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 peluruhan alfa

A.   LATAR BELAKANGJika jumlah proton lebih besar dari jumlah netron (N < P), maka gaya elektrostatis akan lebih besar dari 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 bernomor 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.

(Batan.go.id – Radiasi Alpha α )

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 alpha diatur oleh gaya nuklir kuat.(Wikipedia.com – peluruhan Alfa).

Untuk lebih memahami tentang alpha yang erat kaitannya dengan peristiwa radioaktivitas. Berikut akan dikaji tentang peluruhan alpha dengan lebih mendalam.

B.    PERUMUSAN MASALAH    

METODOLOGI PEMBAHASANPartikel 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

sebuah partikel yang identik dengan inti Helium (2He4).

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 radioaktifdimana sebuah inti

atom berat tidak stabil melepaskan sebuahpartikel 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. 92U238 --> 90Th234 + α

2. 88Ra222 -->86Rn218 + α

1. Energi partikel alfa paling rendah 7,5 MeV diperlukan untuk penetrasi lapisan pelindung

nominal pada kulit

(7 mg/cm2 atau 0,07 mm).

2. Jangkauan partikel alfa di udara 1 atm

Ra = 0,56 E (E <>

Ra = 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

mg/cm2 ketebalan jendela. Oleh karena itu detektor yang mempunyai jendela dengan tebal 3

mg/cm2(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

6. Energi partikel alfa turun 0,8 MeV per mg/cm2 ketebalan kerapatan pada material

penganetuasi.

7. HVT (Half Value Thickness) = Ketebalan yang meyebabkan energi alpha tinggal setengahnya.

Sifat Radiasi Alphaa. 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 ALPHAPeluruhan 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

inti berat sebesar 1022 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 Dengan Waktu ParoIsotop

αK (MeV) 2/1t λ (1/s)

4,01 1,4 x 1010 thn 1,6 x 10-18

U238 4,19 4,5 x 109 thn 4,9 x 10-18

Th230 4,69 8,0 x 104 thn 2,8 x 10-13

Pu238 5,50 88 thn 2,5 x 10-10

U230 5,89 20,8 hari 3,9 x 10-7

Rn220 6,29 56 s 1,2 x 10-2

Ac222 7,01 5 s 0,14Rn216 8,05 45 sμ 1,5 x 104

Po212 8,78 0,3 sμ 2,3 x 106

Karakteristik Partikel Alpha1. Daya Jangkau Partikel Alpha

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, jangkauannya di udara hanya  beberapa cm. Sedangkan dalam bahan hanya beberapa mikron.

Partikel alpha yang dipancarkan oleh sumber radioaktif memiliki energi tunggal (mono-energetic). 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.      Peluruhan 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 sekurang-kurangnya, 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) 

Unsur 11Na22 merupakan salah satu unsur radioaktif yang memancarkan radiasi beta pada proses peluruhannya menjadi inti 10Ne22. Pada proses peluruhan beta ini, dihasilkan suatu partikel beta positif (+1β0) atau disebut sebagai positron (e+). Reaksi peluruhan yang terjadi adalah :

11Na22              10Ne22 + +1β0 + 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%.            Selain 11Na22, unsur lainnya yang juga menghasilkan partikel beta dalam proses peluruhan adalah 38Sr90. Reaksi peluruhannya adalah sebagai berikut :

38Sr90                39Y90 + -1β0 +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.      Peluruhan gamma (γ)

Sinar gamma (ɤ) 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.