radioaktivitas
DESCRIPTION
by komang suardikaTRANSCRIPT
RADIOAKTIVITAS
OLEH :
Komang Suardika (0913021034)
JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA
FAKULTAS MIPA
UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA
SINGARAJA
2011
1
1. Pengertian dan Penemuan Radioaktivitas
Radioaktivitas merupakan suatu fenomena dimana suatu bahan mampu
memancarkan radiasi. Unsur radioaktif merupakan suatu unsur atau bahan yang
mampu memancarkan radiasi dan tidak dipengaruhi oleh perubahan fisika dan
kimia. Adapun perubahan fisika seperti perubahan tekanan, temperature dan
volume maupun bentuk unsur tersebut sedangkan perubahan kimia seperti
perubahan susunan molekul-molekul atomnya. Adapun ciri-ciri radiasi yaitu:
(1) memiliki daya tembus kuat,
(2) dapat mengionisasi, dan
(3) menunjukkan gejala apabila dilewatkan pada medan magnet dan
listrik.
2. Jenis-jenis Sinar Radioaktif
Dari hasil penelitian diperoleh ciri-ciri sinar radioaktif yaitu sebagai
berikut.
a.Daya tembus sangat kuat
b. Dapat mengionisasi gas-gas yang berbeda
c.Kelakuan atau sifat di bawah pengaruh medan magnet dan medan listrik
Sebuah percobaan sederhana dilakukan oleh Curie untuk mengecek
keberadaan tiga jenis sinar radiasi yang dipancarkan oleh bahan radioaktif seperti
ditunjukkan pada gambar (1).
(1) komponen sinar yang dibelokkan ke kanan adalah bermuatan positif
merupakan partikel α,
(2) komponen sinar yang dibelokkan ke kiri adalah bermuatan negatif
merupakan partikel β, dan
(3) komponen sinar yang tidak dibelokkan adalah tidak bermuatan
merupakan partikel γ.
2
Gambar (1)
.
α
γ
β
Kotak timbal
B (medan magnetik keluar bidang)
Plat foto
Radium
Adapun sifat-sifat ketiga sinar radioaktif tersebut adalah sebagai berikut.
a. Partikel alfa (α), adapun sifat-sifat partikel alfa adalah sebagai berikut.
Daya tembus lemah yaitu hanya bisa menembus selembar kertas.
Daya ionisasi tinggi
Mengalami pembelokkan pada medan listrik dan medan magnet.
Rasio muatan per massanya (e/m) dua kali e/m muatan hidrogen.
e/m partikel alfa : 4823 emu/gm
e/m partikel hidrogen : 9650 emu/gm
e/m diperoleh dari hasil ekperimen dengan metode defleksi ion positif
oleh medan magnet dan medan listrik (metode untuk menentukan besar
e/m)
Mampu menyebabkan memendarnya/berpijarnya suatu bahan, karena
adanya tumbukan partikel alfa terhadap layar flourensi. Kecepatan
partikel alfa antara 1,4 x 109 cm/sec sampai 2,2 x 109 cm/sec.
b. Partikel Betha (β)
Daya tembusnya 100 kali lebih kuat dari partikel α
Daya ionisasinya lebih kecil dari partikel α
Mengalami pembelokan oleh medan magnetik dan medan listrik yang
mana besar sudut belok untuk partikel β lebih besar dari partikel α sebab
massa partikel β lebih kecil dari partikel α.
Rasio muatan permassanya adalah (e/m) sebanding dengan 1,77 x 107
amu/gm.
Memiliki kemampuan atau daya memendarkan atau memijarkan suatu
bahan yang sangat bagus dan warnanya tergantung dari bahan
flourensasinya.
Partikel β memiliki kecepatan sebesar 0,99 c.
c. Partikel Gamma (γ)
Daya tembusnya paling besar yaitu sebesar 100 kali partikel β
Memiliki daya ionisasi sangat lemah
Tidak dapat dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet sebab
partikel γ tidak bermuatan.
3
Sinar γ merupakan gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang
gelombang antara 1,7 x 10-10 cm sampai 4,1 x 10-8 cm.
Kecepatan sinar gamma (γ) sama dengan kecepatan cahaya sehingga
energinya paling besar.
Daya tembus sinar alfa, beta dan gamma pada bahan
Dalam bentuk tabel perbedaan ketiga sinar radioaktif tersebut dapat disajikan
sebagai berikut.
Tabel 1. Sifat-sifat sinar α, β, dan γ
Jenis Identik dengan MuatanKelajuan sampai dengan
Diserap olehDalam medan magnetik dan
listrik
Sinar α inti Helium+ 2e
selembar kertas
dibelokkan
Sinar β Elektron kecepatan tinggi -1e
selembar aluminium setebal 3 mm
dibelokkan dengan kuat
Sinar γ Radiasi elektromagnetik frekuensi tinggi
0 cselembar timbal setebal 3 cm
tidak dibelokkan
3. Peluruhan Radioaktif
Peluruhan radioaktif. adalah suatu proses dimana inti mengemisikan atau
memancarkan partikel α dan β, sinar γ dan partikel lainnya atau suatu proses
dimana inti menangkap elektron dari kulit terluarnya disebut peluruhan
radioaktif. Dalam satu gram zat radioaktif terdapat miliaran atom radioaktif.
Atom-atom tersebut akan memancarkan sinar radioaktif (α, β, atau γ) untuk
menjadi inti stabil maupun inti yang baru yang belum stabil.
1. Hukum Peluruhan Radioaktif
Laju peluruhan radioaktif dalam suatu bahan radioaktif disebut aktivitas
(dilambangkan dengan huruf A). Aktivitas hanya ditentukan oleh banyaknya
4
β
α
γ
papan aluminium timbal
inti yang meluruh per sekon. Jika peluang tiap inti untuk meluruh disebut
tetapan peluruhan (Lambang λ), maka aktivitas bahan bergantung pada
banyaknya inti radioaktif alam bahan (N) dan tetapan peluruhan (λ). Secara
matematis dapat ditulis menjadi:
Tetapan peluruhan λ memiliki harga berbeda untuk inti yang berbeda tetapi
konstan terhadap waktu. ”Aktivitas A didefinisikan sebagai laju peluruhan
sejumlah inti radioaktif terhadap waktu”. Makin banyak inti yang meluruh
per satuan waktu, makin besar A. Sehingga dapat dinyatakan bahwa:
tanda negatif menyatakan bahwa N berkurang terhadap bertambahnya
waktu. Berdasarkan persamaan (1) dan (2) didapatkan:
persamaan (3) dapat diintegralkan secara langsung dalam bentuk integral
tentu dengan batas N dari No → N dan t dari 0 → t, maka didapatkan:
Sehingga hukum peluruhan radioaktif dapat dirumuskan …..(5)
dengan: No = banyak inti radioaktif awal atau saat t = 0
5
N = banyaknya inti radioaktif setelah selang waktu t
e = bilangan natural = 2, 718......
λ = tetapan peluruhan (s-1)
Persamaan (5) menyatakan bahwa banyaknya inti induk berkurang secara
eksponensial terhadap waktu, yang mana persamaan tersebut disebut
hukum peluruhan radioaktif.
2. Waktu Paro
Waktu paro dari suatu unsur radioaktif adalah selang waktu yang
dibutuhkan agar aktivitas radiasi berkurang setengah dari aktivitas semula,
(dilambangkan t½). Hubungan antara konstan peluruhan λ dan umur paro t1 / 2
dapat ditentukan dengan mudah. Dan untuk waktu-paro akan berlaku, yaitu
apabila t = t1 / 2, dan aktivitas N telah menurun menjadi ½ N0. jadi,
Pada saat t = t½ maka N = ½ N0 sehingga berdasarkan persamaan (5)
diperoleh:
Oleh karena nilai ln 2 = 0,693 maka didapatkan: nilai waktu paro adalah
Karena t1 / 2 adalah waktu, maka λ adalah peluang per satuan waktu (det-1).
Selain kita dapat menghitung waktu paro dari suatu unsur radioaktif, dapat
juga ditentukan waktu hidup rata-rata (disimbolkan τ) suatu unsur
radioaktif. Waktu hidup rata-rata dari suatu unsur radioaktif dapat
ditentukan dengan menjumlahkan waktu hidup total inti dibagi dengan
jumlah total inti. Bila inti dN1 memiliki waktu hidup t1, dN2 memiliki waktu
hidup t2, dN3 memiliki waktu hidup t3, demikian seterusnya maka waktu
hidup rata-ratanya adalah:
6
Bila persamaan (6) ditulis kembali dalam bentuk integral maka diperoleh:
Substitusikan persamaan (5) ke persamaan (7) maka diperoleh:
Sehingga dieroleh …………………… (8)
Berdasarkan persamaan (8) maka dapat dinyatakan bahwa besarnya waktu
hidup rata-rata suatu unsur radioaktif berbanding terbalik dengan nilai
tetapan peluruhannya.
3. Satuan Radioaktivitas
Dalam satuan Internasional satuan aktivitas radiasi dinyatakan dalam
becquerel (disingkat Bq), sesuai dengan nama penemu radioaktivitas untuk
pertama kalinya, dimana:
Satuan yang paling sering digunakan oleh alat pengukur aktivitas radiasi
adalah curie (disingkat Ci). Satu curie didefinisikan sebagai banyaknya
peluruhan yang dilakukan oleh satu gram radium alam waktu satu sekon.
7
Berdasarkan hasil percobaan didapatkan waktu paro radium 1620 tahun
sehingga tetapan peluruhannya adalah:
Massa radium adalah 226 amu dan terdapat 6,02 x 1023 atom di dalam satu
gram atom radium, Sehingga satu gram radium mengandung:
Oleh karena itu, peluruhan rata-ratanya aalah:
Dengan menggunakan nilai t½ untuk bahan radium yang diberikan oleh
berbagai ilmuwan maka diperoleh nilai peluruhan tiap sekonnya bervariasi
ari 3,4 x 1010 sampai 3,7 x 1010 peluruhan dalam satu sekon, tetapi untuk
satu curie diambil 3,7 x 1010 , sehingga di dapat hubungan:
Satu curie merupakan satuan aktivitas yang cukup besa, sehingga di dalam
prakteknya sering igunakan satuan milicurie (mCi) dan mikrocurie (μCi)
yang mana penyetaraannya adalah sebagai berikut.
Karena masih adanya kebingungan untuk mendefinisikan satu curie maka
American National Bureau of Standards menetapkan satuan baru untuk
aktivitas radiasi yaitu rutherford (disingkat rd). satu rutherford
8
didefinisikan sama dengan 106 , adapun penyetaraannya adalah
sebagai berikut.
4. Peluruhan Radioaktif Berurutan
Peluruhan radioaktif berurutan dapat menghasilkan inti anak yang
sama dengan unsur radioaktif alami maupun buatan. Peluruhan radioaktif
berurutan dapat diibaratkan sebagai berikut: suatu inti induk dari unsur
radioaktif meluruh menghasilkan inti anak kemudian inti anak tersebut
meluruh lagi menghasilkan inti cucunya dan begitu seterusnya berlangsung
hingga dihasilkan inti anak yang stabil maupun belum stabil tergantung dari
proses peluruhan yang dialaminya. Namun yang menjadi permasalahan
adalah bagaimana dengan jumlah atom pada masing-masing inti selama
proses peluruhan berlangsung. Adapun untuk mencapai solusinya dapat
dilakukan melalui perhitungan berikut ini.
Contoh skema peluruhan:
λ menyatakan peluang kejadian per satuan waktu.
Atau diagram di atas apat digambar sebagai berikut.
Berdasarkan persamaan (2) dinyatakan bahwa:
9
N3 (stabil)N2N1λ1 λ2
N3 (stabil)
λ2
N2
λ1
N1
Gambar (2)
Dengan: dN menyatakan jumlah atom yang meluruh dalam waktu yang
sangat singkat (dt) sedangkan merupakan laju peluruhan inti.
Dari diagram yang ditunjukkan pada gambar (2), dapat dibuatkan
persamaan peluruhannya yaitu sebagai berikut.
Untuk peluruhan berurutan:
Jika pada t = 0 N1 = N10 dan N2 = N3 = 0 maka N1 bisa dicari:
dtN
dN1
1
1
CtN lnln 1
Syarat t = 0, N1 =N10:
ln N10 = 0 + ln C
C = N1
Sehingga:
tN
N
tNN
NtN
10
1
101
101
ln
lnln
lnln
teNN 1101
...................................................................................(9)
Jumlah inti induk yang meluruh: teNNN 1110110
Jumlah N2 pada saat t adalah sebagai berikut:
22112 NN
dt
dN
11222 NN
dt
dN
10
teNNdt
dN1
101222
.................................................................(10)
Kalikan persamaan (10) dengan te 2, diperoleh:
tttt eeNeNdt
dNe 2122 .10122
2
atau
tt eNeNdt
d122
1012
...............................................................(11)
Integralkan persamaan (11), diperoleh:
CeNeN tt
12210
12
12
......................................................(12)
Dimana C adalah konstanta integrasi, dengan mengalikan te 2
menghasilkan persamaan:
tt
t eCeNN 21 .1012
12
......................................................(13)
Nilai dari konstanta integrasi ditentukan dengan cacatan bahwa, apabila t = 0 dan N2 = N20 = 0, sehingga diperoleh:
1012
1 NC
Substitusi nilai C ke persamaan (12), dan membagi kedua sisi dengan te 2,
diperoleh:
tt eeNN 2110
12
12
.........................................................(14)
Dengan cara yang sama, dengan kondisi N3 = N30 = 0 pada t = 0, diperoleh:
tt eeNN 12
12
2
12
1103 1
.......................................(15)
11
Karena persamaan (9), (12), dan (15) secara lengkap menguraikan jumlah atom pada keadaan t. Penyamaan dapat dilakukan untuk keadaan khusus di mana N1 = N10, dan N20 = N30 = 0, pada t = 0. Persamaannya menjadi:
teNN 1101
.................................................................................(16.a)
ttt eNeeNN 2212010
12
12
...............................................(16.b)
ttt eeNeNNN 122
12
2
12
11020303 11
...........(16c)
4. Keseimbangan Radioaktivitas
Pada keseimbangan radioaktif, akan diterapkan peluruhan berurutan untuk
beberapa kasus khusus. Ada dua kasus yang penting yaitu (a) dimana 21 dan
(b) dimana 21 . Untuk kasus yang pertama disebut dengan keseimbangan
transien dan yang kedua disebut dengan keseimbangan sekuler atau permanen.
a. Keseimbangan Transien
Keseimbangan transien tercapai apabila inti induk meluruh dengan
konstanta peluruhan mendekati konstanta peluruhan inti anak. Jika 21 maka
umur rata-rata inti induk besarnya pada orde yang sama ( ). Kondisi inti
anak dapat dilihat dari dua sisi setelah mencapai nilai N2 maksimal yaitu sebagai
berikut.
1. 21
Ketika inti induk memiliki konstanta peluruhan lebih kecil dari konstanta
peluruhan inti anak, dimulai dari persamaan (14) yaitu:
tt eeNN 2110
12
12
.....................................................(14)
Persamaan jumlah inti anak pada keadaan t akan mencapai maksimum. Untuk
mencapai maksimum diferensialkan persamaan (14) dan samakan dengan nol,
persamaan menjadi:
tt eeNdt
dNm 21
211012
12 0
12
1
2
12
1 log
mt ......................................................................(17)
Jika 21 maka τ1 > τ2, hal ini menandakan bahwa te 2 pada
persamaan (14) akan mendekati nol lebih cepat dari te 1 dan diabaikan.
Maka diperoleh:
teNN 110
12
12
....................................................................(18a)
112
1 N
............................................................................(18b)
12
1
1
2
N
N..............................................................................(19)
Rasio aktivitas konstan inti anak dengan inti induk dinyatakan sebagai
berikut.
12
2
11
22
1
2
/
/
N
N
dtdN
dtdN.................................................(20)
Berdasarkan persamaan (18a) menyatakan bahwa peluruhan inti anak
bergantung juga dengan nilai konstanta peluruhan inti induk . Sedangkan
persamaan (19) menyatakan bahwa perbandingan adalah konstan.
Sedangkan persamaan (20) menyatakan aktivitas inti anak lebih besar
daripada aktivitas inti induknya dengan adanya faktor . Pada kasus
seperti ini, inti induk dan inti anaknya dikatakan mengalami keseimbangan
transien.
2. 12
Jika 21 , maka λ1 lebih cepat mencapai nol sehingga te 1 menjadi
hilang. Persamaan (13) menjadi:
teNN 210
12
12
.........................................................(21)
13
Keseimbangan Sekuler/Permanen
Keseimbangan permanen akan terjadi jika inti induk meluruh dengan
konstanta peluruhan yang jauh lebih kecil dibandingkan konstanta peluruhan
inti anak. jika 21 , berarti semakin kecil konstanta peluruhannya maka
semakin lama meluruh atau sebaliknya. Dari persamaan (14):
tt eeNN 2110
12
12
.....................................................(14)
Direduksi menjadi:
teNN 21102
12
.................................................................(22)
karena λ2 – λ1 ≈ λ2 dan te 1 1.
Lagipula, jika t sangat besar dibandingkan waktu paruh inti anak (t >>
1/λ2), maka te 2 menjadi sangat kecil dari 1, dan persamaan (22) direduksi
menjadi:
102
12 NN
............................................................................(23)
Sehingga N10 cenderung mendekati N1 (N10 = N1) sehingga:
12
12 NN
1122 NN .............................................................................(24.a)
2
1
1
2
N
N...................................................................................(24.b)
Contoh kesetimbangan radiokativitas:
14
1.0
0.5
0 1τ 2τ 3τ 4τ 5τ 6τ 7τ
Nomor Relatif, N
Waktu dalam unit τ satuan
peluruhan
recovery
Net recovery
Slow recovery
Kesetimbangan Sekular
peluruhan lambat
5. Deret Radioaktivitas Alami
Kebanyakan unsur radioaktif yang didapatkan di dalam alam merupakan
anggota dari empat deret radioaktif, masing-masing deret terdiri dari urutan
produk inti anak yang semuanya dapat diturunkan dari inti-induk tunggal.
Dalam proses peluruhan radioaktif, nomor massa A inti induk akan berubah
dengan 4 satuan (peluruhan α) atau A tidak berubah (peluruhan β). Karena itu
harga nomor massa A dari isotop-isotop anggota suatu pelurhan berantai berbeda
dengan kelipatan 4. Dengan demikian dapat diharapkan ada empat deret
radioaktif yang mungkin dengan nomor massa A, semua isotop-isotop radioaktif
dari Z=81 sampai Z=92 yang terjadi secara alamiah, yang diklasifikasikan ke
dalam empat jenis deret yaitu sebagai berikut.
A = 4n Deret Thorium
A = 4n+1 Deret Neptunium
A = 4n+2 Deret Uranium
A = 4n+3 Deret Aktinium
Dengan n adalah bilangan bulat. Deret di atas menyatakan penggolongan inti
anak dari inti induk ke dalam deret-deret radioaktif berdasarkan pengurangan
nomor massa setelah peluruhan berangsung.
Masing-masing deret radioaktf diberi nama sesuai dengan inti induknya.
Keempat deret radioaktif ini dirangkum pada tabel (2).
Tabel 2. Empat Deret Radioaktif
Deret Inti IndukWaktu Paro
(tahun)
Rumus
Deret
Inti stabil
Akhir
Uranium 4,47 x 109 4n+2
Aktinium 7,04 x 108 4n+3
Thorium 1,41 x 1010 4n
Neptunium 2,14 x 106 4n+1
Catatan: Ketiga deret pertama yang terjadi secara alamiah berakhir pada inti stabil timbal (Pb).
15
Delapan isotop pertama yang merupakan anggota dari deret uranium disajikan
dalam tabel (3).
Tabel 3. Delapan Isotop Pertama Anggota dari Deret Uranium
Unsur Nuklida Waktu Paro Radiasi
Energi α atau β
dalam MeV
Uranium 4,77 x 109 tahun α, γ 4,2
Thorium 24,1 hari β, γ 0,19
Protactinium 6,75 jam β, γ 2,3
Uranium 2,47 x 105 tahun α, γ 4,77
Thorium 8,0 x 104 tahun α, γ 4,68
Radium 1.620 tahun α, γ 4,78
Radon 3,82 hari α 5,49
Polonium 3,05 menit α 6,0
Kecuali deret Neptunium, ketiga deret lainnya mengikuti empat kaedah umum
yaitu:
a. Semua unsur radioaktif dari ketiga deret tersebut memiliki waktu paro sangat
lama sebagai contohnya:
90Th232 t1/2 = 1,39 x 1010 tahun
92U238 t1/2 = 4,5 x 109 tahun
92U235 t1/2 = 7,15 x 108 tahun
b. Ketiga deret tersebut yang terjadi secara alamiah berakhir pada inti akhir
stabil timbal yaitu (deret Uranium), (deret Aktinium) dan
(deret Thorium).
16
c. Masing-masing berupa gas pada Z = 86. Adapun nama unsur-unsurnya
Thoron ( ) untuk deret Thorium, Radon ( ) untuk deret Uranium,
dan Aktinon ( ) untuk deret Aktinium.
d. Dalam semua deret, sebuah isotop c mengalami peluruhan berantai berbentuk
segiempat dengan memancarkan partikel α dan β, dan menghasilkan dua buah
inti anak dengan memancarkan partikel yang berbeda dimana inti anak
meluruh lagi menghasilkan inti anak yang sama dengan memancarkan
partikel yang berbeda pula.
17
C’
C
C’’
D
β -
β -
α