FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS
Ringkasan materi
Semua inti atom pada dasarnya tersusun atas proton dan neutron.
proton yaitu partikel bermuatan positif dengan massa satu satuan massa atom
neutron yaitu partikel tak bermuatan (netral dengan massa satu satuan massa atom. Berarti massa suatu atom berkpnsentrasi
Massa proton dan massa neutron masing-masing besarnya :
mp = 1,007825 sma
mn = 1, 008665 sma
di mana :
1 sma = 1,6604 x 1027 kg
Suatu atom umumnya dilambangkan :
ZXA
Dimana :
X = nama atau simbol unsur atom
Z = nomor atom, menunjukkan banyaknya proton atau neutron
A = nomor massa, menunjukkan jumlah proton dan neutron
A – Z = banyaknya neutron dalam inti
Partikel-partikel penyusun inti ini disebut juga nukelon. Inti atom dapat digolongkan menjadi 3 kategori yaitu :
isotop yaitu inti-inti yang mempunyai nomor atom sama, misalnya8O16 dan 8O17
isoton yaitu inti-inti yang mempunyai jumlah neutron sama, misalnya 6C 13 dan 7C14
isobar yaitu inti-inti yang mempunyai nomor massa sama , misalnya6C14 dan 7C14
Inti-inti yang mempunyai jumlah neutron sama atau hamper sama dengan jumlah proton sering disebut inti ringan. Dengan naiknya jumlah nucleon sudah tentu jumlah neutron menjadi lebih besar (N Z). Inti ini biasanya terdapat pada inti-inti stabil.
A. TENAGA IKAT INTI
Dari percobaan ternyata massa diam dari inti-inti stabil selalu kurang dari jumlah massa diam nukleon-nukleonnya. Penurunan massa diam tersebut dibebaskan adanya energy yang dipakai untuk mempertahankan nucleon agar tetap terikat pada intinya. Energi ini disebut Binding Energy (BE) atau tenaga inti. Dengan demikian BE merupakan selisih antara energy diam nukleon-nukleon dengan energy diam inti.
BE = (Zmp)c2 + (Nmp)c2 – minti c2
Di mana mp , mn , dan minti masing-masing adalah massa diam proton, neutron dan inti atom massa inti dapa diperoleh dari hubungan.
Minti = massa atom – Z . me
B. PELURUHAN INTI TAK STABIL
Inti-inti dalam keadaan tereksitasi akan menurunkan tingkat energinya ke keadaan dasar sambil meluruh menjadi inti lain. Peluruhan akan diikuti pemancaran partikel , atau sinar . Inti yang meluruh disebut induk, sedangkan inti lain hasil peluruhannya disebut anak. Apapun jenis inti, setiap terjadi peluruhan akan berlaku hokum peluruhan radioaktif. Setelah t detik jumlah inti akan menjadi :
N = NO e- t
No adalah jumlah inti mula-mula dan N adalh jumlah inti setelah meluruh. disebut konstanta peluruhan. Kecepatan peluruhan juga dapat dinyatakan dengan paruh waktu (T1/2).
(T1/2) didefinisikan sebagai selang waktu yang dibutuhkan inti untuk meluruh sehingga jumlah inti menjadi separuhnya.
T1/2 = In 2 = 0,693
Besaran lain untuk menunjukkan kecepatan peluruhan adalah waktu hidup terata (Tm)
Tm = 1/
Jumlah peluruhan tiap satuan waktu disebut aktivitas
A = d N/dt = N
Karena aktivitas sebanding dengan N, maka dapat diperoleh hubungan :
A = AO e- t
Di mana Ao adalah aktivitas mula-mula, satuan aktivitas adalah Ci, dimana 1 Ci setara dengan 3,7. 1010 peluruhan tiap detik. Dari persamaan-persamaan di atas dapat diturunkan hubungan lain antara jumlah inti yang meluruh dengan waktu paruh yaitu :
N = NO (1/2)n
Di mana : n = 1
T1/2
1. Peluruhan Gamma ( )
Sinar merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang sangat pendek.
Ciri-cirinya adalah :
- Daya tembus sangat besar
- Daya ionisasinya sangat lemah
- Tidak dibelokkan oleh medan magnet
- Mempunyai energy antara 0.2 – 3 MeV
Pada peluruhan tidak terjadi perubahan nomor massa.
(XA)* XA +
2. Peluruhan Beta ( )
Partikel masih dapat dibedakan menjadi - yang bermuatan negatif dan + yang bermuatan positif. - ternyata adalah elektron, sedangkan + positron.
Ciri-cirinya adalah :
- Daya tembus cukup besar tetapi < daya tembus
- Daya ionisasi tidak begitu kuat tetapi > daya ionisasi
- Dapat dibelokkan dalam medan magnet dengan penyimpangan kecil
- Mempunyai energi 3-4 MeV
Pemancaran biasanya diikuti oleh partikel lain, yaitu neutronio (v)
ZXA Z+1YA + - + v atau ZXA Z+1YA + + + v
3. Peluruhan Alpha ( )
Partikel ternyata merupakan inti atom helium (2He4)
Ciri-cirinya adalah :
- Daya tembus kecil
- Daya ionisasi sangat kuat
- Dapat dibelokkan dalam medan magnet dengan penyimpangan besar
- Mempunyai energi 5-3 MeV
ZXA Z-AYA-4 +
C. REAKSI INTI
Reaksi inti akan terjadi jika atom sauatu unsur "ditembak" dengan partikel-partikel tertentu (biasa disebut proyektil). Pada dasarnya isotop dan inti atom dengan Z 18 dapat digunakan sebagai proyektil, namun kita akan membatasi pada partikel-partikel berikut.
Partikel Tanda
Neutron 10n
Proton 1H1
Deuteron 1H2
Triton 1H3
Helium-3 h, 2H3
Helium-4( ) , 2He4
Secara normal, reaksi inti akan menghasilkan inti baru dengan disertai partikel lain.
Inti + proyeksi inti baru + partikel
Dalam persamaan di atas, jumlah muatan total serta jumlah nukleon sebelum dan sesudah reaksi harus sama.
D. REAKSI FISI
Reaksi fisi adalah reaksi inti antara inti berat (A > 230) dengan neutron sedemikian sehingga dihasilkan 2 inti baru serta 2-3 neutron. Ketika terjadi pembelahan akan dibebaskan energi yang sangat besar.
Apabila inti atom 92C235 bereaksi dengan sebutir neutron, maka inti ini menjadi tidak stabil dan akhirnya pecah menjadi 2 bagian yang hampir sama abesar disertai 2-3 neutron baru.
92C235 + n [92U236]* zXA + ZXA + 2-3n + energi
Setiap kali terjadi pembelahan akan dibebaskan energi 200 MeV yang sebagian besar berupa energi kinetik.
2-3 neutron baru yang terbentuk akan segera bereaksi dengan inti U235lain. Peristiwa ini akan terjadi berulang kali, sehingga reaksi semacam ini disebut juga reaksi berantai. Sudah tentu energi yang dibebaskan akan berlipat ganda. Prinsip ini digunakan pada bom atom.
E. REAKSI FUSI
Reaksi fusi adalah reaksi inti antara 2 inti ringan (A > 20) sedemikian sehingga membentuk 1 inti gabungan yang lebih berat sambil membebaskan sejumlah energi.
Contoh-contoh reaksi fusi :
1H3 + 1H2 2He4 + n + E = 17,59 MeV
1H1 + n 1H2 + E = 2,23 MeV
1H2 + 1H2 2H4 + E = 23,8 MeV
Meskipun energi yang dihasilkan lebih kecil dari energi fisi tetapi karena massa inti yang bereaksi kecil, maka tiap satuan massa akan lebih besar.
F. REAKTOR INTI
Reaksi inti adalah tempat berlangsungnya reaksi berantai dengan terkendali, sehingga energi yang dibebaskan dapat dimanfaatkan.
Pada Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) panas yang dibebaskan dipakai untuk menghasilkan uap. Kemudian uap tersebut digunakan untuk menggerakkan generator AC, sehingga diperoleh tenaga listrik.
Bagian terpenting dari suatu reaktor inti adalah :
a. Teras Reaktor
Teras reaktor merupakan wadah untuk terjadinya reaksi inti. Di teras reaktor terdapat tabung bahan bakar (berisi U235 serta sumber neutron awal.
b. Moderator
Moderator berfungsi untuk memperlemah tenaga neutron, mengingatkan reaksi antara U235 dengan neutron tidak dapat berlangsung dengan sembarang tenaga. Neutron akan bereaksi jika tenaganya sekitar 0,025 eV. Neutron yang tenaganya terlalu besar harus diperlemah dengan menabrakkannya pada atom-atom bahan moderator antara lain (H2O), grafit dan air berat (D2O).
c. Batang Kendali
Agar reaksi berantai dapat terkendali, maka jumlah neutron yang berada di dalam teras harus diatur. Caranya dengan menyisihkan atau menarik sebuah alat yang terbuat dari bahan penyerap neutron. Alat ini disebut batang kendali (Control Rod).
Jadi batang terkendali dapat berfungsi untuk mengubah daya reaktor. Bahan yang dapat digunakan sebagai batang kendali antara lain Cadmium, boron, dan hafnium.
d. Perisai (Shielding)
Perisai berfungsi untuk menahan neutron dan radiasi lainnya sehingga tidak membahayakan operator. Oleh karena itu perisai harus terbuat dari bahan yang kuat dan mampu menahan radiai. Bahan yang dapat digunakan untuk itu antara lain timah hitam, baja, dan beton barit.
