RADIOAKTIFPrepared by Addy R.

Pengantar

Sejauh ini mayoritas pembahasan kimia berfokus pada elektron dan proses perubahan yang menyertainya (reaksi kimia)

Dibagian dalam suatu atom terletak inti yang sangat padat yang menyimpan energi yang sangat besar dan masih menyimpan berjuta misteri

Reaksi yang melibatkan elektron (reaksi kimia) sangat berbeda dengan reaksi yang melibatkan inti atom

Perbandingan Reaksi Kimia dan Inti

Reaksi Kimia Satu senyawa berubah

menjadi senyawa lain tetapi identitas atom tidak berubah

Orbital elektron terlibat dengan putus dan tersambung sedangkan partikel inti tidak terlibat

Disertai perubahan sejumlah kecil energi dan namun massa tidak

Laju reaksi dipengaruhi oleh suhu, konsentrasi, katalis dan senyawa yang terlibat

Reaksi Inti Atom satu unsur berubah

menjadi unsur berbeda Proton, neutron dan partikel

inti lain terlibat, orbital elektron tidak terlibat

Disertai dengan perubahan energi yang besar dan sedikit perubahan massa

Laju reaksi dipengaruhi oleh jumlah inti tetapi tidak oleh suhu, katalis atau senyawa dimana unsur terbentuk

Peluruhan Radioaktif dan Kestabilan Inti Inti stabil tidak berubah dalam jangka waktu

lama Inti tidak stabil menunjukkan radioaktifitas, ia

secara spontan terpecah atau meluruh dengan mengemisikan radiasi

Masing-masing tipe tidak stabil memiliki laju peluruhan yang karakteristik, inti yang berbeda akan memiliki laju yang berbeda mulai dari detik hingga jutaan tahun

Komponen Inti, Istilah dan Notasi Inti adalah pusat dari seluruh massa atom, namun secara relatif

hanya berukuran 1/10000 diameter, sedangkan kerapatannya mencapai 1014g/mL

Proton dan neutron partikel penyusun inti secara kolektif disebut nukleon

Isitlah nuklida merujuk pada beberapa jenis inti dengan komposisi tertentu untuk jumlah nukleonnya

Isotop adalah atom dengan jumlah proton sama namun berbeda dalam jumlah neutronnya

Tiap-tiap isotop memiliki satu nuklida, tetapi unsur bisa memiliki beberapa isotop

Massa relatif dan muatan partikel (nukleon) dan juga partikel elementer lainnya termasuk nuklida disimbolkan dengan Z

AX, dengan X adalah simbol partikel, A jumlah massa atau jumlah total nukleon dan Z muatan partikel, untuk nuklida, Z sama dengan jumlah proton (nomor atom)

Dengan notasi ini tiga partikel elementer subatomik dituliskan

-10e (elektron), 1

1p (proton) dan 01n (neutron)

Penemuan Radioaktifitas dan Jenis Emisinya Tahun 1896 Fisikawan Perancis Antoine-Henri Becquerel

secara tidak sengaja menemukan bahwa mineral uranium mengemisikan radiasi meski dibungkus kertas dan disimpan ditempat gelap

Marie Sklodowska Curie menemukan mineral thorium juga mengemisikan radiasi dan membuktikan bahwa intensitas radiasi proporsional dengan konsentrasi unsur dalam mineral bukan terhadap sifatnya

Curie menyebut emisi ini radioaktifitas dan membuktikan bahwa ia tidak terpengaruh oleh temperatur, tekanan atau kondisi kimia, fisika lainnya

Tahun 1902 Becquerel, Curie dan Villard mengajukan hipotesis emisi radioaktif dihasilkan dalam perubahan satu unsur menjadi unsur lainnya

Penemuan diatas mengarah pada tiga jenis emisi, alpha (α), beta (β) dan sinar gamma ()

Partikel α bermuatan positif sehingga akan mengarah ke muatan negatif

Partikel β sangat ringan dan bermuatan negatif sehingga dibelokkan jauh

Sinar terdiri dari photon berenergi tinggi dan tidak bermuatan

Tipe Peluruhan Radioaktif

Jika suatu nuklida meluruh, ia akan membentuk nuklida lain dengan energi lebih rendah sedangkan energi lebihnya dikeluarkan dengan emisi radiasi

Nuklida meluruh atau reaktan disebut parent dan nuklida produk disebut daughter

Prinsip dalam menyeimbangkan persamaan reaksi peluruhan adalah total Z (muatan, jumlah proton) dan total A (jumlah proton & neutron) dari reaktan sama dengan pada produk

Peluruhan Alpha (α)

Terjadi pelepasan partikel α (24He) dari inti

Untuk setiap partikel α yang diemisikan A akan turun 4 dan Z turun 2

Setiap unsur lebih berat dari Pb (Z = 82) dan beberapa yang ringan akan meluruhkan α

88226Ra 86

222Rn + 24He

Terlihat bahwa nilai A Ra sama dengan jumlah nilai A untuk Rn dan He begitu juga nilai Z-nya.

Peluruhan Beta (β) Melibatkan pelepasan partikel β (-1

0β) dari inti Partikel ini berasal dari konversi neutron menjadi

proton yang tetap berada didalam inti dan partikel β yang dikeluarkan dari inti

01n 1

1p + -10β

2863Ni 29

63Cu + -10β contoh lain:

614C 7

14N + -10β

Peluruhan β menghasilkan produk nuklida dengan A sama tetap Z lebih tinggi satu (satu proton) dibanding nuklida reaktan dengan kata lain dihasilkan atom dengan nomor atom lebih besar satu

Peluruhan Positron Ide awalnya adalah bahwa dalam Fisika Modern

setiap partikel dasar memiliki lawan ‘antipartikel’-nya, yaitu partikel lain yang memiliki massa sama namun berbeda tanda

Positron adalah antipartikel elektron (10β) ia meluruh

saat proton dalam inti dikonversi menjadi neutron dan positron

11p 0

1n + 10β

Peluruhan positron memiliki efek kebalikan dari elektron yaitu nuklida daughter memiliki A sama tetapi Z lebih rendah satu dibanding parent

Sehingga satu atom dengan nomor atom lebih rendah akan terbentuk

Electron Capture Penangkapan elektron (electron capture) terjadi saat inti

suatu atom menarik elektron dari orbital pada tingkat energi terendah

Hasilnya adalah proton inti berubah menjadi neutron

11p + -1

0e 01n

Kita menggunakan simbol berbeda untuk elektron dari orbital dan partikel β

Orbital kosong dengan cepat akan diisi oleh elektron yang turun dari tingkat energi diatasnya dan selisih energinya muncul sebagai photon sinar-X

2655Fe + -1

0e 2555Mn + hν (sinar-X)

Electron capture memiliki pengaruh yang sama dengan peluruhan positron

Emisi Gamma Ketika atom memiliki keadaan elektronik tereksitasi ia akan

mengurangi energinya dengan mengemisikan photon biasanya UV-Vis

Begitu juga inti atom yang berada dalam keadaan tereksitasi akan menurunkan energi dengan mengemisikan photon γ yang memiliki energi lebih besar dari UV

Kebanyakan proses nuklir meninggalkan inti dalam keadaan tereksitasi sehingga emisi γ akan menyertai sebagian besar peluruhan

92238U 90

234Th + 24He + 20

0γ Karena γ tidak memiliki massa/muatan maka emisinya tidak

mengubah A dan Z Gamma juga akan diemisikan pada proses annihilasi

10β (dari inti) + -1

0e (dari luar inti) 200γ

Stabilitas Inti: Rasio Neutron/Proton (N/Z) Faktor kunci untuk menentukan kestabilan nuklida ada

pada rasio jumlah neutron terhadap proton (Rasio N/Z)

Untuk nuklida ringan N/Z ≈ 1 akan cukup untuk memperoleh kestabilan

Nuklida yang lebih berat memerlukan lebih banyak proton agar stabil hingga jumlah tertentu

Jika Rasio terlalu tinggi atau tidak cukup tinggi maka tidak stabil dan akan meluruh

Gambar berikut menunjukkan plot jumlah neutron vs proton untuk nuklida stabil

Pita kestabilan meningkat dari rasio N/Z = 1 hingga dekat Z = 10 menjadi rasio N/Z sedikit diatas 1,5 dekat Z = 83 untuk 209Bi

Sedikit sekali nuklida stabil dengan N/Z < 1 yaitu hanya 1

1H dan 23He untuk nuklida

ringan lainnya N/Z = 1 yaitu 24He, 8

16O dan

1020Ne bersifat stabil

Rasio N/Z nuklida stabil meningkat dengan meningkatnya Z, tidak ada nuklida stabil dengan N/Z = 1 untuk Z > 20, sehingga 26

56Fe, N/Z = 1,15; untuk 47107Ag

N/Z = 1,28 dan untuk 74184W, N/Z = 1,49

Semua nuklida dengan Z > 83 tidak stabil. Bismuth-209 adalah unsur terberat yang stabil

Stabilitas dan Struktur Inti Tampaknya nilai genap atau ganjil N dan Z

menunjukkan pola tertentu terhadap kestabilan inti

Unsur dengan Z genap biasanya memiliki jumlah nuklida stabil lebih besar dibanding yang ganjil

Lebih dari separuh nuklida stabil memiliki Z dan N genap (Hanya 7 nuklida dengan N dan Z ganjil stabil 1

2H, 36Li, 5

10B, 714N atau meluruh sangat

lambat sehingga jumlahnya relatif tidak berubah dari sejak bumi terbentuk 23

50V, 57138La dan

71176Lu)

Jumlah Nuklida Stabil untuk Unsur 48 hingga 54

Unsur Z Jumlah Nuklida

Cd 48 8

In 49 2

Sn 50 10

Sb 51 2

Te 52 8

I 53 1

Xe 54 9

Kinetika Peluruhan Radioaktif

Inti radioaktif meluruh pada laju yang karakteristik tanpa memandang substansi kimiawinya

Laju peluruhan atau aktifitas (A) dari sampel radioaktif adalah perubahan jumlah inti (N) dibagi dengan perubahan waktu (t)

t

N- (A) peluruhan Laju

Satuan SI radioaktifitas ialah becquerel (Bq) didefinisikan dengan satu disintegrasi per detik (d/s): 1 Bq = 1 d/s

Satuan yang lebih umum yaitu curie (Ci) dimana 1 Ci adalah jumlah inti yang terdisintegrasi tiap detik dalam 1 g radium-226

1 Ci = 3,70 x 1010 d/s, karena curie begitu besar biasanya dipakai milli atau microcurie (mCi atau μCi)

Sampel radioaktif juga biasa diekspresikan dengan aktifitas spesifik yaitu laju peluruhan per gram

Aktifitas akan berguna jika jumlah inti banyak, misal 1 x 1015 inti radioaktif meluruh dengan laju 10% per jam, artinya selama 1 jam pertama 10% jumlah awal inti akan meluruh atau ~1 x 1014 inti, pada 1 jam berikutnya 10% dari 9 x 1014 akan meluruh atau 9 x 1013 inti dst.

Jumlah peluruhan per unit waktu proporsional dengan jumlah yang adaLaju peluruhan (A) N atau A = kN

Aktifitas hanya tergantung pada N artinya laju peluruhan radioaktif adalah proses orde satu

Waktu Paruh Peluruhan Radioaktif

Laju peluruhan juga biasa diekspresikan dalam fraksi inti yang meluruh pada periode waktu tertentu

Waktu paruh (t1/2) nuklida adalah waktu yang diperlukan agar setengah dari jumlah inti awal meluruh. Jumlah inti tersisa tinggal separuh tiap kali melewati waktu paruh

Gambar berikut menunjukkan peluruhan karbon-14 yang memiliki waktu paruh 5730 tahun dalam hal inti 14C tersisa

614C 7

14N + -10β

Waktu paruh tidak tergantung pada jumlah inti, ia berbanding terbalik dengan kontanta laju

Semakin besar k t1/2 semakin pendek begitupun sebaliknya

ktkt

N

N

ktN

Nkt

N

N

kNt

NA

t

t

2lnln

lnln

2/12/102

1

0

0

0

021

t

t0

N N paruh waktupada t, waktusaat

inti jumlah adalah N dan 0 t saat inti jumlah adalah N

atau

waktuIntegral

Penanggalan Radioisotop Teknik penanggalan radioisotop yang ditemukan

pemenang Nobel 1960 seorang Kimiawan AS Willard F. Libby didasarkan atas pengukuran jumlah 14C dan 12C dalam material berasal dari mahluk hidup

Akurasi metode ini 4 x waktu paruh 14C (t1/2 5730 thn) atau sekitar 24.000 thn

Neutron energi tinggi dari tumbukan sinar kosmik mencapai bumi dan memasuki atmosfir luar menyebabkan pembentukan lamban 14C melalui penembakan 14N dengan reaksi

714N + 0

1n 614C + 1

1p Dengan adanya proses ini dan reaksi peluruhan maka

jumlah 14C relatif konstan 14C ini akan bereaksi dengan O2 dan air membentuk

berbagai senyawa karbon (CO2, HCO3) dan bercampur dengan senyawa karbon yang memiliki 12C. Rasionya dialam 12C/14C = 1012/1

Tumbuhan, hewan dan manusia kemudian memanfaatkan banyak senyawa karbon melalui siklus makanan yang panjang sehingga rasio 12C/14C didalam organisme hidup sama dengan lingkungan

Saat organisme mati, rasio ini akan berubah karena 12C dalam tubuh akan tetap sementara 14C akan meluruh

614C 7

14N + -10β

Perbedaan rasio 12C/14C organisme mati dengan yang hidup menggambarkan waktu yang telah dihabiskan sejak organisme itu mati

Persamaan laju peluruhan dapat dituliskan dalam bentuk rasio aktifitas:

Dalam penanggalan radiokarbon kita menggunakan persamaan diatas untuk menentukan variabel t

ktA

A

N

N

tt

00 lnln

tA

A

kt 0ln

1

Contoh Soal

Sepotong tulang dari sebuah gua di Chile dianggap sebagai bukti awal keberadaan manusia dibumi, sampel ini memiliki aktifitas spesifik 5,22 disintegrasi per menit per gram karbon. Jika rasio 12C/14C diorganisme hidup menujukkan aktifitas spesifik 15,3 d/mnt.g Berapa umur tulang?

(t1/2 14C = 5730 tahun)

Penyelesaian

tahun 8900 sekitar tulang Umur

tulang umur didapat t pada menghitung Dengan

thxxA

A

kt

thxtht

k

t

34

0

14

2/1

1089,822,5

3,15ln

1021,1

1ln

1

1021,15730

693,02ln

Kerjakan soal ini!

Suatu sampel kayu dari kotak mayat mumi Mesir memiliki aktifitas spesifik 9,41 d/mnt.g. Berapa umur kotak kayu tsb!

(A0 dan t1/2 sama dengan soal sebelumnya)

Transmutasi Inti Transmutasi mula-mula diketahui oleh Ernest Rutherford

1919 saat partikel α yang diemisikan radium menembak atmosfir nitrogen menghasilkan proton dan oksigen-17

714N + 2

4He 11H + 8

17O Pada tahun 1926 peneliti menemukan bahwa

penembakan α akan memicu transmutasi sebagian besar unsur bernomor rendah menjadi unsur dengan nomor diatasnya dengan ejeksi proton

Notasi umum untuk reaksi penembakan inti dengan partikel dituliskan(Inti reaktan (partikel masuk, partikel keluar) inti produk

Untuk reaksi Rutherford ditulis: 14N (α, p) 17O Radioisotop buatan pertama phospor-30 ditemukan oleh

anak dan menantu Curie: 27Al (α, n) 30P melalui penembakan lempeng alumunium dengan partikel α

Efek Radiasi Inti Terhadap Materi Interaksi emisi radioaktif terhadap materi akan sangat

tergantung pada energi radiasi Eksitasi. Dalam proses eksitasi partikel dengan energi

rendah akan menumbuk atom dan menyebabkan elektron tereksitasi, radiasi ini disebut radiasi nonionisasi

Ionisasi. Dalam proses ionisasi radiasi akan menumbuk atom dan menyebabkan terpentalnya elektron keluar atom:Atom ──(radiasi ionisasi) ion+ + e-

Proses ini menghasilkan kation dan elektron bebas. Jumlah pasangan kation-elektron ini akan tergantung pada energi radiasi yang datang

Kekuatan Penetrasi Emisi Partikel α, partikel masive dan sangat bermuatan akan

berinteraksi kuat dengan materi. Akibatnya daya penetrasinya lemah hanya dengan selembar kertas atau kain tipis mampu menghentikannya

Partikel β, memiliki muatan dan massa kurang dibanding α dan berinteraksi kurang kuat dengan materi, memiliki daya penetrasi lebih kuat dan dapat destruktif. Kain khusus yang berat atau tebal (0,5 cm) atau selembar logam dapat menghentikan partikel β

Sinar γ, tidak bermassa, partikel ini kurang berinteraksi dengan materi namun memiliki daya penetrasi terbesar sehingga sangat berbahaya. Partikel ini dapat mengionisasi dan menembus hingga jauh kedalam. Satu blok timbal dengan tebal beberapa inchi dapat menghentikannya

Daya penetrasi berbanding terbalik dengan massa dan muatan emisi