PELURUHAN SINAR GAMMA Pendahuluan Radioaktivitas disebut juga peluruhan radioaktif, yaitu peristiwa terurainya beberapa inti atom tertentu secara spontan yang diikuti dengan pancaran partikel alfa (inti helium), partikel beta (elektron), atau radiasi gamma (gelombang elektromagnetik gelombang pendek. Sinar-sinar yang dipancarkan tersebut disebut sinar radioaktif, sedangkan zat yang memancarkan sinar radioaktif disebut dengan zat radioaktif. Istilah keradioaktifan (radioactivity) pertama kali diciptakan oleh Marie Curie (1867-1934), seorang ahli kimia asal Prancis. Marie dan suaminya, Pierre Curie (1859-1906), berhasil menemukan unsur radioaktif baru, yaitu polonium dan radium. Ernest Rutherford (1871-1937) menyatakan bahwa sinar radioaktif dapat dibedakan atas sinar alfa yang bermuatan positif dan sinar beta yang bermuatan negatif. Paul Ulrich Villard (1869-1915), seorang ilmuwan Prancis, menemukan sinar radioaktif yang tidak bermuatan, yaitu sinar gamma. Sinar gamma merupakan elombang elektromagnetik, serupakan sinar X tetapi sinar gamma memiliki panjang geombang yang lebh pendek dibandingkan dengan sinar X. Kita tidak dapat bisa membedakan sifat-sifat sinar X dengan siar gamma. Kita mengunakan dua istilah yang berbeda hanya untuk membedakan sumber radiasi keduanya. Radiasi sinar gamma berasal dari inti sedangkan radiasi sinar X berasal dari transisi antara level energi elektron. Sinar gamma berhubungan dengan transisi level enegi nuklir. Sinar gamma menyertai perubahan radioaktif intiyaitu pada proses peluruhan partikel alfa dan partikel beta. Karakteristik Sinar Gamma Sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik yang terpancar dari inti atom dengan energi yang sangat tinggi yang tidak memiliki massa maupun muatan. Sinar gamma ikut terpancar ketika sebuah inti memancarkan Page 1
sinar alfa dan sinar beta. Peluruhan sinar gamma tidak menyebabkan perubahan nomor atom maupun massa atom. Sinar gamma memiliki beberapa sifat alamiah berikut ini. 1. Sinar gamma tidak memiliki jangkauan maksimal di udara, semakin jauh dari sumber intensitasnya makin kecil. 2. Mempunyai daya ionisasi paling lemah. 3. Mempunyai daya tembus yang terbesar. 4. Tidak membelok dalam medan listrik maupun medan magnet. Proses Peluruhan Sina Gamma 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. ( A X) * 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 6,63 10-34 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. Gambar 1. Proses peluruhan gamma Page 2
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 10-12 s. Ada beberapa yang memiliki waktu paro lama (beberapa jam bahkan beberapa hari). Inti-inti yang tereksitasi seperti ini dinamakan isomer dan keadaan tereksitasinya dikenal sebagai keadaan isomerik. 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. e-e-0,412 MeV0Au198 Hg198γ1 γ2 γ3 Gambar 2. Diagram tingkat energi inti Energi yang dipancarkan oleh sinar gamma Energi yang dipancarkan oleh sinar gamma Dimana : energi kinetik bergerak mundur (recoil) Page 3
Jadi persamaan diatasny aakan menjadi Gunakan rumus abc untuk mencaria ( ) ( ) ( ) [ ] Subtsitusikan hasil diatas Page 4
( ) ( ) [ ( ) ] [ ( ) ] ( ) ( ) merupakan energi recoil yang nilainya secara eksperimen sangat kecil sehingga dapat ditiadakan Absorbsi Sinar Gamma 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, sinar 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. Jika berkas sinar gamma homogeny melintas melalui keeping tipis bahan maka intensitas radiasinya akan berkurang secara eksponensial. Ketika berkas sinar gamma dengan intensitas I menumbuk keeping yang tebalnya x, perubahan intensitas berkas saat melewati keeping tersebut sebanding dengan ketebalan dan intensitas berkas datangnya. I = - µi x (1) Page 5
Dimana µ : koefisien absorbs I : perubahan intensitas I : Intensitas berkas x: tebal keeping bahan Jika masing-masing foton sinar gamma memiliki energy yang sama, maka µ tidak tergantung pada x. dengan mengintegrasikan persamaan (1) diperoleh I = I 0 e -µx (2) Persamaan (2) memberikan informasi mengenai intensitas radiasi I setelah intensitas awal I 0 melewati ketebalan bahan yang diberikan. Intensitas sendiri dapat dituliskan: (3) Dimana B : fluks fotonsinar gamma h : konstnta plank f : frekuensi sina gamma Persamaan (2) akhirnnya dapat ditulis (4) Semua persamaan diatas berlaku juga untuk sinar X. Mengapa kita tidak dapat membedakan sifat-sifat sinar X dengan sinar gamma. Hal ini dikarenakan sampai saat ini bellum ditemukan perbedaan diantara keduanya. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, penyebutan sinaar gamma dan sinar X hanya untuk membedakan sumbernya pemberian nama sinar X juga diberikan jika berasal dari sumber buatan seperti yang dihasilkan dari tabung Collidge. Persamaan (1), (2), (3), dan (4) hanya berlaku jika: 1. Sinar gamma bersifat monoenergetik 2. Berkas collimated dan small sohd solid angle 3. Penyerap tidak tebal Page 6
Koefisien absorbsi tergantung pada sifat bahan dan energi awal sinar gamma. Koefisien serapan atomik seringkali disebut microscopic cross section (σ), sedangkan koefisien serapan linier sering dikenal dengan istilah macroscopic cross section (Σ=σN). 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 dan pada saat intensitas menjadi setengahnya. 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. Interaksi Sinar Gamma dengan Materi 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 atomatom 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 untuk foto listrik, μ untuk f c hamburan Compton dan μ untuk produksi pasangan. Koefisien absorbsi total (μ ) pp t dari ketiga koefisien tersebut Jika koefisien absorbsi dinyatakan atau maka perubahan nilainya menunjukkan nilai perubahan terkecil dari unsur satu ke unsur lain. Dari persamaan (6) dapat dituliskan kembali. Page 7
... (7) Karena perubahan nilai terhadap Z kecil, maka variasi dari unsur satu ke unsur lain juga kecil. Dari hasil ini dapat kita nyatakan bahwa semakin besar massa jenis bahkan kecil ketebalan bahan yang dibutuhkan untuk mereduksi intensitas sinar gamma. Karena hal inilah, maka biasanya logam berat seperti besi dan timbal digunakan sebagai perisai sinar gamma dan sinar X. Interaksi sinar gamma dengan bahan sangat berbeda dengan yang terjadi pada partikel alfa dan partikel beta. Perbedaan ini nampak dari daya tembus sinar gamma yang jauh lebih besar dan hukum absorbsinya. Sinar gamma yang merupakan radiasi gelombang elektromagnetik menunjukkan karakteristik absorbsi eksponensial terhadap bahan dan tidak mempunyai range tertentu tidak seperti yang terdapat pada partikel partikel bermuatan. Partikelpartikel bermuatan terutama partikel berat akan kehilangan energinya saat terjadi tumbukan dengan atom-atom elektron bahan. Proses kehilangan energi terjadi dalam beberapa tahapan kecil dan partikel secara teratur menjadi lambat sampai akhirnya berhenti bersama dan diserap. Akan tetapi saat berkas sinar gamma hanya menumbuk keping penyerapan yang tipis, maka setiap foton yang dipindahkan dari berkas akan berpindah-pindah sendiri dalam satu kejadian. Kejadian tersebut dapat berupa peoses absorbsi sebenarnya diman dalam hal itu foton hilang atau foton dihamburkan keluar berkas. Sifat inilah yang menyebabkan mengapa proses absorbsinya terjadi secara eksponensial. Tiga proses penting yang menyebabkan terjadi absorbsi sinar gamma yaitu efek fotolistrik, hambatan Compton oleh elektron dalam atom dan pembentukan pasang elektron dalam atom dan pembentukan pasangan elektron-positron sebagai hasil interaksi antara sinar gamma dengan medan listrikinti atom. Page 8
Dengan mekanika kuantum, probabilitas kejadian dari setiap proses dapat ditentukan dan biasanya dinnyatakan dalam koefisien absorbsi. Jadi koefisienabsorbsi ( )merupakan penjumlahan koefisien absorbi masing-masing proses. Masalahnya koefisien absorbi tidak dapat dinyatakan dalam suatu persamaan saja atau oleh satu kurva range energi saja. Karena koefisien absorbsi setiap prosestergantung pada energi sinar gamma yang datang dan sifat bahan yang menyerapnya. Koefisien absorbsi sebagai fungsi nenergi dapat dinyatakan dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) Dimana ( ) : koefisien absorbsi total ( ) : koefisien absorbsi akibat efek foto listrik ( ) : koefisien absorbsi akibat efek hamburan compton ( ) : koefisien absorbsi akibat efek pembentukan pasangan Pada proses fotolistrik hf dari foton yang datang ditransfer ke elektron terikat sehingga eektron tersebut keluar dari atom dengan energi kinetik Dimana I adalah potensial ionisasi elektron. Elektron keluar dari penyerap atau segera diserap kembali jika penyerapnya tebal. Untukenergi foton kecil dibawah untuk aluminium 50keV dan 500keV untuk timbal. Efek foto listrik memberikan kontribusi utama dalam koefesien absorbi total. Jika energi foton naik,hamburan compton menggantikan posisi fotolistrik. Dalam hamburan compton foton yang datang dihamburkan oleh satu elektron.foton menyimpang dari arah gerakan awalnya dengan energi yang lebih rendah akibatnya foton dipindahkan dari berkas sinar gamma yang datang. Page 9
Hamburan compton memberikan kontribusi yang utama pada koefisien absorbsi total jika energi sinar gamma yang datang berkisar diantara 50 kev dan 15 kev untuk aluminium dan 0,5 MeV sampai dengan 5 MeV untuk timbal. Pada energi sinar gamma yang cukup tinggi, absorbsi fotolistrik dan absorbsi hamburan Compton menjadi tidak penting bila dibandingkan dengan pembentukan pasangan elektron-positron. Pada akhir proses dalam medan coulomb inti atom, sinar gamma dengan energy yang cukup tinggi hilang dan pasangan elektron-positron terbentuk. Total energi pasangan sama dengan energi hf sinar gamma yang datang. Energi kinetik T pasangan sebesar, ( ) Dimana T : energi kinetik pasangan : energi yang dibutuhkan untuk meloncat dari keadaan energi negatif menuju keadaan energi positif. hf : energi sinar gamma per foton. Agar pembentukan pasangan elektron-positron dapat terjadi, maka hf harus lebih besar dari 2 atau 1,02 MeV. Pembentukan pasangan tidak akan terjadi jika hf < karena jumlah energi ini dibutuhkan untuk mengganti energi diam kedua partikel. Untuk energi foton > 5 Mev untuk timbal dan 15 MeV untuk Alumunium kemungkinan terjadinya pembentukan pasangan lebih besar disbanding hamburan Compton dan terus bertambah dengan naiknya energi sinar gamma yang datang. Selain tiga proses diatas, sebenarnya ada beberapa efek atau kejadian yang juga memberikan kontribusi pada pengurangan berkas gamma. Yang paling berpengaruh dari semua efek tambahan diatas adalah hamburan coherent oleh seluruh atom atau molekul pada bahan yang memiliki nilai Z besar dan energi sinar gamma datang yang kecil. Efek lainnya yaitu 1. Efek fotolistrik nuklir, dimana pada proses tersebut foton dengan energi tinggi mengusir netron dari inti bahan yang memiliki nomor atom (Z) besar Page 10
2. Thomson and Compton scattering oleh inti. Biasanya semua efek tambahan diatas dalam praktek diabaikan. 1. Efek Foto Listrik 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 = 29). 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 ). Besarnya energi kinetik fotoelektron (K) dalam 0 peristiwa ini adalah: Dari persamaan di atas terlihat bahwa agar efek fotolistrik terjadi, maka energi foton harus sekurang-kurangnya sama dengan energi ikat elektron yang berinteraksi. 2. 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 ( ) Page 11
dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh ( ) ( ) Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 200 kev hingga 5 MeV dalam sebagian besar unsur-unsur ringan. 3. 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 1,02 MeV (2m c 2 ). e Energi kinetik total pasagan elektron-positron sesuai dengan persamaan: Kedua partikel ini akan kehilangan energinya melalui proses ionisasi atom bahan. Positron yang terbentuk juga bisa bergabung dengan elektron melalui suatu proses yang dinamakan annihiliasi. Daftar Pustaka Diktat mata kuliah pendahuluan fisika inti Mostavan, Aman. 1999. Fisika Inti. ITB: Bandung. Beiser, Athur. 1999. Konsep Fisika Modern. Erlangga: Jakarta Page 12