REAKSI NUKLIR

Notasi Bethe

Reaksi Nuklir adalah transformasi dari suatu atom target yang diakibatkan bombardir dari suatu projektil ringan berenergi tinggi.

Projektil ini biasanya adalah suatu inti ringan, netron atau foton yg memiliki energi yang cukup.

Persamaan reaksi kimia dari suatu reaksi nuklir biasanya dinyatakan sebagai berikut”

31 2 4

1 2 3 4

AA A AZ Z Z ZX a b Y+ ® +

Akan berlangsung konservasi dari dari Z

Secara ringkas reaksi nuklir dapat ditulis dengan menggunakan notasi Bethe berikut,

1 2( , )A AX a b Y

dengan

o X adalah nuklida target

o Y adalah nuklida hasil.

o a adalah projektil

o b adalah ejektil

Contoh:

24 22

35 35

23 24

63 24

( , )( , )( , )( , 3 9 )

Mg d NaCl n p SNa n NaCu p p n Na

a

ga

Reaksi nuklir disebut berdasarkan (a,b)-nya. Sehingga pada Rx diatas reaksi tersebut disebut reaksi ( , )d a pada Mg, reaksi (n,p) pada Cl dst.

. Pe

rsonal U

se O

nly .

JENIS REAKSI NUKLIR

Penamaan reaksi nuklir umumnya di identifikasi berdasarkan (a,b) dari reaksi nuklirnya. Sehingga contoh pertama diatas adalah reaksi type (n,α) pada 24Mg.

Berdasarkan jenis (a,b) maka reaksi nuklir dibagi menurut kelompok berikut:

Hamburan Elastis

Pada jenis ini a=b dan X=Y, Contoh 9 9( , )Be n n Be .

Pada jenis ini partikel penembak datang menumbuk inti target, dalam prosesnya sebagian dari energi partikel yang datang akan hilang. Tidak ada perubahandalam jumlah energi potensial dan kinetik.

Besarnya energi yang di transfer kepada target adalah,2

2

4 sin / 2

( )M m

mME E

m M

q=

+

Dengan

o Em adalah energi kinetik awal dari partikel yang ditumbuk.

o EM adalah energi kinetik yg akhir diperoleh oleh inti target dengan massa M dan θ adalah merupakan sudut antara arah datang dan keluar.

Hukum kekekalan energi berlaku sehingga

'm M mE E E= +

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Contoh turunnya energi dari “netron cepat” dalam suatu reaktor nuklir mengikuti mekanisme ini.

Hamburan Tidak Elastis

Hamburan tidak elastis terjadi apabila sebagian energi kinetik dari projektil digunakan untuk menaikkan energi potensial dari inti target.

Pada reaksi nuklir yang mengalami hamburan tidak elastis tidak terjadi kekekalan energi.

Contoh reaksi107107 107

44.3( , ') ITm

sAg n n Ag Ag¾¾¾®

Pada reaksi tersebut netron cepat yang memiliki energitinggi akan mengeksitasi inti target Ag ke keadaan metastabil.

Reaksi Photo Nuklir

Reaksi foto nuklir adalah reaksi nuklir yang di induksioleh sinar-X atau γ foton yang memiliki energi tinggi (> 1 MeV). Reaksi ini dikenal sebagai reaksi fotonuklir.

Pada jenis reaksi ini a = γ dan b = n atau p. Dalam keadaan tertentu bila energy γ sangat tinggi, adalah mungkin b menjadi d, t, atau γ, atau campurannya.

Contoh:9 8

2 1

( , ) 2( , )

Be n BeH n H

g ag

®

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Penangkapan radiatif

Pada jenis ini penangkapan partikel penembak/projektil akan menyebabkan terjadi emisi γ.

Reaksi yang umum terjadi adalah (n, γ), pada reaksi jenis ini isotop hasil reaksi memiliki massa yang satu unit lebih tinggi.

Contoh:23 24

31 32

179 180

( , )( , )

( , )

Na n NaP n PAu n Au

ggg

Dapat juga terjadi reaksi (p, γ)

Contoh19 20

27 28

( , )( , )

F p NeAl p Si

gg

Jenis reaksi nuklir lainnya.

Jenis reaksi nuklir lainnya a.l :( , ); ( , ); ( , ); ( , ); ( , ); ( , )n p n n d p d n ta a a .

Jenis reaksi nuklir khusus lainnya.

Jenis reaksi khusus ini terjadi pada reaksi yang melibatkan projektil dengan energi yang tinggi dan biasanya target menjadi ’terbelah’, menghasilkkan beberapa produk.

Reaksi reaksi ini terbagi menjadi :

Evaporasi.: beberapa inti ringan keluar dari inti target.

133 133

27 24

( , 4 )( , )

Cs n LaAl d p Na

aa

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Spalasi : Energi yang terlibat jauh lebih besar daripadareaksi evaporasi, juga keluar beberapa projektil, inti ‘anak’ beratnya jauh lebih rendah dari inti induknya.

63 24

79 44

( , 3 9 ) ( 70 )

( , 7 7 ) ( 180 )p

p

Cu p p n Na E MeV

Br p p n Sc E MeV

aa

³

³

Fisi235 236 * 137 97 2U n U Te Zr n+ ® ® + +

FragmentasiPada fragmentasi, suatu inti tereksitasi dengan besar (0.5 GeV) pecah menjadi 2 buah inti (1 berat dan 1 ringan) dan memiliki N/Z yang sama dengan induknya.

Reaksi strippingPada reaksi stripping, inti target tidak bereaksi dengan ‘seluruh’ projektil, tetapi hanya dengan bagian dari projektil tersebut.

63 64( )Cu d n p Cu p+ = + ® +

Dengan 125 MeV 14N6+ yang digunakan sebagai

projektil dan berperilaku seakan-akan ‘stripped’ menjadi n + p + 3α dalam medan Coulomb dari inti target. Bila inti yang digunakan sebagai target adalah :27Al

2827

3127

35227

39327

pAl Si

Al P

Al Cl

Al K

a

a

a

+

+

+

+

¾¾®

¾¾®

¾¾®

¾¾®

. Pe

rsonal U

se O

nly .

KEKEKALAN PADA REAKSI NUKLIR

Kekekalan yang harus berlaku :

Nuclear Charge (jumlah proton dan netron)

Momentum linear dan angular

Energi

Kekekalan Jumlah Proton dan Netron.

Pada semua reaksi nuklir yang melibatkan energi rendah, jumlah proton (Z) dan netron (N), akan selalu tetap. Sehingga A akan selalu sama sebelum dan sesudah reaksi.

24 22( , )13

12, 1; 11, 2

13

12, 1; 11, 2

perekasi hasil reaksi

Mg d Na

perekasi hasil reaksi

Mg d Na

Mg d NaZ Z

Z Z Z Z

N N

N N N N

a

a

aS = S =

= = = =S = S =

= = = =

Pada reaksi nuklir yang melibatkan b , kekekalan akanbersifat khusus, karena akan terbentuk p

63 63( , )( 30) ( 29)

( 34) ( 35)

( 64) ( 64)

pereaksi hasilreaksi

pereaksi hasilreaksi

pereaksi hasilreaksi

Cu p p NiZ Z

N Z

A Z

p +

S = ¹ S =S = ¹ S =S = = S =

Kekekalan Momentum

Pada semua reaksi nuklir akan terjadi kekekalan momentum, baik kekekalan momentum linear maupunmomentum sudut.

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Momentum linear sebelum dan sesudah reaksi nuklir akan selalu sama:

( )mv m M V= +

Denganm

V vm M

=+

Akibat tumbukkan yang terjadi, akan terdapat 3 buah lintasan yaitu (a) lintasan dari partikel penumbuk(a-X), (b) lintasan dari partikel yang di pancarkan (X-b), (c) lintasan dari sisa inti hasil tumbukkan (X-Y). ketiga lintasan ini harus koplanar.

Akibat lanjut dari bentuk lintasan ini adalah: Tidak semua energi kinetik dari partikel penumbuk (projektil) tersedia untuk reaksi eksitasi inti yang akan menuju reaksi nuklir bagi inti yang ditumbuk. Hanya sebagian dari dari inti yang akan memiliki energi cukup tinggi untuk mengalami reaksi nuklir.

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Karena inti majemuk (X+a) akan memiliki kecepatan V, maka energi kinetik dari inti majemuk adalah,

2

2

2

1/ 2( )

1/ 2( )

1/ 2( )

( )

r

a

Ek m M V

mvm M

m Mm

mvm M

mEk

m M

= +

æ ö= + ç ÷+è ø

= ×+

=+

Akibatnya besarnya energi kinetik yang dapat digunakan untuk mengeksitasi inti target adalah,

( )a r a

MEk Ek Ek

m M- =

+

a

MEk

m M+ sering disebut sebagai energi kinetik dari projektil dan target dari CMS (center of mass system). Energi ini lah yang tersedia untuk berlangsungnya reaksi nuklir.

Kekekalan Momentum Sudut

Pada semua reaksi nuklir juga akan terjadi kekekalan momentum sudut.

Jika momentum sudut orbital dari partikel penumbuk adalah jumlah l dan s, maka total momentum sudut

I l s= ± Suatu partikel yang memiliki momentum sebesar p

dan tidak berputar akan mempunyai panjang gelombang tertentu sebesar λ.

Momentum sudut yang di transfer pada inti target tergantung pada parameter tumbukkan. Parameter

. Pe

rsonal U

se O

nly .

tumbukkan adalah jarak titik tumbukkan dari pusat intiyang ditumbuk.

Bila tumbukkan terjadi secara head-on, yaitu antara 0 < r < λ, maka partikel akan dipantulkan pada sudut yang mendekati 0. Bila tumbukkan terjadi di titik lebihjauh dari λ, maka tumbukkan ini akan mengakibatkan gerakkan berputar inti yang di tumbuk, yang kemudianakan menimbulkan momentum sudut dari inti.

Kaitannya titik tumbukkan dengan besarnya momentum sudut terlihat pada Gambar berikut.

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Penampang lintang tumbukkan momentum sudut diberikan oleh hubungan (lihat tabel 5.1 p155)

Zona Partial wave

Parameter tumbukkan

Zona Penampang lintang

0 (pusat) S (l=0)

1 λ

πλ

1 P (l=1) 2 λ 3πλ

2 D (l=2) 3 λ 5πλ

l l (l+1) λ (2l+1) πλ

( ) ( )22 2 21 2 1l l lpl plé ù+ - = +ë û

Kekekalan Energi

Pada semua reaksi nuklir, juga akan terjadi energi total(jumlah energi kinetik dan potensial)

Pada reaksi

akan terdapat kekekalan energi total( )931 ( )931( )931atau

931

X a a b Y b Y

X a b Y b Y a

X a b Y

m m E m m E Em m m m E E E Q

Q m

+ ® +

+ + = + + ++ - - = + - =

= D

Pada reaksi yang eksoenergik, reaksi nuklir harus melewati batas ambang energi minimum., Besarnya

. Pe

rsonal U

se O

nly .

adalah Q. Sehingga suatu reaksi nuklir akan terjadi bila,

0

sehingga batas ambang reaksi kimia adalah,

1

a

ME Q

m M

mE Q

M

æ ö ³ç ÷+è ø

æ ö³ +ç ÷è ø

Misal ada deteron dipercepat sehingga memiliki energisebesar 8 MeV menumbuk sebuah inti magnesium sehingga terjadi reaksi 24Mg(d,α)22Na, maka energi efektif yang diterima Na (24/(2+24)) * 8 = 7.8 MeV

Energi ambang reaksi nuklir

Bagi suatu reaksi yang bersifat eksoenergik, sering sekali tidak terdapat batas energi ambang agar suatu reaksi nuklir dapat berlangsung.

Untuk suatu reaksi yang endoergik, batas energi ambang harus lebih kecil dari –Q (yaitu massa yang diciptakan).

Untuk suatu projektil yang memiliki energi kinetik tertentu maka batas ambang reaksi ini adalah reaksi dapat berlangsung bila a

ME Q

m Mæ ö ³ç ÷+è ø atau dengan kata

lain batas energi ambang dari projektil adalah :0 1

mE Q

Mæ ö³ +ç ÷è ø

PENAMPANG LINTANG REAKSI

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Sifat/parameter yang sangat penting dalam suatu reaksi nuklir adalah penampang lintang reaksi, σi, dengan satuan barns.

Penampang lintang reaksi adalah probabilitas banyaknya reaksi yang terjadi pada satu cm persegi per detik dengan kerapatan partikel dan target tertentu.

Penampang lintang dan laju reaksi

Penampang lintang reaksi diperoleh melalui percobaan.

Seandainya ada lapis tipis target yang didalamnya terdapat sejumlah N0 inti per satu satuan luas, dan berkasenergi partikel dengan n partkel melewatinya. Dan kecepatan partikel penumbuk adalah v cm s-1. Besarnya laju tumbukkan antara projektil dan target adalaj

02 1

0

Collosion rate nvN

N cm ssf - -

»=

Dengan σ merupakan penampang lintang reaksi.2 2

22 1 2

0

(dalam cm )collosion cm s

cm s N cms

f

- --

- - -=

Geometri dan reaksi penampang lintang.

Untuk netron mengikuti hukum 1/v

Gambar a) 10B(n,α)7Li, yang b dan c untuk reaksi (n,γ) dari (b) Ag (c) Zr

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Puncak terjadi karena terjadi efek resonansi.

TEORI INTI MAJEMUK

Bohr pada tahun 1936, bohr mengusulkan sebuah teoripada reaksi nuklir, teori ini di kenal sebagai Teori Inti majemuk.

Teori ini didasarkan bahwa pada suatu reaksi nuklir akan terbentuk suatu produk sementara yang dikenal sebagai inti majemuk.

1 2 1 2

1 2 1 2

*A A A AZ Z Z ZX a C+

++ ®

Inti majemuk ini akan berada dalam keadaan tereksitasi.

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Energi yang berlebih/energi yang berasal dari projektilakan didistribusikan secara merata pada seluruh bagian dari inti majemuk tersebut. Waktu yang diperlukan untuk proses distribusi ini adalah sama dengan waktu yang diperlukan oleh partikel dengan kecepatgan v untuk bergerak sejauh diameter dari inti yang ditembakkan.

Reaksi keseluhan X(a,b)Y, terjadi sebagai reaksi 2tahap. Yaitu reaksi pembentukkan inti majemuk dan reaksi peluruhan inti majemuk tersebut.

Inti majemuk memiliki waktu hidup yang relatif panjang. Dan memiliki beberapa karakteristik:

o Inti majemuk yang berjenis sama dapat terbentuk melalui beberapa cara/dapat diperoleh dari lebih 1 macam reaksi.

o Karena waktu hidupnya yang relatif panjang, inti majemuk ‘tidak ingat’ akan asal-usulnya.

o Proses peluruhan/pemencahan inti majemuk tidakbergantung pada asal-usul dari inti majemuk tersebut, dan Inti majemuk ini juga dapat meluruhlebih dari 1 macam bergantung pada besarnya energi eksitasinya.

o Proses peluruhan berlangsung secara isotropik dan tidak tergantung pada arah dari partikel penumbuk.

Contoh proses terbentuknya inti majemuk dan peluruhannya.

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Hasil Study S. N Ghosnal63

6064 * 62

6362

2

n ZnNi

Zn n ZnCu p

p n Cu

a+

+® ® +

++ +

Hasil studi Alexander dan Simonof139 16

140 15 155 * 149

144 11

6

La O

Ce N Tb n Tb

Nd B

++ ® ® ++

Hasil Studi Di Saclay58 20

79 * 78

63 16

Co NeRb p Kr

Cu O

+® ® +

+

KEADAAN EKSITASI DARI INTI MAJEMUK

Jumlah total energi eksitasi yang dimiliki oleh inti majemuk adalah jumlah total dari energi kinetik ditambah energi ikat yang didapat saat terbentuknya inti majemuk tersebut. (lihat contoh p 161)

Distribusi energi eksitasi ini dilakukan secaran randomantar semua komponen (jumlah total proton dan netron) yang terdapat pada inti majemuk ini.

Proses de-eksitasi dari energi yang berlebih ini berlangsung dedan beberapa cara.

Inti majemuk dapat berada pada keadaan ‘bound level’atau ‘virtual level’. De-eksitasi dari ‘bound level’ akanmenghasilkan emisi photon. Sedangkan de-eksitasi dari ‘virtual level’ akan mengkasikan emisi partikel yang disertai dengan n, p, atau 2n,d, α dll.

. Pe

rsonal U

se O

nly .

Beberapa reaksi nuklir yang spesifik.

Reaksi inti dengan netron

1. netron berenergi rendah E<1 keV, inti target adalah inti yang memiliki massa menengah 25<A<80, (n,n);(n,gamma), (n,r)

2. netron berenergi menengah (1<E<500 keV), (n,n), (n,gamma), (n,r), inti target A>25.

3. netron energi tinggi (0.5 ,E< 10 MeV0 (n,n);(n,alpha), ((n,proton)

4. netron berenergi sangat tinggi e>10 Mev)

Reaksi dengan proton,

5. proton berenergi menengah 1<E<500 keV, inti target adalah inti yang memiliki massa menengah 25<A<80,(p,n);(p,gamma), (p,alpha); (p,r)nukleda massa tinggi (A>80) reaksi tidak terjadi, karena tidak cukup energi.

6. proton berenergi tinggi (0.5<E<10MeV)target massa menengah (25<A<80) (p,n), (p,p, (p,alpha);(p,r)target massa tinggi (Z>80) (p,n);(p,p) dam (p,gamma)

7. proton berenergi sangat tinggi (E> 10 MeV) (p,2n);(p,n) (p,p)

. Pe

rsonal U

se O

nly .