FISIKA INTI FISIKA INTI

Radioaktivitas Radioaktivitas

Ikwan Wahyudi

KOMPETENSI DASAR

3.10 Menganalisis karakteristik inti atom, radioaktivitas, pemanfaatan, dampak,

dan proteksinya dalam kehidupan sehari-hari

4.10 Menyajikan laporan tentang sumber radioaktif, radioaktivitas, pemanfaatan,

dampak, dan proteksinya bagi kehidupan

POKOK BAHASAN

Inti Atom

Struktur dan penyusun inti atom

Massa atom

Gaya ikat inti

Energi ikat inti dan stabilitas inti

Ukuran dan bentuk inti

Radioaktivitas

Jenis-jenis sinar radioaktif

Peluruhan radioaktif

Deret dan aktivitas radioaktif

Waktu paruh

Reaksi Inti

Energi reaksi

Reaksi fisi dan fusi

Pemanfaatan radioisotop

INTI ATOM INTI ATOM

Struktur dan Penyusun Inti Atom

Inti atom merupakan partikel yang memiliki massa dan bermuatan positif

Konsep awal adanya inti atom dimulai dari:

1911 Rutherford – eksperimen lempeng emas (hamburan Rutherford)

menembak partikel alfa pada lempeng emas yang diamati, hasilnya ada partikel alfa

yang dihamburkan pendapatnya: muatan positif atom dikonsentrasikan di pusat

atom sebagai inti atom.

Niels Bohr mengembangkan struktur atom “atom tersusun atas inti atom dan

elektron yang mengelilingi inti atom pada kulit-kulit atom.”

Pada tahun 1920, muatan listrik positif pada inti atom hidrogen, oleh Goldstain

partikel bermuatan listrik positif ini selanjunya disebut proton.

Pada tahun 1932, James Chadwick menemukan neutron dari hasil percobaannya,

yaitu menemukan partikel alfa pada keping berilium. Neutron ini berupa partikel

yang ada di inti atom tetapi tidak bermuatan

INTI ATOM terdiri atas: proton dan neutron

Proton dan neutron selanjutnya disebut nukleon

atau nuklida

Setiap atom dapat diidentifikasi berdasarkan jumlah proton dan neutron yang

dikandungnya. Secara umum sebuah inti atom dinotasikan:

X : Nama unsur atom

A : Nomor massa

Z : Nomor atom

Nomor atom (Z) : Jumlah proton dalam inti setiap atom suatu unsur (pada

atom netral, jumlah proton = jumlah elektron, sehingga nomor atom juga

menandakan jumlah elektron yang ada dalam atom)

Nomor massa (A) : Jumlah total proton dan neutron yang ada dalam inti atom

suatu unsur

Gambar struktur inti atom:

Contoh:

Maka: Nomor atom : 17

Nomor massa : 35

Jumlah proton : 17

Jumlah elektron : 17

Jumlah neutron : A – Z = 35 – 17 = 18

Sebuah atom memiliki tiga komponen dasar yang sangat penting, yaitu elektron,

proton, dan neutron. Tabel massa dan muatan sub-atom

MASSA ATOM

Massa atom berhubungan erat dengan jumlah proton, elektron, dan neutron.

Berdasarkan perjanjian internasional, atom karbon-12 dipakai sebagai standar,

sehingga:

“satu satuan massa atom (1 sma) didefinisikan sebagai suatu massa yang

besarnya tepat sama dengan seperduabelas (𝟏

𝟏𝟐) massa dari satu atom

karbon-12”

Massa atom karbon-12 = 1 sma, maka

Satuan massa atom juga dapat dinyatakan berdasarkan prinsip kesetaraan massa

dan energi yang dikemukakan oleh Einstein.

GAYA IKAT INTI

Inti atom dipengaruhi oleh adanya 3 gaya.

Gaya pertama: Gaya elektrostatis (gaya tolak menolak antar proton dengan proton)

Gaya kedua: Gaya gravitasi (gaya tarik menarik antarmassa nukleon)

Gaya ketiga: Gaya ikat inti (gaya yang mengikat antarnukleon)

Besarnya gaya ikat inti lebih besar dibandingkan gaya elektrostatis dan gaya gravitasi.

Interaksi antara gaya elektrostatis dan gaya gravitasi saling mengabaikan (meniadakan)

Sifat gaya ikat inti: sangat kuat, jangkauannya sangat pendek, tidak bergantung jenis

nukleon, tidak bergantung pada muatan listrik nukleon.

Gaya ikat inti bersifat jenuh, yakni setiap nukleon hanya tarik menarik dengan

nukleon di sekitarnya

Gaya ikat inti bekerja pada jarak yang sangat dekat sampai dengan jarak pada diameter

inti atom (10-15 m).

ENERGI IKAT INTI

Hubungan antara massa inti atom dengan energi ikat inti dapat dijelaskan dengan

teori yang dikemukakan oleh Albert Einstein yang menyatakan hubungan antara

massa dan energi.

Persamaan matematis hubungan antara massa dan energi adalah

E = mc2

Dimana, E adalah energi yang timbul apabila sejumlah m (massa) benda berubah

menjadi energi dan c adalah cepat rambat gelombang cahaya.

Energi ikat inti menyebabkan nukleon dapat bersatu dalam inti atom. Energi ini

berasal dari penyusutan massa inti yang berubah menjadi energi.

Energi ikat inti dapat diketahui jika besarnya defek massa diketahui.

ENERGI IKAT INTI

Inti atom tersusun dari proton dan neutron, sehingga massa inti seharusnya sama

dengan jumlah total massa nukleon-nukleonnya.

Kenyataannya, massa inti selalu lebih kecil daripada total massa nukleon-

nukelonnya.

Ada massa yang hilang atau menyusut, disebut dengan DEFEK MASSA

Defek massa menunjukkan selisih antara massa diam sebuah inti atom dan jumlah

seluruh massa diam masing-masing nukleonnya dalam keadaan tak terikat.

Defek massa adalah kesetaraan massa energi ikat

berdasarkan persamaan massa-energi

Menurut hukum kesetaraan massa dan energi, defek massa dinyatakan:

∆𝑚 = 𝑍. 𝑚𝑝 + 𝐴 − 𝑍 . 𝑚𝑛 − 𝑚𝑖

Dengan:

Δm : defek massa mp : massa proton

Z : nomor atom mn : massa neutron

A : nomor massa mi : massa inti

Defek massa atau susut massa timbul karena untuk menyusun inti diperlukan energi yang

mengikat semua nukleon, yang disebut energi ikat (binding energy), yang

diperoleh dari massa inti. Berdasarkan teori relativitas Einstein maka:

𝐸 = ∆𝑚𝑐2

Menurut hasil pengukuran yang teliti jika massa 1 sma berubah menjadi energi setara

dengan energi sebesar 931 MeV (Mega elektron volt) atau 1 sma = 931 MeV, sehingga

besarnya energi ikat inti dapat dinyatakan :

• Kestabilan (stabilitas) inti atom tidak dapat selalu digambarkan dengan energi ikat

inti.

• Inti atom yang memiliki jumlah nukleon banyak, energi ikatnya juga akan besar,

namun belum tentu inti itu stabil.

• Umumnya, inti atom yang memiliki jumlah neutron lebih banyak mempunyai

tingkat kestabilan inti yang lebih rendah.

• Karena itu, besarnya energi yang berhubungan langsung dengan stabilitas inti

adalah energi ikat per nukleon yang besarnya dapat dihitung melalui persamaan:

ENERGI IKAT INTI

• Grafik tersebut memperlihatkan grafik energi ikat per nukleon

terhadap banyaknya nukleon dalam berbagai inti atomik. Pada

grafik itu energi ikat terbesar adalah 8,8 MeV yaitu pada inti

atom besi (26Fe56). Lebih besar energi ikat penukleonnya, maka

lebih mantap inti itu.

ENERGI IKAT INTI

• Eksperimen hamburan Rutherford membuktikan bahwa inti mempunyai ukuran

dan bentuk.

• Volume inti berbagai atom mempunyai nilai yang berbanding lurus dengan

banyaknya nukleon yang dikandungnya

• Inti atom tidak memiliki bentuk permukaan yang jelas.

• Inti atom tetap punya jari-jari rata-rata.

• Jari-jari inti dirumuskan secara empiris sebagai suatu pendekatan, yaitu:

• Kerapatan inti mempunyai nilai konstan di bagian dalam inti (dengan asumsi

berbentuk bola)

UKURAN DAN BENTUK INTI

RADIOAKTIVITAS RADIOAKTIVITAS

PENDAHULUAN

Inti atom dengan nomor massa besar memiliki energi ikat inti yang relatif lebih

kecil dibandingkan dengan inti atom dengan nomor massa menengah.

Inti atom bernomor massa besar seperti U-235, cenderung tidak stabil sehingga

memancarkan energi dalam bentuk sinar radiaoaktif.

Pengamatan aktivitas inti dimulai dari Henry Becquerel menyelidiki tentang

gejala fosforensi dan fluorensi. Fosforensi = peristiwa berpendarnya zat setelah

cahaya yang menyinari zat tersebut dihentikan. Fluorensi = peristiwa berpendarnya

zat pada saat zat tersebut mendapatkan cahaya.

Hasil penelitian: Unsur U selalu memancarkan sinar radiasi walaupun disimpan di

tempat gelap

Piere Curie dan Marie Curie menyelidiki sinar radiasi yang

berasal dari inti atom, yang kemudian menemukan dua unsur

yang selalu memancarkan sinar radiasi yang kemudian

dinamakan Polonium dan Radium.

RADIOAKTIVITAS

Radioaktivitas disebut juga peluruhan radioaktif, yaitu peristiwa terurainya

beberapa inti atom tertentu secara spontan yang diikuti dengan pancaran sinar

radioaktif seperti partikel alfa (inti helium), partikel beta (elektron), atau radiasi

gamma (gelombang elektromagnetik gelombang pendek).

Inti atom yang tidak stabil selalu memancarkan secara spontan sinar radioaktif,

sehingga akhirnya akan diperoleh inti atom yang stabil.

Sinar-sinar yang dipancarkan dalam radioaktivitas disebut dengan sinar radioaktif

Unsur yang selalu memancarkan sinar radioaktif disebut dengan unsur (isotop)

radioaktif).

SINAR RADIOAKTIF

Isotop radioaktif yang mampu memancarkan sinar radioaktif yakni unsur dengan

nomor massa besar (lebih dari 200).

Pemancaran sinar radioaktif dibedakan menjadi 3, yaitu sinar α, β, dan γ

Sinar α dan β ditemukan oleh Ernest Rutherford, sedangkan sinar γ ditemukan

oleh Paul Ulrich Villard

SINAR ALFA (α)

Sinar alfa terdiri atas dua proton dan dua neutron.

Sinar alfa merupakan inti He.

Dapat menghitamkan pelat film (yang berarti memiliki daya ionisasi). Daya

ionisasi sinar alfa paling kuat daripada sinar beta dan gamma.

Mempunyai daya tembus paling lemah di antara ketiga sinar radioaktif

Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.

Mempunyai jangkauan beberapa sentimeter di udara dan 102 mm di

dalam logam.

SINAR BETA (β)

• Sinar beta merupakan elektron berenergi tinggi yang berasal dari inti atom.

• Mempunyai daya ionisasi yang lebih kecil dari sinar alfa.

• Mempunyai daya tembus yang lebih besar daripada sinar alfa.

• Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.

SINAR GAMMA (γ)

• Sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik yang terpancar dari inti

atom dengan energi yang sangat tinggi yang tidak memiliki massa maupun muatan.

• Peluruhan sinar gamma tidak menyebabkan perubahan nomor atom maupun massa

atom.

• Sinar gamma tidak memiliki jangkauan maksimal di udara, semakin jauh dari

sumber intensitasnya makin kecil.

• Mempunyai daya ionisasi paling lemah.

• Mempunyai daya tembus yang terbesar.

• Tidak membelok dalam medan listrik maupun medan magnet.

PELURUHAN RADIOAKTIF

Pemancaran sinar radioaktif akan menyebabkan terjadinya perubahan nukleon pada

inti atom sehingga inti atom akan berubah menjadi inti atom yang lain.

Inti atom sebelum terjadi peluruhan disebut inti induk dan inti atom yang terjadi

setelah peluruhan disebut inti anak.

Jika inti anak yang terbentuk masih bersifat radioaktif, akan secara spontan

meluruh sehingga akhirnya akan diperoleh inti yang stabil.

PELURUHAN SINAR ALFA

Pada peluruhan alfa terjadi pembebasan energi. Energi ini akan menjadi energi

kinetik partikel alfa dan inti anak.

Inti anak yang dihasilkan memiliki energi ikat per nukleon (En) lebih tinggi

daripada inti induk

Suatu inti atom radioaktif yang memancarkan sinar alfa akan menyebabkan nomor

atom inti induk berkurang 2 dan nomor massa induk berkurang 4.

Contoh peluruhan alfa:

PELURUHAN SINAR BETA

• Jika inti radioaktif memancarkan sinar beta, maka nomor massa inti tetap, tetapi

nomor atom berubah.

• Peluruhan beta akan menambah atau mengurangi nomor atom sebesar 1 dan nomor

massa tetap

• Bentuk peluruhan beta adalah peluruhan neutron (menjadi: proton, elektron, dan

antineutrino) dan peluruhan proton (menjadi: neutron, positron, neutrino)

• Tujuan peluruhan sinar beta: agar perbandingan proton-neutron dalam inti atom

menjadi seimbang, sehingga tetap stabil

PELURUHAN SINAR GAMMA

Suatu inti atom yang berada dalam keadaan tereksitasi dapat kembali ke keadaan

dasar (ground state) yang lebih stabil dengan memancarkan sinar gamma

Atom tereksitasi terjadi pada atom yang memancarkan sinar alfa atau sinar beta.

Pemancaran sinar gamma biasanya menyertai pemancaran sinar alfa atau sinar beta.

Peluruhan sinar gamma hanya mengurangi energi saja tanpa mengubah susunan

inti.

Persamaan peluruhan sinar gamma

DERET RADIOAKTIF

Deret radioaktif merupakan deret nuklida radioaktif.

Suatu unsur radioaktif (isotop radioaktif) selalu meluruh sehingga terbentuk unsur

yang baru. Unsur yang terbentuk masih juga besifat radioaktif sehingga akan

meluruh, demikian terus akan terjadi sehingga akhirnya akan diperoleh hasil akhir

terbentuk inti atom yang stabil/mantap.

Dari hasil inti-inti yang terbentuk yang bersifat radioaktif sampai diperoleh inti

atom yang stabil/mantap, ternyata serangkaian inti-inti atom yang terjadi

memiliki nomor massa yang membentuk suatu deret.

Karena dalam peluruhan radioaktif hanya pemancaran sinar alfa yang menyebabkan

terjadinya perubahan nomor massa inti, maka unsur radioaktif dalam peluruhannya

dapat digolongkan dalam 4 macam deret yaitu deret Thorium (4n), deret Neptonium

(4n + 1), deret Uranium (4n + 2) dan deret Aktinium (4n + 3).

AKTIVITAS INTI RADIOAKTIF

Inti radioaktif adalah inti atom yang tidak stabil dan secara spontan memancarkan

sinar radioaktif, akibatnya jumlah inti makin lama akan semakin berkurang

(meluruh)

Aktivitas radioaktif dapat didefinisikan sebagai laju perubahan inti atom (jumlah

inti atom) radioaktif yang meluruh per satuan waktu.

Aktivitas inti dipengaruhi oleh banyaknya inti atom radioaktif (hubungannya

sebanding), tidak dipengaruhi oleh faktor luar seperti tekanan dan suhu.

Aktivitas inti dapat dinyatakan dengan:

Dari persamaan di atas dapat dituliskan lagi menjadi:

SATUAN RADIOAKTIVITAS

• Satuan radiasi ini merupakan satuan pengukuran yang digunakan untuk

menyatakan aktivitas suatu radionuklida dan dosis radiasi ionisasi.

• Satuan SI untuk radioaktivitas adalah becquerel (Bq), merupakan aktivitas

sebuah radionuklida yang meluruh dengan laju rata-rata satu transisi nuklir

spontan per sekon.

• Jadi, 1 Bq = 1 peluruhan/sekon

• Satuan yang lama adalah curie (Ci), di mana 1 curie setara dengan 3,70 × 1010

Bq, atau 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq atau 1 Ci = 3,7 × 1010 peluruhan/sekon

WAKTU PARUH

• Waktu paruh adalah waktu yag diperlukan oleh zat radioaktif untuk berkurang

menjadi separuh (setengah) dari jumlah semula.

• Dengan mengetahui waktu paruh suatu unsur radioaktif, dapat ditentukan jumlah

unsur yang masih tersisa setelah selang waktu tertentu.

• Hubungan antara waktu paruh dengan tetapan peluruhan dapat ditentukan dari

persamaan

• untuk t = T½ (waktu paruh) maka N = ½ No sehingga:

• Hubungan antara inti atom yang tinggal dibandingkan dengan jumlah inti atom

radioaktif mula-mula dapat dituliskan

» Hubungan antara banyaknya inti

» yang masih radioaktif dengan waktu

» peluruhan dapat dinyatakan pada

gambar disamping. Pada gambar

terlihat bahwa kurva yang dihasilkan

sebagai fungsi eksponensial.

REAKSI INTI REAKSI INTI

REAKSI INTI

• Reaksi inti merupakan peristiwa perubahan suatu inti atom sehingga berubah

menjadi inti atom lain dengan disertai munculnya energi yang sangat besar.

• Reaksi inti sangat berbeda dengan reaksi kimia, karena pada dasarnya reaksi inti

ini terjadi karena tumbukan (penembakan) inti sasaran (target) dengan suatu

proyektil (peluru).

• Peluru dapat berupa partikel proton atau neutron yang berenergi ditembakkan

pada inti target sehingga setelah reaksi terjadi akan terbentuk inti atom yang baru

disertai terbentuknya partikel yang baru.

• Target dapat merupakan inti atom yang stabil, sehingga setelah terjadi reaksi

menyebabkan inti atom menjadi inti yang tidak stabil yang kemudian disebut

isotop radioaktif.

• Pada reaksi inti berlaku hukum:

a. kekekalan momentum linier dan momentum sudut,

b. kekekalan energi,

c. kekekalan jumlah muatan (nomor atom),

d. kekekalan jumlah nukleon (nomor massa).

• momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti-inti sebelum reaksi harus

sama dengan momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti-inti setelah

reaksi.

ENERGI REAKSI INTI

• Energi ini timbul akibat perbedaan jumlah massa inti atom sebelum reaksi dengan

jumlah massa inti atom sesudah reaksi.

• Misalnya suatu reaksi inti dinyatakan dengan persamaan berikut:

• Maka besarnya energi yang timbul dapat dicari dengan persamaan:

• jika diperoleh Q > 0, maka reaksinya dinamakan reaksi eksoterm yaitu selama

reaksi berlangsung dilepaskan energi sedangkan jika Q < 0, maka reaksinya

dinamakan reaksi indoterm yaitu selama reaksi berlangsung diperlukan energi.

REAKSI FISI

• Reaksi fisi yaitu reaksi pembelahan inti atom berat menjadi dua

inti atom lain yang lebih ringan dengan disertai timbulnya energi

yang sangat besar.

• Dalam reaksi fisi sebuah neutron dipergunakan untuk membelah

sebuah inti yang besar.

• Pada suatu pusat reaktor nuklir, reaksi fisi dapat dimanfaatkan

sebagai pusat pembangkit tenaga listrik, karena reaksinya bisa

dikendalikan. Sebaliknya, reaksi fisi yang tidak terkendali akan

menghasilkan ledakan energi, seperti pada bom atom.

REAKSI FUSI

• Reaksi fusi yaitu reaksi penggabungan dua inti atom ringan menjadi inti atom lain

yang lebih berat dengan melepaskan energi. Misalnya penggabungan deutron

dengan deutron menghasilkan triton dan proton serta dibebaskannya energi.

• Dalam reaksi fusi nuklir, dua inti yang bereaksi harus saling bertumbukan. Karena

kedua inti bermuatan positif, maka timbul gaya tolak yang kuat antarinti, yang

hanya dapat dilawan bila inti yang bereaksi memiliki energi kinetik yang sangat

besar.

TERIMA KASIH TERIMA KASIH