MATERI RADIASI NUKLIR A. Pengertian Pengertian Radiasi Nuklir Radiasi adalah sebuah transfer energi yang melalui gelombang elektromagnetik atau juga gerakan partikel yang berlangsung secara cepat yang melalui ruang hingga akhirnya dapat diserap oleh benda lain atau Radiasi adalah pancaran energi melalui suatu materi atau ruang dalam bentuk panas, partikel atau gelombang elektromagnetik/cahaya (foton) dari sumber radiasi. Dalam pengertian umum Segala sesuatu yang berkaitan dengan nuklir adalah berhubungan dengan atom. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu benda yang terdiri atas proton, neutron dan elektron. Nuklir merupakan inti atom yang tersusun dari proton dan neutron. Kejadian pada kehidupan sehari-hari, fenomena alam, jarang sekali berkaitan dengan reaksi nuklir. Hampir semuanya melibatkan gravitasi dan elektromagnetik. Keduanya adalah bagian dari empat gaya dasar dari alam, dan bukanlah yang terkuat. Namun dua lainnya, gaya nuklir lemah dan gaya nuklir kuat adalah gaya yang bekerja pada range yang pendek dan tidak bekerja di luar inti atom. Inti atom terdiri dari muatan positif yang sesungguhnya akan saling menjauhi jika tidak ada suatu gaya yang menahannya. Jadi radiasi nuklir merupakan reaksi nuklir yang dapat terjadi dalam berbagai bentuk, masing-masing memberikan hasil yang sangat berbeda. Reaksi nuklir adalah reaksi yang terjadi di inti atom. B. Jenis-Jenis, Sifat-Sifat, dan Sumber-Sumber Radiasi 1. Jenis-Jenis Radiasi a. Radiasi Pengion Radiasi pengion adalah jenis radiasi yang dapat menyebabkan proses ionisasi (terbentuknya ion positif dan ion negatif) apabila berinteraksi dengan materi. Yang termasuk dalam jenis radiasi pengion adalah partikel alpha, partikel beta, sinar gamma, sinar-X dan neutron. Setiap jenis radiasi memiliki karakteristik khusus seperti ditunjukkan pada gambar 1. 1) Partikel Alpha (α) (α) Partikel alpha merupakan radiasi partikel bermuatan positif. Partikel ini merupakan inti Helium yang terdiri atas 2 proton dan 2 neutron. Radiasi alpha Mempunyai ukuran (volume) dan muatan listrik positif yang besar. Tersusun dari dua proton dan dua neutron, sehingga identik dengan inti at om Helium. Daya ionisasi partikel alpha sangat besar, kurang lebih 100 kali daya ionisasi partikel β dan 10.000 kali daya ionisasi sinar-gamma. Karena mempunyai muatan listrik yang besar, maka partikel alpha mudah dipengaruhi oleh medan listrik yang ada di sekitarnya dan setelah terlepas dari sumbernya hanya mampu menjangkau jarak sejauh 4-5 cm di dalam media udara. Sedangkan akibat ukurannya yang besar maka partikel alpha tidak mampu menembus pori-pori kulit kita pada lapisan yang paling luar sekalipun, sehingga radiasi yang diapancarkan oleh partikel alpha tersebut tidak berbahaya bagi manusia apabila berada di luar tubuh. Sifat-sifat sinar alpha adalah: a) Memiliki daya tembus kecil (daya jangkau 2,8-8,5 cm dalam udara) b) Dapat mengionisasi molekul yang dilaluinya. Sinar alpha ini dapat menyebabkan satu atau lebih elektron el ektron suatu molekul lepas, sehingga molekul berubah menjadi ion (ion positif dan elektron) per cm bila melewati udara c) Dalam medan listrik dapat dibelokan ke arah kutub negatif Jadi, sinar alpha mengalami pembelokan ke pelat bermuatan negatif karena partikel alpha ini bermuatan positif. Sehingga ia akan mencari pasangannya yaitu muatan negatif. Pembelokan pada sinar alpha pun tidak terlalu besar seperti sinar beta karena partikel sinar alpha memiliki beban yang lebih besar dibanding sinar beta. 2)
Partikel Beta ( β ) Partikel beta merupakan radiasi partikel bermuatan negatif negatif yang identik dengan elektron. Sinar beta ini bermuatan negatif dan bermassa sangat kecil, yaitu 5,5 × 10-4 satuan massa atom atau amu, diberi simbol beta mempunyai ukuran dan muatan listrik lebih kecil dari partikel alpha. Daya ionisasinya 1
di udara 1/100 kali daya ionisasi partikel alpha. Dengan u kurannya yang lebih kecil, partikel β mempunyai daya tembus lebih besar dari partikel alpha. Karena muatannya yang kecil daya jangkau partikel β di udara bisa sejauh 9 cm, untuk selanjutnya dibelokkan oleh medan listrik yang ada di sekitarnya. Sifat-sifat sinar beta adalah: a) Memiliki daya tembus yang jauh lebih besar dari sinar alpha (dapat menembus lempeng timbel setebal 1 mm) b) Daya ionisasinya lebih lemah dari sinar alpha c) Bermuatan listrik negatif, sehingga dalam medan listrik kearah kutub positif. Partikel sinar beta memiliki massa yang lebih ringan dari sinar alpha sehingga pembelokannya lebih tajam dibanding sinar alpha maupun sinar gamma. Sama halnya seperti sinar alpha, sinar beta akan mencari pasangan muatannya, oleh karena itu sinar beta yang bermuatan negatif akan menuju pelat yang bermuatan positif. 3)
Sinar Gamma (γ) (γ) Sinar gamma merupakan radiasi gelombang elektromagnetik, sejenis dengan sinar-X, dengan panjang gelombang pendek yang diproduksi oleh radioaktivitas atau ata u proses nuklir seperti penghancuran elektron-positron. Tidak mempunyai besaran volume dan muatan listrik sehingga dikelompokkan ke dalam gelombang elektromagnetik. Daya ionisasinya di dalam medium sangat kecil, Karena tidak mempunyai muatan listrik maka sinar gamma tidak terbelokkan oleh medan listrik yang ada di sekitarnya, sehingga daya tembusnya sangat besar dibandingkan dengan daya tembus partikel alpha atau beta (β). Sifat-sifat Sifat-sifat sinar gamma adalah: a) Tidak memiliki massa b) Memiliki daya tembus sangat kuat (dapat menembus lempeng timbel setebal 20 cm) c) Daya ionisasinya paling lemah d) Tidak bermuatan listrik, oleh karena itu tidak dapat dibelokan oleh medan listri k.
4)
Sinar – X Mempunyai kemiripan dengan sinar gamma, yaitu dalam hal daya jangkau pada suatu media dan pengaruhnya oleh medan listrik. Yang membedakan antara keduanya adalah proses terjadinya. Sinar gamma dihasilkan dari proses peluruhan zat radioaktif yang terjadi pada inti atom, sedangkan sinar-X dihasilkan pada waktu elektron berenergi tinggi yang menumbuk menerus oleh sumber radioaktif selama sumber tersebut bersifat tidak stabil, sedangkan sinar-X dapat setiap saat dihentikan pancarannya apabila pesawat sinar-X tidak diberikan suplai daya (tenaga listrik).
5)
Partikel Neutron Partikel neutron adalah partikel subatomik yang tidak bermuatan (netral) dan memil iki massa 940 2 MeV/c (1,6749×10 -27 kg) mempunyai ukuran kecil dan tidak mempunyai muatan listrik. Karena ukurannya yang kecil dan tidak terpengaruh oleh medan listrik di sekitarnya, maka partikel neutron memiliki daya tembus yang tinggi. Partikel neutron dapat dihasilkan dari reaksi nuklir antara satu unsur tertentu dengan unsur lainnya. Sebuah neutron adalah satu dari tiga partikel utama yang membentuk atom dua partikel lainnya adalah proton dan elektron. Atom umumnya memiliki sekitar jumlah yang sama dari neutron dan proton. Sebagai contoh, semua atom karbon memiliki enam proton dan sebagian besar juga memiliki enam neutron. Sebuah model atom karbon ditunjukan pada pada gambar dibawah: b. Radiasi Non – Non – Pengion Pengion Radiasi non-pengion adalah jenis radiasi yang tidak akan menyebabkan efek ionisasi apabila berinteraksi dengan materi. Radiasi non-pengion tersebut berada di sekeliling kehidupan kita, yang termasuk dalam jenis radiasi non-pengion antara lain adalah gelombang radio (yang membawa informasi dan hiburan melalui radio dan televisi), gelombang mikro (yang digunakan dalam microwave oven dan transmisi seluler handphone), sinar inframerah (yang memberikan energi dalam bentuk panas), cahaya tampak (yang bisa kita lihat) dan sinar ultraviolet (yang dipancarkan matahari).
2
2. Sifat – Sifat Radiasi Ada dua macam sifat radiasi yang dapat digunakan untuk mengetahui keberadaan sumber radiasi pada suatu tempat atau bahan, yaitu sebagai berikut: : a. Radiasi tidak dapat dideteksi oleh indra manusia, sehingga untuk mengenalinya diperlukan suatu alat bantu pendeteksi yang disebut dengan detektor radiasi. Ada beberapa jenis detektor yang secara spesifik mempunyai kemampuan untuk melacak keberadaan jenis radiasi tertentu yaitu detektor alpha, detektor gamma, detektor neutron, dll. b. Radiasi dapat berinteraksi dengan materi yang dilaluinya melalui proses ionisasi, eksitasi dan lain-lain. Dengan menggunakan sifat-sifat tersebut kemudian digunakan sebagai dasar untuk membuat detektor radiasi. Besaran yang Diukur Secara definisi, radiasi merupakan salah satu cara perambatan energi dari suatu sumber energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium atau bahan penghantar tertentu. Salah satu bentuk energi yang dipancarkan secara radiasi adalah energi nuklir. Radiasi ini memiliki dua sifat yang khas, yaitu tidak dapat dirasakan secara langsung oleh panca indra manusia dan beberapa jenis radiasi dapat menembus berbagai jenis bahan. Sebagaimana sifatnya yang tidak dapat dirasakan sama sekali oleh panca indera manusia, maka untuk menentukan ada atau tidak adanya radiasi nuklir diperlukan suatu alat, yaitu pengukur radiasi yang merupakan suatu susunan peralatan untuk mendeteksi dan mengukur radiasi baik kuantitas, energi, atau dosisnya. a. Kuantitas radiasi Kuantitas radiasi adalah jumlah radiasi per satuan waktu per satuan luas, pada suatu titik pengukuran. Kuantitas radiasi ini berbanding lurus dengan aktivitas sumber radiasi dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antara sumber dan sistem pengukur. b. Energi radiasi (E) Energi radiasi merupakan ‘kekuatan’ dari setiap radiasi yang dipancarkan oleh sumber radiasi. Bila sumber radiasinya berupa radionuklida maka tingkat atau nilai energi radiasi yang dipancarkan tergantung pada jenis radionuklidanya. Kalau sumber radiasinya berupa pesawat sinar-X, maka energi radiasinya bergantung kepada tegangan anoda (kV). Tabel 1 menunjukkan contoh energi radiasi yang dipancarkan oleh beberapa radionuklida. Tabel 1. Probabilitas dan Energi Beberapa Jenis Isotop Jenis radionuklida Energi probabilitas Cd-109 88 keV 3,70 % Cs-137 662 keV 85% 1173 keV dan 1332 Co-60 99% dan 100% keV c. Dosis radiasi Dosis radiasi menggambarkan tingkat perubahan atau kerusakan yang dapat ditimbulkan oleh radiasi. Nilai dosis ini sangat ditentukan oleh kuantitas radiasi, jenis radiasi dan jenis bahan penyerap. Dalam proteksi radiasi pengertian dosis adalah jumlah radiasi yang terdapat dalam medan radiasi atau jumlah energi radiasi yang diserap atau diterima oleh materi. Penggunaan sistem pengukur r adiasi dapat dibedakan menjadi dua kelompok yaitu untuk kegiatan proteksi radiasi dan untuk kegiatan aplikasi/penelitian radiasi nuklir. Alat ukur radiasi yang digunakan untuk kegiatan proteksi radiasi harus dapat menunjukkan nilai dosis radiasi yang mengenai alat tersebut. Sedangkan alat ukur yang digunakan di bidang aplikasi radiasi dan penelitian biasanya ditekankan untuk dapat menampilkan nilai kuantitas r adiasi atau spektrum energi radiasi yang memasukinya. Setiap alat ukur radiasi terdiri atas dua bagian utama yaitu detektor dan peralatan penunjang. Detektor merupakan suatu bahan yang peka terhadap radiasi, yang jadi bila dikenai radiasi akan menghasilkan suatu tanggapan (response) tertentu yang lebih mudah diamati sedangkan peralatan penunjang, biasanya merupakan peralatan elektronik, berfungsi untuk mengubah tanggapan detektor 3
tersebut menjadi suatu informasi yang dapat diamati oleh panca indera manusia atau dapat diolah lebih lanjut menjadi informasi yang berarti. Gambar 4 menunjukkan bagian utama deteksi radiasi. 3. Sumber-sumber Radiasi Radiasi berada di mana-mana, karena sumber radiasi tersebar di mana saja di alam semesta, baik yang terjadi secara alami (sumber radiasi alam) maupun yang terjadi karena aktivitas manusia (sumber radiasi buatan). Sumber radiasi alam sudah ada sejak alam semesta terbentuk, dan radiasi yang dipancarkan oleh sumber alam ini disebut radiasi latar belakang. Sedangkan sumber radiasi buatan baru diproduksi di abad 20, tetapi telah memberikan paparan secara signifikan kepada manusia. a. Radiasi alam Setiap manusia terkena radiasi dari alam (radiasi latar belakang) yang merupakan bagian terbesar yang diterima oleh manusia yang tidak bekerja di tempat yang menggunakan radioaktif atau yang tidak menerima radiasi berkaitan dengan kedokteran atau kesehatan. Radiasi latar belakang yang diterima oleh seseorang dapat berasal dari tiga sumber utama, yaitu sebagai berikut : 1) Sumber Radiasi Kosmik Radiasi kosmik berasal dari angkasa luar, sebagian berasal dari ruang antarbintang dan matahari. Radiasi kosmik ini terdiri dari partikel dan sinar berenergi tinggi (1017 eV) dan berinteraksi dengan nuklida-nuklida stabil di atmosfir membentuk nuklida radioaktif seperti C-14, Be-7, Na-22, dan H-3. Radionuklida yang terjadi karena interaksi nuklida dengan radiasi kosmik ini disebut radionuklida Cosmogenic. Atmosfir bumi dapat mengurangi radiasi kosmik yang diterima oleh manusia. Tingkat radiasi dari sumber kosmik ini bergantung kepada ketinggian, yaitu radiasi yang diterima akan semakin besar apabila posisinya semakin tinggi dari permukaan laut. Karena itu seseorang akan menerima lebih banyak radiasi kosmik apabila berada di puncak gunung atau ketika berpergian dengan pesawat terbang daripada di permukaan laut. Tingkat radiasi yang diterima seseorang bergantung juga kepada garis lintangnya di bumi, karena radiasi kosmik ini dipengaruhi oleh medan magnet bumi. Oleh karena medan magnet bumi kuat di daerah kutub, maka radiasi yang diterima di kutub lebih kecil daripada di daerah katulist iwa. 2) Sumber Radiasi Terestrial (Primordial) Radiasi terestrial secara natural dipancarkan oleh radionuklida di dalam kerak bumi, dan radiasi ini dipancarkan oleh radionuklida yang disebut primordial dengan waktu paro berorde milyar (10 9) tahun. Radionuklida ini ada sejak terbentuknya bumi. Radionuklida yang ada dalam kerak bumi terutama adalah Peluruhan Uranium-238 menghasilkan deret nuklida turunan yang berakhir dengan nuklida stabil Pb-206 (disebut deret uranium), Uranium-235 menghasilkan deret turunan yang berakhir dengan unsur stabil Pb-207 (disebut deret actinium) dan Thorium-232 menghasilkan deret turunan yang berakhir dengan unsur stabil Pb-208 (disebut deret thorium). Radiasi terestrial terbesar yang diterima manusia berasal dari Radon (Radon-222) dan Thoron (Radon-220). Kedua radionuklida ini berbentuk gas dan bisa merembes keluar dari bumi atau bahan bangunan tempat tinggal. Tingkat radiasi yang diterima seseorang dari radiasi terestrial ini berbeda-beda dari satu tempat ke tempat lain tergantung kepada konsentrasi sumber radiasi di dalam kerak bumi. Ada beberapa tempat di bumi yang memiliki tingkat radiasi di atas rata-rata seperti Pocos de Caldas dan Guarapari (Brazil), Kerala dan Tamil Nadu (India) dan Ramsar (Iran). 3) Sumber Radiasi Dalam Tubuh Manusia Sumber radiasi alam yang lain adalah radionuklida yang ada di dalam tubuh manusia. Sumber radiasi ini berada di dalam tubuh manusia sejak dilahirkan atau masuk ke dalam tubuh manusia melalui makanan, minuman, pernafasan, atau luka. Radiasi internal ini terutama diterima dari radionuklida C-14, H-3, K-40, radon. Selain itu masih ada sumber lain seperti Pb-210 dan Po-210 yang berasal dari ikan dan kerang-kerangan. Buah-buahan biasanya mengandung unsur K-40. Secara alami di dalam tulang kita 4
terdapat polonium dan radium radioaktif, otot mengandung karbon radioaktif dan kalium radioaktif, di dalam paru terdapat gas mulia radioaktif dan tritium. Zat-zat ini dan banyak zat lainnya secara terus menerus memancarkan radiasi dan menyinari tubuh kita dari dalam. b. Radiasi buatan Selain radiasi yang berasal dari alam, kita juga dapat menerima radiasi dari beberapa sumber radiasi yang sengaja dibuat oleh manusia, di antaranya radionuklida buatan, pesawat sinar-X, reaktor nuklir dan akselerator. 1) Radionuklida buatan Dewasa ini telah banyak sekali unsur radioaktif berhasil dibuat oleh manusia berdasarkan reaksi inti antara nuklida yang tidak radioaktif dengan neutron (reaksi fisi di dalam reaktor atom), aktivasi neutron, atau berdasarkan penembakan nuklida yang tidak radioaktif dengan partikel atau ion cepat (di dalam alat-alat pemercepat partikel, misalnya akselerator atau siklotron). Radionuklida buatan ini bisa memancarkan jenis radiasi alpha, beta, gamma dan neutron. Pada saat ini radionuklida (radioisotop) buatan tersebut telah banyak digunakan dalam berbagai bidang kehidupan manusia, misalnya di bidang pertanian, peternakan, kesehatan, industri, dan sebagainya. 2) Pesawat Sinar-X Setelah ditemukannya sinar-X oleh Wilhelm Roentgen pada tahun 1895, dewasa ini pemakaian pembangkit atau pesawat sinar-X di bidang industri maupun di bidang kedokteran semakin meningkat. Secara sederhana dapat diterangkan bahwa sinar-X dihasilkan oleh tabung sinar-X yaitu tabung gelas hampa udara yang dilengkapi dengan dua buah elektroda, yaitu anoda (target) dan katoda. Sebagai akibat interaksi antara elektron cepat yang dipancarkan dari katoda ke target dihasilkan sinar-X dari permukaan target. Dalam fisika nuklir, dikenal dengan dua reaksi nuklir yakni reaksi fusi dan reaksi fisi. Jika inti atom bertabrakan, dapat terjadi fusi nuklir. Proses ini akan melepas atau menyerap energi. Ketika inti atom hasil tabrakan lebih ringan dari besi, maka pada umumnya fusi nuklir melepaskan energi. Ketika inti atom hasil tabrakan lebih berat dari besi, maka pada umumnya fusi nuklir menyerap energi. Fusi nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah proses saat dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi. Fusi nuklir merupakan sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar dan bom hidrogen meledak. Fisi nuklir adalah proses pembelahan inti menjadi bagian-bagian yang hampir setara, dan melepaskan energi dan neutron dalam prosesnya. Jika neutron ini ditangkap oleh inti lainnya yang tidak stabil, inti tersebut akan membelah juga dan memicu reaksi berantai. Reaksi fisi nuklir adalah reaksi pembelahan inti atom (nukleus) akibat tubrukan inti atom lainnya sehingga menghasilkan energi dan atom baru yang mempunyai massa lebih kecil dan juga radiasi elektromagnetik. Kalau reaksi fisi menghasilkan radiasi elektromagnetik maka reaksi fusi menghasilkan radiasi sinar alfa, beta dan gamma. Ketiga jenis radiasi terjadi secara alami dimana radiasi sinar gamma adalah yang paling berbahaya dan sulit ditahan. C. Jenis-jenis Radiasi Nuklir Radiasi nuklir adalah jenis radiasi dari berbagai jenis ratusan atom yang tidak stabil. Inti-inti atom yang tidak stabil, baik karena komposisi jumlah proton dan neutronnya yang tidak seimbang ataupun tingkat energinya yang tidak berada pada keadaan dasarnya. Bila ketidakstabilan inti disebabkan karena komposisi jumlah proton dan neutronnya yang tidak seimbang, maka inti tersebut akan berubah dengan memancarkan radiasi alpha atau radiasi beta. Jika ketidakstabilannya disebabkan karena tingkat energinya yang berada pada keadaan tereksitasi maka akan berubah dengan memancarkan radiasi gamma. Kekuatan daya tembus digambarkan sebagai berikut:
Berikut ini adalah berbagai jenis-jenis radiasi nuklir : 1. Partikel Alpha 5
Partikel alpha adalah bentuk radiasi partikel yang menyebabkan ionisasi dan kemampuan penetrasinya rendah. Partikel alpha terdiri dari helium yang memiliki komponen berupa dua proton dan dua neutron. Partikel alpha memiliki muatan (+2e) dari dua proton dimana e = 1,6×10 -19 C. Material yang berasal dari uranium dan radium yang bisa memancarkan energi. Radiasi bisa memancar dengan kuat namun tidak bisa menembus kulit manusia tapi bisa sangat berbahaya bisa dipancarkan oleh tubuh. 2. Partikel Beta Partikel beta adalah jenis elektron yang bisa bergerak dengan cepat dan memiliki banyak elemen radioaktif. Radiasi bisa dihalangi oleh bahan seperti kayu atau alumunium. Partikel beta sebuah elektron memiliki muatan – e. Sebuah positron, menjadi antarpartikel dari elektron, memiliki muatan +e. Efek dari radiasi seperti terkena sinar matahari tetapi sulit untuk disembuhkan.
3. Sinar Gamma Sinar gama memiliki bentuk seperti balok energi tinggi dan memiliki efek yang sangat tajam. Sinar gamma banyak digunakan untuk alat pengukur pada industri dan juga mesin untuk radioterapi. Foton yang membawa partikel gamma tidak memiliki muatan. D. Bahaya Radiasi Nuklir Bagi Manusia Nuklir masih menjadi bahan yang sangat menakutkan hingga saat ini. Bahkan negara pemakai tenaga nuklir yang sudah berpengalaman lama masih belum bisa mengendalikan bahaya secara cepat. Ketika jepang terkena musibah tsunami beberapa tahun lalu dan menyebabkan rusaknya reaktor nuklir. Kerusakan reaktor nuklir ini menjadi berita besar di berbagai negara karena akibat atau bahaya bagi orang yang tinggal di sekitarnya. Ketika sebuah reaktor nuklir mengalami kerusakan yang bisa menyebabkan paparan raadiasi keluar maka, lingkungan sekitarnya akan menghadapi kondisi darurat. Berikut ini adalah beberapa fakta mengenai penyebab bahaya radiasi nuklir untuk manusia : 1. Ketika reaktor nuklir mengalami kerusakan maka akan mengeluarkan bahan yodium radioaktif dan cesium. 2. Semua bahan energi yang keluar dari lingkungan reaktor nuklir akan berbahaya untuk tubuh karena bisa menyebabkan kerusakan sel-sel tubuh. 3. Nuklir bisa menyebabkan kerusakan DNA (Asam Dioksiribosa Nukleat) tubuh sehingga bisa menyebabkan perubahan sel sehat menjadi sel kanker. 4. Yodium yang radioaktif yang dikeluarkan oleh reaktor nuklir bisa menyebabkan pembesaran kelenjar tiroid. 5. Bahan cesium radioaktif yang dikeluarkan oleh reaktor bisa tinggal dalam lingkungan selama lebih dari raturan tahun. Sehingga bahan-bahan ini akan menyebabkan efek kesehatan jangka panjang. Bahaya radiasi nuklir memang sangat besar untuk manusia dan juga lingkungan dunia. Ketika terjadi kecelakaan atau kejadian dari sebuah reaktor nuklir maka bahaya bisa mengancam manusia selama beratus-ratus tahun. Berikut ini beberapa ancaman bahaya radiasi nuklir : 1. Pendarahan Saluran Pencernaan Bahaya nuklir bisa terjadi ketika seseorang terkena reaksi dari nuklir dalam waktu tertentu. Besarnya bahaya bisa terjadi sesuai dengan dosis yang mengenai tubuh. Penyakit radiasi terjadi sesuai dengan dosis yang masuk ke dalam tubuh. Pendarahan perut pada saluran pencernaan bisa terjadi selama beberapa hari setelah terkena radiasi dalam dosis yang cukup tinggi. Masalah kondisi pendarahan pada saluran pencernaan ini, juga sering diakibatkan oleh : a. Gejala sirosis hati b. Asam lambung c. Bahaya menahan kencing
6
2. Merusak Sel-Sel Tubuh Terkena radiasi juga bisa merusak sel-sel tubuh. Ketika sel-sel tubuh yang sehat bertabrakan dengan radiasi maka bisa menyebabkan kerusakan molekul. Sel yang rusak mungkin tidak bisa bermutasi dengan baik dan akibatnya bisa menjadi sel kanker yang tumbuh dalam tubuh. Sel akan menyebar ke semua bagian tubuh tanpa bisa dikendalikan dan bisa menjadi masalah kesehatan dengan berbagai komplikasi. Kerusakan sel tubuh ini juga bisa dikarenakan oleh : a. Bahaya kopi b. Bahaya akibat terlalu banyak minum air putih c. Bahaya meletakkan HP di bawah bantal 3. Kulit Terbakar Kulit terbakar menjadi salah satu efek yang sangat berbahaya dari radiasi nuklir. Kulit akan menjadi merah dan terbakar seperti terkena api. Bagian kulit luar akan terus mengelupas bahkan jika terkena air. Selain itu, juga bisa menyebabkan rambut rontok dan tidak bisa tumbuh lagi. Kondisi kulit terbakar ini juga bisa diakibatkan oleh : a. Bahaya sinar ultraviolet b. Gejala lupus c. Efek samping sulam alis 4. Kerusakan Jaringan Kulit Paparan radiasi akan merusak jaringan kulit dan bisa menyebabkan kanker kulit. Kerusakan jaringan kulit sulit untuk kembali seperti semua karena kerusakan DNA (Asam Dioksiribosa Nukleat) parah akibat nuklir dengan dosis tinggi. Jaringan kulit juga bisa menyebabkan kerusakan sel hingga bagian dalam tubuh , ehingga sulit untuk mendapatkan bentuk kulit yang baru. Kondisi lainnya yang bisa menyebbakan kerusakan jaringan kulit yaitu : a. Bahaya etanol b. Bahaya diabetses c. Bahaya formalin 5. Kerusakan DNA (Asam Dioksiribosa Nukleat) Fatal Kerusakan DNA (Asam Dioksiribosa Nukleat) menjadi salah satu kerusakan yang paling berbahaya untuk manusia. Apabila DNA (Asam Dioksiribosa Nukleat) tubuh manusia sudah rusak maka, tidak ada cara untuk memperbaikinya. Hal ini bisa mengakibatkan berbagai jenis penyakit akibat kerusakan sel seperti kanker. Sejumlah kondisi lainnya juga bisa menyebabkan rusaknya DNA (Asam Dioksiribosa Nukleat) seperti a. Bahaya wifi b. Bahaya narkoba c. Akibat begadang malam 6. Kerusakan Lingkungan Bahaya radiasi nuklir juga akan merusak lingkungan secara umum. Pancaran radiasi bisa merusak lingkungan dan efek yang sangat buruk. Kerusakan lingkungan bisa terjadi pada bangunan, tanah, tanaman, dan semua yang ada dalam lingkungan. Bahkan selama ratusan tahun efek dari radiasi tidak akan hilang sehingga kehidupan di lingkungan tersebut akan mati. Kondisi lingkungan yang rusak ini, juga bisa mengakibatkan : a. Gangguan TBC (Tuberculosis) b. Penyakit diare c. Bahaya penyakit vertigo 7. Kerusakan Otak 7
Kerusakan otak menjadi efek dari radiasi nuklir secara tidak langsung dengan dosis sekitar 5000 Rems atau lebih. Sel otak memang tidak bisa berkembang, sehingga mereka tidak akan rusak kecuali jika terkena paparan radiasi secara langsung. Jika kerusakan terjadi dalam waktu yang cepat maka resiko kematian menjadi hal yang paling fatal. Biasanya kerusakan juga didahului dengan kerusakan jantung dan kerusakan lain. Kerusakan otak ini juga bisa menjadi tanda penyakit berbahaya lainnya seperti : a. Penyebab epilepsi b. Stroke c. Aneurisma 8. Penyakit Kelenjar Gondok Kelenjar tiroid menjadi salah satu kelenjar yang sangat aktif ketika terkena radiasi dari nuklir. Penyakit pembengkakan kelenjar gondok terjadi ketika ada banyak yodium radioaktif yang terserap oleh tubuh. Pembengkakan kelenjar gondok ini lebih jauh bisa mengakibatkan : a. Penyebab amandel b. Penyebab benjolan di leher c. Kelelahan otot 9. Kerusakan Sistem Darah Kerusakan sistem darah, bisa menjadi kerusakan yang sangat fatal. Hal ini terjadi ketika sel limfosit memang sangat rentan terhadap infeksi. Kemudian infeksi akan menyebar dan menyebabkan tubuh menjadi lebih lemah, berbagai gejala flu. Bahkan kerusakan sistem darah bisa menyebabkan kanker leukimia dan limfoma yang mengakibatkan kematian. Selain dari bahaya radiasi nuklir ini, penyebab kerusakan sistem darah ini bisa dikarenakan oleh : a. Gula darah tinggi b. Sering kesemutan c. Penyebab gagal ginjal 10. Kerusakan Saluran Reproduksi Terkena radiasi nuklir juga bisa menyebabkan kerusakan pada saluran reproduksi. Hal ini terjadi ketika semua sel pada bagian saluran reproduksi bisa membelah dengan cepat akibatnya bisa menyebabkan kemandulan. Masalah kerusakan sistem reproduksi ini karena : a. Bahaya minuman keras b. Bahaya merokok bagi kesehatan c. Bahaya asap rokok
a. b. c. d. e. f. g.
Dosis Radiasi dan Efek untuk Kesehatan Ada berbagai jenis dosis yang bisa menyebabkan kerusakan kesehatan. Berikut ini adalah beberapa pembagian dosis dan efeknya yang bisa terjadi pada tubuh : 5-20 rems : kerusakan pada kromosom tubuh 20-100 rems : kerusakan sel darah putih dan pengurangan jumlah sel darah putih 100-200 rems : berbagai infeksi ringan seperti lelah, diare dan muntah 200-300 rems : berbagai jenis penyakit radiasi yang berat seperti pendarahan 300-400 rems : kerusakan sumsum tulang belakang dan kerusakan usus 400-1000 rems : berbagai penyakit akut yang menyebabkan kematian 1000-5000 rems : kematian Bahaya radiasi nuklir memang sangat fatal untuk tubuh manusia. Selain itu, radiasi nuklir juga bisa membentuk efek yang berbahaya untuk lingkungan. Pemakaian reaktor nuklir harus mendapatkan pengawasan dari berbagai ilmu untuk mengatasi jika terjadi kecelakaan maupun musibah lingkungan yang menyebabkan bahaya. Jepang dan Ukraina menjadi negara yang sangat berpengalaman untuk mengatasi akibat radiasi nuklir. Butuh persiapan untuk memakai reaktor nuklir menjadi sumber energi karena bahaya yang sangat besar. 8
E. Aplikasi Nuklir dalam Kehidupan 1. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir ( PLTN ) pertama kali nuklir di kenal orang banyak yaitu pada saat Perang Dunia II di tahun 1945, saat itu nuklir yang di buat dalam bentuk Bom Atom di jatuhkan oleh tentara sekutu di Jepang, tepatnya di Hiroshima dan Nagasaki, sehingga menghasilkan dampak lingkungan yang luar biasa dahsyatnya, hingga sampai saat ini masih terasa. Selain sebagai senjata perang, para ahli juga sudah lama mengembangkan nuklir untuk kegunaan yang bermanfaat seperti menggunakan zat Radioaktif dalam bidang industri, kesehatan, peternakan, pertanian, steriliasi produk farmasi dan dalam bidang kedokteran, serta dalam proses pengawetan bahan makan , juga dalam bidang hidrologi yang dalam hal ini merupakan aplikasi non energy. Pembangkit Litsrik Tenaga Nuklir (PLTN ) adalah sebuah stasiun pembangkit listrik thermal yang di mana perolehan panas hasil dari satu atau lebih reactor nuklir pembangkit listrik. PLTN juga termasuk dalam pembangkit daya base load , yang dapat bekerja dengan baik ketika daya keluarnya konstan, meskipun di malam hari boiling water reactor dapat turun hingga setengah dari dayanya, pembangkit listrik tenaga nuklir memiliki kapasitas daya 40 MWe hingga mencapai 1000 MWe. Dan di tahun 2005 telah di bangun PLTN dengan daya 600-1200 MWe. Dan samapai saat ini di perkirakan terdapat 442 PLTN berlesensi di dunia dengan 441 diantaranya beroperasi di 31 negara berbeda, dan di perkirakan PLTN menyuplai hamper 18% listrik global. PLTN sama seperti PLTU pada umumnya yang menggunakan panas hasil pembakaran yang akan di gunakan untuk memanaskan fluida kerja yang akan menghasilkan uap panas yang menggerakkan sudut sudut turbin yang tersambung lansung ke generator listrik yang, namun pada PLTN bahan bakar yang di gunakan bukanlah dari batu bara maupun minyak,melainkan Uranium-235, Pu-239, U-233, dan bahan bakar tersebut akan diproses di dalam prangkat nuklir ( Reaktor nuklir ). Di dalam tabung reaktor ini bahan bakar akan bereaksi dengan proses pembelahan inti atom ( fissile ) dan pembelahan dilakukan terkendali agar bahan bakar tetap ada, pengendali ini akakn di lakukan oleh batang pengendali yang berfungsi untuk mengabsorbsi neutron. Dari reaksi berantai inilah menghasilkan panas yang akan memanaskan air dan kemudian menguap yang di gunakan untuk menggerakkan turbin uap yang tersambung dengan geneator listrik.
2. Prinsip Kerja PLTN Pada dasarnya prinsip kerja pembangkit listrik tenaga nuklir sama hal nya dengan PLTU berbahan bakar fosil lainnya,tapi yang membedakan antara dua jenis pembangkit listrik itu adalah sumber panasnya. Dimana PLTN mendapatkan suplai panas dari reaksi nuklir, sedang PLTU mendapatkan suplai panas dari pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara atau minyak bumi. Untuk memproduksi energy listrik maka di rancang sebuah reaktror yang di sebut reaktor daya . Reaktor ini memanfaatkan panas hasil reaksi fisi, pada saat reaksi fisi terdapat kelebihan elektron, kemudian elekron ini akan di serap oleh batang kendali. Karena memanfaatkan panas hasil fisi, “maka reaktor daya dirancang berdaya thermal tinggi dari orde ratusan hingga ribuan MW”. Beberapa proses yang di lakukan dalam PLTN adalah sebagai berikut: a. Bahan bakar nuklir melakukan reaksi fisi sehingga dilepaskan energi dalam bentuk panas yang sangat besar b. Dari reaksi nuklir maka akan menghasilkan panas yang akan digunakan untuk menguapkan air pendingin, bisa pendingin primer maupun sekunder bergantung pada tipe reaktor nuklir yang digunakan c. Uap air yang dihasilkan yang bersifat energy kinetik akan di gunakan untuk menggerakkan turbin yang tersambung dengan generator, sehingga mengasilkan listrik. Secara sederhana, rancangan PLTN terdiri dari boiling waterreactor yang akan mendidihkan air, proses mendidihkan air ini terjadi setelah ada reaksi nuklir fisi, secara bertubi-tubi, di dalam reaktor yang akan menimbulkan panas lalu dialirkanlah air didalamnya. Kemudian uap panas masuk keturbin dan turbin berputar yang tersambung pada poros yang sama dengan generator yang akan menghasilkan listrik.
9
Reaktor nuklir merupakan alat yang terdiri dari Bagian utama dari reaktor nuklir yaitu: elemen bakar (batang-batang bahan bakar), perisai (perisai termal), moderator dan elemen kendali. di dalamnya terdapat proses reaksi berantai berlasung dan di kendalikan oleh alat yang di sebut batang kendali agar bahan bakar yaitu uranium tetap terjaga, selain itu di dalam reaktor tersebut terdapat bahan-bahan fisi dimana proses reaksi berantai terjadi terus menerus tanpa berhenti ( pembelahan inti atom ). Bahan bakar yang digunakan di dalam reaktor nuklir ada tiga jenis antara la in : Uranium-235(U235), Uranium-233(U233), Plutonium-239(Pu239). Yang sering digunakan sebagai bahan bakar reaktor adalah Uranium -235 (U235). Dalam proses reaktor fisi yang terjadi secara berantai dimana terjadi pembelahan inti dari suatu unsure (Uranium-235, Uranium233) yang kemudian unsure ini akan bereaksi dengan neutron thermal dan kemudian menimbulkan atau menghasilkan unsure lain dengan cepat secara terus menerus maka timbul neutron – neutron baru dan panas yang sangat besar, untuk mengendalikan hal tersebut akar terjaga pada keadaan yang stabil dimana tidak terjadi kelebihan elektron maka di gunakan bahan yang dapat menyerap neutron yang berlebih seperti Boron dan Cadnium, selain itu bahan ini juga dapat mengatur kerapatan dari neutron. Dengan begitu maka tingkat daya reaktor nuklir dapat di atur, bahkan reaksi dapat dihentikan sama sekali (sampai 0 ) pada saat semua neutron terserap oleh bahan penyerap. Komponen pengatur kerapatan neutron pada reaktor nuklir tersebut disebut dengan elemen kendali. Jika elemen kendali disisipkan penuh diantara elemen bakar, maka elemen Kendali akan menyerap neutron secara maksimum sehingga reaksi berantai akan dihentikan,dan sebaliknya daya serap batang Kendali akan berkurang bila batang kendali ditarik menjauhi elemen bakar. Disini pengendalian dilakukan terhadap pelepasan dan penyerapan neutron selama berlangsungnya reaksi berantai. Neutron yang dilepaskan dalam suatu reaksi berantai dapat dibagi menjadi empat kelompok, yaitu: a. Meninggalkan material fi b. Tidak berfisi, ditangkap oleh U 238 membentuk Pu 239. c. Tidak berfisi, ditangkap oleh material batang kendali (control-rod ). d. Berfisi, ditangkap oleh U 239 dan U 23 Apabila jumlah nutron yang dilepaskan dari proses fisi sama dengan jumlah empat bagian neutron ini, maka energy panas yang dihasilkan adalah konstan.Dan sebaliknya jika jumlah neutron yang dihasilkan lebih kecil, maka reaksi berantai akan berhenti. Apabila lebih besar, maka laju fisinya naik dan menjadi tidak terkendali. Gambar dibawah menunjukkan diagram sebuah reaktor nuklir.
3.
Dampak Dari Pembangunan Sebuah PLTN Dampak positif adanya PLTN Dampak positif dari adanya PLTN ini, adalah dapat menghasilkan daya listrik yang cukup besar sehingga dengan pengembangan energy nuklir maka manusia akan semakin mengurangi ketergantungan kepada energy fosil yang mnyebabkan polusi udara. Dan juga PLTN menawarkan keraguan permasalahan pada saat pemakaian beban puncak, karena energy nuklir menghasilkan daya yang sangat besar. Dampak negative adanya PLTN Reaktor nuklir sangat membahayakan dan mengancam keselamatan jiwa manusia. Radiasi yang diakibatkan oleh reaktor nuklir ini ada dua,yaitu: a. Radiasi langsung yaitu radiasi yang terjadi bila radioaktif yang dipancarkan mengenai langsung kulit atau tubuh manusia. b. Radiasi tak langsung adalah radiasi yang terjadi melalui makanan dan minuman yang tercemar zatradio aktif, baik melalui udara, air, maupun media lainnya. Baik radiasi langsung maupun tidak langsung, akan mempengaruhi fungsi organ tubuh melalui sel-sel pembentukannya. Organ-organ tubuh yang sensitive akan menjadi rusak. Sel-sel tubuh bila tercemar radioaktif uraiannya sebagai berikut: terjadinya ionisasi akibat radiasi dapat merusak hubungan antara atom dengan molekul-molekul sel kehidupan, juga dapat mengubah kondisi atom itu sendiri, mengubah
10
fungsi asli sel atau bahkan dapat membunuhnya. Pada prinsipnya, ada tiga akibat radiasi yang dapat berpengaruh pada sel, antara lain: a. Sel akan mati. b. Terjadi penggandaan sel, pada akhirnya dapat menimbulkan kanke c. Kerusakan dapat timbul pada sel telur atau testis, yang akan memulai proses bayi-bayi caca Masalah lain juga ditimbulkan oleh limbah/sampah nuklir terhadap tingkat kesuburan tanah limbah/sampah nuklir merupakan semua sisa bahan (padat atau cair) yang dihasilkan dari proses pengolahan uranium, missalnya sisa bahan bakar nuklir yang tidak digunakan lagi, dan bersifat radioaktif, tidak bisa dibuang atau dihilangkan seperti jenis sampah domestic lainnya (sampah organik dan lain-lain.) Sampah nuklir ini harus ditimbun dengan cara yang paling aman. Hal yang saat ini dapat dilakukan oleh manusia hanyalah menunggu sampai sampah nuklir tersebut tidak lagi bersifat radioaktif, dan itu memerlukan waktu ribuan tahun. Selain itu ada 3 metode lain yang dapat digunakan untuk membuang limbah radioaktif yaitu: a. Pengenceran dan penyebaran (Dilute and Disprese): Limbah dengan konsentrasi rendah dilepas keudara, air atau tanah untuk diencerkan atau dilarutkan sampai ketin gkat yang aman. b. Penundaan dan Perusakan (Delay and Decay): Dapat digunakan untuk limbah radioaktif dengan waktu paro (half-lives) relatif singkat. Zat-zat tersebut disimpan dalam bentuk cair atau lumpur didalam tangki. Setelah 10-20 kali waktu paronya, zat-zat tersebut mengalami perusakan atau pmbusukan ke tingkat yang tidak berbahaya atau kemudian dapat diencerkan dan disebarkan kelingku. c. Konsentrasi dan Pengepakan (Concentration and Containment): digunakan untuk limbah radioaktif yang sangat toksik dengan dengan waktu yang pan Limbah tersebut harus disimpan dalam puluhan, ratusan bahkan ribuan tahun, tergantung dari komposisinya. Zat-zatnya tidak hanya sangat radioaktif tapi juga bersuhu yang sangat panas. Ada beberapa bahaya lain dari PLTN yang perlu dipertimbangkan, antaralain: a. Kesalahan manusia (human error ) yang bisa menyebabkan kebocoran, yang jangkauan radiasinya sangat luas dan berakibat fatal bagi lingkungan dan makhluk hidup. b. Salah satu yang dihasilkan oleh PLTN, yaitu Plutonium memiliki hulu ledak yang sangat dahsyat. Sebab Plutonium inilah, salah satu bahan baku pembuatan senjata nuklir. Kota Hiroshima hancur lebur hanya oleh 5kg Plutonium. c. Limbah yang dihasilkan (Uranium) bisa berpengaruh pada gene Di samping itu, tenaga nuklir memancarkan radiasi radioaktif yang sangat berbahaya bagi manusia.
11
MATERI 6 HAMBURAN NUKLIR
A.
Teori Hamburan
Hamburan merupakan suatu proses Fisika yang umum terjadi, dimana beberapa hamburan menghasilkan radiasi, seperti cahaya atau partikel bergerak. Hamburan juga bisa diartikan sebagai perubahan arah atau energi partikel karena bertumbukan atau berinteraksi dengan partikel lain, dengan suatu atom atau dengan suatu sistem. Peristiwa hamburan dapat dipergunakan untuk mendapatkan informasi mengenai interaksi yang terjadi antara sebuah partikel dengan partikel penembak. Contohnya, apabila terdapat sebuah atom Hidrogen, yang telah kehilangan elektronnya, ditembak dengan sebuah positron, maka akan terjadi interaksi tolak-menolak antara positron dan atom target Hidrogen. Interaksi tolak-menolak ini selanjutnya dapat dipergunakan untuk menjelaskan peristiwa hamburan. Didalam Fisika Partikel, hamburan berkenaan dengan pembelokan partikel sub atomik, yang merupakan proses sentral untuk banyak eksperimen. Pada eksperimen hamburan, target dari suatu material ditembak dengan pancaran partikel (khususnya elektron, proton atau neutron) dan jumlah partikel yang muncul di berbagai arah dapat dihitung. Distribusi ini menunjukkan informasi tentang interaksi yang berada di antara target dan partikel yang terpancar. Berdasarkan tipe interaksi di antara partikel terpancar dan target, proses hamburan dibedakan menjadi hamburan elastik dan inelastik. Pada proses hamburan elastik, partikel terpancar dan target dibiarkan utuh dan hanya momentumnya yang dapat berubah. Pada proses hamburan inelastik, partikel target tereksitasi. Contohnya jika nukleus ditembak neutron, dapat terjadi eksitasi ke resonansi inti tertentu. Pada hamburan inelastik, target (dan kadang kala partikel terhambur) hancur dan partikel yang sama sekali baru dapat tercipta. Secara matematis, para ilmuwan menggambarkan hamburan dengan parameter tumbukan (yang menggambarkan seberapa dekat partikel terpancar datang ke target jika partikel tersebut bergerak lurus) dan sudut pembelokan (yang menggambarkan sudut dimana partikel muncul relatif dengan arah semula). Distribusi dari sudut pembelokkan digambarkan oleh fungsi yang dikenal sebagai penurunan penampang melintang (differential cross section), yang berhubungan dengan arah tiga dimensi dimana partikel muncul dari sinar datang dimana partikel tersebut berasal 1. Amplitudo Hamburan Kita menganggap sebuah hamburan nuklir tunggal yang ditunjukan pada Gambar 1 dari potensial V . Sederhananya, kita mengasumsikan bahwa V adalah simetris bulat sehingga hanya bergantung pada jarak r hamburan partikel dari pusat hamburan. Tujuanya adalah menghitung perkalian diferensial /Ω yang digunakan pada persamaan (5-35). Untuk itu kita harus menemukan partikel yang bersatu di dalam jumlah partikel yang terhambur dalam satuan waktu dari satu inti atom yang padat Ω dan kita harus menghitung fluks kejadian (persamaan 5-26) kemudian. / .....................................................................................(1)
Dari hamburan tersebut, fungsi gelombang terdiri dari bagian peristiwa yang masuk dan hamburan Ψ mewakili partikel yang berhamburan.
Ψ mewakili inti partikel
Ψ (−) ............................................................................(2) 12
Dimana (2 )/ℎ adalah jumlah gelombang dari peristiwa partikel z kearah massa, massa yang berkurang dari partikel yang masuk c.m energi kinetik dari partikel yang masuk. Menurut persamaan (5-26) masuknya partikel yang berubah adalah
Ψ Ψ v || ......................................................................................(3) Dimana adalah kecepatan partikel yang masuk dengan hamburan. Partikel yang berhamburan akan bergerak ke arah radial, oleh karena itu diwakili oleh gelombang radial yang keluar (−) . Namun jumlah partikel yang melintasi sebuah gelombang berbentuk bola yang mengelilingi hamburan harus terlepas dari radius r dari permukaan. Karena itu, ditulis
Ψ (0)
() ...................................................................... (4)
Dimana a termasuk fungsi waktu dan (0) adalah faktor amplitudo, r faktor bebas, yang harus dihitung dari persamaan schordinger yang lengkap. Amplitudo (0) disebut amplitudo hamburan. Jumlah dari partikel berhamburan per satuan waktu dalam padatan Ω sama dengan fluks partikel yang hamburan Ψ Ψ dikalikan dengan area Ω dipotong oleh Ω pada permukaan bulat jari-jari r .
Ψ Ψ Ω ⌈⌉ | (0)| Ω................................................................. (5) Perhatikan bahwa sejak kita menulis Ψ dalam bentuk (4), bebas dari r . dalam gerak radial, jumlah partikel yang bergerak dalam kerucut yang digambarakan oleh Ω harus bebas dari r . Dengan menstubtitusikan persamaan (3) dan (5) ke persamaan (1) kita dapat memperoleh penurunan tampang lintang ...................................................................................(6) | (0)|
Dan untuk hamburan tampang lintang terpadu
∫| (0)| Ω .............................................................................(7)
2. Analisis Gelombang Parsial Analisis gelombang parsial digunakan untuk menghitung nampang lintang hamburan elastik neutron. Dari sudut pandang semi klasik, kita dapat mengkarateristikkan partikel berdasarkan dampaknya terhadap parameter y. Setiap parameter dampaknya dilepaskan ke l dari persamaan, ≈ sehingga y ≈ l λ .................................................................... (8)
13
dimana λ = 1/k adalah pengurangan panjang gelombang de Brouglie dari peristiwa partikel. Jika semua partikel sampai l maks tertentu bereaksi dengan inti dan partikel lainya tidak dapat bereaksi terhadap semua, maka
≈ ∑ (2 + 1 ) [( + ) ] ..................(9)
Jika l maks disubtitusikan ke persamaan l maks ≈ maka dapat diperoleh,
≈ ( + ) .................................................................(10) Untuk amplitudo hamburan f(θ), kita mendefinisikan (konstan) amplitudo gelombang parsial hamburan oleh hubungan
() ∑∞ (cos) ..............................................................(11) = dimana kita hanya konsentrasi pada ketergantungan fungsi gelombang radial. Dengan memasukkan fungsi gelombang radial dalam bentuk ini, kita dapat mengetahui hamburan amplitudo f 0 dengan pemeriksaan. Bentuk persamaan (6) kita kemudian dapat menghitung diferensial penampang hamburan gelombang s, yaitu ......................................................................................(12) | |
dengan tidak tergantung pada sudut 0. Maka, bentuk persamaan (7) menjadi,
4 | | ...................................................................................(13) 3. Panjang Hamburan Neutron dapat melewati nukleus dengan probabilitas yang ditentukan oleh jarak interaksi nuklir, atau diserap, atau mengalami hamburan yang mungkin koheren atau tidak koheren. Panjang hamburan neutron bervariasi menurut unsur dan isotop dengan cara yang tampak acak, sedangkan hamburan sinar-X umumnya meningkat dengan jumlah atom. Panjang hamburan bisa jadi positif atau negatif. Dimana penampang hamburan sama dengan kuadrat dari panjang hamburan dikalikan dengan 4π, yaitu area lingkaran dengan radius dua kali panjang hamburan. Dalam beberapa kasus, seperti titanium dan niobium, kita bias mencampur isotop elemen yang panjangnya memiliki tanda yang berlawanan untuk menghasilkan panjang hamburan bersih nol, dalam hal ini hamburan koheren tidak akan terjadi sama sekali. Namun, neutron masih akan mengalami penyebaran yang tidak koheren dalam bahan ini. Panjang hamburan dalam mekanika kuantum menggambarkan hamburan energi rendah. Ini didefinisikan sebagai batas energi rendah berikut:
lim cot () ..............................................................(14)
→
dimana, = Panjang hamburan = Nomor gelombang bola keluar.
()
= Pergeseran fasa gelombang
Penampang elastis pada energi rendah ditentukan hanya oleh panjang hamburan : 14
lim 4 ..............................................................(15)
→
B.
Nuklir 1. Pengertian Nuklir
Kata nuklir berarti bagian dari atau yang berhubungan dengan nukleus atom (inti atom). Dalam Fisika Nuklir, sebuah reaksi nuklir adalah sebuah proses di mana dua nuklei atau partikel nuklir bertubrukan, untuk memproduksi hasil yang berbeda dari produk awal. Pada prinsipnya sebuah reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel yang bertubrukan, tetapi kejadian tersebut sangat jarang. Bila partikel-partikel tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah (kecuali mungkin dalam level energi), proses ini disebut tabrakan dan bukan sebuah reaksi. 2. Bahan Pembuatnya Bahan Pembuat nuklir adalah Uranium. Uranium merupakan unsur radioaktif. Uranium adalah logam yang sangat berat yang dapat digunakan sebagai sumber berlimpah energi terkonsentrasi. Uranium terjadi pada sebagian besar batu di konsentrasi 2 sampai 4 bagian per juta dan adalah sebagai umum dalam kerak bumi sebagai timah, tungsten dan molybdenum. Uranium terjadi dalam air laut, dan dapat pulih dari lautan. Uranium ditemukan pada tahun 1789 oleh Martin Klaproth, seorang kimiawan Jerman, dalam mineral yang disebut bijih-bijih Uranium. Hal ini dinamakan planet Uranus, yang telah ditemukan delapan tahun sebelumnya. Uranium rupanya dibentuk pada supernova sekitar 6,6 miliar tahun yang lalu. Meskipun tidak umum di tata surya, hari ini peluruhan radioaktif yang lambat menyediakan sumber utama panas di dalam bumi, menyebabkan konveksi dan pergeseran benua. Kepadatan tinggi Uranium berarti bahwa ia juga menemukan menggunakan dalam keels dari yacht dan sebagai counterweight untuk kontrol permukaan pesawat, serta untuk perisai radiasi. Uranium memiliki titik lebur adalah 1.132 ° C. Simbol kimia untuk uranium adalah U. 3. Kegunaan Nuklir Nuklir ternyata memiliki banyak kegunaan. Berikut ini beberapa kegunaan nuklir yang telah digunakan oleh negara-negara maju , yang antara lain: a. Sebagai Sumber Listrik yang Hemat Lebih dari 14% dari listrik dunia dihasilkan dari Uranium dalam reaktor nuklir. Jumlah ini lebih dari 2500 miliar kWh setiap tahun, seperti halnya dari semua sumber listrik di seluruh dunia pada tahun 1960. Ini berasal dari beberapa 440 reaktor nuklir dengan kapasitas produksi total sekitar 377 000 megawatt (MWe) yang beroperasi di 30 negara. Lebih dari 60 reaktor lagi sedang dibangun dan 150 yang direncanakan. Belgia, Bulgaria, Republik Ceko, Firlandia, Perancis, Hungaria, Jepang, Korea Selatan, Slovakia, Slovenia, Swedia, Swiss dan Ukraina semua mendapatkan 30% atau lebih dari listrik dari reaktor nuklir. Amerika Serikat memiliki lebih dari 100 operasi reaktor, memasok 20% dari listrik. Perancis mendapat tiga perempat dari listrik dari Uranium. b. Senjata Militer Uranium dan Plutonium digunakan untuk membuat bom sebelum mereka menjadi penting untuk membuat listrik dan radioisotop. Jenis Uranium dan Plutonium untuk bom berbeda dari yang di pembangkit listrik tenaga nuklir. Bom- grade Uranium sangat diperkaya (> 90% U-235, bukannya sampai dengan 5%), bom-Plutonium yang cukup murni Pu-239 (> 90%, bukan 60% dalam reaktor- grade) dan dibuat dalam reaktor khusus. c. Radio Isotop 15
C.
Dalam kehidupan sehari-hari kita membutuhkan makanan, air dan kesehatan yang baik. Sekarang ini, isotop radioaktif memainkan peranan penting dalam teknologi yang menyediakan ketiga keperluan tersebut. Dalam dunia kedokteran, radioisotop secara luas digunakan untuk diagnosis dan penelitian. Pelacak kimia radioaktif memancarkan radiasi gamma yang menyediakan informasi diagnostik tentang seseorang anatomi dan fungsi organ tertentu. Radioterapi juga menggunakan radioisotop dalam pengobatan beberapa penyakit, seperti kanker. Lebih kuat sumber gamma digunakan untuk mensterilkan jarum suntik, perban dan peralatan medis lainnya. Sekitar satu orang dalam dua di dunia barat kemungkinan akan mengalami manfaat dari kedokteran nuklir di masa hidup mereka. Dalam ternak, tumbuh-tumbuhan dan tanaman, radioisotop juga memainkan peran penting. Mereka digunakan untuk memproduksi hasil yang tinggi, varietas, tahan penyakit dan tahan cuaca tanaman, untuk mempelajari bagaimana pupuk dan insektisida bekerja, dan untuk meningkatkan produktivitas serta kesehatan hewan domestik. Dalam bidang industri dan pertambangan, mereka digunakan untuk memeriksa Welds, untuk mendeteksi kebocoran, untuk mempelajari laju memakai logam, dan untuk di- stream analisis berbagai mineral dan bahan bakar. Sebuah radioisotop berasal dari Plutonium yang terbentuk dalam reaktor nuklir digunakan dalam detektor asap yang berlebihan dalam rumah tangga. Radioisotop digunakan untuk mendeteksi dan menganalisis polutan di lingkungan, dan untuk mempelajari gerakan air permukaan di sungai dan juga air tanah. Hamburan Nuklir Hamburan nuklir mengacu pada tumbukan antara inti atom dan partikel yang ditumbukan pada inti atom. Salah satu pengaplikasian dari hamburan atom yaitu Eksperimen atom Rutherford . Eksperimen atom Rutherford menunjukkan bahwa model atom Thomson salah dan membawa Rutherford pada model atom yang lebih baik yaitu atom memiliki inti di pusat yang merupakan konsentrasi seluruh massa atom, sementara di sekeliling inti beredar elektron-elektron. Partikel alpha yang lewat dekat dari inti emas akan dibelokkan dengan kuat, sementara yang lewat jauh dari inti emas dibelokkan sedikit. Tepatnya pada tahun 1911, Ertnest Rutherford bersama dua orang asistennya melakukan suatu percobaan untuk menguji teori atom J.J.Thomson, yang menyatakan bahwa : Elektron tersebar merata pada atom, seperti halnya kimsis pada roti, dan massa atom tersebar merata diseluruh isi atom. Rutherford melakukan percobaan dengan menggunakan beberapa kompenen 1. berikut. Di dalam kotak timbal, terdapat unsur radioaktif Radium yang menghasilkan unsur Radon dan partikel alpha. Partikel alpha digunakan karena sifatnya yang sama atau setara dengan atom He yang bermuatan (+2) dan bermassa 4 sma (2 proton dan 2 neutron). Jika partikel yang digunakan bermuatan negatif misalnya partikel beta atau elektron, maka elektron akan bergabung dengan e- lain dan diteruskan sinarnya. Selanjutnya terdapat sebuah celah yang disebut dengan slit . Celah ini dipasang dengan tujuan untuk menyaring arah pergerakan partikel alpha, agar tetap lurus (tidak konvergen maupun tidak divergen). Celah tersebut dibuat dari bahan timbal. Bahan timbal digunakan karena partikel alpha yang daya tembusnya paling kecil, tidak bisa menembus timbal dan sifat timbal yang menahan radiasi. Pelat emas digunakan karena sifatnya yang sulit teroksidasi, mudah dibentuk, dan tersusun atas kristal ccp (cubic close packed). Jika logam yang digunakan bersifat mudah teroksidasi, maka yang tertembak adalah oksidanya bukan atomnya. Layar atau detektor, dilapisi ZnS yang berfungsi untuk menangkap radiasi dan mengubahnya menjadi energi lain (listrik). 16
Partikel alpha yang dihasilkan unsur radio aktif Radium ditembakkan dengan kecepatan 2 x 107 m/s. Partikel alpha yang memiliki daya tembus yang paling kecil dibandingkan dengan partikel Beta dan Gamma tidak bisa menembus timbal. Karena terdapat celah, partikel alpha tetap bergerak lurus melewati celah dan menumbuk lempeng emas. Teori atom Rutherford mengatakan jika atom mempunyai inti yang merupakan pusat dari massa yang kemudian dinamakan dengan nukleus, dan dikelilingi awan elektron bermuatan negatif. Jika teori atau model atom Thomson benar, maka seluruh partikel alpha akan diteruskan. Akan tetapi hasil yang muncul dari percobaan Rutherford meskipun terdapat banyak partikel yang diteruskan, ada sebagian kecil partikel dibelokkan dan dipantulkan Hasil ini kemudian membawa Rutherford menuju 3 kesimpulan, yaitu : 1. Sebagian besar partikel alpha yang menembus lempeng emas tanpa dibelokkan terjadi karena melewati ruang kosong. Sehingga ia berasumsi bahwa jarak antara inti atom dan elektron sangatlah jauh jika dibandingkan dengan ukuran elektron dan inti atom. 2. Sedikit sekali partikel alpha yang dipantulkan kembali. Hal ini menunjukkan bahwa partikel alpha (+2) menumbuk inti atom yang bermuatan positif. 3. Sebagian kecil partikel alpha dibelokkan. Peristiwa ini menunjukkan bahwa muatan inti atom sejenis dengan partikel alpha (+2), ketika partikel alpha lewat di dekat ini atom, partikel akan dibelokkan oleh gaya tolak-menolak muatan listrik yang sejenis.
MATERI 10 AKSELERATOR DAN DETEKTOR
A. AKSELERATOR PARTIKEL
Akselerator adalah mesin penghasil partikel baru. Akselelator ini menyelesaikan dua pekerjaan. Pertama, karena semua partikel dapat berperilaku sebagai gelombang, para ahli fisika menggunakan akselelator untuk memperbesar momentum partikel sampai panjang gelombang partikel cukup kecil sehingga partikel itu dapat digunakan untuk menembus sampai ke dalam atom. Kedua, energi dari partikel berkecepatan tinggi digunakan untuk menciptakan partikel bermassa, sehingga dapat dipelajari struktur dan sifatnya. Pada dasarnya, akselelator mengambil suatu partikel, lalu partikel itu dipercepat dengan menggunakan medan elektromagnet dan menumbukkannnya pada suatu target atau partikel lain. Lalu disekitar titik tumbukan ditempatkan detektor yang merekam semua yang terjadi. Partikel dipercepat melalui interaksi elektromagnetiknya (gambar 1), sehingga hanya partikel bermuatan dan stabil terhadap peluruhan (waktu hidup yang lama) yang dapat dipercepat. Partikel yang memenuhi 2 persyaratan tadi adalah elektron, proton dan inti stabil/ion berat beserta anti partikelnya. Akselelator mempercepat partikel bermuatan dengan medan listrik yang tinggi dimana medan listrik ini menarik atau menolak partikel. Medan listrik ini bergerak dan mendorong partikel untuk bergerak dan dipercepat. Dalam akselelator ini dibutuhkan ruang hampa agar partikel tidak bertumbukan dengan molekul udara. Akselelator dapat diatur dalam dua tipe tumbukan yaitu Fixed target experiment dan Colliding beams experiment . Dalam tipe fixed target experiment , seberkas partikel berenergi tinggi menumbuk suatu target. Salah satu contohnya adalah experiment Rutherford. Dalam fixed target eksperimen memungkinkan untuk mempercepat partikel stabil tetapi tidak perlu bermuatan. Caranya adalah partikel stabil dan tidak bermuatan dijadikan target (K, p,e, μ, n,v). B. BENTUK AKSELERATOR PARTIKEL
Bentuk dari Akselerator terbagi atas dua bentuk antara lain sebagai berikut: 17
1. Linacs: Linear Accelerators Linacs: Linear Accelerators, dimana partikel datang dari ujung satu dan keluar di ujung yang lain. Dalam akselerator linear, partikel dipercepat dalam garis lurus , kerap dengan sebuah target tertentu agar tercipta tumbukan. Tabung pemercepat dilengkapi dengan pengendali arus/ drift tube yang berfungsi untuk membalik polarisasi dari medan listrik. Dengan adanya proses ini akan terjadi lompatan partikel akibat pembalikan polarisasi tersebut. Semakin banyak dan panjang drift tube yang digunakan, maka semakin besar pula kecepatan akhir/ energi kinetik partikel yang dihasilkan. Namun, tentunya akan dibutuhkan konstruksi tabung yang panjang untuk menghasilkan energi yang lebih tinggi.Apabila energi kinetik yang dibutuhkan sudah tercapai, maka berkas elektron dengan kecepatan tinggi ini akan arahkan untuk mtnumbuk lempengan logam. Karena energi yang menumbuk logam sangat tinggi, maka akan dihasilkan berkas foton dari proses ini. Berkas tersebut diarahkan keluar melalui kepala Linacs yang disebut dengan gantry untuk selanjutnya diarahkan menuju target. 2. Circular Akselerator Pada circular akselerator partikel yang dipercepat menempuh lintasan tertutup, arah partikel dibelokkan oleh medan magnet. Beberapa jenis circular akselerator: a. Betatron Betatron adalah lintasan melingkar akselerator induksi magnetik, diciptakan oleh Donald K erst pada tahun 1940 untuk mempercepat elektron . Konsep berasal akhirnya dari NorwegiaJerman ilmuwan Rolf Widerøe . Mesin ini, seperti synchrotrons, menggunakan cincin magnet berbentuk donat (lihat di bawah) dengan bidang B siklis meningkat, tapi mempercepat partikel dengan induksi dari medan magnet meningkat, seolah-olah mereka gulungan sekunder di transformator, karena mengubah fluks magnetik melalui orbit. Prinsip kerja Batarton: Betatron terdiri atas tabung kaca hampa udara berbentuk cincin raksasa yang diletakkan di antara dua kutub magnet yang sangat kuat. Penyuntik berupa filamen panas yang berperan sebagai pemancar elektron dipasang untuk menginjeksikan aliran elektron ke dalam tabung pada sudut ter tentu. Setelah elektron disuntikkan ke dalam tabung, ada dua gaya yang akan bekerja pada eletron tersebut. Gaya yang pertama membuat elektron bergerak mengikuti lengkungan tabung. Di dalam medan magnet, partikel akan bergerak melingkar. Gaya yang kedua berperan mempercepat gerak elektron hingga kecepatannya semakin tinggi. Melalui gaya kedua ini, elektron memperoleh energi kinetik yang sangat besar. Dalam waktu sangat singkat, elektron akan bergerak melingkar di dalam tabung beberapa ribu kali. Apabila energi kinetik elektron telah mencapai nilai tertentu, elektron dibelokkan dari jalur lengkungnya sehingga dapat menabrak target secara langsung yang berada di tepi ruangan. Dari proses tabrakan ini dipancarkan sinar-X berenergi sangat tinggi. Sebagian besar betatron menghasilkan elektron berenergi kira-kira 20 MeV. Betatron memiliki kelemahan karena mesin itu memerlukan magnet berukuran sangat besar guna mendapatkan perubahan fluks yang diperlukan untuk mempercepat elektron. Untuk mengatasi kelemahan ini, diperkenalkan jenis akselerator elektron lainnya yang menggunakan magnet berbentuk cincin yang diberi nama sinkrotron elektron. Alat ini berfungsi sebagai pemercepat elektron yang mampu menghasilkan elektron dengan energi kinetik lebih besar dibandingkan betatron. Elektron dengan energi antara 50 – 100 kV dipancarkan dari filamen untuk selanjutnya dipercepat di dalam alat. Pada saat akhir proses percepatan, elektron ditabrakkan menuju sasaran sehingga dihasilkan sinar-X dengan energi dan intensitas tinggi.
18
b. Siklotron Siklotron merupakan perangkat yang digunakan untuk percepatan partikel energi reaksi nuklir. Siloktron pertama kali digunakan untuk keperluan medis yang digunakan di Washington University pada tahun 1941 untuk memproduksi isotope fosfor, zat besi, arsen dan belerang. Pada pertengahan tahun 1950-an di rumah sakit Hammersmith, London mengoperasikan Siklotron untuk produksi radionuklida. Pada bidang kedokteran telah berkembang akselerator siklotron ion positif dan energi untuk keperluan produksi radionuklida juga. Dua elektroda tembaga yang berbentuk D ( D-shaped object ) disebut dees, ruangan seluruhnya di buat vakum (hampa udara). Kedua elektroda dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik frekuensi tinggi. Partikel yang ingin di percepat ditaruh ditengah-tengah siklotron (P). Dees tersebut dicelupkan di dalam medan magnet yang arahnya keluar bidang. Misalkan ada proton-proton bergerak dalam dua bidang setengah lingkaran yang terpisah oleh suatu celah (dees). Setiap kali proton-proton lewat melintasi celah di antara kedua bidang setengah lingkaran, suatu tegangan diberikan pada proton-proton yang akan mempercepat proton-proton. Percepatan ini meningkatkan kelajuan proton-proton dan juga jari-jari kelengkungan lintasan proton-proton. Sekali proton tersebut berada di dalam dees, maka proton disaring dari medan listrik oleh dinding logam dees, medan magnet tidak disaring sehingga proton tersebut membelok berbentuk lingkaran yang jari-jarinya yang bergantung pada kecepatan. c. Synchotrons Synchotrons akselelator adalah alat pemercepat partikel yang berbentuk lingkaran untuk mempercepat impuls (dorongan) proton, neutron atau elektron dalam ener gi tinggi. Sinkrotron ini merupakan pengembangan dari siliktron, awalnya siliktron mempercepat paartikel bermuatan dalam jalur berupa lingkaran dengan memberikan medan magnet dan medan listrik yang konstan. Namun, ternyata hukum-hukum fisika yang diterapkan oleh siklorton hanya cocok untuk partikel yang kecepatannya masih jauh dibawah kecepatan cahaya Pada sinkrotron, salah satu dari kedua medan (medan listrik atau medan magnet) berubah-ubah seiring berjalannya waktu running , sehingga partikel tetap bisa bergerak melingkar. Lintasan pemercepat partikelyang terbentuk melingkar disebut siliktron. Untuk pemakaian yang menggunakan energi yang lebih tinggi lagi maka digunakan sinkrotron. Disini partikel dipercepat oleh gaya yang dihasilkan dari medan listrik di dalam tabung hampa yang disebut cavity (rongga). Kemudian pada Sinkrotron tersebut juga dilengkapi suatu medan magnet untuk menjaga lintasan melingkar dari gerak partikel tersebut. Sinkrotron ini merupakan tempat mempercepat proton. Keuntungan akselelator melingkar dibandingkan dengan akselelator linier adalah partikel dalam akselelator melingkar bergerak melingkar beberapa kali sehingga partikel mendapatkan energi berkali-kali di setiap putarannya. Sehingga akselelator melingkar ini menghasilkan energi yang sangat tinggi tanpa harus melewati akselelator yang sangat panjang seperti pada linacs. Terlebih lagi, karena partikel bergerak melingkar, banyak sekali kemungkinan partikel bertumbukkan di tempat itu sehingga ada kemungkainan tercipta partikel baru. Tetapi di lain pihak, linacs lebih mudah dibangun dibandingkan akselelator melingkar ( synchrotron) karena linacs tidak memerlukan magnet yang besar untuk membuat partikel bergerak melingkar. Selain itu akselelator melingkar memerlukan jari-jari yang sangat besar agar partikel mendapatkan energi cukup besar, sehingga akselelator ini mahal sekali untuk dibuat. 19
Pertimbangan lain adalah bahwa partikel bermuatan ketika dipercepat, akan meradiasikan energi atau ada energi yang terbuang. Pada energi tinggi, energi yang terbuang akibat radiasi lebih besar untuk akselelator melingkar dibandingkan akselelator linier. Sebagai tambahan, kehilangan energi akibat radiasi lebih besar dalam mempercepat elektron (lebih ringan) dibandingkan proton (lebih berat). Oleh karena itu elektron dan positron hanya dapat dipercepat dalam akselelator linier atau akselelator melingkar yang jari-jarinya lebih besar.
C. DETEKTOR PARTIKEL Detektor atau pencacah adalah suatu peralatan yang digunakan untuk mendeteksi radiasi alfa, beta dan gamma, yang diciptakan oeh Geiger-Muller, peneliti dari jerman barat pada tahun 1982. Dalam fisika partikel dan fisika nuklir eksperimental, energi ini biasa disebut sebagai energi partikel, atau dikenal sebagai energi radiasi yaitu suatu peralatan yang digunakan untuk mendeteksi, melacak, dan mengidentifikasi partikel-partikel berenergi tinggi yang dihasilkan dari peluruhan beta, radiasi kosmis, ataupun reaksi dalam pemercepat partikel. Detektor modern juga digunakan sebagai energi eter untuk mengukur energi radiasi yang dideteksi. Detektor ini juga dapat digunakan untuk mengukur sifat-sifat fisika partikel seperti momentum, spin, dan muatan partikel.
Interaksi antara partikel bermuatan dan foton dengan materi dijadikan dasar prinsip kerja detector terutama ionisasi. Detektor ionisasi terdiri dari sebuah anoda dan katode yang perbedaan tegangan antar kedua dibuat sangat tinggi. Ruang antara anoda dan katoda diisi dengan gas atau zat cair. Ketika partikel bermuatan melewati detektor, atom-atom dalam medium akan terionisasi. Elektron dan ion bebas mengalir dalam medan lstrik sehingga menghasilkan arus listrik sehingga akan menimbulkan pulsa tegangan pada rangkaian luar. Jika tegangannya rendah, arus berbanding lurus dengan tegangan, pada tegangan lebih besar, kestabilan dicapai. Pada tegangan yang lebih tinggi lagi ionisasi kedua dihasilkan dan kembali menghasilkan arus yang berbanding lurus dengan tegangan. Adapun jenis-jenis dari detektor adalah sebagai berikut: 1. Detektor Ionisasi Gas Sinar radioaktif tidak dapat dilihat dengan mata biasa, sehingga untuk mendeteksinya harus digunakan alat. Alat deteksi sinar radioaktif dinamakan detektor radiasi. Salah satu jenis detektor radiasi yang pertama kali diperkenalkan dan sampai saat ini masih digunakan adalah detektor ionisasi gas. Detektor ini memanfaatkan hasil interaksi antara radiasi pengion dengan gas yang dipakai sebagai detektor. Lintasan radiasi pengion di dalam bahan detektor dapat mengakibatkan terlepasnya elektron-elektron dari atom bahan itu sehingga terbentuk pasangan ion positif dan ion negatif. Karena bahan detektornya berupa gas maka detektor radiasi ini disebut detektor ionisasi gas. Jumlah pasangan ion yang terbentuk bergantung pada jenis dan energi radiasinya. Radiasi alfa dengan energi 3 MeV misalnya, mempunyai jangkaun (pada tekanan dan suhu standar) sejauh 2,8 cm dapat menghasilakn 4.000 pasangan ion per mm lintasannya. Sedang radiasi beta dengan energi kinetik 3 MeV mempunyai jangkauan dalam udara (pada tekanan dan suhu standar) sejauh 1.000 cm dan menghasilkan pasangan ion sebanyak 4 pasang tiap mm lintasannya Detektor ionisasi gas berbentuk silinder yang diisi gas dan mempunyai dua elektroda. Dinding tabung yang dipakai sebagai selubung gas sebagai elektroda negatif (katoda). Kawat di tengah-tengah tabung berfungsi sebagai elektroda positif (anoda). Kedua elektroda berfungsi sebagai keping-keping kapasitor. Apabila kapasitas dari kapasitor adalah C dan beda potensial antara kedua elektrodanya adalah sebesar sumber tegangannya V, maka muatan listrik Q yang disimpan dalam kapasitor adalah: Masuknya radiasi ke dalam tabung detektor menyebabkan terbentuknya pasangan ion. Ion positif akan tertarik ke katoda dan ion negatif tertarik ke anoda. Karena menarik ion-ion 20
yang berlawanan, maka akan terjadi pengurangan muatan listrik pada masing-masing elektroda. Penurunan jumlah muatan itu, mengakibatkan penurunan tegangan antara kedua elektroda. 2. Detektor Kamar Ionisasi Detektor kamar ionisasi beroperasi pada tegangan paling rendah. Jumlah elektron yang terkumpul di anoda sama dengan jumlah yang dihasilkan oleh ionisasi primer. Dalam kamar ionisasi ini tidak terjadi pelipat-gandaan (multiplikasi) jumlah ion oleh ionisasi sekunder. Dalam daerah ini dimungkinkan untuk membedakan antara radiasi yang berbeda ionisasi spesifikasinya, misalnya antara partikel alfa, beta dan gamma. Namun, arus yang timbul sangat kecil, kira-kira 10-12 A sehingga memerlukan penguat arus sangat besar dan sensitivitas alat baca yang tinggi. 3. Detektor Proporsional Salah satu kelemahan dalam mengoperasikan detektor pada daerah kamar ionisasi adalah out put yang dihasilkan sangat lemah sehingga memerlukan penguat arus sangat besar dan sensitivitas alat baca yang tinggi. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, tetapi masih tetap dapat memanfaatkan kemampuan detektor dalam membedakan berbagai jenis radiasi, maka detektor dapat dioperasikan pada daerah proporsional. Alat pantau proporsional beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi daripada kamar ionisasi. Daerah ini ditandai dengan mulai terjadinya multiplikasi gas yang besarnya bergantung pada jumlah elektron mula-mula dan tegangan yang digunakan. Karena terjadi multiplikasi maka ukuran pulsa yang dihasilkan sangat besar. Multiplikasi terjadi karena elektronelektron yang dihasilkan oleh ionisasi primer dipercepat oleh tegangan yang digunakan sehingga elektron tersebut memiliki energi yang cukup untuk melakukan ionisasi berikutnya (ionisasi sekunder). Meskipun terjadi multiplikasi, namun jumlah elektron yang dihasilkan tetap sebanding (proporsional) dengan ionisasi mula-mula. Karena itu dinamakan alat pantau proporsional. Keuntungan dari alat pantau proporsional adalah bahwa alat ini mampu mendeteksi radiasi dengan intensitas cukup rendah. Namun, memerlukan sumber tegangan yang super stabil, karena pengaruh tegangan pada daerah ini sangat besar terhadap tingkat multiplikasi gas dan juga terhadap tinggi pulsa out put. 4. Detektor Geiger Muller Detektor Geiger Muller meupakan salah satu detektor yang berisi gas. Selain Geiger muller masih ada detektor lain yang merupakan detektor isian gas yaitu detektor ionisasi dan detektor proporsional. Ketiga macam detektor tersebut secara garis besar prinsip kerjanya sama, yaitu samasama menggunakan medium gas. Perbedaannya hanya terletak pada tegangan yang diberikan pada masing-masing detektor tersebut. Apabila ke dalam labung masuk zarah radiasi maka radiasi akan mengionisasi gas isian. Banyaknya pasangan eleklron-ion yang terjadi pada deleklor Geiger-Muller tidak sebanding dengan tenaga zarah radiasi yang datang. Hasil ionisasi ini disebul elektron primer. Karena antara anode dan katode diberikan beda tegangan maka akan timbul medan listrik di antara kedua elektrode tersebut. Ion positif akan bergerak kearah dinding tabung (katoda) dengan kecepatan yang relative lebih lambat bila dibandingkan dengan elektron-elektron yang bergerak kea rah anoda (+) dengan cepat. Kecepatan geraknya tergantung pada brsarnya tegangan V. sedangkan besarnya tenaga yang diperlukan untuk membentukelektron dan ion tergantung pada macam gas.yang digunakan. Dengan tenaga yang relatif tinggi maka elektronakan mampu mengionisasi atom-atom sekitarnya. sehingga menimbulkan pasangan elektron-ion sekunder. Pasangan elektron-ion sekunder
21
inipun masih dapat menimbulkan pasangan elektron-ion tersier dan seterusnya. sehingga akan terjadi lucutan yang terus-menerus (avalence). 5. Detektor Sintilasi Detektor sintilasi selalu terdiri dari dua bagian yaitu bahan sintilator dan photomultiplier. Bahan sintilator merupakan suatu bahan padat, cair maupun gas, yang akan menghasilkan percikan cahaya bila dikenai radiasi pengion dan bahan sintilator berfungsi untuk mengubah energi radiasi menjadi percikan cahaya. Photomultiplier digunakan untuk mengubah percikan cahaya yang dihasilkan bahan sintilator menjadi pulsa listrik. Tabung photomultiplier ini berfungsi untuk mengubah percikan cahaya tersebut menjadi berkas elektron, sehingga dapat diolah lebih lanjut sebagai pulsa / arus listrik. Tabung photomultiplier terbuat dari tabung hampa yang kedap cahaya dengan photokatoda yang berfungsi sebagai masukan pada salah satu ujungnya dan terdapat beberapa dinode untuk menggandakan elektron seperti terdapat pada gambar 5. Photokatoda yang ditempelkan pada bahan sintilator, akan memancarkan elektron bila dikenai cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai. Elektron yang dihasilkannya akan diarahkan, dengan perbedaan potensial, menuju dinode pertama. Dinode tersebut akan memancarkan beberapa elektron sekunder bila dikenai oleh elektron. Elektron-elektron sekunder yang dihasilkan dinode pertama akan menuju dinode kedua dan dilipatgandakan kemudian ke dinode ketiga dan seterusnya sehingga elektron yang terkumpul pada dinode terakhir berjumlah sangat banyak. Dengan sebuah kapasitor kumpulan elektron te rsebut akan diubah menjadi pulsa listrik. 6. Detektor Semikonduktor Bahan semikonduktor, yang diketemukan relatif lebih baru daripada jenis detektor di atas, terbuat dari unsur golongan IV pada tabel periodik yaitu silikon atau germanium. Detektor ini mempunyai beberapa keunggulan yaitu lebih effisien dibandingkan dengan detektor isian gas, karena terbuat dari zat padat, serta mempunyai resolusi yang lebih baik daripada detektor sintilasi. Pada dasarnya, bahan isolator dan bahan semikonduktor tidak dapat meneruskan arus listrik. Hal ini disebabkan semua elektronnya berada di pita valensi sedangkan di pita konduksi kosong. Perbedaan tingkat energi antara pita valensi dan pita konduksi di bahan isolator sangat besar sehingga tidak memungkinkan elektron untuk berpindah ke pita konduksi ( > 5 eV ) seperti terlihat di atas. Sebaliknya, perbedaan tersebut relatif kecil pada bahan semikonduktor ( < 3 eV ) sehingga memungkinkan elektron untuk meloncat ke pita konduksi bila mendapat tambahan energi. Energi radiasi yang memasuki bahan semikonduktor akan diserap oleh bahan sehingga beberapa elektronnya dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Bila di antara kedua ujung bahan semikonduktor tersebut terdapat beda potensial maka akan terjadi aliran arus listrik. Jadi pada detektor ini, energi radiasi diubah menjadi energi listrik. Sambungan semikonduktor dibuat dengan menyambungkan semikonduktor tipe N dengan tipe P (PN junction). Kutub positif dari tegangan listrik eksternal dihubungkan ke tipe N sedangkan kutub negatifnya ke tipe P seperti terlihat pada Gambar 7. Hal ini menyebabkan pembawa muatan positif akan tertarik ke atas (kutub negatif) sedangkan pembawa muatan negatif akan tertarik ke bawah (kutub positif), sehingga terbentuk (depletion layer ) lapisan kosong muatan pada sambungan PN. Dengan adanya lapisan kosong muatan ini maka tidak akan t erjadi arus listrik. Bila ada radiasi pengion yang memasuki lapisan kosong muatan ini maka akan terbentuk ion-ion baru, elektron dan hole, yang akan bergerak ke kutub-kutub positif dan negatif. Tambahan elektron dan hole inilah yang akan menyebabkan terbentuknya pulsa atau arus listrik.Oleh karena daya atau energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan ion-ion ini lebih rendah dibandingkan dengan proses ionisasi di gas, maka jumlah ion 22
yang dihasilkan oleh energi yang sama akan lebih banyak. Hal inilah yang menyebabkan detektor semikonduktor sangat teliti dalam membedakan energi radiasi yang mengenainya atau disebut mempunyai resolusi tinggi. Sebagai gambaran, detektor sintilasi untuk radiasi gamma biasanya mempunyai resolusi sebesar 50 keV, artinya, detektor ini dapat membedakan energi dari dua buah radiasi yang memasukinya bila kedua radiasi tersebut mempunyai perbedaan energi lebih besar daripada 50 keV. Sedang detektor semikonduktor untuk radiasi gamma biasanya mempunyai resolusi 2 keV. Jadi terlihat bahwa detektor semikonduktor jauh lebih teliti untuk membedakan energi radiasi.Sebenarnya, kemampuan untuk membedakan energi tidak terlalu diperlukan dalam pemakaian di lapangan, misalnya untuk melakukan survai radiasi. Akan tetapi untuk keperluan lain, misalnya untuk menentukan jenis radionuklida atau untuk menentukan jenis dan kadar bahan, kemampuan ini mutlak diperlukan. Kelemahan dari detektor semikonduktor adalah harganya lebih mahal, pemakaiannya harus sangat hati-hati karena mudah rusak dan beberapa jenis detektor semikonduktor harus didinginkan pada temperatur Nitrogen cair sehingga memerlukan dewan yang berukuran cukup besar. 7.
Detektor Kamar Kabut Jika udara didinginkan sehingga uap mencapai keadaan jenuh, maka udara itu masih dapat didinginkan tanpa terjadi pengembunan. Pada keadaan ini, uap dinamakan superjenuh. Keadaan superjenuh ini akan terjadi hanya jika udara bebas dari debu atau partikel-partikel garam yang dapat bertindak sebagai inti pengembunan sehingga membentuk tetes-tetes kabut. Pada tahun 1911, Wilson menemukan bahwa ionion gas dapat juga bertindak sebagai inti pengembunan. Kemudian gejala ini digunakan untuk menunjukkan lintasan-lintasan radiasi ionisasi melalui udara. Sebuah sumber radioaktif memancarkan partikel-partikel dalam sebuah kamar udara yang jenuh dengan uap air dan alkohol. Ketika partikel-partikel ini melalui udara, mereka bertumbukan dengan molekul-molekul udara. Tumbukan ini mengakibatkan terjadinya ionisasi, sehingga meninggalkan jejak ion positif dan negatif. Jika tekanan dalam kamar dikurangi dengan cara memompa sebagian udara keluar, maka udara menjadi lebih dingin. Keadaan ini memungkinkan partikel partikel uap superjenuh mengembun pada ion-ion tersebut, sehingga jejak tetes-tetes uap sepanjang lintasan ion-ion dapat terlihat. Bentuk jejak kabut yang dihasilkan dalam kamar kabut bergantung pada partikel partikel radioaktif yang digunakan.
8. Detektor Kamar Gelembung ( Bubble Chamber ) Kamar gelombang ditemukan pada tahun 1952 oleh D Glaser. Prinsip kerjanya sama dengan kamar kabut. Cairan bertekanan tinggi seperti hidrogen di buat dalam keadaan superheated dengan menurunkan tekanan secara tiba-tiba. Gelembung akan terbentuk disekitar ion yang akibat ionisasi oleh partikel bermuatan. Kamar gelembung ini telah berhasil menemukan klasifikasi hadron dan interaksi neutrino dengan pertukaran Zo.
9. Detector Kamar Latu (Spark chamber ) Kamar latu terdiri dari sejumlah keping logam sejajar dalam kamar yang berisi gas mulia seperti neon. Tegangan tinggi dipasang antara masing-masing pasangan keping. Jika partikel bermuatan melalui kamar ini, pelatuan terjadi sepanjang lintasan ion yang ditimbulkan oleh partikel itu karena bertambahnya konduktivitas gas. Hasil deretan ini dapat dipotret dan jika kamar itu diletakkan dalam medan magnet, muatan dan momentum partikel dapat ditentukan dari lengkungan lintasannya. 10. Emulsi ( Emulsion) Pada awal tahun 1910, ditemukan emulsi fotografi yang berisi butir-butir halide perak yang sangat sensitif terhadap radiasi ionisasi. Di dalam piringan photografik ini akan terlihat lintasan butir perak 23
sepanjang lintasan partikel bermuatan yang dapat diamati mikroskop. Emulsi ini digunakan untuk mendeteksi partikel dalam fixed target experiment . Emulsi ini telah digunakan untuk menemukan pion bermuatan dan interaksi lemahnya.Pada fixed target experiment , partikel yang dihasilkan umumnya bergerak lurus kedepan, sehingga bentuk detektor ini adalah kerucut.Salah satu contoh detektor dalam Fixed target experiment adalah Multi-Particle Spectrometer (MPS) di Fermilab. Spektrometer ini digunakan untuk mempelajari struktur Hadron. Berkaspartikel yang datang (partikel yang telah dipercepat) dapat berupa partikel bermuatan positif (p, K+, p+) atau bermuatan negatif (p, K-, p-) dengan energi sebesar 200 GeV dan targetnya adalah hidrogen cair. D. BENTUK-BENTUK DETEKTOR
Detektor dua bentuk yang dapat dikategorikan berdasarkan tipe tumbukannya yaitu 1. Fixed Target Detector Pada fixed target experiment , partikel yang dihasilkan umumnya bergerak lurus kedepan, sehingga bentuk detektor ini adalah kerucut (lihat gambar). Salah satu contoh detektor dalam Fixed target experiment adalah Multi-Particle Spectrometer (MPS) di Fermilab. Spektrometer ini digunakan untuk mempelajari struktur Hadron. Berkas partikel yang datang (partikel yang telah dipercepat) dapat berupa partikel bermuatan positif (p, K+, p+) atau bermuatan negatif (p, K-, p-) dengan energi sebesar 200 GeV dan targetnya adalah hidrogen cair. 2. Colliding Beam Detector Pada Colliding beams experiment , partikel yang dihasilkan bergerak ke segala arah, sehingga detector ini berbentuk bola atau pada umumnya berbentuk silinder. Salah satu contoh detektor ini adalah UAI spectometer di CERN. Detektor ini digunakan untuk mempelajari tumbukan proton dan anti proton pada energi tinggi. E. KOMPONEN-KOMPONEN DETEKTOR
Komponen-komponen detektor yang ideal adalah harus terdiri dari komponen-komponen 1) Pelacak (tracking) partikel bermuatan dalam suatu medan magnetik untuk menentukan partikel. 2) Kalorimeter E-M digunakan umtuk mengukur energi total partikel (energi foton dan elektron). Ada dua tipe kalorimeter, yaitu kalorimeter elektromagenet dan kalorimeter hadron. Kalorimeter EM (electromagneteic) digunakan untuk mengukur energi elektron, positron dan foton dengan menggunakan prinsip interaksi EM dengan inti. Yang teramati dalam kalorimeter berupa pancaran EM, biasanya terdeteksi dalam kamar kabut. Proses interaksi adalah Bremsstrahlung dan produksi pasangan. Banyaknya elektron, positron dan foton yang dihasilkan sebanding dengan energi dari partikel datang. 3) Kalorimeter hadron digunakan untuk mengukur energi hadrons. Hadron yang memiliki waktu hidup yang panjang untuk dapat memasuki kalorimeter adalah proton, pion bermuatan, kaon bermuatan, neutron dan kaon netral yang berumur panjang. Prosesnya sama seperti kalorimeter hadron tetapi interaksinya kuat. 4) Kamar Muon (Muon Chamber) adalah sebuah partikel dasar dengan muatan listrik negative dan spin ½. Bersama dengan electron, neutron dan neutrino diklasifikasikan sebagai bagian dari lepton dan fermion.sama seperti partikel dasar lainnya,muon memiliki sebuah anti benda dengan muatan berlawanan namun dengan massa dan spin yang sama dengan antimuon.
24
