INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI
INTERACTION OF RADIATION WITH MATTER
Radiasi apabila menumbuk suatu materi maka akan terjadi interaksi yang akan menimbulkan berbagai efek. Efekefek radiasi ini bergantung pada jenis radiasi, energi dan juga bergantung pada jenis materi yang ditumbuk. Pada umumnya radiasi dapat menyebabkan proses ionisasi dan atau proses eksitasi ketika melewati materi yang ditumbuknya. Secara umum, interaksi radiasi dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu interaksi radiasi partikel bermuatan (alpha dan beta), radiasi partikel yang tidak bermuatan (neutron) dan yang terakhir adalah radaisi gelombang elektromagnetik/foton (radiasi gamma dan sinar-x). Karena ketiga jenis radiasi ini memiliki karakteristik yang berbeda, maka interaksi yang terjadi pun akan berbeda. A. Interaksi radiasi partikel bermuatan Ada tiga kemungkinan interaksi radiasi yang dapat terjadi ketika suatu partikel bermuatan mengenai materi, yaitu ionisasi, eksitasi dan brehmstrahlung. Ketika menumbuk suatu materi, radiasi alpha yang memiliki massa dan muatan yang relatif besar cenderung melakukan proses ionisasi, sedangkan radiasi partikel yang lebih kecil seperti beta, elektron, atau proton dapat melakukan ketiganya. Selain ketiga reaksi tersebut diatas, ada interaksi lain yang dapat terjadi, yaitu reaksi inti yang probabilitas kejadiannya jauh lebih kecil dibandingkan interaksi lainnya. Contoh reaksi inti yang dapat terjadi adalah proses aktivasi inti, yaitu proses pembuatan inti atom baru dengan menggunakan alat pemercepat proton yang disebut akselerator.
Radiation when it hits a material interaction will occur that will cause various effects. The effects of this radiation depends on the type of radiation, energy and also depends on the type of material that is crushed. In general, the radiation can cause ionization and excitation processes when passing or material stamped. In general, the interaction of radiation can be divided into three types, namely the interaction of charged particle radiation (alpha and beta), radiation uncharged particles (neutrons) and the last is radaisi electromagnetic waves / photons (gamma radiation and x-rays). Because these three types of radiation have different characteristics, then the interaction would be different. A. Interaction charged particle radiation There are three possible interactions of radiation that can occur when a charged particle of matter, namely ionization, excitation and brehmstrahlung. When punching a material, which has a mass of alpha radiation and a relatively large load tend to do the ionization process, whereas smaller particles of radiation such as beta, electron, or proton can do all three. In addition to the above three reactions, there are other interactions that can occur, namely a core reaction probability is much smaller proportion than other interactions. Examples of core reactions that can occur is the activation of the core, that core manufacturing processes using new atomic accelerator called proton accelerator.
1
1. Proses ionisasi Ketika partikel bermuatan melalui suatu materi, partikel tersebut akan berinteraksi dengan atom-atom penyusun materi dan menyebabkan beberapa elektron terlepas dari lintasannya karena adanya gaya tarik Coulomb. Proses terlepasnya elektron dari suatu atom disebut sebagai proses ionisasi. Setelah proses ionisasi, atom yang mula-mula netral menjadi bermuatan (ion) positif.
1. ionization process When a charged particle through a material, the particles will interact with the atoms making up the material and causes some electrons regardless of the trajectory due to the Coulomb drag force. The process of release of electrons from an atom is called the ionization process. After the ionization process, atoms are neutral initially be charged (ions) positive.
Gambar 1 : Proses terjadinya ionisasi
Setelah melakukan proses ionisasi energi radiasi yang datang akan mengalami pengurangan (terdapat selisih energi). Ini dikarenakan adanya transfer energi dari radiasi kepada elektron , sehingga elektron memiliki energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari atom. Jika energi radiasi akhir masih cukup banyak, proses ioniasasi dapat terjadi lagi, terus-menerus hingga energi radiasinya habis. Elektron yang terlepas dari atom (disebut ion negatif) akan menjadi elektron bebas yang tidak memiliki energi kinetik dan bebas bergerak secara random (acak) di dalam medium. Partikel berupa elektron dapat bergerak bebas dari suatu senyawa, molekul atau atom. Geraknya yang bebas ini dapat menumbuk senyawa, molekul atau atom lain, seperti yang terlihat pada Gambar 1
Figure 1 : The process of ionization
After the process of ionization energy radiation that comes will experience a reduction in ( there is a difference of energy ) . This is due to the transfer of radiation energy to the electrons , so the electrons have enough energy to break away from the large atoms . If the end of the radiation energy is still quite a lot , ioniasasi process can happen again , continuously until the radiation energy runs out. Regardless of the atomic electrons ( called negative ions ) will be a free electron that has no kinetic energy and are free to move randomly ( random ) in the medium . Particles such as electrons are able to move freely out of a compound , molecule or atom . This free movement can grind 2
dimana partikel menumbuk suatu atom. Dalam Gambar 1 tersebut partikel menumbuk atom dan mengenai elektron pada kulit terluar sehingga terpental keluar. Elektron yang terpental keluar ini disebut ion negatif, sedangkan atom yang kehilangan elektronnya menjadi ion positif. Setiap partikel bermuatan bila berinteraksi dengan materi dapat menimbulkan ionisasi, karena dalam setiap lintasannya pada materi yang dikenai akan meninggalkan sejumlah pasangan ion positif dan ion negatif. Radiasi Alpha yang bermuatan positif akan menghasilkan 10.000-70.000 pasangan ion per cm panjang lintasannya. Akan tetapi jejak lintasannya tidak terlalau jauh, karena massanya yang besar (bermassa 4) dan juga karena muatannya yang positif mudah ditarik oleh elektron bebas (yang bermuatan negatif) yang banyak sekali tersebar di alam ini. Di udara radiasi alpha hanya mampu melintas sejauh 2-3 cm (Wardana, 2007). Ionisasi yang dihasilkan oleh radiasi Beta yang bermuatan negatif lebih sedikit bila dibandingkan dengan radiasi Alpha yang bermuatan positif. Radiasi beta yang berinteraksi dengan materi akan menghasilkan 60-7000 pasangan ion per cm panjang lintasannya, jauh lebih sedikit bila dibandingakan dengan lintasan radiasi alpha (Wardana, 2007). Hal ini disebabkan karena massanya relatif amat sangat kecil (massanya bisa dianggap sama dengan nol) dan muatannya yang negatif membantu dalam perjalanannya melintasi materi, karena didorong oleh gaya coulumb elektron yang bermuatan negatif yang banyak terdapat di alam ini. Untuk radiasi beta yang bermuatan positif (positron) yang kebolehjadiannya di alam sangat kecil, jelas jauh lebih sedikit kemampuannya untuk mengionisasikan materi yang dilaluinya. Hal ini disebabkan karena sebelum
compound , molecules or other atoms , as seen in Figure 1, where the particle hits a atom . In Figure 1 the mashing atomic particles and the electrons in the outer shell so it bounced out . Electrons bounced out is called a negative ion , while the atom which loses electrons becomes a positive ion . Each charged particle when it interacts with matter can cause ionization , because in each of the tracks on that subject matter will leave a number of pairs of positive ions and negative ions . Alpha radiation is positively charged ions will produce 1000070000 pairs per cm length of the track . However, traces the trajectory terlalau not much , because of the large mass ( mass 4 ) and also because of the positive cargo easily drawn by free electrons ( negatively charged ) are aplenty scattered in nature . Alpha radiation in the air is able to pass only as far as 2-3 cm ( Ward , 2007) . Ionization produced by beta radiation is less negatively charged than the Alpha radiation is positively charged . Beta radiation that interacts with matter will produce 60-7000 ion pairs per cm length of the track , much less when it is compared with the trajectory of alpha radiation ( Ward , 2007) . This is due to the relatively infinitesimally small mass ( its mass can be considered equal to zero ) and negative payload helped on his way through the material , because it is driven by the force coulumb negatively charged electrons which are widely available in nature . For positively charged beta radiation ( positrons ) which probabilities are very small in nature , obviously much less ability to mengionisasikan material in its path . This is because before mengionisasikan material , this will advance positrons captured electrons are 3
mengionisasikan materi, terlebih dahulu positron ini akan ditangkap oleh elektron yang banyak tersebar di alam.
widely spread in nature .
2. Proses eksitasi Salah satu postulat Bohr menyatakan bahwa elektron dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Berpindahnya elektron ini karena mendapatkan tambahan energi dari luar, salah satunya dapat berasal dari radiasi alpha dan radiasi betha. Apabila elektron berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi tinggi maka energi akan diserap untuk melakukan proses tersebut. Elektron yang berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan elektron tereksitasi. Akan tetapi keadaan elektron tereksitasi ini tidak stabil sehingga elektron kembali dari tingkat energi tinggi menuju tingkat energi rendah yang disertai pelepasan energi dalam bentuk radiasi (deeksitasi). Sepintas proses eksitasi mirip dengan proses ionisasi. Akan tetapi, pada proses eksitasi elektron tidak sampai terlepas dari atom. Elektron hanya berpindah ke lintasan yang lebih luar (energi lintasannya lebih besar). Setelah terjadi proses eksitasi, atom tersebut berubah menjadi atom yang tereksitasi. Sebagaimana pada proses ionisasi, energi radiasi yang datang akan berkurang setelah melakukan proses eksitasi. Ini terjadi karena radiasi mentransfer sebagian (atau seluruh) energinya kepada elektron, sehingga elektron memiliki energi yang cukup untuk berpindah lintasan. Proses eksitasi juga dapat berlangsung berulang kali hingga energi radiasinya habis. Atom yang berada dalam keadaan tereksitasi ini akan kembali ke keadaan dasarnya (ground state) dengan melakukan transisi elektron. Salah satu elektron yang
2 . excitation process One of the postulates of Bohr stated that electrons can move from one energy level to another energy level . This is because the transfer of electrons gain extra energy from outside , one of which can be derived from alpha radiation and beta radiation . When electrons move from lower energy level to the energy level is high then the energy will be absorbed in the process. Electrons move from lower energy level to the higher level of energy causes the electrons excited . However, the excited electron state is not stable, so the electrons back from a high energy level to the lower energy level is accompanied by the release of energy in the form of radiation (deeksitasi). At first glance excitation process similar to the process of ionization . However , the electron excitation process is not to be separated from the atom . Electrons only move to the outer track ( energy greater trajectory ) . After the excitation , the atoms turn into excited atoms . As the process of ionization , the radiation energy that comes will be reduced after the excitation process . This occurs because the radiation transfer a portion ( or all ) energy to the electrons , so the electrons have enough energy to move the track . Excitation process can also take place repeatedly until the radiation energy runs out. Atoms are in the excited state will return to the ground state ( ground state ) by performing electron transitions . One of the 4
berada di lintasan luar akan berpindah mengisi kekosongan di lintasan yang lebih dalam sambil memancarkan radiasi sinar-x karakteristik. Energi sinar-x karakteristik yang dipancarkan dalam peristiwa ini setara dengan selisih energi antara lintasan sebelum dan sesudah transisi.
electrons are in the outside lane will move to fill the void in the deeper track while emitting x-ray radiation characteristics . Characteristic x-ray energy emitted in this event is equivalent to the energy difference between the track before and after the transition .
Gambar 2: Sebuah elektron melompat dari n1 ke keadaan n2, dan memancarkan foton Pada tingkat yang lebih rendah, energi yang dimiliki elektron lebih rendah daripada di tingkat sebelumnya. Perbedaan energi ini muncul sebagai sebuah kuantum radiasi berenergi hv yang sama besar dengan beda energi antara kedua tingkat tersebut. Artinya, jika elektron melompat dari n = n2 ke n=n1, seperti Gambar 2, maka terpancar sebuah foton dengan energi hυ = En2 – En1 Proses eksitasi dapat terjadi karena partikel radiasi bermuatan yang berinteraksi dengan materi yang menyebabkan struktur atom bahan terganggu atau dalam keadaan tereksitasi.Pada radiasi alpha, peristiwa eksitasi yang terjadi disebabkan karena energi radiasi alpha yang ditransfer ke elektron orbital dari struktur atomnya. Keadaan ini yang menyebabkan atom suatu bahan terganggu. Pada radiasi beta, peristiwa eksitasi bisa terjadi karena pengaruh adanya peristiwa stopping power yang menyebabkan energi radiasi beta hilang di
Figure 2 : An electron jumps from n1 to state n2 , and emit photons
At the lower level , which is owned by the electron energy is lower than in the previous level . This energy difference arises as a radiation quantum energy hv equal to the energy difference between the two levels . That is , if the electron jumps from n = n2 to n=n1,, such as Figure 2 , it radiates a photon with energy hυ = En2 – En1 Excitation process can occur due to charged particle radiation that interacts with matter that causes the atomic structure of the material is disturbed or in a state tereksitasi.Pada alpha radiation , excitation events that occur due to alpha radiation energy transferred to the electron orbitals of the atomic structure . This state of the atoms of a substance that causes disturbed . In beta radiation , excitation events can occur because of the presence of events 5
sepanjang lintasannya. Energi radiasi beta yang hilang ini menyebabkan atom-atom yang ada di sepanjang lintasan radiasi beta juga terganggu (Wardana, 2007).
that led to stopping power of beta radiation energy is lost along the trajectory. Missing energy beta radiation is causing the atoms that exist along the path of beta radiation also disrupted ( Ward , 2007) .
3. Proses Brehmstrahlung Proses ini lebih dominan terjadi pada interaksi radiasi beta dan elektron karena massa dan muatan partikel beta relatif lebih kecil sehingga kurang diserap oleh materi dan daya tembusnya lebih tinggi dibandingkan partikel alpha. Karena adanya gaya elektrostatik, radiasi beta atau elektron yang bergerak melewati inti akan dibelokkan. Perubahan arah gerak ini menyebabkan adanya perubahan momentum yang kemudian akan menghasilkan pancaran energi gelombang elektromagnetik (foton). Foton yang muncul pada proses ini disebut sebagai sinar-x brehmsstrahlung (bedakan dengan sinar-x karakteristik yang dihasilkan oleh transisi elektron). Berbeda dengan energi radiasi sinarx karakteristik yang hanya dipengaruhi oleh selisih tingkat energi lintasan, tingkat energi radiasi sinar-x brehmsstrahlung ini dipengaruhi oleh beberapa hal, yaitu energi radiasi yang mengenai atom, nomor atom (jumlah proton) inti dan sudut pembelokannya.
3 . Process Brehmstrahlung This process occurs in the interaction is more dominant beta radiation and electron mass and charge due to the beta particles are relatively small so that less power is absorbed by the material and break higher than alpha particles . Because of the electrostatic forces , or beta radiation of electrons moving past the core will be deflected . This change in direction of motion causes a change of momentum will then produce radiant energy electromagnetic waves ( photons ) . Photons that appears on this process is referred to as the x-ray brehmsstrahlung ( distinguished by the characteristic x-rays generated by electron transitions ) . In contrast to x-ray radiation energy characteristics are influenced only by the difference in the energy levels of the trajectory , the energy level of x-ray radiation brehmsstrahlung is influenced by several things , namely the radiation energy of the atom , atomic number ( number of protons ) and the core pembelokannya corner .
B. Interaksi Radiasi Neutron Neutron mempunyai massa yang hampir sama dengan proton dan tidak bermuatan. Neutron ratusan kali lebih besar dari elektron, tetapi ukurannya 1/4 kali ukuran alpha. Karena itulah mengapa neutron sangat sulit dihentikan dan memiliki daya jangkau yang besar. Ada 5 reaksi yang terjadi ketika sebuah neutron berinteraksi dengan inti. 2 reaksi yang pertama dikenal sebagai
B. Neutron Radiation Interactions Neutrons have a mass similar to protons and uncharged . Neutrons are hundreds of times larger than electrons , but the size is 1/4 times the size of the alpha . That is why the neutron is very difficult to stop and have a range of great . There are 5 reactions that occur when a neutron interacts with the nucleus . The 6
hamburan neutron, dimana neutron tetap muncul diakhir proses. Sedangkan interaksi yang terakhir dikenal dengan sebutan penyerapan neutron. Pada interaksi ini, inti menyerap neutron dan menghasilkan sesuatu yang lain. 1. Tumbukan Neutron merupakan partikel yang memiliki massa namun tidak bermuatan listrik, sehingga interaksi neutron dengan materi lebih banyak bersifat mekanik, yakni tumbukan antara neutron dengan atom (inti atom) materi, baik secara elakstik maupun tak elastik. Setiap tumbukan dengan materi akan menyerap energi neutron, sehingga setelah beberapa kali tumbukan energi neutron akan habis dan proses tumbukan pun berhenti. Jika energi neutron sudah sangat rendah, ada kemungkinan untuk terjadinya reaksi penangkapan neutron oleh inti atom bahan penyerap. 2. Tumbukan elastik Pada tumbukan elastik, tidak ada energi yang ditransfer dari neutron kepada inti target yang dapat menyebabkan suatu keadaan eksitasi. Pada tumbukan elastik berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik (momentum atau energi kinetik sistem sebelum dan sesudah interaksi adalah sama), meskipun biasanya akan ada energi kinetik yang diberikan neutron kepada inti target. Sebagian energi neutron yang diberikan kepada inti atom target menyebabkan inti atom target terpental sedangkan neutronnya akan dibelokkan atau dihamburkan. Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai massa yang sama, atau setidaknya hampir sama dengan massa neutron (misalnya atom hidrogen), sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom tersebut cukup besar.
first two reactions are known as neutron scattering , where the neutron still appear at the end of the process . While the interaction of the latter is known as neutron absorption . In this interaction , the core to absorb neutrons and produce something else . 1 . Collision Neutrons are particles that have mass but not electrically charged , so that the interaction of neutrons with matter more mechanical nature , ie collisions between neutrons with the atoms ( atomic nuclei ) material , whether or not elastic elakstik . Each collision with the material will absorb energy neutrons , so that after some times the collision energy will be depleted and neutron collision process was stopped . If the neutron energy is very low , it is possible for neutron capture reactions by atomic nuclei absorbent material. 2 . Elastic collision In elastic collision , no energy is transferred from the neutron to the target nucleus that can lead to a state of excitation . In elastic collisions apply the law of conservation of momentum and kinetic energy ( momentum or kinetic energy of the system before and after the interaction is the same ) , although there will usually be given neutron kinetic energy to the target nucleus . Most of the neutron energy given to the target atomic nucleus causes the atomic nucleus while the neutrons bounce off the target will be deflected or dissipated . Elastic collision occurs when atoms have a neutron pounded the same mass , or at least nearly equal to the mass of the neutron ( eg hydrogen atoms ) , so that the fraction of the neutron energy is absorbed 7
3. Tumbukan tak elastik Pada tumbukan tak elastik, neutron akan diserap oleh inti atom target yang kemudian membentuk inti atom majemuk. Inti majemuk ini kemudian akan memancarkan neutron dengan energi kinetik rendah dan meninggalkan inti atom dalam keadaan eksitasi. Agar dapat kembali ke keadaan groundstate, inti akan mengeluarkan kelebihan energi yang dimilikinya dalam bentuk radiasi gamma. Jumlah energi kinetik neutron yang dihamburkan, inti atom target dan gamma yang diemisikan akan sama dengan jumlah energi kinetik neutron sebelum tumbukan. 4. Penyerapan/penangkapan neutron Pada penyerapan neutron oleh suatu inti atom tidak ada neutron yang dihasilkan pada akhir proses, sebagai gantinya akan dihasilkan partikel bermuatan atau gamma. Jika inti atom yang dihasilkan adalah radioaktif, maka radiasi tambahan akan dihasilkan beberapa saat kemudian. 5. Transmutasi Bila energi neutron sudah sangat rendah (atau biasa disebut sebagai neutron termal, En < 0,025 eV), maka ada kemungkinan neutron tersebut akan ’ditangkap’ oleh inti atom bahan penyerap sehingga akan terbentuk inti atom baru karena penambahan neutron. Inti atom yang terbentuk ini umumnya tidak stabil (radioaktif) yang memancarkan radiasi (alpha, beta atau gamma). Peristiwa ini disebut sebagai aktivasi neutron, yaitu suatu proses yang dilakukan untuk mengubah bahan/materi yang tadinya bersifat stabil menajdi bahan/materi yang radioaktif. Isotop B10 dari unsur Boron merupakan inti atom yang stabil. Ketika
by the atoms is quite large . 3 . Nonelastic collision At no elastic collisions , neutrons will be absorbed by the target atom nuclei which then form the nucleus of the atom compound . The compound nucleus will then emit neutrons with low kinetic energy and atomic nuclei left in a state of excitation . In order to return to a state of groundstate , the core will release its excess energy in the form of gamma radiation . The amount of kinetic energy dissipated neutrons , atomic nuclei and gamma targets emitted will equal the number of neutrons kinetic energy before the collision . 4 . Absorption / neutron capture On the absorption of neutrons by an atomic nucleus no neutrons are produced at the end of the process , will instead be produced charged particles or gamma . If the resulting atomic nucleus is radioactive , then the additional radiation will be produced some time later . 5 . Transmutation When the neutron energy is very low ( or commonly referred to as thermal neutrons , En < 0.025 eV ) , it is possible that the neutrons will be ' captured ' by the atomic nucleus absorbent material that will form a new atomic nuclei due to the addition of neutrons . These nuclei are formed generally unstable ( radioactive ) which emit radiation ( alpha , beta or gamma ) . This is known as neutron activation , a process that is done to change the material / material that is stable had an advanced material / radioactive material . B10 isotope of the element Boron is stable atomic nuclei . When a thermal neutron regarding these isotopes , there will 8
sebuah neutron termal mengenai isotop ini, maka akan terjadi proses aktivasi yang akan mengubah B10 menjadi radioisotop 11 * (B ) yang tidak stabil. Inti ini kemudian dengan cepat berubah menjadi Li7 yang stabil sambil memancarkan radiasi alpha. Selain oleh neutron, proses reaksi inti seperti ini juga dapat disebabkan oleh partikel bermuatan seperti proton, tetapi dengan energi yang sangat tinggi. Proses aktivasi ini biasanya dimanfaatkan untuk memproduksi radioisotop.
be an activation process that will transform into a radioisotope B10 ( B11 ) * unstable . The core is then rapidly transformed into a stable Li7 while emitting alpha radiation . In addition to neutrons , such as the nuclear reaction process can also be caused by charged particles such as protons , but with a very high energy . The activation process is typically used to produce radioisotopes .
6. Arrest radiation This interaction is the most common 6. Penangkapan radiasi nuclear reaction occurs. In these Interaksi ini merupakan reaksi nuklir interactions, a neutron is absorbed by yang paling umum terjadi. Pada interaksi ini, sebuah neutron akan diserap oleh inti atomic nuclei which later formed the core atom target yang kemudian membentuk inti of the target compound in a state of atom majemuk dalam keadaan eksitasi. Inti excitation of atoms. The compound nucleus majemuk ini kemudian akan memancarkan will then emit gamma radiation and return radiasi gamma dan kembali ke keadaan to the ground state (ground state). In the dasarnya (ground state). Pada reaksi ini inti reaction of atomic nuclei produced an atom yang dihasilkan merupakan isotop dari isotope of atomic nuclei targets, and no inti atom target, dan ada kenaikan nomor increase in mass number by one. massa sebesar satu. 7. fission 7. Fisi One of the most important interaction Salah satu interaksi neutron yang is the neutron fission reaction that takes paling penting adalah reaksi fisi yang place inside the reactor. In this reaction, the berlangsung di dalam reaktor. Pada reaksi nuclei absorb neutrons would be so ini, inti atom yang menyerap neutron akan unstable that divides into two new nuclei menjadi sangat tidak stabil sehingga while releasing large amounts of energy. membelah menjadi dua inti baru sambil An example of this reaction is the cleavage melepaskan sejumlah besar energi. Contoh reaction of uranium-235 nuclei of atoms reaksi ini adalah reaksi pembelahan inti that takes place in a nuclear power plant. atom uranium-235 yang berlangsung di C. Interaction of Electromagnetic dalam PLTN. Waves Radiation Gamma and x-rays are included in C. Interaksi Radiasi Gelombang the group of electromagnetic radiation . Unlike radio waves and visible light , Elektromagnetik Gamma dan sinar-x termasuk ke gamma and x-rays have a shorter dalam kelompok radiasi elektromagnetik. wavelength ( or higher frequency ) that Tidak seperti gelombang radio dan cahaya have much higher energy . While alpha and 9
tampak, gamma dan sinar-x memiliki panjang gelombang yang lebih pendek (atau frekuensi yang lebih tinggi) sehingga memiliki energi yang jauh lebih tinggi. Sementara radiasi alpha dan beta memiliki daya jangkau maksimum yang terbatas, foton berinteraksi secara probabilistik sehingga daya jangkau maksimum sebuah foton bisa sangat bervariasi (tidak pasti). Meskipun demikian, fraksi total foton yang diserap oleh bahan berkurang secara eksponensial dengan ketebalan bahan. Ada tiga mekanisme bagaimana gamma dan sinar-x berinteraksi dengan materi, yaitu efek fotolistrik, hambran Compton dan produksi pasangan. Radiasi gamma memiliki bahaya eksternal karena radiasi ini memberikan energinya jauh lebih banyak dan lebih jauh bila dibandingkan dengan radiasi alpha dan beta. Interaksi radiasi gelombang elektromagnetik ketika mengenai materi lebih menunjukkan sifat dualisme gelombang-partikel, yaitu : 1. Efek fotolistrik Pada proses efek fotolistik, radiasi gelombang elektromagnetik (foton) yang datang mengenai atom, seolaholah ’menumbuk” salah satu elektron orbital dan memberikan seluruh energinya. Jika energi foton yang diberikan lebih besar dari energi ikat elektron, maka elektron tersebut dapat terlepas dari atom dan menghasilkan ion. Elektron yang terlepas (atau biasa disebut fotoelektron) dapat menyebabkan peristiwa ionisasi sekunder pada atom sekitarnya dengan cara yang mirip dengan yang dilakukan beta. Efek fotolistrik sangat mungkin terjadi jika foton memiliki energi yang rendah (kurang dari 0,5 MeV) dan materi memiliki massa besar (nomor atom besar). Sebagai contoh efek fotolistrik lebih banyak terjadi pada timah hitam (Z = 82)
beta radiation has a maximum range limited , photons interact probabilistic so that maximum coverage of a photon can be highly variable ( not sure ) . Nevertheless , the total fraction of photons that are absorbed by the material decreases exponentially with the thickness of the material . There are three mechanisms by which gamma and x-rays interact with matter , the photoelectric effect , Compton and pair production hambran . External gamma radiation have hazards due to radiation provides much more energy and much more when compared with alpha and beta radiation . The interaction of electromagnetic radiation when the material further demonstrate the nature of the wave particle duality , namely :
1 . The photoelectric effect In the process fotolistik effects , electromagnetic radiation ( photons ) coming on the atoms , as if ' mashing ' one electron orbital and gives all his energy . If a given photon energy larger than the binding energy of the electron , then the electron can be detached from the atoms and ions . Electrons are removed ( or socalled photoelectrons ) can cause secondary ionization events in the surrounding atoms in a manner similar to that of beta . The photoelectric effect is likely to occur if the photon has low energy ( less than 0.5 MeV ) and the material has a large mass ( large atomic number ) . For example, the photoelectric effect occurs more frequently in lead ( Z = 82 ) than copper ( Z = 29 ) . In the event fotolistri effect , the photon will be absorbed entirely of matter and one orbital electron will be emitted 10
daripada tembaga (Z = 29). Dalam peristiwa efek fotolistri, foton yang mengenai materi akan diserap sepenuhnya dan salah satu elektron orbital akan dipancarkan dengan energi kinetik yang hampir sama dengan energi foton yang mengenainya
with a kinetic energy that is almost equal to the energy of photons that hit him
Figure 11 : event photo-electric effect
The photoelectric effect arises because of the interaction between electromagnetic radiation with electrons in atomic materials . In this incident photon energy absorbed by the electron which all strongly bound by an atom so that the electron bonds regardless of the atomic nucleus . Tarjadi photoelectric effect mainly on low-energy photons , which ranged from 0.01 Mev to 0.5 Mev and dominant at photon energy below 0.1 Mev . Electromagnetic radiation with a small fotonnya energy will interact with the electrons which are beyond diorbit large atom.Semakin the photon energy electrons which are in the orbit will be released . Electrons knocked out of atoms are most likely derived from the skin electron energy photons coming K. ( hv ) most of the photoelectric electrons move into kinetic energy in the form of a very small portion elektrondan used against connective energy electrons (Be) . thrown electron ionization process can then perform other atoms in the material . Large photoelectron kinetic energy (Be) in this event is Ek = hv – Be
Gambar 11: peristiwa efek foto listrik Efek fotolistrik timbul karena interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan electron-elektron dalam atom bahan. Dalam peristiwa ini energy foton diserap semuanya oleh electron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga electron tersebut terlepas dari ikatan inti atom. Efek fotolistrik terutama tarjadi pada foton berenergi rendah, yaitu berkisar antara 0,01 Mev hingga 0,5 Mev dan dominan pada energy foton dibawah 0,1 Mev. Radiasi elektromagnetik dengan energy fotonnya kecil akan berinteraksi dengan elektronelektron yang berada diorbit luar atom.Semakin besar energy foton maka elektron-elektron yang berada pada orbit lebih dalam akan dilepaskan. Elektron yang terlempar ke luar dari atom yang paling mungkin berasal dari electron dikulit K. Energi foton datang (hv) sebagian besar berpindah ke electron fotolistrik dalam bentuk energy kinetic elektrondan sebagian sangat kecil dipakai untuk melawan energy ikat electron (Be). electron terlempar selanjutnya dapat melakukan proses ionisasi atom-atom lain di 2.Compton scattering (Compton dalam bahan. Besar energy kinetic fotoelektron (Be) dalam peristiwa ini adalah effect) Compton scattering events are Ek = hv – Be 11
2. Hamburan Compton (efek Compton) Peristiwa hamburan Compton sebenarnya tidak berbeda jauh dengan efek fotolistrik. Akan tetapi, pada hamburan Compton tidak semua energi foton diberikan kepada elektron, melainkan hanya sebagian saja, sisa energi foton masih berupa gelombang elektromagnetik (foton) yang dihamburkan. Foton yang dihamburkan ini akan terus berinteraksi dengan elektron lain sampai energinya habis dan elektron yang dihasilkan (fotoelektron) akan menyebabkan proses ionisasi sekunder.
actually not much different from the photoelectric effect. However, not all of the Compton scattering photon energy is given to electrons, but only partially, the rest of the photon energy is in the form of electromagnetic waves (photons) are scattered. The scattered photon will continue to interact with other electrons until energy runs out and the resulting electron (photoelectron) will cause secondary ionization process
Figure 12: Compton effect events
Gambar 12: peristiwa efek Compton Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energy hv berinteraksi dengan electron bebas atau electron yang tidak terikat secara kuat oleh inti, yaitu electron yang berada pada kulit terluar dari atom. Electron dilepaskan dari inti atom dan bergerak dengan energy kinetic tertentu disertai foton lain dengan energy lebih rendah dibandingkan foton dating. Foton lain itu disebut dengan foton hamburan dengan energy hv ‘ dan terhambur dengan sudut θ terhadap foton datang. Karena ada energy ikat elektron yang harus dilawan, meskipun sangat kecil, hamburan Compton ini termasuk proses interaksi inelastik. Energi kinetik elektron (Ee) sebesar selisih energi foton masuk dan foton keluar. Ee = hλi– hλo
Compton scattering occurs when a photon with energy hv interact with the free electrons or electrons are not strongly bound to the core, ie electrons are on the outer shell of the atom. Electrons released from the nucleus and moves with a certain kinetic energy photons with other photons of energy lower than dating. Another photon is called the scattering of photons with energy hv 'and scattered at an angle θ to photons coming. Because there are connective energy electrons that must be resisted, although very small, this includes Compton scattering inelastic interaction process. Electron kinetic energy (Ee) is the energy difference between incoming photons and photons out. Ee = hλi– hλo Dominant Compton scattering occurs when photons have energies were (above 0.5 MeV) and occurs more frequently in the 12
Hamburan Compton sangat dominan material with a mass number (Z) is low. terjadi bila foton mempunyai energi sedang (di atas 0,5 MeV) dan lebih banyak terjadi pada material dengan nomor massa (Z) yang rendah. 3. Produksi pasangan Peristiwa ini menunjukkan kesetaraan antara massa dengan energi sebagaimana yang diperkenalkan oleh Einstein. Ketika berada di daerah medan inti sebuah atom, foton dapat mengalami konversi (lenyap) menjadi postron yang bermuatan positif dan elektorn yang bermuatan negatif. Dengan menggunakan persamaan konversi energi menjadi massa (E=mc2), elektron dan positron yang dihasilkan akan memiliki energi yang setara dengan 0,511 MeV. Oleh karena itu hanya foton berenergi besar saja (>1,02 MeV) yang dapat menghasilkan pasangan elektron-psoitron. Setiap kelebihan energi diatas 1,02 MeV akan diberikan pada partikel dalam bentuk energi kinetik. (Energi kinetik total dari dua partikel tersebut sama dengan energi foton yang datang dikurangi 1,02 MeV). Elektron yang dihasilkan akan berinteraksi dengan atom sekitar dan menyebabkan terjadinya ionisasi, sedangkan positron akan menemukan sebuah elektron bebas dan kedua partikel ini akan saling menghilangkan (interaksi positron), dan menghasilkan energi.
3 . Pair production It demonstrated the equivalence between mass and energy as introduced by Einstein. While you're at the core of an atomic field region , the photon can experience conversion ( gone ) into postron a positively charged and a negatively charged elektorn . By using a mass- energy conversion equation (E=mc2) , electrons and positrons produced will have the equivalent energy of 0.511 MeV. Therefore, only large energetic photons only ( > 1.02 MeV ) can produce electron- psoitron . Each edge energy 1.02 MeV above will be given in the form of kinetic energy of particles . ( Kinetic Energy a total of two particles is equal to the energy of the photons that come minus 1.02 MeV ) . Electrons produced will interact with surrounding atoms and causing an ionization , while the positron will find a free electron and the second will be getting rid of particles ( positron interactions ) , and produce energy .
Figure 13 : event production partner
13
Gambar 13: peristiwa produksi pasangan Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Proses ini hanya dapat terjadi dalam medan listrik di sekitar partikel bermuatan, terutama dalam medan sekitar inti. Dalam proses produksi pasangan, dapat dianggap bahwa foton berinteraksi dengan atom secara keseluruhan. Jika interaksi ini terjadi, maka foton akan lenyap. Sebagai gantinya timbul sepasang electron-positron. Karena massa diam electron/positron ekuivalen dengan 0,51 Mev maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energy foton dating ≥ 1,02 Mev. Dalam moda ini suatu foton sinar X akan bertransformasi menjadi satu pasangan zarah, yaitu elektron dan apa yang dinamakan positron. Transformasi ini hanya dapat terjadi di bawah pengaruh medan inti yang kuat, jadi tak dapat terjadi dalam ruang hampa. Positron adalah suatu zarah mirip elektron yang bermuatan positip. Jadi transformasi produksi pasangan dapat dituliskan sebagai berikut : v Þ e+ + eSecara energetik ini dapat terjadi tentunya hanya apabila energi foton : Hv > 2m0c2 = 1,02MeV dengan mo massa elektron (=massa positron) produksi pasangan dapat terjadi apabila energi foton lebih besar dari 1,02 MeV. Zarah positron telah diramalkan oleh PAM Dirac tahun 1929. Hal ini timbul dari penelaahannya mengenai teori kuantum relativistik. Dalam hal-ihwal positron ini teori mendahului eksperimen. Baru tahun 1932 positron ditemukan secara eksperimen oleh Anderson di CALTECH (California
Pair production occurs due to the interaction between photons with the electric field in the nuclei of heavy atoms . This process can only occur in the electric field around the charged particles , especially in the field around the core . In the process of pair production , can be considered that the photon interacts with an atom as a whole . If this interaction occurs , then the photon will disappear . Instead, an electron- positron pair arise . Since the rest mass of the electron / positron is equivalent to 0.51 Mev the pair production can only occur at a photon energy of dating ≥ 1.02 Mev . In this mode an X-ray photons will transform into a pair particles , ie electrons and what is called a positron . This transformation can only occur under the influence of a strong core field , so it can not happen in a vacuum . The positron is an electron -like particles are positively charged . So the transformation of pair production can be written as follows : v Þ e+ + eThis can happen energetically course only if the photon energy : Hv > 2m0c2 = 1,02MeV the electron mass mo ( = mass positrons ) pair production can occur if the photon energy greater than 1.02 MeV . Positron particle was predicted by PAM Dirac in 1929. This arises from the examination of the relativistic quantum theory . In the particulars of the positron theory precedes experiment . 1932 new positron discovered experimentally by Anderson at Caltech ( California Institute of Technology ) . It happened when Anderson 14
Institute of Technology). Hal itu terjadi pada saat Anderson sedang melakukan percobaan-percobaan mengenai sinar kosmos dengan kamar kabut (Wilson). Pada tahun tigapuluhan itu banyak fisikawan mempelajari radiasi pengion yang datang dari kosmos. Deteksinya dilakukan dengan pencacah Geiger-Muller secara sendiri, atau pencacah GM yang dikaitkan dengan suatu kamar kabut. Apabila suatu radiasi pengion melalui kamar kabut maka jejaknya dapat dilihat sebagai butir-butir kondensasi. Ini terjadi karena ion-ion udar dalam kamar kabut itu merupakan inti-inti kondensasi. Dengan pemotretan jejak itu dapat direkam dan dianalisa. Studi-studi semacam ini dapat membedakan jejak sinar a, elektron, atau pun sinar gama. Dengan menempatkan seluruh kamar kabut dalam medan magnet, maka dapat pula diperkirakan muatan zarah yang membuat jejak. Dalam jejak itu Anderson menemukan jejak suatu zarah yang mirik elektron, kecuali tentang muatannya yang positif (positron). Kekekalan energi mensyaratkan bahwa energi foton hn harus memenuhi : hv = E+ + Edengan E+ dan E- secara berturutturut adalah energi relativistik positron dan elektron. Apabila tenaga kinetik dinyatakan dalam K, maka berlaku. E+ = K+ + m0c2 dan E- = K- + m0c2 Oleh karena itu kekekalan energi mempersyaratkan hv = K+ + K- + 2 m0c2 dengan ..mo = 9,11.10-31 kg c = 3,00.10sm/s 2 m0c2 = 1,022 MeV
is conducting experiments on cosmic rays with fog room ( Wilson ) . In the thirties , many physicists studying ionizing radiation coming from the cosmos . The detection is done with a Geiger - Muller counter alone , or GM counter associated with a fog room . When an ionizing radiation fog the room through the trail can be seen as grains of condensation . This occurs because the ions in the room udar the fog is condensation nuclei . By shooting the trail can be recorded and analyzed . Such studies can distinguish a ray trace , electrons , or gamma rays . By placing the entire room mist in a magnetic field , it can also be expected to charge particles that make the trail . In the footsteps of Anderson found traces of a particle is an electron Mirik , except on cargo positive ( positron ) . Conservation of energy requires that the photon energy hn must satisfy : hv = E+ + Ewith E + and E - respectively are the relativistic energy positrons and electrons . If the kinetic energy is expressed in K , then apply . 2 E+ = K+ + m0c and E- = K- + m0c2 Therefore, conservation of energy requires hv = K+ + K- + 2 m0c2 with mo = 9,11.10-31 kg .. c = 3,00.10sm/s 2 m0c2 = 1,022 MeV The inverse process of pair production can occur is called the separation of couples. 15
Kebalikan proses produksi pasangan juga dapat terjadi yang dinamakan pemisahan pasangan.
The process of separation of couples
Proses
terjadinya
pemisahan
pasangan Peristiwa pemisahan pasangan terjadi bila positron berdekatan dengan elektron dan keduanya saling mendekati di bawah pengaruh gaya tarik menarik dari muatan yang berlawanan. Kedua partikel tersebut musnah pada saat yang sama dan massa yang musnah tersebut menjadi energi dan foton sinar gamma yang tercipta. Sedikitnya dua foton harus dihasilkan untuk memenuhi kekekalan energi dan momentum. Adapun persamaan yang dapat diperoleh sebagai berikut : Eawal = Eakhir atau 2moc2 + K+ + K= hυ1+ hυ2 pawal = pakhir atau m+v+ + m-v- = (h/2π)k1 + (h/2π)k2 dengan k adalah vektor perambatan foton, |k|=2π/λ. Berlawanan dengan produksi pasangan, ternyata pemisahan pasangan dapat dilakukan di ruang hampa dan prinsip-prinsip energi dan momentum dapat diterapkan (Gautreau & Savin,1999).
Separation event occurs when a pair of electrons and positrons is adjacent to both approach each other under the influence of attractive forces of opposite charge . Both particles are destroyed at the same time and mass into energy and destroyed the gamma ray photons are created. At least two photons must be produced to meet the conservation of energy and momentum . The equation can be obtained as follows : Eawal = Eakhir or 2moc2 + K + + K - = hυ1 + hυ2 pawal = pakhir atau m+v+ + m-v- = (h/2π)k1 + (h/2π)k2 where k is the photon propagation vector , | k | = 2π / λ . Contrary to pair production , pair separation turns out to be done in a vacuum and the principles of energy and momentum can be applied ( Gautreau & Savin , 1999) .
4 . Indirect interaction Of the three interactions of 4. Interaksi tidak langsung electromagnetic waves ( photons ) that have Dari tiga interaksi gelombang been mentioned above , it is seen that all elektromagnetik (foton) yang telah interactions will produce charged particles disebutkan di atas, terlihat bahwa semua ( electrons or positrons ) are high-energy . 16
interaksi akan menghasilkan partikel bermuatan (elektron atau positron) yang berenergi tinggi. Elektron atau positron yang berenergi tersebut dalam pergerakannya akan mengionisasi atomatom bahan yang dilaluinya sehingga dengan kata lain, gelombang elektromagnetik juga dapat mengionisasi bahan tetapi secara tidak langsung. Salah satu contoh interaksi tidak langsung adalah emisi sekunder. Emisi sekunder dapat juga terjadi pada efek fotolistrik karena disebabkan oleh dua hal sebagai berikut : Pertama: Karena energinya besar elektron yang dilepaskan adalah elektron dari orbit yang lebih dalam pada unsur bernomor atom besar, maka lowongan elektron ini akan diisi oleh elektron dari orbit yang lebih luar. Apabila pelepasan elektron terjadi pada orbit K, maka transisi ini akan disertai dengan emisi foton dengan berbagai karakteristik berupa radiasi sinar-X karakteristik yang dikenal dengan ”radiasi fluoresensi”. Kedua: Kadang-kadang foton ini menumbuk elektron dari orbit yang lebih luar dari atom dan melepaskan elektron ini. Elektron tersebut memiliki energi kinetik yang sama dengan energi sinar-X karakteristik dikurangi dengan energi ikat elektron tersebut dalam orbitnya dalam orbitnya dan disebut elektron Auger.
Energetic electrons or positrons are in the movement will ionize the atoms of the material in its path so in other words , electromagnetic waves can also ionize materials but indirectly . One example of indirect interaction is secondary emissions Secondary emissions may also occur due to the photoelectric effect is caused by two things as follows :
First : Since the energy of the electrons that are released from the electron orbit in the large atomic numbered elements , the electron vacancy will be filled by an electron from the outer orbit . If the release of electrons occur in orbits of K , then the transition will be accompanied by the emission of photons with different characteristics such as X-ray radiation characteristic known as " fluorescence radiation " . Second : Sometimes these photon impingement of electrons from outer orbits of the atom and release electrons . The electron has a kinetic energy equal to the characteristic X-ray energy minus the binding energy of the electron in its orbit and the orbit is called the Auger electron .
17
DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2010. Interaksi Radiasi dengan Materi. http://kreatif-sains-madina.blogspot.com/2010/09/interaksi-radiasi-gelombang.html. (26 Maret 2014). Anonim. 2011. Interaksi Radiasi dengan Materi. http://www.infonuklir.com/read/detail/95/interaksi-radiasi-dengan-materi#. (26 Maret 2014). Mukmin, S. 2011. Interaksi Radiasi dengan Materi. http://smukmin.blogspot.com/2011/10/interaksi-radiasi-dengan-materi.html (26 Maret 2014). Zaki. 2009. Interaksi Radiasi. http://zakizaka.blogspot.com/2009/05/interaksi-radiasi.html. (26 Maret 2014).
18
