INTERAKSI RADIASI INTI DENGAN
MATERI
3.1 Pengenalan
Radiasi adalah pancaran energi yang berasal dari
proses transformasi atom atau inti atom yang tidak stabil. Ketidak-stabilan
atom dan inti atom mungkin memang sudah alamiah atau buatan manusia, oleh karena
itu ada sumber radiasi alam dan sumber radiasi buatan. Sumber radiasi itu
sendiri dapat dibedakan menjadi sumber yang berupa zat radioaktif dan sumber yang
berupa mesin, seperti pesawat sinar-X, akselerator, maupun reaktor nuklir.
Adapun jenis radiasi dapat dibedakan menjadi radiasi partikel bermuatan,
radiasi partikel tak bermuatan, dan gelombang elektromagnetik atau foton.
Ketiga jenis radiasi ini mempunyai karakteristik fisis dan cara interaksi
dengan materi yang sangat berbeda.
Interaksi
radiasi dengan materi melibatkan suatu pemindahan energi dari radiasi ke dalam
materi. Diasumsikan materi terdiri atas inti-inti atom dan elektron-elektron
ekstra nuklir, daya tembus radiasi pada materi bergantung pada jenis energi
radiasi dan sifat medium materi.
3.2. Interaksi Partikel Bermuatan dengan
Materi
Interaksi radiasi partikel
bermuatan ketika mengenai materi adalah proses Coulomb, yaitu gaya tarik
menarik atau tolak menolak antara radiasi partikel bermuatan dengan elektron
orbital dari atom bahan. Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk
partikel yang bermuatan listrik.
Gambar
3.1 Interaksi Radiasi Nuklir dengan Materi
Dimana
(
)
Keterangan:
Ze
= muatan partikel
M0
= massa elektron
v =
kecepatan partikel
nZ
= jumlah elektron-elektron perunit volume dalam materi
υ = frekuensi radiasi
Beberapa jenis
partikel bermuatan yang berinteraksi dengan materi adalah radiasi alpha dan
beta yang dipancarkan oleh zat radioaktif (inti atom yang tidak stabil), serta
radiasi elektron dan proton yang dihasilkan oleh mesin berkas elektron ataupun
akselerator.
Alpha
Partikel
alpha terdiri dari dua buah proton dan dua buah neutron, identik dengan inti
atom Helium, serta mempunyai muatan listrik positif sebesar 2 muatan elementer.
Radiasi alpha dipancarkan oleh zat radioaktif, atau dari inti ataom yang tidak
stabil. Jumlah proton dan jumlah neutron di dalam inti atom yang memancarkan
radiasi alpha akan berkurang dua.
Gambar
3.2 Proses Peluruhan Alpha
Beta
Terdapat
dua jenis radiasi beta yaitu beta positif dan beta negatif. Beta negatif
identik dengan elektron, baik massa maupun muatan listriknya sedangkan beta
positif identik dengan positron (elektron yang bermuatan positif). Elektron
mempunyai massa yang sangat ringan bila dibandingkan dengan partikel nukleonik
lainnya (» 0) sedangkan muatannya sebesar satu muatan elementer.
Gambar 3.3
Proses Peluruhan Beta
Radiasi beta dipancarkan oleh zat
radioaktif atau inti atom yang tidak stabil. Ketika memancarkan radiasi beta
negatif, di dalam inti atomnya terjadi transformasi neutron menjadi proton,
sebaliknya pada saat memancarkan beta positif terjadi transformasi proton
menjadi neutron.
Elektron
Radiasi
elektron mempunyai sifat yang sama dengan radiasi beta negatif, yang membedakan
adalah asalnya. Partikel beta berasal dari inti atom sedangkan elektron berasal
dari atom. Radiasi elektron dapat berasal dari zat radioaktif yang meluruh
dengan cara “internal conversion” atau dari mesin berkas elektron
(akselerator).
Proton
Radiasi
proton merupakan pancaran proton yang mempunyai massa 1 sma (satuan massa atom)
dan mempunyai muatan positif sebesar satu muatan elementer. Radiasi proton
dihasilkan dari akselerator proton.
Ada tiga kemungkinan interaksi
radiasi yang dapat terjadi ketika suatu partikel bermuatan mengenai materi,
yaitu ionisasi, eksitasi dan brehmstrahlung.
1. Proses ionisasi
Proses ionisasi adalah peristiwa
lepasnya elektron dari orbitnya karena ditarik atau ditolak oleh radiasi
partikel bermuatan. Elektron yang lepas menjadi elektron bebas sedang sisa
atomnya menjadi ion positif. Setelah melakukan ionisasi energi radiasi akan
berkurang sebesar energi ionisasi elektron. Peristiwa ini akan berlangsung
terus sampai energi radiasi partikel bermuatan habis terserap. Radiasi alpha
yang mempunyai massa maupun muatan lebih besar mempunyai daya ionisasi yang
lebih besar daripada radiasi yang lain.
Gambar 3.4: Proses Terjadinya Ionisasi
Radiasi alpha yang mempunyai massa maupun muatan
lebih besar mempunyai daya ionisasi yang lebih besar daripada radiasi yang
lain. Setelah melakukan proses ionisasi
energi radiasi yang datang akan mengalami pengurangan (terdapat selisih
energi). Ini dikarenakan adanya transfer energi dari radiasi kepada elektron ,
sehingga elektron memiliki energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari
atom. Jika energi radiasi akhir masih cukup banyak, proses ioniasasi dapat
terjadi lagi, terus-menerus hingga energi radiasinya habis.
Elektron
yang terlepas dari atom (disebut ion negatif) akan menjadi elektron bebas yang
tidak memiliki energi kinetik dan bebas bergerak secara random (acak) di dalam
medium.
Partikel
berupa elektron dapat bergerak bebas dari suatu senyawa, molekul atau atom.
Geraknya yang bebas ini dapat menumbuk senyawa, molekul atau atom lain, seperti
yang terlihat pada Gambar 3.3 dimana partikel menumbuk suatu atom. Dalam Gambar
3.3 tersebut partikel menumbuk atom dan mengenai elektron pada kulit terluar
sehingga terpental keluar. Elektron yang terpental keluar ini disebut ion
negatif, sedangkan atom yang kehilangan elektronnya menjadi ion positif.
Setiap
partikel bermuatan bila berinteraksi dengan materi dapat menimbulkan ionisasi,
karena dalam setiap lintasannya pada materi yang dikenai akan meninggalkan
sejumlah pasangan ion positif dan ion negatif. Radiasi Alpha yang bermuatan
positif akan menghasilkan 10.000-70.000 pasangan ion per cm panjang
lintasannya. Akan tetapi jejak lintasannya tidak terlalau jauh, karena massanya
yang besar (bermassa 4) dan juga karena muatannya yang positif mudah ditarik
oleh elektron bebas (yang bermuatan negatif) yang banyak sekali tersebar di
alam ini. Di udara radiasi alpha hanya mampu melintas sejauh 2-3 cm.
Ionisasi
yang dihasilkan oleh radiasi Beta yang bermuatan negatif lebih sedikit bila
dibandingkan dengan radiasi Alpha yang bermuatan positif. Radiasi beta yang
berinteraksi dengan materi akan menghasilkan 60-7000 pasangan ion per cm
panjang lintasannya, jauh lebih sedikit bila dibandingakan dengan lintasan
radiasi alpha. Hal ini disebabkan karena massanya relatif amat sangat kecil
(massanya bisa dianggap sama dengan nol) dan muatannya yang negatif membantu
dalam perjalanannya melintasi materi, karena didorong oleh gaya coulumb
elektron yang bermuatan negatif yang banyak terdapat di alam ini. Untuk radiasi
beta yang bermuatan positif (positron) yang kebolehjadiannya di alam sangat
kecil, jelas jauh lebih sedikit kemampuannya untuk mengionisasikan materi yang
dilaluinya.
Hal ini
disebabkan karena sebelum mengionisasikan materi, terlebih dahulu positron ini
akan ditangkap oleh elektron yang banyak tersebar di alam.
2. Proses Eksitasi
Salah
satu postulat Bohr menyatakan bahwa elektron dapat berpindah dari satu tingkat
energi ke tingkat energi yang lain. Berpindahnya
elektron ini karena mendapatkan tambahan energi dari luar, salah satunya dapat
berasal dari radiasi alpha dan radiasi betha. Apabila elektron berpindah dari
tingkat energi rendah menuju tingkat energi tinggi maka energi akan diserap
untuk melakukan proses tersebut. Elektron yang berpindah dari tingkat energi
rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan elektron
tereksitasi. Akan tetapi keadaan elektron tereksitasi ini tidak stabil sehingga
elektron kembali dari tingkat energi tinggi menuju tingkat energi rendah yang
disertai pelepasan energi dalam bentuk radiasi (deeksitasi).
Sepintas
proses eksitasi mirip dengan proses ionisasi. Akan tetapi, pada proses eksitasi
elektron tidak sampai terlepas dari atom. Elektron hanya berpindah ke lintasan
yang lebih luar (energi lintasannya lebih besar). Setelah terjadi proses
eksitasi, atom tersebut berubah menjadi atom yang tereksitasi.
Sebagaimana
pada proses ionisasi, energi radiasi yang datang akan berkurang setelah
melakukan proses eksitasi. Ini terjadi karena radiasi mentransfer sebagian
(atau seluruh) energinya kepada elektron, sehingga elektron memiliki energi
yang cukup untuk berpindah lintasan. Proses eksitasi juga dapat berlangsung
berulang kali hingga energi radiasinya habis.
Atom yang
berada dalam keadaan tereksitasi ini akan kembali ke keadaan dasarnya (ground
state) dengan melakukan transisi elektron. Salah satu elektron yang berada di
lintasan luar akan berpindah mengisi kekosongan di lintasan yang lebih dalam
sambil memancarkan radiasi sinar-x karakteristik. Energi sinar-x karakteristik
yang dipancarkan dalam peristiwa ini setara dengan selisih energi antara
lintasan sebelum dan sesudah transisi.
Gambar
3.5. Proses Eksitasi
Pada tingkat yang lebih rendah,
energi yang dimiliki elektron lebih rendah daripada di tingkat sebelumnya.
Perbedaan energi ini muncul sebagai sebuah kuantum radiasi berenergi hv yang
sama besar dengan beda energi antara kedua tingkat tersebut. Artinya, jika
elektron melompat dari n = n2 ke n=n1,
maka terpancar sebuah foton dengan energi hυ = En2 – En1. Proses eksitasi dapat terjadi
karena partikel radiasi bermuatan yang berinteraksi dengan materi yang
menyebabkan struktur atom bahan terganggu atau dalam keadaan tereksitasi.Pada
radiasi alpha, peristiwa eksitasi yang terjadi disebabkan karena energi radiasi
alpha yang ditransfer ke elektron orbital dari struktur atomnya. Keadaan ini
yang menyebabkan atom suatu bahan terganggu.
Pada radiasi beta, peristiwa
eksitasi bisa terjadi karena pengaruh
adanya peristiwa stopping power yang
menyebabkan energi radiasi beta hilang di sepanjang lintasannya. Energi radiasi
beta yang hilang ini menyebabkan atom-atom yang ada di sepanjang lintasan
radiasi beta juga terganggu).
3. Proses Brehmstrahlung
Proses ini lebih dominan terjadi
pada interaksi radiasi beta dan elektron karena massa dan muatan partikel beta
relatif lebih kecil sehingga kurang diserap oleh materi dan daya tembusnya
lebih tinggi dibandingkan
partikel alpha. Karena adanya gaya elektrostatik, radiasi beta atau elektron
yang bergerak melewati inti akan dibelokkan. Perubahan arah gerak ini
menyebabkan adanya perubahan momentum yang kemudian akan menghasilkan pancaran
energi gelombang elektromagnetik (foton). Foton yang muncul pada proses ini
disebut sebagai sinar-x brehmsstrahlung (bedakan dengan sinar-x karakteristik
yang dihasilkan oleh transisi elektron).
Berbeda dengan energi radiasi
sinarx karakteristik yang hanya dipengaruhi oleh selisih tingkat energi
lintasan, tingkat energi radiasi sinar-x brehmsstrahlung ini dipengaruhi oleh
beberapa hal, yaitu energi radiasi yang mengenai atom, nomor atom (jumlah
proton) inti dan sudut pembelokannya.
Gambar 3.6. Peristiwa Bremstrahlung
1.3 Interaksi
Neutron dengan Materi
Neutron
adalah partikel yang tidak mempunyai muatan, oleh karena itu interaksinya
dengan materi sangat berbeda dengan interaksi partikel bermuatan. Neutron bebas
dari pengaruh medan listrik coulomb,,akibatnya neutron bebas mendekati bahkan
masuk ke inti atom dan menembusnya. Jika suatu neutron masuk menembus inti dan
keluar lagi, maka hanya terjadi peristiwa hamburan (scattering). Hamburan ini
dapat berupa hamburan elastis dan in elastis.
a. Energy
hilang dari neutron
Neutron
merupakan partikel yang memiliki massa namun tidak bermuatan listrik, sehingga
interaksi neutron dengan materi lebih banyak bersifat mekanik, yakni tumbukan
antara neutron dengan atom (inti atom) materi, baik secara elakstik maupun tak
elastik. Setiap tumbukan dengan materi akan menyerap energi neutron, sehingga
setelah beberapa kali tumbukan energi neutron akan habis dan proses tumbukan
pun berhenti. Jika energi neutron sudah sangat rendah, ada kemungkinan untuk
terjadinya reaksi penangkapan neutron oleh inti atom bahan penyerap.
Tumbukan elastic
Tumbukan
elastik adalah tumbukan di mana total energi kinetik partikel-partikel 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.
Gambar
3.7. Peristiwa Tumbukan Elastik
Tumbukan tidak 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.
Gambar 3.8. Tumbukan tak Elastik
Dalam
peristiwa ini, energi neutron yang diberikan ke atom yang ditumbuknya tidak terlalu besar sehingga
setelah tumbukan, energy neutron
tidak banyak berkurang. Oleh karena itu, bahan yang
mengandung
atom-atom dengan nomor atom besar tidak efektif sebagai penahan radiasi neutron.
Reaksi inti
Bila
energi neutron sudah sangat rendah atau sering disebut sebagai neutron termal (En < 0,025 eV),
maka kemungkinan neutron tersebut “ditangkap”
oleh inti atom bahan penyerap akan dominan sehingga membentuk inti atom baru, yang biasanya merupakan inti atom yang
tidak stabil. Peristiwa ini yang
disebut sebagai proses aktivasi neutron, yaitu mengubah bahan yang stabil menjadi bahan radioaktif. Peristiwa
aktivasi neutron ini juga dapat
disebabkan oleh neutron cepat meskipun dengan probabilitas kejadian yang lebih rendah.
b. Penyaluran Energi Neutron Setelah
Tumbukan
Interaksi
ini merupakan reaksi nuklir yang paling umum terjadi. Pada interaksi ini,
sebuah neutron akan diserap oleh inti atom target yang kemudian membentuk inti
atom majemuk dalam keadaan eksitasi. Inti majemuk ini kemudian akan memancarkan
radiasi gamma dan kembali ke keadaan dasarnya (ground state). Pada reaksi ini
inti atom yang dihasilkan merupakan isotop dari inti atom target, dan ada
kenaikan nomor massa sebesar satu.
Salah satu interaksi neutron yang paling penting adalah
reaksi fisi yang berlangsung di dalam reaktor. Pada reaksi ini, inti atom yang
menyerap neutron akan menjadi sangat tidak stabil sehingga membelah menjadi dua
inti baru sambil melepaskan sejumlah besar energi.
DAFTAR
PUSTAKA
Burcham, W.E.,
Nuclear Physics. New York : Mc Graw-Hill, 1963,Part D.
Foderaro,
A., The Elements of Neutron Interaction Theory. Cambridge, Mass: MIT Press, 1971.
