Tugas 2 (savira Ayu N).docx

TUGAS KIMIA INTI STABILITAS INTI, PELURUHAN ALFA, BETA DAN GAMMA

Disusun oleh :

Savira Ayu Ningtias

17030234015

Alfatus Solichah

17030234044

Weka Firda Rizki N.

17030234056

JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA

1. Stabilitas Inti (Kestabilan Inti dan Ketidakstabilan Inti) Dengan penemuan neutron maka dapat disimpulkan bahwa neutron merupakan massa pengikat proton dalam inti sehingga menghasilkan gaya tarik menarik yang mengimbangi gaya tolak Coulomb antar proton yang bermuatan positif. Oleh karena itu inti terdiri dari proton dan elektron. Jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah nomor atom (Z). Jumlah neutron dalam inti sama dengan bilangan neutron (N). Partikel penyusun inti yaitu proton dan neutron disebut nukleon . Jumlah nukleon atau jumlah proton dan neutron dalam inti sama dengan bilangan massa (A), dimana A=N+Z Salah satu sifat menakjubkan dari beberapa inti atom adalah kemampuan mereka untuk bertransformasi sendiri secara spontan dari suatu suatu inti dengan nilai Z dan N tertentu ke inti lainnya. Beberapa inti atom lainnya stabil, dalam arti mereka tidak meluruh ke inti atom yang berbeda. Biasanya utuk tiap nilai A terdapat satu atau dua inti stabil. Inti lainnya, dengan nilai A itu, tidaklah stabil sehingga akan mengalami semacam proses peluruhan, hingga kestabilannya tercapai. Stabil-tidaknya suatu nuklida hanya dapat diketahui dengan mendeteksi radiasi yang dipancarkan dengan menggunakan detektor radiasi inti. Nuklida yang stabil tidak akan memancarkan radiasi inti. Berdasarkan deteksi radiasi yang dipancarkan oleh nuklida, maka nuklida stabil dan tidak stabil beserta jenis peluruhannya dapat diketahui dan dapat dilihat pada tabel nuklida pada Gambar 1. Inti stabil adalah inti yang tidak dapat secara spontan meluruh atau berubah. Definisi kestabilan yang lebih terbatas adalah dengan memperhatikan jenis peluruhan yang tidak terjadi pada inti tersebut. Sebagai contoh,

238 92𝑈

tidak dapat meluruh secara spontan dengan

mengemisikan 𝛽 − atau 𝛽 − .

238 92𝑈

dikatakan mempunyai kestabilan β tetapi

tidak stabil pada peluruhan α. Ksetabilan dapat ditinjau dari berbagai aspek diantaranya massa dan kestabilan, angka banding proton-neutron, dan energi pengikat inti.

Gambar 1. Tabel Nuklida Jadi, untuk menyatakan kestabilan inti harus menyertakan jenis peluruhannya. Kestabilan inti terhadap jenis peluruhan tertentu dapat diketahui dengan memperhatikan massa total inti mula-mula dengan massa total inti hasil. Jika perubahan inti berlangsung eksotermik, maka massa total hasil harus kurang daripada massa total inti mula-mula. Misalnya, 22 11𝑁𝑎

tidak dapat secara spontan mengemisikan partikel α menjadi

oleh karena massa hasil (yaitu massa 42𝐻𝑒 + massa pada massa

22 11𝑁𝑎

18 9𝐹

18 9𝐹 ,

lebih besar dari

dengan perbedaan sekitar 9,105 .s.m.a.

Gambar 2 Peta Kestabilan Nuklida Inti

suatu

nuklida

dapat

mengalami

peluruhan

dengan

memancarkan sinar-sinar radioaktif. Nuklida dapat mengalami peluruhan

oleh karena intinya tidak stabil. Nuklida tersebut disebut dengan nuklida radioaktif

tau

radionuklida.

Suatu

inti

dianggap

stabil,

apabila

radioaktivitasnya tidak dapat dideteksi dengan alat-alat deteksi yang ada. Definisi semacam ini tentu tidak tepat, karena bergantung pada kepekaan alat deteksi yang digunakan. Kriteria yang lebih tepat ialah yang berdasarkan persamaan Einstein mengenal ekivalensi massa dan energi, yaitu : (Krane 1992) E = mc2 Dimana E = energi c = kecepatan cahaya = 2,99 × 1010 cm/det m = massa Jadi massa suatu inti adalah ukuran langsung dari energi yang dimilikinya. Kestabilan inti merupakan persoalan energi. Energi yang terkait dengan masalah tersebut adalah energi pengikat inti. Energi inti biasanya dinyatakan dalam elektorn volt (eV), keV, MeV (1 MeV = 103 keV = 106 eV (Willis 1989). Dengan menggunakan persamaan Einstein tentang ekivalensi massa dan energi dpat dihitung, bahwa 1 satuan massa atom (s.m.a.) = 931 meV Berdasarkan uraian ditas sebagai contoh dapat dihitung energi pengikat inti Helium, sebagai berikut: Massa neutron

= 1,008665 s.m.a.

Massa proton

= 1,007825 s.m.a.

Dalam inti Helium terdapat : 2 neutron dengan massa

= 2,01733 s.m.a.

2 proton dengan massa

= 2,01565 s.m.a.

Massa 2 neutron +2 proton

= 4,03298 s.m.a.

Massa inti Helium

= 4,00260 s.m.a.

Selisih massa

= 0,03038 s.m.a.

Menurut persamman Einstein 1 s.m.a. = 931 meV

Jadi energi pengikat inti Helium ( 42𝐻𝑒) = 0,03038 × 931 meV = 28,2960 meV. Energi pengikat inti pengikat rata-rata per nukleon (ada 4 nukleon dalam inti Helium) = 7,1 MeV (kurang lebih).

Gambar. 2 Energi pengikat rata-rata per nukleon sebagai fungsi A (Friedlander, 1981) Bahwa energi pengikat rata-rata per nukleon hampir selalu konstan untuk nuklida-nuklida yang telah dikenal dengan nilainya berkisar 6-9 meV dengan harga maksimum 55 (Fe dan Ni). Gambar. 2 memebrikan energi pengikat rata-rata per nukleon sebagai fungsi bilangan massa A. Hal ini menandakan bahwa besi dan nikel unsur dengan inti paling stabil. Kestabilan inti tidak dapat diramal dengan suatu aturan. Namun, ada beberapa aturan empiris yang dapat digunakan untuk mengenal inti yang stabil dan yang radioaktif, diantaranya: a) Semua inti mengandung 84 proton (Z = 84) b) Aturan ganjil genap, bahwa inti yang mengandung jumlah proton genap dan jumlah neutron genap genap lebih stabil dari inti yang mengandung jumlah proton dan neutron yang ganjil

Jumlah Proton-Neutron

Inti yang Stabil

genap – genap

157

genap – ganjil

52

ganjil – genap

50

ganjil – ganjil

5 Tabel 1 Aturan Ganjil Genap

c) Bilangan sakti (magic numbers) inti stabil jika dalam inti tersebut terdapat jumlah proton dan jumlah neutron sama dengan bilangan sakti (magic numbers) atau konfigurasi kulit tertutup (closed shell configurations) untuk proton dan neutron. Untuk proton

= 2, 8, 20, 28, 50 dan 82

Untuk neutron

= 2, 8, 20, 28, 50, 82 dan 126

Isotop – isotop yang stabil : 16 40 208 4 2𝐻𝑒 8𝑂 20𝐶𝑎 82𝑃𝑏

d) Kestabilan Inti dapat dikaitkan dengan perbandingan neutron-proton 𝑁

(𝑍)

Gambar 4. Tingkat Kestabilan Inti Pada inti tampaknya kestabilan ekstra disebabkan pula oleh nukleon yang mengisi kulit sampai penuh dan oleh karena itu sangat mungkin susunan nukleon dalam inti sama dengan susunan elektron dalam kulit atom. Hal ini didukung oleh nukleon sejenis yang saling

berpasangan. Hanya saja bilangan yang menyatakan jumlah Z atau n pada inti ekstra-stabil tidak sama dengan jumlah Z pada atom ekstra-stabil. Hal ini karena pada inti tidak ada sentral dan nukleon menempati ruang yang sangat kecil sehingga dapat mengakibatkan adanya interaksi spin (s) dengan orbit (l) (spin-orbit coupling) dan menyebabkan terjadinya splitting (pemecahan) tingkat energi. Inti tak stabil bertransformasi ke dalam inti lain melalui dua proses eluruhan berbeda yang mengubah Z dan N sebuah inti (berbagai eksitasi inti dapat memancarkan foton, sinar gamma, tetapi tidak mengubah Z dan N_. Kedua proses ini disebut peluruhan alfa dan peluruhan beta. Ketiga proses peluruhan ini (alfa, beta, gamma) adalah peluruhan radioaktif (radioactive decay) (Hill 1987). 2. Peluruhan Alfa (α) Dalam serangkaian percobaan yang dilakukan oleh Ernest Rutherford dan rekannya, mendapatkan hasil tentang hal-hal penting dari peluruhan alfa (α). Partikel alfa (α) adalah pengion yang paling banyak dipancarkan oleh sumber alami (dengan pengecualian yang sangat langka dari fisi spontan uranium) dan dihentikan hanya seperti selembar kertas atau beberapa centimeter udara. Partikel-partikelnya cukup energik (Eα = 4-9 MeV)

tetapi berinteraksi sangat kuat dengan elektron ketika

menembus ke dalam material dan berhenti dalam jarak 100 μm pada sebagian besar material terkondensasi. Partikel alfa (α) memiliki peran penting dalam fisika nuklir sebelum penemuan akselerator partikel bermuatan dan banyak digunakan dalam penelitian. Oleh karena itu peluruhan alfa (α) telah diketahui selama beberapa waktu. Proses peluruhan alfa dapat dituliskan sebagai berikut:

Contohnya peluruhan alfa pada

238

U dapat ditulis sebagai berikut:

Inti yang memancarkan partikel alfa (24He), bilangan massanya akan berkurang dengan 4, sedangkan nomor atomnya turun dengan 2, sehingga peluruhan alfa dapat ditulis sebagai berikut: 𝐴 𝑍𝑋

𝐴−4 4 𝑍−2𝑋 + 2𝐻𝑒

Nuklida-nuklida dengan jumlah proton dan neutron yang terlalu banyak, dapat dikatan mempunyai terlalu banyak massa. Pada keadaan ini ada kecenderungan nuklida-nuklida untuk melepaskan massa dalam bentuk partikel alfa (α), yang proses ini disebut dengan peluruhan alfa (α). Peristiwa ini terutama terjadi pada nuklida-nuklida berat dengan Z ≥ 79. a. Peluruhan Alfa dan Energi Pengikat Partikel alfa terdiri atas empat nukleon. Dalam peluruhan alfa ini dipancarkan suatu partikel alfa yang terdiri atas empat nukleon, nukleon-nukleon ini tidak dipancarkan secara sendiri-sendiri karena adanya energi-energi pengikat nuklir. Pembebasan satu nukleon tunggal membutuhkan persediaan energi sebanyak kira-kira 5,8 MeV, tetapi pembebasan suatu partikel alfa diiringi dengan suatu surplus energi sebanyak 5 MeV, yang timbul dalam bentuk energi kinetik dari partikel alfa itu. Peluruhan alfa adalah termasuk jenis peluruhan yang membebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat daripada inti semula. Energi yang terbebaskan yang muncul sebagai energi kinetik partikel alfa dan inti anak, dapat dihitung dari massa semua inti yang terlibat menurut persamaan Q = [m(X)-m(X’) – m (α))]c2 Atau ketika energi yang terbebaskan muncul sebagai energi kinetik , maka Q = Kx’ + Kα Energi kinetik Kα dari partikel alfa yang dipancarkan tidak pernah tepat sama dengan energi disintegrasi Q, karena kekekalan momentum mengharuskan inti bergerak mundur dengan energi kinetik kecil, ketika partikel alfa terpancar. Sebagai akibat

energi Kα berhubungan dengan Q dan nomor massa A dari inti semula melalui hubungan Kα =

𝐴−4 𝐴

Q

(Krane 1992) Secara umum nilai Q meningkat dengan bertambahnya jumlah massa , tetapi perbedaan pada massa kulit terluar karena efek kulit yang dapat mengangggu sistem peningkatan

Gambar 5 Varasi Energi Peluruhan Alfa Energi potensial elektrostatik antara dua muatan inti atom positif, disebut potensial couloumb yang dapat dirumuskan sebagai berikut

b. Penerobosan Penghalang Potensial Kita misalkan ketika partikel alfa terbentuk dari dua proton dan dua neutron yang berada didalam sebuah inti atom yang dalam waktu tertentu akan berpisah dan bergabung. Partikel alfa terikat dalam inti atom oleh gaya inti. Ketika dia bergerak dan melewati jari-jari inti R, akan terkena tolakan Coulomb dari inti anak. Agar partikel alfa dapat muncul keluar adalah dengan menerobos penghalang.

Probabilitas penerobosan potensial penghalang oleh sebuah partikel dapat dihitung dengan memecahkan persamaan Schrodinger. Terdapat beberapa pengertian dari teori penerobosan dari peluruhan alfa 1. Partikel alfa bisa ada sebagai suatu partikel di dalam inti. 2. Partikel semacam ini terus menerus dalam keadaan gerak dan dibatasi geraknya hanya dalam inti oleh rintangan potensial yang melingkunginya. 3. Terdapat peluang kecil tetapi tertentu untuk partikel ini melewati rintangan ini (walaupun tinggi) setiap kali terjadi tumbukan dengannya (Hill 1987). c. Waktu Paruh dan Energi Partikel Alfa Secara kualitatif hubungan antara energi yang dibebaskan dan waktu paruh nuklida pemancar alfa, yaitu makin besar energi partikel alfa yang dipancarkan, makin pendek waktu paruh nuklida pemancar alfa bersangkutan, dengan grafik sebagai berikut

Gambar 6 Grafik Peluruhan Alfa Untuk menentukan waktu paruh untuk peluruhan alfa dapat dihitung dengan persamaan

Jarak tempuh (R) adalah jarak yang ditempuh oleh partikel dalam udara sebelum energinya habis dan termasuk suatu ukuran dari energi partikel. Hubungan kuantitatif antara tetapan peluruhan dan jarak tempuh atau dikenal dengan “kaidah Geiger-Nuttall” dapat dirumuskan sebagai berikut log = a + b log R Peluang peluruhan tiap satuan waktu λ dapat dinyatakan sebagai berikut : λ = vT v = banyaknya tumbukan per detik T = peluang partikel untuk menembus rintangan tersebut Frekuensi tumbukan dengan potensial perintang nuklir v=

𝑣 2𝑅𝑜

v

menyatakan kecepatan partikel alfa ketika partikel itu

meninggalkan inti dan Ro adalah jari-jari nuklir (Hill 1987). d. Faktor Penghalang Peluruhan dari inti A yang aneh disebut sebagai penghalang peluruhan, dan faktor penghalang dapat didefinisikan sebagai perbandingan dari waktu paruh parsial yang diukur untuk memberika transisi ke waktu paruh yang dapat dihitung dengan teory yang diaplikasikan pada inti. Secara umum, penghalang untuk inti A dapat dibedakan menjadi 5 yaitu: 1. Jika faktor penghalang antara 1 dan 4 transisi disebut transisi “favored”. 2. Faktor penghalang antara 1 dan 4 menunjukan pencampuran atau tumpang tindih yang memnguntungkan antara bagian inti awal dan akhir yang terlibat dalam transisi.

3. Faktor penghalang antara 10 dan 100 menunjukan bahwa proyeksi putaran paralel awal dan akhir, tetapi fungsi gelombang tumpang tindih tidak menguntungkan. 4. Faktor penghalang antara 100 dan 1000 menunjukan transisi dengan perubahan paritas tetapi proyeksi dari kondisi awal dan akhir paralel. 5. Faktor penghalang lebih dari 1000, menunjukan bahwa transisi melibatkan perubhan paritas dan putaran balik, yaitu proyeksi putaran dari keadaan awal dan akhir adalah antiparalel, yang membutuhkan reorganisasi dalam bentuk pemancaran sinar alfa. 3. Peluruhan β Bila suatu nuklida mempunyai terlalu banyak neutron terhadap proton, maka neutron diubah menjadi proton, partikel beta dan netrino. n → p + β +v Dalam proses ini nomor atom Z bertambah dengan satu, dan prosesnya disebut peluruhan beta (β) (Willis 1989). Peluruhan beta merupakan satu cara untuk inti dapat mengubah komposisinya supaya mencapai kemantapan yang lebih besar. Kesukaran yang timbul dalam peluruhan beta adalah pemancaran elektron oleh inti, hakekatnya merupakan perubahan spontan dari neutron nuklir menjadi proton dan elektron, kesukaran tersebut dapat diatasi dengan menganggap bahwa elektron meninggalkan inti segera setelah elektron itu tercipta (Beiser 1990). Energi elektron yang teramati selama peluruhan β dari nuklida tertentu didapatkan bervariasi secara malar (kontinu) dari 0 hingga harga maksimum Kmaks yang merupakan karakteristik nuklidanya. Gambar 1.0 menunjukkan spektrum energi elektron yang dipancarkan dalam peluruhan beta dari

210 83𝐵𝑖 ,

dengan Kmaks = 1,17 meV. Spektrum kontinu yang

teramati menyatakan distribusi energi sebenarnya dari elektron yang dipancarkan oleh inti radioaktif beta. Dalam setiap kasus energi maksimumnya

Emaks = m0c2 + Kmaks

Gambar 7 Spektrum energi elektron dari peluruhan β Peluruhan β merupakan jenis peluruhan yang paling umum dikenal, sebab hampir semua nuklida tidak berada pada daerah kestabilan. Proses peluruhan β meliputi pancaran elektron secara langsung dari inti. Baik elektron yang bermuatan negatif maupun positron yang bermuatan positif dapat dipancarkan oleh inti yang sama dalam beberapa kasus khusus. Ada tiga jenis proses terjadinya peluruhan β : a. Pemancaran elekton (β-) 𝐴 𝑧𝑋

→

𝐴 𝑍+1𝑌

+ −10𝑒 + ṽ

Nilai Q pada peluruhan ini adalah 𝑄𝛽− = (𝑀𝑝 − 𝑀𝐷 )𝑐 2 Energi yang dilepaskan dalam peluruhan ini (nilai Q) muncul sebagai energi antineutrino, energi antineutrino, energi kinetik elektron, dan sejumlah kecil energi kinetik pental inti. Elektron memiliki energi kinetik maksimumnya apabila energi antineutrino hampir 0 (Krane 1992). Dari persamaan ini menyatakan bahwa peluruhan β- akan terjadi kapan saja massa atom induk lebih besar dari massa atom anak, dan energi disintegrasi, Q yang dilepaskan sebagai energi kinetik sama dengan perbedaan massa mereka. Peluruhan beta ini akan stabil jika ~0.5-2 MeV. b. Pemancaran positron (β+)

Elektron positif biasanya disebut dengan positron ditemukan di tahun 1932. Sifat positron identik dengan sifat elektron, kecuali muatan yang dibawanya adalah +e sebagai ganti –e. Pemancaran positron bersesuaian dengan konversi proton nuklir menjadi neutron (Beiser 1990). 𝐴 𝑧𝑋

→

𝐴 𝑍−1𝑌

+ +10𝑒 + 𝑣

Nilai Q pada peluruhan ini adalah 𝑄𝛽− = (𝑀𝑝 − 𝑀𝐷 )𝑐 2 − 2𝑚𝑒 𝑐 2

Gambar 8 Spektrum positron yang dipancarkan dalam peluruhan beta positif Peluruhan ini memiliki nilai Q yang negatif, sehingga tidak pernah teramati terjadi di alam bagi proton bebas. Hanya proton dalam inti atom yang dapat mengalami proses peluruhan ini. Pada perhitungan ini dipergunakan satuan massa atom (Beiser, Arthur. 1990). Peluruhan beta ini akan stabil jika ~2-4 MeV. c. Penangkapan elektron Salah satu proses peluruhan inti yang menyaingi pemancaran positron adalah penangkapan elektron (electron capture) (Krane Kenneth, S. 1992). Proses penangkapan elektron dan pemancaran positron megahasilkan transformasi nuklir yang sama. Penangkapan elektron terjadi lebih sering daripada pemancaran positron dalam unsur berat karena orbit elektron unsur seperti itu memiliki jari-jari lebih kecil, elektron yang lebih dekat ini memungkinkan interaksi yang lebih kuat dengan intinya (Beiser 1990).

𝐴 𝑧𝑋

+ −10𝑒 →

𝐴 𝑍−1𝑌

+𝑣

Nilai Q pada peluruhan ini adalah 𝑄𝐸𝐶 = (𝑀𝑝 − 𝑀𝐷 )𝑐 2 Supaya penangkapan elektron terjadi, massa atom induk harus lebih besar dari massa sebuah atom dengan A sama dan dengan Z berkurang satu. Proses ini memenuhi energi gap yang ditunda oleh dua proses peluruhan beta lainnya. Jika elektron-elektron inti berat, dalam proses dari elektron-elektron itu bergerak melingkar yang dekat dengan inti, maka elektron-elektron tersebut akan ditangkap jika : a) Elektron yang di kulit K yang ditangkap, proses penangkapan elektron-elektron tersebut disebut K capture atau penangkapan K. b) Ruang kosong pada kulit K atau kulit L diisi oleh muatan dari kulit yang berada di luarnya c) Karena terdapat partikel tidak bermuatan dipancarkan dalam proses penangkapan elektron, maka proses yang diamati hanya pada pemancaran karakteristik sinar X. d) Terdapat beberapa kemungkinan pemancaran sinar X, kulit K yang bereksitasi akan melakukan eksitasi lagi dengan memberikan energinya pada elektron kulit L yang akan dipancarkan dengan energi kinetik Ke (Beiser, Arthur. 1990). Peluruhan beta ini akan stabil jika ~0.5-2 MeV. Interaksi nuklir yang kuat yang mengikat nukleon bersama untuk memhentuk inti tidak bisa menerangkan peluruhan beta. Interaksi berjangkauan pendek yang lain ternyata bertanggung jawab untuk gejala itu: nteraksi lemah. Sejumlah struktur materi yang dipersoalkan, peranan interaksi lemah kelihatannya terbatas pada penyebab peluruhan beta didalam inti yang rasio neutron atau protonnya tidak memadai untuk menjaga kemantapan. Interaksi ini juga mempengaruhi partikel elementer yang bukan merupakan bagian dari inti dan dapat menyebabkan transfomasi menjadi partikel lain (Beiser 1990). Nama” interaksi lemah” timbul karena gaya berjangkauan pendek lain yang mempengaruhi nukleon sangat kuat seperti yang

ditunjukan oleh energi ikat yang sangat tinggi dari inti. Interaksi gravitasional lebih lemah dari pada interaksi lemah pada jarak di mana yang kedua merupakan faktor penting. Jadi ada empat interaksi pokok yang dipandang cukup untuk mengatur struktur dan perilaku seluruh alam semesta fisis, dari atom sampai galaksi bintang : gravitasional, elektromagnetik, nuklir kuat, nuklir lemah (Beiser 1990). 4. PELURUHAN 𝜸 Peluruhan gamma adalah peristiwa pemancaran sinar gamma (foton) yang terjadiketika suatu inti yang berada dalam keadaan tereksitasi kembali ke keadaandasar (ground state). Peluruhan gamma dapat terjadi pada peluruhan alpha dan beta ketika inti akhir masih berada pada keadaan eksitasinya. Energi sinar gamma yang dipancarkan sama dengan perbedaan energi antaradua tingkat energi dikurangi dengan energi kinetik inti yang terpental. Peluruhan 𝛾 terjadi ketika inti atom keluar dari lintasan yang menyebabkan pengeluaran energy dengan emisi radiasi elektromagnetik yang terjadi pada foton X* → AX + 𝛾

A

Dimana symbol * mengindikasikan pengeluaran orbit pada inti atom (tereksitasi). Hanya ada satu yang dapat mendapatkan emisis sinar 𝛾. Dimana, transisi sinar 𝛾 tidak dapat berpindah ke batas bawah pada inti atom.

Gambar 9 Diagram transisi sinar 𝛾untuk inti atom dan hasil energy spectrum sinar 𝛾. Jika terdapat dua konfigurasi inti atom yang mempunyai tingkat enegri yang sama namun memiliki perbedaan total angular momenta. Salah satu darinya yang energinya lebih rendah tentunya mempunyai transisi yang

berbeda sesuai momentum angular yang ada. Rantai panjang inti atom ini dinamakan isomer, dan sinar 𝛾 disebut isomer transisi. a. Sifat-sifat sinar  Sifat-sifat sinar 1) Memiliki daya tembus paling besar tetapi daya ionisasi paling lemah. 2) Tidak dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnetic. 3)Sinar

merupakan radiasi elektromagnetik dengann panjang

gelombang yang sangat pendek.Sinar hamper tidak bermassa. 4) Kecepatan bernilai sama dengan kecepatan cahaya di ruang hampa. 5)Sinar dalam interaksinya menimbulkan peristiwa fotolistrik atau juga dapat menimbulkan produksi pasangan.Dalam interaksi dengan bahan,seluruh energi sinar diserap oleh bahan.Peristiwa inilah yang disebut produksi pasangan (Setiawan 2007). b. Energetika Sinar 𝛾

Gambar 10 Peluruhan 69Znm Berdasarkan penggunaan hukum momentum p 𝛾 = pr energy kinetic memiliki energy non reltivitas sangat kecil maka dapat digunakan Tr = pr2 / 2Mo Tr = p 𝛾2 / 2M Tr = E 𝛾2 / 2Mo

c. Klasifikasi Jenis Peluruhan Momentum angular menyediakan ssnagt banyak informasi dari nuclei dan mengatur jalannya peluruhan sinar . Momen angular dan keseimbangan memiliki perbedaandan memiliki perbedaan dampak emisi foton. Momen anguler dari awanl hingga akhir pada inti atom dapat ditandai dengan Iih dan Ifh dan merubah momen angular intrinsic ∆𝐼 (ℎ), l = ∆𝐼 = |(Ii – If)|h. Foton membawa setidaknya satu momen angular jadi jika ∆𝐼 = 0 dapat menghilangkan emisi foton tunggal. Emisi foton akan memiliki spin minimum untuk menghubungkan dua inti atom. Momentum angular yang yang didapatkan dari foton dapat ditentukan dengan: |(Ii – If)| ≤ l ≤ (Ii + If) h Multipolar dari foton adalah quantitas yang memuat momen angular yang didapatkan dari foton. Nomenclature adalah foton dengan l momen angular yang dimaksud 2l- foton tiang. Nomenclature berasal dari radiasi elektromagnetik klasik dan model antenna menggunakan pasangan. Transisi lebih kuat pada perubahan momen angular dari inti atom yang dimaksud transisi lurus. Untuk

dapat

mengetahui

transisi

elektromagnetik

maka

dibutuhkan lintasan awal dan akhir transisi dari inti atom yang dapat dilihat pada tabel distribusi zat dan perubahannya. Tabel 2 Alur sinar gamma dan multipolar

Ketika inti atom tereksitasi maka terbentuklah transisi dari lintasan yang memiliki energi rendah persebaran zat dan isinya akan

berubah pada kondoso lain. berdasarkan daftar foton kita dapat membuat kesimpulan prosedur untuk mengidentifikasi kemampuan jenis foton untuk memberikan transisi antara lintasan pada inti atom. Pertama, keseimbangan foton didapatkan dari perbedaan dalam keseimbangan dari dua inti inti. Kemudian, momen angular foton akan menyempit menjadi |Ii – If| menjadi Ii + If. kombinasi antara momen angular

dan

keseimbangan

dapat

dijelaskan

menjadi

radiasi

elektromagnetik. Jadi, inti atom tidak efektif ketika gabungan ukuran terlalu kecil yang tercampur dengan panjang gelombang dan radiasi sinar 𝛾. Sinar 𝛾 berada pada gelombang panjang yang terbatas dan sangat tidak sensitive untuk menjelaskan struktur internal dari emisi inti atom. d. Nilai Transisi Elektromagnetik Berdasarkan nilai yang tereksitasi akan meluruh dengan emisi foton yang merupakan masalah mekanika kuantum yang umum yang mana tidak sedikit dapat ditemui pada inti atom. Derivate yang lebih spesifik dari nilai transisi yaitu cakupannya dan harus digambarkan hasilnya. Konstanta peluruhan emisi foton dengan definisi yang sangat bagus yaitu yang memiliki tingkat energinya berlebih yang ditunjukkan Appendix E untuk memberikan fungsi umum:

Persamaan diatas disebut juga dengan hokum Fermi. Bentuk dan kekuatan dari perturbasi akan menjadi multipolar dari transisi. Faktor terakhir, 𝜌 (𝐸𝑓) adalah produk masa jenis dari nuklir dan bilanagn elektromagnetik yang tersedia untuk sistem setelah transisi. Gelombang awal berisi hanya nilai nuklir yang tereksitasi, dimana gelombang akhir memilki bagian untuk gelombang elektromagnetik dan nilai nuklir. Nilai peluruhan elektromagnetik dapat dicari dengan persamaan:

Pengurangan probabilitas transisi adalah elemen matriks untuk mengurangi fungsi gelombang nuklir dan oprator penjumlahan.

Victor weisskopf membagi persamaan umum untuk pengurangan probabilitas transisi yang diasumsikan dimana hasil transisi berasal dari perubahan partikel tunggal didalam nucleus dengan masa jenis yang sama dengan fungsi radius, R = r0A1/3 . persamaan radiasi multipolar ini dinamakan batas partikel tunggal Weisskopf :

Batas partikel tunggal untuk radiasi magnetik mutipolar dijelaskan dengan mengasumsikan bahwa perubahan pada keadaan nucleon tunggal

Salah satu kelengkapan padapersamaan diatas yaitu terdapat integral radial dari eksitasi multipolar dikenal dengan faktor r2l, dan dimensi ini B (E,l) dan Bsp (E,l) dilihat dari l. Walaupun batas patikel tunggal berkurang kelistrikan atau probabilitas tansisi magnetic dapat disubtitusikan pada persamaan transisi untuk mendapatkan perkiraan angka yang terdeeksitasi dibawah asumsi yang mana satu partikel sangat responsive untuk perubahan pada sistribusi listrik atau sumber listrik diganti dengan sumber nuklir. Nilai transisi sanagt melebihi batasnya, berkurangnya kekuatan l. transisi elektrik lebih cepat

daripada transisi magnetic dengan dua

magnitude. Kombinasi antara persamaan nilai transisi dan pengurangan probabilitas transisi untuk E1 transisi didapatkan :

Gambar 11. Persamaan partikel tunggal Weisskopf dari nilai (a) multipola elektrik dan

(b) multipola magnetic.

Nilai transisi selalu bertambah dengan tingginya kekuatan energy dari sinar 𝛾 jadi transisi energy yang rendah. Rumus transisi dirangkum pada tabel berikut: Tabel 3. Nilai transisi partikel tunggal Weisskopf (E 𝛾 dalam MeV)

Transisi sangat lengkap yang mana partikel anggota dalam perubahan. Jika transisi menurun menurun signifikan dari aturan Weisskopf, kemudian elemen matriks nuklir harus lebih kecil dari batas partikel tunggal., dan pemutaran awal dan akhir sanagt kecil. Perbandingan pengujian nilai peluruhan pada nilai Weisskopf sering disebut transisi pada unit Weisskopf. Dapat dilihat bahwa transisi E2 sering digantikan oleh magnitude lainnya yang bergabung dengan persamaan partikel tunggal. Contohnya pada transisi E2 pada batas bawah yang tereksitasi.

160

Dy dan tiga pertama

Gambar 12. Diagram skema batas bawah rotasi transisi 160Dy Nilai transisi untuk quadruplar ketika dikurangi pobabilitas transisi dapat ditulis quadrupol moment Q0 ,

Dengan koefisien Clebsch-Gordon , yang merupakan koefisien sangat normal untuk hasil spin . Koefisien normalisasi ditulis dalam persamaan :

Jadi pengurangan probabilitas adalah

Percobaan nilai transisi ini menyajikan pengukuran quadropol dari nucleus, dan kekuatan deformasi nucleus dengan quadropol yang sangat besar melebihi nilai transisi E2 karena nucleus berparsitipasi pada gabungan transisi menjadi partikel tunggal. Pada partikel tunggal persamaan peluruhan

sinar 𝛾 yang diasumsikan interaksi nucleon

dengan foton. e. Konversi Internal Konversi internal (IC) adalah proses bersaing untuk peluruhan g-ray dan terjadi ketika suatu nukleus tereksitasi berinteraksi secara elektromagnetik dengan orbital elektron dan mengeluarkannya. Transfer energi eksitasi nuklir ke elektron terjadi tanpa radiasi (tanpa emisi foton). energi elektron konversi internal, EKI, diberikan oleh

EIC = Etransition-Eenergi ikat Jika jika suatu transisi memiliki Etransisi ¼ 0,412 MeV, kamu akan melihat gambar 9.5 untuk melihat spektrum elektron konversi internal yang dipancarkan dengan melihat garis yang sesuai dengan ejeksi elektron dari K, L dan M. nukleus akan lebih mudah berinteraksi dengan elektron K daripada dengan elektron L dan M,

Gambar 13 Spektrum Energi Kinetik karena pada nukleus elektron K menghabiskan waktu yang lama untuk meluruh daripada elektron L dan M. karakteristik proses peluruhan dan kompetisi dengan emisi sinar gamma kita bisa mendefinisikan sebagai konversi koefisien internal alfa oleh hubungan : 𝛼=

𝑛𝑜𝑚𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑙𝑢𝑟𝑢ℎ𝑎𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑙 𝑛𝑜𝑚𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑙𝑢𝑟𝑢ℎ𝑎𝑛 𝑔𝑎𝑚𝑚𝑎

dimana alfa dapat mengambil nilai dari nol sampai tidak terhingga, sehingga dapat diperoleh =IC +  =  (1+) Hubungan ini bisa didefinisikan, konversi koefisien internal, untuk elektron yang berasal dari K hanya bisa menembak dari elektron kulit M, begitu seterusnya yang memberikan reaksi ke alfa L, alfa M. Probabilitas total peluruhan sama dengan jumlah dari setiap probabilitas peluruhan itu sendiri. 𝛼𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝛼𝐾 + 𝛼𝐿 + 𝛼𝑀 + ⋯

Konversi koefisien sangat tergantung pada massa jenis atom yang terletak ditengah inti, dan ity bisa dihitung dengan prinsip dari kimia atom. Lebih jelasnya akan dijelaskan pada gambar 9.6 mengenai konversi koefisien internal. konversi koefisien internal dapat juga dirumuskan sebagai :

dimana Z adalah nomor atom dimana atom tersebut mengalami konversi, n adalah nomor kuantum terhadap ikatan elektron yang keluar. dan RUMUS adalah konstanta yang memiliki nilai 1/37. konversi koefisien internal meningkat kira-kira sampai Z3, konversi internal sangat penting untuk inti yang padat. Faktor terakhir pada persamaan

ini

memberikan

energi

dan

ketergantungan

yang

multipolaritas dengan banyak konversi internal untuk

Gambar 14 Grafik Pengukuran Konversi Koefisien energi yang rendah dan transisi multipolaritas yang tinggi. Rasio K/L kurang lebih bernilai 8 sesuai dengan faktor n3.

Konversi terjadi kira-kira paling cepat 10 waktu daripada emisi peluruhan gamma untuk transisi pada inti. f. Korelasi Sudut Salah satu penurunan emisi untuk peluruhan gamma adalah distribusi sudut terhadap emisi radiasi dari keadaan tunggal oleh isotrop. Isotrop berasal dari inti yang acak dan proses penjumlahan semua kandungan magnet internal dan mungkin termasuk semua distribusi sudut. Kita menggunakan fakta pada penurunan dengan menggunakan reduksi elemen matriks. Distribusi sudut anisotrop hanya bisa diamati ketika arah yang disukai atau orientasi nuklir yang mapan terhadap emisi foton sebelumnya. Beberapa teknik yang pada orientasi hubungan sudut dengan medan maknetik ekstenal atau partikel lainnya atau emisi foton dari inti yang sama. Berbagai cara pada populasi yang tidak setara terhadap komponen magnetik pada emisi nuklir. Dua teknik yang secara sitematika ditampilkan pada gambar 9.7. Aplikasi penting lainnya pada korelasi sudut adalah penentuan multipolaritas terhadap transisi elektromagnetik. Kita bisa melihat hukum secara selektif yang sering memberi jarak posibilitas untuk peubahan spin, dan seringkali kedudukan yang tetap pada elemen matriks nuklir yang sama-sama multipolaritas. Pada identifikasi multipolaritas kita bisa mengukur

distribusi

sudut

terhadap

radiasi,

bagaimanapun

kita

tetap

membutuhkan acuan sumbu. Pada konsep teknik yang simpel untuk mengamati korelasi sudut adalah mengukur distribusi sudut terhadap radiasi dari inti relatif terluar digunakan medan magnet. Susunan magnet tehadap nuklir terluar mempunyai sudut momentum, I yang jika lebih dari 0 akan terpisah pada jarak terhadap medan magnet eksternal, Bext dan medan magnet memberikan referensi sumbu. Komponen yang terpisah memberikan dasar untuk teknik NMR dan MRI. Kesulitan pada teknik korelasi adalah terpisahnya komponen spin nuklir, Em memberikan rumusan secara simpel ∆𝐸𝑚 = 𝑔𝐼𝐵𝑒𝑥𝑡 𝜇0 Untuk energi yang sangat kecil. Dimana g merupakan rasio giromagnetik atau faktor untuk penempatan, dan 0=eh/2mpc adalah magnet nuklir. Kita seharusnya bisa membandingkan antar energi pada transisi nuklir.

Gambar 15 Contoh sematic Kita tidak bisa mengamati perbedaan energi transisi dengan perbedaan sudut distribusi. Kita bisa menggunakan teknik populasi dengan menggunakan distribusi Boltzmann pada energi termal ketika sampel dingin dimana temperatur kbT lebih kecil dari energi pemisah. Suhu yang cocok untuk mempertahankan orientasi nuklir pada medan magnet

eksternal adalah 10 mK. Pada keadaan dingin maka temperatur akan rendah, tetapi itu bisa diperbaiki dengan menggunakan teknik pendinginan He. Teknik yang umum untuk mengamati korelasi sudut dengan mendeteksi arah terhadap radiasi dari proses umpan tempat terluar dan ketika mengamati arah sudut distribusi relatif. Bisa diindikasi pada gambar 9.7 mengenai proses terjadinya transisi gamma dari kedudukan luar tertinggi atau bisa menjadi partikel beta atau alfa oleh induk nuklir. Partikel pertama yang memberikan acuan sumbu, tetapi juga mengenalkan teknik populasi terhadap substansi magnetik pada keadaan pertengahan yang diberikan pada transisi kedua untuk mendapat distribusi sudut anisotrop. Distribusi

sudut

oleh

intensitas

radiasi

elektromagnetik

memberikan fungsi analisis yang spesifik yang dituliskan pada istilah sudut, W(,m1), kuantitas sumbu relatif, Z, dan nomor kuantum magnetik,m1. Tergantung polanya terhadap multipol, dipol, quadrpol dan sebagainya, tetapi sama untuk elektrik dan transisi magnetik dengan permintaan yang sama. sebagai contoh distribusi sudut untuk radiasi dipol :

Pada representasi sematik terhadap distribusi sudut akan digambarkan pada gambar 9.8. peratama kita harus memberitahu fungsi hanya tergantung pada satu sudut, dan mereka adalah simetri silinder. Kita tidak bisa menemukan banyak asimetri radiasi dari sistem dengan hanya dua substansi, yaitu I=1/2,m1=1/2.

Gambar 16 Sematic Diagram

Intensitas m = 0 untuk dipol radiasi adalah nol sampai sumbu Z karena fungsinya menjadi nol, dimana m =+1 memberikan distribusi bukan nol yang tegak lurus pada sumbu Z. Diagram tingkat energi akan ditunjukkan pada gambar 9.8. Radiasi terhadap dua foton akan menghasilkan (1+cos2) dari relatif ke arah foton pertama. Pada kenyataanya radiasi tidak akan menjadi isotropik yang bisa dilihat dari sudut kuantum mekanik. Definisi yang sederhana sumbu Z adalah arah terhadap gaya foton pertama yang memiliki m1 = 1 karena Wdipol (, m1=0) dan foton tidak bisa diamati sepanjang sumbu Z. Transisi dipol pertama dari 0 ke 1 akan mengangkut satu unit sudut momentum, dan sudut momentum terhadap pengurangan inti harus sama dan seberang foton. Kemudian pada sudut momentum saat transisi kedua, foton selanjutnya harus memiliki m1=1 dan akan mengikuti distribusi relatif ke foton pertama dan sumbu Z. Distribusi sudut untuk peluruhan gamma bisa ditulis dengan rumus polinomial legend pada multipolaritas foton dan spin yang berada diantara kedudukan. Analisis yang umum untuk mengamati korelasi sudut bisa ditulis sebagai : 𝑊(𝜃) = (1 + 𝑎2 𝑐𝑜𝑠 2 𝜃 + 𝑎4 𝑐𝑜𝑠 4 𝜃 + 𝑎6 𝑐𝑜𝑠 6 𝜃 + ⋯ + 𝑎2𝐿 𝑐𝑜𝑠 2𝐿 𝜃 Teknik ketiga untuk membangun sumbu referensi untuk sudut korelasi bisa digunakan reaksi nuklir ketika arah partikel terlibat pada pendeteksi reaksi. Tabel 4 Hubungan Sudut

Reaksi nuklir bisa menjadi produk inti terhadap sudut momentum dengan karakteristik distibusi. Vektor sudut momentum akan terletak pada arah reaksi nuklir. Sebagai alternatifnya, nomor dan tipe terhadap emisi konversi elektron pada peluruhan juga sensitif ke sifat magnetik terhadap radiasi. Perhitungan konversi koefisien menggunakan karakter radiasi. g. Efek Mossbauer Proses terbalik bisa terjadi pada dua situasi yaitu pada reaksi nuklir disebut eksitasi Coulomb ketika ion dekat dengan inti dan ketika resonansi absorpsi terhadap peluruhan emisi gamma oleh nuklir. Mekanika kuantum mengadsopsi peluruhan gamma yang akan memindahkan inti dari keadaan dasar ke keadaan luar. Inti yang sendiri tidak bisa menyerap energi secara acak. Nilai energi dari emisi foton bisa dituliskan sebagai : 𝐸𝛾 = 𝐸𝛾0 (1 ± 𝛽𝑥 ) Dimana E0 adalah energi transisi. Distribusi energi relatif untuk emisi dan penyerapan foton akan ditunjukkan pada gambar 9.9 menggunakan lebar estimasi suhu (Walter D. Loveland 2006).

Gambar 17 Indikasi Sematik Efek Mossbauer sangat berbeda dengan teknik untuk mengatasi ketidakcocokan energi terhadap dua energi antara emisi nuklir dan penyerapan

nuklir.

Mossbauer

menjelaskan

resonansi

emisis/

penyerapan terhadap foton yang sangat kuat oleh ikatan atom dan penyerapan atom sampai kisi kristal. Massa kristal seharusnya digunakan untuk menghitung kecepatan mundur, tetapi massa pada bilangan Avogardo sangat besar daripada atom. Eksperimen Mossbauer memindahkan tumpang tindih antara energi foton oleh kisi kristal. Efek Mossbauer sangat sensitif pada energi terhadap kedudukan nuklir. Kegunaan inti sangat luas untuk mempelajari efek Mossbauer, yang digambarkan pada gambar 9.10

Gambar 18 Tingkat Energi h. Proses yang Menyebabkan Hilangnya Energi Foton-foton

yang

melalui

materi,

kehilangan

energi

dalam

perjalanannya tidak secara kontinu seperti partikel-partikel yang bermuatan. Ada tga mekanisme yang menyebabkan hilangnya energi gamma yaitu, efek fotokistrik, efek compton dan pembentukan pasangan. 1. Efek Fotolistrik Dalam proses ini foton gama berinteraksi dengan atom dan memindahkan seluruh energinya, biasanya pada elektron terdalam dan elektron ini kemudian terlempar ke luar. Energi kinetik yang terlempar ini dinyatakan oleh persamann : 𝐸𝐾 = ℎ 𝑣 − 𝐸𝑏

2. Efek Compton Ada kalanya bahwa foton gamma hanya menyerahkan sebagian energinya kepada elektron yang terikat atau bebas, foton selain kehilangan energi juga dibelokkan dari arah semula. Proses ini disebut efek compton. Efek compton juga menunjukkan perbedaan energi antara gamma semula dan gamma yang dhamburkan secara matematis ada hubungannya dengan sudut penghamburan. 3. Pembentukan pasangan merupakan mekanisme yang menyebabkan hilangnya foton gamma. Proses ini baru bisa terjadi jika energi foton melebihi 1,02 MeV. Dari energi foton yang hilang, 1,02 MeV digunakan untuk menciptakan pasangan elektron dan positron dan energi selebihnya dibawah oleh kedua partikel itu sebagai energi kinetik. Pada energi tinggi, pembentukan-pembentukan merupakan proses utama hilangnya energi foton gamma dan energinya dapat ditentukan dengan mengukur

energi

kinetik

yang

menyertai

elektron-positron.

Pembentukan pasangan selalu diikuti oleh anihilasi positron yang terbentuk. Hal ini menimbulkan kerumitan, karena tebentuknya foton berenergi rendah yaitu 0,51 MeV (Willis 1989).

Latihan Soal

1. Inti

12

N meluruh beta ke suatu keadaan eksitasi dari

12

C yang sudah itu

meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan sinar gamma 4,43 Mev . Hitunglah energi kinetik maksimum partikel beta yang dipancarkan? Jawab : Massa C dalam keadaan tereksitasi m C = (12,00000 + 4,43/931,5 ) = 12,004756 u Q = (m N - m C – 2me) 931,5 Mev Q = (12,08613 – 12,004756 – 2 X 0,000549 ) 931,5 Mev = 74,77 Mev 2. Berapakah jumlah neutron dalam nuklida 23892U ? Jawab :

A Z

X → 23892U

Jumlah proton = Z = 92 A = p + n = 238 n = 238 – p n = 238 – 92 n = 146 3. Lengkapilah persamaan rekasi peluruhan berikut 86

220

X

84

216

X + ZA ........

Jawab Partikel yang dilepaskan adalah A = 220 – 216 = 4 Z = 86 – 84 = 2 Persamaan reaksi peluruhan 86

220

X

84

216

X + 24α

4. Hitunglah energi kinetik partikel alfa yang dipancarkan dalam peluruhan alfa dari 226Ra. Jawab: 226 88 Ra138

86

222

Rn136 + 2 4α

Q = [m(226Ra)-m(222Rn) – m (α))]c2 = [ 226, 025406 u – 222,017574 u – 4,002603 u] 931,5 MeV/u = 4, 871 MeV

Kα =

𝐴−4 𝐴

Q

= (222/226) x 4,871 MeV = 4, 785 MeV 5. Apabila energi pengikat inti

55 25𝑀𝑛

= 482,065 MeV dan

55 26𝐹𝑒

= 481,052,

maka … Penyelesaian : Mn-55 relatif lebih stabil dari pada Fe-55. Oleh karena Mn-55 lebih stabil daripada Fe 55 dan Mn-55 dan Fe-55 seisobar, maka Fe-55 akan menjadi lebih stabil (menjadi Mn-55) disertai pemancaran 𝛽 + atau tangkapan elektron.

6. Inti

23

𝑁𝑒 meluruh ke inti

23

𝑁𝑎 dengan memancarkan beta negatif.

Berapakah energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan? Penyelesaian : Persamaan bentuk peluruhan: 23 10𝑁𝑒13

→

23 11𝑁𝑒12

+ 𝑒− + ṽ

Dan nilai Q nya dengan menggunakan massa atom 𝑄 = [𝑚( 23𝑁𝑒) − 𝑚( 23𝑁𝑎)]𝑐 2 = (22,994466 U – 22,989770 U) 931 meV/u = 4,317 meV

Daftar Pustaka

Beiser, Athur. Concept Of Modern Physics Foutrh Edition. Jakarta: Erlangga, 1990. Hill, McGaw. Concept Of Modern Physich Fourth Edition. Erlangga, 1987. Krane, Kenneth S. Fisika Modern . Jakarta: UI Press, 1992. Setiawan, Agus. "Fisika Inti dan Radioaktvitas." Juli 2007. https://anzdoc.com/modul-3-fisika-inti-dan-radioaktivitas.html (accessed Februari 2019, 5). Walter D. Loveland, David J Morrissey, Glenn T Seaborg. Modern Nuclear Chemistry. Canada: A John Wiley dan Sons, Inc, 2006. Willis, Ratna. Kimia Inti . Jakarta: Departemen Pendidikan dan Kebudayaan , 1989.