Radioaktivitas

Pernahkah Anda mendengar istilah “bom atom”? Energi bom atom berasal dari reaksi inti tak terkendali. Kedahsyatan bom atom pertama kali dirasakan oleh warga Hiroshima dan Nagasaki, Jepang, ketika terjadi perang dunia kedua, pada 1945. Ledakan bomnya setara dengan ledakan 14 juta kg TNT (trinitro Toluena) sehingga mengakibatkan kedua kota tersebut hancur.

Hingga saat ini, bom atom atau nuklir merupakan penghancur masal yang paling ditakuti sehingga tidak aneh lagi apabila seseorang memiliki anggapan yang negatif ketika mendengar istilah “atom” atau “nuklir”. Akan tetapi, tahukah Anda bahwa dibalik stigma yang negatif, ternyata kajian mengenai atom atau teknologi nuklir telah memberikan banyak manfaat dalam kehidupan sehari-hari? Energi nuklir, dapat dimanfaatkan sebagai tenaga lstrik dan penghasil radioisotop yang bermanfaat di berbagai bidang, misalnya kedokteran dan pertanian. Untuk lebih memahaminya silahkan Anda mempelajari materi radioaktivitas berikut.

Inti Atom

Seperti yang sudah Anda pelajari pada perkembangan teori atom, atom terdiri atas partikel-partikel elementer, yaitu inti atom dan elektron. Inti atom terdiri atas proton dan neutron. Partikel-partikel elementer ini memiliki massa yang sangat kecil, sehingga satuan yang digunakan bukanlah kilogram atau gram melainkan satuan massa atom yang didefinisikan sebagai seperduabelas kali massa atom C-12.

1 sma = 1/12 x massa satu atom C-12

1 sma = 1,6604 x 10-27 kg

1 sma = 931 MeV

Berdasarkan model atom Bohr, atom terdiri atas inti atom yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif. Elektron bergerak berputar mengelilingi inti. Jumlah nukleon yang terdapat di dalam inti suatu atom dilambangkan dengan A dan dinamakan nomor massa. Adapun jumlah proton dilambangkan dengan Z yang berarti nomor atom.  Jumlah neutron sama dengan jumlah nomor massa dikurangi jumlah nomor atom (N = A-Z). Jadi sebuah inti atom dapat dilambangkan sebagai berikut:

lambang01

Dengan :

X         = lambang unsur

Z          = nomor atom

A         = nomor massa

lambang02

Gaya Ikat Inti, Energi Ikat Inti dan Defek Massa

Pada materi listrik statis kalian telah belajar tentang gaya elektrostatis. Dua muatan sejenis yang berdekatan akan mendapat gaya tolak listrik (gaya elektrostatis).

Bagaimana halnya dengan inti atom yang teridiri dari proton proton yang bermuatan positif dan neutron yang netral?

Walaupun antara proton proton dan netron ada gaya tarik gravitasi tetapi gaya ini cukup kecil dibanding gaya tolak elektrostatis. Jika tidak ada gaya lain pastilah inti atom akan bercerai-berai. Gaya lain inilah yang kemudian dikenal dengan nama gaya ikat inti dan menimbulkan energi ikat inti.

Energi ikat inti ini bersal dari massa yang hilang. Adanya gaya ikat inti dan energi ikat inti ini dibuktikan pada kenyataan bahwa massa inti atom tidaklah sama dengan massa penyusunnya. Sejumlah proton dan sejumlah neutron yang bermassa M akan mengalami pengurangan massa saat proton dan neutron tersebut membentuk inti (massa inti < M). Pengurangan massa inti ini dinamakan defek massa.

Kemanakah massa yang hilang pada inti itu? Kenyataan ini dapat dijelaskan dengan fisika modern dengan baik. Masih ingat relativitas Einstein? Pada relativitas Einstein dijelaskan tentang kesetaraan massa dan energi dengan energi relativistik E = m.c2. Dengan konsep ini dapat dijelaskan bahwa defek massa inti atom membentuk energi ikat inti dan medan gaya inti. Berarti energi ikat inti atom dapat ditentukan dengan persamaan berikut.

E = Δm.c2

dengan

E          = energi ikat inti (joule)

Δm      = defek massa (kg)

c          = kecepatan cahaya (3.108 m/s)

Jika Δm dalam satuan sma, maka persamaan tersebut dapat diubah menjadi berikut:

E = Δm . 931,5 MeV

Sedangkan defek massa Δm dari suatu inti atom zXA akan memenuhi hubungan berikut.

m = (2mp+ (A−Z)mn) − mX

dengan

mp       = massa proton

mn       = massa neutron

mX      = massa inti

lambang03

Gejala Radioaktivitas

lambang04

Ernest Rutherford melakukan percobaan dengan menempatkan radium dalam kotak hitam seperti pada gambar di atas. Pada percobaan ini diperoleh ada tiga sinar yang dipancarkan bahan radioaktif radium. Ketiga komponen sinar tersebut terpisah setelah melewati daerah bermedan magnet B. Ada yang lurus, ada yang dibelokkan ke kiri dan ada yang ke kanan.

Sinar pertama diteruskan atau bergerak lurus, berarti sinar ini tidak bermuatan dan bukan sebuah partikel. Sinar ini diketemukan berupa sinar γ. Sinar γ merupakan radiasi elektromagnetik dan memiliki daya tembus terbesar tetapi daya ionisasi paling lemah.

Sinar kedua dibelokkan ke kiri. Partikel ini dapat ditentukan jenisnya dengan pengaruh Gaya Lorentz. Dan dapat digunakan kaidah tangan kanan. Sesuai kaedah tangan kanan maka partikel ini bermuatan positif sehingga akan dibelokkan medan listrik juga. Sinar ini ditemukan berupa partikel-partikel alfa (sinar α). Partikel α merupakan inti helium 2He4. Daya ionisasi sinar α paling kuat tetapi daya tembus paling lemah.

Sinar ketiga dibelokkan ke kanan. Karena arah beloknya kebalikan sinar α maka sinar ini pastilah bermuatan negatif. Sama halnya sinar α, sinar ini juga dibelokkan oleh medan listrik. Setelah dipelajari sinar ketiga ini adalah elektron bergerak cepat yang dinamakan sinar β. Daya tembus dan daya ionisasi sinar β berada diantara kedua sinar yang lain.

Kestabilan Inti

Stabilitas inti atom bergantung kepada jumlah proton dan neutron. Gambar di atas memperlihatkan hubungan antara jumlah neutron (N = A – Z) terhadap jumlah proton untuk semua nuklida inti atom, baik untuk inti stabil maupun inti tak stabil dengan perbandingan N/Z.

Untuk inti atom yang stabil, berlaku hal-hal berikut:

  1. Inti-inti atom yang paling ringan memiliki jumlah proton dan neutron yang hampir sama.
  2. Nti atom yang lebih berat memerlukan lebih banyak neutron daripada proton. Inti atom yang paling berat memiliki jumlah neutron sekitar 51% atau 60% lebih banyak.
  3. Kebanyakan dari inti atom itu memiliki jumlah proton dan neutron berupa bilangan genap. Contohnya, partikel alfa (dua neutron dan dua proton) membentuk kombinas yang sangat stabil.

Untuk inti atom yang tidak stabil berlaku hal-hal berikut:

  1. Desinetgrasi, cenderung menghasilkan inti atom baru yang lebih dekat ke garis stabilitas dan terus berlangsung hingga terbentuk inti stabil.
  2. Inti atom di atas garis kestabilan memiliki kelebihan neutron dan cenderung meluruh dengan memancarkan partikel beta (b).
  3. Inti yang terletak di sebelah bawah garis stabilitas meluruh sehingga nomor atomnya berkurang. Perbandingan jumlah neutron dan protonya bertambah besar. Pada inti atom berat ini terjadi dengan memancarkan partikel alfa (a).

Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah atom unsur radioaktivitas, seperti partikel alfa, partikel beta, dan sinar gamma, biasanya disebut sebagai  sinar radioaktif.

1. Pemancaran sinar alfa

Massa maupun muatan sinar alfa identik dengan inti helium (). Jika suatu zat radioaktif memancarkan sinar alfa, nomor atom zat itu akan berkurang 2 dari nomor atom induknya dan nomor massanya akan berkurang 4. Secara umum, reaksi pemancaran alfa dapat dituliskan sebagai berikut.

lambang05

Contoh unsur radioaktivitas yang memancarkan sinar alfa

lambang06

2. Pemancaran sinar beta

Muatan dan massa sinar b sama dengan elektron. Hal ini karena sinar beta tidak lain adalah elektron (diberi lambang  atau ). Suatu inti induk yang secara spontan memancarkan sinar b akan menghasilkan inti anak yang nomor massanya tetap dan nomor atomnya bertambah satu. Secara umum, reaksi pemancaran b ditulis sebagai berikut.

lambang07

Contoh unsur radioaktivitas yang memancarkan sinar beta

lambang08

3. Pemancaran sinar gamma

Berbeda halnya dengan pemancaran sinar a dan sinar b yang memancarkan partikel bermuatan, pemancaran sinar g bukanlah berbentuk partikel bermuatan tetapi gelombang elektromagnetik. Jika pada pemancaran sinar a dan b terjadi perubahan struktur jumlah proton dan neutron, pada pemancaran sinar g tidak terjadi perubahan susunan partikel partikel pembentuk inti atom. Sinar g tidak memiliki massa maupun muatan. Oleh karena itu nuklidayang memancarkan sinar g tidak mengalami perubahan nomor atom maupun nomor massa. Pemancaran sinar g diawali oleh inti induk X yang secara spontan memancarkan sinar b dan membentuk inti baru Y’ yang berada dalam keadaan eksitasi. Selanjutnya, inti baru dalam keadaan eksitasi ini secara spontan memancarkan sinar g untuk menjadi inti stabil Y. Proses perubahan ini ditunjukkan sebagai berikut.

lambang09

Contoh unsur radioaktivitas yang memancarkan sinar gama.

lambang10

Kesimpulan dari karakteristik sinar radioaktif, yaitu sinar a, sinar b dan sinar g ditunjukkan pada tabel berikut.

lambang11

Daya tembus sinar a, sinar b dan sinar g ditunjukkan pada gambar berikut.

Peluruhan Inti

Seperti penjelasan di depan bahwa inti-inti yang tidak stabil akan memancarkan zat-zat radioaktif. Misalnya memancarkan sinar α, sinar ini adalah inti helium  berarti saat memancarkan sinar α akan terpancar 2 proton dan 2 neutron. Dengan pemancaran ini maka bahan yang meluruh akan mengalami pengurangan partikel-partikel penyusunnya. Karena sifatnya inilah kemudian peristiwa pemancaran sinar-sinar radioaktif pada bahan radioaktif ini dinamakan peluruhan.

Misalnya mula-mula ada N0 partikel. Partikelnya menjadi N0 dalam waktu T, menjadi N0 dalam 2T dan menjadi N0 dalam 3T. Perubahan N ini akan memenuhi deret dengan persamaan seperti berikut.

lambang12

dengan

N         = jumlah partikel sisa

N0        = jumlah partikel mula-mula

t           = waktu meluruh

T          = waktu paro

Waktu Paruh

Pada waktu jumlah partikel berubah menjadi setengah jumlah partikel mula-mula, maka waktu yang diperlukan untuk peluruhan disebut waktu paruh (half life). Persamaan matematisnya adalah sebagai berikut.

lambang13

Dengan

T = waktu paruh

λ = konstanta peluruhan

lambang14

Radioisotop

Radioisotop adalah isotop-isotop yang tidak stabil. Isotop yang tidak stabil selalu memancarkan sinar-sinar radioaktif untuk menjadi isotop-isotop stabl. Pada umumnya, radioatkif yang digunakan dalam berbagai keperluan tidak tersedia di alam karena waktu paruh dari nuklida aktif suatu radioaktif tidak terlalu lama. Oleh karena itu, radoisotop tersebut harus dibuat dari nuklida stabil alamiah dengan reaksi inti. Cara yang banyak dipakai adalah dengan menembak inti stabil dengan partikel neutron. Contoh radioisotop buatan Pusat Penelitian Tenaga Nuklir (PPTN) adalah 24Na, 32P, 99Tc dan 131I.

Penggunaan Radioisotop

Radioisotop banyak digunakan dalam bidang kesehatan, biologi, industi, arkeologi, hidrologi dan bidang lainnya. Berikut ini contoh manfaat radioisotope dalam bidang-bidang tersebut.

1. Dalam bidang kedokteran.

Radioisotope yang banyak digunakan dalam bidang kedokteran adalah kobalt-60 dan iridium-131. Kobalt-60 digunakan untuk pengobatan kanker, sedangkan iridium-131 digunakan untuk mempelajari cara kerja kelenjar gondok.

Dalam dunia kedokteran nuklir, prinsip radiologi dimanfaatkan dengan memakai isotop radioaktif yang disuntikkan ke dalam tubuh. Kemudian, isotop tersebut ditangkap oleh kolektor di luar tubuh sehingga diperoleh gambaran yang menunjukkan distribusinya di dalam tubuh. Sebagai contoh, untuk mengetahui letak penyempitan pembuluh darah pada penderita penyakit penyempitan pembuluh darah, digunakan radioisitop natrium. Kemudian, jejak radioaktif tersebut dirunut dengan menggunakan pencacah Geiger. Letak penyempitan pembuluh darah ditunjukkan dengan terhentinya aliran natrium.

2.Dalam bidang biologi

Dalam bidang biologi, radioisotope digunakan untuk mempelajari beberapa proses dalam sel hidup dan mekanisme reaksi fotosintesis.

3.Dalam bidang industry .

Radioisotp yang banyak digunakan dalam bidang industry ialah kobalt-60 dan iridium-192 yang biasanya digunakan untuk mengetahui cacat dan kerusakan bahan dalam industry.

4.Dalam budang arkeologi

Dalam bidang arkeologi, radioisotope digunakan untuk menentukan unsur batuan atau fosil dengan menggunakan konsep peluruhan dan waktu paruh.

5.Dalam bidang hidrologi

Dalam bidang hidrologi, radioisotope digunakan untuk mengukur laju aliran fuida, untuk mengukur kandungan air dalam tanah, untuk mendeteksi kebocoran pipa dan untuk mengukur tinggi permukaan cairan.