INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI

1. Interaksi partikel radiasi bermuatan (radiasi Alpha dan Beta ) dengan materi

Termasuk dalam kelompok ini adalah partikel radiasi Alpha dan radiasi Beta, karena radiasi Alpha yang tak lain adalah inti helium, yaitu 2H4 yang bermuatan positif, dan radiasi Beta yang merupakan elektron dan positron yang bermuatan negatif dan positif. Oleh karena radiasi Alpha dan radiasi Beta termasuk dalam kelompok radiasi bermuatan maka interaksinya dengan materi akan menimbulkan efek : 1. Ionisasi2. Eksitasi3. AbsorbsiA. IonisasiIonisasi adalah proses fisik yang mengubah suatu atom atau molekul menjadi ion melalui penambahan atau pelepasan elektron dari atom atau molekul tersebut. Pada peristiwa ionisasi molekul ataupun atom yang semula tidak bermuatan listrik dipaksa menjadi bermuatan listrik. Peristiwa ionisasai dapat digambarkan melalui salah satu mekanisme berikut,

Gambar 1 : Proses terjadinya ionisasi

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 1 dimana partikel menumbuk suatu atom. Dalam Gambar 1 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 (Wardana, 2007).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 (Wardana, 2007). 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.

B. EksitasiSalah 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).

Gambar 2: Sebuah elektron melompat dari keadaan n1 ke keadaan n2, dan memancarkan sebuah foton.

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, seperti Gambar 2, maka terpancar sebuah foton dengan energi h = 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 (Wardana, 2007).C. AbsorbsiPeristiwa absorbsi adalah peristiwa terserapnya partikel radiasi oleh suatu bahan yang terkena radiasi. Pada peristiwa absorbsi ini ada radiasi yang terserap seluruhnya oleh materi, ada yang hanya sebagian terserap oleh materi dan sisanya ada yang diteruskan keluar dari materi. Akibat peristiwa absorbsi radiasi oleh suatu bahan (materi), bahan akan menjadi panas sesuai dengan energi radiasi yang ditransfer ke atom-atom bahan.Partikel radiasi yang bermassa besar akan lebih mudah terabsorbsi daripada prtikel yang bermassa kecil. Hal ini mudah dipahami karena massa yang besar relatif gerak kinetisnya lebih lamban daripada massa yang kecil. Selain daripada itu, muatan yang dibawa partikel radiasi juga berpengaruh pada peristiwa absorbsi. Partikel radiasi yang bermuatan positif akan lebih mudah tertangkap oleh elektron-elektron bahan. Dengan kata lain partikel radiasi yang bermuatan positif akan lebih mudah diabsorbsi oleh materi.Berdasarkan uraian tersebut di atas dapat ditarik kesimpulan bahwa pada interaksi radiasi dengan materi, radiasi alpha lebih mudah diabsorbsi daripada radiasi beta. Dengan dasar pengertian ini maka radiasi alpha dapat ditahan oleh kertas sedangkan radiasi beta baru bisa ditahan oleh papan kayu yang tebal. Kenyataan ini sesuai dengan harga koefisien absorbsi linear kayu yang memang lebih tinggi daripada koefisien absorbsi linear kertas. Bila dikaitkan dengan koefisien absorbsi linear materi, maka proses penyerapan akan mengikuti perasamaan dealembert berikut ini :I = Ioe-tDimana dalam hal ini :I = intensitas radiasi setelah menembus bahanI0= intensitas radiasi mula-mula (sebelum terabsorbsi) = koefisien absorbsi linier bahant = tebal bahanUntuk mengetahui banyaknya radiasi yang terserap oleh suatu bahan digunakan satuan dosis serap atau Radiation Absorbed Dose yang disingkat Rad. Jadi dosis serap merupakan ukuran banyaknya energi yang diberikan oleh radiasi pengion kepada medium. Dosis serap sebesar 1 Rad sama dengan energi yang diberikan kepada bahan sebesar 1 Joule/kg (Wardana, 2007).

2. Interaksi foton () (dengan materiA. Efek FotolistrikEfek fotolistrik adalah interaksi antara foton( dengan sebuah elektron yang terikat kuat dalam atom yaitu elektron pada kulit bagian dalam suatu atom, biasanya kulit K atau L. Foton (akan menumbuk elektron tersebut dan karena elektron itu terikat kuat maka elektron akan menyerap seluruh tenaga foton(. Sebagai akibatnya elektron akan dipancarkan keluar dari atom dengan tenaga gerak sebesar selisih tenaga foton dan tenaga ikat elektron (Knoll, 2000), yaitu Ek = h - EbDengan E adalah energi foton((eV), Ek adalah energi kinetik elektron (eV), Eb adalah energi ikat elektron (eV), h adalah konstanta Planck (6,63 x 10-34 J.s) dan vadalah frekuensi gelombang elektromagnetik yang diserap atau yang dipancarkan elektron (Hz). Efek fotolistrik secara skematis dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 3. : Mekanisme terjadinya efek fotolistrik

B. Hamburan ComptonHamburan Compton terjadi antara foton dan sebuah elektron bebas yangterdapat pada kulit terluar sebuah atom. Apabila foton menumbuk elektron tersebut maka berdasarkan hukum kekekalan momentum tidak mungkin elektron akan dapat menyerap seluruh energi foton seperti pada efek fotolistrik. Foton akan menyerahkan sebagian energinya kepada elektron dan kemudian terhambur sebesar sudut terhadap arah gerak foton datang yang digambarkan sebagai berikut .

Gambar 4: Mekanisme terjadinya hamburan compton

Besar panjang gelombang f yang terhambur dapat dihitung dengan rumus :f- i = [h/mec2][1-cos)

Kuantitas h/mec biasanya disebut panjang gelombang compton, nilainya untuk sebuah elektron adalah 0,0234 (Gautreau & Savin,1999). Perhatikan bahwa perubahan panjang gelombang ini bergantung hanya pada sudut hamburan dan tidak bergantung pada energi foton datang.

C. Produksi pasanganProduksi 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.

Gambar 5: Proses terjadinya produksi pasangan

Ketika muatan suatu sistem bernilai awal nol, maka dua partikel yang berlawanan muatannya harus diciptakan guna mengkonversi muatan. Untuk menggabungkan sebuah pasangan, foton datang harus memiliki energi yang setidaknya setara dengan energi diam pasangan tersebut, dan setiap kelebihan energi foton akan muncul sebagai energi kinetik partikel.Produksi pasangan tidak dapat terjadi di ruang hampa. Oleh karenanya terlihat kehadiran nukleus berat pada gambar diatas. Nukleus membawa sejumlah momentum foton datang, tapi karena massanya yang besar, energi kinetik lompatannya, Kp2/2M0, biasanya diabaikan terhadap energi-energi kinetik pasangan elektron-positron. Dengan demikian, kekekalan energi dapat diterapkan dengan mengabaikan nukleus berat, sehingga menghasilkan h = m+c2 + m-c2 = K+ + K- + 2moc2karena positron dan elektron memiliki massa diam yang sama, m0 = 9,11x10-31 kg.Kebalikan proses produksi pasangan juga dapat terjadi yang dinamakan pemisahan pasangan (Gambar 6).

Gambar 6: Proses terjadinya pemisahan pasangan

Peristiwa pemisahan pasangan terjadi bila positron berdekatan dengan elektron dan keduanya saling mendekati di bawah pengaruh gaya tarik menarik dari muatan yang berlawanan. Kedua partikel tersebut musnah pada saat yang sama dan massa yang musnah tersebut menjadi energi dan foton sinar gamma yang tercipta (Beiser, 1990).Sedikitnya dua foton harus dihasilkan untuk memenuhi kekekalan energi dan momentum. Adapun persamaan yang dapat diperoleh sebagai berikut :Eawal = Eakhir atau 2moc2 + K+ + K- = h1+ h2pawal = pakhir atau m+v+ + m-v- = (h/2)k1 + (h/2)k2dengan k adalah vektor perambatan foton, |k|=2/.Berlawanan dengan produksi pasangan, ternyata pemisahan pasangan dapat dilakukan di ruang hampa dan prinsip-prinsip energi dan momentum dapat diterapkan (Gautreau & Savin,1999)D. Emisi SekunderEmisi sekunder dapat juga terjadi pada efek fotolistrik karena disebabkan oleh dua hal sebagai berikut :

Pertama :Karena energinya besar elektron yang dilepaskan adalah elektron dari orbit yang lebih dalam pada unsur bernomor atom besar, maka lowongan elektron ini akan diisi oleh elektron dari orbit yang lebih luar. Apabila pelepasan elektron terjadi pada orbit K, maka transisi ini akan disertai dengan emisi foton dengan berbagai karakteristik berupa radiasi sinar-X karakteristik yang dikenal dengan radiasi fluoresensi.

Kedua:Kadang-kadang foton ini menumbuk elektron dari orbit yang lebih luar dari atom dan melepaskan elektron ini. Elektron tersebut memiliki energi kinetik yang sama dengan energi sinar-X karakteristik dikurangi dengan energi ikat elektron tersebut dalam orbitnya dalam orbitnya dan sisebut elektron Auger.Rangkuman interaksi foton dengan materi (yang utama, dari antara serangkaian interaksi yang rumit)3. Interaksi neutron dengan materiNeutron merupakan salah satu partikel pembentuk inti atom yang tidak bermuatan listrik. Neutron dapat dihasilkan dalam reaksi fisi dan reaksi-reaksi nuklir lainnya. Pada umumnya neutron bebas yang berasal dari reaksi nuklir tersebut berenergi tinggi, dengan energi lebih besar dari 0,10 MeV. Energi ini akan makin menurun selama gerakannya di dalam bahan penyerap, karena tumbukan dengan atom-atom bahan tersebut. Neutron-neutron tersebut akan menjadi neutron thermal (dengan energi sekitar 0,025 eV).Interaksi neutron dengan materi dapat terjadi dengan tiga cara :

- tumbukan elastis- tumbukan tak elastis- penangkapan- Transmutasi

Tumbukan elastis dan tak elastis antara neutron dengan atom-atom bahan penyerap menyebabkan energi neutron-cepat maupun neutron-sedang makin berkurang dan akan mencapai daerah energi neutron thermal (lambat). Neutron-lambat inilah yang berpeluang dapat ditangkap oleh inti atom bahan penyerap.

Tumbukan Elastis

Dalam tumbukan elastis antara neutron dengan atom bahan penyerap, sebagian energi kinetik neutron diberikan ke inti atom terkait dalam bentuk energi kinetik, dan berarti inti atom yang ditumbuk tersebut bergerak. Sementara itu neutron penumbuk dibelokkan/dihamburkan.Energi neutron yang dialihkan ke partikel yang ditumbuk antara lain ditentukan oleh massa dari partikel yang ditumbuk. Neutron akan kehilangan paling banyak energi kinetiknya bila bertumbukan dengan partikel yang sama atau hampir sama massanya (misalnya neutron atau proton) atau setidak-tidaknya yang massanya tidak jauh berbeda. Di dalam aplikasinya, air, beton dan parafin merupakan bahan yang baik untuk perisai terhadap radiasi neutron.

Tumbukan Tak Elastis

Interaksi yang lebih rumit adalah interaksi antara neutron-cepat atau yang berenergi sedang dengan target yang massanya jauh lebih besar dari pada neutron sendiri. Dalam hal ini neutron dapat terserap oleh inti atom target. Inti atom penyerap neutron tersebut menjadi tereksitasi. Pada saat inti atom tereksitasi tersebut kembali ke keadaan semula, terpancarlah sinar gamma. Tumbukan semacam inilah yang disebut tumbukan tak elastis. Kebolehjadian terjadinya tumbukan tak elastis ini bergantung kepada energi kinetik neutron penumbuk. Makin besar energi neutron, maka makin besar kemungkinan terjadinya tumbukan tak elastis tersebut.

Penangkapan Neutron

Neutron-cepat dan neutron-sedang yang diperlambat melalui tumbukan elastis dan tak elastis akanmenjadi neutron thermal dengan orde sekitar 0,025 eV. Neutron ini berpeluang besar untuk ditangkap oleh inti atom bahan penyerap.Inti atom baru yang dalam keadaan tereksitasi dari hasil penyerapan neutron, dengan nomor massa (A+1), dapat memancarkan sinar gamma untuk menuju ke keadaan yang lebih stabil (A = nomor massa inti atom sebelum menyerap satu neutron).Penangkapan neutron dapat juga menghasilkan reaksi-reaksi sebagai berikut :( Penangkapan neutron oleh inti atom ringan dapat menghasilkan emisi proton( Penangkapan neutron oleh inti atom boron dan lithium dapat menghasilkan emisi alpha.( Penangkapan neutron oleh inti atom berat dapat menghasilkan fisi / pembelahan inti (seperti pada uranium-235, plutonium-239, dan uranium-233). Penangkapan neutron oleh inti atom stabil dapat( menghasilkan isotop radioaktif seperti pada proses aktivasi neutron. Contoh: aktivasi neutron terhadap iridium stabil Ir-191 menghasilkan radioisotop Ir-192 (pemancar radiasi beta dan gamma), yang biasa digunakan dalam kegiatan radiografi.Kemampuan bahan penyerap untuk menangkap neutron bergantung kepada penampang lintang penangkapan (capture cross section) dari masing-masing bahan, dengan satuan barn, Cadmium, lithium dan boron merupakan penyerap neutron thermal yang baik, akan tetapi penyerapan neutron oleh inti atom cadmium dan boron diikuti oleh radiasi gamma yang harus diperhitungkan pada desain pembuatan perisai radiasi.Kombinasi antara polyethylene dengan boron atau lithium merupakan perisai radiasi neutron yang baik. Atom-atom hidrogen di dalam polyethlene memperlambat neutron, yang selanjutnya mudah ditangkap oleh inti atom boron atau lithium. Partikel alpha yang terbentuk akibat reaksi neutron dengan inti atom boron atau lithium ini cepat teratenuasi (menurun intensitasnya), sehingga bahaya yang ada tinggal dari sinar gamma dengan energi 0,48 MeV yang berasal dari interaksi boron serta kemungkinan sinar gamma dengan energi 2,26 MeV yang merupakan hasil apabila terjadi interaksi antara hidrogen dengan neutron yang terserap. Penyerapan neutron thermal oleh hidrogen tidak lazim, karena penampang lintangnya (cross section) relatif kecil.

TransmutasiBila energi neutron sudah sangat rendah (atau biasa disebut sebagai neutron termal, En < 0,025 eV), maka ada kemungkinan neutron tersebut akan ditangkap oleh inti atom bahan penyerap sehingga akan terbentuk inti atom baru karena penambahan neutron. Inti atom yang terbentuk ini umumnya tidak stabil (radioaktif) yang memancarkan radiasi (alpha, beta atau gamma). Peristiwa ini disebut sebagai aktivasi neutron, yaitu suatu proses yang dilakukan untuk mengubah bahan/materi yang tadinya bersifat stabil menajdi bahan/materi yang radioaktif.

Isotop B10dari unsur Boron merupakan inti atom yang stabil. Ketika sebuah neutron termal mengenai isotop ini, maka akan terjadi proses aktivasi yang akan mengubah B10menjadi radioisotop (B11)* yang tidak stabil. Inti ini kemudian dengan cepat berubah menjadi Li7yang stabil sambil memancarkan radiasi alpha.

Selain oleh neutron, proses reaksi inti seperti ini juga dapat disebabkan oleh partikel bermuatan seperti proton, tetapi dengan energi yang sangat tinggi. Proses aktivasi ini biasanya dimanfaatkan untuk memproduksi radioisotop.