Dasar Fisika Radiasi (Hendriyanto Haditjahyono) Daftar Isi I. Pendahuluan... 2 II. Struktur Atom dan Inti Atom... 4 II.1 Struktur Atom...5 II.2 Inti Atom...8 III. Peluruhan Radioaktif... 13 III.1 Jenis Peluruhan...13 III.2 Aktivitas Radiasi...17 III.3 Waktu Paro...19 III.4 Aktivitas Jenis...20 III.5 Skema Peluruhan...20 IV. Interaksi Radiasi dengan Materi... 22 IV.1 Interaksi Radiasi Partikel Bermuatan...22 IV.2 Interaksi Sinar Gamma dan Sinar-X...25 IV.3 Interaksi Radiasi Neutron...31 V. Sumber Radiasi... 34 V.1 Sumber Radiasi Alam...34 V.2 Sumber Radiasi Buatan...36 DAFTAR PUSTAKA... 43
I. Pendahuluan Latar Belakang Materi fisika radiasi ini membahas konsep fisika yang mendasari fenomena fisis terjadinya radiasi nuklir dan proses interaksinya bila mengenai materi. Materi ini perlu dikuasai oleh peserta diklat sebelum membahas materi proteksi radiasi lainnya. Materi ini diberikan secara sederhana, dengan pendekatan praktis dan meminimalisasi kajian yang terlalu teoritis dan matematis, tanpa mengurangi esensi konsep fisisnya. Tujuan Instruksional Setelah mempelajari materi ini peserta diharapkan mampu menguraikan proses terjadinya radiasi baik yang berasal dari atom maupun inti atom yang tidak stabil; proses peluruhan inti atom yang tidak stabil; interaksi radiasi dengan materi; serta prinsip dari beberapa sumber radiasi buatan. Secara khusus setiap peserta akan mampu untuk: 1. menggambarkan struktur atom berdasarkan model atom Bohr; 2. menguraikan proses transisi elektron; 3. menguraikan ketidak-stabilan inti atom; 4. menyebutkan tiga jenis peluruhan radioaktif serta sifat dari masingmasing radiasi yang dipancarkannya; 5. menghitung aktivitas suatu bahan radioaktif; 6. menguraikan proses interaksi radiasi baik radiasi partikel bermuatan, tidak bermuatan maupun gelombang elektromagnetik, bila mengenai materi; serta 7. menguraikan prinsip kerja pesawat sinar-x. Dasar Fisika Radiasi Halaman 2
Materi Pembahasan Materi fisika radiasi ini dibagi menjadi empat bab yaitu struktur atom dan inti atom, peluruhan radioaktif, interaksi radiasi dengan materi, dan jenis sumber radiasi. Dalam bab struktur atom dan inti atom akan dibahas model atom Bohr, partikel penyusun atom beserta masing-masing karakteristiknya; kestabilan atom, transisi elektron, dan sinar-x karakteristik; ketidak-stabilan inti atom dan transformasi inti atom; serta energi dan intensitas radiasi. Dalam bab peluruhan radioaktif akan dibahas peluruhan inti atom yang tidak stabil secara spontan, yang meliputi peluruhan alpha, beta dan gamma, beserta masing-masing karakteristiknya; perhitungan aktivitas radioaktif dan konsep waktu paro. Dalam bab interaksi radiasi dengan materi akan dibahas proses yang terjadi bila radiasi alpha, beta, gamma, sinar-x atau neutron mengenai materi; serta perhitungan tebal penahan radiasi gamma dan sinar-x. Dalam bab jenis sumber radiasi akan dibahas beberapa jenis sumber radiasi alam dan sumber radiasi buatan; serta prinsip kerja mesin pembangkit sinar-x. Seluruh materi di atas diberikan selama 4 jam pelajaran (setiap JP setara dengan 60 menit) dengan metode kuliah dan tanya jawab. Dasar Fisika Radiasi Halaman 3
II. Struktur Atom dan Inti Atom Radiasi pada dasarnya adalah suatu cara perambatan energi dari sumber energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium. Beberapa contohnya adalah perambatan panas, perambatan cahaya, dan perambatan gelombang radio. Radiasi yang akan dibahas di sini adalah radiasi yang berasal dari proses fisika yang terjadi di dalam atom. Semua bahan (materi) yang ada di alam ini tersusun dari berjuta-juta molekul, sedangkan molekul itu sendiri terdiri atas beberapa atom. Sebagai contoh, segelas air terdiri atas molekul-molekul H 2 O, sedang sebuah molekul H 2 O terdiri atas dua buah atom hidrogen (dengan lambang H) dan sebuah atom oksigen (dengan lambang O). Jadi, atom itu sendiri dapat didefinisikan sebagai bagian terkecil dari suatu materi yang masih memiliki sifat dasar materi tersebut. Atom mempunyai ukuran sekitar 10-10 m atau 1 angstrom (= 1 Å). Istilah lain yang sering digunakan untuk menyatakan jenis atom adalah unsur. Sampai saat ini telah diketemukan 107 jenis unsur sebagaimana tertera pada tabel periodik (lihat lampiran I). Atom terdiri atas inti atom dan elektron. Inti atom yang sering disebut sebagai nuklir ataupun nuklida merupakan bagian dari atom yang memiliki massa terbesar (masif) dan berukuran sekitar 10-14 m atau 10-4 Å, sedangkan elektron yang mempunyai massa sangat ringan bertebaran memenuhi ruangan atom. Perkembangan selanjutnya juga menemukan bahwa inti atom terdiri atas dua jenis partikel yaitu proton dan neutron. Dasar Fisika Radiasi Halaman 4
Elektron merupakan partikel yang mempunyai muatan listrik negatif sebesar 1,6 x 10-19 Coulomb dan mempunyai massa sebesar 9,1 x 10-31 kg. Proton mempunyai muatan listrik positif dan massa 1,67 x 10 27 kg. Sedangkan neutron yang mempunyai massa 1,675 x 10-27 kg dan tidak bermuatan listrik. Karena berhubungan dengan nilai muatan dan massa yang sangat kecil, maka diperkenalkan suatu konstanta yang disebut sebagai muatan elementer (e) sebesar 1,6 x 10-19 Coulomb yang sering dituliskan sebagai satuan massa atom (sma) sebesar 1,6 x 10-27 kg. II.1 Struktur Atom Untuk mempelajari struktur atom, sebenarnya terdapat beberapa model pendekatan mulai dari yang paling sederhana hingga yang sangat rumit. Model atom Bohr merupakan model yang paling sering digunakan karena sederhana tetapi dapat menjelaskan banyak hal. Model ini menggambarkan bahwa atom terdiri atas inti atom dan elektron-elektron yang mengelilingi inti atom dengan lintasan-lintasan atau kulit-kulit tertentu (lihat Gambar II.1). Inti atom itu sendiri terdiri atas proton dan neutron. Jenis atom yang sama mempunyai jumlah proton yang sama, sebaliknya atom yang berbeda memiliki jumlah proton yang berbeda. Sebagai contoh, unsur hidrogen (H) mempunyai sebuah proton, sedang unsur emas (Au) mempunyai 79 buah proton. Sebagai suatu konvensi, setiap jenis atom diberi suatu nomor yang disebut sebagai nomor atom berdasarkan jumlah proton yang dimilikinya. Sebagai contoh, nomor atom dari unsur hidrogen adalah 1 sedang nomor atom dari unsur emas adalah 79. Dasar Fisika Radiasi Halaman 5
Gambar II.1. Model atom Bohr Dipandang dari segi beratnya, massa suatu atom terkonsentrasi pada intinya, karena massa elektron dapat diabaikan bila dibandingkan dengan massa proton maupun neutron. Tetapi bila dipandang dari segi muatan listriknya, muatan atom ditentukan oleh jumlah proton dan jumlah elektronnya. Bila jumlah proton dan jumlah elektron di dalam suatu atom sama, maka muatan atom tersebut nol sehingga dinamakan atom netral, sedangkan bila jumlahnya tidak sama maka dinamakan atom tidak netral atau ion. Sebagai contoh, unsur emas memiliki 79 buah proton maka sebuah atom emas yang netral akan mempunyai 79 proton dan 79 elektron. Setiap lintasan elektron mempunyai tingkat energi tertentu. Semakin luar tingkat energinya semakin tinggi. Oleh karena itu elektron-elektron di dalam atom selalu berusaha untuk menempati lintasan elektron yang lebih dalam. Lintasan elektron yang paling dalam dinamakan lintasan K, lintasan berikutnya L dan seterusnya. Jumlah elektron yang dapat menempati setiap lintasan dibatasi oleh suatu aturan tertentu (2 x n 2 ). Lintasan K (n = 1) hanya dapat ditempati oleh dua buah elektron sedang lintasan L (n = 2) delapan elektron. Atom ada dalam keadaan stabil bila setiap lintasan yang lebih dalam berisi penuh dengan elektron sesuai dengan kapasitasnya. Sebaliknya, bila suatu lintasan elektron masih belum penuh tetapi terdapat Dasar Fisika Radiasi Halaman 6
elektron di lintasan yang lebih luar, maka atom tersebut dikatakan tidak stabil. Sebagai contoh suatu atom yang tidak stabil adalah bila lintasan K dari suatu atom hanya berisi sebuah elektron sedang pada lintasan L nya berisi enam elektron. Transisi Elektron Perpindahan elektron dari satu lintasan ke lintasan yang lain disebut sebagai transisi elektron. Bila transisi tersebut berasal dari lintasan yang lebih luar ke lintasan yang lebih dalam, maka akan dipancarkan energi, sebaliknya untuk transisi dari lintasan dalam ke lintasan yang lebih luar dibutuhkan energi. Energi yang dipancarkan oleh proses transisi elektron dari lintasan yang lebih luar ke lintasan lebih dalam berbentuk radiasi sinar- X karakteristik. Gambar II.2. Transisi elektron dari lintasan luar ke dalam (kiri) dan dari lintasan dalam ke luar (kanan) Energi radiasi sinar-x (E x ) yang dipancarkan dalam proses transisi elektron ini adalah sama dengan selisih tingkat energi dari lintasan asal (E a ) dan lintasan tujuan (E t ). E x = E a E t Dasar Fisika Radiasi Halaman 7
Sebaliknya, energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya proses transisi elektron dari kulit yang lebih dalam ke kulit yang lebih luar harus lebih besar dari pada selisih tingkat energi dari lintasan asal dan lintasan tujuan. Proses ini disebut sebagai proses eksitasi, yang akan dibahas lebih lanjut pada Bab IV. Proses transisi elektron tidak hanya terjadi pada lintasan-lintasan yang berurutan, mungkin saja terjadi transisi dari lintasan M ke lintasan K dengan memancarkan radiasi sinar-x. Energi yang dipancarkan oleh transisi elektron dari lintasan M ke K lebih besar daripada transisi dari lintasan L ke K. Tingkat energi lintasan dari setiap atom tidak sama. Sebagai contoh, energi sinar-x yang dipancarkan oleh transisi elektron di dalam atom perak (Ag) akan berbeda dengan energi yang dipancarkan oleh atom tungsten (W). II.2 Inti Atom Sebagaimana telah dibahas sebelumnya, inti atom atau nuklir terdiri atas proton dan neutron yang disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti atom). Jumlah proton dan jumlah neutron di dalam inti atom tidak selalu sama, oleh karena itu suatu unsur (jenis atom) yang sama mungkin saja terdiri atas inti atom yang berbeda, yaitu bila jumlah protonnya sama tetapi jumlah neutronnya berbeda. 1. Identifikasi Inti Atom (Nuklida) Nuklida adalah istilah lain yang digunakan untuk menyatakan suatu jenis inti atom. Nuklida atau jenis inti atom yang ada di alam ini jauh lebih banyak daripada unsur, karena unsur yang sama mungkin saja terdiri atas nuklida yang berbeda. Dasar Fisika Radiasi Halaman 8
Unsur dituliskan dengan lambang atomnya, misalnya unsur emas adalah Au dan unsur besi adalah Fe. Sedangkan penulisan suatu nuklida atau jenis inti atom harus diikuti dengan jumlah neutronnya sebagaimana konvensi penulisan sebagai berikut. ZX A X adalah simbol atom, Z adalah nomor atom yang menunjukkan jumlah proton di dalam inti atom, sedang A adalah nomor massa yang menunjukkan jumlah nukleon (jumlah proton + jumlah neutron). Meskipun tidak dituliskan pada simbol nuklida, jumlah neutron dapat dituliskan sebagai N dengan hubungan N = A Z Sebagai contoh nuklida 2He 4 adalah inti atom helium (He) yang mempunyai dua buah proton (Z = 2) dan dua buah neutron (N = A Z = 2). Cara penulisan nuklida tersebut di atas merupakan konvensi atau kesepakatan saja dan bukan suatu ketentuan sehingga masih terdapat beberapa cara penulisan yang berbeda. Salah satu cara penulisan lain yang paling sering dijumpai adalah tanpa menuliskan nomor atomnya seperti berikut ini. X A atau X-A Contohnya nuklida He 4 atau He-4 dan Co 60 atau Co-60. Nomor atom tidak dituliskan karena dapat diketahui dari jenis atomnya. Setiap atom yang berbeda akan memiliki jumlah proton yang berbeda sehingga nomor atomnya pun berbeda (Lihat tabel periodik di Lampiran I). Terdapat beberapa istilah yang berkaitan dengan komposisi jumlah proton dan jumlah neutron di dalam inti atom yaitu, isotop, isobar, isoton dan isomer. Dasar Fisika Radiasi Halaman 9
Isotop adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor atom (jumlah proton) sama, tetapi mempunyai nomor massa (jumlah neutron) berbeda. Jadi, setiap unsur mungkin saja terdiri atas beberapa jenis nuklida yang sama. Sebagai contoh adalah isotop hidrogen sebagai berikut 1 H 1 ; 1 H 2 ; 1 H 3. Gambar II.3 Isotop Hidrogen Isobar adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor massa (jumlah proton + jumlah neutron) sama, tetapi mempunyai nomor atom (jumlah proton) berbeda. 6C 14 dan 7N 14 Isoton adalah nuklida-nuklida yang mempunyai jumlah neutron sama, tetapi mempunyai nomor atom (jumlah proton) berbeda. 6C 14 ; 7 N 15 dan 8 O 16 Isomer adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor atom maupun nomor massa sama, tetapi mempunyai tingkat energi yang berbeda. Inti atom yang memiliki tingkat energi lebih tinggi daripada tingkat energi dasarnya biasanya diberi tanda asterisk (*) atau m. 28Ni 60 dan 28 Ni 60 * atau 28 Ni 60m Dasar Fisika Radiasi Halaman 10
Kedua nuklida tersebut di atas mempunyai jumlah proton dan jumlah neutron yang sama tetapi tingkat energinya berbeda. Tingkat energi Ni 60 berada pada keadaan dasarnya sedang Ni 60 * tidak pada keadaan dasarnya atau pada keadaan tereksitasi (excited-state). 2. Kestabilan Inti Atom Komposisi jumlah proton dan neutron di dalam inti atom sangat mempengaruhi kestabilan inti atom tersebut. Inti atom dikatakan stabil bila komposisi jumlah proton dan neutronnya sudah seimbang serta tingkat energinya sudah berada pada keadaan dasar. Sedangkan inti atom dikatakan tidak stabil bila komposisi jumlah proton dan neutronnya tidak seimbang atau tingkat energinya tidak berada pada keadaan dasar. Jumlah Neutron (A-Z) 120 80 40 N/Z=1,5 N/Z=1 0 0 20 40 60 80 Jumlah proton (Z) Gambar II.4. Hubungan Z dan N untuk isotop stabil Gambar II.4 di atas menunjukkan posisi (koordinat dari jumlah proton dan jumlah neutron) dari nuklida yang stabil. Bila posisi suatu nuklida tidak berada pada posisi sebagaimana kurva kestabilan maka nuklida tersebut tidak stabil. Secara umum, kestabilan inti-inti ringan terjadi bila jumlah protonnya sama dengan jumlah neutronnya, terlihat bahwa posisi nuklida berhimpit dengan Dasar Fisika Radiasi Halaman 11
garis Z = N, sedang kestabilan inti-inti berat terjadi bila jumlah neutron mendekati 1,5 kali jumlah protonnya. Gambar II.5. Sebagian Tabel Nuklida Gambar II.5 di atas, yang disebut sebagai tabel nuklida, merupakan gambar kurva kestabilan (Gambar II.4) yang lebih rinci. Dari tabel nuklida tersebut, petak-petak yang diarsir gelap menunjukkan posisi dari nuklida yang stabil sedang petak-petak lainnya adalah nuklida yang tidak stabil. Sebagai contoh Al-27 ( 13 Al 27 ) adalah nuklida yang stabil sedang nuklida Al lainnya (Al-24; Al-25 dan seterusnya) tidak stabil. Nuklida-nuklida yang tidak stabil (kotak tidak diarsir gelap) disebut sebagai radionuklida. Isotop yang tidak stabil disebut sebagai radioisotop. Radioisotop dan radionuklida adalah istilah yang sama, yaitu menunjukkan inti-inti atom yang tidak stabil. Sedangkan bahan yang terdiri atas radionuklida dengan jumlah cukup banyak disebut bahan radioaktif. Proses perubahan atau transformasi inti atom yang tidak stabil menjadi atom yang stabil tersebut dinamakan peluruhan radioaktif. Proses peluruhan radioaktif seringkali harus melalui beberapa tingkatan intermediate (antara) sebelum menjadi inti atom yang stabil. Peluruhan seperti ini dinamakan peluruhan berantai. Dasar Fisika Radiasi Halaman 12
III. Peluruhan Radioaktif Inti atom yang tidak stabil secara spontan akan berubah menjadi inti atom yang lebih stabil. Proses perubahan tersebut dinamakan peluruhan radioaktif (radioactive decay). Dalam setiap proses peluruhan akan dipancarkan radiasi. Bila ketidakstabilan inti disebabkan karena komposisi jumlah proton dan neutronnya yang tidak seimbang, maka inti tersebut akan berubah dengan memancarkan radiasi alpha (α) atau radiasi beta (β). Sedangkan kalau ketidakstabilannya disebabkan karena tingkat energinya yang tidak berada pada keadaan dasar, maka akan berubah dengan memancarkan radiasi gamma (γ). III.1 Jenis Peluruhan Terdapat tiga jenis peluruhan radioaktif secara spontan yaitu peluruhan alpha (α), peluruhan beta (β), dan peluruhan gamma (γ). Jenis peluruhan atau jenis radiasi yang dipancarkan dari suatu proses peluruhan ditentukan dari posisi inti atom yang tidak stabil tersebut dalam diagram N-Z. 1. Peluruhan Alpha (a) Peluruhan alpha dominan terjadi pada inti-inti tidak stabil yang relatif berat (nomor atom lebih besar dari 80). Dalam peluruhan ini akan dipancarkan partikel alpha (α) yaitu suatu partikel yang terdiri atas dua proton dan dua neutron, yang berarti mempunyai massa 4 sma dan muatan 2 muatan elementer positif. Partikel α secara simbolik dinyatakan dengan simbol 2He 4. Dasar Fisika Radiasi Halaman 13
Radionuklida yang melakukan peluruhan α akan kehilangan dua proton dan dua neutron serta membentuk nuklida baru. Peristiwa peluruhan α ini dapat dituliskan secara simbolik melalui reaksi inti sebagai berikut: ZX A Z-2 Y A-4 + α Contoh peluruhan partikel Alpha yang terjadi di alam adalah: 92U 238 90 Th 234 + α Sifat Radiasi Alpha a. Daya ionisasi partikel α sangat besar, kurang lebih 100 kali daya ionisasi partikel β dan 10.000 kali daya ionisasi sinar γ. b. Jarak jangkauan (tembus) nya sangat pendek, hanya beberapa mm udara, bergantung pada energinya. c. Partikel α akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau medan listrik. d. Kecepatan partikel α bervariasi antara 1/100 hingga 1/10 kecepatan cahaya. 2. Peluruhan Beta (b) Peluruhan beta terjadi pada inti tidak stabil yang relatif ringan. Dalam peluruhan ini akan dipancarkan partikel beta yang mungkin bermuatan negatif (β ) atau bermuatan positif (β + ). Partikel β identik dengan elektron sedangkan partikel β + identik dengan elektron yang bermuatan positif (positron). Pada diagram N-Z, peluruhan β terjadi bila nuklida tidak stabil Dasar Fisika Radiasi Halaman 14
berada di atas kurva kestabilan sedangkan peluruhan β + nuklidanya berada di bawah kurva kestabilan. terjadi bila Dalam proses peluruhan β terjadi perubahan neutron menjadi proton di dalam inti atom sehingga proses peluruhan ini dapat dituliskan sebagai persamaan inti berikut. A A - Z X Z + 1Y + â + í Contohnya adalah 32 32-15 P 16S + â + í Sedangkan dalam proses peluruhan β + terjadi perubahan proton menjadi neutron di dalam inti atom sehingga proses peluruhan ini dapat dituliskan sebagai persamaan inti berikut. A A + Z X Z 1Y + â + í Contohnya adalah 15 15 + 8 O 7N + â + í Neutrino (í ) dan antineutrino (í ) adalah partikel yg tidak bermassa tetapi berenergi yg selalu mengiringi peluruhan β. Sifat Radiasi Beta a. Daya ionisasinya di udara 1/100 kali dari partikel α. b. Jarak jangkauannya lebih jauh daripada partikel α, di udara dapat beberapa cm. Dasar Fisika Radiasi Halaman 15
c. Kecepatan partikel β berkisar antara 1/100 hingga 99/100 kecepatan cahaya. d. Karena sangat ringan, maka partikel β mudah sekali dihamburkan jika melewati medium. e. Partikel β akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau medan listrik. 3. Peluruhan Gamma (g) Berbeda dengan dua jenis peluruhan sebelumnya, peluruhan gamma tidak menyebabkan perubahan nomor atom maupun nomor massa, karena radiasi yang dipancarkan dalam peluruhan ini berupa gelombang elektromagnetik (foton). Peluruhan ini dapat terjadi bila energi inti atom tidak berada pada keadaan dasar (ground state), atau pada bab sebelumnya dikatakan sebagai inti atom yang isomer. Peluruhan ini dapat terjadi pada inti berat maupun ringan, di atas maupun di bawah kurva kestabilan. Biasanya, peluruhan γ ini mengikuti peluruhan α ataupun β. Peluruhan γ dapat dituliskan sebagai berikut. ZX A * Z X A + γ Salah satu contoh peluruhan gamma yang mengikuti peluruhan β 27Co 60 28 Ni 60 * + β 28Ni 60 * 28 Ni 60 + γ Sifat Radiasi Gamma Dasar Fisika Radiasi Halaman 16
a. Sinar γ dipancarkan oleh nuklida tereksitasi (isomer) dengan panjang gelombang antara 0,005 Å hingga 0,5 Å. b. Daya ionisasinya di dalam medium sangat kecil sehingga daya tembusnya sangat besar bila dibandingkan dengan daya tembus partikel α atau β. c. Karena tidak bermuatan, sinar γ tidak dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnit III.2 Aktivitas Radiasi Sebagaimana telah dibahas pada bab sebelumnya bahwa inti yang tidak stabil akan berubah menjadi stabil dengan memancarkan radiasi (proses peluruhan). Laju peluruhan jumlah proses peluruhan per satuan waktu ( N/ t) sebanding dengan jumlah inti yang tidak stabil (N) dan suatu konstanta yang disebut sebagai konstanta peluruhan (λ). N = λ N t (III-1) Aktivitas radiasi didefinisikan sebagai jumlah peluruhan yang terjadi dalam satu detik, atau dengan kata lain adalah laju peluruhan itu sendiri. A = λ. N (III-2) Dari dua persamaan di atas, secara matematis akan diperoleh persamaan yang disebut sebagai hukum peluruhan yaitu: N λ t = N 0 e (III-3) Dasar Fisika Radiasi Halaman 17
di mana N adalah jumlah inti atom yang tidak stabil saat ini, N 0 adalah jumlah inti atom yang tidak stabil saat mula-mula, λ adalah konstanta peluruhan sedangkan t adalah selang waktu antara saat mula-mula sampai saat ini. Persamaan di atas dapat diubah menjadi bentuk aktivitas sebagai berikut. A λ t = A 0 e (III-4) di mana A adalah aktivitas pada saat t, sedangkan A 0 adalah aktivitas mulamula. Persamaan III-4 di atas dapat digambarkan dalam grafik eksponensial yang menunjukkan hubungan antara aktivitas radioaktif terhadap waktu. Gambar III-2. Aktivitas radioaktif sebagai fungsi dari waktu Satuan Aktivitas Sejak tahun 1976 dalam sistem satuan internasional (SI) aktivitas radiasi dinyatakan dalam satuan Bequerel (Bq) yang didefinisikan sebagai: 1 Bq = 1 peluruhan per detik Sebelum itu digunakan satuan Curie (Ci) untuk menyatakan aktivitas radiasi yang didefinisikan sebagai: 1 Ci = 3,7 x 10 10 peluruhan per detik Dasar Fisika Radiasi Halaman 18
dan satuan-satuan berkaitan yang lebih kecil yaitu milicurie (mci) dan micro Curie (µci), 1 mci = 10-3 Ci 1 µci = 10-6 Ci III.3 Waktu Paro Waktu paro (T ½ ) didefinisikan sebagai selang waktu yang dibutuhkan agar aktivitas suatu radioaktif menjadi separuhnya. Setiap radionuklida mempunyai waktu paro yang unik dan tetap. Sebagai contoh, Co-60 mempunyai waktu paro 5,27 tahun dan Ir-192 adalah 74 hari. Gambar III-3: Aktivitas radioaktif setelah waktu paro Nilai waktu paro suatu radionuklida dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini. T ½ 0,693 = λ (III-5) Konsep waktu paro ini sangat bermanfaat untuk menghitung aktivitas suatu radionuklida dibandingkan bila harus menggunakan persamaan matematis Dasar Fisika Radiasi Halaman 19
(III-4). Bila selang waktunya sama dengan satu kali T ½ maka aktivitasnya tinggal 0,5 nya, sedang kalau dua kali T ½ maka aktivitasnya tinggal 0,25 nya, dan seterusnya. Dapat juga menggunakan hubungan berikut ini. A = ( ½ ) n. A 0 (III-6) n = t T ½ dimana t adalah selang waktu antara saat mula-mula sampai saat pengukuran, sedangkan T ½ adalah waktu paro radionuklida. III.4 Aktivitas Jenis Aktivitas jenis radioaktif ( A sp ) didefinisikan sebagai aktivitas dari satu gram zat radioaktif tersebut, biasanya dinyatakan dalam satuan Ci/gram. Makin pendek waktu paro unsur radioaktif, makin besar aktivitas jenisnya. A sp = λ x N sp (III-7) N sp 6,02 10 A 23 = (III-8) N sp adalah jumlah atom dalam satu gram zat radioaktif, sedang A adalah nomor massanya. III.5 Skema Peluruhan Proses peluruhan suatu radionuklida dari keadaan tidak stabil menjadi stabil ternyata menempuh tahapan tertentu yang dapat digambarkan dalam Dasar Fisika Radiasi Halaman 20
suatu skema peluruhan. Gambar berikut ini menunjukkan dua contoh yaitu skema peluruhan Cs-137 dan Co-60. Gambar III-4. Skema Peluruhan Cs-137 dan Co-60 Terlihat dari skema peluruhan di atas bahwa dalam perjalanannya menuju stabil Cs-137 memancarkan 2 jenis radiasi β dan sebuah radiasi γ, sedangkan Co-60 memancarkan 2 jenis radiasi β dan 2 jenis radiasi γ. Dari skema peluruhan tersebut juga dapat diketahui tingkat energi dari setiap radiasi yang dipancarkan maupun probabilitas jumlah (kuantitas) pancarannya. Dasar Fisika Radiasi Halaman 21
IV. Interaksi Radiasi dengan Materi Pada bagian ini akan dibahas interaksi yang terjadi antara radiasi dengan materi yang dilaluinya. Secara umum interaksi radiasi dapat dibedakan atas tiga jenis radiasi yaitu radiasi partikel bermuatan, seperti radiasi α dan β; radiasi partikel tidak bermuatan yaitu radiasi neutron; dan radiasi gelombang elektromagnetik seperti radiasi γ dan sinar-x. IV.1 Interaksi Radiasi Partikel Bermuatan Dibandingkan dengan radiasi yang lain, partikel α secara fisik maupun elektrik relatif besar. Selama melintas di dalam bahan penyerap, partikel α ini sangat mempengaruhi elektron-elektron orbit dari atom-atom bahan penyerap karena adanya gaya Coulomb. Oleh karena itu, radiasi α sangat mudah diserap di dalam materi atau daya tembusnya sangat rendah. Radiasi α yang mempunyai energi 3,5 MeV hanya dapat menembus 20 mm udara atau hanya dapat menembus 0,03 mm jaringan tubuh. Interaksi radiasi α dengan materi yang dominan adalah proses ionisasi dan eksitasi. Interaksi lainnya dengan probabilitas jauh lebih kecil adalah reaksi inti, yaitu perubahan inti atom materi yang dilaluinya menjadi inti atom yang lain, biasanya berubah menjadi inti atom yang tidak stabil. 1. Proses Ionisasi Ketika radiasi α (bermuatan positif) melalui materi maka terdapat beberapa elektron (bermuatan negatif) yang akan terlepas dari orbitnya karena adanya gaya tarik Coulomb. Proses terlepasnya elektron dari suatu atom dinamakan sebagai proses ionisasi. Dasar Fisika Radiasi Halaman 22
Gambar IV-1: Proses ionisasi Energi radiasi setelah melakukan sebuah proses ionisasi ( E o ) akan lebih kecil dibandingkan dengan energi mula-mula ( E i ), berkurang sebesar energi yang dibutuhkan untuk melangsungkan proses ionisasi. Setelah terjadi ionisasi maka atomnya akan bermuatan positif dan disebut sebagai ion positif. Setelah melalui beberapa kali (beribu-ribu) proses ionisasi, maka energi radiasinya akan habis. 2. Proses Eksitasi Proses ini mirip dengan proses ionisasi, perbedaannya dalam proses eksitasi, elektron tidak sampai lepas dari atomnya hanya berpindah ke lintasan yang lebih luar. Gambar IV-2. Proses eksitasi Dasar Fisika Radiasi Halaman 23
Sebagaimana proses ionisasi, energi radiasi setelah melakukan proses eksitasi (E o ) juga berkurang sebesar energi yang dibutuhkan untuk melangsungkan proses eksitasi. Energi yang dibutuhkan untuk melakukan eksitasi tidak sebesar energi yang dibutuhkan untuk mengionisasi. Setelah melakukan beberapa kali (beribu-ribu) proses eksitasi, maka energi radiasinya akan habis. Proses eksitasi ini selalu diikuti oleh proses de-eksitasi yaitu proses transisi elektron dari kulit yang lebih luar ke kulit yang lebih dalam dengan memancarkan radiasi sinar-x karakteristik. 3. Proses Brehmstrahlung Proses ini lebih dominan dilakukan oleh partikel beta karena massa dan muatan partikel beta lebih kecil sehingga kurang diserap oleh materi atau daya tembusnya lebih jauh. Partikel beta dengan energi sebesar 3,5 MeV dapat melintas di udara sejauh 11 meter atau dapat mencapai jarak sekitar 15 mm di dalam jaringan tubuh. Interaksi radiasi β dengan materi adalah proses ionisasi dan eksitasi sebagaimana radiasi α, serta proses bremstrahlung, yaitu pemancaran radiasi gelombang elektromagnetik (sinar-x kontinyu) ketika radiasi β, dibelokkan atau diperlambat oleh inti atom yang bermuatan positif. Ukuran partikel β jauh lebih kecil dan kecepatannya jauh lebih tinggi dibandingkan dengan partikel α sehingga partikel β dapat masuk mendekati inti atom. Dasar Fisika Radiasi Halaman 24
Gambar IV-3. Proses terbentuknya Sinar-X bremstrahlung Fraksi energi ( f ) dari sinar-x bremstrahlung yang dihasilkan dapat ditentukan menggunakan persamaan empiris berikut ini. f = 3,5 x 10 4. Z. E maks (IV-1) dengan Z adalah nomor atom bahan penyerap sedangkan E maks adalah energi maksimum dari partikel beta (dalam MeV). Dari persamaan (IV-1) di atas dapat disimpulkan bahwa: 1. Energi partikel β yang lebih besar akan menghasilkan radiasi bremsstrahlung yang lebih besar. 2. Semakin besar nomor atom bahan penyerap (semakin berat) akan menghasilkan radiasi sinar-x yang lebih besar. IV.2 Interaksi Sinar Gamma dan Sinar-X Sinar γ dan sinar-x merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang berarti tidak mempunyai massa maupun muatan listrik. Oleh karena itu, sinar γ dan sinar-x sangat sukar untuk diserap oleh materi, atau daya tembusnya sangat besar. Dasar Fisika Radiasi Halaman 25
Proses interaksi antara sinar γ dan sinar-x dengan materi adalah efek fotolistrik, efek Compton dan produksi pasangan. Probabilitas terjadinya antara tiga proses tersebut sangat ditentukan oleh energi radiasi dan jenis materi (nomor atom) penyerapnya. Gambar IV-4: Probabilitas interaksi foton dengan materi 1. Efek Fotolistrik Pada efek fotolistrik, energi foton diserap oleh elektron orbit, sehingga elektron tersebut terlepas dari atom. Elektron yang dilepaskan dalam proses ini, disebut fotoelektron, mempunyai energi sebesar energi foton yang mengenainya. Gambar IV-5: Efek Fotolistrik Efek fotolistrik sangat dominan terjadi bila foton berenergi rendah di bawah 0,5 MeV dan lebih banyak terjadi pada material dengan Z yang Dasar Fisika Radiasi Halaman 26
besar. Sebagai contoh efek fotolistrik lebih banyak terjadi pada timah hitam (Z=82) daripada tembaga (Z=29). 2. Hamburan Compton Gambar IV-6: Hamburan Compton Pada hamburan Compton, foton dengan energi hν i berinteraksi dengan elektron terluar dari atom, selanjutnya foton dengan energi hν o dihamburkan dan sebuah fotoelektron lepas dari ikatannya. Energi kinetik elektron (E e ) sebesar selisih energi foton masuk dan foton keluar. E e = hν i hν o (IV-2) Hamburan Compton sangat dominan terjadi bila foton berenergi sedang (di atas 0,5 MeV) dan lebih banyak terjadi pada material dengan Z yang rendah. 3. Produksi Pasangan Proses produksi pasangan hanya terjadi bila energi foton datang hν i lebih besar dari 1,02 MeV. Ketika foton sampai ke dekat inti atom maka foton tersebut akan lenyap dan berubah menjadi sepasang elektron-positron. Positron adalah partikel yang identik dengan elektron tetapi bermuatan Dasar Fisika Radiasi Halaman 27
positif. Energi kinetik total dari dua partikel tersebut sama dengan energi foton yang datang dikurangi 1,02 MeV. E e+ + E e = hν i 1.02 MeV (IV-3) E e+ adalah energi kinetik positron dan E e energi kinetik elektron. Gambar IV.7: Produksi Pasangan 4. Ionisasi Tidak Langsung Dari tiga interaksi gelombang elektromagnetik tersebut di atas terlihat bahwa semua interaksi menghasilkan partikel bermuatan (elektron atau positron) yang berenergi. Elektron atau positron yang berenergi tersebut dalam pergerakannya akan mengionisasi atom-atom bahan yang dilaluinya sehingga dengan kata lain, gelombang elektromagnetik juga dapat mengionisasi bahan tetapi secara tidak langsung. 5. Penyerapan Radiasi Gelombang Elektromagnetik Berbeda dengan radiasi partikel bermuatan (α atau β), daya tembus radiasi gamma dan sinar-x sangat tinggi bahkan tidak dapat diserap secara keseluruhan. Dasar Fisika Radiasi Halaman 28
Gambar IV.8. Penyerapan Radiasi Gelombang Elektromagnetik Hubungan antara intensitas radiasi yang datang (I 0 ) dan intensitas yang diteruskan (I x ) setelah melalui bahan penyerap setebal x adalah sebagai berikut. I x 0 µ x = I e (IV-4) µ adalah koefisien serap linier bahan terhadap radiasi gamma dan sinar-x. µ sangat dipengaruhi oleh jenis bahan penyerap, nomor atom (Z) dan densitas (ρ) serta energi radiasi yang mengenainya. Nilai tebal bahan penyerap dapat dalam satuan panjang (mm ; cm) ataupun dalam satuan massa persatuan luas (gr/cm 2 ). Terlihat bahwa persamaan (IV-4) di atas merupakan persamaan eksponensial seperti persamaan peluruhan radioaktif sehingga dapat digambarkan sebagai berikut. Dasar Fisika Radiasi Halaman 29
Gambar IV.9. Kurva intensitas radiasi yang diteruskan oleh bahan penyerap Bila di peluruhan radioaktif dikenal istilah waktu paro, disini terdapat istilah tebal paro (HVL = half value layer) yaitu tebal bahan yang dapat menyerap separo dari intensitas mula-mula atau intensitas yang diteruskan tinggal separonya. Istilah lain adalah TVL (tenth value layer) yaitu tebal bahan yang dapat menyerap 90% intensitas mula-mula atau intensitas yang diteruskan tinggal sepersepuluh (10%) nya. Nilai HVL dan TVL suatu bahan ditentukan dari koefisien serap linier (µ) nya dengan persamaan berikut. 0,693 2,303 HVL = ; TVL = (IV-5) µ µ Perhitungan intensitas radiasi yang masih diteruskan setelah melalui suatu bahan penyerap (penahan radiasi) lebih mudah bila menggunakan konsep HVL dan TVL ini dibandingkan harus menggunakan persamaan dasarnya (IV-4). I ( 1 n 2) I x = 0 ; ( 1 m I 10) I 0 x = (IV-6) Dasar Fisika Radiasi Halaman 30
Dimana n adalah jumlah HVL (x / HVL) sedangkan m adalah jumlah TVL (x / TVL). IV.3 Interaksi Radiasi Neutron Berbeda dengan radiasi α, β dan γ, radiasi neutron memang tidak dihasilkan dari proses peluruhan spontan. Radiasi neutron dihasilkan dari proses reaksi fisi, misalnya di reaktor nuklir, atau dari neutron generator (akselerator ataupun zat radioaktif). Neutron merupakan partikel yang mempunyai massa tetapi tidak bermuatan listrik sehingga interaksinya dengan materi lebih banyak bersifat mekanik, yaitu tumbukan antara neutron dengan atom (inti atom) bahan penyerap, baik secara elastik maupun tak elastik. Setiap tumbukan dengan materi akan menyerap energi neutron sehingga setelah beberapa kali tumbukan maka energi neutron akan habis. Interaksi lain yang mungkin muncul bila energi neutron sudah sangat rendah adalah reaksi inti atau penangkapan neutron oleh inti atom bahan penyerap. 1. Tumbukan Elastik Tumbukan elastik adalah tumbukan di mana total energi kinetik partikelpartikel sebelum dan sesudah tumbukan tidak berubah. Dalam tumbukan elastik antara neutron dan atom bahan penyerap, sebagian energi neutron diberikan ke inti atom yang ditumbuknya sehingga atom tersebut terpental sedangkan neutronnya dibelokkan/ dihamburkan. Dasar Fisika Radiasi Halaman 31
Gambar IV.10. Peristiwa tumbukan elastik Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai massa yang sama, atau hampir sama dengan massa neutron (misalnya atom Hidrogen), sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom tersebut cukup besar. 2. Tumbukan Tak Elastik Proses tumbukan tak elastik sebenarnya sama saja dengan tumbukan elastik, tetapi energi kinetik sebelum dan sesudah tumbukan berbeda. Ini terjadi bila massa atom yang ditumbuk neutron jauh lebih besar dari massa neutron. Setelah tumbukan, atom tersebut tidak terpental, hanya bergetar, sedang neutronnya terhamburkan. Dalam peristiwa ini, energi neutron yang diberikan ke atom yang ditumbuknya tidak terlalu besar sehingga setelah tumbukan, energi neutron tidak banyak berkurang. Oleh karena itu, bahan yang mengandung atomatom dengan nomor atom besar tidak efektif sebagai penahan radiasi neutron. Gambar IV.11. Peristiwa tumbukan non elastik Dasar Fisika Radiasi Halaman 32
3. Reaksi Inti (Penangkapan Neutron) Bila energi neutron sudah sangat rendah atau sering disebut sebagai neutron termal (E n < 0,025 ev), maka terdapat kemungkinan bahwa neutron tersebut akan ditangkap oleh inti atom bahan penyerap sehingga mambentuk inti atom baru, yang biasanya merupakan inti atom yang tidak stabil, yang memancarkan radiasi, misalnya α, β atau γ. Peristiwa ini yang disebut sebagai proses aktivasi neutron, yaitu mengubah bahan yang stabil menjadi bahan radioaktif. Gambar IV.12. Peristiwa penangkapan neutron Dasar Fisika Radiasi Halaman 33
V. Sumber Radiasi Sumber radiasi dapat dibedakan berdasarkan asalnya yaitu sumber radiasi alam yang sudah ada di alam ini sejak terbentuknya, dan sumber radiasi buatan yang sengaja dibuat oleh manusia. Radiasi yang dipancarkan oleh sumber radiasi alam disebut radiasi latar belakang. Pada bab ini akan dibahas beberapa macam sumber radiasi alam dan prinsip kerja secara umum dari beberapa sumber radiasi buatan. V.1 Sumber Radiasi Alam Setiap hari manusia terkena radiasi dari alam dan radiasi dari alam ini merupakan bagian terbesar yang diterima oleh manusia yang tidak bekerja di tempat yang menggunakan radioaktif atau yang tidak menerima radiasi berkaitan dengan kedokteran atau kesehatan. Radiasi latar belakang yang diterima oleh seseorang dapat berasal dari tiga sumber utama berikut: sumber radiasi kosmik yang berasal dari benda langit di dalam dan luar tata surya kita, sumber radiasi terestrial yang berasal dari kerak bumi, sumber radiasi internal yang berasal dari dalam tubuh manusia sendiri. 1. Sumber Radiasi Kosmik Radiasi kosmik berasal dari angkasa luar, sebagian berasal dari ruang antarbintang dan matahari. Radiasi kosmik ini terdiri dari partikel dan sinar yang berenergi tinggi (10 17 ev) dan berinteraksi dengan inti atom stabil di atmosfir membentuk inti radioaktif seperti C-14, Be-7, Na-22 dan H-3. Dasar Fisika Radiasi Halaman 34
Radionuklida yang terjadi karena interaksi dengan radiasi kosmik ini disebut radionuklida cosmogenic. Atmosfir bumi dapat mengurangi radiasi kosmik yang diterima oleh manusia. Tingkat radiasi dari sumber kosmik ini bergantung kepada ketinggian, yaitu radiasi yang diterima akan semakin besar apabila posisinya semakin tinggi. Tingkat radiasi yang diterima seseorang juga bergantung pada garis lintangnya di bumi, karena radiasi kosmik ini dipengaruhi oleh medan magnet bumi. Karena medan magnet bumi di daerah kutub lebih kuat, maka radiasi yang diterima di kutub lebih kecil daripada di daerah katulistiwa. 2. Sumber Radiasi Terestrial Radiasi terestrial secara natural dipancarkan oleh radionuklida di dalam kerak bumi, dan radiasi ini dipancarkan oleh radionulida yang disebut primordial dengan waktu paro berorde milyar (10 9 ) tahun. Radionuklida ini ada sejak terbentuknya bumi. Radionuklida yang ada dalam kerak bumi terutama adalah deret Uranium, yaitu peluruhan berantai mulai dari U-238 sampai stabil Pb-206; deret Actinium, yang mulai dari U-235 sampai Pb- 207; dan deret Thorium, mulai dari Th-232 sampai Pb-208. Dalam setiap proses peluruhan berantai di atas dipancarkan berbagai jenis energi (α, β dan γ) dengan berbagai tingkatan energi. Radiasi terestrial terbesar yang diterima manusia berasal dari Radon (Ra- 222) dan Thoron (Ra-220) karena dua radionuklida ini berbentuk gas sehingga bisa menyebar kemana-mana. Dasar Fisika Radiasi Halaman 35
Tingkat radiasi yang diterima seseorang dari radiasi terestrial ini berbedabeda dari satu tempat ke tempat lain bergantung kepada konsentrasi sumber radiasi di dalam kerak bumi. Ada beberapa tempat di bumi ini yang memiliki tingkat radiasi di atas rata-rata seperti Poços de Caldas dan Guarapari (Brazil), Kerala dan Tamil Nadu (India) dan Ramsar (Iran). 3. Sumber Radiasi di Dalam Tubuh Sumber radiasi alam lain adalah radionuklida yang ada di dalam tubuh manusia. Sumber radiasi ini berada di dalam tubuh manusia sejak dilahirkan atau masuk ke dalam tubuh manusia melalui makanan, minuman, pernafasan, atau luka. Radiasi internal ini terutama diterima dari radionuklida C-14, H-3, K-40, radon. Selain itu masih ada sumber lain seperti Pb-210 dan Po-210 yang banyak berasal dari ikan dan kerangkerangan. Buah-buahan biasanya mengandung unsur K-40. V.2 Sumber Radiasi Buatan Sumber radiasi buatan mulai diproduksi pada abad ke 20 diketemukannya sinar-x oleh W. Roentgent. Saat ini sudah banyak sekali jenis dari sumber radiasi buatan baik yang berupa zat radioaktif, pesawat sinar-x, reaktor nuklir dan akselerator. 1. Zat Radioaktif Dewasa ini telah banyak sekali unsur radioaktif berhasil dibuat oleh manusia berdasarkan reaksi inti antara nuklida yang tidak radioaktif dengan neutron (reaksi fisi di dalam reaktor atom), aktivasi neutron, atau berdasarkan penembakan nuklida yang tidak radioaktif dengan partikel atau ion cepat (di dalam alat-alat pemercepat partikel, misalnya akselerator, Dasar Fisika Radiasi Halaman 36
siklotron). Radionuklida buatan ini bisa memancarkan jenis radiasi alpha, beta, gamma dan neutron. a. Pemancar Alpha Salah satu contoh reaksi inti untuk menghasilkan radionuklida pemancar alpha adalah: 13Al 27 + 0 n 1 11 Na 24 + α Salah satu aplikasinya adalah untuk menghasilkan radiasi neutron melalui reaksi (α,n), radionuklida yang sering dipakai adalah Ra-226, Po-210, Pu- 239 dan Am-241. b. Pemancar Beta Sebagian besar pemancar beta ini dihasilkan melalui penembakan partikel neutron pada nuklida stabil. Oleh karena itu di dalam reaktor nuklir didapatkan berbagai macam pemancar beta. Energi radiasi beta bersifat kontinu. Pemancar beta sering digunakan dalam kedokteran dan juga dalam industri untuk mengukur ketebalan materi. Pemancar beta yang sering digunakan dalam kedokteran misalnya Sr-90, Y-90, P-32, Re-188, sedangkan untuk industri sering digunakan Sr-90, P-32, Tl-208. Contoh reaksi inti untuk menghasilkan pemancar beta adalah 14Si 31 + 0 n 1 15 P 32 + β Dasar Fisika Radiasi Halaman 37
c. Pemancar Gamma Sebenarnya jarang sekali sumber radioaktif yang hanya memancarkan radiasi gamma saja, karena radiasi gamma biasanya mengikuti proses peluruhan α atau β. Berikut ini sebuah reaksi inti untuk menghasilkan radionuklida pemancar β dan γ adalah: 27Co 59 + 0 n 1 28 Ni 60 + β + γ Dalam pemakaiannya, pemancar gamma beraktivitas tinggi sering digunakan sebagai sumber radiasi di rumah sakit dan industri. Irradiator banyak digunakan di rumah sakit (irradiator Co-60 dan Cs-137) dan dalam industri (irradiator Co-60). d. Pemancar Neutron Radiasi neutron dapat dihasilkan dengan interaksi radiasi α dengan bahan yang dapat melangsungkan reaksi (α,n) seperti unsur Be. Sumber neutron ini merupakan campuran antara unsur Be dengan radioaktif pemancar α, misalnya Am-241 yang dibungkus dalam sebuah kapsul, sehingga terjadi reaksi sebagai berikut. 95Am 241 93 Np 237 + α 4Be 9 + α 6 C 12 + n 2. Pesawat Sinar-X Secara sederhana proses terbentuknya radiasi sinar-x pada pesawat sinar-x adalah sebagai berikut perhatikan gambar di bawah ini. Dasar Fisika Radiasi Halaman 38
Gambar V-1: Konstruksi pesawat sinar-x Proses pembentukan sinar-x pada pesawat sinar-x adalah sebagai berikut: 1) Arus listrik akan memanaskan filamen sehingga akan terjadi awan elektron disekitar filamen (proses emisi termionik). 2) Tegangan (kv) di antara katoda (negatif) dan anoda (positif) akan menyebabkan elektron-elektron bergerak ke arah anoda. 3) Fokus (focusing cup) berfungsi untuk mengarahkan pergerakan elektron-elektron (berkas elektron) menuju target. 4) Ketika berkas elektron menubruk target akan terjadi proses eksitasi pada atom-atom target, sehingga akan dipancarkan sinar-x karakteristik, dan proses pembelokan (pengereman) elektron sehingga akan dipancarkan sinar-x bremstrahlung. 5) Berkas sinar-x yang dihasilkan, yaitu sinar-x karakteristik dan bremstrahlung, dipancarkan keluar tabung melalui window. 6) Pendingin diperlukan untuk mendinginkan target karena sebagian besar energi pada saat elektron menumbuk target akan berubah menjadi panas. Dari pembahasan di atas terlihat bahwa sinar-x yang dihasilkan oleh pesawat sinar-x terdiri atas sinar-x karakteristik yang bersifat diskrit dan Dasar Fisika Radiasi Halaman 39
sinar-x bremstrahlung yang bersifat kontinu. Perhatikan gambar spektrum energi sinar-x berikut ini. Gambar V-2: Spektrum energi sinar-x Terdapat dua pengaturan (adjustment) pada pesawat sinar-x yaitu pengaturan arus berkas elektron (ma) yaitu dengan mengatur arus filamen dan pengaturan tegangan di antara anoda dan katoda (kv). Pengaturan arus filamen akan menyebabkan perubahan jumlah elektron yang dihasilkan filamen dan intensitas berkas elektron (ma) sehingga mempengaruhi intensitas sinar-x. Semakin besar ma akan menghasilkan intensitas sinar-x yang semakin besar. Pengaturan tegangan kv akan menyebabkan perubahan gaya tarik anoda terhadap elektron sehingga kecepatan elektron menuju (menumbuk) target akan berubah. Hal ini menyebabkan energi sinar-x dan intensitas sinar-x yang dihasilkan akan mengalami perubahan. Semakin besar kv akan menghasilkan energi dan intensitas sinar-x yang semakin besar. Dasar Fisika Radiasi Halaman 40
Gambar V-3. Spektrum sinar-x dengan perubahan kv (gambar kiri) dan perubahan ma (gambar kanan) 3. Akselerator Akselerator adalah alat yang digunakan untuk mempercepat partikel bermuatan (ion). Partikel bermuatan, misalnya proton atau elektron, dipercepat menggunakan medan listrik dan medan magnit sehingga mencapai kecepatan yang sangat tinggi. Partikel yang telah mempunyai kecepatan sangat tinggi yang dipancarkan oleh akselerator dapat digunakan untuk berbagai keperluan misalnya untuk memproduksi zat radioaktif dengan proton berenergi tinggi, memproduksi sinar-x berenergi tinggi dengan elektron yang dipercepat, dan juga dapat menghasilkan radiasi neutron dengan mempercepat ion deuterium ( 1 H 2 ). Dua contoh akselerator yang banyak digunakan adalah akselerator linier (LINAC = linear accelerator) yang mempunyai lintasan garis lurus dan cyclotron yang mempunyai lintasan berbentuk lingkaran. Untuk membedakannya dengan zat radioaktif, akselerator dan pesawat sinar-x sering disebut sebagai pembangkit radiasi. Dasar Fisika Radiasi Halaman 41
4. Reaktor Nuklir Mekanisme utama yang terjadi dalam reaktor nuklir adalah pembelahan inti dengan persamaan reaksi sebagai berikut. X + n t Y 1 + Y 2 + n c + Q Suatu inti atom X yang dapat belah (fisil) seperti U-235 ketika ditembak dengan neutron termal (n t ) akan belah menjadi dua inti radioaktif Y 1 dan Y 2. Dalam reaksi pembelahan tersebut juga dilepaskan 2 atau 3 buah neutron cepat (n c ) dan sejumlah energi panas (Q). Oleh karena Y 1 dan Y 2 merupakan inti-inti yang aktif maka dalam proses tersebut juga dipancarkan berbagai macam radiasi (α, β dan γ). Dari mekanisme pembelahan (reaksi fisi) di atas terlihat bahwa setiap reaksi akan menghasilkan lebih dari satu neutron cepat baru, yang bila energinya dapat diturunkan menjadi neutron termal, akan menyebabkan reaksi pembelahan inti dapat belah yang lainnya. Proses ini berlangsung terus menerus dan disebut sebagai proses reaksi berantai (chain reaction). Dalam reaktor nuklir, proses reaksi berantai ini dikendalikan secara cermat sedangkan pada bom atau senjata nuklir reaksi ini dibiarkan tanpa kendali. Energi panas yang dihasilkan dari reaksi berantai di atas ( Q ) dapat dimanfaatkan untuk menggerakan turbin sehingga dapat menghasilkan listrik. Fasilitas yang memanfaatkan mekanisme ini adalah PLTN. Neutron yang dihasilkan dalam reaksi ini juga dapat digunakan untuk berbagai macam aplikasi dan penelitian, seperti untuk keperluan produksi zat radioaktif dan analis bahan yang dilakukan di reaktor penelitian (research reactor). Dasar Fisika Radiasi Halaman 42
DAFTAR PUSTAKA 1. Herman Chamber, Introduction to Health Physics 3ed., McGraw-Hill Company, Inc. (1996) 2. Moe, H.J., S.R. Lasuk, M.C. Schumecher and H.M. Hunt, Radiation Safety Technician Training Course, Argonne National Laboratory, Argonne (1972). 3. Technical Report Series No. 280, Training Course on Radiation Protection, International Atomic Energy Agency, Vienna (1988). 4. Frank Herbert Attix, Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry, John Wiley & Sons, New York (1986). 5. Mc. Kracken, Introduction to Nuclear Physics, McGraw-Hill Company, Inc. (1992) 6. Irving Kaplan, "Nuclear Physics", 2nd ed., Addison-Wesley Publishing Comp. (1979) Dasar Fisika Radiasi Halaman 43