C. Interaksi Zara Beta Dengan Materi

C. INTERAKSI ZARA BETA DENGAN MATERI

KONSEP DASAR • Interaksi radiasi dengan materi pada dasarnya merupakan interaksinya dengan elektron di dalam orbital atom. • Interaksi radiasi dengan materi menyebabkan terjadinya ionisasi dan eksitasi. • Interaksi radiasi dengan inti atom hanya terjadi dengan neutron yang tidak bermuatan sehingga tidak menyebabkan ionisasi. • Tabrakan elastis neutron dengan inti hidrogen menghasilkan proton pental (recoil proton) yang dideteksi sebagai partikel tidak bermuatan. • Besarnya energi radiasi ditentukan dengan cara mengukur jangkauan (range) radiasi ketika menembus materi, yaitu jarak yang dicapai oleh radiasi berenergi tertentu ketika menembus materi.

• Pengukuran energi radiasi juga dapat ditentukan melalui ketebalan paruh (half thickeness), yaitu ketebalan materi yang dapat mengurangi intensitas radiasi itu menjadi separuhnya. Dapat juga dengan menentukan ketebalan paruh.

Jika partikel bermuatan listrik menembus ke dalam materi, maka atom materi tersebut akan tereksitasi dan atau terionisasi. Karena pengaruh medan listrik inti atom maka arah partikel bermuatan akan berbelok dengan tiba-tiba dan kecepatannya berkurang, sehingga kemudian energinya habis. Arah gerak elektron, yaitu partikel bermuatan, berbelok dengan tajam pada saat bertumbukan dengan atom, sebaliknya energi partikel berat bermuatan listrik tidak begitu berkurang sewaktu bertumbukan dengan atom dan tidak mengalami perubahan arah, sehingga dapat melaju dengan lurus. Oleh karena itu untuk partikel berat bermuatan listrik, pengurangan laju radiasi karena menembus materi tak perlu diperhitungkan.

Interaksi sinar beta dengan materi menyerupai sinar alfa namun menghasilkan kerapatan pasangan ion jauh lebih sedikit (sekitar 4-8 pasangan ion per mm lintasan). Jangkauan partikel alfa jauh lebih panjang daripada partikel alfa dan partikel beta akan disimpangkan ke luasan yang lebih besar dengan lintasan berbentuk zig zag. Ionisasi pada radiasi beta lebih banyak ditimbulkan oleh ionisasi sekunder. Dengan menggunakan kurva energi vs jangkau, energi maksimum dapat ditentukan. Hubungan antara berkurangnya intensitas radiasi dengan ketebalan linier jika energi elektron konversi di atas o,2 MeV. Penentuan energi radiasi beta harus memperhatikan adanya serapan diri. Pada interaksi radiasi beta terdapat fenomena back scattering. Energi radiasi sinar beta dapat berkurang akibat tabrakannya dengan materi, dapat juga karena diperlambat oleh medan listrik positif inti atom.

IONISASI

• Ionisasi adalah proses fisik yang mengubah suatu atom atau molekul menjadi ion melalui penambahan atau pelepasan elektron dari atom atau molekul tersebut. Pada peristiwa ionisasi molekul ataupun atom yang semula tidak bermuatan listrik dipaksa menjadi bermuatan listrik. • Partikel beta dapat menimbulkan ionisasi langsung lebih sedikit dari pada partikel alpha dan dapat bergerak lebih jauh di dalam bahan penyerap. Partikel beta dengan energi sebesar 3,5 MeV dapat melintas di udara sejauh sekitar 11 meter dan apabila di dalam jaringan dapat mencapai jarak sekitar 15 mm. Partikel beta berenergi rendah 0,157 MeV yang dipancarkan oleh Carbon-14 hanya mampu melintas di udara sejauh 30 cm dan apabila di jaringan sekitar 0,8 m

• Partikel berupa elektron dapat bergerak bebas dari suatu senyawa, molekul atau atom. Geraknya yang bebas ini dapat menumbuk senyawa, molekul atau atom lain, seperti yang terlihat pada Gambar dimana partikel menumbuk suatu atom. Dalam Gambar 1 tersebut partikel menumbuk atom dan mengenai elektron pada kulit terluar sehingga terpental keluar. Elektron yang terpental keluar ini disebut ion negatif, sedangkan atom yang kehilangan elektronnya menjadi ion positif. • Setiap partikel bermuatan bila berinteraksi dengan materi dapat menimbulkan ionisasi, karena dalam setiap lintasannya pada materi yang dikenai akan meninggalkan sejumlah pasangan ion positif dan ion negatif. Radiasi Alpha yang bermuatan positif akan menghasilkan 10.000-70.000 pasangan ion per cm panjang lintasannya. Akan tetapi jejak lintasannya tidak terlalau jauh, karena massanya yang besar (bermassa 4) dan juga karena muatannya yang positif mudah ditarik oleh elektron bebas (yang bermuatan negatif) yang banyak sekali tersebar di alam ini. Di udara radiasi alpha hanya mampu melintas sejauh 2-3 cm.

• Ionisasi yang dihasilkan oleh radiasi Beta yang bermuatan negatif lebih sedikit bila dibandingkan dengan radiasi Alpha yang bermuatan positif. Radiasi beta yang berinteraksi dengan materi akan menghasilkan 60-7000 pasangan ion per cm panjang lintasannya, jauh lebih sedikit bila dibandingakan dengan lintasan radiasi alpha .Hal ini disebabkan karena massanya relatif amat sangat kecil (massanya bisa dianggap sama dengan nol) dan muatannya yang negatif membantu dalam perjalanannya melintasi materi, karena didorong oleh gaya coulumb elektron yang bermuatan negatif yang banyak terdapat di alam ini. Untuk radiasi beta yang bermuatan positif (positron) yang kebolehjadiannya di alam sangat kecil, jelas jauh lebih sedikit kemampuannya untuk mengionisasikan materi yang dilaluinya. Hal ini disebabkan karena sebelum mengionisasikan materi, terlebih dahulu positron ini akan ditangkap oleh elektron yang banyak tersebar di alam.

EKSITASI

• Salah satu postulat Bohr menyatakan bahwa elektron dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Berpindahnya elektron ini karena mendapatkan tambahan energi dari luar, salah satunya dapat berasal dari radiasi alpha dan radiasi betha. Apabila elektron berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi tinggi maka energi akan diserap untuk melakukan proses tersebut. Elektron yang berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan elektron tereksitasi. Akan tetapi keadaan elektron tereksitasi ini tidak stabil sehingga elektron kembali dari tingkat energi tinggi menuju tingkat energi rendah yang disertai pelepasan energi dalam bentuk radiasi (deeksitasi).

• Pada tingkat yang lebih rendah, energi yang dimiliki elektron lebih rendah daripada di tingkat sebelumnya. Perbedaan energi ini muncul sebagai sebuah kuantum radiasi berenergi hv yang sama besar dengan beda energi antara kedua tingkat tersebut. Artinya, jika elektron melompat dari n = n2 ke n=n1, seperti Gambar 2, maka terpancar sebuah foton dengan energi hυ = En2 – En1 • Proses eksitasi dapat terjadi karena partikel radiasi bermuatan yang berinteraksi dengan materi yang menyebabkan struktur atom bahan terganggu atau dalam keadaan tereksitasi.Pada radiasi alpha, peristiwa eksitasi yang terjadi disebabkan karena energi radiasi alpha yang ditransfer ke elektron orbital dari struktur atomnya. Keadaan ini yang menyebabkan atom suatu bahan terganggu.

Gambar : Sebuah elektron melompat dari keadaan n1ke keadaan n2, dan memancarkan sebuah foton.

• Pada radiasi beta, peristiwa eksitasi bisa terjadi karena pengaruh adanya peristiwa stopping power yang menyebabkan energi radiasi beta hilang di sepanjang lintasannya. Energi radiasi beta yang hilang ini menyebabkan atom-atom yang ada di sepanjang lintasan radiasi beta juga terganggu.

BREMSSTRAHLUNG • Partikel beta yang berenergi lebih tinggi dapat melintas sampai dekat ke inti atom dari bahan penyerap. Partikel ini kehilangan sebagian energinya karena mengalami pelambatan (pengereman) di dalam medan listrik inti. Energi pengereman yang terambil dari energi kinetik partikel beta tersebut, akan muncul sebagai sinar-X. Radiasi tipe ini yang disebut sebagai bremsstrahlung, yang dalam bahasa Jerman berarti radiasi pengereman. • Radiasi Bremsstrahlung merupakan hal yang penting di dalam proteksi radiasi. Hal ini perlu mendapat perhatian khusus bagi organisasi/perorangan pemilik pesawat sinar-X untuk berusaha meminimalkan munculnya radiasi bremsstrahlung di ruang pesawat sinar-X dalam rangka keselamatan radiasi terhadap operator dan konsumen yang dilayani.

ABSORBSI • Peristiwa absorbsi adalah peristiwa terserapnya partikel radiasi oleh suatu bahan yang terkena radiasi. Pada peristiwa absorbsi ini ada radiasi yang terserap seluruhnya oleh materi, ada yang hanya sebagian terserap oleh materi dan sisanya ada yang diteruskan keluar dari materi. Akibat peristiwa absorbsi radiasi oleh suatu bahan (materi), bahan akan menjadi panas sesuai dengan energi radiasi yang ditransfer ke atom-atom bahan. • Partikel radiasi yang bermassa besar akan lebih mudah terabsorbsi daripada prtikel yang bermassa kecil. Hal ini mudah dipahami karena massa yang besar relatif gerak kinetisnya lebih lamban daripada massa yang kecil. Selain daripada itu, muatan yang dibawa partikel radiasi juga berpengaruh pada peristiwa absorbsi. Partikel radiasi yang bermuatan positif akan lebih mudah tertangkap oleh elektron-elektron bahan. Dengan kata lain partikel radiasi yang bermuatan positif akan lebih mudah diabsorbsi oleh materi. • Berdasarkan uraian tersebut di atas dapat ditarik kesimpulan bahwa pada interaksi radiasi dengan materi, radiasi alfa lebih mudah diabsorbsi daripada radiasi beta. Dengan dasar pengertian ini maka radiasi alfa dapat ditahan oleh kertas sedangkan radiasi beta baru bisa ditahan oleh papan kayu yang tebal. Kenyataan ini sesuai dengan harga koefisien absorbsi linear kayu yang memang lebih tinggi daripada koefisien absorbsi linear kertas. Bila dikaitkan dengan koefisien absorbsi linear materi, maka proses penyerapan akan mengikuti perasamaan de’alembert berikut ini : • I = Ioe-μt • Untuk mengetahui banyaknya radiasi yang terserap oleh suatu bahan digunakan satuan dosis serap atau Radiation Absorbed Dose yang disingkat Rad. Jadi dosis serap merupakan ukuran banyaknya energi yang diberikan oleh radiasi pengion kepada medium. Dosis serap sebesar 1 Rad sama dengan energi yang diberikan kepada bahan sebesar 1 Joule/kg

PROSES KEHILANGAN ENERGI RADIASI BETA • Mekanisme hilangnya partikel beta sama dengan mekanisme pada partikel alfa, yaitu diserap bahan yang dilewati untuk proses ionisasi dan eksistasi. Partikel beta akan kehilangan energi 3,4 eV setiap pembentukan satu pasang ion. Namun karena partikel beta lebih kecil (sekitar 1/7300 dari massa partikel alfa) dan muatan yang lebih rendah (1/2 dari partikel alfa), maka konsekuensinya partikel beta dalam sepanjang jejaknya tidak memproduksi pasangan ion per cm sebanyak yang dibentuk 49 partikel alfa. Partikel beta dengan energi 3 MeV mempunyai jangkaun di udara lebih dari 1.000 cm namun hanya mampu menghasilkan beberapa pasangan ion per mm sepanjang jejaknya. • Ionisasi spesifik (Is) partikel beta di udara bervariasi dari 60 sampai 7.000 pasangan ion per cm. Ionisasi spesifik bernilai besar untuk partikel beta berenergi rendah, selanjutnya berkurang secara cepat untuk energi yang makin besar, hingga mencapai minimum pada energi sekitar 1 MeV. Ionisasi spesifik ini berlahan-lahan naik untuk energi lebih besar dari 1 MeV.

• dK/dx adalah laju kehilangan energi akibat ionisasi dan eksitasi oleh partkel beta (MeV/cm) dan W adalah energi rata-rata untuk membentuk satu pasangan ion. • 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 menyebabkan partikel beta kehilangan energinya dengan memancarkan gelombang elektromagnetik yang dikenal sinar-X Bremsstrahlun

JARAK TEMPUH RADIASI BETA

• Jarak tempuh radiasi beta di medium udara hamper 500 x jarak tempuh radiasi alfa atau ion positif dengan energy gerak yang sama. Lebih jauhnya jarak tempuh radiasi beta dibandingkan dengan radiasi alfa atau ion positif juga terjadi dalam medium lain. Radiasi beta yang berenergi 0,5 MeV mampu menjangkau jarak tempuh di udara sejauh sekitar 150 cm, dan bila energinya 2 MeV mampu menembus jarak sejauh kira-kira 850 cm. besarnya jarak tempuh radiasi beta ® berbanding lurus dengan energy radiasinya (E) yang dinyatakan dengan persamaan berikut : R=0,534 E- 0,160

DAMPAK INTERAKSI RADIASI BETA DENGAN MATERI • Nuklida –nuklida yang tereksitasi sifatnya tidak stabil dan untuk menuj ke keadaan yang stabil ia harus melakukan perubahan-perubahan. Perubahan yang dilakukan oleh nuklida atau molekul yang tereksitasi itu antara lain dengan melakukan proses ionisasi. • Molekul air setelah berinteraksi dengan radiasi beta membentuk molekul air yang bermuatan negative H2O- dan tidak stabil. Untuk menuju ke keadaan yang stabil ia akan berinteraksi dengan molekul air yang lain, untuk membentuk molekul gas hydrogen H2 dan ion hidroksil OH-. • Dampak terjadinya interaksi antara radiasi beta dan nuklida atau molekul yang menjadi sasaran radiasi beta tersebut juga dapat menghasilkan nuklida atau molekul yang tereksitasi, seterusnya dari keadaan tereksitasi ini mengalami peristiwa ionisasi. • Molekul air berbintang adalah molekul air yang berada dalam keadaaan tereksitasi sebagai akibat teradiasi oleh radiasi beta, dan hv adalah energi radiasi beta. Hasil interaksi antara radiasi beta dan isotop nuklida N-14 adalah isotop nuklida radioaktif C-14 dengan waktu paruh t1/2=5730 tahun.Isotop radioaktif C-14 ini dapat memancarkan radiasi beta dan membentuk isotop nuklida N-14 kembali .