Rasioaktovitas

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Radioaktivitas

            Radioaktivitas adalah peristiwa pemancaran sinar-sinar radioaktif secara spontan karena terjadinya peluruhan inti atom menjadi inti atom yang lain. Sehingga radioaktif merupakan kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi dan berubah menjadi inti stabil. Proses perubahan ini disebut peluruhan dan inti atom yang tak stabil disebut radionuklida. Materi yang mengandung radionuklida disebut zat radioaktif. Jadi bahan radioaktif (radionuklida) adalah bahan radioaktif yang dapat memancarkan radiasi.

            Perkenalan manusia dengan gejala radioaktivitas dimulai ketika fisikawan Perancis Antonie Henry Becquerel pada tahun 1896 menemukan unsur uranium (U) yang menunjukkan gejala aneh dan belum pernah diketahui sebelumnya. Gejala radioaktivitas tersebut ditemukan secara tidak sengaja oleh Becquerel. Pada saat itu beliau sedang mempelajari sifat-sifat fosforisensi dan fluoresendi bahan-bahan. Fluoresendi adalah sifat dari bahan yang berpendar ketika disinari, sedangkan fosforisensi adalah sifat dari bahan yang dapat berpendar terus meskipun tidak disinari. Namun di luar dugaan beliau mendapatkan bahwa unsur-unsur uranium menunjukkan gejala radiasi tertentu dengan daya tembus yang sangat kuat sama seperti daya tembus sinar-X, yang ditemukan satu tahun sebelumnya (1895) oleh Wilhelm C. Roentgen.

            Kemudian beberapa waktu setelah itu, Pierre dan Marie Curie telah menemukan dua unsur lain yang juga radioaktif, ketika sedang melakukan ekstraksi uranium dari bahan tambang pitchblende. Unsur yang pertama dimanakan polonium sesuai dengan negara asal Marie Curie yaitu Polandia. Unsur kedua yang ternyata seribu kali lebih radioaktif daripada uranium disebut radium.

            Selanjutnya ilmuwan lain yaitu Rutherford dan teman sekerjanya, membedakan tiga komponen dalam radiasi radionuclide. Komponen ini disebut alfa, beta dan gama yang akhirnya  radioaktivitas buatan, yaitu hasil kegiatan yang dilakukan manusia. Dalam radioaktivitas alam, ada yang berasal dari alam dan dari radiasi kosmik. Radioaktivitas buatan dipancarkan oleh radioisotop yang sengaja dibuat manusia, dan berbagai jenis radionuklida dibuat sesuai dengan penggunaannya.

            Adapun jenis-jenis radiasi dari bahan radioaktif alam ada 3, yaitu:

a.       Radiasi alfa (α), dengan sifat-sifat sabagai berikut:

·         Dibelokkan oleh medan magnet kea rah kutub negative

·         Bermuatan listrik positif

·         Merupakan partikel bermassa.

·         Dari hasil penyelidikan diketahui bahwa partikel alfa merupakan inti atom Helium (He)

b.      Radiasi beta (β), dengan sifat-sifat sebagai berikut:

·         Dibelokkan oleh medan magnet kea rah kutub positif

·         Bermuatan listrik negative

·         Tidak mempunyai massa

·         Dari hasil penyelidikan diketahui bahwa partikel beta merupakan electron (e^-)

c.       Radiasi gamma (γ), dengan sifat-sifat sebagai berikut:

·         Tidak dibelokkan oleh medan magnet

·         Tidak bermuatan listrik

·         Tidak bermassa

·         Mempunyai sifat yang sama dengan sinar-X, tetapi panjang gelombangnya lebih pendek

·         Merupakan gelombang elektromagnetik

1.2 Kestabilan inti atom

            Peristiwa radioaktivitas berkaitan erat dengan kestabilan inti suatu atom. Inti atom yang stabil tidak menunjukkan gejala radioaktivitas, sebaliknya inti atom yang tidak stabil dapat menunjukkan gejala radioaktivitas. Kestabilan suatu inti atom ditandai dengan perbandingan jumlah proton (p) dan neutron (n) yang ada dalam inti atom tersebut. Untuk atom-atom ringan, jika nilai perbandingan antara jumlah n dan p sama dengan satu (n/p = 1), maka inti atom tersebut bersifat stabil. Sedangkan jika nilai n/p tidak sama dengan satu (n/p < 1 atau n/p > 1), maka ada kemungkinannya inti atom tersebut tidak stabil.

1.3 Peluruhan

            Suatu bahan bersifat radioaktif pada prinsipnya karena inti atom bahan tersebut tidak stabil. Oleh karena tidak stabil, maka inti atom terus-menerus meluruh disertai pemancaran radiasi hingga dicapai suatu keadaan inti baru yang stabil, artinya inti tersebut tidak radioaktif dan tidak mampu memancarkan radiasi lagi.

            Pemancaran radiasi secara terus-menerus sepanjang waktu dari inti radioaktif akan mengakibatkan berkurangnya jumlah inti atom radioaktif. Peristiwa penyusutan jumlah inti atom ini disebut peluruhan. Berkurangnya jumlah inti radioaktif akan disertai dengan berkurangnya jumlah radiasi yang dipancarkannya. Laju peluruhan setiap zat radioaktif bergantung pada jenis zat radioaktifnya. Jumlah peluruhan yang terjadi juga bergantung pada jumlah zat radioaktif mula-mula.

            Aktifitas zat radioaktif hanya menunjukkan jumlah inti radioaktif melakukan peluruhan, tetapi tidak menunjukkan jumlah radiasi yang dipancarkannya. Dalam setiap kali melakukan peluruhan, zat radioaktif dapat memancarkan lebih dari satu macam radiasi. Dan jumlah atom radioaktif selalu berkurang setiap saat karena terjadinya peluruhan. Deban demikian. Aktivitas zat radioaktif pun selalu berkurang setiap saat.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 PELURUHAN ALFA

Atom adalah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif, dan neutron yang bermuatan netral (kecuali pada inti atom Hidrogen-1, yang tidak memiliki neutron).

Di dalam inti atom, proton dan neutron sebagai penyusun inti atom terlihat seperti halnya partikel-partikel lain, diatur oleh beberapa interaksi. Gaya inti kuat, yang tidak teramati pada skala makroskopik, merupakan gaya terkuat pada skala subatomik. Hukum Coulomb atau gaya elektrostatik juga mempunyai peranan yang berarti pada ukuran ini. Proton dan neutron bisa bergabung dan terikat kuat dalam keadaan stabil karena dipengaruhi gaya inti yang bekerja di dalamnya yaitu gaya inti terjadi pada partikel yang berdekatan saja serta gaya elektrostatik terjadi pada partikel yang berdekatan dan berjauhan

Partikel mekanika kuantum tidak pernah dalam keadaan diam, mereka terus bergerak secara acak. Gerakan teratur pada partikel ini dapat membuat inti seketika tidak stabil. Hasil perubahan akan mempengaruhi susunan inti atom; sehingga hal ini termasuk dalam reaksi nuklir/reaksi inti. Susunan pada inti yang berubah akan menyebabkan inti atom menjadi tidak stabil.

Suatu inti atom yang tidak stabil terjdi ketika jumlah proton jauh lebih besar dari jumlah neutron. Pada keadaan inilah gaya elektrostatik jauh lebih besar dari gaya inti sehingga ikatan atom-atom menjadi lemah dan inti berada dalam keadaan tidak stabil.

Tabel 2.1 Perbandingan Kestabilan Inti Atom

Inti Atom Stabil	Inti Atom Tidak Stabil
Jumlah proton (Z) lebih sedikit atau sama banyak dengan neutron (N)	Jumlah proton (Z) lebih besar dari jumlah netron (N)
Gaya inti lebih besar dibandingkan dengan gaya elektrostatis	Gaya elektrostatis jauh lebih besar di bandingkan dengan gaya inti

Ada hal atau reaksi yang dilakukan oleh inti agar menjadi inti yang stabil yaitu meluruh.

Peluruhan alfa, terjadi ketika suatu inti memancarkan partikel alfa (inti helium yang terdiri dari dua proton dan dua neutron). Hasil peluruhan ini adalah unsur baru dengan nomor atom yang lebih kecil. Inti helium merupakan inti stabil dengan nomor massa dan nomor atom yang kekal. 

a.      Proses Peluruhan Alfa

Peluruhan alfa adalah salah satu bentuk peluruhan radioaktif dimana sebuah inti atom berat tidak stabil melepaskan sebuah partikel alfa (inti helium) yang dapat dituliskan sebagai 4He2  atau 4α2 dan meluruh menjadi inti yang lebih ringan dengan nomor massa empat lebih kecil dan nomor atom dua lebih kecil dari semula, menurut reaksi:

X  dan X’menyatakan jenis inti yang berbeda (jadi inti akan berubah menjadi unsur lain karena peluruhan alfa)

Sebagai contoh ²³⁴U  meluruh dan mengeluarkan sebuah partikel alfa

₉₂²³⁴X→ ₉₀²³⁰X'+₂⁴α

b.      Sistematika Peluruhan 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 yang jauh lebih kuat dari gaya elektrostatik. Tetapi jika partikel alfa inti bergerak lebih jauh dari jari-jari inti ia akan segera merasakan tolakan gaya Coulomb. Karena semua proton bermuatan positif, mereka saling tolak dan inti tidak akan pernah stabil, karena gaya inti yang kuat yang mengikat mereka bersama-sama.

Peluruhan alfa merupakan salah satu bentuk peluruhan radioaktif yang memancarkan partikel alfa ketika inti radioaktif itu meluruh. Partikel alfa ini terdiri dari 2 proton dan 2 neutron. Selain memancarkan partikel alfa, inti radioaktif ini juga akan membantuk inti yang baru (inti anak).

Secara sistematis, ketika sebuah inti memancarkan sinar alfa/partikel alfa, inti tersebut kehilangan empat nukleon dua diantaranya adalah proton dan dua lagi adalah neutron.

 

Dalam peluruhan dibebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat dari pada inti semula. Energi yang dibebaskan muncul sebagai energi kinetik partikel alfa. Massanya dapat dihitung dari massa semua inti yang terlibat menurut persamaan:

Q=[m(X)-m(X’)-m(α)] c²

Dimana Q menyatakan kelebihan energi massa inti (berupa energi kinetik).

Q=K_X'+K_α

Karena massa elektron saling menghapuskan maka digunakan massa atom saja.

c.       Emisi Partikel Alfa

 Salah satu emisi radioaktivitas yaitu emisi pertikel alfa. Partikel alfa pada dasarnya adalah partikel bermuatan positif yang dipancarkan oleh beberapa unsur radioaktif. Partikel alfa terdiri atas 2 neutron terikat pada 2 proton, jadi identik dengan inti atom helium Partikel ini sangat masif dan berenergi tinggi serta dipancarkan dari inti isotop radioaktif yang memiliki rasio netron terhadap proton yang terlalu rendah.

Partikel Alfa dipancarkan bergerak pada kecepatan rata-rata 15.000 km/detik dan memiliki energi kinetik dalam kisaran 5 MeV. Energi dari partikel Alfa dipancarkan selalu konstan untuk proses peluruhan alfa tertentu.

Suatu inti yang memancarkan partikel alfa, 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 alfa sebesar 7.77 MeV dipancarkan sehingga mengghasilkan inti²²²Rn yang stabil. dan energi partikel alfa sebesar 4,591 MeV dipancarkan dan meninggalkan keadaan tereksitasi yang kemudian kembali ke keadaan stabil dengan sebelumnya memancarkan sinar gamma sebesar 0.186 MeV.

Partikel alfa, karena memiliki muatan listrik dan massa yang relatif besar sehingga menyebabkan partikel ini memiliki kemampuan yang sangat terbatas dalam menembus bahan dan menjadi cepat kehilangan energi di udara. Sehelai kertas tisu bahkan kulit mati sudah cukup tebal untuk menyerap semua radiasi alfa yang keluar dari bahan-bahan radioaktif.

Ini mengakibatkan radiasi alfa yang berasal dari sumber-sumber di luar tubuh bukan merupakan sebuah bahaya. Namun akan menjadi bahaya jika isotop-isotop pemancar alfa tersebut terendap secara internal (di dalam tubuh) seperti terhirup, tertelan, atau bahkan terserap ke dalam aliran darah. Sehngga tidak ada lagi shielding effect dari lapisan terluar kulit yang mati, dapat menyebabkan radiasi alfa tersebut dihamburkan pada jaringan hidup, sehingga dapat menyebabkan toksin yakni dapat menimbulkan resiko kanker, khususnya setelah diketahui bahwa radiasi alfa dapat menyebabkan kanker paru-paru ketika sumber radiasi alfa tak sengaja terhisap.

d.      Kegunaan Partikel Alfa

Muatan positif dari partikel alfa sangat berguna dalam industri, misalnya:

1.      Radium-226 dapat digunakan untuk pengobatan kanker, yakni dengan memasukkan jumlah kecil radium ke daerah yang terkena tumor.

2.      Polonium-210 berfungsi sebagai alat static eliminator dari paper mills di pabrik kertas dan industri lainnya.

3.      Beberapa Detektor asap memanfaatkan emisi alfa dari americium-241untuk membantu menghasilkan arus listri sehingga mampu membunyikan alarm saat kebakaran.

Contoh Soal 1

Tentukan berapa banyak energi yang dilepaskan ketika Uranium-238 meluruh menjadi Thorium- 234.

Jawab

Reaksi ini adalah contoh reaksi alfa, sehingga reaksinya akan menjadi

Kita dapat mencari massa kedua atom tersebut di buku text atau di internet. Sehingga untuk massanya kita mendapatkan

Kita menjumlahkan reakssi sebelah kanan hingga menjadi

Jika kita mengurai mereka, kita bias menemukan bahwa ada 0.0046u massa yang hilang. Dengan nilai 1u = 1.66e-27kg

Kita sering menemukan jawaban dalam MeV(mega electron volts). Pertama kita ubah dulu ke-eV lalu kemudia MeV

2.2 PELURUHAN BETA

Dalam peluruhan beta, sebuah proton berubah menjadi neutron atau sebaliknya (neutron menjadi proton).

n→p  atau p→n

Jadi Z dan N masing-masinng berubah satu satuan, tetapi A tidak berubah. Pada peluruhan beta, yang paling utama adalah sebuah neutron meluruh menjadi sebuah proton dan sebuah elektron.

n→ p+e

Ketika proses peluruhan ini pertama kali dipelajari, partikel yang dipancarkan disebut partikel beta, kemudian baru diketahui bahwa partikel itu adalah elektron. Elektron yang dipancarkan pada peluruhan beta bukanlah elektron kulit atom dan juga bukan elektron yang semula berada dalam inti. Tetapi elektron ini diciptakan oleh inti dari energi yang ada. Jika ada beda energi diam sekurang-kurangnya, maka penciptaan elektron sangat mungkin terjadi. Terdapat 2 proses pada ketidakstabilan beta:

1.      Peluruhan Beta Minus (ß-)

2.      Peluruhan Beta Plus (ß+)

a.      Proses Peluruhan Beta

Peluruhan Beta adalah merupakan peluruhan radioaktif yang memancarkan partikel beta (elektron atau positron) dengan kemampuan ionisasi lebih rendah dari partikel . Radiasi beta dapat berupa pemancaran sebuah elektron disebut peluruhan beta minus (ß-), dan pemancaran positron disebut sebagai peluruhan beta plus (ß+).

1)      Peluruhan Beta Minus (ß-)

Peluruhan beta minus (ß-) adalah proses perubahan dari neutron menjadi proton (sebagai inti anak) dan pemancaran elektron disertai dengan pembebasan sebuah antineutrino  dan dinyatakan dengan persamaan peluruhan. Energi yang dilepaskan dalam peluruhan ini (nilai Q) muncul sebagai energi antineutrino, energi kinetik elektron, dan sejumlah kecil energi kinetik pental inti X’ (biasanya dapat diabaikan). Elektron memiliki energi kinetik maksimumnya apabila energi antineutrino hampir nol.

Contoh Soal 2

Tuliskan reaksi beta negatif  peluruhan kalsium-46.

Jawab

Seperti dengan peluruhan alpha dalam Contoh 1, pertama tentukan inti induk Anda pada tabel periodik dan tulis reaksi peluruhan dasar

Sama seperti sebelumnya, kita lalu menentukan nilai A dan Z dari inti atom anak akibat peluruhan beta inti induknya

A = 46 – 0 = 46

 Z = 20 - (-1) = 21

Jadi, inti atom anak tersebut pastilah Scandium karena memiliki 21 proton

2)      Peluruhan Beta Plus (ß+)

Peluruhan beta plus (ß+) adalah proses perubahan dari proton menjadi neutron (sebagai inti anak) dan pemancaran elektron disertai dengan pembebasan sebuah neutrino (v) dan dinyatakan dengan persamaan peluruhan. Pada peluruhan beta plus tidak dapat terjadi dalam isolasi, sebab harus ada suplai energi dalam proses “penciptaan” massa, karena massa neutron (sebagai inti anak) ditambah massa positron dan neutrino lebih besar daripada massa proton (sebagai inti induk).

Contoh Soal 3

Kalium-40 dikenal sebagai beta meluruh positif. Tuliskan persamaan peluruhan

untuk reaksi ini.

Jawab

Kita perlu untuk mengumpulkan info tentang kalium-40 dan kemudian menulis persamaanya

Sama seperti sebelumnya, kita terlebih dahulu mencari nilai A dan Z untuk  inti atom anak ini dengan mengurangkan nilai partikel beta memiliki dari inti induk

A = 40 – 0 = 40

 Z = 19 - 1 = 18

Sehingga, inti atom anak tersebut pastilah Argon, karena hanya memiliki 18 proton

b.      Karakteristik Partikel/Sinar Beta

Dibandingkan dengan partikel alfa, partikel beda adalah sangat kecil. Partikel beta (negatif) ini memiliki satu satuan muatan elementer negatif dan massanya dapat diabaikan terhadap massa partikel alfa. Partikel beta ini pada dasarnya identik dengan elektron yang mengorbit di atom penyerap (dengan muatan listrik yang sama), dapat menyebabkan terjadinya ionisasi langsung dengan gaya tolak coulomb terhadap elektron yang mengorbit tersebut. Partikel beta ini dapat pula menyebabkan terjadinya eksitasi bila energinya tidak cukup besar untuk dapat membuat elektron orbit lepas dari sistem atom. Partikel beta dapat menimbulkan ionisasi langsung lebih sedikit dari pada partikel alfa dan dapat bergerak lebih jauh di dalam bahan penyerap.

a)      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) K_max, 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, d_t) dengan satuan massa per satuan luas (mg/cm²) untuk menggantikan jarak atau ketebalan (d).

b)     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 jejaknya 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. 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. Daya tembus sinar beta lebih besar daripada sinar alfa, sedangkan daya ionisasi sinar beta lebih kecil dari pada sinar alfa. Sinar beta paling energik dapat menembus 300 cm dari udara kering, dapat menembus lempengan timbel alumunium yang cukup tebal. Sinar beta disebut juga elektron berkecepatan tinggi.

c)         Teori Fermi tentang Peluruhan Beta

Enrico Fermi

Sejak masih di Roma, Fermi sudah dikenal sebagai ahli fisika yang brilian. Ia dan kelompoknya memberi kontribusi penting terhadap banyak aspek teori dan praktik fisika, antara lain teori statistik Fermi-Dirac, teori peluruhan beta, dan yang paling monumental adalah penemuan neutron lambat yang menyebabkan sebuah unsur memiliki sifat radioaktif, yang kelak menjadi dasar kerja dari sebuah reaktor nuklir.

Teori peluruhan beta

Karya Fermi paling terkenal adalah teori peluruhan beta nuklir. Dalam peluruhan beta partikel (partikel beta), dikenal identik dengan sebuah elektron dalam yang dikatakan memiliki “negatif” muatan listrik, dilepaskan dari inti (inti) dari sebuah atom. Hal ini meningkatkan nomor atom (jumlah proton, atau partikel dengan “positif” muatan listrik, dikurangi jumlah elektron) dari nukleus oleh satu unit. Fermi bekerja di luar teori peluruhan beta rinci berdasarkan gagasan bahwa sebuah neutron (partikel tanpa muatan listrik) dalam “meluruh,” inti atau perubahan, menjadi tiga partikel: proton, elektron (partikel beta), dan neutrino.

d)     Emisi dan Pemanfaatan Partikel Beta

Penyinaran langsung dari partikel beta adalah berbahaya karane emisi dari pemancar beta yang kuat bisa memanaskan atau bahkan membakar kulit. Namun masuknya pemancar beta melalui penghirupan dari udara menjadi perhatian yang serius karena partikel beta langsung dipancarkan ke dalam jaringan hidup sehingga bisa menyebabkan bahaya di tingkat molekuler yang dapat mengganggu fungsi sel. Karena partikel beta begitu kecil dan memiliki muatan yang lebih kecil daripada partikel alfa maka partikel beta secara umum akan menembus masuk ke dalam jaringan, sehingga terjadi kerusakan sel yang lebih parah.

Radionuklida pemancar beta terdapat di alam dan juga merupakan buatan manusia. Seperti halnya Potassium - 40 dan Carbon-14 yang merupakan pemancar beta lemah yang ditemukan secara alami dalam tubuh kita. Pemancar beta digunakan untuk medical imaging, diagnosa, dan prosedur perawatan (seperti mata dan kanker tulang), yakni technetium-99m, phosphorus-32, and iodine-131. Stronsium-90 adalah bahan yang paling sering digunakan untuk menghasilkan partikel beta. Partikel beta juga digunakan dalam quality control untuk menguji ketebalan suatu item seperti kertas yang datang melalui sebuah system of rollers. Beberapa radiasi beta diserap ketika melewati produk. Jika produk yang dibuat terlalu tebal atau terlalu tipis maka radiasi dengan jumlah berbeda akan diserap. Sebuah program computer akan memantau kualitas dari kertas yang diproduksi tersebut berdasarkan jumlah radiasi yang diteruskan melalui kertas tersebut, sehingga program komputer tersebut memindahkan rollers untuk mengubah ketebalan sesuai dengan kualitas yang telah ditentukan sebelumnya.

2.3 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 foton ini, baik nomor atom atau nomor massa inti tidak berubah.

Setelah inti meluruh menjadi inti baru biasanya terdapat energi kelebihan pada ikatan intinya sehingga seringkali disebut inti dalam keadaan tereksitasi. Inti yang kelebihan energinya ini biasanya akan melepaskan energinya dalam bentuk sinar gamma yang dikenal dengan peluruhan gamma, sinarnya ini adalah foton dan termasuk ke dalam gelombang elektromagnetik yang mempunyai energi yang sangat besar melebihi sinar X.

Peluruhan gamma (γ) merupakan radiasi gelombang elektromagnetik dengan energi sangat tinggi sehingga memiliki daya tembus yang sangat kuat. Sinar gamma dihasilkan oleh transisi energi inti atomdari suatu keadaan eksitasi ke keadaan dasar. Saat transisi berlangsung terjadi radiasi energi tinggi (sekitar 4,4 MeV) dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Sinar gamma bukanlah partikel sehingga tidak memiliki nomor atom (A=0) maka dalam peluruhan sinar-γ tidak dihasilkan inti atom baru. 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 den

Sebagaimana penyelesaian persamaangelombang yang menampilkan persamaan Helmholtz, di dalam sistem koordinat sferis dapat dinyakan sebagai superposisi atau jumlah gelombang- gelombang dari berbagai – bagai bilangan ℓ  dalam wujud fungsi harmonik sferis Y_{1, m,} dimana dalam mekanika kuantum, ℓ  itu bersangkutan dengan momentum rotasi, maka sinar γ  yang dipancarkan dari inti yang tengah mengalami deexitas itu dikatakan membawa serta momentum rotasi sedemikian hingga azas kekelan momentum rotasi dalam proses transisi keadaan inti itu dipenuhi.  Seandainya momentum rotasi inti mula – mula adalah Li dan kemudian menjadi L_f  , maka momentum rotasi yang dibawa serta oleh sinar γ  itu adalah  I= L_i - L_f  yang oleh adanya kaidah kuantisasi ruang, berlaku aturan pilih

L_i - L_f  ≤ 1≤ L_i + L_f    

Selanjutnya mengingat persamaan laplance di dalam sistem koordinat sferis, terdefenisakanlah apa yang dinamakan multipol elektrik

Q _1,m  = ∫ r ­­­­¹ Y^*_1,m ρ dг

Pada umumnya radiasi multipol hanya bersangkutan dengan nilai ℓ yang kecil saja misalnya sampai ℓ = 3 saja, sebab berdasarkan analisa dengan mekanika kuantum, dapat ditunjukkan bahwa kebolehjadian transisi akan sebanding dengan ( R/χ)²¹ dimana R adalah jari – jarivolum inti dan χ = λ∕2п adalah panjang gelombang sinar λ selaku gelombang elektromahnetikdibagi 2п. Dengan mengingat frekuensi sinar γ harus sama dengan frekuensi perputaran proton didalam inti yang menmbulkan, maka tentulah c/ λ = v/2пR dengan v adalah kecepatan proton melingkari inti selain didapat

R/ χ = v/c << 1

Yang memperlihatkan bahwa ( R/ χ )²¹ cepat merosot terdapat naiknya nilai ℓ.

 Selanjutnya tetapan peluruhan atau tepatnya tetapan transmisi keadaan yang dalam hal ini berupa deexsitasi, sudah tentu sebabding dengan kebolehjadian terjadinya transisi, sehingga umur keadaan terexsitasinya akan sebanding terbalik dengan ( R/ χ )²¹  yang mengingat bilangan massa unsur yakni A menyatakan banyaknya nukleon di dalam inti yang sebanding dengan volume inti, yang berarti R sebanding dengan A^⅓ , serrta mengingat pula tenaga foton γ,E = hv = hc/λ yakni sebanding terbalik dengan λ, umur keadaan terexitasi itu akan berbanding terbalik denangan E²¹ A^21/3 yang memperlihatkan kepekaannya terhadap vareasi tenaga sinar γ yaitu E, bilangan massa unsur A, serta multipolaritas radiasi yang dinyatakan oleh nilai 1.

a.      Interaksi Sinar Gamma (γ) dan Materi

            Terdapat tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi elektromagnetik melewati suatu bahan penyerap, yaitu efek fotolistrik, hamburan Compton, dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut melepaskan electron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan. Peluang terjadinya interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan bahan ditentukan oleh koefisien absorbs linier (µ). Hal tersebut dikarenakan penyerapan intensitas elektromagnetik melalui tiga proses utama, maka nilai µ juga ditentukan oleh peluang terjadinya ketiga proses tersebut. Sedangkan koefisien absorbs total merupakan jumlah dari ketiga koefisien absorbs tersebut.

1)   Efek Fotolistrik

            Efek fotolistrik adalah peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh elektron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan atom. Dengan kata lain, efek fotolistrik timbul karena adanya interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan electron-elektron dalam atom bahan. Pada peristiwa ini energi foton diserap seluruhnya oleh electron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga electron tersebut terlepas dari ikatan inti atom. Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron. Efek fotolistrik terutama terjadi antara 0,01 MeV hingga 0,5 MeV.

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

∆ λ=λ’ – λ = h/m_e c ( 1 – cos θ )

dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh

            ∆ λ ( A ) = (0242,0 ) ( 1 – cos θ )

Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 200 keV hingga 5 MeV dalam sebagian besar unsur-unsur ringan.

Contoh Soal 4

Tulis seri peluruhan untuk Thorium-226 menjadi  Astatine-214

Jawab

Tanpa melihat barang-barang naik kita tidak memiliki cara untuk menjadi tertentu yang meluruh akan terjadi, tapi kita bisa membuat beberapa tebakan dan melihat apakah kita berakhir di tempat yang tepat. Kami akan meninggalkan apapun peluruhan gamma di sini, karena mereka tidak mengubah salah satu nomor nukleon.

Untuk menghemat ruang, dan karena kita dapat mengetahui apa jenis kerusakan yang terjadi dari produk, terkadang kita menulis rantai peluruhan yang melompat partikel pembusukan