Interaksi Radiasi Dengan Materi Radiasi adalah pancaran energi yang berasal dari proses transformasi atom atau inti atom yang tidak stabil. Ketidak-stabilan atom dan inti atom mungkin memang sudah alamiah atau buatan manusia, oleh karena itu ada sumber radiasi alam dan sumber radiasi buatan. Sumber radiasi itu sendiri dapat dibedakan menjadi sumber yang berupa zat radioaktif dan sumber yang berupa mesin, seperti pesawat sinar-X, akselerator, maupun reaktor nuklir. Adapun Adapun jenis radiasi dapat dibedakan dibedakan menjadi radiasi partikel partikel bermuatan, bermuatan, radiasi partikel tak bermuatan, dan gelombang elektromagnetik atau foton. Ketiga jenis radiasi ini mempunyai karakteristik fisis dan cara interaksi dengan materi yang sangat berbeda. 1. Intera Interaksi ksi Radia Radiasi si Partik Partikel el Bermua Bermuatan tan
Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk partikel yang bermuatan listrik. Beberapa jenisnya adalah radiasi alpha dan beta yang dipancarkan oleh zat radioaktif (inti atom yang tidak stabil), serta radiasi elektron elektron dan proton yang dihasilkan dihasilkan oleh mesin berkas elektron ataupun akselerator. Interaksi Interaksi radiasi partikel bermuatan bermuatan ketika ketika mengenai mengenai materi adalah proses Coulomb, Coulomb, yaitu yaitu gaya gaya tarik tarik menarik menarik atau tolak tolak menola menolak k antara antara radiasi radiasi partik partikel el bermua bermuatan tan dengan dengan elektron orbital dari atom bahan. a. Ionisasi
Proses ionisasi adalah peristiwa lepasnya elektron dari orbitnya karena ditarik atau ditolak oleh radiasi partikel bermuatan. Elektron yang lepas menjadi elektron bebas sedang sisa atomnya menjadi ion positif. Setelah melakukan melakukan ionisasi energi radiasi akan berkurang sebesar energi ionisasi elektron. Peristiwa ini akan berlangsung terus sampai energi radiasi partikel bermuatan habis terserap. Radiasi alpha yang mempunyai massa maupun muatan lebih besar mempunyai daya ionisasi yang lebih besar daripada radiasi yang lain.
Dalam Gambar tersebut partikel menumbuk atom dan mengenai elektron pada kulit terluar terluar sehingg sehinggaa terpent terpental al keluar keluar.. Elektr Elektron on yang yang terpent terpental al keluar keluar ini disebu disebutt ion negatif 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 mengionisasikan materi, terlebih dahulu positron ini akan ditangkap oleh elektron yang banyak tersebar di alam. b. Eksitasi
Proses eksitasi adalah peristiwa “loncatnya” (tidak sampai lepas) elektron dari orbit yang dalam ke orbit yang lebih luar karena gaya tarik atau gaya tolak radiasi partikel bermuatan. Atom yang mengalami eksitasi ini disebut dalam keadaan tereksitasi (excited state) dan akan kembali kekeadaan dasar (ground state) dengan memancarkan radiasi sinar-X.
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). 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 = E n2 – E n1 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 sepanjang lintasannya. Energi radiasi beta yang hilang ini menyebabkan atom-atom yang ada di sepanjang lintasan radiasi beta juga terganggu. c. Brehmsstrahlung
Proses Brehmsstrahlung adalah peristiwa dibelokkannya atau bahkan dipantulkannya radiasi partikel bermuatan oleh inti atom dari bahan. Ketika radiasi tersebut dibelokkan atau dipantulkan maka akan timbul perubahan momentum sehingga terjadi pemancaran energi berbentuk gelombang elektromagnetik yang disebut sebagai Brehmsstrahlung.
d. Reaksi Inti
Dalam peristiwa ini, radiasi partikel bermuatan berhasil “masuk” dan ditangkap oleh inti atom bahan, sehingga inti atom bahan akan berubah, mungkin menjadi inti atom yang tidak stabil. Fenomena ini disebut sebagai proses aktivasi. Akan tetapi ada juga yang hanya sekedar bereaksi tanpa menghasilkan inti yang tidak stabil seperti reaksi partikel alpha bila mengenai bahan Berilium akan menghasilkan unsur Lithium dan radiasi neutron. α + Be
Li + n
Berbeda dengan tiga peristiwa di atas, peristiwa reaksi inti ini tidak terjadi pada semua jenis materi. e. Absorbsi
Peristiwa absorbsi adalah peristiwa terserapnya partikel radiasi oleh suatu bahan yang terkena radiasi. Pada peristiwa absorbsi ini ada radiasi yang terserap seluruhnya oleh materi, ada yang hanya sebagian terserap oleh materi dan sisanya ada yang diteruskan keluar dari materi. Akibat peristiwa absorbsi radiasi oleh suatu bahan (materi), bahan akan menjadi panas sesuai dengan energi radiasi yang ditransfer ke atom-atom bahan. Partikel radiasi yang bermassa besar akan lebih mudah terabsorbsi daripada prtikel yang bermassa kecil. Hal ini mudah dipahami karena massa yang besar relatif gerak kinetisnya lebih lamban daripada massa yang kecil. Selain daripada itu, muatan yang dibawa partikel radiasi juga berpengaruh pada peristiwa absorbsi. Partikel radiasi yang bermuatan positif akan lebih mudah tertangkap oleh elektron-elektron bahan. Dengan kata lain partikel radiasi yang bermuatan positif akan lebih mudah diabsorbsi oleh materi. Berdasarkan uraian tersebut di atas dapat ditarik kesimpulan bahwa pada interaksi radiasi dengan materi, radiasi alpha lebih mudah diabsorbsi daripada radiasi beta. Dengan dasar pengertian ini maka radiasi alpha dapat ditahan oleh kertas sedangkan radiasi beta baru bisa ditahan oleh papan kayu yang tebal. Kenyataan ini sesuai dengan harga koefisien absorbsi linear kayu yang memang lebih tinggi daripada koefisien absorbsi linear kertas. Bila dikaitkan dengan koefisien absorbsi linear materi, maka proses penyerapan akan mengikuti perasamaan de’alembert berikut ini : I = I oe-μt Dimana dalam hal ini : I = intensitas radiasi setelah menembus bahan I0= intensitas radiasi mula-mula (sebelum terabsorbsi) μ = koefisien absorbsi linier bahan t = tebal bahan Untuk mengetahui banyaknya radiasi yang terserap oleh suatu bahan digunakan satuan dosis serap atau Radiation Absorbed Dose yang disingkat Rad . Jadi dosis serap merupakan ukuran banyaknya energi yang diberikan oleh radiasi pengion kepada medium. Dosis serap sebesar 1 Rad sama dengan energi yang diberikan kepada bahan sebesar 1 Joule/kg. 2. Radiasi Partikel tak Bermuatan (Neutron)
Radiasi ini merupakan pancaran energi dalam bentuk partikel neutron yang tidak bermuatan listrik dan mempunyai massa 1 sma (satuan massa atom). Radiasi ini lebih banyak
dihasilkan bukan oleh inti atom yang tidak stabil (radioisotop) melainkan oleh proses reaksi inti seperti contoh sumber AmBe di atas ataupun reaksi fisi di reaktor nuklir. Karena tidak bermuatan listrik, mekanisme interaksi radiasi neutron lebih dominan secara mekanik, yaitu peristiwa tumbukan baik secara elastik maupun tidak elastik. Sebagaimana radiasi partikel bermuatan, radiasi neutron juga mempunyai potensi melakukan reaksi inti. a. Tumbukan elastik
Tumbukan elastik adalah tumbukan di mana total energi kinetik partikelpartikel sebelum dan sesudah tumbukan tidak berubah. Dalam tumbukan elastik antara neutron dan atom bahan penyerap, sebagian energi neutron diberikan ke inti atom yang ditumbuknya sehingga atom tersebut terpental sedangkan neutronnya dibelokkan/dihamburkan.
Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai massa yang sama, atau hampir sama dengan massa neutron (misalnya atom Hidrogen), sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom tersebut cukup besar. b. Tumbukan tidak Elastik
Proses tumbukan tak elastik sebenarnya sama saja dengan tumbukan elastik, tetapi energi kinetik sebelum dan sesudah tumbukan berbeda. Ini terjadi bila massa atom yang ditumbuk neutron jauh lebih besar dari massa neutron. Setelah tumbukan, atom tersebut tidak terpental, hanya bergetar, sedang neutronnya terhamburkan.
Dalam peristiwa ini, energi neutron yang diberikan ke atom yang ditumbuknya tidak terlalu besar sehingga setelah tumbukan, energi neutron tidak banyak berkurang. Oleh karena
itu, bahan yang mengandung atom-atom dengan nomor atom besar tidak efektif sebagai penahan radiasi neutron. c. Reaksi Inti
Bila energi neutron sudah sangat rendah atau sering disebut sebagai neutron termal (En < 0,025 eV), maka kemungkinan neutron tersebut “ditangkap” oleh inti atom bahan penyerap akan dominan sehingga membentuk inti atom baru, yang biasanya merupakan inti atom yang tidak stabil. Peristiwa ini yang disebut sebagai proses aktivasi neutron, yaitu mengubah bahan yang stabil menjadi bahan radioaktif. Peristiwa aktivasi neutron ini juga dapat disebabkan oleh neutron cepat meskipun dengan probabilitas kejadian yang lebih rendah. 3. Interaksi Radiasi Gelombang Elektromagnetik
Interaksi radiasi gelombang elektromagnetik ketika mengenai materi lebih menunjukkan sifat dualisme gelombang - partikel yaitu efek foto listrik, efek Compton, dan produksi pasangan. a.
Efek Foto Listrik
Dalam peristiwa efek foto listrik, 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.
Efek fotolistrik timbul karena interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan elektron-elektron dalam atom. Dalam peristiwa ini energi foton diserap semuanya oleh elektron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan inti atom. Efek fotolistrik terutama trjadi pada foton berenergi rendah, yaitu berkisar antara 0,01 Mev hingga 0,5 Mev dan dominan pada energi foton dibawah 0,1 Mev. Radiasi elektromagnetik dengan energi fotonnya kecil akan berinteraksi dengan elektron-elektron yang berada diorbit luar atom. Semakin besar energi foton maka elektron-elektron yang berada pada orbit lebih dalam akan dilepaskan.
Elektron yang terlempar ke luar dari atom yang paling mungkin berasal dari elektron dikulit K. Energi foton datang (hv) sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam bentuk energi kinetic elektron dan sebagian sangat kecil dipakai untuk melawan energi ikat electron (Be). Elektron terlempar selanjutnya dapat melakukan proses ionisasi atom-atom lain di dalam bahan. Besar energi kinetic foto elektron (E k ) dalam peristiwa ini adalah Ek = hv – Be b. Efek Compton
Peristiwa efek Compton sangat menyerupai efek foto listrik kecuali energi foton yang mengenai materi tidak diserap sepenuhnya sehingga masih ada sisa energi foton yang dipantulkan atau dibelokkan.
Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hv berinteraksi dengan elektron bebas atau elektron yang tidak terikat secara kuat oleh inti, yaitu elektron yang berada pada kulit terluar dari atom. Elektron dilepaskan dari inti atom dan bergerak dengan energi kinetik tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton datang. Foton lain itu disebut dengan foton hamburan dengan energi hv‘ dan terhambur dengan sudut θ terhadap foton datang. Karena ada energi ikat elektron yang harus dilawan, meskipun sangat kecil, hamburan Compton ini termasuk proses interaksi inelastik. c. Produksi Pasangan
Peristiwa ini menunjukkan kesetaraan antara massa dengan energi sebagaimana diperkenalkan pertama kali oleh Einstein. Bila sebuah foton yang mengenai materi berhasil “masuk” sampai ke daerah medan inti (nuclear field) dan mempunyai energi lebih besar dari 1,022 MeV maka foton tersebut akan diserap habis dan akan dipancarkan pasangan elektron – positron. Positron adalah anti partikel dari elektron, yang mempunyai karakteristik sama dengan elektron tetapi bermuatan positif. Ketika muatan suatu sistem bernilai awal nol, maka dua partikel yang berlawanan muatannya harus diciptakan guna mengkonversi muatan. Untuk menggabungkan sebuah pasangan, foton datang harus memiliki energi yang setidaknya setara dengan energi diam pasangan tersebut, dan setiap kelebihan energi foton akan muncul sebagai energi kinetik partikel. Produksi pasangan tidak dapat terjadi di ruang hampa. Oleh karenanya terlihat kehadiran nukleus berat pada gambar diatas. Nukleus membawa sejumlah momentum foton datang, tapi karena massanya yang besar, energi kinetik lompatannya, K≈p2 /2M 0, biasanya diabaikan terhadap energi-energi kinetik pasangan elektron-positron. Dengan demikian, kekekalan energi dapat diterapkan dengan mengabaikan nukleus berat, sehingga menghasilkan hυ = m +c2 + m-c2 = K + + K - + 2moc2 karena positron dan elektron memiliki massa diam yang sama, m 0 = 9,11x10-31 kg. Kebalikan proses produksi pasangan juga dapat terjadi yang dinamakan 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 (Beiser, 1990). Sedikitnya dua foton harus dihasilkan untuk memenuhi kekekalan energi dan momentum. Adapun persamaan yang dapat diperoleh sebagai berikut : E awal = E akhir atau 2moc2 + K + + K - = hυ1+ hυ2 pawal = pakhir atau m+v+ + m-v- = (h/2π)k 1 + (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. 4. Interaksi Radiasi Pengion Dengan Materi Biologis
Interaksi radiasi pengion dengan materi biologis diawali dengan interaksi fisikawi yaitu, proses ionisasi. Elektron yang dihasilkan dari proses ionisasi akan berinteraksi secara langsung maupun tidak langsung. Secara langsung bila penyerapan energi langsung terjadi pada molekul organik dalam sel yang mempunyai arti penting, seperti DNA. Sedangkan interaksi secara tidak langsung bila terlebih dahulu terjadi interaksi radiasi dengan molekul air dalam sel yang efeknya kemudian akan mengenai molekul organik penting. Mengingat sekitar 80% dari tubuh manusia terdiri dari air, maka sebagian besar interaksi radiasi dalam tubuh terjadi secara tidak langsung. Paparan radiasi pengion pada tubuh dapat terjadi secara eksterna dan interna. Paparan radiasi eksternal merupakan paparan yang terjadi bila ada jarak antara sumber radiasi dengan individu terpapar. Sedangkan paparan radiasi internal terjadi bila tidak ada jarak antara sumber radiasi dengan individu terpapar, sehingga sering diistilahkan sebagai kontaminasi. Tingkat kerusakan yang ditimbulkan pada tubuh sangat bergantung antara lain pada karakteristik jenis radiasi yang mempunyai daya tembus dan tingkat ionisasi yang berbeda. Interaksi antara radiasi dengan sel hidup merupakan proses yang berlangsung secara bertahap. Proses ini diawali dengan tahap fisik dan diakhiri dengan tahap biologik. Ada empat tahapan interaksi, yaitu : i.
Tahap Fisik
Tahap Fisik berupa absorbsi energi radiasi pengion yang menyebabkan terjadinya eksitasi dan ionisasi pada molekul atau atom penyusun bahan biologi. Proses ini berlangsung sangat singkat dalam orde 10-16 detik. Karena sel sebagian besar (70%) tersusun atas air, maka ionisasi awal yang terjadi di dalam sel adalah terurainya molekul air menjadi ion positif H2O+ dan e- sebagai ion negatif. Proses ionisasi ini dapat ditulis dengan : H2O + radiasi pengion ii.
H2O+ + e-
Tahap Fisikokimia
Tahap fisikokimia dimana atom atau molekul yang tereksitasi atau terionisasi mengalami reaksi-reaksi sehingga terbentuk radikal bebas yang tidak stabil. Tahap ini berlangsung dalam orde 10-6 detik. Karena sebagian besar tubuh manusia tersusun atas air, maka peranan air sangat besar dalam menentukan hasil akhir dalam tahap fisikokimia ini. Efek langsung radiasi pada molekul atau atom penyusun tubuh selain air hanya memberikan sumbangan yang kecil bagi akibat biologi akhir dibandingkan dengan efek tak langsungnya melalui media air tersebut. Ion-ion yang terbentuk pada tahap pertama interaksi akan beraksi dengan molekul air lainnya sehingga menghasilkan beberapa macam produk , diantaranya
radikal bebas yang sangat reaktif dan toksik melalui radiolisis air, yaitu OH - dan H+. Reaksi kimia yang terjadi dalam tahap kedua interaksi ini adalah: H2O+
H2O + e
H2O-
H+ + OHH2OOH- + H+
Radikal bebas OH- dapat membentuk peroksida (H 2O2 ) yang bersifat oksidator kuat melalui reaksi berikut : OH- + OHiii.
H2O2
Tahap Kimia Dan Biologi
Tahap kimia dan biologi yang berlangsung dalam beberapa detik dan ditandai dengan terjadinya reaksi antara radikal bebas dan peroksida dengan molekul organik sel serta inti sel yang terdiri atas kromosom. Reaksi ini akan menyebabkan terjadinya kerusakan-kerusakan terhadap molekul-molekul dalam sel. Jenis kerusakannya bergantung pada jenis molekul yang bereaksi. Jika reaksi itu terjadi dengan molekul protein, ikatan rantai panjang molekul akan putus sehingga protein rusak. Molekul yang putus ini menjadi terbuka dan dapat melakukan reaksi lainnya. Radikal bebas dan peroksida juga dapat merusak struktur biokimia molekul enzim sehingga fungsi enzim terganggu. Kromosom dan molekul DNA di dalamnya juga dapat dipengaruhi oleh radikal bebas dan peroksida sehingga terjadi mutasi genetik. iv.
Tahap Biologis
Tahap biologis yang ditandai dengan terjadinya tanggapan biologis yang bervariasi bergantung pada molekul penting mana yang bereaksi dengan radikal bebas dan peroksida yang terjadi pada tahap ketiga. Proses ini berlangsung dalam orde beberapa puluh menit hingga beberapa puluh tahun, bergantung pada tingkat kerusakan sel yang terjadi. Beberapa akibat dapat muncul karena kerusakan sel, seperti kematian sel secara langsung, pembelahan sel terhambat atau tertunda serta terjadinya perubahan permanen pada sel anak setelah sel induknya membelah. Kerusakan yang terjadi dapat meluas dari skala seluler ke jaringan, organ dan dapat pula menyebabkan kematian. 5. Interaksi Radiasi Dengan Materi Kimia
Sejumlah bahan kimia alam dan buatan manusia yang berpotensi menginisiasi dan promosi kanker ada di lingkungan hidup manusia dan mungkin berinteraksi dengan radiasi. Kelompok senyawa kimia dibedakan atas : a. Senyawa yang terutama beraksi sebagai perusak DNA (genotoksik)
Senyawa genotoksik termasuk spesies yang aktif secara kimiawi, atau senyawa yang dapat diaktivasi, berikatan atau memodifikasi DNA. Bahan kimia kelompok ini dapat
dibedakan atas senyawa yang bereaksi secara langsung dengan ikatan kovalen pada DNA dan secara tidak langsung menghasilkan radikal bebas. b. Senyawa yang beraksi dengan cara lain (non genotoksik).
Senyawa non genotoksik berkisar dari iritan tidak spesifik dan sitotoksin sampai hormon alamiah, faktor pertumbuhan, dan analognya. Senyawa ini berinteraksi dengan sistem pengatur sel dan organ dan tidak dapat selalu dianggap toksik .
