Fisika Nuklir (Materi Lengkap)

January 11, 2019 | Author: Muhammad Reza Fahlevi | Category: N/A
Share Embed Donate


Short Description

Download Fisika Nuklir (Materi Lengkap)...

Description

INTI ATOM

Partikel Penyusun Inti Atom •







Muatan positif atom terkungkung dalam daerah kecil dipusat atom (Rutherford, Bohr,dll) Elektron bukan termasuk partikel part ikel inti karena tidak memenuhi beberapa kriteria yang ditinjau dari : ukuran inti, spin, momen magnetik dan interaksi interaksi elektron dalam inti Tahun 1932 ditemukan neutron (tidak bermuatan dan massanya ≈ proton). Jadi sebuah inti atom terdiri atas Z proton dan (A-Z) neutron.

Partikel Penyusun Inti Atom •







Muatan positif atom terkungkung dalam daerah kecil dipusat atom (Rutherford, Bohr,dll) Elektron bukan termasuk partikel part ikel inti karena tidak memenuhi beberapa kriteria yang ditinjau dari : ukuran inti, spin, momen magnetik dan interaksi interaksi elektron dalam inti Tahun 1932 ditemukan neutron (tidak bermuatan dan massanya ≈ proton). Jadi sebuah inti atom terdiri atas Z proton dan (A-Z) neutron.

Kelompok inti atom •





Isotop : inti memiliki nilai Z(proton) sama. Isoton : inti memiliki nilai N (neutron) sama. Isobar : inti yang nilai A (nomor massa) sama.

Ukuran dan bentuk inti atom •



Jumlah proton dan neutron menentukan besar/ukuran inti. Inti atom diasumsikan seperti sebuah bola. Volumenukleus Volumenukleon  A 4

4 3   R3   r o  A 3 3

 R  r o A •

r = 1,2 fm

1 3

Gaya Kuat Inti •





Proton-proton dalam inti tidak tolak menolak? Di dalam inti terdapat gaya kuat (strong force) yang mengimbangi tolakan Coulumb proton-proton. Salah satu ciri gaya kuat ini adalah jangkauan gayanya yang sangat pendek ≈ 10-15 m.

Massa dan energi ikat inti atom •

Atom hidrogen yang terdiri dari 1 proton dan 1 elektron. Energi diam proton dan elektron diam yang terpisah jauh adalah 2 2 me c  m p c



Jika ke-2 partikel didekatkan dan membentuk atom hidrogen akan ada foton yang dipancarkan 13,6 eV. 2 2 2 mec  m pc  m H c 13,6eV 





2 2 2 mec  m p c  m H c  13,6eV 

Jadi energi massa gabungan sistem lebih kecil daripada ketika partikel penyusunnya terpisah. Perbedaan ini disebut energi ikat. Pada inti atom energi ikat dihitung menggunakan rumus

 B  ( Nmn )c 2  ( Zm p )c 2  M  Intic 2



Hubungan energi ikat dan massa inti ditunjukan pada gambar berikut.

Latihan Soal •

Terdapat suatu atom X dengan jari-jari inti 2 kali jari-jari inti atom 9Be. Tentukan jumlah nukleon dalam Atom X

Model-model inti •



Tidak ada teori dasar yang dapat menjelaskan sifat-sifat inti atom.  Beberapa model dikembangkan Dua dari beberapa model inti yaitu, model tetes cairan dan model kulit.

Model tetes cairan

Sifat-sifat inti



Berkaitan

Ukuran Massa Energi ikat

Seperti tetes cairan

Kerapatan tetesan cairan adalah konstan, ukurannya sebanding dengan jumlah partikel atau molekul di dalam cairan, energi ikatnya berbanding lurus dengan massa atau jumlah partikel yang membentuk tetesan.

Model tetes cairan (lanjutan) •



Massa inti atom yang tersusun dari proton Z dan neutron N= (A – Z) adalah Zm p + (A - Z)mn Estimasi massa tersebut belum sesuai dengan hasil eksperimen  Ada koreksi dan penambahan suku sehingga menjadi,  M    Zm p  ( A  Z )mn  b1 A  b2 A



2

3

 b3 Z 2 A

1

3

 b4 ( A  2 Z )2 A1  b5 A

3

4

Nilai b1, b2, b3, b4, dan b5 diperoleh dari eksperimen dan persamaan diatas disebut formula massa semiempirik  b1 b2 b3 b4

= 14,0 MeV = 13,0 MeV = 0,58 MeV = 19,3 MeV

A

Z

b5

Genap

Genap

-33,5 MeV

Ganjil Genap

0 Ganjil

+33,5 MeV

Model tetes cairan (lanjutan) •

Rata-rata energi ikat per nukleon EI    A

[ Zm p  ( A  Z ) M n  M Inti ]c

 A

2

 b1  b2 A

1

3

2

 b3 Z   A

4

3

2

2

 b4 ( A  2 Z )  A  b5 A

7

4

Koreksi Akibat Energi Ikat Inti •

Dalam inti terdapat gaya ikat (energi ikat +), sehingga massa inti seharusnya lebih kecil daripada ketika nukleon-nukleon inti terpisah. Energi ikat sebanding dengan jumlah nukleon inti, oleh karena itu akibat energi ikat ini diperoleh koreksi sebesar

 b1 Ab1  0

Efek Permukaan •

Pengaruh gaya ikat inti bagi nukleon di permukaan lebih lemah daripada nukleon inti yang lebih dalam.



Inti atom dianggap seperti bola sempurna yang luasnya 4πR2, dan setara dengan 2

2 3

4 r o A •

Jadi koreksi massa akibat efek permukaan adalah

b2 A

2 3

Efek Interaksi Coulumb •

Dialam inti terdapat proton-proton yang bermuatan positif. Menurut hukum Coulumb, gaya Coulumb antar muatan yang sejenis akan tolak-menolak. Oleh karena itu, tolakan Coulumb ini akan mengakibatkan penambahan massa inti.

 E  p  k 

q1q2

;  R  r o A

 R

1 3

2

 k 

( Ze)

r o A

 E  p 

ke2 r o

1 3

2

1

 Z  A

3

Koreksinya adalah

r

+

+

2

 13

b3 Z   A

Efek Kelebihan Neutron Atau Proton •



Proton dan neutron merupakan kategori fermion (taat asas pauli dan tidak mau berkeadaan sama),  jadi masing-masing menempati kulit berbeda dalam deretan kulit terpisah. Adanya kelebihan neutron ataupun proton dalam suatu isobar dapat meningkatkan massa inti menurut prinsip larangan pauli.





Dari gambar disamping, pengurangan Z sebesar v diikuti juga dengan penambahan N sebesar v. Jika selisih antar tingkat energi nukleon adalah Δ, maka pengurangan Z memberikan selisih energi ikat pada isobar sebesar   v   E ikat   v     2 

  N    Z   v    2  

  v   E ikat   v     2    N    Z    N    Z           2    2    2   2   N    Z  ;  N    A  Z  8

 E ikat  

 8

 A  2 Z 

2



Makin besar jumlah nukleon penyusun inti A, selisih antar tingkat energi nukleon Δ semakin kecil . 1

A •

Jadi koreksi yang dihasilkan pada kelebihan neutron atau proton adalah sebesar





1

b4  A  2 Z  A 2



Seperti halnya elektron yang cenderung berpasangan untuk membentuk suatu ikatan yang stabil, demikian pula nukleon sejenis (neutron dengan neutron, proton dengan proton) cenderung berpasangan untuk mencapai inti yang lebih stabil. Dari sisi ini memberikan koreksi senilai

3

b5 A

4

Latihan Soal •

Bandingkan energi-energi minimum yang dibutuhkan untuk melepaskan netron dari 41 20

Ca ,

42 20

Ca ,

42 20

Ca

Model Kulit •



Berbagai persoalan yang terdapat dalam inti memiliki beberapa persmaan dengan persoalan elektron-elektron dalam atom. Salah satu persamaan ini yaitu elektron dan nukleon memiliki tingkat-tingkat energi tertentu. Letak perbedaan antara persoalan yang terdapat pada elektron dalam atom dan inti atom adalah potensial yang ditimbulkan dan sifat orbitnya.

Fakta eksperimen •

Perubahan sifat-sifat inti secara menonjol terjadi di dalam inti dengan N dan Z sebesar

2, 8, 28, 50, 82, 126 •

bilangan ajaib inti

Dalam persoalan atom juga ditemukan bilangan ajaib, yaitu nomor atom yang terdapat terdapat pada gas mulia.

Perubahan radius inti (Δ (ΔN=2)

Bilangan ajaib inti pada akhir deret radioakatif 



Hasil akhir dari peluruhan timbal dan bismuth memiliki jumlah proton proton berturut-turut 82 dan 126  bilangan ajaib

Energi Ikat Neutron •



Adanya energi yang bervariasi untuk melepas neutron terluar adalah bukti bahwa inti memiliki kulit-kulit. Inti yang memiliki bilangan ajaib, kulit terluarnya akan penuh, dan memerlukan energi lebih besar untuk melepas neutron dari inti.

Asumsi Dalam Model Kulit •



Proton dan neutron terjebak dalam sebuah potensial. Beberapa bentuk potensial yang dipakai yaitu potensial kotak dan osilator harmonik. Bentuk osilator harmonik lebih mendekati hasil yang diinginkan.



Fungsi potensial V ditulis dalam bentuk persamaan schroodinger. Pemecahan persamaan ini memberikan informasi tentang perilaku gelombang dari partikel.

Persamaan Schroodinger ?? •

Bayangkan diri anda seperti Erwin Schroodinger! Kekekalan energi K+V=E

Taat asas deBroglie (partikel dengan momentum p memiliki panjang gel λ) Jadi K=p2/2m=ħ2k2/2m

Bentuk gel deBroglienya dapat bersuperposisi (linier) ψ(x) = A sin kx

Persamaan harus mengandung potensial V. d2ψ /dx2 = -k2x -2m/ħ2 (E-V)ψ = -2m/ħ2 Kψ

Persamaan schroodinger bebas waktu 1D





2

2

d    2

2m dx

 V     E  



Persamaan schroodinger merupakan bentuk persamaan differensial parsial. Untuk memecahakan bentuk persamaan ini ada beberapa metode yang digunakan, diantaranya adalah metode fungsi, legendere, hermite dan laguerre



Rumus tingkat energi yang diperoleh dari pemecahan persamaan schroodinger untuk osilator harmonik. 3     E n   o       2   



2(n  1)  l

n



1, 2, 3, 4, ....

l



0,1, 2, 3, ......

Sehingga dapat diasumsikan nilai-nilai λ adalah 0, 1, 2, 3, 4,…



Beberapa energi paling rendah dan probabilitas fungsi gelombangnya pada osilator harmonik

Kemungkinan nilai λ dari kombinasi n dan l   0

1

2

3

4

5

λ

1

0

1

2

3

4

5

0

(1,0)

1s

2

2

3

4

5

6

7

1

(1,1)

1p

3

4

5

6

7

8

9

2

(1,2) (2,0)

1d, 2s

4

3

(1,3) (2,1)

6

7

8

9

10

11

1f, 2p

4

(1,4) (2,2) (3,0)

1g, 2d, 3s

5

(1,5) (2,3) (3,1)

1h, 2f, 3p

6

(1,6) (2,4) (3,2) (4,0

1i, 2g, 3d, 4s

5

8

9

10

11

12

13

6

10

11

12

13

14

15

Notasi spektroskopik

Urutan Penempatan Nukleon Dalam Inti 1h 2g 3f 4d 5p 1g 2f 3d 4p 5s 1f 2d 3p 4s 1d 2p 3s 1p 2s 1s

Struktur kulit yang dihasilkan oleh model potensial osilator harmonik



Bentuk potensial yang lebih realistis diberikan oleh Woods dan Saxon 1954 yaitu

Interaksi Spin Dan Orbit Dalam Inti •

Selain berada dalam potensial, juga terdapat interaksi spin-orbit dalam inti sehingga diperoleh bilangan-bilangan ajaib yang sesuai ( 2, 8, 20, 28, 50, 82, dan 126).

Bilangan Kuantum Orbital •

Seperti halnya elektron, gerak orbital nukleon adalah terkuantisasi, yakni gerakan mengorbit tersebut menghasilkan momentum sudut nukleon yang hanya memiliki nilai tertentu yang bersifat diskrit. Nilai tersebut dinyatakan dengan

 L  l(l  1) •

Nilai-nilai l diberikan sebagai berikut Nilai l :

0

1

2

3

4

5

…..

Simbol huruf :

s

p

d

f

g

h

…..

Bilangan Kuantum Spin •

Di samping melakukan melakukan gerak orbit, setiap nukleon berputar pada porosnya. Gerakan berputar pada porosnya porosnya juga terkuantisasi, nilai momentum sudutnya sudutnya diungkapk diu ngkapkan an sebagai S  s(s  1)

dimana s = ±1/2, baik untuk proton maupun neutron.

Momentum Sudut Total •

Jumlah momentum sudut orbital dan momentum sudut spin suatu nukleon adalah momentum sudut total j yang dinyatakan sebagai :  J    j( j  1)



 j adalah  j adalah bilangan kuantum momentum sudut total. Nilai j  Nilai j yang yang mungkin adalah  j  l  s

Bilagnan Kuantum Magnetik •







Untuk setiap bilangan kuantum l,s,j terdapat bilangan kuantum magnetik m ,l  ms , m j yang merupakan komponen dari bilangan kuantum tersebut pada arah medan magnet terapan. Untuk setiap harga l , terdapat 2l +1 harga ml  , berkisar dari +l ,…0,…-l . Bilangan kuantum magnetik spin ms hanya dapat bernilai -1/2 atau1/2 Bilangan kuantum total magnetik, m j  ,dapat memiliki (2 j +1) nilai yang mungkin. Nilai-nilai m j =  j, (j-1),...1/2,-1/2…-(j-1),-j.

Kaitan antara l,j,dan m j  L

 j=l ±1/2

m j  =2j+1

Total

s=0

1/2

1/2,-1/2

2

p=1

3/2 1/2

3/2, 1/2,-1/2, -3/2 1/2,-1/2

6

d=2

5/2 3/2

5/2, 3/2, 1/2,-1/2, -3/2, -5/2 3/2, 1/2,-1/2, -3/2

10

f=3

7/2 5/2

7/2, 5/2, …. -5/2, -7/2 5/2, , , , -5/2

14

g=4

9/2 7/2

9/2, 7/2, …. -7/2, -9/2 7/2, 5/2, …. -5/2, -7/2

18

Bilangan Kuantum Utama Dan Radial •

Keadaan elektron dalam atom mengalami gaya Coulumb terpusat, sehingga tingkat energi elektron ditentukan oleh bilangan kuantum utama. Sedangkan situasi nuklida dalam inti tidak mengalami gaya terpusat dan bukan hanya gaya Coulumb, maka, n, hanya sebagai jumlah bilangan kuantum untuk bilangan kuantum l dan bilangan kuantum radial υ n



l

  

; n

1, 2, 3, 4,...



Bilangan Kuantum Utama Dan Radial (lanjutan) •





Bilangan kuantum radial υ hanya dapat bernilai integer positif, yakni υ = 1,2,3,4,…. Nilai υ seringkali digunakan sebagai bilangan kuantum yang menentukan tingkat energi nukleon dikaitkan dengan nilai-nilai l dan j. Misalnya, jika nukleon memiliki bilangan kuantum n=4, l=f , j=l-s, akan memiliki υ=(n-l)=1 dan dinyatakan sebagai : 1f 5/2.

Paritas Dalam Inti Atom •



Proton (dan neutron) di orbit yang sama akan cenderung berpasangan untuk membentuk keadaan momentum sudut nol. Oleh karena itu, nukleus-nukleus genap-genap akan memiliki total momentum sudut J=∑ j, sebesar nol. Sedangkan jika suatu nukleus memiliki proton atau neutron ganjil, total momentum angulernya adalah momentum anguler nukelon terakhir (ganjil).





soal

Berapakah nilai-nilai momentum anguler keadaan dasar yang mungkin untuk P ?. Tentukan juga kemungkinanan nilai-nilai mJ 32 15





Momentum anguler yang tidak bernilai nol terdapat pada nukleon yang tidak berpasangan, yaitu pada tingkat 2s1/2 untuk proton dan pada tingkat 1d3/2 untuk neutron Total momentum angulernya adalah jumlah aljabar vektor momentummomentum anguler j=1/2 dan j=3/2.



Untuk proton kemungkinan nilai m J adalah



Dan untuk neutron



Selanjutnya



m1 / 2 

m1 / 2 

1 2

,

1 2

3 1 1 3 , , , 2 2 2 2 

 M  J   2, {11 , {00 , {11 ,2

Garis teratas dari nilai-nilai MJ berkorespondensi dengan J=2; sedangkan garis terendah dengan J=1.

Radioaktivitas •



Definisi : Hasil dari peluruhan inti atom yang tidak stabil Inti atom yang tidak stabil dipengaruhi oleh rasio neutron dan proton

Radioaktivitas (lanjutan) •



Radiasi alfa akan diemisikan untuk mengurangi massa inti yang tidak stabil (hanya  jika nomor massa inti diatas 209) Elektron akan dipancarkan dalam transformasi neutron menjadi proton, hal ini terjadi ketika terdapat terlalu banyak neutron dalam inti





Positron akan dipancarkan (atau terjadi penangkapan elektron) pada perubahan proton menjadi neutron, hal ini terjadi ketika terdapatt neutron dalam jumlah yang terlalau terdapa sedikit

Pada beberapa inti, radiasi gamma akan dipancarkan setelah terjadinya terjadinya peluruhan alfa dan beta.

Radioaktivitas (lanjutan) •



Bahan yang mengandung inti tidak stabil (bahan radioaktif) ada yang alami dan buatan. Bahan radioaktif meluruh sambil melepaskan radiasi Radiasi tersebut memiliki karakteristik yang berbeda dan termasuk dalam kategori radiasi pengion

Radiasi Pengion

Peluruhan Zat Radioaktif  •



Peluruhan : proses keluarnya partikel dari inti Secara matematis, peluruhan per satuan waktu dilukiskan oleh persamaan dN  dt 



   N 

Dimana adalah konstanta yang nilainya tergantung pada isotop tertentu, N adalah  jumlah isotop radioa radioaktif ktif yang yang tersedia, tersedia, dan tanda minus berasal dari kenyataan bahwa dN/dt selalu meng mengalami alami penurunan

Peluruhan Zat Radioaktif  •

Selanjutnya kita dapat memecahkan persamaan diferensial tersebut untuk mendapatkan N(t) yaitu dN/dt = -N dN/N = - dt log (N/No) = - t

N(t) = No e-

t

Aktivitas •





Aktivitas (A) adalah banyaknya peluruhan yang terjadi di dalam inti persatuan waktu Karena A = -dN/dt maka A = N = Noe-t = Aoe- t ; yang berarti bahwa aktivitas juga menurun secara eksponensial terhadap waktu. Aktivitas memiliki satuan becquerel (Bq) dan curie (Ci) untuk aktivitas tinggi 1Ci=3,7x1010 Bq

Waktu paruh (t1/2) •

Waktu paruh (t1/2) didefinisikan sebagai interval waktu sehingga jumlah inti yang meluruh tinggal 50%. 1

 N o

2 ln

1 2

t 1 2



 t 

 N oe

  t  12



ln 2  

12

Tetapan peluruhan (λ) •



Nilai λ dihitung melalui waktu paruh t1/2.

Setelah meluruh selama t1/2, Jumlah inti menjadi ½ jumlah semula.   

ln 2

t 1 2

Review (I) N(t) = No e- t A = N = Aoe- t t (waktu paro) = ln(2) / •





Kita dapat menemukan waktu paruh t 1/2 jika kita bisa menunggu jumlah inti radioaktif (atau A) berkurang menjadi 50%. Kita dapata mendapatkan nilai

melalui N dan A.

Jika kita mengetahui nilai  atau waktu paruh T1/2, kita dapat menemukan nilai besaran lainnya.

Review (II) •

Jika waktu paruh besar, nilai menjadi kecil. Ini berarti bahwa jika isotop radioaktif habis dalam jangka waktu yang lama, aktivitasnya akan menjadi kecil; jika waktu paruh kecil, aktivitas akan bernilai tinggi tetapi hanya dalam waktu yang pendek ! .

Penentuan Umur Radiometrik •



Peluruhan nuklida radioaktif dengan waktu paruh yang diketahui memungkinkan seseorang untuk mengukur umur bendabenda yang berasal dari zaman dahulu kala (zaman purba) seperti bebatuan, fosil, artefak dll. Salah satu nuklida radioaktif yang digunakan adalah 14C.



Neutron yang berasal dari reaksi nuklir oleh radiasi kosmik berbenturan dengan inti 14N 14

1

 N 0 n

7







14 6

1

C 1 H 

Reaksi diatas menghasilkan 14C yang memiliki waktu paruh 5730 tahun. 14C yang masuk ke bumi bercampur dengan 12C yang stabil sebagai H 14CO3- yang terlarut di samudra, sebagai 14CO di atmosfer, dan dalam jaringan tumbuhan dan hewan. 2 Ketika tumbuhan dan hewan mati aktivitas spesifik 14C adalah 0,225 Bq g-1.





Contoh soal : Sebuah sampel perkakas kayu menunjukan aktivitas spesifik 14C sebesar 0,195 Bq g-1. Perkirakan umur perkakas tersebut! (diketahui aktivitas awal 14C adalah 0,225 Bq g-1).   

0,6931 5730 th

4

1

 1,21  10 th

 t 

 A   Aoe •

0,195 Bq g

1

1

(1,21104)t 

 0,225 Bq g e

 0,195    (1,2110 4 th1)t   0,225  t   2200 th

ln

Jadi perkakas kayu berasal dari pohon yang ditebang pada sekitar 2.200 tahun lalu

Peluruhan zat radioaktif  •

Peluruhan alpha



Peluruhan beta



Peluruhan gamma

Peluruhan Alpha •

Gaya kuat dari inti yang mengandung 210 nukleon hampir tidak dapat mengimbangi gaya tolak-menolak protonnya  partikel α (inti Helium) lepas dari inti  A  Z 



A 4

4

P Z   2  D 2 He

Reaksi diatas harus memenuhi hukum kekekalan energi sehingga  M  p c 2   M  D c 2  M  c 2  K  D  K  

Peluruhan Alpha •

Total energi yang dilepaskan dalam reaksi adalah

Q  ( M  p  M  D  M   )c 2

Q  K  D  K   •

Jika inti induk mula-mula dalam keadaan diam maka energi kinetik (Kα) dapat ditulis dalam hubungan   A  4  Q    A  

K    

Peluruhan Alpha •



Peluruhan alfa meruapakan salah satu dari peristiwa efek penerowongan (tunneling). Teori peluruhan alfa tidak bisa dijelaskan melalui fisika klasik.

Peluruhan Beta •



Terdapat dua jenis peluruhan β, yaitu peluruhan β- dan peluruhan β+. Partikel β- dan β+ tidak lain adalah elektron dan positron. Pada peluruhan β-, neutron dapat menjadi proton. 

n   p  e    •

 A  Z 

Pada peluruhan β+, proton dikonversi menjadi neutron. 

 p  n  e    •

P  Z A1 D  e    

 A  Z 

P  Z A1 D  e    

Reaksi yang menyaingi peluruhan β+ adalah proses tangkapan elektron. 

 p  e  n   



Dalam peluruhan beta negatif  terjadi perubahan neutron menjadi proton dan sebaliknya.



Spektrum yang dipancarkan pada peluruhan β

Peluruhan Beta •

Jika hukum kekekalan energi diterapkan pada reaksi peluruhan beta, dan inti induk dianggap diam, maka akan diperoleh persamaan  M  p c 2   M  D c 2  mec 2  K total Q  K total  ( M  p  M  D  me )c

2

Peluruhan Gamma •

Akibat peluruhan alfa dan beta, inti dapat berada pada suatu keadaan eksitasi dan mencapai keadaan dasar setelah memancarkan sinar  gamma inti 

Pemancaran beta yang diikuti pemancaran gamma dalam peluruhan 1227 Mg menjadi 1327 Al

Peluruhan Berantai *

 A



*

 B



    A

 Radioaktif      B

Radiasi yang dipancarkan memiliki energi berbeda

 a   b  Atotal  Aa

 Ab



 

 

 Aa



dN a dt  dN b dt 

 Ab 

 a N a



 b N b

Nilai Nb tergantung dari peluruhan Na (hasil peluruhan Na)

 Laju  peluruhan int i B*   Laju  peluruhan A*   Laju  peluruhan B*  a N a   b N  B  *

 a N a   b N  B  *

dN  B* dt 

 N  B t 

*

dN  B* dt 

  b N  B   a N oe  t  a

*

   a     t    t   N  B          N ae  e  a    b a

*

b

Latihan Soal a) Suatu unsur radioaktif 22Na dengan t1/2=3hari. Hitung cuplikan atom Na jika diinginkan aktivitasnya 100 Ci. b) Diberikan suatu reaksi peluruhan A → B → C, A radiaktif dengan t1/2 = 2,1 tahun, B radioaktif dengan t1/2 = 4,6 tahun dan C stabil. Jika atom A jumlah awalnya adalah A=1mol, tentukan banyaknya atom C setelah 3 jam.

Hukum-hukum Kekekalan •

Kajian tentang berbagai peluruhan radioaktif dan reaksi inti memperlihatkan bahwa alam tidak memilih secara sembarang hasil peluruhan dan reaksi yang terjadi, melainkan terdapat beberapa hukum tertentu (hukum kekekalan) yang membatasi suatu hasil yang mungkin terjadi.



Hukum-hukum kekekalan dalam peluruhan yaitu : Kekekalan momentum linear Kekekalan energi Kekekalan momentum sudut Kekekalan muatan listrik Kekekalan nomor massa

Hukum Kekekalan Energi •

Sebelum sampai pada pernyataan mengenai hukum ini, terlebih dahulu akan dibahas tentang gaya-gaya konservatif dan nonkonservatif yang bekerja pada partikel.

Gaya Konservatif  •



Gaya disebut konservatif  apabila usaha yang dilakukan sebuah partikel untuk memindahkannya dari satu tempat ke tempat lain tidak bergantung pada lintasannya. Usaha total yang dilakukan oleh gaya konservatif adalah nol apabila partikel bergerak sepanjang lintasan tertutup dan kembali lagi ke posisinya semula.

1 P 2



1 P 2



Contoh gaya-gaya yang bersifat konservatif  yaitu gaya pada pegas dan gaya gravitasi

Kekekalan Energi Mekanik •



Energi mekanik suatu sistem akan selalu konstan jika gaya yang melakukan usaha adanya adalah gaya konservatif. Penambahan (pengurangan) energi kinetik suatu sistem konservatif diimbangi dengan pengurangan (penambahan) energi potensialnya

K   U   0  E   K   U   tetap

Gaya nonkonservatif  •

Gaya disebut tak-konservatif apabila usaha yang dilakukan sebuah partikel untuk memindahkannya dari satu tempat ke tempat lain bergantung pada lintasannya.

W AB(sepanjang d )



W AB(sepanjang s )

W 1  W 2  ...  W n  K   Teorema usaha  energi

Dapat dikelompokan kembali sebagai K   W konservati  f   W gesek   W nonkonservatif 

W 

nonkonservatif 

0  K  

U U 

 K  U  U dalam

dalam

  perubahanenergi bentuk lain

Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapi tidak  dapat diciptakan dan dimusnahkan; energi total selalu konstan

Kekekalan energi Ada banyak bentuk energi. Dalam hal ini, kita hanya fokus pada dua jenis energi : 1. Energi kinetik (K) KE = ½ mv2 jika v jauh lebih kecil dari c (v 20 MeV

10 5

Proton selain proton terpental (recoil), energi > 2 MeV

5

Partikel-α, hasil belah inti berat

20

Dosis efektif  •



Hubungan antara peluang timbulnya efek biologi tertentu akibat penerimaan dosis ekuivalen pada suatu jaringan juga bergantung pada organ atau jaringan yang terkena radiasi. Untuk menunjukan keefektifan radiasi dalam menimbulkan efek tertentu pada suatu jaringan biologis diperlukan besaran baru  Dosis efektif  Dosis efektif = Dosis ekuivalen x faktor bobot organ



Nilai faktor bobot untuk berbagai jaringan yaitu sebagai berikut : Jenis jaringan/organ

WT (faktor bobot  jaringan

Gonad

0,20

Sumsum merah tulang

0,12

Usus besar

0,12

Parau-paru

0,12

Lambung

0,12

Bladder

0,05

Payudara

0,05

Hati

0,05

Esophagus

0,05

Tiroid

0,05

Kulit

0,01

Permukaan tulang

0,01

Organ sisa

0,05

Kerusakan Sel Akibat Radiasi •

Kerusakan sel manusia dapat disebabkan oleh terpapar atau terkena senyawa kimia tertentu, terpapar oleh panas, terpapar oleh sinar tertentu, terpapar oleh radiasi nuklir dsb.

Kerusakan sel

Kerusakan Sel Akibat Radiasi Nuklir •

Tahap-tahap kerusakan sel yang dilalui berupa :

↓kerusakan karena ionisasi ↓kerusakan karena proses kimia fisika ↓kerusakan karena proses biokimia, dan ↓kerusakan karena proses biologis.

Kerusakan karena ionisasi •



Sel sebagian besar terdiri atas air, maka ketika radiasi pengion mengenai sel akan terjadi ionisasi. Air dalam sel akan terurai menjadi ion positif H 2O+ dan e- yang bermuatan negatif. Ion-ion yang terjadi bersifat reaktif dan menyerang molekul air lainnya dan akan terjadi proses ionisasis sekunder

H2O + radiasi → H2O+ + e-

Kerusakan karena proses kimia fisika •

Selain terbentuk ion-ion, pada proses kimia fisika terbentuk radikal bebas, yaitu OH* dan H*. H2O+ H2O H2O





+ e+

→ → →

H+ H2OOH-

+ OH* + H*

Radikal bebas ini akan saling bereaksi membentuk H 2O2. OH* + OH* → H2O2 H2O2 adalah peroksida yang bersifat oksidator kuat sehingga akan mudah menyerang molekul lain.

Kerusakan Karena Proses Biokimia •



Dalam tahap kerusakan ini, radikal bebas dan peroksida akan menyerang molekul organik sel, selain itu juga akan menyerang inti sel yang terdiri atas kromosom-kromosom. Molekul-molekul penting yang diserang oleh radikal bebas dan peroksida antara lain adalah molekul protein, enzim, lemak, karbohidrat, DNA, dan kromosom.

Kerusakan Karena Proses Biologis •

Kerusakan karena proses biologis dapat berorde dalam beberapa puluh menit sampai yang berorde beberapa puluh tahun. Hal ini tergantung pada tingkat kerusakan sel akibat proses-proses sebelumnya. Kerusakan sel dapat mengakibatkan : 1.

Kematian sel secara langsung karena radiasi yang sangat kuat.

2.

Pembelahan sel jadi terhambat atau tertunda.

3.

Terjadi perubahan permanen pada sel anak setelah terjadi pembelahan sel induk.

Efek Biologi Dari Radiasi •





Efek biologis yang merugikan dari radiasi dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu efek stokastik dan efek deterministik. Efek stokastik adalah apabila peluang terjadinya suatu akibat tidak memerlukan dosis ambang. Efek stokastik muncul stelah melalui masa tenang yang lama. Efek deterministik adalah efek yang tingkat keparahannya bergantung pada dosis dan pemunculan pertamanya memerlukan dosis ambang. Efek deterministik umumnya timbul tidak begitu lama setelah radiasi.



Untuk mengurangi akibat deterministik diperlukan adanya nilai batas dosis bagi setiap jaringan tubuh. Ingat juga pedoman ALARA ! Dosis ambang Jaringan dan akibatnya Testis : Mandul sementara Mandul permanen Ovarium : Kemandulan Lensa mata : Penglihatan kabur Kerusakan penglihatan Sumsum tulang: Penekanan produksi sel-sel darah

Penyinaran tunggal a (Sv)

Penyinaran berulang b (Sv)

Penyinaran berulang pertahun c (Sv/tahun)

0,15 3,5-6,0

*) *)

0,4 2,0

2,5-6,0

6,0

> 0,2

0,5-2,0 5,0

5,0 > 8,0

> 0,1 > 0,15

0,5

*)

>0,4

Keterangan : a dosis tara total yang diterima pada penyinaran tunggal singkat b dosis ekuivalen total yang diterima pada penyinaran berulang atau kronik c laju dosis tahunan apabila penyinaran berulang diterima stiap tahun, atau penyinaran kronik berlangsung selama beberapa tahun *) tidak berlaku karena dosis ambang untuk efek tersebut lebih bergantung pada laju dosis daripada dosis total.

Latihan Soal •

Sebuah tumor terdapat di dalam tubuh di bawah otot dengan berat 100 gr, berada di ketebalan 8 cm, dosis serapnya 250 Rad = 2,5 Gy. Berapakah sinar gamma yang harus menumbuk tumor tersebut, jika dosis diberikan 1 menit dan berapa aktivitasnya?

REAKSI-REAKSI INTI •

Reaksi-reaksi inti ditunjukan dalam bentuk persamaan : Proyektil + Inti target



Inti residu+ Partikel terdeteksi

Partikel penembak inti target (proyektil) dapat berupa partikel bermuatan yang dipasok oleh akselerator, partikel neutron yang bersumber dari reaktor inti, atau berupa partikel afa dan lain sebagainya.

Klasifikasi Reaksi Inti •



Ketika mengenai sasaran, proyektil dapat memperoleh nukleon dari atau melepas elektron ke, inti sasaran  Reaksi pengambilan dan reaksi pelepasan Contoh : Reaksi pengambilan

Reaksi pelepasan

Reaksi Yang Dipengaruhi Partikel Alfa •



Hasil reaksi inti menggunakan proyektil tertentu tergantun pada energi proyektil yang digunakan. Begitu pula proyektil berupa partikel alfa yang berenergi kinetik tinggi (0,5 < Eα < 10 MeV) dapat terjadi rekasi (α,n), (α,p), (α, α) dan (α,γ). Sedangkan energi α yang sangat tinggi (E >10 MeV) menghasilkan reaksi berupa (α,2n), (α,p), (α,np), (α,2p), (α,d), (α,5n) bahkan (α,p2n).

Reaksi Yang Dipengaruhi Deutrium •





Reaksi inti dengan deutron pada umumny adalah  jenis reaksi pelucutan, yaitu salah satu nukelon penyusun proyektil masuk kedalam inti sasaran dan nukleon sisanya akan lepas sebagai ejektil. Deutron berenergi rendah menghasilkan rekasi (d,p) dan deutron berenergi tinggi (0,5 < Ed < 10 MeV) dapat memberikan reaksi berupa (d,2n), (d,α). Adapun deutron berenergi sangat tinggi, selain rekasi-reaksi diatas terjadi pula reaksi (d,pn), (d,3n), (d,p6n), dsb.



Diberikan suatu reaksi nuklir sebagai berikut :  H 63Cu  n64 Zn

2

a. Hitung Q dari reaksi tersebut

b. Hitung energi kinetik 64Zn

Reaksi Yang Dipengaruhi Neutron •



Interaksi neutron dengan inti, dapat menghasilkan hamburan elastik, hamburan takelastik atau penangkapan neutron, tergantung pada energi neutron proyektil. Reaksi yang terjadi dengan neutron termal, dapat meningkatkan energi sasaran sekitar 8 MeV dan secara umum tidak cukup untuk melepaskan partikel dalam inti reaksi sehingga terjadi penangkapan neutron.  A  Z 

A 1  Z 

 X (n,  )  X 





Reaksi dengan neutron sedang menghasilkan inti majemuk yang memiliki energi cukup untuk mengatasi energi pengikat nukleon dalam inti sasaran, sehingga dapat terjadi pelepasan suatu partikel (proton, deutron atau partikel alfa). Reaksi ini menghasilkan perubahan nomor atom dari unsur sasaran menjadi unsur hasil reaksi dan disebut sebagai reaksi transmutasi. Contoh : 14N(n,p)14C





Pada reaksi dengan neutron cepat, neutron berenergi kinetik sampai 10 MeV dapat memberikan energi tambahan pada inti sasaran samapai 18 MeV. Maka dapat dilepaskan lebih dari satu partikel. Contohnya adalah 238U(n,2n)237U. Reaksi dengan neutron berenergi > 20 MeV (neutron relativitas) menyebabkan semakin banyak nukleon yang dilepaskan dari inti sasaran, sehingga memungkinkan terjadinya reaksi (n,3n), reaksi (n,2n) dan sebagainya yang disebut sebagai reaksi spallasi.

Reaksi Yang Dipengaruhi Sinar Gamma •





Disintegrasi inti yang dipengaruhi oleh sinar gamma terjadi ketika foton yang diserap memiliki energi hf lebih besar daripada energi yang dibutuhkan untuk memisahkan partikel (proton, neutron, partikel alfa). Ketika kondisi tersebut dipenuhi, suatu reaksi (γ,p), (γ,n), atau (γ,α) bisa diamati. Proses tersebut juga dinamakan  photodisintegration.



Contoh reaksi fotodisintegrasi yang paling sederhana adalah reaksi deutron yang diinduksi oleh sinar gamma

    d    p  n •

Contoh reaksi lainnya yaitu :   

 Be   He   He  n

9 4

4 2

4 2

Sistem Laboratorium Dan Pusat Massa •



Reaksi-reaksi nuklir dalam suatu eksperimen biasanya dianalisis menggunakan sistem pusat massa. Sistem ini bergerak pada kecepatan konstan terhadap sistem laboratorium sedemikian rupa sehingga dalam sistem ini partikel yang menumbuk dalamnya (dan partikel-partikel akhir) memiliki total momentum nol.

Konsep Pusat Massa Sistem Partikel •

Ketika benda berotasi dan bergetar, ada satu titik pada benda yang bergerak serupa dengan gerak sebuah partikel bila dikenai gaya luar yang sama; titik itu adalah pusat massa. r pm 

1

  M 

miri

 rpm 

1

rdm   M 

Gerak Pusat Massa •

Tinjaulah gerak sekumpulan partikel yang massanya m1, m2, m3,…mn.  M r pm  m1r1  m2r2  ...  mnrn Diturunkan terhadap waktu

 M v pm  m1v1  m2v2  ...  mn vn





Massa total kelompok partikel dikalikan dengan percepatan pusat-massanya sama dengan jumlah vektor semua gaya yang bekerja pada kelompok partikel tersebut. Pusat massa suatu sistem partikel bergerak seolaholah dengan seluruh massa sistem dipusatkan di pusat massa itu dan semua gaya luar bekerja dititik itu.

 M a pm  m1a1  m2a2  ... mnan  M a pm  F1  F2  ......Fn

 M a pm

 Feks

Transmutasi inti •

Transmutasi inti adalah tranformasi inti atom yang satu menjadi inti yang lain dengan membombardir inti oleh partikel. Contohnya adalah plutonium dihasilkan melalui penembakan neutron pada uranium

Reaksi-reaksi nuklir energik •

Dalam reaksi nuklir energi dapat diserap dan dilepaskan



Reaksi dikatakan melepaskan energi Ksesudah > Ksebelum.



Jumlah energi yang dilepaskan diukur dengan nilai Q  Q ≈ Ksesudah - Ksebelum



Karena E = Eo + K, maka Q ≈ Eosebelum - Eosesudah

Jika Q > 0  eksotermis Jika Q < 0  endotermis Jika Q=0  tumbukan elastis

Penampang Melintang Nuklir •



Penampang melintang σ, adalah besaran yang mengukur probabilitas terjadinya reaksi inti di suatu area material target. Nilai σ ditentukan melalui rumus : Jumlah reaksi per detik per nukleus

σ= Satuan yang diberikan untuk σ adalah barn. 1 barn = 10-28 m2. Jumlah proyektil yang datang per detik per area





Jika sejumlah inti sasaran per satuan volume di dalam material adalah n, jumlah Nsc partikel yang terhambur ketika berkas proyektil No datang pada material dengan ketebalan T adalah

 N sc   N o (1  e •



 n T 

)

Penampang melintang akan berlainan untuk jenis reaksi yang berbeda, dan untuk reaksi tertentu penampang akan bervariasi terhadap energi partikel yang diberondongkan. Untuk reaksi endotermis, penampang melintang akan nol jika energinya berada di bawah nilai ambang.

Pembentukan Radioisotop •

Berapa aktivitas isotop Y yang dihasilkan dari penyinaran inti X oleh proyektil x untuk selang waktu tertentu t?

 X ( x,  y)Y  atau  x   X    y  Y  Laju jumlah proyektikl per satuan luas dan waktu

Aktivitas isotop yang dihasilkan

m  R     N  A  M 





 A(t )   R 1  (1   t   ...)

 A(t )   R t   (t   t 1 2)



Tiga puluh miligram emas disinari dengan fluks neutron 3,0 x 1012 neutron/cm2/s selama satu menit. Penampang penangkapan neuturon dari emas adalah 99 barn. Hitung aktivitas 198Au yang dihasilkan!

Alat-alat Untuk Penelitian Reaksi Nuklir •

Partikel penembak (proyektil) dipasok oleh suatu akselerator inti yang memadai. Ada banyak jenis akselerator yang digunakan dalam reaksi nuklir, salah satunya adalah siklotron (Cyclotron).

Siklotron

Reaksi Fisi •



Inti atom berat, seperti Uranium dipecah melalui penembakan neutron sehingga dihasilkan fragmen inti yg lebih kecil, & dibebaskan energi yg sangat besar. Massa total hasil pembelahan lebih kecil dari massa original inti berat.

Fisi Uranium •

Reaksi fisi Uranium melalui penembakan neutron berenergi rendah diberikan sebagai berikut: 1 0

236 *    X   Y   neutrons n  235 U  U  92 92

Fragmen Waktu hidup 10-12 s

Fisi Uranium •





Sekitar 90 inti anakan dihasilkan. Beberapa neutron juga dihasilkan selama proses fisi Contoh: 1 0



n

U   Ba 

235 92

141 56

92 36

Kr  3 n 1 0

Fragmen fisi dan semua neutron yang dihasilkan memiliki energi kinetik yang besar selama terjadi reaksi.

Reaksi Berantai •





Beberapa neutron dihasilkan ketika fisi 235U berlangsung. Neutron-neutron tersebut selanjutnya dapat memicu terjadinya fisi pada inti yang lain. Proses seperti itu disebut reaksi berantai   –

 –

Reaksi berantai yang tidak terkontrol menyebabkan terjadinya ledakan dahsyat. Bom Nuklir, dimana 1 kg of U bisa mengeluarkan energi yang besarnya setara dengan energi sekitar 20 000 ton TNT

Reaksi Berantai

Distribusi massa pecahan 235U



Berapa energi 1 gram Uranium?

Reaktor Fisi

Reaksi Fusi •



Fusi merupakan reaksi penggabungan dua atom hidrogen membentuk atom helium. Contohnya adalah penggabungan deutrium dan tritium menghasilkan atom helium dan neutron. Dari proses fusi ini akan dibebaskan sejumlah energi.





Dalam reaksi fusi atom hidrogen dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi sehingga terionisasi dan memiliki cukup energi untuk bergabung. Wadah reaksi fusi yang dapat menahan tekanan dan suhu sangat tinggi ??  tantangan ilmuwan.

View more...

Comments

Copyright ©2017 KUPDF Inc.
SUPPORT KUPDF