Peluruhan radioaktif

BAB VI

KERADIOAKTIFAN
A. Peluruhan Radioaktif
Jika suatu inti terdiri atas sejumlah neutron yang tidak seimbang, inti tersebut menjadi tegang dan mempunyai kelebihan energi. Beginilah keadaan inti dan suatu atom karbon jika di dalamnya terdapat kurang dari enam atau lebih dan tujuh neutron. Inti ini tidak dapat bertahan. Suatu saat inti akan melepaskan kelebihan energi dan mungkin melepaskan satu atau dua partikel radiasi sekaligus.

Satu inti karbon dengan enam proton dan enam neutron disebut sebagai karbon - 12 atau ditulis dengan simbol C-12. Angka 12 menunjukkan jumlah dari nukleon. Satu inti karbon dengan 7 neutron dapat diindentifikasi sebagai C-13. Inti karbon C-12 dan C-13 mempunyai sifat stabil. Selain bentuk ini, bentuk yang lain tidak stabil. Semakin janggal jumlah neutronnya, semakin bertambah ketegangannya dan semakin cepat pula inti melepaskan kelebihan energinya dalam bentuk sinar radiasi. Satu inti karbon dengan hanya 5 neutron, atau yang disebut C-11, dapat mempertahankan kondisi/keadaan tersebut selama 20 menit. C-10 membelah dalam waktu 19 detik dan C-9 hanya dalam 1/8 detik.

Lebih mudah bagi inti untuk bertahan dengan kelebihan 1 neutron. Karbon-14, inti dengan 8 neutron, dapat tetap bertahan selama beribu-ribu tahun tanpa ada masalah. Kelebihan 2 neutron menjadikan inti tidak dapat bertahan dalam waktu 2 atau 3 detik. Inti yang memiliki kelebihan 3 neutron akan meletup dalam waktu 1 detik. Gambar-gambar berikut ini memperlihatkan seluruh struktur inti suatu atom karbon, yaitu semua isotop dan karbon. Apa yang kita pelajari mengenai karbon di sini tidak hanya berlaku untuk karbon saja. Keadaan itu juga sama bagi hampir setiap elemen, baik besi atau emas, nitrogen atau oksigen, radon atau uranium. Jika jumlah neutron dalam suatu inti sesuai, inti itu stabil atau non-radioaktif. Tetapi bila jumlah neutron tidak sesuai, inti menjadi tidak stabil dan suatu saat akan melepaskan ketegangannya dengan mengeluarkan sinar radiasi. Inti yang tidak stabil mengakibatkan zat menjadi radioaktif. 

Setiap inti melepaskan ketegangannya dengan cara yang berbeda dan mengeluarkan energi atau partikel radiasi yang berbeda. Pada sebagian besar kasus, inti melepaskan energi elektromagnetik yang disebut radiasi gamma, yang dalam banyak hal mirip dengan sinar-X. Ia bergerak secara lurus, melemah bila membentur suatu benda. tetapi sering sebagian dari radiasi gamma menembus benda tersebut. Dalam banyak hal, inti juga melepaskan radiasi beta. Radiasi beta lebih mudah untuk dihentikan. Pelat seng biasa atau kaca dapat menghentikan semua radiasi beta. Bahkan pakaian yang kita pakai dapat melindungi dengan baik dan radiasi beta. 

Suatu kejadian dimana atom yang tidak stabil melepaskan kelebihan energinya disebut proses peluruhan radioaktif. Inti yang ringan dengan sedikit nukleon menjadi stabil setelah hanya mengalami I (satu) kali proses peluruhan. Tetapi inti yang berat mengandung ratusan nukleon. Apabila inti berat mengalami peluruhan. ada kemungkinan inti tersebut tetap tidak stabil. Oleh karena itu, kondisi stabil dapat dicapai setelah beberapa kali peluruhan.

Jika jumlah proton berubah selama proses peluruhan, elemen tersebut akan berubah menjadi elemen lain. Contohnya, uranium U-238 (terdiri atas 92 proton dan 146 neutron) selalu melepaskan 2 proton dan 2 neutron ketika sedang meluruh. Setelah mengalami satu kali proses peluruhan jumlah protonnya menjadi 90. Tetapi elemen dengan 90 proton disebut torium. Inti torium ini juga tidak stabil dan akan berubah menjadi protaktinium setelah proses peluruhan berikutnya. Kemudian, inti ini juga akan berubah menjadi inti lain. Pada akhirnya menjadi inti stabil, yaitu inti timah hitarn yang akan dihasilkan setelah peluruhan ke 14. 

B. KERADIOAKTIFAN ALAM

Terjadi secara spontan

Misalnya: ₉₂²³⁸ U ®    ₉₀²²⁴ Th + ₂⁴ He

1.	Jenis peluruhan a. Radiasi Alfa     - terdiri dari inti 2^4 He     - merupakan partikel yang massif     - kecepatan 0.1 C     - di udara hanya berjalan beberapa cm sebelum menumbuk molekul udara b. Radiasi Beta     - terdiri dari elektron -1^0 e atau -1^0 beta     - terjadi karena perubahan neutron 0^1 n ®   1^1 p + -1^0 e     - di udara kering bergerak sejauh 300 cm c. Radiasi Gamma     - merupakan radiasi elektromagnetik yang berenergi tinggi     - berasal dari inti     - merupakan gejala spontan dari isotop radioaktif d. Emisi Positron     - terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan hampir sama dengan elektron     - terjadi dari proton yang berubah menjadi neutron 1^1 p ®   0^1        n + +1^0 e e. Emisi Neutron      - tidak menghasilkan isotop unsur lain
2.	Kestabilan inti Pada umumnya unsur dengan nomor atom lebih besar dari 83 adalah radioaktif. Kestabilan inti dipengaruhi oleh perbandingan antara neutron danproton di dalam inti. isotop dengan n/p di atas pita kestabilan menjadi stabil dengan memancarkan partikel beta. isotop dengan n/p di bawah pita kestabilan menjadi stabil dengan menangkap elektron. emisi positron terjadi pada inti ringan. penangkapan elektron terjadi pada inti berat.
3.	Deret keradioaktifan Deret radioaktif iajlah suatu kumpulan unsur-unsur hasil peluruhan suatu radioaktif yang berakhir dengan terbentuknya unsur yang stabil. a. Deret Uranium-Radium     Dimulai dengan  92^238 U dan berakhir dengan  82^206Pb b. Deret Thorium     Dimulai oleh peluruhan  90^232 Th dan berakhir dengan  82^208 Pb c. Deret Aktinium     Dimulai dengan peluruhan 92^235 U dan berakhir dengan  82^207 Pb d. Deret Neptunium     Dimulai dengan peluruhan  93^237 Np dan berakhir dengan  83^209      Bi

Di alam, kita dapat menemukan beberapa contoh inti berat yang dapat mencapai kondisi stabil setelah melalui masa peluruhan yang panjang. Inilah salah satu alasan mengapa lingkungan mengandung banyak sekali bahanbahan radioaktif alam. Pada suatu mata rantai peluruhan tertentu, unsur yang dihasilkan adalah radium. Radium adalah logam. seperti unsur-unsur pada awal mulainya peluruhan. Tetapi, yang mengherankan sewaktu radium meluruh, unsur ini berubah menjadi bahan yang bersifat gas yang disebut radon. Bahanbahan lain dari proses peluruhan tetap berada di dalam bumi, tetapi gas radon bergerak menuju ke permukaan bumi. Pada saat mencapai permukaan bumi ia menyebar ke segala arah dan membaur. Dalam hal ini gas radon tidak membahayakan sama sekali. Tetapi, jika ada sebuah rumah tepat berada di suatu tempat dirnana gas radon mencapai permukaan bumi, gas radon akan masuk ke dalam rumah itu dan tidak akan bercampur dengan udara luar. Konsentrasi radon dalam udara yang kita hirup di dalam rumah mungkin ratusan, bahkan ribuan kali lebih tinggi daripada yang ada di luar rumah. Apabila kita menghirup udara, atom-atom radon masuk ke dalam paru-paru. Hal yang sama terjadi pada setiap bahan yang dihasilkan selama peluruhan radon, yang juga bersifat radioaktif. Akibatnya, paru-paru terkena radiasi. Ada beberapa faktor lain yang mempengaruhi adanya paparan oleh radon, seperti kandungan partikel udara dalam rumah, bahan-bahan bangunan yang digunakan (yang juga mengeluarkan radon) dan juga gedung di tempat kita tinggal. Akibat dari gas radon, banyak orang yang pekerjaannya berhubungan dengan radiasi menerima dosis radiasi lebih tinggi di rumah daripada di tempat kerja. Dalam berpuluh-puluh ribu rumah, para penghuninya menerima dosis radiasi beberapa kali lipat dari batas dosis yang direkomendasikan bagi para pekerja di industri, pembangkit tenaga nuklir dan fasilitas perawatan dengan sinar-X. 

Radioaktivitas Alam

Inti

Kestabilan inti

• 
  Inti stabil
  
• 
  Inti tidak stabil menjadi stabil ( berubah secara spontan).
  

Unsur RA U ²³⁸ yang langsung dari lam digunakan sebagai bahan bakar

100 gr U²³⁸ = 99,3 % U²³⁸ + 0,7% U²³⁵
Unsur – Unsur RA di alam :

⁴⁰ K T^1/2 = 1,28 x 10⁹ th

⁸⁷ Rb T^1/2 = 4,8 x 10¹⁰ th

¹¹³ Cd T^1/2 = 9 x 10^15th
Unsur radioaktif yang dihasilkan secara kontinu dalam atmosfer bumi sebagai hasil reaksi molekul udara dengan partikel berenergi tinggi yang dikaenal dengan sinar kosmik (¹⁴C ).
Penentuan Umur Radiometrik

Sinar kosmik inti atomik berenergi tinggi ( proton) masuk ke atmosfer sehingga terjadi tumbukan dengan partikel sekunder menghasilkan netron. Netron tersebut kemudian bereaksi dengan Nitrogen di udara ( )

Reaksi : +

Setelah dihasilkan di atmosfer, karbon membentuk CO₂ radioaktif yang kemudian diserap oleh tumbuhan dan dimakan oleh konsumen-konsumen di atasnya (manusia dan hewan).

Radiokarbon

Mengukur kandungan ¹⁴C dalam tanaman diambil sampel diuapkan dan diambil uapnya (gas) CO₂ yang kemudian dimasukkan ke dalam indikator ”peka-beta”.

R =

T =

Dimana : Ro = aktivitas sample masih hidup.

R = aktivitas sample yang sudah mati.

Gambar 1. Detektor Peka-Beta

Detektor peka-beta adalah sebuah alat yang dipergunakan untuk mengamati hasil dari aktivitas peluruhan beta yang terjadi pada sample radioaktif.

Secara bahasa detektor adalah : Alat yang peka terhadap radiasi, menghasilkan sinyal respons yang dapat diukur atau dianalisis.

Radioisotop

Membandingkan penjumlahan inti mula-mula yang ada pada sampel karang, tunggu sampai inti meluruh sampai stabil membentuk (Pb²⁰⁶). Pb²⁰⁶ yang terbentuk dikonversikan dengan ²³⁸U (inti mula-mula). Dalam 25 tahun, 1²⁰⁶Pb yang diperkirakan terbentuk.

Keradioaktifan Buatan

Merupakan perubahan inti yang terjadi karena ditembak oleh partikel.

Prinsip penembakan:

Jumlah nomor atom sebelum penembakan = jumlah nomor atom setelah penembakan.

Jumlah nomor massa sebelum penembakan = jumlah nomor massa setelah penembakan.

Misalnya:  ₇¹⁴ N +  ₂⁴ He   ₈¹⁷ O + ₁¹ p

RUMUS


k = (2.3/t) log (N_o/N_t)

k = 0.693/t_1/2

t = 3.32 . t_1/2 . log N_o/N_t
k = tetapan laju peluruhan
t = waktu peluruhan
N_o = jumlah bahan radioaktif mula-mula
N_t = jumlah bahan radioaktif pada saat t
t_1/2 = waktu paruh





PELURUHAN ALFA

Peluruhan Alfa
Peluruhan alfa adalah emisi partikel alfa (inti helium) yang dapat dituliskan sebagai
⁴₂ He atau ⁴₂ α. Ketika sebuah inti tak stabil mengeluarkan sebuah partikel alfa, nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat. Peluruhan alfa dapat ditulis:
_Z^A X →_Z^A−₋⁴₂Y +₂⁴α

Sebagai contoh ²³⁴U meluruh dan mengeluarkan sebuah partikel alfa

²³⁴₉₂U →²³⁰₉₀Th +α
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
K_α dan energi kinetik inti anak (inti hasil) K_Y , yang dapat dihitung dengan persamaan:

Karena energi yang dilepas muncul sebagai energi kinetik, maka:

Q = K_Y + K_α Dengan asumsi kita memilih kerangka acauan laboratorium (dijelaskan pada reaksi
inti). Selanjutnya, kita dapat menghitung energi kinetik alfa dengan persamaan:

Kα ≅	A −	4	Q
	A

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
Eα Partikel α
R x


Gambar 6.1 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 2R /ν . Inti berat nilai R sekitar 6 fm, maka partikel alfa menumbuk dinding inti berat sebesar 10²² kali per detik.
Taksiran kasar probabiltas peluruhan alfa, berdasarkan mekanika kuantum adalah

λ =	v	e−k ( R′−R)	(5.4)
	2R

Dengan k = (2m / =² )(V_B − K_α ) / 2 , V_B merupakan tinggi maksimum penghalang atau merupakan energi Coulomb partikel alfa pada permukaan inti atom, yang besarnya

V_B = 2(Z − 2)e² / 4πε₀ R , dan R′ = 2(z − 2)e² / 4πε₀ K_α . Jika persamaan diatas dihitung, maka akan didapatkan nilai antara 10⁵ /s hingga 10^-21/s, lumayan sama dengan hasil eksperimen.
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!

Tabel 6.1 Hubungan Energi Kinatik Alfa Dengan Waktu Paro

Isotop	Kα (MeV)	^t1/ 2	λ (1/s)
232Th	4,01	1,4 x 10^10 thn	1,6 x 10^-18
238U	4,19	4,5 x 10^9 thn	4,9 x 10^-18
230Th	4,69	8,0 x 10^4 thn	2,8 x 10^-13
238 Pu	5,50	88 thn	2,5 x 10^-10
230U	5,89	20,8 hari	3,9 x 10^-7
220 Rn	6,29	56 s	1,2 x 10^-2
222 Ac	7,01	5 s	0,14
216 Rn	8,05	45 μs	1,5 x 10^4
212 Po	8,78	0,3 μs	2,3 x 10^6

KARAKTERISTIK PARTIKEL ALFA
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 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) =1,24 x E (MeV ) − 2,62		4 < E < 8 MeV

Sedangkan jangkauannya dalam medium (d_m) selain udara didefinisikan dengan pendekatan persamaan Bragg-Kleeman sebagai berikut:

dengan Am =			n1 A1 + n2	A2 +...
	.	n1	A1 + n2	A2 +...

ρ_m adalah massa jenis medium (gr/cm³) 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 UO₂ dengan masaa jenis 10,9 gr/cm³. Diketahui massa atom U dan O masing-masing 238 dan 16 Jawab

Molekul UO₂ terdiri atas 3 atom (1 U dan 2 O), sehingga fraksi atom untuk U, n =1/3 dan untuk O, n = 2/3

Jangkauan partikel alfa di udara d = 1,24 x 4,195 – 2,62 = 2,58 cm

Maka jangkau partikel alfa di dalam molekul UO₂

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 (2e), 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:

I s =	∑Pasangan ion	=		Kα	( pasangan ion / cm)	(5.7)
	jangkaun α (cm)		W .d

K_α adalah energi partikel alfa (eV) dan W adalah energi yang diperlukan untuk membentuk 1 pasang ion di udara, 35 eV/pasang



Gambar 6.2 Kurva Bragg untuk Ionisasi Spesifik Partikel Alfa di Udara
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 = 1,24 x 4,5 – 2,62 = 2,96 cm Jumlah pasngan ion per cm

I s	=	4,5 x10	^6 eV	= 43.436 pasang ion / cm
		35eV x 2,96 cm

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 energy yang ada. Jika ada beda energy diam sekurang-kurangnya penciptaan elektron sangat mungkin terjadi.

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 spin totalnya ½. Oleh karena itu, proses peluruhan ini tampaknya melanggar hukum kekekalan momentum sudut
   
2. 
   Persoalan    energi  beta.  Dari  pengukuran  elektron  yang  dipancarkan  didapatkan bahwa spektrum energinya kontinyu dari 0 hingga nilai maksimum Ke(max). Menurut perhitungan  dalam  peluruhan  netron,  nilai Q = (m_n - m_p - m_c)c² = 0,782 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.
   

Gambar 6.3. 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

          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.

Gambar 6.4. 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.

Nilai Q dari peluruhan ini, dihitung dengan mengurangi massa-massa elektron (Zm_e) 

           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 e⁺ , proton inti berubah menjadi netron. Reaksinya

Nilai Q pada proses ini

Sedang untuk tangkapan elektron, reaksinya

Dan nilai Q-nya

Contoh

Berapakah energi maksimum elektron yang teremisi dari peluruhan e − di dalam H?

Jawab

Reaksi peluruhan

 

Energi kinetik inti He bisa diabaikan karena terlalu kecil sehingga Ke terjadi pada saat Kv = 0, maka Ke = 0,0186 MeV

KARAKTERISTIK PARTIKEL BETA

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 0,32 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) Kmax, sedangkan untuk positron 0,4 K_max. Panjang jangkaun partikel ini di medium dinyatakan dalam cm, namun kadang- kadang juga dinyatakan dalam bentuk ketebalan densitas (density thickness, dt) dengan satuan massa per satuan luas (mg/cm2) untuk menggantikan jarak atau ketebalan (d).

d_t (mg / cm² ) = d (cm) x ρ(mg  / cm³)

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 dt  dan energi maksimum Km (MeV) adalah sebagai berikut:



Contoh

Berapakah jangkauan linier partikel beta (dalam cm) dengan energi maksimum 2,86 MeV yang dipancarkan dari inti ⁵⁶₂₅Mn yang melewati aluminum.

jawab



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 (1/2 dari partikel alfa), maka konsekuensinya partikel beta dalam sepanjang sejaknya tidak memproduksi pasangan ion per cm sebanyak yang dibentuk partikel alfa. Partikel beta dengan energi 3 MeV mempunyai jangkaun di udara lebih dari 1.000 cm namun hanya mampu menghasilkan beberapa pasangan ion per mm sepanjang jejaknya.

  Ionisasi spesifik (Is) partikel beta di udara bervariasi dari 60 sampai 7.000 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 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.

PELURUHAN 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. ( ^AX )^* →^AX +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.

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). Intiinti yang tereksitasi seperti ini dinamakan isomer dan keadaan tereksitasinya dikenal sebagai keadaan isomerik.

¹⁹⁸ _Au e^-

γ₂ γ₃

_e-
0,412 MeV
γ₁

0

198 _Hg

Gambar 6.5 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.

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, 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 = I0 e^−^μ^d

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/cm²). Jika besaran itu yang dipakai maka koefisien serapan bahan dinyatakan dalam koefisiem serapan massa μ_m dengan satuan cm²/gr.
Hubungan keduanya dinyatakan dalam:

μ(cm^−^1 ) = μm (cm^2 / gr) x ρ(gr / cm^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

μa (cm

2

/ atom) =

μ(cm^−^1 )

N (atom / cm³ )
Dengan N adalah jumlah atom penyerap per cm³. Koefisien serapan atomik ini selalu menunjukkan tampang lintang (cross section) dengan satuan barn.
1 barn = 10^-24 cm²
Koefisien serapan atomik seringkali disebut microscopic cross section (σ), sedangkan koefisien serapan linier sering dikenal dengan istilah macroscopic cross section ( ∑= Nσ ). 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 I = I ₀ e^μd dan pada saat intensitas menjadi setengahnya I = 1/2I₀
Maka

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 DAN 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 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

μt = μ f + μc + μpp

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 = 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 (W₀).

Besarnya energi kinetik fotoelektron (K) dalam peristiwa ini adalah:

K = hf −W0

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

dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh

λ ( A) = 0,0242 (1 − cosθ)

Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 200 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 ≥ 1,02 MeV (2m_ec²).
Energi kinetik total pasagan elektron-positron sesuai dengan persamaan:

hf = Ke + K p + me c^2 + mp c^2 .

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