Makalah Kelompok 7 Fismod.docx

MAKALAH Fisika Modern (Radioaktivitas)

DOSEN PENGAMPU MATA KULIAH: UMMU KALSUM, S. Pd., M. Si

Oleh: NAMA

NIM

Nurmalinda

H0416311

Wahyuni Putri Awalia

H0416502

Sarfina

H0416505

Syarifuddin

H0416310

UNIVERSITAS SULAWESI BARAT FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA 2018

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah segala puji hanya milik Allah SWT, yang mana telah melimpahkan nikmat-Nya kepada kita semua yang berupa kesehatan dan kesempatan sehingga kami dapat menyelesaikan makalah dari matakuliah “Fisika Modern” ini dengan baik. Dimana makalah ini berjudul “Radioaktivitas.” Di dalam makalah ini akan membahas tentang struktur inti dan aktivitas zat radioaktiff. Mudah-mudahan dari makalah ini, pembaca sekiranya akan menemukan pengetahuan baru dari materi yang dibahas di dalamnya, agar pembuatan makalah ini tidak hanya sia-sia, namun juga bermanfaat bagi pembaca. Tidak ada satupun di dunia ini yang sempurna, oleh karena itu kami menyadari ada banyak kekurangan dari makalah yang kami buat, entah itu kekurangan dari materinya atau dari sistematika penyusunan makalanya. Itu di karenakan kurangnya pengetahuan kami sebagai pemula. Dari kekurangan makalah kami, kami sangat membutuhkan kritik maupun saran dari pihak yang berhak atas penilaian makalah ini, untuk dijadikan pembelajaran dalam pembuatan makalah kedepannya. Terima kasih.

Majene,

12

2018 Penyusun

Kelompok VII

November

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................................ DAFTAR ISI ............................................................................................................. BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang .................................................................................................... B. Rumusan Masalah ............................................................................................... C. Tujuan Penulisan ................................................................................................. D. Manfaat Penulisan ............................................................................................... BAB II PEMBAHASAN A. Penyusunan Inti ................................................................................................... B. Muatan Inti .......................................................................................................... C. Massa Inti ............................................................................................................ D. Spin Inti ............................................................................................................... E. Energi Ikat Inti Stabil .......................................................................................... F. Peluruhan Radioaktif .......................................................................................... BAB III PENUTUP A. Kesimpulan ......................................................................................................... B. Saran ................................................................................................................... DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................................

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Pada saat ini dunia teknologi sudah berkembang dengan pesat, mulai dari bidang kedokteran, pertanian, perairan, dan pangan. Perkembangan tersebut juga diiringi dengan penggunaan bahan radioaktif yang sudah diteliti sehingga aman untuk dikonsumsi sesuai dengan takaran yang ada. Maka dari itu, kami mencoba untuk membahas mengenai radioaktivitas disamping untuk memenuhi tugas dari matakuliah fisika modern. Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi menjadi inti yang stabil. Materi yang mengandung inti tak-stabil yang memancarkan radiasi, disebut zat radioaktif. Reaksi inti merupakan peristiwa perubahan suatu inti atom sehingga berubah menjadi inti atom lain dengan disertai munculnya energi yang sangat besar. Ada banyak kesamaan antara struktur atom dan struktur inti atom yang memudahkan kita dalam mengkaji berbagai sifat inti atom. Perilaku inti atom tunduk pada hukum-hukum fisika kuantum. Mereka memiliki keadaan dasar dan eksitasi serta memancarkan foton (yang dikenal sebagai sinar gamma) sewaktu melakukan transisi antara berbagai keadaan eksitasinya. Seperti halnya dengan keadaan atom, keadaan inti atom juga di lebel oleh momentum sudut totalnya. Untuk lebih memahami tentang keadaan inti atom dan radioaktivitas berikut makalah ini akan mengulas tentang penyusun inti atom, muatan inti, massa inti, spin inti, energi ikat inti stabil, dan peluruhan radioaktif. B. Rumusan Masalah 1.

Bagaimana penyusun inti atom?

2.

Bagaiamana muatan inti atom?

3.

Bagaimana massa inti atom?

4.

Bagaimana spin inti atom?

5.

Bagaimana energi ikat inti stabil?

6.

Bagaimana peluruhan radioaktif?

C. Tujuan Penulisan 1. Untuk mengetahui bagaimana penyusun inti atom. 2. Untuk mengetahui bagaimana muatan inti atom. 3. Untuk mengetahui bagaimana massa inti atom. 4. Untuk mengetahui bagaimana spin inti atom. 5. Untuk mengetahui bagaimana energi ikat inti stabil. 6. Untuk mengetahui bagaimana peluruhan radioaktif. D. Manfaat Penulisan 1.

Dapat memahami lebih dekat mengenai struktur ini dan radioaktivitas.

2.

Dapat dijadikan referensi belajar mengenai struktur ini dan radioaktivitas.

3.

Menambah wawasan mengenai penulisan makalah sekaligus mengenai materi Fisika Modern.

BAB II PEMBAHASAN A. Penyusun Inti . Inti atom tersusun oleh dua partikel yaitu proton dan neutron, proton dan neutron ini disebut nukleon atau nuklida. Inti atom dilambangkan 𝐴𝑍𝑋 dengan X menyatakan nama inti atom, Z menyatakan nomor atom, dan A menyatakan nomor massa atom. Misalnya inti atom karbon memiliki nomor atom 6 sedangkan nomor massanya 12, maka lambang atom karbon tersebut dituliskan

12 6𝐶 .

Nomor atom menyatakan

jumlah proton dalam inti atom atau jumlah elektron yang mengelilingi inti dan nomor massa menyatakan jumlah proton dan neutron yang terdapat pada inti atom atau jumlah nukleon. B. Muatan Inti Konsep adanya inti atom pertama kali dinyatakan oleh Rutherford dari hasil serangkaian eksperimennya untuk menguji model atom yang dikemukakan oleh Thomson dengan percobaan yang terkenal dengan nama hamburan Rutherford. Dari eksperimen ini Rutherford menyimpulkan bahwa massa seluruh atom terkumpul pada suatu titik yang disebut inti atom yang bermuatan positif. Muatan positif yang terdapat pada inti atom sama dengan jumlah muatan elektron yang bergerak mengelilingi inti. Partikel yang bermuatan positif dalam inti atom disebut proton. Kemudian ditemukannya neutron oleh James Chadwich yang juga merupakan partikel yang ada dalam inti atom tetapi tidak bermuatan (netral). Dengan demikian inti atom tersusun oleh dua partikel yaitu proton dan neutron, proton bermuatan positif sedangkan neutron netral. Proton adalah inti isotop hidrogen teringan 11𝐻 bermuatan positif yang besarnya sama dengan muatan elektron (1,6 x 10-19 C). Neutron adalah partikel netral tak bermuatan listrik dengan massa ≈ massa proton.

C. Massa Inti Satuan massa untuk inti atom dipakai satuan massa atom yang disingkat sma di mana 1 sma = 1,66056 ×10 kg = 1/12 massa dari satu atom karbon 12 6C.

Massa satu atom karbon

12 6C

= 1 sma. Massa proton dan neutron dalam

satuan massa atom u (1 u = 1/12 massa isotop 126C) adalah: 

Massa proton mp = 1,00727663 ± 0,00000008 u



Energi rehat proton (mp c2) = 938,256 ± 0,005 MeV



Massa neutron mp = 1,0086654 ± 0,0000004 u



Energi rehat neutron (mp c2) = 939,550 ± 0,005 MeV

Satuan massa atom juga dapat dinyatakan berdasarkan prinsip kesetaraan massa dan energi yang dikemukakan oleh Einstein. Sehingga diperoleh: E = mc2 E = m = 931,5 MeV/c2 1 u = satuan massa atom = 931,5 MeV/c2 Inti sebuah massa atom hampir mengandung seluruh massanya. Hal ini karena inti merupakan tempat terkonsentrasi seluruh massa atom (sesuai model atom Rutherford). Proton dan neutron mempunyai massa yang hampir sama, selisihnya tidak lebih besar dari 1%, dan keduanya mempunyai energi rehat kurang lebih 939 MeV. Karena proton bermuatan listrik, massanya dapat diukur langsung secara eksperimen dengan spektograf massa. Sedangkan pengukuran massa neutron dilakukan secara tidak langsung. D. Spin Inti Proton dan neutron mempunyai sudut intrinsik yang disebut spin. Spin S ini berperilaku seperti momentum sudut, namun tidak tergantung pada gerak orbital. Hal serupa juga dinyatakan dalam pembahasan tentang spin elektron. Bahwa dalam usaha untuk menerangkan struktur halus garis spektral dan efek Zeeman anomalous, S.A. Goudsmit dan G.E. Uhlenbeck pada tahun 1925 mengusulkan bahwa elektron memiliki momentum sudut intrinsik yang bebas dari momentum sudut orbitalnya dan berkaitan dengan momentum sudut itu terdapat momen magnetik.

Apa yang ada dalam pikiran Goudsmit dan Uhlenbeck ialah suatu gambaran klasik dari elektron sebagai bola yang bermuatan yang berpusing pada sumbunya. Hal ini tentunya berlaku pada permasalahan inti atom. Proton dan netron pun secara gambaran klasik berpusing pada sumbunya sehingga memiliki sudut intrinsik yang disebut spin. Spin inti SI berhubungan dengan bilangan kuantum spin inti I sebagai berikut. SI = ℏ √I (I + 1) Dimana SI : Spin inti I : Bilangan kuantum ℏ : konstanta Planck Bilangan kuantum spin inti I digunakan untuk memberikan momentum sudut spin inti SI. Harga yang diperbolehkan untuk bilangan kuantum spin proton dan neutron adalah I = ½ seperti halnya pada spin elektron. Persyaratan ini datang dari teori Dirac dan dapat juga diperoleh secara empiris dari data spektral. Dalam penurunan rumusnya Dirac menyatakan bahwa sebuah partikel yang mempunyai massa dan muatan seperti elektron (maupun proton dan neutron) harus memiliki momentum sudut intrinsik dan momen magnetik seperti yang diusulkan Goudsmit dan Uhlenbeck. Jika I = ½ maka: SI = ℏ √I (I + 1) = ℏ √½ (½ + 1) 5

SI = √2 ℏ Bilangan kuantum spin proton dan neutron masing adalah ½. Spin inti yang merupakan paduan spin proton, spin neutron, dan momentum sudut orbit masing-masing bersifat terkuantisasi ruang oleh pengaruh medan magnet luar. Komponen yang diperbolehkan sepanjang arah medan magnet adalah ±½ ℏ. Perhatikan gambar dibawah ini.

Gambar 1. Partikel selain berputar pada orbit juga berputar pada porosnya.

Keterangan: 

Suatu partikel bermuatan bermassa tertentu yang bergerak melingkar dengan kecepatan tertentu mempunyai momentum angular.



Momentum angular merupakan besaran vektor dengan besar ℓħ dan arah tegak lurus terhadap arah gerakan.



Partikel selain berputar pada orbit juga berputar pada porosnya (spin) sehingga memiliki momentum angular spin, yaitu spin up (+½ ħ) dan spin down (-½ ħ).

E. Energi Ikat Inti Stabil Hubungan antara massa inti atom dengan energi ikat inti dapat dijelaskan dengan teori yang dikemukakan oleh Albert Einstein yang menyatakan hubungan antara massa dan energi yang dinyatakan dalam persamaan E = mc2. Di mana E adalah energi yang timbul apabila sejumlah m (massa) benda berubah menjadi energi dan c adalah cepat rambat gelombang cahaya. Dari hasil pengukuran massa inti atom selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon pada inti atom tersebut, penyusutan/pengurangan massa ini disebut defek massa. Besarnya penyusutan massa inti akan berubah menjadi energi ikat inti yang menyebabkan nukleon dapat bersatu dalam inti atom. Besarnya energi ikat inti dapat diketahui jika besarnya defek massa inti diketahui. Besarnya defek massa dinyatakan dengan selisih jumlah massa

seluruh nukleon (massa proton dan neutron) dengan massa inti yang terbentuk yang dapat dinyatakan dalam persamaan: Δm = [Z mp + (A – Z) mn] - minti Dimana Δm : defek massa mp : massa proton mn : massa neutron Z : jumlah proton dalam inti atom A-Z : jumlah neutron pada inti atom Menurut hasil pengukuran yang teliti jika massa 1 sma berubah menjadi energi setara dengan energi sebesar 931,5 MeV/c2 (Mega elektron volt) atau 1 sma = 931,5 MeV/c2, sehingga besarnya energi ikat inti dapat dinyatakan: E = mc2 ΔE = Δm × 931,5 MeV Dimana ΔE : energi ikat inti Δm : defek massa Apakah energi ikat inti selalu dapat menggambarkan tingkat kestabilan inti atom? Ternyata tidak selalu. Jika inti memiliki jumlah nukleon yang banyak energi ikatnya juga besar. Namum belum tentu inti tersebut stabil. Pada umumnya inti atom yang mempunyai jumlah neutron lebih banyak mempunyai tingkat kestabilan inti yang lebih rendah. Ada besaran yang mempunyai korelasi / hubungan dengan tingkat kestabilan inti yang disebut tingkat energi ikat rata-rata per nukleon yaitu energi ikat inti dibagi dengan jumlah nukleon pada inti tersebut yang dinyatakan dalam persamaan: ̅̅̅̅ 𝛥𝐸 =

𝛥𝐸 𝐴

dengan A menyatakan nomor massa. peroleh nilai u = 931,5 MeV/c2. F. Peluruhan Radioaktif Inti atom yang memiliki nomor massa besar memiliki energi ikat inti yang relatif lebih kecil dibandingkan dengan nomor massa menengah. Kecenderungan inti atom yang memiliki nomor massa besar misalnya uranium 235 kecenderungan tidak stabil akan memancarkan energi dalam

bentuk sinar radioaktif. Pengamatan tentang aktivitas inti dimulai dari Henry Becquerel yang menyelidiki tentang gejala fosforesensi dan fluoresensi. Fosforesensi yaitu peristiwa berpendarnya zat setelah cahaya yang menyinari zat tersebut dihentikan, sedangkan fluoresensi yaitu peristiwa berpendarnya zat pada saat zat tersebut mendapatkan sinar. Dalam penyelidikan Becquerel, unsur uranium selalu memancarkan sinar radiasi meskipun unsur tersebut disimpan di tempat yang tidak terkena cahaya dalam waktu yang lama. Sinar radiasi berasal dari dalam inti atom. Selanjutnya Piere Curie dan Marie Curie menyelidiki sinar radiasi yang berasal dari inti atom, yang kemudian menemukan dua unsur yang selalu memancarkan sinar radiasi yang kemudian dinamakan Poloniun dan Radium. Unsur yang selalu memancarkan sinar radiasi tersebut dinamakan unsur radioaktif (isotop radioaktif). Inti atom yang tidak stabil selalu memancarkan secara spontan sinar radioaktif, sehingga akhirnya akan diperoleh inti atom yang stabil. Peristiwa pemancaran sinar radioaktif secara spontan disebut radioaktivitas atau peluruhan radioaktif. 1.

Aktivitas Bahan Radioaktif dan Hukum Peluruhan Misalkan kita ambil suatu contoh bahan radioaktif yang mengandung sejumlah tertentu inti atom radioaktif. Inti-inti radioaktif ini tidak meluruh sekaligus pada suatu waktu. Sebagai gantinya inti-inti radioaktif ini meluruh satu per satu selama suatu selang waktu tertentu. Laju perubahan radioaktif dalam suatu bahan radioaktif disebut aktivitas (lambang A). Aktivitas hanya ditentukan oleh banyaknya inti yang meluruh per sekon. Jika peluang tiap inti untuk meluruh disebut tetapan peluruhan (lambing ), maka aktivitas bahan bergantung pada banyak inti radioaktif dalam bahan (N) dan

. Secara matematis ditulis dengan

persamaan (1.1) 𝐴=𝜆𝑁

Tetapan peluruhan

memiliki harga berbeda untuk inti yang berbeda

tetapi konstan tehadap waktu. Karena peluruhan, maka banyaknya inti

radioaktif N berkurang terhadap waktu. Karena N berkurang terhadap waktu dan

tetap, maka aktivitas A haruslah berkurang terhadap waktu.

Kita dapat definisikan aktivitas A sebagai laju peluruhan sejumalah inti radioaktif terhadap waktu. Makin banyak inti yang yang meluruh persatuan waktu, makin besar A. Secara matematis, pernyataan ini dinyatakan oleh persamaan (1.2)

Tanda negatif kita berikan karena N berkurang terhadap waktu. Sedang kita menginginkan A berhaga positif . Dari (1.1) dan (1.2) kita peroleh

Atau 𝑑𝑁 𝑁

= −

𝑑𝑡

Persamaan diatas dapat kita integralkan secara langsung untuk menghasilkan

Hukum Peluruhan Radioaktif (2.3) 𝑁 = 𝑁0 𝑒−𝜆 𝑡 Dengan, 𝑁0 = Banyaknya inti radioaktif pada saat t = 0, = banyak inti radioaktif setelah selang waktu t = bilangan natural = 2,718 …, = tetapan peluruhan (satuan s-1)

Persamaan (2.3) menyatakan bahawa banyaknya inti induk dalam suatu contoh berkurang secara eksponensial terhadap waktu. Persamaan (2.3) disebut hukum peluruhan radioaktif1. Kits secara nyata tidak dapat mengukur banyaknya inti radioaktif N, tetapi kita dapat menyatakan persamaan (2.3) kedalam bentuk persamaan aktivitas, yaitu dengan mengalikan kedua ruasnya dengan sehingga memberikan 𝜆 𝑁 = 𝜆 𝑁0 𝑒−𝜆 𝑡

Aktivitas radioaktif (2.4) 𝐴 = 𝐴0 𝑒−𝜆 𝑡 Dengan, 𝐴0

= Aktivitas awal pada t = 0 (satuan Becquerel atau Bq) = Aktivitas setelah selang waktu t (dalam Bq)

Satuan Aktivitas Radiasi Dalam SI, satuan aktivitas radiasi dinyatakan dalam Becquerel (Bq), sesuai dengan anma penemu radioaktivitas, dengan 1 Bq = 1 peluruhan/sekon Satuan yang paling sering digunakan oleh alat pengukur aktivitas radiasi adalah curie (Ci). Satu curie didefiniskan sebagai banyaknya peluruhan yang dilakukan oleh satu gram radium dalam waktu satu sekon2. Ternyata diperoleh 3,7 × 1010 peluruhan dalam satu sekon, sehingga didapat hubungan :

b. Waktu Paro Jika masa hidup suatu isotop radioaktif diambil sebagai waktu yang diperlukan agar seluruh inti yang ada meluruh atau waktu yang diperlukan agar 1 2

Ibid., hlm. 361 Ibid., hlm. 360

aktivitas sama dengan nol, maka jelaslah dari persaman (2.4) bahwa masa hidup isotop radioaktif apa saja adalah tak berhingga. Grafik Pelu ruhan Radioaktif dan aktu Paro

Karena masa hidup suatu isotop radioaktif adalah tak terhingga, maka tidaklah terlalu berguna untuk membicarakan tentang masa hidup (waktu hidup) suatu isotop radioaktif. Sebagai gantinya kita mendefinisikan waktu paro (𝑇1⁄2 ). Waktu paro dari suatu isotop radioaktif adalah selang waktu yang dibutuhkan agar aktivitas radiasi berkurang setengah dari aktivitas semula3. Waktu paro juga dapat didefinisikan sebagai selang waktu yang dibutuhkan agar setengah dari inti radioaktif yang ada meluruh. Jadi, jika jumlah inti mula-mula N0 , maka setelah selang wantu 𝑡 = 𝑇1⁄2 , jumlah inti tinggal

. Dengan mensubstitusikan ke persamaan (2.4) diperoleh

2−1 = 𝑒−𝜆𝑇1⁄2

3

Ibid., hlm. 361

Waktu Paro (2.5)

Kita bisa memperoleh hubungan N dan N0 dengan fakta bahawa setiap banyak inti yang tinggal adalah ½ dari banyak inti sebelumnya

1⁄2 ,

Setelah = 1 × 𝑇1⁄2 , banyak inti atom Setelah = 2 × 𝑇1⁄2 , banyak inti atom Secara umum, banyak (inti) atom yang tinggal (belum meluruh) setelah selang waktu 𝑡 = 𝜂 × 𝑇1⁄2 Jumlah atom sebelum meluruh persamaan (2.6)

Dengan

dengan, t

= Lama penyimpanan atau umur

radioaktif, 𝑁0

= Banyaknya atom radioaktivitas mula-mula,

(𝑡) = Banyaknya atom radioaktif yang tersisa pada saat t. c. Latihan Soal 1. Usia-paruh 198Au adalah 2,70 hari. (a) berapakah tetapan luruh 198Au? (b) berapakah probabilitas sebarang inti 198Au untuk meluruh dalam satu detik? (c) andaikan kita mempunyai cuplikan 198Au sebanyak 1,00μg. Berapakah aktivitasnya? (d) berapa jumlah peluruhan per detik yang terjadi apabila usia cuplikan ini satu minggu? Pemecahan :

𝜆 = 2,97 × 10−6𝑠−1

(b) Probabilitas peluruhan per detik adalah tetapan luruh. Jadi, probabilitas peluruhan sebarang 198Au dalam satu detik adalah 2,97 × 10−6𝑠−1

(c) Jumlah atom dalam cuplikan adalah

(d) Aktivitas meluruh menurut persamaan (2.4): 𝐴 = 𝐴0 𝑒−𝜆 𝑡

2.3. Peluruhan Inti Radioaktivitas atau peluruhan radioaktif adalah peristiwa pemancaran energi dalam bentuk sinar-sinar radioaktif dari inti tidak stabil untuk membentuk inti stabil4. Peristiwa ini sering berlangsung secara spontan dan biasanya disertai dengan pemancaran partikel , partikel , dan sinar . Pada umumnya, inti yang mengalami peluruhan adalah inti dengan nomor atom besar karena memiliki energi ikat per nucleon yang relatif kecil.

 Penemuan Jenis-Jenis Radioaktif Pada tahun 1899, Ernest Rutherford melakukan percobaan dalam rangka studinya mengenai radioaktif. Rutherford dan rekan sekerjanya berhasil membedakan tiga jenis radiasi yang dipancarkan oleh radionuklida, yakni zarah alfa, beta dan gamma yang akhirnya dikenal sebagai inti, electron dan foton5. Energy gamma lebih besar daripada energy zarah beta dan alfa. Radiasi yang energinya terkecil adalah zarah alfa. Sebagai ilustrasi pada gambar 1 berikut disajikan gerakan zarah alfa, beta dan gamma dalam pengaruh medan magnet homogen.

4 5

Supiyanto. Fisika 3 untuk SMA Kelas XII. (Jakarta: Phibeta, 2007)., hlm. 293 Yusman. Op. Cit., hlm. 62

Gambar 1.Jenis-jenis Radiasi yang dipancarkan Radionuklida

Pada gambar 1 tersebut tampak bahwa sinar alfa dan beta dibelokkan dalam pengaruh medan magnet. Hal ini disebabkan sinar alfa dan beta adalah zarah bermuatan positif dan negative. Sedangkan sinar gamma tidak dibelokkan dalam medan magnet, karena sinar gamma merupakan radiasi elektromegnetik yang tidak bermuatan. Selanjutnya pada gambar 2 berikut ini disajikan ilustrai tentang kemampuan daya tembus sinar alfa, beta dan gamma.

 Bagaimana dengan daya tembus sinar-sinar radioaktif? Percobaan Becquerel telah memperlihatkan bahwa radiasi dapat menembus film, tetapi tidak dapat menembus kunci. Kita sekarang akan melihat bagaimana radiasi dapat dihentikan oleh bahan-bahan tertentu. Sewaktu radiasi menembus bahan, radiasi ini kehilangan energy karena bertumbukan dengan atom-atom penyusun bahan. Pada kejadian ini ditkatakan bahwa radiasi diserap oleh bahan. Untuk mempelajari sifat penyerapan oleh bahan ini, biasanya dilakukan percobaan seperti gambar 10.9 bahan yang menyerap sinar radioaktif disisipkan di antara tabung GM (Geiger-Muller) dan sumber radioaktif. Oleh karena bahaya radiasi, orang yang melakukan oercobaan ini perlu memakai sarung tangan untuk menghindari kontak langsung dengan sumber radiasi. Sewaktu selembar kertas tipis disisipkan di antara sumber dan tabung, pembacaan angka pada alat hitung berkurang bila dibandingkan sebelumnya. Fakta ini menunjukkkan bahwa sebagian radiasi telah diserap oleh kertas. Radiasi yang diserap oleh kertas tipis adalah radiasi sinar α. Sewaktu selembar aluminium setebal 3mm disiipkan di antara sumber dan tabung pembacaan angka pada alat hitung berkurang makin banyak. Fakta

ini menunjukka bahwa sebagaian radiasi telah diserap oleh aluminium. Tambahan radiasi yang diserap oleh lembaran aluminium adalah sinar β. Sewaktu selembar timbal setebal 3cm disisipkan di antara sumber dan tabung, pembacaan angka pada alat hitung berkurang makin banyak. Fakta ini menunjukkan bahwa jenis radiasi ketiga telah banyak diserap. Radiasi yang diserap oleh selembar timbal adalah radiasi γ. Hasil percobaan ini dilukiskan pada gambar 2 dari hasil ini didapat bahwa: urutan daya tembus sinar radioaktif yang terkecil ke yang terbesar adalah α, β, lalu γ. Secara singkat, urutan daya tembusan adalah:

Gambar 2 : Ilustrasi kemampuan daya tembus sinar alfa, beta dan gamma

Jenis radiasi yang dipancarkan radioaktif adalah: a. Peluruhan Alpha ( ) Suatu inti radioaktif tertentu (dengan Z > 82) secara spontan meluruh menjadi inti turunan dengan memancarkan inti helium atau partikel 𝛼6. Berdasarkan kekekalan muatan dan nucleon, peluruhan dinyatakan oleh:

memenuhi reaksi yang

Dengan T adalah inti turunan dan I adalah inti induk. Contohnya adalah

6

Kusminarto. Esensi Fisika Modern. (Yogyakarta: ANDI, 2011), hlm.179

Persamaan reaksi peluruhan tersebut adalah untuk inti yang dapat dinyatakan dalam atom dengan menambah sejumlah electron yang sesuai: 𝐴

(inti) + 𝑍𝑒 → 𝐴𝑍−−42 (inti) + (𝑍 − 2)𝑒 + 24 𝛼 + 2 𝑒

𝑍

(Atom) → 𝐴𝑍−−42 𝑇(Atom) + 24 𝛼(Atom) Jika inti induk mula-mula dalam keadaan rehat (tak bergerak), hukum kekekalan energi memberikan: (𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)𝑠𝑒𝑏𝑒𝑙𝑢𝑚 = (𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)𝑠𝑒𝑠𝑢𝑑𝑎ℎ (𝐸𝑟𝑒ℎ𝑎𝑡 + 𝐸𝑘𝑖𝑛𝑒𝑡𝑖𝑘)𝑠𝑒𝑏𝑒𝑙𝑢𝑚 = (𝐸𝑟𝑒ℎ𝑎𝑡 + 𝐸𝑘𝑖𝑛𝑒𝑡𝑖𝑘)𝑠𝑒𝑠𝑢𝑑𝑎 𝑚𝐼𝑐2 + 0 = 𝑚𝑇𝑐2 + 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑇 + 𝑚𝐻𝑒𝑐2 + 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝛼 (𝑚𝐼 − 𝑚𝑇 − 𝑚𝐻𝑒)𝑐2 = 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑇 + 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝛼 Dengan, 𝑚𝐼

= Massa atomic induk

𝑚𝑇

= Massa atomic turunan

𝑚𝐻𝑒 = Massa atom 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑇 = Energi kinetic turunan 𝐸𝑘𝑖𝑛 = energy kinetic Energy kinetic tidak pernah negatif, maka (𝑚𝐼 − 𝑚𝑇 − 𝑚𝐻𝑒) > 0 sehingga menjadi persamaan (3.1): 𝑚𝐼 > (𝑚𝑇 + 𝑚𝐻𝑒) Keadaan dalam persamaan (3.1) merupakan syarat agar terjadi peluruhan . Energy yang dilepaskan pada peluruhan, yaitu energy kinetic inti turunan dan energy kinetic hasil peluruhan (𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑇 + 𝐸𝑘𝑖 ) disebut eneri disintegrasi dengan symbol Q dalam persaman (3.2). 𝑄 = 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑇 + 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝛼 = (𝑚𝐼 − 𝑚𝑇 − 𝑚𝐻𝑒)2 Hukum kekekalan momentum dalam peluruhan ini memberikan : 𝑚𝑇𝑉𝑇 = 𝑚𝛼𝑉𝛼

Jika persamaan diatas dikuadratkan dan dikalikan dengan faktor 1/2 maka akan kita peroleh:

𝑚𝑇 ≈ 𝐴 − 4 dan 𝑚𝛼 = 4 dalam satuan massa atom u, maka (𝐴 − 4)𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑇 = 4 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝛼

Masukkan ke persamaan (3.2) maka kita peroleh:

Atau persamaan (3.3)

Inti atom yang meluruh dengan memancarkan adalah inti-inti dengan nomor atom Z yang besar dan demikian pula, nomor massa A sehingga: 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝛼 ≈ 𝑄

(untuk A >> 4)

Dengan demikian, energy peluruhan hamper seluruhnya diberikan kepada partikel sebagai energy kinetic, sedangkan energy kinetic turunan (energy pentalan) dapat dianggap sama dengan nol. b. Peluruhan Beta (𝛽)

Peluruhan beta dapat didefinisikan sebagai proses peluruhan radioaktif dengan muatan inti berubah tanpa terjadi perubahan cacah nucleon7. Contoh sederhana digambarkan pada peluruhan 125𝐵 menjadi dan 127𝑁 menjadi 126 . Ketiga inti memiliki cacah nucleon yang sama, tetapi cacah proton dan neutronnya berbeda. 126𝐶 adalah inti stabil dengan cacah proton dan neutron yang sama, masing-masing 6. Boron terlalubanyak neutronnya, sedangkan nitrogen terlalu banyak protonnya. Inti boron yang tak stabil meluruh dengan mengubah satu neutronnya menjadi proton untuk menjadi inti karbon. Agar muatan listriknya kekal, suatu muatan negative dibentuk (electron). Jika electron harus berada di dalam inti dengan ukuran diameter berorde besar 10-8 m maka menurut asas ketidakpastian Heisenberg, electron harus memiliki momentum dengan lebar jangkauan 20 𝑀𝑒𝑉/𝑐. Eksperimen membuktikan bahwa energy partikel dalam peluruhan umumnya kurang dari 1 MeV sehingga electron dengan energi 20 MeV tidak dapat berada di dalam inti dan diemisikan sebagai radiasi yang disebut sinar beta14. 12 𝐵 → 126 𝐶 + 𝛽− + υ̅ 5

υ̅ disebut anti neutrino, yaitu partikel netral yang tak bermassa seperti foton. Artinya, kelajuannya sama dengan c dan seluruh energinya bersifat kinetis. Analogi dengan 125 𝐵, 127𝑁 terlalu banyak cacah proton dibandingkan dengan cacah neutronnya untuk stabil. Oleh karena itu, meluruh degan mengubah sebuah proton menjadi neutron serta melepaskan sebuah muatan positif yang disebut positron9. 127 𝑁 → 126 𝐶 + 𝛽+ + 𝜐

disebut neutrino, yaitu partikel sejenis antineutrino dengan spin berlawanan tehadap spin neutrino. Selain peluruhan beta negative dan beta positif, ada satu lagi tipe peluruhan yang termasuk dalam peluruhan beta, yaitu tangkapan electron. Dalam tangkapan electron, sebuah electron orbit ditangkap oleh proton dalam inti untuk berubah menjadi neutron. Di sini cacah nukleonnya tetap, tetapi sebuah protonnya berubah menjadi neutron seperti pada peluruhan beta 7

Ibid., hlm. 182 Ibid. 9 Ibid. 8

positif. Electron dari kulit K memiliki kemungkinan terbesar untuk ditangkap oleh proton. Contoh tangkapan electron adalah pada 74𝐵: 7𝐵 + −1 𝑒 → 73𝐿𝑖 + 𝜐 4

Kita tidak dapat mengamati langsung proses tangkapan electron, tetapi dapat melihatnya dari radiasi sinar-X karakteristik yang dipancarkan karena electron kulit K yang telah ditangkap meninggalkan tempat kosong di kulit. Electron-elektron di kulit yang lebih luar akan mengisinya dengan melepas energy berupa sinar-X karakteristik inti turunan. Berikut adalah penjelasan ketiga tipe peluruhan beta secara rinci. a) Peluruhan Beta Negative (𝛽−) Peluruhan inti induk I menjadi turunan T dapat dituliskan sebagai berikut: (inti) Kekekalan energi menghasilkan persamaan : (mI − Zme)c2 = [mT − (Z + 1)me]c2 + mec2 + Ekin T + Ekin e + Ekin υ̅ 𝑚𝐼 − 𝑍𝑚𝑒 = 𝑚𝑇 − 𝑍𝑚𝑒 − 𝑚𝑒 + 𝑚𝑒 + 𝑄/𝑐2 Dengan, 𝑄 = 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑇 + 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑒 + 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝜐̅ Kita peroleh persamaan (3.4) : 𝑚𝐼 = 𝑚𝑇 + 𝑄/𝑐2 Persamaan tersebut menunjukkan bahwa peluruhan 𝛽−hanya mungkin jika 𝑚𝐼 > 𝑚𝑇. Dari persamaan ini pula, nilai Q suatu peluruhan dapat dihitung langsung, yaitu persamaan (3.5) : 𝑄 = (𝑚𝐼 − 𝑚𝑇)2 Misalnya pada peluruhan 125𝐵 menjadi 126𝐶, energy peluruhannya adalah: 𝑄 = (𝑚𝐵 − 𝑚𝐶)2 𝑚𝐵 = Massa atom atom

= 12,014354 u 𝑚𝐶

= 12,000000 u

𝑚𝐵 − 𝑚𝐶 = 0,014354 𝑢

= Massa

𝑄 = 0,014354 𝑢 × 𝑐2

𝑄 = 13,37 𝑀𝑒𝑉

b) Peluruhan Beta Positif (𝛽+) Persamaan reaksi peluruhan :

Seperti pada proses peluruhan beta negative, kekekalan energy memberikan: 𝑚𝐼 − 𝑍𝑚𝑒 = [𝑚𝑇 − (𝑍 − 1)] + 𝑚𝑒 + 𝑄/𝑐2 Atau 𝑚𝐼 = 𝑚𝑇 + 2𝑚𝑒 + 𝑄/𝑐2 Peluruhan beta positif hanya mungkin jika massa induk lebih besar paling tidak 2 𝑚𝑒terhadap massa turunan.

c) Tangkapan Elektron Persamaan reaksi peluruhannya secara umum adalah 𝑚𝑒 + (𝑚𝐼 − 𝑍𝑚𝑒) = [𝑚𝑇 − (𝑍 − 1)] + 𝑄/𝑐2 Atau 𝑚𝐼 = 𝑚𝑇 + 𝑄/𝑐2 Seperti peluruhan , peluruhan

dapat pula diikuti oleh radiasi gamma

(𝛾). Neutrino dan antineutrino pada mulanya merupakan partikel yang didalilkan oleh pauli (1931) sebelum akhirnya terbukti dari pengamatan bahwa keduanya bertanggungjawab atas terjadinya kekekalan energy dan spin. Misalnya, pada proses peluruhan dari neutron menjadi proton dan electron, kalau tak ada antineutrino maka hokum kekekalan momentum sudut akan melanggar. Namun, dengan kehadiran antineutrino hal ini terhindar. Akibatnya, distribusi energy sinar beta mempunyai spectrum yang kontinu. Hal ini dapat dipahami karena energy peluruhan Q tidak hanya

diberikan pada beta, tetapi juga kepada neutrino/antineutrino. Persamaannya (3.6) : 𝑄 = 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝑒 + 𝐸𝑘𝑖𝑛 𝜐 Energy maksimum sinar beta sama dengan energy disintegrasinya. 𝐸𝛽 𝑚𝑎𝑘𝑠 = 𝑄

c. Peluruhan Gamma ( ) Suatu inti dapat berda pada tingkat tereksitasinya misalnya sebagai akibat pelulruhan , peluruhan atau tumbukan dengan neutron, dan sebagainya. saat menuju tingkat dasarnya, inti tersebut melepas energy dalam bentuk radiasi gamma10. Energi sinar gamma (γ) akan berkurang atau terserap oleh suatu material yang dilewatinya. Karena ada penyerapan energi oleh bahan maka intensitas dari sinar gamma akan berkurang setelah melewati material tersebut. 𝐼 = 𝐼0. 𝑒 − 𝜇𝑥 Dengan : I

= Intensitas sinar gamma yang berhasil melewati material

Io = Intensitas mula-mula X = Tebal material Μ = Koefisien atenuasi linier atau koefisien pembanding yang besarnya tergantung sifat material penyerap dan energi sinar gamma. Jika tebal material penyerap L, maka:

Jika intensitas I yaitu intensitas sinar gamma yang berhasil melewati material tinggal separoh dari intensitas awal, maka tebal material tersebut dinamakan Lapisan Harga Paroh (Half Value Layer = hvl).

10

Ibid., hlm. 186

d. Sifat Radiasi 𝛼, 𝛽, 𝑑𝑎𝑛 𝛾11 Radiasi

Hakikat

Inti Helium

Daya Ionisasi

Daya Tembus

Oleh Medan Magnet

Kuat

Dihentikan oleh selembar kertas

Sedikit dibelokkan

m/s Sedang

Dihentikan oleh lempeng aluminium

Kelajuan

107 m/s Mendekati

Elektron Gelombang Elektromag netik

3×

104

3 × 10 8 m/s

Lemah

Dihentikan oleh selembar timbal

Dibelokkan dengan kuat

Tidak dibelokkan

e. Deret Radioaktif Sering kali suatu peluruhan isotope radioaktif menghasilkan isotope lain yang juga radioaktif. Inti anak yang radioaktif ini selanjutnya meluruh menghasilkan isotope ketiga yang juga radioaktif. Proses peluruhan radioaktif ini terus berlangsung sampai diperoleh isotope yang stabil. Proses peluruhan berturut-turut seperti ini dikataan peluruhan radioaktif berantai, yang umumnya mengikuti tahapan-tahapan tertentu yang mengikuti suatu deret radioaktif12. 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 isotope-isotop anggota suatu peluruhan berantai berbeda dengan kelipatan 4. Dengan demikian kita harapkan ada empat deret radioaktif yang mungkin dengan nomor massa A dapat kita nyatakan dengan rumus 4n, 4n+1, 4n+2, dan 4n+3, dengan n adalah bilangan bulat. Masing-masing deret radioaktif diberi nama sesuai dengan inti induksinya. Deret radioaktif 4n+2 diberi nama deret uranium karena inti induknya adalah 23892 , yang mengalami peluruhan berantai sampai tercapai inti akhir stabil 20682𝑃𝑏. Deret radioaktif 4n+3 diberinama deret actinium karena inti induk stabilnya 23892 , yang mengalami peluruhan berantai sampai tercapai inti akhir stabil 20782𝑃𝑏. Deret radioaktif 4n di berinama deret thorium karena inti induknya adalah 23290𝑇ℎ, yang mengalami peluruhan berantai sampai tercapai inti akhir stabil 20882𝑃𝑏. Deret radioaktif 4n+1 diberi nama deret neptunium karena inti

11 12

Supiyanto. Op. Cit., hlm. 295 Kanginan. Op. Cit., hlm. 375

induknya adalah 23793𝑁𝑝, yang mengalami peluruhan berantau sampai tercapai inti induknya stabil 20983𝐵𝑖. Keempat deret radioaktif ini dirangkum dalam tabel. Para ahli percaya bahwa hampir semua nuklida yang terdapat di bumi dibentuk bersamaan dengan terbentuknya Bumi, kira-kira 5 miliar tahun yang lalu (5,0 x 109 tahun). Deret neptunium yang diawali dengan inti induk memiliki waktu paro 2,14 x 106 tahun (jauh lebih kecil dari umur Bumi), sehingga saat ini unsur 237Np sudah tidak terdapat di Bumi. Karena itu ketiga deret ini masih hadir saat ini di Bumi. Demikian pula banyak nuklida-nuklida yang memiliki waktu paro singkat dengan cepat meluruh sampai habis sehingga pada hari ini tidak lagi kita jumpai di alam. 237 𝑁𝑝 93

Karena deret radioaktif di alam memungkinkan lingkungan hidup kita secara konstan dilengkapi dengan unsur-unsur radioaktif yang seharusnya sudah musnah sejak lama. Sebagai contoh, suplai radium dengan waktu paro hanya 1600 tahun (jauh lebih kecil dari umur Bumi 5,0 x 109 tahun) seharusnya sudah musnah karena peluruhan radioaktif pada saat yang lalu. Tetapi karena adaya deret radioaktif uranium yang diawali dengan inti induk 23892𝑈 (waktu paro 4,47 x 109 tahun atau mendekati umur bumi) yang dalam beberapa langkah meluruh menghasilkan 226Ra, maka pada saat ini kita masih menjumpai unsur 226 Ra di alam. Tabel Deret Radioaktif13 Deret

Inti Induk (tahun)

13

Ibid.

Waktu paro deret

Rumus akhir

Inti Stabil

Uranium

238𝑈 92

4,47 × 109

4n+2

206𝑃𝑏 82

Aktinium

235𝑈 92

7,04 × 108

4n+3

207𝑃𝑏 82

Thorium

232𝑇ℎ 90

1,41 × 1010

4n

208𝑃𝑏 82

Neptunium

237𝑁𝑝 93

2,14 × 106

4n+1

209𝐵𝑖 83

Hitung defek massa dan energi ikat per nukleon dari inti , bila diketahui massa atom = 238,05076 sma, massa neutron = 1.00867 sma dan massa proton = 1,00728 sma! Penyelesaian : Diketahui :minti = 238,05076 sma mp = 1,00728 sma mn = 1,00867 sma Ditanyakan : a.'m = ...? b. Energi ikat per nukleon? Jawab : a. ' m = {(Zmp + (A – Z) mn – minti) Untuk atom maka nilai Z = 92 dan (A - Z) = (238 – 92) = 146 'm = {(92 (1,00728) + 146 (1,00867) – 238,05076} sma = {(92,66976 + 147,26582) – 238,05076} sma = {239,93558 – 238,05076} sma = 1,88482 sma Jadi, defek massanya adalah 1,88482 sma. Contoh Soal 299Fisika SMA/MA XII b. ' E = ' m . 931,5 Mev = 1,88482 . 931,5 MeV = 1755,7098 MeV Energi ikat per nukleon = = 7,38 MeV Jadi, energi ikat per nukleon adalah 7,38 MeV.