PELURUHAN ALPHA Suatu zat (unsur) akan menjadi radioaktif jika memiliki inti atom yang tidak stabil. Suatu inti atom berada dalam keadaan tidak stabil jika jumlah proton jauh lebih besar dari jumlah netron. Pada keadaan inilah gaya elektrostatis jauh lebih besar dari gaya inti sehingga ikatan atom-atom menjadi lemah dan inti berada dalam keadaan tidak stabil. Radioaktivitas adalah pemancaran sinar radioaktif secara spontan oleh inti atom tidak stabil menjadi inti atom yang stabilPeluruhan radioaktif ada 3 yaitu peluruhan alfa, peluruhan beta dan peluruhan gamma. Pada paper ini akan dibahas mengenai peluruh an alfa
A. LATAR BELAKANG Jika jumlah proton lebih besar dari jumlah netron (N < P), maka gaya elektrostatis akan lebih besar dari d ari gaya inti, hal ini akan menyebabkan inti atom berada dalam keadan tidak stabil. Jika jumlah netron sama dengan jumlah protonnya (N = P) akan membuat inti berada dalam keadaan stabil. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa inti atom paling berat yang stabil adalah Bismuth yaitu yang mempunyai 83 proton dan 126 netron. Inti atom yang mempunyai jumlah proton lebih besar dari 83 akan berada dalam keadaan tidak stabil. Inti yang tidak stabil ini akan berusaha menjadi inti stabil dengan cara melepaskan partikel bisa berupa proton murni , partikel helium yang memiliki 2 proton atau partikel lainnya seperti ditunjukkan oleh Gambar 2. Inti atom yang tidak stabil ini memiliki sifat dapat melakukan radiasi spontan atau mampu melakukan aktivitas radiasi sehingga dinamakan inti radioaktif. Unsur yang inti atomnya mampu melakukan aktivitas radiasi spontan berupa pemancaran sinar-sinar radioaktif dinamakan unsur (zat) radioaktif. Pemancaran sinar-sinar radioaktif (berupa partikel atau gelombang elektromagnetik) secara spontan oleh inti-inti berat yang tidak stabil menjadi inti-inti yang stabil disebut Radioaktivitas. Inti yang memancarkan sinar radioaktif disebut inti induk dan inti baru yang terjadi disebut inti anak. (e-dukasi.net -radioaktivitas ) . Partikel α ialah inti atom helium yang ber nomor nomor atom 2 dan bernomor massa 4. Jenis inti yang memancarkan radiasi α disebut inti pemancar α. Selain dipancarkan oleh radionuklida (inti radioaktif) alam, misalnya radium, uranium dan torium, partikel α dapat juga dipancarkan oleh radionuklida buatan. Proses pemancaran partikel α oleh inti atom disertai perubahannya inti menjadi inti atom lain, disebut peluruhan α. – Radiasi Radiasi Alpha α ) (Batan.go.id – Partikel alfa sebenarnya adalah sebuah inti helium. Inti helium merupakan inti stabil dengan nomor massa dan nomor atom yang kekal. Peluruhan alpha dapat dianggap sebagai sebuah reaksi fisi nuklir sebab inti induk terpecah menjadi dua inti “anak” (daughter). Peluruhan alfa adalah salah satu contoh dari efek terowongan dalam mekanika kuantum. Tidak seperti
peluruhan beta, peluruhan (Wikipedia.com – peluruhan Alfa).
alpha
diatur
oleh
gaya
nuklir
kuat.
Untuk lebih memahami tentang alpha yang erat kaitannya dengan peristiwa radioaktivitas. Berikut akan dikaji tentang peluruhan alpha dengan lebih mendalam.
B. PERUMUSAN MASALAH METODOLOGI PEMBAHASAN Partikel Alfa (α) adalah bentuk radiasi partikel yang dapat menyebabkan ionisasi dan daya tembusnya rendah. Partikel tersebut terdiri dari dua proton dan dua netron yang terikat menjadi 4
sebuah partikel yang identik dengan inti Helium (2He ). Partikel alfa sebenarnya adalah sebuah inti helium. Inti helium merupakan inti stabil dengan nomor massa dan nomor atom yang kekal. Peluruhan alpha dapat dianggap sebagai sebuah reaksi fisi nuklir sebab inti induk terpecah menjadi dua inti "anak" (daughter ). Peluruhan alpha adalah salah satu bentuk peluruhan radioaktif dimana sebuah inti
atom berat tidak stabil melepaskan sebuah partikel alpha dan meluruh menjadi inti yang lebih ringan dengannomor massa empat lebih kecil dan nomor atom dua lebih kecil dari semula, menurut reaksi: Peluruhan alpha adalah salah satu contoh dari efek terowongan dalammekanika kuantum. Tidak seperti peluruhan beta, peluruhan alpha diatur oleh gaya nuklir kuat. Peluruhan alpha dominan terjadi pada inti-inti tidak stabil yang relatif berat (Z > 80). Contoh Radium yang menjadi gas Radon karena peluruhan alfa. Proses puluruhan alpha dapat dituliskan secara simbolik melalui reaksi inti sebagai berikut: Contoh peluruhan partikel alpha yang terjadi di alam adalah: 1.
238 234 U --> 90 Th + 92
2.
222 218 Ra --> 86 Rn + 88
α α
1. Energi partikel alfa paling rendah 7,5 MeV diperlukan untuk penetrasi lapisan pelindung
nominal pada kulit 2
(7 mg/cm atau 0,07 mm). 2. Jangkauan partikel alfa di udara 1 atm R a = 0,56 E (E <> R a = 1,24 E – 2,62 (E ≥ 4 MeV)
Pada kondisi STP, setiap 1 mm udara, energi partikel alpha berkurang sebesar 60 keV.
3. Ketebalan jendela detektor menyebabkan energi partikel alfa berkurang sekitar 0,8 MeV per 2
mg/cm ketebalan jendela. Oleh karena itu detektor yang mempunyai jendela dengan tebal 3 2
mg/cm (seperti pada proposional gas untuk deteksi alfa/beta dan detektor GM) tidak akan dapat mendeteksi emisi alpha yang lebih rendah dari 3 MeV. Detektor ini mempunyai efisiensi yang sangat rendah untuk partikel alpha yang berenergi rendah atau partikel alpha teratenuasi. 4. Detektor alfa proposional udara mempunyai energi dan respon efisiensi yang lebih tinggi dari
pada detektor proposional gas atau GM. 5. Transfer energi partikel alfa ke udara.
Partikel alpha 6 MeV memproduksi 40.000 pasangan ion per cm. Partikel alpha 4 MeV memproduksi 55.000 pasangan ion per cm. Karena ω udara 34 eV per pasangan ion. Maka: a. Partikel alpha berenergi 6 MeV turun 1,18 MeV per cm udara b. Partikel alpha berenergi 4 MeV turun 1,87 MeV per cm udara 2
6. Energi partikel alfa turun 0,8 MeV per mg/cm ketebalan kerapatan pada material
penganetuasi. 7. HVT ( Half Value Thickness) = Ketebalan yang meyebabkan energi alpha tinggal setengahnya.
Sifat Radiasi Alpha a. Daya ionisasi partikel alpha sangat besar, kurang lebih 100 kali daya ionisasi partikel beta dan
10.000 kali daya ionisasi sinar gamma. b. Jarak tembusnya sangat pendek, hanya beberapa mm udara, tergantung energinya. c. Partikel alpha akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau medan listrik. d. Kecepatan partikel alpha bervariasi antara 1/100 sampai 1/10 kecepatan cahaya Energi Peluruhan Alpha
Dalam peluruhan dibebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat dari pada inti semula. Energi yang dibebaskan muncul sebagai energi kinetik partikel alfa dan energi kinetik inti anak (inti hasil) , Emisi Partikel Alpha
Partikel alfa pada dasarnya terdiri dari 2 proton dan 2 netron atau identik dengan inti helium. Partikel ini sangat masif dan berenergi tinggi serta dipancarkan dari inti isotop radioaktif yang memiliki rasio netron terhadap proton yang terlalu rendah. 84210Po ----------------> 24He + 82206Pb
Pada contoh tentang peluruhan Polonium diatas dapat dilihat bahwa rasio netron terhadap proton dari polonium adalah 1,5 : 1. Namun setelah mengalami peluruhan dengan menembakkan partikel alpha, maka dihasilkan unsur Pb-82 yang stabil dengan rasio neutron terhadap proton 1,51:1
Suatu inti yang memancarkan partikel alpha, terkadang meninggalkan keadaan eksitasi pada inti anakan, yang kemudian menghasilkan emisi sinar gamma untuk mengembalikan inti pada keadaan dasar (stabil). Seperti contoh yang terjadi pada tranformasi inti 226Ra menjadi 222Rn dimana energi partikel alpha sebesar 7.77 MeV dipancarkan sehingga mengghasilkan inti 222Rn yang stabil. dan energi partikel alpha sebesar 4,591 MeV dipancarkan dan meninggalkan keadaan tereksitasi yang kemudian kembali ke keadaan stabil dengan sebelumnya memancarkan sinar gamma sebesar 0.186 MeV. Yang menjadi misteri menurut Fisika Klasik, partikel alpha tidaklah memiliki cukup energi untuk keluar dari potensial barier inti. Hal ini diketahui setelah radius inti dapat ditentukan melalui Eksperimen Hamburan Rutherford sehingga memungkinkan diketahuinya tinggi potensial barier pada inti atom yang ternyata memiliki energi yang lebih tinggi dari energi partikel alpha yang mampu diamati dalam eksperimen. Pemecahan atas masalah ini muncul dalam mekanika kuantum yakni sebuah partikel alfa dapat terlepas dari sumur potensialnya melalui efek terobosan kuantum. Partikel alpha, karena memiliki muatan listrik dan massa yang relatif besar menyebabkan partikel ini memiliki kemampuan yang sangat terbatas dalam menembus bahan dan menjadi cepat kehilangan energi di udara. Sehelai kertas tisu bahkan kulit mati tsudah cukup tebal untuk menyerap semua radiasi alpha yang keluar dari bahan - bahan radioaktif. Ini mengakibatkan radiasi alpha yang berasal dari sumber - sumber di luar tubuh bukan merupakan sebuah bahaya. Namun akan menjadi bahaya jika isotop -isotop pemancar alpha tersebut terendap secara internal (di dalam tubuh) seperti terhirup, tertelan, atau bahkan terserap ke dalam aliran darah. Sehingga tidak ada lagi shielding effect berupa lapisan terluar kulit mati. Ini dapat menyebabkan radiasi alfa tersebut dihamburkan pada jaringan hidup, sehingga berakibat toksin, yakni menimbulkan resiko kanker, khususnya setelah diketahui bahwa radiasi alpha dapat menyebabkan kanker paru - paru ketika sumber radiasi alpha tak sengaja terhisap.
Muatan positif dari partikel alpha sangat berguna dalam industri. Misalnya, radium-226 dapat digunakan untuk pengobatan kanker, yakni dengan memasukkan jumlah kecil radium ke daerah yang terkena tumor. Polonium-210 berfungsi sebagai alat static eliminator dari paper mills di pabrik kertas dan industri lainnya. Beberapa Detektor asap memanfaatkan emisi alpha dari americium-241untuk membantu menghasilkan arus listrik sehingga mampu membunyikan alarm saat kebakaran
KAJIAN PUSTAKA TEORI PELURUHAN ALPHA Peluruhan alpha 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 alpha. Dua proton dan dua netron ini bergerak terus di dalam inti, yang kadang-kadang bergabung dan terkadang berpisah. Di dalam inti partikel alpha terikat oleh gaya inti yang sangat kuat. Tetapi jika partikel alpha inti bergerak lebih jauh dari jari-jari inti ia akan segera merasakan tolakan gaya Coulomb. Probabilitas persatuan waktu λ .bagi partikel alpha untuk muncul adalah probabilitas menerobos potensial halang dikalikan banyaknya partikel alfa menumbuk penghalang per detik dalam usahanya untuk keluar. Jika partkel alpha bergerak dengan laju ν di dalam sebuah inti berjari-jari R, maka selang waktu yang dibutuhkan untuk menumbuk penghalang bolak-balik dalam inti sebesar ν/2R . Inti berat nilai R sekitar 6 fm, maka partikel alpha menumbuk dinding 22
inti berat sebesar 10 kali per detik. Taksiran kasar probabiltas peluruhan alpha, berdasarkan mekanika kuantum adalah Energi x R EαPartikel α 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.
Hubungan Energi Kinatik Alpha α K (MeV) Dengan Waktu ParoIsotop 10 4,01 1,4 x 10 thn U 238 4,19 Th230 4,69 Pu238 5,50 U 230 5,89 Rn220 6,29 Ac222 7,01 Rn216 8,05 Po212 8,78
Karakteristik Partikel Alpha 1. Daya Jangkau Partikel Alpha
λ (1/s)
2/1t -18
1,6 x 10 9 4,5 x 10 thn 4 8,0 x 10 thn 88 thn 20,8 hari 56 s 5s 45 sμ 0,3 sμ
-18
4,9 x 10 -13 2,8 x 10 -10 2,5 x 10 -7 3,9 x 10 -2 1,2 x 10 0,14 4 1,5 x 10 6 2,3 x 10
Berdasarkan hasil eksperimen diketahui bahwa kecepatan gerak partikel alpha berkisar antara 0,054 c hingga 0,07 c. Karena massa partikel alpha cukup besar, yaitu 4 u, maka jangkauan partikel alpha sangat pendek.partikel alpha dengan energi paling tinggi, jangkauann ya di udara hanya beberapa cm. Sedangkan dalam bahan hanya beberapa mikron. Partikel alpha yang dipancarkan oleh sumber radioaktif memiliki energi tunggal (monoenergetic). Bertambah tebalnya bahan hanya akan mengurangi energi partikel alpha yang melintas, tetapi tidak megurangi jumlah partikel alpha itu sendiri. Pengujian jejak partikel alpha dengan kamar kabut Wilson, menunjukkan bahwa sebagian besar partikel alpha memiliki jangkauan yang sama di dalam gas dan bergerak dengan jejak lurus. Jangkauan partikel alpha biasanya diukur di udara pada suhu 0˚C dan tekanan 70 mmHg dan dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut. Sedangkan jangkauannya dalam medium (dm) selain udara didefinisikan dengan pendekatan persamaan Bragg-Kleeman sebagai berikut: a.
Pelu r uh an beta
(β)
Sinar beta (β) merupakan radiasi partikel yang bermuatan negatif. Sinar partikel beta merupakan elektron yang berasal dari inti atom. Energi sinar ini sangat bervariasi, selain itu memiliki daya tembus yang lebih besar dibandingkan dengan sinar partikel alfa, tetapi daya peng-ion-nya lebih lemah. Sinar beta sangat energik dan dapat menembus sampai 300 cm dalam udara. 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. 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 intidari energi yang ada. Jika ada beda energi diam sekurangkurangnya, maka penciptaan elektron sangat mungkin terjadi. Grafik distribusi energi partikel beta (absis : energi kinetik, ordinat : jumlah elektron)
Grafik distribusi energi partikel beta Sr-90 (absis : energi kinetik, ordinat : jumlah elektron)
22
Unsur 11 Na merupakan salah satu unsur radioaktif yang memancarkan radiasi beta pada proses 22 peluruhannya menjadi inti 10 Ne . Pada proses peluruhan beta ini, dihasilkan suatu partikel beta 0 + positif (+1β ) atau disebut sebagai positron (e ). Reaksi peluruhan yang terjadi adalah : 22 22 0 11 Na 10 Ne + +1β + υe + 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 anhilasi. Energi keduanya berubah menjadi gelombang elektromagnetik.
Grafik distribusi energi positron (absis : energi kinetik, ordinat : jumlah positron)
Grafik distribusi energi positron Na-22 (absis : nomor kanal, ordinat : jumlah cacahan) Berdasarkan literatur, energi kinetik positron hasil peluruhan Na-22 diperoleh dari : Sedangkan berdasarkan analisis data pengamatan diperoleh bahwa nilai energi puncak positron dari peluruhan Na-22 sebesar sehingga persentase kesalahan hitung adalah sebesar 17,16%. Resolusi atau daya pisah energi radiasi untuk unsur Na-22 diperoleh sebesar 8,2143%. 22 Selain 11 Na , unsur lainnya yang juga menghasilkan partikel beta dalam proses 90 peluruhan adalah 38Sr . Reaksi peluruhannya adalah sebagai berikut : 90 90 0 38Sr 39Y + -1β +υe Berdasarkan literatur, energi kinetik positron hasil peluruhan Na-22 diperoleh dari :
Sedangkan berdasarkan analisis data pengamatan diperoleh bahwa nilai energi puncak elektron dari peluruhan Sr-90 sebesar sehingga persentase kesalahan hitung adalah sebesar 87,29%. Resolusi atau daya pisah energi radiasi untuk unsur Sr-90 diperoleh sebesar 375%. 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 partikel beta kehilangan energinya dengan memancarkan gelombang elektromagnetik yang dikenal sebagai sinar-X Bremsstrahlung.
1. b.
Pelu ru han gamma
(γ)
ɤ
Sinar gamma ( ) adalah bentuk radiasi elektromagnetik yang berenergi tinggi, tidak memiliki muatan dan tidak memiliki massa. Sinar gamma diproduksi oleh radioaktif atat proses nuklit seperi penghancuran positron-elektron. Sinar yang membentuk spektrum elektromagnetik ini adalah energi tertinggi dibandingkan dengan sinar alfa dan beta. Sinar gamma mempunyai daya tembus, tetapi kurang bisa mengionisasi. Peluruhan gamma terjadi bila suatu inti atom metastabil bertransformasi menjadi inti atom stabil dengan memancarkan partikel gamma. Partikel gamma tidak bermassa dan tidak bermuatan, atau disebut foton, yaitu paket energi elektromagnetik diskrit. Salah satu contoh unsur yang akan menghasilkan partikel gamma ketika meluruh adalah Cs-137, namun praktikan tidak mengambil data untuk peluruhan gamma.