F i s i k a M o d e r n | 167
KERANGKA BAB 45.1 Interaksi Interaksi Melibatkan Neutron 45.2 Fisi Nuklir 45.3 Reaktor Nuklir 45.4 Fusi Nuklir 45.6 Detektor Nuklir 45. Berba!ai Ke!unaan Nuklir
45.1 Interaksi Melibatkan Neutron Fisi nuklir adalah proses saat ini yang terjadi pada reaktor nuklir nuklir dan menghasilkan menghasilkan l energi yang yang dipasok ke masyarakat masyarakat dengan transmisi transmisi listrik. listrik. Fusi nuklir adalah bidang bidang penelitian penelitian aktif, tetapi belum dikembangkan secara komersial untuk penyediaan penyediaan energi. energi. Kita akan membahas fisi pertama dan kemudian mempelajari fusi lebih lanjut pada bagian 45.4. Untuk memahami fisi nuklir dan fisika pada reaktor nuklir, kita harus terlebih dahulu memahami bagaimana neutron berinteraksi dengan inti. Karena sifat netralitasnya, neutron bukan merupakan bagian dari Coulomb dan sebagai hasilnya neutron tidak tidak berinteraksi langsung langsung dengan elektron atau inti. Oleh karena itu, neutron dapat dapat dengan mudah menembus menembus jauh ke dalam sebuah atom dan bertabrakan bertabrakan dengan inti.
F i s i k a M o d e r n | 168
ebuah neutron!idr neutron!idr "energi yang yang lebih besar dari sekitar sekitar # $e%& berjalan cepat dan mengalami banyak tabrakan dengan inti, dan memberikan beberapa energi kinetiknya di setiap tabrakan. Untuk neutro neutron n yang yang cepat cepat dalam dalam bebera beberapa pa kejad kejadian ian,, tabrak tabrakan an elasti elastiss mendom mendomina inasi. si. "o#erator karena karena sanga sangatt efektif efektif untuk untuk memperla memperlamb mbat at energ energii a'al neutron neutron..
kejadi kejadian an ini ini disebu disebutt (nti (nti $oderato $oderatorr
harus harus
memiliki massa rendah sehingga sejumlah besar energi kinetik dipindahkan untuk melakukan tabrakan elastis. )alam hal ini hydrogen adalah bahan alam yang melimpah di alam yang merupakan moderator yang baik untuk neutron. neutron. *ada
akhirnya akhirnya,, sebagian sebagian besar neutron membombardir membombardir moderator moderator menjadi
energy, sehingga neutron berada di neutron ter"al$ yang berarti neuton telah memberikan begitu banyak energy, termal kesetimbangan dengan dengan bahan moderator. moderator. +atarata energi energi kinetik neutron neutron pada suhu kamar yaitu ,dari *ersamaan -#,4,
yang sesuai sesuai dengan kecepatan kecepatan neutron neutron akarrata akarrata persegi persegi sekitar sekitar -. // m 0 s. 1eutron 1eutron termal termal memiliki distribusi kecepatan, seperti molekul dalam sebuah 'adah gas "lihat 2ab -#&. energy tinngi neutron, orangorang dengan energi beberapa $e%, thermalize "yaitu, thermalize "yaitu, energi ratarata mereka mencapai K a3g& dalam 'aktu kurang dari # ms ketika neutron bertumbukan dengan moderator. moderator. etelah etelah neutron neutron dalam keadaan termal dan energi neutron cukup cukup rendah, rendah, kemungki kemungkinan nan besar neutron akan ditangkap oleh inti, inti, yang disertai dengan emisi emisi sinar gamma. +eaksi tertangkapnya neutron oleh inti dapat ditulis "45.#&
etelah etelah neutron neutron ditangkap ditangkap,, inti
dalam keadaan keadaan seperti seperti ini hanya hanya memerluka memerlukan n 'aktu sangat sangat
singkat singkat sebelum sebelum gamma gamma mengala mengalami mi peluruhan peluruhan.. *roduk *roduk inti
biasanya biasanya radioakt radioaktif if dan meluruh meluruh
dengan dengan emisi emisi beta. ingkat ingkat penangkapan penangkapan neutron untuk mele'ati mele'ati setiap sampel sampel tergantun tergantung g pada jenis atom dalam sampel dan energi neutron (nteraksi neutron dengan meningkatannya materi maka energy neutron akan menurun karena neutron terlalu lama menghabiskan inter3al 'aktu yang lebih besar di sekitar sasaran inti.
F i s i k a M o d e r n | 169
45.2 FI%I N&K'IR
eperti yang yang dikatakan pada bagian 44.-, (isi nuklir terjadi ketika massa inti, seperti , terbagi terbagi menjadi menjadi dua inti yang yang lebih kecil. kecil. Fisi dimula dimulaii ketika massa massa inti inti menangkap menangkap neutron neutron termal termal sepert sepertii yang dijelas dijelaskan kan pada pada langkah langkah pertama pertama dengan dengan *ersam *ersamaan aan 45,#. 45,#.
*enyer *enyerapa apan n
neutron menciptakan inti yang tidak stabil dan dapat berubah ke konfigurasi energi yang lebih rendah dengan memisahka memisahkan n menjadi dua inti yang lebih kecil. )alam reaksi reaksi tersebut, tersebut, massa gabungan dari dari anak inti kurang kurang dari massa massa inti induk, induk, dan perbedaan perbedaan massa massa ini disebut )a)at $engalikan kan cacat massa massa dengan dengan "assa. $engali
memberikan memberikan numeric numeric nilai nilai energi energi yang dilepaskan. dilepaskan.
nergi ini adalah energi yang yang terbentuk akibat energi kinetik dengan gerakan neutron dan anak inti setelah fisi. nergi dilepaskan dilepaskan karena energi ikat per nukleon dari anak inti inti berkisar antara # $e% lebih besar dari inti induk "lihat 6ambar. 44,5&. Fisi nuklir pertama kali diamati pada tahun #78 oleh Otto !ahn "#97#7:& dan Frit; trassmann trassmann "#7/-#7/& "#7/-#7/& yang mengikutti mengikutti studi dasar Fermi. Fermi. etelah etelah membombardir membombardir uranium dengan neutron, neutron, !ahn dan trassmann trassmann menemukan menemukan reaksi produk dua elemen elemen mediamassa, mediamassa, barium dan lantanum. ingkatnya setelah itu,
etela etelah h
kejadian itu banyak dari ilmu'an fisika yang mencoba memahhami inti, tapi memiliki banyak resiko untuk memehaminya.*engukuran menunjukkan bah'a sekitar -// $e% dirilis pada setiap peristi'a fisi, dan tentu saja fakta ini sangat mempengaruhi sejarah inti. Fisi dari
oleh
neutron termal dapat di tuliskan seperti reaksi = di mana
*45$2+
adalah keadaan tereksitas tereksitasii menengah menengah yang berlangsung berlangsung selama selama kurang lebih
s sebelum membelah menjadi mediamassa inti > dan ?, yang disebut (ra!"en (isi.
F i s i k a M o d e r n | 170
)alam setiap reaksi fisi, ada banyak kombinasi > dan ? yang memenuhi persyaratan konser3asi energi dan biaya. )alam kasus uranium misalnya, sekitar 7/ anak inti dapay dibentuk. Fisi juga menghasilkan produksi beberapa neutron, biasanya dua atau tiga. +atarata, sekitar -,5 neutron yang dilepaskan per peristi'a. ebuah fisi khas reaksi untuk uranium =
*45$3+
6ambar 45.# Fisi anak inti
6ambar 45.- )istribusi produk fisi yang 2erbanding dengan massa fisi
6ambar 45.# menunjukkan representasi bergambar pada peristi'a fisi dalam *ersamaan 45.8. 6ambar 45.- adalah grafik distribusi produk fisi berbanding jumlah massa A.
paling mungkin produk memiliki nomor massa A "dengan 5: neutron& dan
75 dan A
#4/. $engira produk ini adalah
" dengan 9 neutron &. @ika inti ini terletak pada
grafik 6ambar 44.4, terlihat bah'a keduanya jauh di atas garis stabilitas. Karena fragmen ini sangat tidak stabil karena jumlah neutron sangat tinggi, neutron hampir seketika merilis dua atau tiga neutron. *erkirakan energi A disintegrasi, dirilis dalam proses fisi yang khas. )ari 6ambar 44.5, kita melihat bah'a energi ikat per nukleon adalah sekitar 9,- $e% untuk inti berat (A
-4/& dan sekitar ,-
$e% untuk inti massal. @umlah energi yang dilepaskan adalah .- $e% 9.- $e% B # $e% per nukleon. Karena ada total -85 nukleon di
, energi yang dilepaskan per peristi'a fisi adalah sekitar -85 $e%,
F i s i k a M o d e r n | 171
sejumlah besar energi relatif terhadap jumlah dirilis dalam proses kimia.
$isalnya, energi yang
dilepaskan di pembakaran satu molekul oktan yang digunakan dalam mesin bensin adalah sekitar satu juta dari energi yang dilepaskan dalam acara fisi tunggal.
Kuis Cepat 45$1 Ketika inti mengalami fisi, dua anak inti umumnya radioaktif. )engan proses sebesar
apa kemungkinan besar neutron akan membusuk *A+ peluruhan alpha *b+ peluruhan beta "e -& *)+ peluruhan beta "e #& Kuis Cepat 45$2 $anakah dari berikut ini yang mungkin merupakan reaksi fisi
a. b. c.
,onto- 45.1 Ener!i an! terle/as /a#a (isi
!itung energi yang terlepas ketika #.// kg fisi
$ integrasikan energy per peristi'a menjadi AB -/
$e%. *enyelesaian D Konsep, bayangkan sebuah anak inti dari
menyerap neutron dan kemudian menjadi dua anak inti
dan neutron biasa seprti pada gambar 45.#.
45$1 cont. Men!kate!orikan *ernyataan, masalah, memberitahu kita untuk mengkategorikan contoh ini sebagai
salah satu cara yang melibatkan analisis energy fisi nuklir . Men!analisis Karena AB -85 uranium, satu mol isotop ini memiliki massa m B -85 g.
Cari jumlah inti dalam sampel kami di
1B n
hal jumlah mol n dan E3ogadro nomor, dan kemudian dalam hal massa sampel m dan M massa molar
D
Cari total energi dilepaskan ketika semua inti menjalani fisiD
F i s i k a M o d e r n | 172
E = NQ=
= 5.33
MeV
Finalisasi Kon3ersi energi ini ke khD
E= (5.33
MeV) (
)(
= 2.37
yang, jika dirilis perlahan, cukup energi untuk tetap beroperasi selama 8/./// tahun. @ika fisi tersedia energi dalam # kg
dari tibatiba dilepaskan, itu akan menjadi setara dengan meledakkan sekitar
-/./// ton 1.
45.3 Reaktor nuklir )alam 2agian 45.-, kita belajar bah'a ketika fisi
, satu neutron menghasilkan ratarata -,5
neutron yang dipancarkan per peristi'a. 1eutron ini dapat memicu fisi lainnya. Karena lebih banyak neutron yang diproduksi daripada diserap, ada kemungkinan rantai reaksi akan terbentuk " 6ambar 45,8&. *erhitungan menunjukkan bah'a jika reaksi berantai yang tidak terkontrol "yaitu, jika tidak melanjutkan perlahan&, dapat mengakibatkan ledakan keras, dengan tibatiba muncul
F i s i k a M o d e r n | 173
Ga"bar 45.4
dari sejumlah besar energi.
Ketika reaksi dikendalikan, namun,
energi yang dilepaskan dapat
dimanfaatkan untuk konstruktif. )i Emerika erikat, misalnya, hampir -/G dari listrik yang dihasilkan setiap tahun berasal dari pembangkit listrik tenaga nuklir, dan tenaga nuklir digunakan secara luas di banyak negara lain, termasuk *erancis, @epang, dan @erman. ebuah reaktor nuklir adalah sebuah sistem yang dirancang untuk mempertahankan apa yang #isebut reaksi berantai berkelan0utan .proses penting ini pertama kali dicapai pada tahun #74- oleh
nrico Fermi dan timnya di Uni3ersity of Chicago, menggunakan uranium alami sebagai bahan bakar. )alam reaktor nuklir pertama "6br. 45,4&, Fermi ditempatkan batu bata dari grafit "karbon& antara unsur unsur bahan bakar. (nti karbon sekitar #- kali lebih besar dari neutron, tapi setelah beberapa tumbukan dengan inti karbon, neutron diperlambat untuk meningkatkan kemungkinan nya dari fisi dengan )alam desain ini, karbon sebagaimoderatorH
.
kebanyakan reaktor modern menggunakan air sebagai
moderator. ebagian besar reaktor beroperasi saat ini juga menggunakan uranium sebagai bahan bakar. uranium alami mengandung hanya /,9G dari isotope ini penting untuk pengoperasian
, dengan 77,8G sisanya menjadi
karena hampir pernah fisi.
. Fakta
ebaliknya, ia cenderung untuk
menyerap neutron tanpa fisi berikutnya memproduksi neptunium dan plutonium. Untuk alasan ini, bahan bakar reaktor harus artifisial mengandung setidaknya beberapa persen -85 U.
F i s i k a M o d e r n | 174
Untuk mencapai reaksi berantai diri berkelanjutan, ratarata satu neutron yang dipancarkan di masingmasing
fisi harus ditangkap oleh lain
inti dan menyebabkan inti yang menjalani fisi.
*arameter ini berguna untuk menggambarkan tingkat operasi reaktor adalah konstanta K reproduksi, didefinisikan sebagai 0u"la- ratarata neutron #ari
setia/ /eristia (isi an! "enebabkan
/eristia (isi lain. eperti yang telah kita lihat, K memiliki ratarata nilai -,5 dalam fisi terkendali
uranium. +eaksi diri berkelanjutan dan rantai dikendalikan dicapai ketika K B #. Ketika di kondisi ini, reaktor dikatakan /entin!. Ketika K I#, reaktor adalah subkritis dan reaksi padam. Ketika K> #, reaktor adalah superkritis dan pelarian
+eaksi terjadi.
)alam reaktor nuklir digunakan untuk memberikan
kekuatan untuk sebuah perusahaan utilitas, perlu untuk mempertahankan nilai K dekat dengan #. @ika K naik di atas nilai ini, energi internal yang dihasilkan dalam reaksi dapat membuat reactor mencair. 2eberapa jenis sistem reaktor memungkinkan energi kinetik fragmen fisi untuk diubah ke jenisenergi lainnya dan akhirnya dipindahkan keluar dari tanaman reaktor dengan transmisi listrik. +eaktor yang paling umum digunakan
$eskipun hanya satu reaktor Fermi adalah reaktor nuklir
pertamadiproduksi, terdapat bukti bah'a reaksi fisi alami mungkin dipertahankan untuk mungkin ratusan ribu tahun di deposit uranium di 6abon, Efrika timur.
Ga"bar 45.5 Komponen utama dari
reaktor nuklir bertekanan air.
F i s i k a M o d e r n | 175
Emerika erikat adalah reaktor bertekanan air "6br. 45,5&. Kita akan mempelajari bagian ini karena bagian utama yang umum untuk semua desain reaktor. *eristi'a fisi di ele"en ba-an bakar uranium di teras reaktor menaikkan suhu air yang terkandung dalam lingkaran utama,
yang dipertahankan pada tekanan tinggi untuk menjaga air dari mendidih. "Eir ini juga berfungsi sebagai moderator untuk memperlambat neutron dirilis pada peristi'a fisi dengan energi sekitar - $e%.& Eir panas dipompa melalui penukar panas, di mana energi internal dari air ditransfer oleh konduksi ke air yang terkandung dalam loop sekunder. Eir panas di loop sekunder diubah menjadi uap, yang tidak bekerja untuk mendorong turbine sebuah sistem generator untuk membuat listrik. Eir di loop sekunder terisolasi dari air di lingkaran utama untuk menghindari kontaminasi sekunder air dan uap dengan inti radioaktif dari inti reaktor. )alam reaktor apapun, sebagian kecil dari neutron yang dihasilkan di fisi bocor keluar dari elemen bahan bakar uranium sebelum menginduksi peristi'a fisi lainnya. @ika bocor fraksi ?ang keluar terlalu besar, reaktor tidak akan beroperasi. *ersentase kehilangan akan besar jika bahan bakar elemen sangat kecil karena kebocoran merupakan fungsi dari rasio luas permukaan untuk 3olume. Oleh karena itu, sebuah fitur penting dari desain reaktor adalah permukaan yang optimal dengan rasio elemen bakar untuk 3olume.
en!en#alian in!kat Daa
Keselamatan sangat penting dalam pengoperasian reaktor nuklir. +eproduksi konstan K harus tidak boleh naik di atas #, supaya reaksi pelarian terjadi. Ekibatnya, desain reaktor harus mencakup sarana mengendalikan nilai K.
F i s i k a M o d e r n | 176
Ga"bar 45$6 *alang bagian dari reaktor inti menunjukkan batang kendali,
elemen bakar mengandung diperkaya bahan bakar, dan bahan moderat, semua dikelilingi oleh perisai radiasi
)esain dasar dari inti reaktor nuklir ditunjukkan pada 6ambar 45,:. Unsurunsur bahan bakar terdiri dari uranium yang telah diperkaya dalam isotop batan! ken#ali dimasukkan ke dalam teras reaktor.
. Untuk mengontrol tingkat daya, 2atang ini terbuat dari
bahan seperti
cadmium yang sangat efisien dalam menyerap neutron. )engan menyesuaikan jumlah dan posisi batang kendali dalam inti reaktor, nilai K akan ber3ariasi dan memiliki le3el kekuatan yang lebih besar untuk desain reactor yang dapat digunakan. Kesela"atan #an e"buan!an 'i"ba-
*ada tahun #797 bencanaterjadi di pembangkit listrik tenaga nuklir di hree $ile (sland di *ennsyl3ania dan tahun #7: kecelakaan di reaktor Chernobyl di Ukraina, setelah kejadian ini memang seharusnya difokuskan perhatian pada keselamatan reaktor. *ada hree $ile (sland kecelakaan terjadi akibat dari instrumentasi kendali ruangan yang kurang memadai dan pelatihan respon darurat yang buruk. 1amun tidak ada korban yang mengalami lukaluka atau efek kesehatan yang terjadi akibat kecelakaan tersebut, meskipun lebih dari sepertiga dari bahan bakar meleleh.
F i s i k a M o d e r n | 177
ayangnya, di Chernobyl material terus beraktifitas setelah kecelakaan mencapai sekitar 2 dan berhasil menge3akuasi #85 /// orang.
iga puluh orang te'as dalam
kecelakaan tersebut dan data dari (nstitusi radiologi ukraina menunjukkan bah'a lebih dari -.5// kematian diakibatkan oleh kecelakaan Chernobyl.
*ada periode #7: #779, terjadi
peningkatan kanker tiroid pada anak sepuluh kali lipat akibat konsumsi yodium radioaktif dalam susu sapi yang terkontaminasi pada rumput. alah satu kesimpulan dari konferensi internasional di Ukraina adalah bah'a penyebab utama dari kecelakaan Chernobyl yaitu rusak parah dalam desain fisik reactor dan kesalahan prosedur keselamatan. ebagian besar kekurangan ini telah ditangani di pabrik serupa di +usia dan negaranegara tetangga dari bekas Uni o3iet. +eaktor komersial akan terhindar dari kecelakaan melalui desain yang cermat dan operasi kaku protokol, dan hanya jika 3ariabel ini dikompromikan, reaktor akan menimbulkan bahaya. *aparan radiasi dan risiko kesehatan potensial yang terkait dengan eksposur dikendalikan oleh tiga lapisan penahanan. 2ahan bakar dan fisi radioaktif produk terkandung di dalam bejana reaktor. !aruskah reactor ini pecah bangunan reaktor berfungsi sebagai struktur penahanan kedua untuk mencegah bahan radioaktif mengkontaminasi lingkungan. Ekhirnya, fasilitas reaktor harus berada di lokasi terpencil untuk melindungi masyarakat umum dari paparan radiasi agar tidak perlu melarikan diri dari bangunan reaktor. Keprihatinan terus terjadi pada reaktor fisi nuklir yaitu pembuangan materi radioaktif ketika inti reaktor diganti. 2ahan limbah ini berumur panjang, isotop radioaktif dan harus disimpan selama inter3al 'aktu yang lama
sehingga tidak terjadi pencemaran
lingkungan. aat ini, penyegelan limbah radioaktif dalam 'adah tahan air dan menguburnya di dalam geologi repositori nampaknya menjadi solusi yang paling menjanjikan. ransportasi limbah bahan bakar reaktor dan reaktor menimbulkan risiko keamanan tambahan. Kecelakaan selama pengangkutan bahan bakar nuklir dapat membahayakan publik terkena radiasi. )epartemen nergi Emerika erikat melakukan penyeleksian yang ketat dari semua container yang digunakan untuk mengangkut bahan nuklir. *rodusen kontainer harus menunjukkan bah'a container yang mereka produksi tidak akan pecah bahkan jika rector bekerja dengan kecepatan tinggi.
F i s i k a M o d e r n | 178
$eskipun beresiko, namun keuntungan untuk penggunaan tenaga nuklir lebih besar dibandingkan dengan risiko yang dihasilkan. $isalnya, pembangkit listrik tenaga nuklir tidak menghasilkan udara polusi dan gas rumah kaca seperti halnya bahan bakar fosil, dan pasokan uranium di bumi diprediksi berlangsung lebih lama dari pasokan bahan bakar fosil.
Untuk
masingmasing sumber energi apakah nuklir, tenaga air, bahan bakar fosil, angin, surya, atau lain risiko harus diperhatikan terhadap manfaat dan ketersediaan sumber energi.
45.4 Fusi Nuklir )alam 2ab 44, kita mengetahui bah'a energi ikat untuk inti ringan "E, -/& jauh lebih kecil dari pada energi yang mengikat untuk inti yang lebih berat, hal ini menunjukkan proses kebalikan dari fisi. eperti disebutkan dalam 2agian 87,7, ketika dua inti cahaya menggabungkan untuk membentuk inti yang lebih berat, proses ini disebut (usi nuklir. Karena massa inti akhir kurang dari massa gabungan dari inti asli, ada hilangnya massa disertai dengan pelepasan energy. )ua contoh reaksi fusi pelepasan energy tersebut adalah sebagai berikut #
=
=
#
=
=
=
=
+eaksi ini terjadi dalam inti bintang dan bertanggung ja'ab untuk pencurahan energi dari bintang. +eaksi kedua diikuti oleh salah satu dari fusi hidrogenhelium atau fusi heliumhelium D # #
= =
= =
=
= =
+eaksi fusi ini adalah reaksi dasar dalam siklus /roton/roton, diyakini sebagai salah satu siklus dasar dimana energi dihasilkan di $atahari dan bintangbintang lainnya yang mengandung banyak hidrogen. ebagian besar produksi energi berlangsung di un interior, di mana suhu sekitar #,5 L #/ 9 K. Karena suhu tinggi tersebut diperlukan untuk mendorong reaksireaksi ini, reaksi ini disebut reaksi (usi ter"onuklir. emua reaksi dalam siklus protonproton adalah eksotermis. ebuah gambaran dari siklus ini adalah bah'a empat proton bergabung untuk menghasilkan partikel alpha, positron, sinar gamma, dan neutrinos.
*erangkap *encegahan 45,Fisi #an Fusi Katakata fisi dan fusi terdengar serupa, tapi mereka sesuai dengan proses yang berbeda. *erhatikan grafik energi pada 6ambar 44.5. Eda dua arah di mana Enda dapat mendekati puncak grafik sehingga energi dilepaskanD menggabungkan dua inti ringan, atau fusi, dan memisahkan inti berat menjadi dua inti yang lebih ringan, atau fisi.
F i s i k a M o d e r n | 179
Kui ce!at 45.4 )alam inti bintang, inti hidrogen bergabung dalam reaksi fusi. etelah hidrogen telah habis, fusi inti helium . @ika bintang cukup besar, fusi lebih berat dan inti dapat semakin berat setelah helium habis. *erhatikan reaksi fusi yang melibatkan dua inti dengan nilai yang sama dari E. Untuk reaksi ini menjadi eksotermik, dari nilai berikut mana yang tidak mungkin nilai E "a& #- "b& -/ "c& - "d& :4 ............. ............. .......... c"nt"h 45.-
Ener!i Dirilis #ala" Fusi
Cari total energi yang dikeluarkan dalam reaksi fusi dalam siklus protonproton. SOLUSI Konse/ !asil nuklir dari siklus protonproton ini adalah untuk memadukan empat proton membentuk partikel alpha. *elajarilah reaksi siklus protonproton untuk memastikan Enda memahami bagaimana empat proton menjadi Kategorikan partikel alpha Kita gunakan konsep yang dibahas dalam bagian ini, jadi kita kategorikan contoh ini sebagai masalah substitusi. Kate!ori Kita gunakan konsep yang dibahas dalam bagian ini, jadi kita mengkategorikan contoh ini sebagai masalah substitusi.
Cari massa a'al dari sistem menggunakan massa atom hidrogen dari abel 44.-D 4 "#,//9 -5 u& B 4,/8# 8// u $enemukan perubahan massa sistem sebagai nilai ini dikurangi massa dari !e atomD 4,/8# 8// u B 4,//- :/8 u B /,/- :79 u Kon3ersi perubahan massa ini menjadi satuan energiD B /,/- :79 u L 78#,474 $e% 0 u B -:,9 $e% energi ini dibagi di antara partikel alfa dan partikel lainnya seperti positron, sinar gamma, dan neutrino.
Fusi Reaksi #aratan @umlah besar energi yang dilepaskan dalam reaksi fusi menunjukkan kemungkinan memanfaatkan energi ini untuk tujuan yang bermanfaat. 2anyak usaha saat ini sedang dalam cara untuk mengembangkan reaktor termonuklir berkelanjutan dan dikendalikan, reaktor tenaga fusi. )ikendalikan fusi sering disebut sumber energi utama karena ketersediaan sumber bahan bakarD air. $isalnya, jika deuterium digunakan sebagai bahan bakar, /,#- g itu bisa diambil dari # gal air dengan biaya sekitar empat sen. @umlah ini deuterium akan melepaskan sekitar #/ @ jika semua inti mengalami fusi. ebagai perbandingan, # gal rilis bensin sekitar #/ @ pada pembakaran dan biaya jauh lebih dari empat sen. Keuntungan tambahan dari reaktor fusi adalah relatif sedikit radioaktif olehproduk yang terbentuk. Untuk siklus protonproton, misalnya, produk akhir adalah aman, helium non radioaktif. ayangnya, reaktor termonuklir yang dapat memberikan output daya bersih tersebar di inter3al 'aktu yang belum suatu kenyataan , dan banyak kesulitan harus diselesaikan sebelum perangkat yang sukses dibangun.
F i s i k a M o d e r n | 180
nergi matahari ini adalah sebagian didasarkan pada serangkaian reaksi di mana hidrogen diubah menjadi helium. (nteraksi protonproton tidak cocok untuk digunakan dalam reaktor fusi, namun, karena hal ini membutuhkan suhu yang sangat tinggi dan kepadatan. *roses ini bekerja di $atahari hanya karena kepadatan yang sangat tinggi dari proton dalam interior $atahari. Coulomb gaya tolak dominan untuk jarak pemisahan yang besar antara deuteron
+eaksi yang muncul paling menjanjikan untuk reaktor tenaga fusi melibatkan deuterium " #
=
#
=
#
=
& dan tritium "
&D
=
Gambar 45.7
Kekuatan nuklir menarik dominan ketika deuteron yang berdekatan Ga"bar 45. *otensi energi sebagai fungsi dari jarak di antara dua deuteron. + adalah di urutan # fm. @ika kita mengabaikan tunneling, dua deuteron memerlukan energi lebih besar dari ketinggian penghalang untuk menjalani fusi.
=
45.5
=
eperti disebutkan sebelumnya, deuterium tersedia dalam jumlah hampir tak terbatas dari danau dan lautan kita dan sangat murah untuk mengekstrak. ritium, bagaimanapun, adalah radioaktif "#0- B #-,8 tahun& dan mengalami peluruhan beta untuk nya. Untuk alasan ini, tritium tidakte rjadi secara alami ke sebagian besar dan harus diproduksi. alah satu masalah utama dalam memperoleh energi dari fusi nuklir adalah bah'a gaya tolak Coulomb antara dua inti, yang memba'a muatan positif, harus diatasi sebelum mereka dapat mematikan. 6ambar 45.9 adalah grafik energi potensial sebagai fungsi dari jarak pemisahan antara dua deuteron "inti deuterium, masingmasing memiliki biaya =e&. nergi potensial positif di ka'asan r M+, di mana Coulomb mendominasi menjijikkan kekuatan "+
# fm&, dan negatif dalam 'ilayah rI +, di
mana mendominasi gaya nuklir. $asalah mendasar kemudian adalah untuk memberikan dua inti energi kinetik yang cukup untuk mengatasi gaya tolak ini. *ersyaratan ini dapat dicapai dengan menaikkan bahan bakar untuk suhu yang sangat tinggi "sekitar #/ K, jauh lebih besar daripada suhu interior $atahari&. *ada emperatur yang tinggi, atom terionisasi dan sistem terdiri dari kumpulan elektron dan inti, sering disebut sebagai !lama.
F i s i k a M o d e r n | 181
c"nt"h 45.8 Fusi Dua #euteron Untuk gaya nuklir yang mengatasi tolak gaya Coulomb, jarak pemisahan antara dua deuteron harus sekitar #,/ L #/ #4 m. "E&
!itung ketinggian penghalang potensial karena gaya tolak.
O
-5,#8.& Untuk duadari deuteron. entukan jumlah massa setelah reaksiD
8./#:/47 u = #.//9 -5 u B 4./-8 94 u
$enemukan perubahan massa7 dan dikon3ersi 4./- -/4 u N 4./-8 94 u B /.//488 u UBk e B k e B ".77 L #/ 1 . m-0C- & B -.8 L @ B /.#4 $e% Ke satuan energiD B /.//488 u L78#.474 $e%0U B 4./8 $e%
(B) Perkirakan s! "an# di$er%kan n&k de&eron n&k men#a&asi !amba&an penyelesaian uhu dihitung dalam bagian "2&ener#" terlalu tinggi dalam plasma memiliki distribusikons&an $aL'ell $o&ensia%' den#an asmsi dari karena kB partikel $er de&eron (di mana kB ada%a! kecepatan "2agian -#,5& dan karena beberapa reaksi fusi disebabkan oleh partikel di bagian ekor energi tinggi distribusi O
konsisten
2E6E($E1E @(KE $isalkan tritium yang dihasilkan dari reaksi sebagian "C& bereaksi dengan deuterium lain dalam reaksi $emecahkan D B B 5.:L#/ K #
=
=
2erapa banyak energi yang dilepaskan dalam urutan dua reaksi aaban fek keseluruhan dari urutan dua reaksi adalah bah'a tiga inti deuterium telah bergabung untuk membentuk helium inti, inti hidrogen, dan neutron. $assa a'al adalah 8 "-,/#4 #/- u& B :,/4- 8/: u. etelah reaksi, adalahdalam 4,//- reaksi :/8 u deuteriumdeuterium = #,//9 -5 u = #,// ::5 B :,/#7 /78 u. Kelebihan massa sama "C& Carijumlah energidari yangmassa dilepaskan dengan /,/-8 -#8 u,setara dengan energi -#,: $e%. *erhatikan bah'a nilai ini adalah jumlah nilai A untuk reaksi kedua dan ketiga = *ersamaan di = 45,4.
F i s i k a M o d e r n | 182
garis hijau merupakan daya hilang oleh bremsstrahlung sebagai fungsi temperatur.
Ga"bar 45. enaga yang dihasilkan 3ersus suhu untuk deuterium deuterium "))& dan deuterium tritium ")& fusion. ketika tingkat generasi melebihi tingkat kerugian, pengapian terjadi.
gam bar 45.
uhu di mana tingkat pembangkit listrik di setiap reaksi fusi melebihi tingkat kerugian disebut kritis te"/eratur /en!a/ian. uhu ini untuk deuteriumdeuterium "))& reaksi adalah 4 L #/ K. )ari hubungan k2 , suhu pengapian setara dengan sekitar 5- ke%. uhu pengapian penting untuk deuteriumtritium ")& reaksi adalah sekitar 4,5 L #/ 9 K, atau hanya : ke%. ebuah plot * daya yang dihasilkan oleh fusi 3ersus
F i s i k a M o d e r n | 183
suhu untuk dua reaksi ditunjukkan pada 6ambar 45.. @alur hijau lurus merupakan kekuatan * kehilangan gen hilang melalui mekanisme radiasi dikenal sebagai bremsstrahlung "2agian 4-,&. )alam mekanisme pokok ini kehilangan energi, radiasi "terutama Lray& yang dipancarkan sebagai hasil dari tabrakan elektronion dalam plasma. *ersimpangan * kehilangan sejalan dengan kur3a * memberikan suhu pengapian kritis.
)aerah ber'arna di atas kur3a me'akili menguntungkan kondaisi untuk fusion.
Gambar 45.9
6ambar 45,7 @umlah
elain persyaratan suhu tinggi, dua parameter penting lainnya menentukan apakah atau tidak reaktor termonuklir berhasilD n kepadatan ion dan 'aktu kurungan t, yang merupakan inter3al 'aktu selama energi disuntikkan ke plasma tetap dalam plasma. Fisika'an (nggris @)
s0cm8 ")&
n
s0cm8 "))&
"45.5&
1ilainilai ini me'akili minimum dari kur3a pada 6ambar 45,7.
kriteria
F i s i k a M o d e r n | 184
-
mana ion berinteraksi bertabrakan " yang dihasilkan ketika
gen
& dan 'aktu kurungan . nergi bersih
M in gen 5 C. Ketika konstanta C # dan C- dihitung
untuk reaksi yang berbeda, kondisi
gen
in
yang mengarah ke kriteria
Ga"bar 45$17 "a& )iagram dari tokamak digunakan dalam skema kurungan magnetik. "b& (nterior pandangan tertutup tokamak Fusi Uji +eaktor "F+& kapal 3akum di & yang mulai beroperasi $aret #777.
6ambar 45.#/ Upaya saat ini ditujukan untuk memenuhi kriteria
Ma!neti) Ina/ 2anyakfusion terkait percobaan plasma menggunakan pengurungan magnetik mengandung plasma. ebuah perangkat toroida disebut tokamak, pertama dikembangkan di +usia, ditunjukkan pada 6ambar 45.#/a. Kombinasi dua medan magnet yang digunakan untuk membatasi dan menstabilkan plasmaD "#& bidang toroidal kuat yang dihasilkan oleh arus dalam gulungan toroidal sekitar ruang 3akum berbentuk donat dan "-& yang lebih lemah JpoloidalJ medan yang dihasilkan oleh toroidal saat ini. elain membatasi plasma, saat toroidal digunakan untuk menaikkan suhu. 6arisgaris medan magnet heliks yang dihasilkan spiral sekitar plasma dan menjaga dari menyentuh dinding ruang 3akum. "@ika plasma menyentuh dinding, suhunya berkurang dan kotoran berat tergagap dari dinding JracunJ itu, yang menyebabkan kerugian listrik yang besar.&
F i s i k a M o d e r n | 185
alah satu terobosan besar dalam kurungan magnetik pada #7/an adalah di bidang masukan energi tambahan untuk mencapai suhu pengapian. *ercobaan telah menunjukkan bah'a suntikan sinar partikel netral energik dalam plasma adalah metode yang sangat efisien untuk meningkatkan suhu pengapian. $asukan energi frekuensi radio mungkin akan diperlukan untuk reaktorukuran plasma. Ketika itu beroperasi #7-#779, tokamak Fusi Uji +eaktor "F+, 6ambar. 45.#/b& di *rinceton Uni3ersity melaporkan iontemperatures pusat dari 5#/ juta derajat Celcius, lebih dari 8/ kali lebih besar dari suhu di pusat $atahari 1ilai nilai nt di F+ untuk reaksi ) yang baik di atas #/ #8 s0cm 8 dan dekat dengan nilai yang dibutuhkan oleh kriteria & di *rinceton plasma *hysics menghasilkan plasma bola yang memiliki lubang melalui pusat. Keuntungan utama dari konfigurasi bola adalah kemampuannya untuk + membatasi plasma pada tekanan yang lebih tinggi dalam medan magnet yang Konsep*endekatan ,en#an ini ban&an ke&i#a dari Persamaan memba"an#kan ban"ak diberikan. dapat menyebabkan pengembangan yang45'4' lebih kecil, reaksifusi se$er&i "an# &eradi da%am $%asma s! &in##i dan ke$ada&an &in##i. reaktor lebih ekonomis.
Mengkategorikan ki&a #nakan konse$ m%a! ason da%am ba#ian ini' Upaya internationalcollaborati3e melibatkan Emerika erikat, Uni diba!as ropa, adi kami men#ka&e#orikan on&o! ini seba#ai sbs&i&si. @epang, Cina, Korea elatan, (ndia, dan +usia saat inimasa%a! sedang cara untuk membangun reaktor fusi disebut (+. Ekronim ini singkatan dari (nternational 13 *3 Men#e:a%asi m%a! ason * 60+; (4'8 - 10 hermonuclear Lperimental +eaktor,n&k meskipun barubaru < penekanan telahm ) (1.1 s) < 5.3 3 bergeser 1013 s=m ke menafsirkan JiterJ dalam hal yang berarti i%ai ini deka& den#an $er&eman kri&eria ason dari 10 s =m3 n&k ,* kesalahpahaman umum dan konotasi negatif terhadap termonuklir kata . $%asma "an# diberikan da%am Persamaan 45'5. Ba!kan' $ara i%man mena&a& Fasilitas ini akan membahas isuisu yang tersisa teknologi dan ilmiah mengenai ken&n#an keka&an 1'25' mennkkan ba!a reak&or dio$erasikan sediki& kelayakan daya fusi. )esain selesai, dan Cadarache, *erancis, dipilih pada bulan me%ea&i &i&ik situs im$as danKonstruksi di$rodksi %ebi! ban"ak sekitar ener#i#/dari$ada "an# dib&!kan @uni -//5 sebagai reaktor. akan membutuhkan tahun, n&k mem$er&a!ankan $%asma. dengan operasi fusi diproyeksikan dimulai pada -/#. @ika perangkat direncanakan bekerja seperti yang diharapkan, jumlah = mo%' di mana >
ada%a! :o#adro m%a! dan mo% ada%a! :o%me mo%ar #as idea% da%am kondisi s&andar' 2.24 - 10 m = mo%;
,onto- 45.4 )i dalam*2Fusi 3 +eaktor
Pada &a!n 1998' &okamak * 60+ di e$an# dio$erasikan den#an kera$a&an 13 $%asma m*3/ $ada s! (da%am sa&an ener#i) dari 24'1 ke. a% < ,* 4'8 - 10 &erba&as $%asma ini di da%am medan ma#ne& n&k 1'1 s. (A) $aka! da&a ini memen!i kri&eria ason 3 <2.7 a&oms=m
>i%ai ini %ebi! dari 500 000 ka%i %ebi! besar dari ke$ada&an $%asma da%am reak&or.
F i s i k a M o d e r n | 186
(B) Ba#aimana ke$ada&an $%asma dibandin#kan den#an ke$ada&an a&om da%am #as idea% ke&ika #as &erseb& da%am kondisi s&andar (< 0 @ ? dan P < 1 a&m)
kurungan (nertial eknik kedua untuk membatasi plasma, yang disebut kurungan inersia, memanfaatkan target ) yang memiliki kepadatan partikel yang sangat tinggi. )alam skema ini, 'aktu kurungan sangat singkat "biasanya #/ -###/ -7 s&, Gambar 45.11 dan, karena inersia mereka sendiri, partikel tidak memiliki kesempatan untuk bergerak lumayan dari posisi a'al mereka. Oleh karena itu, kriteria
Fusi laser adalah bentuk paling umum dari kurungan inersia. ebuah pelet ) kecil, sekitar # mm, 6ambar 45.## )alam dipukul secara bersamaan oleh beberapa sinar laser terfokus, intensitas tinggi, sehingga pulsa besar pengurungan inersia, energi masukan yang menyebabkan permukaan pelet bahan bakar menguap "6br.an) 45.##&. *artikel bakar sekering dipukul oleh partikel melarikan diri memberikan gaya reaksi ketiga hukum pada inti pelet, sehingga pelet yangbila kuat, dalam beberapa sinar laser hati bergerak gelombang kejut tekan. 6elombang kejut ini meningkatkan tekanan dan kepadatan inti dan intensitas tinggi secara menghasilkan peningkatan yang sesuai pada suhu. Ketika suhu inti mencapai suhu pengapian, reaksi fusi bersamaan. terjadi.
F i s i k a M o d e r n | 187
alah satu laboratorium fusi laser terkemuka di Emerika erikat adalah fasilitas Omega di Uni3ersity of +ochester di 1e' ?ork. Fasilitas ini berfokus -4 sinar laser pada target. aat ini sedang dibangun di
Fusi +eaktor )esain )alam reaksi fusi ) #
=
Gambar 45.12 =
partikel alpha memba'a -/G dari energi dan neutron yang memba'a /G, atau sekitar #4 $e%. )iagram reaksi fusi deuteriumtritium ditunjukkan pada Ektif 6ambar 45,#-. Karena partikel alpha dibebankan, mereka terutama diserap oleh plasma, menyebabkan suhu plasma meningkat. ebaliknya, neutron #4$e%, menjadi netral, mele'ati plasma dan diserap oleh bahan selimut sekitarnya, di mana energi kinetik yang besar adalah diekstrak dan digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik. alah satu skema adalah dengan menggunakan logam lithium cair sebagai bahan neutronmenyerap dan untuk mengedarkan lithium dalam pertukaran panas loop tertutup, sehingga menghasilkan uap dan urbin mengemudi seperti di pembangkit listrik kon3ensional. 6ambar 45,#8 "halaman #8& menunjukkan diagram reaktor tersebut. )iperkirakan bah'a selimut lithium sekitar # m tebal akan menangkap hampir #//G dari neutron dari fusidari ) pelet kecil. *enangkapan neutron oleh lithium digambarkan oleh reaksi #
=
=
di mana energi kinetik dari dibebankan tritium 8 # ! dan alpha partikel diubah menjadi energi internal dalam lithium cair. Keuntungan ekstra menggunakan lithium sebagai media transfer energi adalah bah'a tritium yang dihasilkan dapat dipisahkan dari lithium dan kembali sebagai bahan bakar untuk reaktor.
Keuntungan dan $asalah Fusi
)euteriumtritium fusi. )elapanpuluh persen dari energi yang dilepaskan dalam neutron #4$e%.
F i s i k a M o d e r n | 188
@ika daya fusi yang bisa dimanfaatkan, akan mena'arkan beberapa keunggulan dibandingkan fisi
generatespo'erD "#& biaya rendah dan kelimpahan bahan bakar "deuterium&, "-& ketidakmungkinan
gambar 45.#8 diagram dari reaksi fusi kecelakaan pelarian, dan "8& menurun bahaya radiasi. 2eberapa masalah diantisipasi dan kerugian termasuk "#& kelangkaan lithium, "-& terbatasnya pasokan helium, yang dibutuhkan untuk mendinginkan magnet superkonduktor yang digunakan untuk menghasilkan medan pembatas yang kuat, dan "8& kerusakan struktural dan radioakti3itas yang ditimbulkan disebabkan oleh neutron pemboman. @ika masalah tersebut dan faktorfaktor desain teknik dapat diselesaikan, fusi nuklir bisa menjadi sumber yang layak energi pada pertengahan abad kedua puluh satu.
45.5 2ahaya +adiasi )alam 2ab 84, kita belajar bah'a radiasi elektromagnetik ada di sekitar kita dalam bentuk gelombang radio, gelombang mikro, gelombang cahaya, dan sebagainya. *ada bagian ini, kita menggambarkan bentuk radiasi yang dapat menyebabkan kerusakan parah karena mereka mele'ati materi, seperti radiasi yang dihasilkan dari proses radioaktif dan radiasi dalam bentuk partikel energik seperti neutron dan proton. ingkat dan jenis kerusakan tergantung pada beberapa faktor, termasuk jenis dan energi radiasi dan sifat materi tersebut.
secara langsung dengan menghapus elektron dari struktur mereka. )osis besar radiasi sangat berbahaya karena kerusakan besar jumlah molekul dalam sel dapat menyebabkan sel mati. $eskipun kematian sel tunggal biasanya tidak masalah, kematian banyak sel dapat mengakibatkan ire3ersibel kerusakan organisme. elsel yang membelah dengan cepat, seperti yang dari pencernaan saluran, organ reproduksi, dan folikel rambut, sangat rentan. ebagai tambahan, sel yang bertahan radiasi dapat menjadi rusak. elsel yang rusak dapat menghasilkan lebih banyak sel yang rusak dan dapat menyebabkan kanker. )alam sistem biologis, itu adalah umum untuk memisahkan kerusakan radiasi menjadi dua kategoriD kerusakan somatik dan kerusakan genetik. Kerusakan somatik adalah bah'a terkait dengan sel tubuh kecuali selsel reproduksi. Kerusakan somatik dapat menyebabkan kanker atau serius dapat mengubah karakteristik organisme tertentu. Kerusakan genetik hanya mempengaruhi selsel reproduksi. Kerusakan gen dalam sel reproduksi dapat menyebabkan cacat keturunan. !al ini penting untuk menyadari efek dari pera'atan diagnostik, seperti Lray dan bentuk lain dari paparan radiasi, dan untuk menyeimbangkan manfaat yang signifikan dari pengobatan dengan efek merusak. Kerusakan yang disebabkan oleh radiasi juga tergantung pada radiasi daya tembus.*artikel alpha menyebabkan kerusakan yang luas, tetapi hanya untuk menembus kedalaman dangkal di bahan karena interaksi yang kuat dengan partikel bermuatan lainnya. neutron lakukan tidak berinteraksi melalui gaya listrik dan karenanya menembus lebih dalam, menyebabkan signifikan kerusakan. inar gamma adalah foton energi tinggi yang dapat menyebabkan kerusakan parah, tapi sering mele'ati materi tanpa interaksi. 2eberapa hal telah digunakan untuk mengukur jumlah, dosis, dari setiap radiasi yang berinteraksi dengan ;at.
!e ron&#en (A) ada%a! ba!a m%a! radiasi "an# men#!asi%kan ma&an %is&rik dari 3'33 - 10 *10 ? di 1 m3 dara da%am kondisi s&andar $en#ion.
kui3alen, rontgen adalah bah'a jumlah radiasi yang meningkatkan energi # kg udara oleh .9: L #/-8 @. Untuk sebagian besar aplikasi, rontgen telah digantikan oleh rad "singkatan dari radiasi dosis diserap&D
a& rad ada%a! ba!a m%a! radiasi "an# menin#ka&kan ener#i 1 k# ba!an men"era$ o%e! 1 - 10 *2 . $eskipun rad adalah unit fisik yang sangat baik, tidak unit terbaik untuk mengukur tingkat kerusakan biologis yang dihasilkan oleh radiasi karena kerusakan tidak hanya tergantung pada dosis tetapi juga pada jenis radiasi. ebagai contoh, dosis yang diberikan partikel alpha menyebabkan kerusakan biologis sekitar sepuluh kali lebih dari dosis yang sama dari sinarL. he +2 "efekti3itas biologis relatif& faktor untuk jenis tertentu radiasi adalah jumlah rad L radiasi atau radiasi gamma yang menghasilkan kerusakan biologis yang sama dengan # rad radiasi yang digunakan. Faktor +2 untuk berbagai jenis radiasi diberikan dalam abel 45.#.
1ilainilai hanya perkiraan karena mereka berbeda dengan energi partikel dan dengan bentuk kerusakan. Faktor +2 harus dipertimbangkan hanya panduan pertamapendekatan terhadap efek sebenarnya dari radiasi.
Ekhirnya, rem "setara radiasi pada manusia& adalah produk dari dosis di rad dan faktor +2D )osis dalam remB )osis di rad L +2 $enurut definisi ini, # rem dari dua jenis radiasi menghasilkan jumlah yang sama dari kerusakan biologis. abel 45.# menunjukkan bah'a dosis # rad neutron cepat merupakan dosis efektif #/ rem, tapi # rad radiasi gamma setara dengan dosis hanya # rem. +adiasi tingkat rendah dari sumber alami seperti sinar kosmik dan batuan radioaktif dan tanah yang kita terima dari masingmasing dosis sekitar /,#8 rem 0 tahun. +adiasi ini, yang disebut radiasi dasar (#ac$%r"un& ra&iati"n), ber3ariasi dengan geografi, faktor utama yang menjadi ketinggian "paparan sinar kosmik& dan geologi "radon gas dilepas oleh beberapa formasi batuan, mineral alami radioaktif yang tersimpan&. 2atas atas laju dosis radiasi yang direkomendasikan oleh pemerintah E "terlepas dari radiasi latar belakang& adalah sekitar /,5 rem 0 tahun. 2anyak pekerjaan melibatkan paparan radiasi yang lebih tinggi, sehingga batas atas 5 rem 0 tahun telah ditetapkan untuk gabungan paparan seluruh tubuh. 2atas atas yang lebih tinggi diperbolehkan untuk bagianbagian tertentu dari tubuh, seperti tangan dan lengan. )osis 4// sampai 5// hasil rem dalam tingkat kematian sekitar 5/G dari "yang berarti bah'a setengah orang terkena tingkat radiasi ini akan mengalami
kematian&. 2entuk yang paling berbahaya dari paparan bagi kebanyakan orang adalah baik menelan atau menghirup isotop radioaktif, terutama isotop dari elemenelemen tubuh mempertahankan dan konsentrat, seperti 7/r. )iskusi ini telah difokuskan pada pengukuran dosis radiasi dalam satuan seperti rad dan +ems karena unit ini masih banyak digunakan. $ereka telah, bagaimanapun, secara resmi diganti dengan unit ( baru. +ad telah diganti dengan abuabu "6y&, sama dengan #// rad, dan rem yang telah diganti dengan sie3ert "3&, sama dengan #// rem. abel 45.- merangkum lebih tua dan unit ( saat dosis radiasi.
45.: +adiasi )etektor *artikel mele'ati masalah berinteraksi dengan materi dalam beberapa cara. *artikel dapat mengionisasi atom, pencar dari atom, atau diserap oleh atom. )etektor radiasi mengeksploitasi interaksi ini untuk memungkinkan pengukuran partikel energi, momentum, atau biaya dan kadangkadang keberadaan partikel jika dinyatakan sulit untuk dideteksi. 2erbagai perangkat telah dikembangkan untuk mendeteksi radiasi. Elat ini digunakan untuk berbagai keperluan, termasuk diagnosa medis, pengukuran kencan radioaktif, mengukur radiasi latar belakang, dan mengukur massa, energi, dan momentum partikel dibuat dalam reaksi nuklir energi tinggi. *ada bagian a'al abad ke-/, detektor yang jauh lebih sederhana daripada yang digunakan saat ini. Kami membahas tiga detektor pertama. mulsi hotographic adalah contoh paling sederhana dari detektor. ebuah partikel bermuatan mengionisasi atom di lapisan emulsi. @alan partikel sesuai dengan poin di mana
*erubahan kimia terjadi dalam emulsi. Ketika emulsi dikembangkan, trek partikel menjadi terlihat. ebuah ruang a'an mengandung gas yang telah superdingin ke sedikit di ba'ah titik kondensasi biasa. *artikel energik mele'ati mengionisasi gas di sepanjang jalan partikel. (on berfungsi sebagai pusat kondensasi gas super dingin. @alur partikel bisa dilihat dengan mata telanjang dan bisa difoto. ebuah medan magnet dapat diterapkan untuk menentukan biaya dari partikel serta momentum dan energi mereka. ebuah alat yang disebut bilik gelembung menggunakan cairan "biasanya hidrogen cair& dipelihara di dekat titik didihnya. (on yang dihasilkan oleh partikel bermuatan yang masuk meninggalkan jejak gelembung, yang bisa difoto
"6ambar. 45,#4&. Karena kepadatan medium mendeteksi dalam ruang gelembung jauh lebih tinggi dari densitas gas dalam ruang a'an, bilik gelembung memiliki sensiti3itas yang lebih tinggi. )etektor yang lebih kontemporer melibatkan proses yang lebih canggih. )alam sebuah ruang ion "6ambar. 45.#5&, pasangan elektronion yang dihasilkan sebagai radiasi mele'ati gas dan menghasilkan sinyal listrik. )ua piring di ruang yang terhubung ke suplai tegangan dan dengan demikian dipertahankan pada potensi listrik yang berbeda. *lat positif menarik elektron, dan plat negatif menarik ion positif, menyebabkan pulsa arus yang sebanding dengan jumlah pasangan elektronion yang dihasilkan ketika sebuah partikel mele'ati ruangan. Ketika sebuah ruang ion digunakan baik untuk mendeteksi keberadaan partikel dan untuk mengukur energi, hal itu disebut counter proporsional. he 6eiger counter "6ambar. 45,#: pada halaman #87-& adalah bentuk paling umum dari ruang ion yang digunakan untuk mendeteksi radioakti3itas. !al ini dapat dianggap sebagai prototipe dari semua counter yang menggunakan ionisasi media sebagai proses deteksi dasar. ebuah counter 6eiger terdiri dari ka'at tipis sejajar sepanjang sumbu pusat dari tabung logam silinder diisi dengan gas pada tekanan rendah. Ka'at sentral dipertahankan pada
potensi listrik positif yang tinggi "sekitar #/8 %& relatif terhadap tabung. Ketika partikel berenergi tinggi yang dihasilkan, misalnya, dari peluruhan radioaktif memasuki tabung melalui jendela tipis di salah satu ujung, beberapa atom gas terionisasi. lektron dihapus dari atomatom ini tertarik ke arah ka'at pusat, dan, dalam proses, mereka mengionisasi atom lain di jalan mereka. (ni berurutan hasil ionisasi di longsoran elektron yang menghasilkan pulsa saat ini. etelah pulsa telah diperkuat, itu baik dapat digunakan untuk memicu counter elektronik atau dikirim ke loudspeaker yang mengklik setiap kali sebuah partikel terdeteksi. $eskipun 6eiger counter dengan mudah mendeteksi adanya partikel, energi hilang oleh partikel di counter tidak sebanding dengan getaran saat diproduksi. Oleh karena itu, 6eiger counter tidak dapat digunakan untuk mengukur energi partikel. ebuah detektor semikonduktordioda pada dasarnya adalah re3ersebias pn junction. (ngat dari 2agian 48,9 yang apn junction mele'ati saat siap ketika bias maju dan melarang arus ketika re3ersebias. ebagai partikel energik mele'ati persimpangan, elektron sangat antusias ke pita konduksi dan lubang terbentuk di pita 3alensi. $edan listrik internal yang menyapu elektron ke arah positif "n& sisi persimpangan dan lubang menuju negatif "p& sisi. 6erakan elektron dan
lubang menciptakan sebuah pulsa arus yang diukur dengan counter elektronik. )alam perangkat khas, durasi pulsa adalah #/ s ebuah kilau kontra biasanya menggunakan bahan padat atau cair yang atom mudah bereaksi terhadap radiasi. Etom kemudian memancarkan foton ketika mereka kembali ke keadaan dasar mereka. 2ahan yang umum digunakan sebagai scintillators adalah kristal transparan natrium iodida dan plastik. @ika bahan sintilator melekat ke tabung photomultiplier "2agian 4/.-&, foton yang dipancarkan oleh sintilator dapat dideteksi dan sinyal listrik yang dihasilkan. 2aik sintilator dan detektor semikonduktordioda jauh lebih sensitif dibandingkan counter 6eiger terutama karena kepadatan yang lebih tinggi dari media pendeteksi. Keduanya mengukur total energi yang disimpan dalam detektor, yang sangat berguna dalam identifikasi partikel. elain itu, jika partikel berhenti di detektor, kedua instrumen dapat digunakan untuk mengukur total energi partikel. )etektor track adalah alat yang digunakan untuk melihat trek partikel bermuatan langsung. *artikel berenergi tinggi yang dihasilkan di akselerator partikel mungkin memiliki energi mulai #/7#/#- e%. Oleh karena itu, mereka sering tidak bisa berhenti dan energinya tidak bisa diukur dengan detektor yang telah disebutkan. ebaliknya, energi dan momentum dari partikelpartikel energik ditemukan dari kelengkungan jalan mereka di medan magnet yang memiliki besar dan arah. ebuah ruang spark adalah perangkat menghitung yang terdiri dari array yang memiliki pelat paralel dan mampu merekam track record tiga dimensi. pelat 2ernomor genap ditanahkan, dan pelat ganjil dipertahankan pada potensial listrik yang tinggi "sekitar #/ k%&. +uang antara pelat mengandung gas inert pada tekanan atmosfer. Ketika sebuah partikel bermuatan mele'ati ruangan itu, atom gas terionisasi, menghasilkan gelombang arus dan percikan api terlihat di sepanjang jalan partikel. *ercikan api ini dapat difoto atau elektronik terdeteksi dan data yang dikirim ke komputer untuk rekonstruksi dan penentuan massa partikel, momentum, dan energi. %ersi baru dari ruang spark telah dikembangkan. ebuah ruang hanyut memiliki ribuan kabel tegangan tinggi tersusun melalui ruang detektor, yang diisi dengan gas. !asilnya adalah sebuah array dari ribuan counter proporsional. Ketika sebuah partikel bermuatan mele'ati detektor, itu mengionisasi molekul gas dan elektron dikeluarkan melayang ke arah tegangan tinggi kabel, menciptakan sinyal listrik saat tiba. ebuah komputer mendeteksi sinyal dan merekonstruksi jalur melalui detektor. *ergeseran ruang canggih yang telah memberikan hasil yang signifikan dalam mempelajari partikel dibentuk dalam tabrakan atom adalah solenoidal racker di +!(C "E+&. "ingkatan +!(C singkatan +elati3istic !ea3y (on Collider, fasilitas di 2rookha3en 1ational
Fi!ure 45.1 he E+ detector at
the +elati3istic !ea3y (on Collider at 2rookha3en 1ational
45.9 *enggunaan +adiasi *elacak radioaktif digunakan untuk melacak bahan kimia yang terdapat dalam berbagai reaksi. alah satu penggunaan yang paling berharga dari pelacak radioaktif dalam kedokteran. $isalnya, yodium, nutrisi yang dibutuhkan oleh tubuh manusia, diperoleh terutama melalui asupan garam beryodium dan makanan laut. Untuk menge3aluasi kinerja tiroid, pasien meminum jumlah yang sangat kecil dari natrium iodida radioaktif yang mengandung #8#(, sebuah isotop artifisial diproduksi yodium "alam, isotop non radioaktif #-9(&. @umlah yodium dalam kelenjar tiroid ditentukan sebagai fungsi 'aktu dengan mengukur intensitas radiasi pada daerah leher. 2erapa banyak dari isotop #8#( tetap di tiroid adalah ukuran dari seberapa baik kelenjar yang berfungsi.uklir sangat luas di bidang manufaktur, kedokteran, dan biologi. *ada bagian ini, kami menyajikan beberapa aplikasi ini dan teoriteori yang mendasarinya. ebuah aplikasi medis kedua ditunjukkan pada 6ambar 45,#. uatu larutan yang mengandung natrium radioaktif disuntikkan ke pembuluh darah di kaki, dan 'aktu di mana radioisotop tiba di bagian lain dari tubuh terdeteksi dengan counter radiasi. aktu berlalu merupakan indikasi yang baik dari ada atau tidak adanya konstriksi dalam sistem peredaran darah. *elacak juga berguna dalam penelitian pertanian. $isalkan menentukan metode terbaik untuk pemupukan tanaman. ebuah elemen tertentu dalam pupuk, seperti nitrogen, dapat ditandai "diidentifikasi& dengan satu isotop radioaktif. *upuk tersebut kemudian disemprotkan pada satu kelompok tanaman, ditaburkan di tanah untuk kelompok kedua, dan meraup ke dalam tanah untuk ketiga. ebuah counter 6eiger kemudian digunakan untuk @alur nitrogen melalui masingmasing tiga kelompok. eknik pelacakan merupakan kecerdasan manusia yang dapat merancangnya. !ari ini, aplikasi berkisar dari memeriksa bagaimana gigi menyerap fluoride untuk memantau bagaimana
pembersih mencemari peralatan pengolahan makanan untuk mempelajari kerusakan di dalam mesi.n )alam kasus terakhir ini, bahan radioaktif digunakan dalam pembuatan piston cincin mobil dan minyak diperiksa radioakti3itas untuk menentukan jumlah keausan pada cincin. Enalisis bahan elama berabadabad menggunakan metode standar untuk mengidentifikasi unsurunsur dalam sampel bahan yang dilakukan dengan analisis kimia, melibatkan penentuan bagaimana materi bereaksi dengan berbagai bahan kimia. $etode kedua adalah analisa spektral, yang bekerja karena setiap elemen, ketika bergerak , memancarkan karakteristik elektromagnetik
panjang gelombang. $etode ini sekarang dilengkapi dengan teknik ketiga, analisis akti3asi neutron. Kelemahan dari kedua metode kimia dan spektral adalah bah'a sampel yang cukup besar untuk materi harus dihancurkan untuk analisis. elain itu, jumlah yang sangat kecil untuk elemen mungkin tidak terdeteksi dengan metode tersebut. Enalisis akti3asi neutron memiliki keuntungan lebih dari analisis kimia dan analisis spektral di kedua hal. Ketika suatu material diiradiasi dengan neutron, inti dalam materi menyerap neutron dan berubah menjadi isotop yang berbeda, yang sebagian besar adalah radioaktif. $isalnya, :5Cu menyerap neutron untuk menjadi ::Cu, yang mengalami peluruhan betaD
Kehadiran tembaga dapat disimpulkan karena diketahui bah'a ::Cu memiliki paruh 5,# menit dan meluruh dengan emisi partikel beta memiliki energi maksimum -,:8 $e%. @uga dipancarkan dalam peluruhan ::Cu adalah sinar gamma #,/4 $e%. )engan memeriksa radiasi yang dipancarkan oleh ;at setelah terkena radiasi neutron, satu dapat mendeteksi jumlah yang sangat kecil untuk suatu unsur dalam ;at tersebut. Enalisis akti3asi neutron digunakan secara rutin di sejumlah industri. )alam penerbangan, misalnya, digunakan untuk memeriksa bagasi maskapai untuk bahan peledak tersembunyi. alah satu penggunaan tidak rutin adalah kepentingan sejarah. 1apoleon meninggal di pulau t. !elena pada tahun #-#, diduga karena sebab alamiah. elama bertahuntahun, telah ada kecurigaan bah'a kematiannya tidak semua yang alami. etelah kematiannya, kepalanya dicukur dan kunci untuk rambutnya yang dijual sebagai sou3enir. *ada tahun #7:#, jumlah
arsenik dalam sampel rambut ini diukur dengan analisis akti3asi neutron, dan kuantitas yang luar biasa besar untuk arsenik ditemukan. "Enalisis akti3asi sangat sensitif bah'a potonganpotongan yang sangat kecil dari sehelai rambut bisa dianalisis.& !asil penelitian menunjukkan bah'a arsenik yang diumpankan kepadanya tidak teratur. 2ahkan, pola konsentrasi arsenik berhubungan dengan fluktuasi dalam keparahan penyakit 1apoleon sebagai ditentukan dari catatan sejarah. ejara'an seni menggunakan analisis akti3asi neutron untuk mendeteksi pemalsuan. *igmen yang digunakan dalam cat telah berubah sepanjang sejarah, dan pigmen lama dan baru bereaksi berbeda terhadap akti3asi neutron. $etode ini bahkan dapat mengungkapkan karya seni yang tersembunyi di balik lukisan yang ada karena yang lebih tua, lapisan tersembunyi cat bereaksi berbeda dari lapisan permukaan untuk akti3asi neutron. erapi +adiasi +adiasi menyebabkan banyak sel membelah dengan cepat. Oleh karena itu, hal ini berguna dalam pengobatan kanker karena selsel tumor membagi sangat cepat. 2eberapa mekanisme dapat digunakan untuk memberikan radiasi untuk tumor. )alam 2agian 4-,, kita membahas penggunaan sinarL energi tinggi dalam pengobatan jaringan kanker. *rotokol pengobatan lain termasuk penggunaan balok sempit radiasi dari sumber radioaktif. ebagai contoh, 6ambar 45,#7 menunjukkan mesin yang menggunakan :/Co sebagai sumber. he :/Co isotop memancarkan sinar gamma dengan foton energi tinggi dari # $e%. )alam situasi lain, teknik yang disebut brachytherapy digunakan. )alam rencana pera'atan ini, jarum radioaktif tipis yang disebut benih yang tertanam dalam jaringan kanker. nergi yang dipancarkan dari biji disampaikan langsung ke tumor, mengurangi paparan untuk jaringan sekitarnya kerusakan radiasi. )alam kasus kanker prostat, isotop aktif yang digunakan dalam brachytherapy termasuk #-5 ( dan #/8*d. *enga'etan makanan +adiasi adalah menemukan peningkatan penggunaan sebagai sarana menga'etkan makanan karena paparan radiasi tingkat tinggi dapat menghancurkan atau melumpuhkan bakteri dan spora jamur "6ambar. 45,-/&. eknik termasuk makanan mengekspos ke sinar gamma, energi tinggi elektron balok, dan Lray. $akanan dia'etkan oleh paparan tersebut dapat ditempatkan dalam 'adah tertutup "untuk mencegah agen perusak & dan disimpan untuk jangka 'aktu yang lama. erdapat sedikit atau tidak ada efek buruk pada rasa atau nilai gi;i makanan dari iradiasi. Keamanan makanan iradiasi telah disahkan oleh orld !ealth
