisih antara energi kinetik sesudah dan sebelum reaksi sama dengan energi reaksi Q. Dengan demikian berlaku: Q = K Y + K b K a (9.7) Jika Q > 0, terdapat energi yang dibebaskan (reaksi eksotermik atau eksoergik) dan jika Q < 0, terdapat energi yang diserap (reaksi endotermik atau endoergik). Pada reaksi endotermik, ada energi minimum atau energi ambang bagi proyektil a agar reaksi inti terjadi. Besarnya energi ambang (K th ) dalam kerangka acuan laboratorium adalah: m K th = Q(1 + m a X ) (9.8) Contoh Hitunglah nilai Q untuk reaksi berikut 63 1 H + Cu n+ 64 Zn Jika deuteron berenergi 1,00 MeV menembak Cu dalam keadaan diam dan netron yang teramati memiliki energi kinetik 16,85 MeV. Hitunglah energi kinetik inti Zn tersebut. Jawab Q = (,01410u + 6,99599u 1,008665u 63,99145u) x931,5 MeV / u = 5,487 MeV Selanjutnya untuk energi kinetik Zn K Y = Q + K a K b = (5,487 = 1, ,85) MeV = 0,64 MeV 7

78 Soal-soal: 1. Buktikan bahwa energi kinetik ambang dalam kerangka acuan laboratorium adalah m K th = Q(1 + m a X ). Berapakah energi yang akan dilepaskan jika dua inti 1 H akan melebur menjadi 4 partikel alfa He. Massa 4 1 H dan He adalah,01410u dan 4,00603u. 3. Inti detrium 63 1 H berenergi 1,00 MeV mendatangi sebuah sasaran Cu dengan reaksi H + Cu n+ Zn. Netron yang dihasilkan memiliki energi kinetik 16,85 MeV. Hitunglah energi kinetik inti 64 Zn 4. Hitunglah energi kinetik ambang untuk reaksi p + t d + d a. Jika p mendatangi t yang diam b. Jika t mendatangi p yang diam (diketahui massa atom p = 1,00785u, t = 3,016049, d =,01410u) 4 5. Carilah kecepatan dari [ ] * Sc dalam reaksi Ca + p [ 1 Sc] 0 Ca + d energi proton dalam laboratorium sebesar 7, MeV. * 0 ketika Biografi Singkat COCKCROFT Sir John Douglas Cockcroft ahli fisika penemu akselerator partikel, penemu transmutasi inti dan peraih Hadiah Nobel. Bersama Ernest T.S. Walton pada tahun 1951 ia menerima Hadiah Nobel untuk fisika, karena mereka adalah orang pertama di dunia yang berhasil mengubah inti atom dengan menembakkan partikel yang telah dipercepat dengan akselerator partikel. Cockcroft lahir di Yorkshire, Inggris, pada 7 Mei 1897 dan meninggal di Cambridge pada 18 September Ia mendapat gelar insinyur listrik dari Manchester College of Technology. Setelah perang Dunia I selesai, ia kuliah lagi di Universitas Cambridge. Pada umur 31 ia berhasil mendapatkan gelar doktor. Setelah itu ia memperdalam pengetahuannya di bidang fisika pada Rutherford. Sudah berabad-abad lamanya para ahli kimia berusaha mengubah sebuah unsur menjadi unsur lain. Perubahan unsur ini sering dinamakan transmutasi. Pada tahun 1919 Rutherford berhasil mentransmutasikan nitrogen menjadi oksigen dengan cara menembaki nitrogen dengan partikel alfa. Partikel alfa ini berasal dari zat radioaktif. Tapi sumber radioaktif ini sulit diperoleh dan jumlah partikel alfa juga sedikit. Ditambah lagi partikel alfa tidak cukup kuat untuk menembak inti atom yang lebih berat. Pada tahun 193 Cockcroft dan Walton membuat akselerator partikel pertama kali dunia. Akselerator partikel adalah alat untuk mempercepat dan memperbesar energi elektron atau proton. Dengan akselerator itu, mereka menembaki atom litium dengan proton. Hasilnya adalah berilium yang kemudian pecah jadi dua partikel alfa. Mereka menggabungkan litium dan hidrogen untuk membentuk helium. 73

79 X. REAKSI FISI Sub-pokok Bahasan Meliputi: Konsep Dasar Reaksi Fisi Distribusi Energi Fisi Reaksi Berantai 10.1 REAKSI FISI TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fisi, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep dasar reaksi fisi Distribusi massa hasil belah fisi Raeksi fisi nuklir atau sering disingkat reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti berat menjadi dua buah inti lain yang lebih ringan. Karena energi ikat pernukleon inti yang lebih ringan lebih besar dibandingkan dengan energi ikat pernukleon inti yang berat, maka dalam reaksi ini akan dibebaskan energi. Contoh reaksi fisi: U + n U La+ Br + n + Q Inti atom isotop uranium-35 ditembak dengan netron lambat. Dalam reaksi awal terbentuk terlebih dahulu uranium-35 yang tidak stabil dan segera meluruh. Peluruhan uranium yang tidak stabil ini pecah menjadi dua inti yang lebih ringan. Hasil belah fisi menjadi dua grup: inti ringan dengan nomer massa dan inti berta dengan nomer massa Banyak sekali pasangan yang bisa dihasilkan dalam reaksi ini. Isotop hasil belah yang probabilitasnya paling besar adalah inti yang memiliki nomor massa 95 dan 139, yakni 6,4% Persentase realtif hasil belah fisi 9 13 Nomor Massa Gambar Distribusi Hasil Belah Fisi 74

80 Pasangan ini dinamakan fragmen fisi primer. Selain fragmen fisi primer, juga dihasilkan netron cepat setelah reaksi langsung. Rata-rata dalam reaksi nuklir itu akan dihasilkan -3 netron cepat. Produksi fisi primer (dalam hal ini, misalnya La dan Br) yang juga merupakan inti tidak stabil yang kelebihan netron dan akan meluruh menjadi produk yang stabil. Inti yang dihasilkan dalam reaksi ini disebut produk fisi. Energi yang dihasilkan dalam reaksi inti ini sangat besar. Selisih energi ikat antara energi ikat sebelum reaksi dan sesudah reaksi sekitar 0,9 MeV pernukleon. Karena nukleon yang terlibat sebanyak 36, maka akan diperoleh energi sebesar sekitar 00 MeV setiap kali terjadi reaksi nuklir. Pada umumnya, setiap reaksi yang berbeda memiliki energi yang berbeda pula. Energi ikat per nukleon (MeV) Fe Fisi 38 U Nomor Mass A Gambar 10.. Pembebasan Energi Pada Reaksi Fisi 10. DISTRIBUSI ENERGI FISI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Distribusi Energi Fisi, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan dan menghitung energi yang dibebaskan pada reaksi fisi Menjelaskan distribusi energi pada reaksi fisi Distribusi energi rata-rata yang dilepaskan tiap fisi uranium-35 ditunjukkan dalam tabel 10.1 : 75

81 Tabel Distribusi Energi Setelah Fisi Uranium-35 Energi Langsung dari Fisi Energi Tunda dari Fisi Energi kinetik untuk hasil fisi 167 MeV Partikel beta dari hasil Fisi 7 MeV Energi kinetik untuk netron 5 MeV Sinar gamma dari hasil Fisi 6 MeV Energi langsung sinar 5 MeV Neutrino-neutrino 10 MeV Gamma Energi sinar Gamma 10 MeV Energi Total Tunda 3 MeV dari tangkapan radiatif Energi total langsung 187 MeV Semua energi dilepaskan, dengan pengecualian energi nuetrino yang diubah menjadi panas yang melewati beberapa proses. Hasil belah fisi bermuatan positif dan memiliki energi kinetik yang tinggi, menyebabkan ionisasi pada atom-atom sekitar. Dalam proses ionisasi ini, energi kinetik ditransfer ke atom-atom bahan material di sekitarnya dan menghasilkan kenaikan temperatur. Partikel beta dan sinar gamma juga menaikkan suhu sekitar melalui proses ionisasi. Sementara netron-netron hasil fisi berinteraksi dengan atom-atom material di sekitanya dan kehilangan energi lewat hamburan elastik. Energi 00 MeV dilepaskan tiap fisi. Namun ada kira-kira sekitar tujuh persen (13 MeV) dilepaskan agak tertunda beberapa saat setelah fisi berlangsung. Saat reaktor dimatikan, fisi-fisi sesungguhnya berhenti, namun beberapa energi masih dilepaskan dari peluruhan hasil fisi. Panas yang dihasilkan oleh energi peluruhan di namakan panas peluruhan. Panas peluruhan yang dihasilkan cukup signifikan, sehingga harus dilengkapi suatu sistem untuk menjaga reaktor tetap dingin saat setelah reaktor dimatikan. Contoh Dalam suatu rangkaain proses uranium-35 membentuk uranium 36 yang kemudian mengalami fisi. Fisi tersebut selanjutnya menghasilkan peluruhan-peluruhan berikutnya. Jika hasil fisi awal adalah 143 Ba dan 36 Kr. a. Ilustrasikan proses yang dijalani hingga menjadi inti stabil akhir dan b. tentukan energi yang dilepas. Jawab * a. Proses awalnya n+ U [ U ] Ba+ Kr + n Ba kemudian memulai peluruhan beta 76

82 Nd Ba La + e +ν Ce + e +ν Pr + e +ν Nd + e +ν adalah inti stabil. 36 Kr memulai peluruhan beta Kr Rb + e Sr +ν + e +ν Y + e +ν Zr + e Zr adalah inti stabil.sehingga reaksi totalnya kemudian menjadi +ν 36 * [ U ] Nd + Zr + n + 8e 8ν n + 9U b. Karena massa e dan v terlalu kecil, maka bisa diabaikan Q = [ m + m m m 3 m ](931,5 MeV / sma) = 197, MeV U n Nd Zr n REAKSI BERANTAI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Berantai, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep reaksi fisi berantai tak terkendali Menjelaskan konsep reaksi fisi berantai terkendali Dalam reaksi yang sebenarnya tidak hanya ada satu uranium saja. Terdapat banyak sekali uranium pada suatu bahan. Jika netron cepat tidak dikendalikan, netron hasil pembelahan fisi sebelumnya akan menumbuk uranium berikutnya sehingga menghasilkan reaksi fisi serupa. Dalam reaksi ini dihasilkan netron yang semakin banyak sehingga reaksi akan terus berantai. Reaksi demikian dinamakan reaksi berantai. Energi yang dihasilkan sangat besar. 77

83 N N N : Netron N N N N N N Inti U-35 N N N N N N Gambar Reaksi Berantai Tak Terkontrol Dalam bom nuklir, netron cepat ini sengaja tidak dikendalikan sehingga menghasilkan ledakan yang sangat dasyat. Namun, pada reaktor nuklir (PLTN), netron cepat dikendalikan, sehingga tidak terlalu banyak netron yang terlibat dalam reaksi inti. N Batang Kendali Netron Terserap N N N N N N N N N Netron Terserap Fis Batang Kendali Gambar Reaksi Berantai Trkontrol 78

84 Soal-soal: 1. Berapakah energi kinetik netron termal 300 K Hitunglah energi yang dibebaskan dalam reaksi fisi U + n Rb+ Cs + n. Massa Rb dan Cs adalah 9,917u dan 140,91949u Jelaskan mengapa dengan netron berenergi rendah sekali U sudah dapat terfisikan, sementara untuk fisi 38 U dibutuhkan netron cepat dengan energi 1 hingga MeV anggaplah U terbelah menjadi dua pecahan dengan nomor massa 90 dan 145, dengan tiap pecahan memiliki nisbah Z/A yang kurang lebih sama seperti uranium. Berdasarkan data ini, mengapa netron dipancarkan dalam reaksi ini Sekitar 185 MeV energi dilepas dari reaksi fisi U 35. Jika U di dalam reaktor membangkitkan daya secara kontinyu sebesar 100 MW, berapa lamakah waktu yang dibutuhkan bagi 1 kg uranium agar terpakai habis seluruhnya. Biografi Singkat HAHN (PEMBELAHAN INTI) Otto Hahn adalah ahli fisika-kimia penemu pembelahan inti (fisi nuklir, 1938), penemu radioactinium (1905), mesothorium (1907), protactinium (1917) dan presiden Wilhelm Society ( ). Bersama Fritz Strassmann ia mendapat Hadiah Nobel untuk kimia pada tahun Hahn lahir di Frankfurt, Jerman pada 8 Maret 1879 dan meninggal di Gottingen, Jerman pada 8 Juli 1968 pada umur 89 tahun. Ia berhasil mendapat gelar doktor pada tahun 1901 pada usia tahun. Tiga tahun kemudian ia pergi ke Inggris karena ingin belajar bahasa Inggris. Ia melamar pekerjaan dan diterima di Universitas College. Disini ia bertemu dengan Sir William Ramsay, ahli kimia penemu helium, neon, argon, kripton, xenon, dan radon. Hahn diberi tugas memurnikan penyiapan radium kasar. Ternyata Hahn seorang ahli eksperimen yang mengagumkan. Satu tahun kemudian ia menemukan zat radioaktif yang ia beri nama radiothorium (1905). Pada tahun 1930-an Enrico Fermi, menembaki uranium (unsur alam yang paling berat) dengan neutron. Penembakan ini menghasilkan zat-zat radioaktif. Tapi Fermi sendiri tidak tahu apa nama unsur itu. Ia mengira unsur itu adalah unsur buatan yang mirip dengan uranium. Sejak tahun 1934 Hahn sangat tertarik dengan penelitian Fermi. Ia mengulang percobaan Fermi dengan pembantunya, Miss Meitner dan Strassmann. Mereka mengadakan penelitian selama 4 tahun. Mereka menembaki uranium dengan neutron dan menghasilkan barium, yaitu sebuah unsur yang mempunyai massa atom setengah dari uranium. Nomor atom barium 56, sedang nomor atom uranium 9. Penemuan ini diumumkan di majalah Die Naturwissen-schaften pada tanggal 6 januari Tapi Hahn dan Strassmann tidak berani mengatakan bahwa itu pembelahan inti, karena takut diejek dan ditertawakan para ahli fisika dan kimia sezamannya. Pada saat itu, pembelahan inti dianggap sesuatu yang mustahil. Pada tahun 1938 ketika pembelahan inti ditemukan, Lise Metner pindah ke Swedia. Di Swedia ia membaca laporan Hahn. Bersama Otto Frisch, kemenakannya, ia menjelaskan dengan tegas, bahwa penemuan Hahn adalah fisi nuklir. Meitner dan Otto menyarankan agar istilah fisi nuklir dipakai. Semenjak saat itu, pembelahan inti dinamakan fisi nuklir. 79

85 ENRICO FERMI Enrico Fermi adalah ahli fisika nuklir, pengarang (00 artikel ilmiah) dan pemenang Hadian Nobel. Ia menemukan statistik Fermi-Dirac, unsur baru yang radioaktif, reaksi berantai, reaktor nuklir (194) dan ikut membuat bom atom. Ia mendapat Hadiah Nobel untuk fisika (1938) karena penyelidikannya tentang penyerapan neutron. Fermi lahir di Roma, Italia, pada tanggal 9 September ayahnya bernama Alberto Fermi, karyawan kereta api. Ibunya bernama Ida de Gattis. Fermi anak bungsu, kakaknya dua orang. Salah seorang bernama Giulio. Dengan Giulio ini Fermi mempunyai kegemaran sama, ialah membuat mobil-mobilan dan pesawat terbang mainan yang benar-benar dapat terbang. Fermi sangat cerdas, tapi pendiam, pemalu dan suka menyendiri. Pada umur 17 tahun ia masuk Universitas di Pisa dan pada umur 1 tahun berhasil meraih gelar doktor fisika. Pada umur 6 tahun ia diangkat menjadi profesor penuh di Universitas Roma. Dua tahun kemudian pada umur 8 tahun, ia kawin dengan Laura o Capon, mahasiswi jurusan teknik. Keluarga itu kemudian dikaruniai dua orang anak, Nella dan Giulio. Fermi memang orang yang mempunyai kecerdasan luar biasa. Kecuali itu, ia adalah orang yang serba teratur dan serba tepat. Pada tahun 1938 sesudah menerima Hadiah Nobel, Fermi sekeluarga terbang dari Swedia menuju Amerika Serikat. Di Amerika ia menjadi guru besar di Universitas Chicago. Di sini ia diberi tugas memimpin satu tim ilmuan untuk menyelidiki tenaga atom. Pada tahun 194 Fermi beserta teman sekerjanya berhasil membuat reaktor atom, kemudian bom atom. Fermi meninggal di Chicago pada tahun 1954 karena sakit kanker. WIGNER Eugene Paul Wigenr adalah ahli fisika penemu teori penyerapan neutron, penemu hukum konservasi paritas dan pemenang Hadila Nobel. Ia lahir di Budapest, Hongaria pada 17 November 190. Ia mendapat gelar insinyur kimia dari Sekolah Tinggi Teknologi di Berlin dan mengajar di sana dan di Gottingen sampai tahun Kemudian ia pindah ke Universitas Princeton, AS. Pada tahun 1936 ia mengemukakan teori penyerapan nettron yang sangat berguna untuk membangun reaktor nuklir. Ia juga merumuskan hukum konservasi paritas, suatu fungsi matematika yang melukiskan partikel subatom dan posisi ruang dan waktunya. Sejak kedatangannya di AS ia mengajar fisika matematika di Universitas Princeton selama 7 tahun. Kemudian ia menjadi guru besar di Universitas Wisconsin selama satu tahun, lalu kembali ke Princeton. Pada tahun 1939 pecah perang dunia II, Wigner, Fermi dan Szilard membuat surat kepada presiden AS, Franklin D. Roosevelt. Surat ini ditanda-tangani Einstein bertangal 11 Oktober Prediden Roosevelt segera bertindak dan pada tahun 194 Proyek Manhattan berdiri. Proyek ini bertugas untuk membuat bom atom. Selama perang dunia II, Wigner bekerja di Laboratorium Metalurgi, Universitas Chicago. Di sini Wigner membantu Enrico Fermi. Sesudah Perang Dunia II Wigner menjadi direktur riset di Laboratorium Clinton di Oak Ridge, Tennessee. Di sini ia memproduksi isotop radioaktif. Pada tahun 1947 ia kembali ke Princeton. Dua tahun kemudian (1949) bersama Jensen, Wigner mengemukakan model kulit inti. Pada tahun 1963 Wigner bersama Jensen dan Mayer mendapat Hadiah Nobel untuk fisika karena telah memberikan banyak sumbangan kepada fisika nuklir. Wigner juga mengadakan riset di bidang mekanika kuantum, teori reaksi kimia dan struktur inti atom. 80

86 XI. REAKSI FUSI Sub-pokok Bahasan Meliputi: Konsep Dasar Reaksi Fusi Reaksi Fusi Matahari Reaktor Fusi Terkontrol 11.1 REAKSI FUSI TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fusi, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep dasar reaksi fusi Menjelaskan dan menghitung energi yang dihitung pada reaksi fusi Dua inti ringan atau lebih dapat bergabung membentuk sebuah inti yang lebih berat. Reaksi penggabungan dua inti ringan atau lebih menjadi inti yang lebih berat disebut penggabungan inti atau fusi. 4 H + H H e Q 3, 8MeV 1 1 = Dalam reaksi fusi ini, massa inti baru lebih kecil dari jumlah massa inti-inti pembentuknya. Selisih massa ini muncul sebagai energi. Energi ikat per nukleon (MeV) Fusi 56 Fe Nomor Mass A Gambar 11.1 Pelepasan Energi Reaksi Fusi Untuk melakukan penggabungan dua inti atom atau lebih, dperlukan energi yang sangat besar. Kedua inti yang akan digabungkan harus dipercepat dengan kecepatan yang sangat tinggi agar bisa mengatasi gaya tolak Coulomb antara dua muatan positif dari 81

87 proton-proton inti. Tanpa kecepatan yang sangat tinggi (yang diperoleh dari suhu yang sangat tinggi) kedua inti tidak akan dapat bergabung. Oleh karena itu, reaksi fusu memerlukan suhu yang sangat tinggi dalam orde ratusan juta kelvin sehingga reaksi fusi juga sering disebut reaksi termonuklir. Reaksi fusi biasanya terjadi pada bintang-bintang. Reaksi fusi inilah yang membuat matahari bersinar. Sejumlah ilman juga meyakini bahwa reaksi fusi adalah harapan masa depan guna menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang sangat besar. 11. REAKSI FUSI MATAHARI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fusi Matahari, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan daur proton-proton para reaksi fusi di matahari Menjelaskan daur karbon-karbon pada reaksi fusi di matahari Daur Proton Reaksi fusi di matahari dapat terjadi melalui beberapa cara. Yaitu daur proton-proton dan daur karbon-karbon. Dalam daur proton, terdapat empat proton membentuk satu Helium. Karena matahari tersususn dari hidrogen biasa, maka dua hidrogen bergabung menjadi satu dutrium, yaitu dengan reaksi H 0 + 1H 0 1H 0 + e + +ν Proses ini melibatkan sebuah proton menjadi sebuah neutron, analog dengan proses peluruhan beta. Setelah diperoleh deuterium, reaksi berikutnya H 0 + 1H 0 He1 + γ Yang disusuli reaksi He 1+ He1 He + 1H 0 Sehingga proses keseluruhannya dapat dituliskan, dalam reaksi berikut ini H 0 He + e + ν + γ 4 8

88 Energi yang dibebaskan dalam reaksi ini (Q), harus ditambahkan empat elektron pada ruas kiri untuk mendapatkan empat hidrogen netral. Dan menambahkan empat elektron pada ruas kanan, untuk menteralkan He dan lainnya akan bergabung dengan- p p H 3 H p p e γ 4 H p e v γ p H 3 H p p Gambar 11. Daur Proton Reaksi Fusi di Matahari positron menjadi sinar gamma. Satu-satunya massa yang tertinggal adalah empat atom hidrogen dan satu atom helium. Sehingga Q yang dibebaskan sebesar Q = ( mi m f ) x931,5 MeV / u = (4 x1,00785u 4,00603u) x931,5 MeV / u = 6,7 MeV Jadi, tiap reaksi membebaskan energi sekitar 6,7 MeV. Setiap 1 siklus menghasilkan 6,7 MeV Daya matahari yg sampai bumi 1,4x10 3 W/m Jarak bumi-matahari 1,5x10 11 m Energi matahari untuk seluruh permukaan bola 4πr = 8x10 m adalah 4x10 6 W atau x10 9 MeV/s Harus ada 1038 reaksi perdetik, mengkonsumsi 4x10 38 proton perdetik Massa matahari x10 30 kg, atau ada sekitar proton Masih cukup untuk pembakaran milyaran tahun lagi 83

89 11.. Daur Karbon Meskipun daur proton sangat mungkin, tapi mungkin bukan sumber utama energi matahari, karena dalam penggabungan dua proton menjadi deutrium berlangsung sangat lama sebagaimana peluruhan beta. Sehingga daur itu kecil peluangnya. Untuk reaksi yang berpeluang besar adalah daur karbon. p p p 1 C 13 N 13 C 13 N 15 O γ e + v γ p γ e + 1 C 15 N 4 H e Gambar 11.3 Daur Karbon Dari gambar 11.3 terlihat bahwa 1 C hanya berperan sebagai katalisator, tidak ada karbon yang dihasilkan atau digunakan dalam reaksi ini. Kehadiran karbon disini memungkinkan deretan reaksi berlangsung pada laju yang lebih besar daripada daur proton. Reaksi total daur karbon tersebut 4 H He Sehingga nilai energi yang dibebaskan (Q) juga sama. Hanya saja, tolakan Coulomb antara inti H dengan inti karbon lebih besar dibanding dengan tolakan Coulomb diantara inti H, maka energi termal yang dibutuhkan otomatis lebih tinggi. Daur karbon menjadi sangat penting pada suhu sekitar 0 x 10 6 K. 84

90 11.3 REAKSI FUSI TERKENDALI TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fusi Terkendali, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan konsep reaktor fusi di bumi Menjelaskan kemungkinan reaktor fusi buatan dan masalah yang dihadapi Para ilmuan sedang serius meneliti kemungkinan pembuatan reaktor fusi di bumi. Bahan bakar reaktor fusi ini adalah deutrium. Deuterium merupakan isotop hidrogen yang sangat melimpah dalam air laut. Dalam air laut mengandung sekitar 0,015 % D O. Sehingga jika dihitung dalam satu liter air laut akan menghasilkan energi setara 300 liter bensin. Ada beberapa reaksi yang mungkin digunakan H + H 3 1 H + H Q = 4,0MeV H + H 3 He + n Q = 3,3 MeV H + 3 H 4 He + n Q = 17,6MeV Reaksi ketiga yang dikenal sebagai reaksi D-T (deuterium-tritium) membebaskan energi yang lebih besar dan mungkin merupakan calon terbaik bagi suatu reaktor fusi. Persoalan teknologi paling sulit yang dihadapai 1. memperoleh suhu yang sangat tinggi dalam orde 10 8 K untuk mengatasi tolakan Coulomb. Mempertahankan rapat massa yang sangat tinggi sehingga probabilitas tumbukan dua inti menjadi sangat tinggi. Dewasa ini, ada dua metode bagi kedua persoalan ini yang masih teliti secara intensif, yaitu pengungkungan magnet (magnetic confinement) dan pengungukungan lembam (inertial confinement). Contoh Untuk menghasilkan daya 1 MW dari reaksi D-T, berapakah kg D dan T yang dibutuhkan? Diketahui Jawab 1 MeV setara dengan 1, J 85

91 Satu reaksi fusi menghasilkan energi 17,6 MeV atau 17,6 x 1,6 x J = 8,16 x J 1 MW = 10 6 J/s Sehingga untuk menghasilkan 1 MW dibutuhkan reaksi setiap detiknya sebanyak R = 10 6 / (8,16 x )= 3,55 x reaksi. Dalam reaksi atom deuterium dan tritium habis digunakan. Nomor massa (A) untuk deutrium atau kg/kmol (1 kmol = 6,03 x 10 6 atom) dm dt = (3,55 x10 atom kg 1kmol ) x( ) x( ) = 1,18 x10 6 s 1kmol 6,03x10 atom 17 9 Nomor massa (A) untuk tritium 3 atau 3 kg/kmol kg / s dm 17 atom 3kg 1kmol 9 = (3,55 x10 ) x( ) x( ) = 1,77 x10 kg / s 6 dt s 1kmol 6,03x10 atom Soal-soal: 1. Hingga suhu berapakah gas helium harus dipanaskan agar penghalang Coulomb dapat dilampaui dan terjadi reaksi fusi.. Hitunglah reaksi fusi D-T membebaskan enerdi 17,6 MeV 3. Jika 100 cm 3 air mengandung 0,015 persen D O, hitunglah energi yang diperoleh dalam reaksi-reaksi D-D. 4. Hitunglah energi yang dibebaskan apabila tiga partikel alfa bergabung membentuk 1 C. 5. Dalam reaksi fusi daur karbon, hitunglah energi ketiga sinar gamma. 86

92 XII. REAKTOR NUKLIR Sub-pokok Bahasan Meliputi: Reaktor Nuklir Komponen Reaktor Nuklir PLTN dan Sistem Keselamatan Pengolahan Limbah Radioaktif 1.1 REAKTOR NUKLIR TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaktor Nuklir, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan definisi reaktor nuklir Menjelaskan jenis-jenis reaktor nuklir Disamping sebagai senjata nuklir, manusia juga memanfaatkan energi nuklir untuk kesejahteraan umat manusia. Salah satu pemanfaatan energi nuklir secara besar-besaran adalah dalam bentuk pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Energi nuklir di sini digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi inti berantai terkendali, baik pembelahan inti (fisi) atau penggabungan inti (fusi). Fungsi reaktor fisi dibedakan menjadi dua, yaitu reaktor penelitian dan reaktor daya. Pada reaktor penelitian, yang diutamakan adalah pemanfaatan netron hasil pembelahan untuk berbagai penelitian dan iradiasi serta produksi radioisotop. Panas yang ditimbulkan dirancang sekecil mungkin sehingga panas tersebut dapat dibuang ke lingkungan. Pengambilan panas pada reaktor penelitian dilakukan dengan sistem pendingin,yang terdiri dari sistem pendingin primer dan sistem pendingin sekunder. Panas yang berasal dari teras reaktor diangkut oleh air di sekitar teras reaktor (sistem pendingin primer) dan dipompa oleh pompa primer menuju alat penukar panas. Selanjutnya panas dibuang ke lingkungan melalui menara pendingin (alat penukar panas pada sistem pendingin sekunder). Perlu diketahui bahwa antara alat penukar panas, sistem pendingin primer atau sekunder tidak terjadi kontak langsung. Sementara, pada reaktor daya, panas yang timbul dari pembelahan dimanfaatkan untuk menghasilkan uap yang bersuhu dan bertekanan tinggi untuk memutar turbin. 87

93 1. KOMPONEN REAKTOR NUKLIR TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Komponen Reaktor Nuklir, mahasiswa diharapkan dapat: Menyebutkan komponen utama reaktor nuklir Menjelaskan kegunaan dan fungsi komponen-komponen reaktor nuklir Reaktor nuklir pertama kali dibangun oleh Enrico Fermi pada tahun 194 di Universitas Chicago. Hingga sat ini telah ada berbagai jenis dan ukuran rekator nuklir, tetapi semua reaktor atom tersebut memiliki lima komponen dasar yang sama, yaitu: elemen bahan bakar, moderator netron, batang kendali, pendingin dan perisai beton Gambar 1.1 Skema Dasar Reaktor Nuklir 1..1 Elemen Bahan Bakar Elemen bahan bakar ini berbentuk batang-batang tipis dengan diameter kira-kira 1 cm. Dalam suatu reaktor daya besar, ada ribuan elemen bahan bakar yang diletakkan saling berdekatan. Seluruh elemen bahan bakar dan daerah sekitarnya dinamakan teras reaktor. Umumnya, bahan bakar reaktor adalah uranium-35. oleh karena isotop ini hanya kira-kira 0,7% terdapat dalam uranium alam, maka diperlukan proses khusus untuk memperkaya (menaikkan prosentase) isotop ini. Kebanyakan reaktor atom komersial menggunakan uranium-35 yang telah diperkaya sekitar 3%. 88

94 1.. Moderator Netron Netron yang mudah membelah inti adalah netron lambat yang memiliki energi sekitar 0,04 ev (atau leih kecil), sedangkan netron-netron yang dilepaskan selama proses pembelahan inti (fisi) memiliki energi sekitar MeV. Oleh karena itu, sebuah raktor atom harus memiliki materaial yang dapat mengurangi kelajuan netron-netron yang energinya sangat besar sehingga netron-netron ini dapat dengan mudah membelah inti. Material yang memperlambat kelajuan netron dinamakan moderator. Moderator yang umum digunakan adalah air. Ketika netron berenergi tinggi keluar keluar dari sebuah elemen bahan bakar, netron tersebut memasuki air di sekitarnya dan bertumbukan dengan molekul-molekul air. Netron cepat akan kehilangan sebagian enrginya selama menumbuk molekula air (moderator) terutama dengan atom-atom hidrogen. Sebagai hasilnya netron tersebut diperlambat Batang Kendali Jika keluaran daya dari sebuah reaktor dikehendaki konstan, maka jumlah netron yang dihasilkan harus dikendalikan. Sebagaimana diketahui, setiap terjadi proses fisi ada sekitar sampai 3 netron baru terbentuk yang selanjutnya menyebakan proses berantai. Jika netron yang dihasilkan selalu konstan dari waktu ke waktu (faktor multiplikasinya berniali 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi kritis. Sebuah reaktor normal bekerja pada kondisi kritis. Pada kondisi ini reaktor menghasilkan keluaran energi yang stabil. Jika netron yang dihasilkan semakin berkurang (multiplikasinya kurang dari 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi subkritis dan daya yang dihasilkan semakin menurun. Sebaliknya jika setiap saat netron yang dihasilkan meningkat (multiplikasinya lebih besar dari 1), reaktor dikatakan dalam keadaan superkritis. Selama kondisi superkritis, energi yang dibebaskan oleh sebuah reaktor meningkat. Jika kondisi ini tidak dikendalikan, meningkatnya energi dapat mengakibatkan mencairkan sebagain atau seluruh teras reaktor, dan pelepasan bahan radioaktif ke lingkungan sekitar. Jelas bahwa sebuah mekanisme kendali sangat diperlukan untuk menjaga reaktor pada keadaan normal atau kondisi kritis. Kendali ini dilakukan oleh sejumlah batang kendali yang dapat bergerak keluar-masuk teras reaktor. Lihat gambar 1.1. Batang kendalli terbuat dari bahan-bahan penyerap netron, seperti boron dan kadmium. Jika reaktor menjadi superkritis, batang kendali secara otomatis bergerak masuk lebih dalam ke dalam teras reaktor untuk menyerap kelebihan netron yang menyebabkan 89

95 kondisi itu kembali ke kondisi kritis. Sebaliknya, jika reaktor menjadi subkritis, batang kendali sebagian ditarik menjauhi teras reaktor sehingga lebih sedikit netron yang diserap. Dengan demikian, lebih banyak netron tersedia untuk reaksi fisi dan reaktor kembali ke kondisi kritis. Untuk menghentikan operasi reaktor (misal untuk perawatan), batang kendali turun penuh sehingga seluruh netron diserap dan reaksi fisi berhenti Pendingin Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi meningkatkan suhu reaktor. Suhu ini dipindahkan dari reaktor dengan menggunakan bahan pendingin, misalnya air atau karbon dioksida. Bahan pendingin (air) disirkulasikan melalui sistem pompa, sehingga air yang keluar dari bagian atas teras reaktor digantikan air dingin yang masuk melalui bagin bawah teras reaktor Perisai Beton Inti-inti atom hasil pembelahan dapat menghasilkan radiasi. Untuk menahan radiasi ini (radiasi sinar gamma, netron dan yang lain), agar keamanan orang yang bekerja di sekitar reaktor terjamin, maka umumnya reaktor dikungkungi oleh perisai beton. 1.3 PEMBAKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan PLTN, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan cara kerja PLTN tipe PWR Menjelaskan sistem keselamatan pada PLTN yang dirancang berlapis dan cukup handal PLTN Berdasarkan jenis pendinginnya, ada beberapa jenis reaktor. Dalam pembahasan ini akan dibahas pembakit listrik tenaga nuklir yang menggunakan reaktor air bertekanan (Pressurized Water Reactor = PWR). Dalam PWR, kalor yang dihasilkan dalam batang-batang bahan bakar diangkut keluar dari teras reaktor oleh air yang terdapat di sekitarnya (sistem pendingin primer). Air ini secara terus-menerus dipompakan oleh pompa primer ke dalam reaktor melalui saluran pendingin reaktor (sistem pendingin primer). 90

96 Gambar 1.. Digram PLTN Jenis PWR Untuk mengangkut kalor sebesar mungkin, suhu air dikondisikan mencapai C. Untuk menjaga air tidak mendidih (yang dapat terjadi pada suhu C pada tekanan 1 atm), air diberi tekanan 160 atm. Air panas diangkut melalui suatu alat penukar panas (heat exchanger), dan kalor dari air panas dipindahkan ke air yang mengalir di sekitar alat penukar panas (sistem pendingin sekunder). Kalor yang dipindahkan ke sistem pendingin sekunder memproduksi uap yang memutar turbin. Turbin dikopel dengan suatu generator listrik, tempat daya keluaran listrik menuju konsumen melalui kawat transmisi tegangan tinggi. Setelah keluar dari turbin, uap didinginkan kembali menjadi air oleh pengembun (condenser) dan kemudian dikembalikan lagi ke alat penukar panas oleh pompa sekuder Sistem Keselamatan Sistem keselamatan operasi reaktor terutama ditujukan untuk menghindari bocornya radiasi dari dalam teras reaktor. Berbagai usaha pengamanan dilakukan untuk melindungi pekerja dan anggota masyarakat dari bahaya radiasi ini. Sistem keselamatan reaktor dirancang mampu menjamin agar unsur-unsur radioaktif di dalam teras reaktor tidak terlepas ke lingkungan, baik dalam operasi normal atau waktu ada kejadian yang tidak diinginkan. Kecelakaan terparah yang diasumsikan dapat terjadi pada suatu reaktor nuklir adalah hilangnya sistem pendingin teras reaktor. Peristiwa ini dapat mengakibatkan pelelehan bahan bakar sehingga unsur-unsur hasil fisi dapat terlepas dari kelongsong bahan bakar. Hal ini dapat mengakibatkan unsur-unsur hasil fisi tersebar ke dalam ruangan penyungkup reaktor. 91

97 Bahan bakar (Pelet) Kelongsong Tangki reaktor Perisai beton Sistem penahan baja bertekanan Sistem pengungkung/kubah beton Gambar 1.3. Sistem Penghalang Ganda (Multiple Barrier) Agar unsur-unsur hasil fisi tetap dalam keadaan terkungkung, maka reaktor nuklir memiliki sistem keamanan yang ketat dan berlapis-lapis. Karena digunakan sistem berlapis, maka sistem pengamanan ini dinamakan penghalang ganda. Adapaun jenis penghalang tersebut adalah sebagai berikut: 1. Penghalang pertama adalah matrik bahan bakar nuklir. Lebih dari 99& unsur hasil fisi akan tetap terikat secara kuat dalam matriks bahan bakar ini.. Penghalang kedua adalah kelongsong bahan bakar. Apabila ada unsur hasil fisi yang terlepas dari matriks bahan bakar, maka unsur tersebut akan tetap terkungkung di dalam kelongsong yang dirancang tahan bocor. 3. Penghalang ketiga adalah sistem pendingin. Seandainya masih ada unsur hasil fisi yang terlepas dari kelongsong, maka unsur tersebut akan terlarut dalam air pendingin primer sehingga tetap terkungkung dalam tangki reaktor. 4. penghalang keempat adalah perisai beton. Tangki reaktor disangga oleh bangunan berbentuk kolam dari beton yang dapat berperan sebagai penampung air pendingin apabila terjadi kebocoran. 5. Penghalang kelima dan keenam adalah sistem pengungkung reaktor secara keseluruhan yang terbuat dari pelat baja dan beton setebal dua meter serta kedap udara. 9

98 1.4 PENGELOLAAN LIMBAH RADIOAKTIF TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Pengelolaan Limbah Radioaktif, mahasiswa diharapkan dapat: Menjelaskan sifat-sifat limbah radioaktif hasil PLTN Menjelaskan pengolahan limbah radioaktif Mejelaskan penyimpanan limbah radioaktif yang sudah diolah Limbah Radioaktif Limbah radioaktif merupakan hasil samping dari kegiatan pemanfaatan teknologi nuklir. Dalam limbah radioaktif ini terdapat unsur-unsur radioaktif yang masih memancarkan radiasi. Limbah radioaktif tidak boleh dibuang ke lingkungan karena radiasi yang dipancarkan berpotensi memberikan efek merugikan terhadap kesehatan manusia. Program pengelolaan limbah radioaktif ditujukan untuk menjamin agar tidak seorang pun akan menerima paparan radiasi melebihi nilai batas yang dizinkan. Terdapat hal-hal unik yang menguntungkan dalam rangka pengelolaan limbah radioaktif: 1. Sifat fisika dari zat radioaktif yang selalu meluruh menjadi zat stabil (tidak radioaktif lagi). Karena terjadi peluruhan, maka jumlah zat radioaktif akan selalu berkurang oleh waktu. Sifat ini sangat menguntungkan karena cukup hanya dengan meyimpan secara aman, zat radioaktif sudah berkurang dengan sendirinya.. Sebagian besar zat radioaktif yang terbentuk dalam teras reaktor nuklir umumnya memiliki waktu paro yang sangat pendek, mulai orde beberapa detik hingga beberapa hari. Hal ini menyebabkan peluruhan zat radioaktif yang sangat cepat yang berarti terjadi pengurangan volume limbah yang sangat besar dalam waktu relatif singkat. 3. Saat ini telah berhasil dikembangkan berbagai jenis alat ukur yang sangat peka terhadap radiasi. Dengan alat ukur ini keberadaan zat radioaktif skecil apa pun selalu dapat dipantau Pengolahan Limbah Radioaktif Secara keseluruhan, pengelolaan limbah radioaktif yang lazim dilakukan meliputi tiga pendekatan pokok bergantung besar kecilnya volume limbah, tinggi rendahnya aktivitas zat radioaktif serta sifat-sifat fisika dan kimia limbah tersebut. Tiga pendekatan pokok itu meliputi 93

99 1. Limbah radioaktif dipekatkan dan dipadatkan yang pelaksanaannya dilakukan di dalam wadah khusus untuk selanjutnya disimpan dalam waktu yang cukup lama. Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah radioaktif cair yang mengandung zat radioaktif beraktivitas sedang dan atau tinggi.. Limbah radioaktif disimpan dan dibiarkan meluruh dalam tempat penyimpanan khusus sampai aktivitasnya sama dengan aktivitas zat ardioaktif lingkungan. Cara ini efektif jika dipakai untuk pengelolan limbah radioaktif cair atau padat yang beraktivitas rendah dan berwaktu paroh pendek. 3. Limbah radioaktif diencerkan dan didispersikan ke lingkungan. Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah radioaktif cair atau gas beraktivitas rendah. Dengan ketiga pendekatan itu diharapkan bahwa aktivitas limbah radioaktif yang lepas ke lingkungan sama dengan aktivitas zat radioaktif yang secara alamiah sudah ada pada lingkungan. Dengan cara itu faktor keselamatan manusia dan lingkungan tetap merupakan prioritas utama dalam pemanfaatn teknologi nuklir Penyimpanan Lestari Baik bahan bakar bekas yang tidak mengalami proses ulang maupun bahan-bahan radioaktif sisa hasil proses olah ulang akan tetap diperlakukan sebagai limbah radioaktif. Oleh karena itu, semua bentuk limbah radioaktif harus disimpan secara lestari. Penyimpanan lestari limbah radioaktif secara aman merupakan tujuan akhir dari pengelolaan limbah radioaktif. Untuk mempermudah dalam proses penyimpanan lestari limbah radioaktif, maka semua bentuk limbah diubah ke dalam bentuk padat. Limbah radioaktif cair yang terbentuk diolah dengan proses evaporasi. Sistem ini mampu mengolah limbah radioaktif cair menjadi konsentrat radioaktif dan destilat yang tidak radioaktif. Alat ini mampu mereduksi volume limbah cair dengan faktor reduksi 50. Artinya, jika ada 50 m 3 limbah cair yang diolah, maka akan dihasilkan 1 m 3 konsentrat radioaktif, sisanya menjadi air destilat yang sudah tidak radioaktif. Gas-gas yang terbentuk juga terkungkung dalam pengungkung reaktor. Gas ini kemudian disaring melalui sistem ventilasi dengan filter yang berlapis-lapis. Setelah dipakai untuk pengikatan radioaktif, filter tersebut selanjutnya diperlakukan sebagai limbah padat 94

100 GAS CAIR PADAT FILTER EVAPORASI DIBAKAR DITEKAN DIISOLASI UDARA S E M E N T A S I Gambar Skema Pengelolaan Limbah Radioaktif Pemadatan limbah radioaktif dimaksudkan agar limbah tersebut terikat dengan kuat dalam suatu matriks padat sangat kuat. Matriks dirancang mampu bertahan hingga zat radioaktif yang diikatnya meluruh mencapai kondisi radioaktifnya setara dengan radioaktif lingkungan. Dengan pemadatan seperti ini maka zat radioaktif tidak akan terlepas ke lingkungan dalam kondisi apa pun selama disimpan. Proses pemadatannya bisa dilakukan dengan semen (sementasi), aspal (bitumenisasi), polimer (polimerisasi), maupun bahan gelas (vitrikasi). Padatan limbah radioaktif kemudian dimasukkan ke dalam kontainer yang dibuat dari baja tahan karat. Reaktor nulir untuk pembangkit yang menghasilkan tenaga berdaya 1.00 MWe setiap tahunnya menghasilkan limbah radioaktif padat berupa bahan bakar bekas sebanyak 30 tahun. Namun setelah diolah ulang dan dipadatkan, volume limbah hanya sebanyak 4 m 3. Selanjutnya disimpan dalam penyimpanan sementara yang berukuran 50m x 50 m x 4 m. Tempat penampungan ini mampu menampung limbat padat yang berasal dari 10 reaktor yang beroperasi selama 50 tahun. Setelah mengalami penyimpanan selama 50 tahun di penyimpanan sementara, kemampuan memancarkan radiasi dari limbah tersebut sudah sangat kecil. Selanjutnya 95

101 dipindahkan ke tempat penyimpanan akhir (ultimate storage) yang berada di bawah permukaan tanah. Tahapan penyimpanan akhir ini atau penyimpanan lestari merupakan merupakan tahap akhir proses pengolahan limbah. Falsafahnya: zat radioaktif yang semula diambil dari tanah (proses penambangan uranium), dikembalikan lagi ke dalam tanah. Gambar Penyimpanan Lestari Limbah Radioaktif Soal-soal: 1. secara rata-rata netron kehilangan setengah dari energinya setiap tumbukan dengan proton-proton (dalam moderator). Berapa jumlah tumbukan yang dibutuhkan untuk mereduksi energi netron dari MeV menjadi energi termal sebesar 0,04 MeV. Hitunglah energi yang dilepaskan dalam reaksi fisi 1 kg uranium dengan 35 kelimpahan isotop U hingga 3 persen. 3. Taksirlah berapa jumlah fisi per detik yang harus terjadi sehingga PLTN menghasilkan daya 100 MW. Asumsikan efisiensi pengubahan energi 50%. 4. Beberapa zat radioaktif hasil fisi yang umur parona relatif panjang, diantaranya Ru t = 1thn) dan Cs ( t =,1 thn). Setelah disimpan dalam kolam ( 1/ 1/ penyimpanan 50 tahun, tinggal berapa persen masing-masing zat radioaktif tersebut dibanding semula Berapa waktu yang dibutuhkan agar Sr t = 8 thn) untuk tereduksi 75%. ( 1/ 96