DASAR ilmu FISIKA RADIASI.pdf

Dasar Fisika Radiasi

(Hendriyanto Haditjahyono)

Daftar Isi

I. Pendahuluan...................................................................... 2

II. Struktur Atom dan Inti Atom............................................ 4

II.1 Struktur Atom..................................................................................... 5II.2 Inti Atom............................................................................................. 8

III. Peluruhan Radioaktif....................................................... 13

III.1 Jenis Peluruhan................................................................................ 13III.2 Aktivitas Radiasi.............................................................................. 17III.3 Waktu Paro ...................................................................................... 19III.4 Aktivitas Jenis.................................................................................. 20III.5 Skema Peluruhan............................................................................. 20

IV. Interaksi Radiasi dengan Materi ..................................... 22

IV.1 Interaksi Radiasi Partikel Bermuatan.............................................. 22IV.2 Interaksi Sinar Gamma dan Sinar-X................................................ 25IV.3 Interaksi Radiasi Neutron................................................................ 31

V. Sumber Radiasi................................................................ 34

V.1 Sumber Radiasi Alam....................................................................... 34V.2 Sumber Radiasi Buatan..................................................................... 36

DAFTAR PUSTAKA............................................................... 43

Dasar Fisika Radiasi Halaman 2

I. Pendahuluan

Latar Belakang

Materi fisika radiasi ini membahas konsep fisika yang mendasari fenomena

fisis terjadinya radiasi nuklir dan proses interaksinya bila mengenai materi.

Materi ini perlu dikuasai oleh peserta diklat sebelum membahas materi

proteksi radiasi lainnya.

Materi ini diberikan secara sederhana, dengan pendekatan praktis dan

meminimalisasi kajian yang terlalu teoritis dan matematis, tanpa

mengurangi esensi konsep fisisnya.

Tujuan Instruksional

Setelah mempelajari materi ini peserta diharapkan mampu menguraikan

proses terjadinya radiasi baik yang berasal dari atom maupun inti atom

yang tidak stabil; proses peluruhan inti atom yang tidak stabil; interaksi

radiasi dengan materi; serta prinsip dari beberapa sumber radiasi buatan.

Secara khusus setiap peserta akan mampu untuk:

1. menggambarkan struktur atom berdasarkan model atom Bohr;

2. menguraikan proses transisi elektron;

3. menguraikan ketidak-stabilan inti atom;

4. menyebutkan tiga jenis peluruhan radioaktif serta sifat dari masing-

masing radiasi yang dipancarkannya;

5. menghitung aktivitas suatu bahan radioaktif;

6. menguraikan proses interaksi radiasi baik radiasi partikel bermuatan,

tidak bermuatan maupun gelombang elektromagnetik, bila mengenai

materi; serta

7. menguraikan prinsip kerja pesawat sinar-X.


Materi Pembahasan

Materi fisika radiasi ini dibagi menjadi empat bab yaitu struktur atom dan

inti atom, peluruhan radioaktif, interaksi radiasi dengan materi, dan jenis

sumber radiasi.

Dalam bab struktur atom dan inti atom akan dibahas model atom Bohr,

partikel penyusun atom beserta masing-masing karakteristiknya; kestabilan

atom, transisi elektron, dan sinar-X karakteristik; ketidak-stabilan inti atom

dan transformasi inti atom; serta energi dan intensitas radiasi.

Dalam bab peluruhan radioaktif akan dibahas peluruhan inti atom yang

tidak stabil secara spontan, yang meliputi peluruhan alpha, beta dan

gamma, beserta masing-masing karakteristiknya; perhitungan aktivitas

radioaktif dan konsep waktu paro.

Dalam bab interaksi radiasi dengan materi akan dibahas proses yang terjadi

bila radiasi alpha, beta, gamma, sinar-X atau neutron mengenai materi;

serta perhitungan tebal penahan radiasi gamma dan sinar-X.

Dalam bab jenis sumber radiasi akan dibahas beberapa jenis sumber radiasi

alam dan sumber radiasi buatan; serta prinsip kerja mesin pembangkit

sinar-X.

Seluruh materi di atas diberikan selama 4 jam pelajaran (setiap JP setara

dengan 60 menit) dengan metode kuliah dan tanya – jawab.


II. Struktur Atom dan Inti Atom

Radiasi pada dasarnya adalah suatu cara perambatan energi dari sumber

energi ke lingkungannya tanpa membutuhkan medium. Beberapa

contohnya adalah perambatan panas, perambatan cahaya, dan perambatan

gelombang radio. Radiasi yang akan dibahas di sini adalah radiasi yang

berasal dari proses fisika yang terjadi di dalam atom.

Semua bahan (materi) yang ada di alam ini tersusun dari berjuta-juta

molekul, sedangkan molekul itu sendiri terdiri atas beberapa atom. Sebagai

contoh, segelas air terdiri atas molekul-molekul H2O, sedang sebuah

molekul H2O terdiri atas dua buah atom hidrogen (dengan lambang H) dan

sebuah atom oksigen (dengan lambang O). Jadi, atom itu sendiri dapat

didefinisikan sebagai bagian terkecil dari suatu materi yang masih memiliki

sifat dasar materi tersebut. Atom mempunyai ukuran sekitar 10-10 m atau

1 angstrom (= 1 Å). Istilah lain yang sering digunakan untuk menyatakan

jenis atom adalah unsur. Sampai saat ini telah diketemukan 107 jenis unsur

sebagaimana tertera pada tabel periodik (lihat lampiran I).

Atom terdiri atas inti atom dan elektron. Inti atom yang sering disebut

sebagai nuklir ataupun nuklida merupakan bagian dari atom yang memiliki

massa terbesar (masif) dan berukuran sekitar 10-14 m atau 10-4 Å,

sedangkan elektron yang mempunyai massa sangat ringan bertebaran

memenuhi ruangan atom. Perkembangan selanjutnya juga menemukan

bahwa inti atom terdiri atas dua jenis partikel yaitu proton dan neutron.


Elektron merupakan partikel yang mempunyai muatan listrik negatif

sebesar 1,6 x 10-19 Coulomb dan mempunyai massa sebesar 9,1 x 10-31 kg.

Proton mempunyai muatan listrik positif dan massa 1,67 x 10–27 kg.

Sedangkan neutron yang mempunyai massa 1,675 x 10-27 kg dan tidak

bermuatan listrik. Karena berhubungan dengan nilai muatan dan massa

yang sangat kecil, maka diperkenalkan suatu konstanta yang disebut

sebagai muatan elementer (e) sebesar 1,6 x 10-19 Coulomb yang sering

dituliskan sebagai satuan massa atom (sma) sebesar 1,6 x 10-27 kg.

II.1 Struktur Atom

Untuk mempelajari struktur atom, sebenarnya terdapat beberapa model

pendekatan mulai dari yang paling sederhana hingga yang sangat rumit.

Model atom Bohr merupakan model yang paling sering digunakan karena

sederhana tetapi dapat menjelaskan banyak hal. Model ini menggambarkan

bahwa atom terdiri atas inti atom dan elektron-elektron yang mengelilingi

inti atom dengan lintasan-lintasan atau kulit-kulit tertentu (lihat Gambar

II.1).

Inti atom itu sendiri terdiri atas proton dan neutron. Jenis atom yang sama

mempunyai jumlah proton yang sama, sebaliknya atom yang berbeda

memiliki jumlah proton yang berbeda. Sebagai contoh, unsur hidrogen (H)

mempunyai sebuah proton, sedang unsur emas (Au) mempunyai 79 buah

proton. Sebagai suatu konvensi, setiap jenis atom diberi suatu nomor –yang

disebut sebagai nomor atom– berdasarkan jumlah proton yang dimilikinya.

Sebagai contoh, nomor atom dari unsur hidrogen adalah 1 sedang nomor

atom dari unsur emas adalah 79.


Gambar II.1. Model atom Bohr

Dipandang dari segi beratnya, massa suatu atom terkonsentrasi pada

intinya, karena massa elektron dapat “diabaikan” bila dibandingkan dengan

massa proton maupun neutron. Tetapi bila dipandang dari segi muatan

listriknya, muatan atom ditentukan oleh jumlah proton dan jumlah

elektronnya. Bila jumlah proton dan jumlah elektron di dalam suatu atom

sama, maka muatan atom tersebut nol sehingga dinamakan atom netral,

sedangkan bila jumlahnya tidak sama maka dinamakan atom tidak netral

atau ion. Sebagai contoh, unsur emas memiliki 79 buah proton maka

sebuah atom emas yang netral akan mempunyai 79 proton dan 79 elektron.

Setiap lintasan elektron mempunyai tingkat energi tertentu. Semakin luar

tingkat energinya semakin tinggi. Oleh karena itu elektron-elektron di

dalam atom selalu berusaha untuk menempati lintasan elektron yang lebih

dalam. Lintasan elektron yang paling dalam dinamakan lintasan K, lintasan

berikutnya L dan seterusnya. Jumlah elektron yang dapat menempati setiap

lintasan dibatasi oleh suatu aturan tertentu (2 x n2). Lintasan K (n = 1)

hanya dapat ditempati oleh dua buah elektron sedang lintasan L (n = 2)

delapan elektron. Atom ada dalam keadaan stabil bila setiap lintasan yang

lebih dalam berisi penuh dengan elektron sesuai dengan kapasitasnya.

Sebaliknya, bila suatu lintasan elektron masih belum penuh tetapi terdapat


elektron di lintasan yang lebih luar, maka atom tersebut dikatakan tidak

stabil. Sebagai contoh suatu atom yang tidak stabil adalah bila lintasan K

dari suatu atom hanya berisi sebuah elektron sedang pada lintasan L nya

berisi enam elektron.

Transisi Elektron

Perpindahan elektron dari satu lintasan ke lintasan yang lain disebut

sebagai transisi elektron. Bila transisi tersebut berasal dari lintasan yang

lebih luar ke lintasan yang lebih dalam, maka akan dipancarkan energi,

sebaliknya untuk transisi dari lintasan dalam ke lintasan yang lebih luar

dibutuhkan energi. Energi yang dipancarkan oleh proses transisi elektron

dari lintasan yang lebih luar ke lintasan lebih dalam berbentuk radiasi sinar-

X karakteristik.

Gambar II.2. Transisi elektron dari lintasan luar ke dalam (kiri) dandari lintasan dalam ke luar (kanan)

Energi radiasi sinar-X (Ex) yang dipancarkan dalam proses transisi elektron

ini adalah sama dengan selisih tingkat energi dari lintasan asal (Ea) dan

lintasan tujuan (Et).

Ex = Ea – Et


Sebaliknya, energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya proses transisi

elektron dari kulit yang lebih dalam ke kulit yang lebih luar harus lebih

besar dari pada selisih tingkat energi dari lintasan asal dan lintasan tujuan.

Proses ini disebut sebagai proses eksitasi, yang akan dibahas lebih lanjut

pada Bab IV.

Proses transisi elektron tidak hanya terjadi pada lintasan-lintasan yang

berurutan, mungkin saja terjadi transisi dari lintasan M ke lintasan K

dengan memancarkan radiasi sinar-X. Energi yang dipancarkan oleh

transisi elektron dari lintasan M ke K lebih besar daripada transisi dari

lintasan L ke K. Tingkat energi lintasan dari setiap atom tidak sama.

Sebagai contoh, energi sinar-X yang dipancarkan oleh transisi elektron di

dalam atom perak (Ag) akan berbeda dengan energi yang dipancarkan oleh

atom tungsten (W).

II.2 Inti Atom

Sebagaimana telah dibahas sebelumnya, inti atom atau nuklir terdiri atas

proton dan neutron yang disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti

atom). Jumlah proton dan jumlah neutron di dalam inti atom tidak selalu

sama, oleh karena itu suatu unsur (jenis atom) yang sama mungkin saja

terdiri atas inti atom yang berbeda, yaitu bila jumlah protonnya sama tetapi

jumlah neutronnya berbeda.

1. Identifikasi Inti Atom (Nuklida)

Nuklida adalah istilah lain yang digunakan untuk menyatakan suatu jenis

inti atom. Nuklida atau jenis inti atom yang ada di alam ini jauh lebih

banyak daripada unsur, karena unsur yang sama mungkin saja terdiri atas

nuklida yang berbeda.


Unsur dituliskan dengan lambang atomnya, misalnya unsur emas adalah

Au dan unsur besi adalah Fe. Sedangkan penulisan suatu nuklida atau jenis

inti atom harus diikuti dengan jumlah neutronnya sebagaimana konvensi

penulisan sebagai berikut.

ZXA

X adalah simbol atom, Z adalah nomor atom yang menunjukkan jumlah

proton di dalam inti atom, sedang A adalah nomor massa yang

menunjukkan jumlah nukleon (jumlah proton + jumlah neutron). Meskipun

tidak dituliskan pada simbol nuklida, jumlah neutron dapat dituliskan

sebagai N dengan hubungan

N = A – Z

Sebagai contoh nuklida 2He4 adalah inti atom helium (He) yang

mempunyai dua buah proton (Z = 2) dan dua buah neutron (N = A – Z = 2).

Cara penulisan nuklida tersebut di atas merupakan konvensi atau

kesepakatan saja dan bukan suatu ketentuan sehingga masih terdapat

beberapa cara penulisan yang berbeda. Salah satu cara penulisan lain yang

paling sering dijumpai adalah tanpa menuliskan nomor atomnya seperti

berikut ini.

XA atau X-A

Contohnya nuklida He4 atau He-4 dan Co60 atau Co-60. Nomor atom tidak

dituliskan karena dapat diketahui dari jenis atomnya. Setiap atom yang

berbeda akan memiliki jumlah proton yang berbeda sehingga nomor

atomnya pun berbeda (Lihat tabel periodik di Lampiran I).

Terdapat beberapa istilah yang berkaitan dengan komposisi jumlah proton

dan jumlah neutron di dalam inti atom yaitu, isotop, isobar, isoton dan

isomer.


Isotop adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor atom (jumlah

proton) sama, tetapi mempunyai nomor massa (jumlah neutron) berbeda.

Jadi, setiap unsur mungkin saja terdiri atas beberapa jenis nuklida yang

sama. Sebagai contoh adalah isotop hidrogen sebagai berikut 1H1; 1H2; 1H

3.

Gambar II.3 Isotop Hidrogen

Isobar adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor massa (jumlah

proton + jumlah neutron) sama, tetapi mempunyai nomor atom (jumlah

proton) berbeda.

6C14

dan 7N14

Isoton adalah nuklida-nuklida yang mempunyai jumlah neutron sama,

tetapi mempunyai nomor atom (jumlah proton) berbeda.

6C14 ; 7N

15 dan 8O16

Isomer adalah nuklida-nuklida yang mempunyai nomor atom maupun

nomor massa sama, tetapi mempunyai tingkat energi yang berbeda. Inti

atom yang memiliki tingkat energi lebih tinggi daripada tingkat energi

dasarnya biasanya diberi tanda asterisk (*) atau m.

28Ni60 dan 28Ni60* atau 28Ni60m


Kedua nuklida tersebut di atas mempunyai jumlah proton dan jumlah

neutron yang sama tetapi tingkat energinya berbeda. Tingkat energi Ni60

berada pada keadaan dasarnya sedang Ni60* tidak pada keadaan dasarnya

atau pada keadaan tereksitasi (excited-state).

2. Kestabilan Inti Atom

Komposisi jumlah proton dan neutron di dalam inti atom sangat

mempengaruhi kestabilan inti atom tersebut. Inti atom dikatakan stabil bila

komposisi jumlah proton dan neutronnya sudah “seimbang” serta tingkat

energinya sudah berada pada keadaan dasar. Sedangkan inti atom dikatakan

tidak stabil bila komposisi jumlah proton dan neutronnya “tidak seimbang”

atau tingkat energinya tidak berada pada keadaan dasar.

0 2 0 4 0 6 0 8 00

4 0

8 0

1 2 0

J u m l a h p r o t o n ( Z )

Jum

lah

Ne

utr

on

(A

-Z)

N / Z = 1

N / Z = 1 , 5

Gambar II.4. Hubungan Z dan N untuk isotop stabil

Gambar II.4 di atas menunjukkan posisi (koordinat dari jumlah proton dan

jumlah neutron) dari nuklida yang stabil. Bila posisi suatu nuklida tidak

berada pada posisi sebagaimana kurva kestabilan maka nuklida tersebut

tidak stabil.

Secara umum, kestabilan inti-inti ringan terjadi bila jumlah protonnya sama

dengan jumlah neutronnya, terlihat bahwa posisi nuklida berhimpit dengan


garis Z = N, sedang kestabilan inti-inti berat terjadi bila jumlah neutron

mendekati 1,5 kali jumlah protonnya.

Gambar II.5. Sebagian Tabel Nuklida

Gambar II.5 di atas, yang disebut sebagai tabel nuklida, merupakan gambar

kurva kestabilan (Gambar II.4) yang lebih rinci. Dari tabel nuklida tersebut,

petak-petak yang diarsir gelap menunjukkan posisi dari nuklida yang stabil

sedang petak-petak lainnya adalah nuklida yang tidak stabil. Sebagai

contoh Al-27 (13Al27) adalah nuklida yang stabil sedang nuklida Al lainnya

(Al-24; Al-25 dan seterusnya) tidak stabil. Nuklida-nuklida yang tidak

stabil (kotak tidak diarsir gelap) disebut sebagai radionuklida.

Isotop yang tidak stabil disebut sebagai radioisotop. Radioisotop dan

radionuklida adalah istilah yang sama, yaitu menunjukkan inti-inti atom

yang tidak stabil. Sedangkan bahan yang terdiri atas radionuklida dengan

jumlah cukup banyak disebut bahan radioaktif. Proses perubahan atau

transformasi inti atom yang tidak stabil menjadi atom yang stabil tersebut

dinamakan peluruhan radioaktif. Proses peluruhan radioaktif seringkali

harus melalui beberapa tingkatan intermediate (antara) sebelum menjadi

inti atom yang stabil. Peluruhan seperti ini dinamakan peluruhan berantai.


III. Peluruhan Radioaktif

Inti atom yang tidak stabil secara spontan akan berubah menjadi inti atom

yang lebih stabil. Proses perubahan tersebut dinamakan peluruhan

radioaktif (radioactive decay). Dalam setiap proses peluruhan akan

dipancarkan radiasi.

Bila ketidakstabilan inti disebabkan karena komposisi jumlah proton dan

neutronnya yang tidak seimbang, maka inti tersebut akan berubah dengan

memancarkan radiasi alpha (α) atau radiasi beta (β). Sedangkan kalau

ketidakstabilannya disebabkan karena tingkat energinya yang tidak berada

pada keadaan dasar, maka akan berubah dengan memancarkan radiasi

gamma (γ).

III.1 Jenis Peluruhan

Terdapat tiga jenis peluruhan radioaktif secara spontan yaitu peluruhan

alpha (α), peluruhan beta (β), dan peluruhan gamma (γ). Jenis peluruhan

atau jenis radiasi yang dipancarkan dari suatu proses peluruhan ditentukan

dari posisi inti atom yang tidak stabil tersebut dalam diagram N-Z.

1. Peluruhan Alpha (αα )

Peluruhan alpha dominan terjadi pada inti-inti tidak stabil yang relatif berat

(nomor atom lebih besar dari 80). Dalam peluruhan ini akan dipancarkan

partikel alpha (α) yaitu suatu partikel yang terdiri atas dua proton dan dua

neutron, yang berarti mempunyai massa 4 sma dan muatan 2 muatan

elementer positif. Partikel α secara simbolik dinyatakan dengan simbol

2He4.


Radionuklida yang melakukan peluruhan α akan kehilangan dua proton

dan dua neutron serta membentuk nuklida baru. Peristiwa peluruhan α ini

dapat dituliskan secara simbolik melalui reaksi inti sebagai berikut:

ZXA à Z-2YA-4 + α

Contoh peluruhan partikel Alpha yang terjadi di alam adalah:

92U238 à 90Th234 + α

Sifat Radiasi Alpha

a. Daya ionisasi partikel α sangat besar, kurang lebih 100 kali daya

ionisasi partikel β dan 10.000 kali daya ionisasi sinar γ.

b. Jarak jangkauan (tembus) nya sangat pendek, hanya beberapa mm

udara, bergantung pada energinya.

c. Partikel α akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau

medan listrik.

d. Kecepatan partikel α bervariasi antara 1/100 hingga 1/10

kecepatan cahaya.

2. Peluruhan Beta (ββ)

Peluruhan beta terjadi pada inti tidak stabil yang relatif ringan. Dalam

peluruhan ini akan dipancarkan partikel beta yang mungkin bermuatan

negatif (β−) atau bermuatan positif (β+). Partikel β− identik dengan elektron

sedangkan partikel β+ identik dengan elektron yang bermuatan positif

(positron). Pada diagram N-Z, peluruhan β− terjadi bila nuklida tidak stabil


berada di atas kurva kestabilan sedangkan peluruhan β+ terjadi bila

nuklidanya berada di bawah kurva kestabilan.

Dalam proses peluruhan β− terjadi perubahan neutron menjadi proton di

dalam inti atom sehingga proses peluruhan ini dapat dituliskan sebagai

persamaan inti berikut.

íâYX -A1Z

AZ ++→ +

Contohnya adalah

íâSP -3216

3215 ++→

Sedangkan dalam proses peluruhan β+ terjadi perubahan proton menjadi

neutron di dalam inti atom sehingga proses peluruhan ini dapat dituliskan

sebagai persamaan inti berikut.

íâYX A1Z

AZ ++→ +

−

Contohnya adalah

íâNO 157

158 ++→ +

Neutrino (í ) dan antineutrino (í ) adalah partikel yg tidak bermassa tetapi

berenergi yg selalu mengiringi peluruhan β.

Sifat Radiasi Beta

a. Daya ionisasinya di udara 1/100 kali dari partikel α.

b. Jarak jangkauannya lebih jauh daripada partikel α, di udara dapat

beberapa cm.


c. Kecepatan partikel β berkisar antara 1/100 hingga 99/100 kecepatan

cahaya.

d. Karena sangat ringan, maka partikel β mudah sekali dihamburkan

jika melewati medium.

e. Partikel β akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau

medan listrik.

3. Peluruhan Gamma (γγ)

Berbeda dengan dua jenis peluruhan sebelumnya, peluruhan gamma tidak

menyebabkan perubahan nomor atom maupun nomor massa, karena radiasi

yang dipancarkan dalam peluruhan ini berupa gelombang elektromagnetik

(foton).

Peluruhan ini dapat terjadi bila energi inti atom tidak berada pada keadaan

dasar (ground state), atau pada bab sebelumnya dikatakan sebagai inti atom

yang isomer. Peluruhan ini dapat terjadi pada inti berat maupun ringan, di

atas maupun di bawah kurva kestabilan. Biasanya, peluruhan γ ini

mengikuti peluruhan α ataupun β.

Peluruhan γ dapat dituliskan sebagai berikut.

ZXA* à ZXA + γ

Salah satu contoh peluruhan gamma yang mengikuti peluruhan β

27Co60 à 28Ni60* + β−

28Ni60* à 28Ni60 + γ

Sifat Radiasi Gamma


a. Sinar γ dipancarkan oleh nuklida tereksitasi (isomer) dengan panjang

gelombang antara 0,005 Å hingga 0,5 Å.

b. Daya ionisasinya di dalam medium sangat kecil sehingga daya

tembusnya sangat besar bila dibandingkan dengan daya tembus partikel

α atau β.

c. Karena tidak bermuatan, sinar γ tidak dibelokkan oleh medan listrik

maupun medan magnit

III.2 Aktivitas Radiasi

Sebagaimana telah dibahas pada bab sebelumnya bahwa inti yang tidak

stabil akan berubah menjadi stabil dengan memancarkan radiasi (proses

peluruhan). Laju peluruhan – jumlah proses peluruhan per satuan waktu

(∆N/∆t) – sebanding dengan jumlah inti yang tidak stabil (N) dan suatu

konstanta yang disebut sebagai konstanta peluruhan (λ).

Nt

N⋅λ=

∆∆

(III-1)

Aktivitas radiasi didefinisikan sebagai jumlah peluruhan yang terjadi

dalam satu detik, atau dengan kata lain adalah laju peluruhan itu sendiri.

A = λ . N (III-2)

Dari dua persamaan di atas, secara matematis akan diperoleh persamaan

yang disebut sebagai hukum peluruhan yaitu:

t0 eNN ⋅λ−⋅= (III-3)


di mana N adalah jumlah inti atom yang tidak stabil saat ini, N0 adalah

jumlah inti atom yang tidak stabil saat mula-mula, λ adalah konstanta

peluruhan sedangkan t adalah selang waktu antara saat mula-mula sampai

saat ini. Persamaan di atas dapat diubah menjadi bentuk aktivitas sebagai

berikut.

t0 eAA ⋅λ−⋅= (III-4)

di mana A adalah aktivitas pada saat t, sedangkan A0 adalah aktivitas mula-

mula. Persamaan III-4 di atas dapat digambarkan dalam grafik

eksponensial yang menunjukkan hubungan antara aktivitas radioaktif

terhadap waktu.

Gambar III-2. Aktivitas radioaktif sebagai fungsi dari waktu

Satuan Aktivitas

Sejak tahun 1976 dalam sistem satuan internasional (SI) aktivitas radiasi

dinyatakan dalam satuan Bequerel (Bq) yang didefinisikan sebagai:

1 Bq = 1 peluruhan per detik

Sebelum itu digunakan satuan Curie (Ci) untuk menyatakan aktivitas

radiasi yang didefinisikan sebagai:

1 Ci = 3,7 x 1010 peluruhan per detik


dan satuan-satuan berkaitan yang lebih kecil yaitu miliCurie (mCi) dan

micro Curie (µCi),

1 mCi = 10-3 Ci

1 µCi = 10-6 Ci

III.3 Waktu Paro

Waktu paro (T½) didefinisikan sebagai selang waktu yang dibutuhkan agar

aktivitas suatu radioaktif menjadi separuhnya. Setiap radionuklida

mempunyai waktu paro yang unik dan tetap. Sebagai contoh, Co-60

mempunyai waktu paro 5,27 tahun dan Ir-192 adalah 74 hari.

Gambar III-3: Aktivitas radioaktif setelah waktu paro

Nilai waktu paro suatu radionuklida dapat ditentukan dengan persamaan

berikut ini.

λ=

693,0T½ (III-5)

Konsep waktu paro ini sangat bermanfaat untuk menghitung aktivitas suatu

radionuklida dibandingkan bila harus menggunakan persamaan matematis


(III-4). Bila selang waktunya sama dengan satu kali T½ maka aktivitasnya

tinggal 0,5 nya, sedang kalau dua kali T½ maka aktivitasnya tinggal 0,25

nya, dan seterusnya. Dapat juga menggunakan hubungan berikut ini.

A = ( ½ )n . A0 (III-6)

½T

tn =

dimana t adalah selang waktu antara saat mula-mula sampai saat

pengukuran, sedangkan T½ adalah waktu paro radionuklida.

III.4 Aktivitas Jenis

Aktivitas jenis radioaktif ( Asp ) didefinisikan sebagai aktivitas dari satu

gram zat radioaktif tersebut, biasanya dinyatakan dalam satuan Ci/gram.

Makin pendek waktu paro unsur radioaktif, makin besar aktivitas jenisnya.

Asp = λ x Nsp (III-7)

A

1002,6N

23

sp×

= (III-8)

Nsp adalah jumlah atom dalam satu gram zat radioaktif, sedang A adalah

nomor massanya.

III.5 Skema Peluruhan

Proses peluruhan suatu radionuklida dari keadaan tidak stabil menjadi

stabil ternyata menempuh tahapan tertentu yang dapat digambarkan dalam


suatu skema peluruhan. Gambar berikut ini menunjukkan dua contoh yaitu

skema peluruhan Cs-137 dan Co-60.

Gambar III-4. Skema Peluruhan Cs-137 dan Co-60

Terlihat dari skema peluruhan di atas bahwa dalam perjalanannya menuju

stabil Cs-137 memancarkan 2 jenis radiasi β– dan sebuah radiasi γ,

sedangkan Co-60 memancarkan 2 jenis radiasi β– dan 2 jenis radiasi γ. Dari

skema peluruhan tersebut juga dapat diketahui tingkat energi dari setiap

radiasi yang dipancarkan maupun probabilitas jumlah (kuantitas)

pancarannya.


IV. Interaksi Radiasi dengan Materi

Pada bagian ini akan dibahas interaksi yang terjadi antara radiasi dengan

materi yang dilaluinya. Secara umum interaksi radiasi dapat dibedakan atas

tiga jenis radiasi yaitu radiasi partikel bermuatan, seperti radiasi α dan β;

radiasi partikel tidak bermuatan yaitu radiasi neutron; dan radiasi

gelombang elektromagnetik seperti radiasi γ dan sinar-X.

IV.1 Interaksi Radiasi Partikel Bermuatan

Dibandingkan dengan radiasi yang lain, partikel α secara fisik maupun

elektrik relatif besar. Selama melintas di dalam bahan penyerap, partikel α

ini sangat mempengaruhi elektron-elektron orbit dari atom-atom bahan

penyerap karena adanya gaya Coulomb. Oleh karena itu, radiasi α sangat

mudah diserap di dalam materi atau daya tembusnya sangat rendah. Radiasi

α yang mempunyai energi 3,5 MeV hanya dapat menembus 20 mm udara

atau hanya dapat menembus 0,03 mm jaringan tubuh.

Interaksi radiasi α dengan materi yang dominan adalah proses ionisasi dan

eksitasi. Interaksi lainnya dengan probabilitas jauh lebih kecil adalah reaksi

inti, yaitu perubahan inti atom materi yang dilaluinya menjadi inti atom

yang lain, biasanya berubah menjadi inti atom yang tidak stabil.

1. Proses Ionisasi

Ketika radiasi α (bermuatan positif) melalui materi maka terdapat beberapa

elektron (bermuatan negatif) yang akan terlepas dari orbitnya karena

adanya gaya tarik Coulomb. Proses terlepasnya elektron dari suatu atom

dinamakan sebagai proses ionisasi.


Gambar IV-1: Proses ionisasi

Energi radiasi setelah melakukan sebuah proses ionisasi ( Eo ) akan lebih

kecil dibandingkan dengan energi mula-mula ( Ei ), berkurang sebesar

energi yang dibutuhkan untuk melangsungkan proses ionisasi. Setelah

terjadi ionisasi maka atomnya akan bermuatan positif dan disebut sebagai

ion positif. Setelah melalui beberapa kali (beribu-ribu) proses ionisasi,

maka energi radiasinya akan habis.

2. Proses Eksitasi

Proses ini mirip dengan proses ionisasi, perbedaannya dalam proses

eksitasi, elektron tidak sampai lepas dari atomnya hanya berpindah ke

lintasan yang lebih luar.

Gambar IV-2. Proses eksitasi


Sebagaimana proses ionisasi, energi radiasi setelah melakukan proses

eksitasi (Eo) juga berkurang sebesar energi yang dibutuhkan untuk

melangsungkan proses eksitasi. Energi yang dibutuhkan untuk melakukan

eksitasi tidak sebesar energi yang dibutuhkan untuk mengionisasi. Setelah

melakukan beberapa kali (beribu-ribu) proses eksitasi, maka energi

radiasinya akan habis.

Proses eksitasi ini selalu diikuti oleh proses de-eksitasi yaitu proses transisi

elektron dari kulit yang lebih luar ke kulit yang lebih dalam dengan

memancarkan radiasi sinar-X karakteristik.

3. Proses Brehmstrahlung

Proses ini lebih dominan dilakukan oleh partikel beta karena massa dan

muatan partikel beta lebih kecil sehingga kurang diserap oleh materi atau

daya tembusnya lebih jauh. Partikel beta dengan energi sebesar 3,5 MeV

dapat melintas di udara sejauh 11 meter atau dapat mencapai jarak sekitar

15 mm di dalam jaringan tubuh.

Interaksi radiasi β dengan materi adalah proses ionisasi dan eksitasi

sebagaimana radiasi α, serta proses bremstrahlung, yaitu pemancaran

radiasi gelombang elektromagnetik (sinar-X kontinyu) ketika radiasi β,

dibelokkan atau diperlambat oleh inti atom yang bermuatan positif. Ukuran

partikel β jauh lebih kecil dan kecepatannya jauh lebih tinggi dibandingkan

dengan partikel α sehingga partikel β dapat “masuk” mendekati inti atom.


Gambar IV-3. Proses terbentuknya Sinar-X bremstrahlung

Fraksi energi ( f ) dari sinar-X bremstrahlung yang dihasilkan dapat

ditentukan menggunakan persamaan empiris berikut ini.

f = 3,5 x 10–4 . Z . Emaks (IV-1)

dengan Z adalah nomor atom bahan penyerap sedangkan Emaks adalah

energi maksimum dari partikel beta (dalam MeV).

Dari persamaan (IV-1) di atas dapat disimpulkan bahwa:

1. Energi partikel β yang lebih besar akan menghasilkan radiasi

bremsstrahlung yang lebih besar.

2. Semakin besar nomor atom bahan penyerap (semakin berat) akan

menghasilkan radiasi sinar-X yang lebih besar.

IV.2 Interaksi Sinar Gamma dan Sinar-X

Sinar γ dan sinar-X merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang

berarti tidak mempunyai massa maupun muatan listrik. Oleh karena itu,

sinar γ dan sinar-X sangat sukar untuk diserap oleh materi, atau daya

tembusnya sangat besar.


Proses interaksi antara sinar γ dan sinar-X dengan materi adalah efek

fotolistrik, efek Compton dan produksi pasangan. Probabilitas terjadinya

antara tiga proses tersebut sangat ditentukan oleh energi radiasi dan jenis

materi (nomor atom) penyerapnya.

Gambar IV-4: Probabilitas interaksi foton dengan materi

1. Efek Fotolistrik

Pada efek fotolistrik, energi foton diserap oleh elektron orbit, sehingga

elektron tersebut terlepas dari atom. Elektron yang dilepaskan dalam proses

ini, disebut fotoelektron, mempunyai energi sebesar energi foton yang

mengenainya.

Gambar IV-5: Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik sangat dominan terjadi bila foton berenergi rendah di

bawah 0,5 MeV dan lebih banyak terjadi pada material dengan Z yang


besar. Sebagai contoh efek fotolistrik lebih banyak terjadi pada timah hitam

(Z=82) daripada tembaga (Z=29).

2. Hamburan Compton

Gambar IV-6: Hamburan Compton

Pada hamburan Compton, foton dengan energi hν i berinteraksi dengan

elektron terluar dari atom, selanjutnya foton dengan energi hνo

dihamburkan dan sebuah fotoelektron lepas dari ikatannya. Energi kinetik

elektron (Ee) sebesar selisih energi foton masuk dan foton keluar.

Ee = hνi – hνo (IV-2)

Hamburan Compton sangat dominan terjadi bila foton berenergi sedang (di

atas 0,5 MeV) dan lebih banyak terjadi pada material dengan Z yang

rendah.

3. Produksi Pasangan

Proses produksi pasangan hanya terjadi bila energi foton datang hν i lebih

besar dari 1,02 MeV. Ketika foton “sampai” ke dekat inti atom maka foton

tersebut akan lenyap dan berubah menjadi sepasang elektron-positron.

Positron adalah partikel yang identik dengan elektron tetapi bermuatan


positif. Energi kinetik total dari dua partikel tersebut sama dengan energi

foton yang datang dikurangi 1,02 MeV.

Ee+ + Ee– = hνi – 1.02 MeV (IV-3)

Ee+ adalah energi kinetik positron dan Ee– energi kinetik elektron.

Gambar IV.7: Produksi Pasangan

4. Ionisasi Tidak Langsung

Dari tiga interaksi gelombang elektromagnetik tersebut di atas terlihat

bahwa semua interaksi menghasilkan partikel bermuatan (elektron atau

positron) yang berenergi. Elektron atau positron yang berenergi tersebut

dalam pergerakannya akan mengionisasi atom-atom bahan yang dilaluinya

sehingga dengan kata lain, gelombang elektromagnetik juga dapat

mengionisasi bahan tetapi secara tidak langsung.

5. Penyerapan Radiasi Gelombang Elektromagnetik

Berbeda dengan radiasi partikel bermuatan (α atau β), daya tembus radiasi

gamma dan sinar-X sangat tinggi bahkan tidak dapat diserap secara

keseluruhan.


Gambar IV.8. Penyerapan Radiasi Gelombang Elektromagnetik

Hubungan antara intensitas radiasi yang datang (I0) dan intensitas yang

diteruskan (Ix) setelah melalui bahan penyerap setebal x adalah sebagai

berikut.

x–0x eII ⋅µ⋅= (IV-4)

µ adalah koefisien serap linier bahan terhadap radiasi gamma dan sinar-X.

µ sangat dipengaruhi oleh jenis bahan penyerap, nomor atom (Z) dan

densitas (ρ) serta energi radiasi yang mengenainya. Nilai tebal bahan

penyerap dapat dalam satuan panjang (mm ; cm) ataupun dalam satuan

massa persatuan luas (gr/cm2).

Terlihat bahwa persamaan (IV-4) di atas merupakan persamaan

eksponensial seperti persamaan peluruhan radioaktif sehingga dapat

digambarkan sebagai berikut.


Gambar IV.9. Kurva intensitas radiasi yang diteruskanoleh bahan penyerap

Bila di peluruhan radioaktif dikenal istilah waktu paro, disini terdapat

istilah tebal paro (HVL = half value layer) yaitu tebal bahan yang dapat

menyerap separo dari intensitas mula-mula atau intensitas yang diteruskan

tinggal separonya. Istilah lain adalah TVL (tenth value layer) yaitu tebal

bahan yang dapat menyerap 90% intensitas mula-mula atau intensitas yang

diteruskan tinggal sepersepuluh (10%) nya.

Nilai HVL dan TVL suatu bahan ditentukan dari koefisien serap linier (µ)

nya dengan persamaan berikut.

µ=

693,0HVL ;

µ=

303,2TVL (IV-5)

Perhitungan intensitas radiasi yang masih diteruskan setelah melalui suatu

bahan penyerap (penahan radiasi) lebih mudah bila menggunakan konsep

HVL dan TVL ini dibandingkan harus menggunakan persamaan dasarnya

(IV-4).

( ) 021 II n

x = ; ( ) 0101 II m

x = (IV-6)


Dimana n adalah jumlah HVL (x / HVL) sedangkan m adalah jumlah TVL

(x / TVL).

IV.3 Interaksi Radiasi Neutron

Berbeda dengan radiasi α, β dan γ, radiasi neutron memang tidak

dihasilkan dari proses peluruhan spontan. Radiasi neutron dihasilkan dari

proses reaksi fisi, misalnya di reaktor nuklir, atau dari neutron generator

(akselerator ataupun zat radioaktif).

Neutron merupakan partikel yang mempunyai massa tetapi tidak bermuatan

listrik sehingga interaksinya dengan materi lebih banyak bersifat mekanik,

yaitu tumbukan antara neutron dengan atom (inti atom) bahan penyerap,

baik secara elastik maupun tak elastik. Setiap tumbukan dengan materi

akan menyerap energi neutron sehingga setelah beberapa kali tumbukan

maka energi neutron akan “habis”. Interaksi lain yang mungkin muncul –

bila energi neutron sudah sangat rendah– adalah reaksi inti atau

penangkapan neutron oleh inti atom bahan penyerap.

1. Tumbukan Elastik

Tumbukan elastik adalah tumbukan di mana total energi kinetik partikel-

partikel 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.


Gambar IV.10. Peristiwa tumbukan elastik

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.

2. Tumbukan Tak 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.

Gambar IV.11. Peristiwa tumbukan non elastik


3. Reaksi Inti (Penangkapan Neutron)

Bila energi neutron sudah sangat rendah atau sering disebut sebagai

neutron termal (En < 0,025 eV), maka terdapat kemungkinan bahwa

neutron tersebut akan “ditangkap” oleh inti atom bahan penyerap sehingga

mambentuk inti atom baru, yang biasanya merupakan inti atom yang tidak

stabil, yang memancarkan radiasi, misalnya α, β atau γ. Peristiwa ini yang

disebut sebagai proses aktivasi neutron, yaitu mengubah bahan yang stabil

menjadi bahan radioaktif.

Gambar IV.12. Peristiwa penangkapan neutron


V. Sumber Radiasi

Sumber radiasi dapat dibedakan berdasarkan asalnya yaitu sumber radiasi

alam yang sudah ada di alam ini sejak terbentuknya, dan sumber radiasi

buatan yang sengaja dibuat oleh manusia. Radiasi yang dipancarkan oleh

sumber radiasi alam disebut radiasi latar belakang.

Pada bab ini akan dibahas beberapa macam sumber radiasi alam dan

prinsip kerja secara umum dari beberapa sumber radiasi buatan.

V.1 Sumber Radiasi Alam

Setiap hari manusia terkena radiasi dari alam dan radiasi dari alam ini

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 berikut:

• sumber radiasi kosmik yang berasal dari benda langit di dalam dan luar

tata surya kita,

• sumber radiasi terestrial yang berasal dari kerak bumi,

• sumber radiasi internal yang berasal dari dalam tubuh manusia sendiri.

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

yang berenergi tinggi (1017 eV) dan berinteraksi dengan inti atom stabil di

atmosfir membentuk inti radioaktif seperti C-14, Be-7, Na-22 dan H-3.


Radionuklida yang terjadi karena interaksi 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. Tingkat radiasi yang diterima seseorang juga

bergantung pada garis lintangnya di bumi, karena radiasi kosmik ini

dipengaruhi oleh medan magnet bumi. Karena medan magnet bumi di

daerah kutub lebih kuat, maka radiasi yang diterima di kutub lebih kecil

daripada di daerah katulistiwa.

2. Sumber Radiasi Terestrial

Radiasi terestrial secara natural dipancarkan oleh radionuklida di dalam

kerak bumi, dan radiasi ini dipancarkan oleh radionulida yang disebut

primordial dengan waktu paro berorde milyar (109) tahun. Radionuklida ini

ada sejak terbentuknya bumi. Radionuklida yang ada dalam kerak bumi

terutama adalah deret Uranium, yaitu peluruhan berantai mulai dari U-238

sampai stabil Pb-206; deret Actinium, yang mulai dari U-235 sampai Pb-

207; dan deret Thorium, mulai dari Th-232 sampai Pb-208. Dalam setiap

proses peluruhan berantai di atas dipancarkan berbagai jenis energi (α, β

dan γ) dengan berbagai tingkatan energi.

Radiasi terestrial terbesar yang diterima manusia berasal dari Radon (Ra-

222) dan Thoron (Ra-220) karena dua radionuklida ini berbentuk gas

sehingga bisa menyebar kemana-mana.


Tingkat radiasi yang diterima seseorang dari radiasi terestrial ini berbeda-

beda dari satu tempat ke tempat lain bergantung kepada konsentrasi sumber

radiasi di dalam kerak bumi. Ada beberapa tempat di bumi ini yang

memiliki tingkat radiasi di atas rata-rata seperti Poços de Caldas dan

Guarapari (Brazil), Kerala dan Tamil Nadu (India) dan Ramsar (Iran).

3. Sumber Radiasi di Dalam Tubuh

Sumber radiasi alam 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 banyak berasal dari ikan dan kerang-

kerangan. Buah-buahan biasanya mengandung unsur K-40.

V.2 Sumber Radiasi Buatan

Sumber radiasi buatan mulai diproduksi pada abad ke 20 diketemukannya

sinar-X oleh W. Roentgent. Saat ini sudah banyak sekali jenis dari sumber

radiasi buatan baik yang berupa zat radioaktif, pesawat sinar-X, reaktor

nuklir dan akselerator.

1. Zat Radioaktif

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,


siklotron). Radionuklida buatan ini bisa memancarkan jenis radiasi alpha,

beta, gamma dan neutron.

a. Pemancar Alpha

Salah satu contoh reaksi inti untuk menghasilkan radionuklida pemancar

alpha adalah:

13Al27 + 0n1 à 11Na24 + α

Salah satu aplikasinya adalah untuk menghasilkan radiasi neutron melalui

reaksi (α,n), radionuklida yang sering dipakai adalah Ra-226, Po-210, Pu-

239 dan Am-241.

b. Pemancar Beta

Sebagian besar pemancar beta ini dihasilkan melalui penembakan partikel

neutron pada nuklida stabil. Oleh karena itu di dalam reaktor nuklir

didapatkan berbagai macam pemancar beta. Energi radiasi beta bersifat

kontinu. Pemancar beta sering digunakan dalam kedokteran dan juga dalam

industri untuk mengukur ketebalan materi. Pemancar beta yang sering

digunakan dalam kedokteran misalnya Sr-90, Y-90, P-32, Re-188,

sedangkan untuk industri sering digunakan Sr-90, P-32, Tl-208.

Contoh reaksi inti untuk menghasilkan pemancar beta adalah

14Si31 + 0n1 à 15P

32 + β–


c. Pemancar Gamma

Sebenarnya jarang sekali sumber radioaktif yang hanya memancarkan

radiasi gamma saja, karena radiasi gamma biasanya mengikuti proses

peluruhan α atau β. Berikut ini sebuah reaksi inti untuk menghasilkan

radionuklida pemancar β dan γ adalah:

27Co59 + 0n1 à 28Ni60 + β– + γ

Dalam pemakaiannya, pemancar gamma beraktivitas tinggi sering

digunakan sebagai sumber radiasi di rumah sakit dan industri. Irradiator

banyak digunakan di rumah sakit (irradiator Co-60 dan Cs-137) dan dalam

industri (irradiator Co-60).

d. Pemancar Neutron

Radiasi neutron dapat dihasilkan dengan interaksi radiasi α dengan bahan

yang dapat melangsungkan reaksi (α,n) seperti unsur Be. Sumber neutron

ini merupakan campuran antara unsur Be dengan radioaktif pemancar α,

misalnya Am-241 yang dibungkus dalam sebuah kapsul, sehingga terjadi

reaksi sebagai berikut.

95Am241 à 93Np237 + α

4Be9 + α à 6C12 + n

2. Pesawat Sinar-X

Secara sederhana proses terbentuknya radiasi sinar-X pada pesawat sinar-X

adalah sebagai berikut perhatikan gambar di bawah ini.


Gambar V-1: Konstruksi pesawat sinar-X

Proses pembentukan sinar-X pada pesawat sinar-X adalah sebagai berikut:

1) Arus listrik akan memanaskan filamen sehingga akan terjadi awan

elektron disekitar filamen (proses emisi termionik).

2) Tegangan (kV) di antara katoda (negatif) dan anoda (positif) akan

menyebabkan elektron-elektron bergerak ke arah anoda.

3) Fokus (focusing cup) berfungsi untuk mengarahkan pergerakan

elektron-elektron (berkas elektron) menuju target.

4) Ketika berkas elektron menubruk target akan terjadi proses eksitasi

pada atom-atom target, sehingga akan dipancarkan sinar-X

karakteristik, dan proses pembelokan (pengereman) elektron sehingga

akan dipancarkan sinar-X bremstrahlung.

5) Berkas sinar-X yang dihasilkan, yaitu sinar-X karakteristik dan

bremstrahlung, dipancarkan keluar tabung melalui window.

6) Pendingin diperlukan untuk mendinginkan target karena sebagian besar

energi pada saat elektron menumbuk target akan berubah menjadi

panas.

Dari pembahasan di atas terlihat bahwa sinar-X yang dihasilkan oleh

pesawat sinar-X terdiri atas sinar-X karakteristik yang bersifat “diskrit” dan


sinar-X bremstrahlung yang bersifat kontinu. Perhatikan gambar spektrum

energi sinar-X berikut ini.

Gambar V-2: Spektrum energi sinar-X

Terdapat dua pengaturan (adjustment) pada pesawat sinar-X yaitu

pengaturan arus berkas elektron (mA) yaitu dengan mengatur arus filamen

dan pengaturan tegangan di antara anoda dan katoda (kV). Pengaturan arus

filamen akan menyebabkan perubahan jumlah elektron yang dihasilkan

filamen dan intensitas berkas elektron (mA) sehingga mempengaruhi

intensitas sinar-X. Semakin besar mA akan menghasilkan intensitas sinar-X

yang semakin besar.

Pengaturan tegangan kV akan menyebabkan perubahan “gaya tarik” anoda

terhadap elektron sehingga kecepatan elektron menuju (menumbuk) target

akan berubah. Hal ini menyebabkan energi sinar-X dan intensitas sinar-X

yang dihasilkan akan mengalami perubahan. Semakin besar kV akan

menghasilkan energi dan intensitas sinar-X yang semakin besar.


Gambar V-3. Spektrum sinar-X dengan perubahan kV (gambar kiri) dan

perubahan mA (gambar kanan)

3. Akselerator

Akselerator adalah alat yang digunakan untuk mempercepat partikel

bermuatan (ion). Partikel bermuatan, misalnya proton atau elektron,

dipercepat menggunakan medan listrik dan medan magnit sehingga

mencapai kecepatan yang sangat tinggi.

Partikel yang telah mempunyai kecepatan sangat tinggi yang dipancarkan

oleh akselerator dapat digunakan untuk berbagai keperluan misalnya untuk

memproduksi zat radioaktif dengan proton berenergi tinggi, memproduksi

sinar-X berenergi tinggi dengan elektron yang dipercepat, dan juga dapat

menghasilkan radiasi neutron dengan mempercepat ion deuterium (1H2).

Dua contoh akselerator yang banyak digunakan adalah akselerator linier

(LINAC = linear accelerator) yang mempunyai lintasan garis lurus dan

cyclotron yang mempunyai lintasan berbentuk lingkaran.

Untuk membedakannya dengan zat radioaktif, akselerator dan pesawat

sinar-X sering disebut sebagai pembangkit radiasi.


4. Reaktor Nuklir

Mekanisme utama yang terjadi dalam reaktor nuklir adalah pembelahan inti

dengan persamaan reaksi sebagai berikut.

X + nt à Y1 + Y2 + nc + Q

Suatu inti atom X yang dapat belah (fisil) seperti U-235 ketika ditembak

dengan neutron termal (nt) akan belah menjadi dua inti radioaktif Y1 dan

Y2. Dalam reaksi pembelahan tersebut juga dilepaskan 2 atau 3 buah

neutron cepat (nc) dan sejumlah energi panas (Q). Oleh karena Y1 dan Y2

merupakan inti-inti yang aktif maka dalam proses tersebut juga

dipancarkan berbagai macam radiasi (α, β dan γ).

Dari mekanisme pembelahan (reaksi fisi) di atas terlihat bahwa setiap

reaksi akan menghasilkan lebih dari satu neutron cepat baru, yang bila

energinya dapat diturunkan menjadi neutron termal, akan menyebabkan

reaksi pembelahan inti dapat belah yang lainnya. Proses ini berlangsung

terus menerus dan disebut sebagai proses reaksi berantai (chain reaction).

Dalam reaktor nuklir, proses reaksi berantai ini dikendalikan secara cermat

sedangkan pada bom atau senjata nuklir reaksi ini dibiarkan tanpa kendali.

Energi panas yang dihasilkan dari reaksi berantai di atas ( Q ) dapat

dimanfaatkan untuk menggerakan turbin sehingga dapat menghasilkan

listrik. Fasilitas yang memanfaatkan mekanisme ini adalah PLTN.

Neutron yang dihasilkan dalam reaksi ini juga dapat digunakan untuk

berbagai macam aplikasi dan penelitian, seperti untuk keperluan produksi

zat radioaktif dan analis bahan yang dilakukan di reaktor penelitian

(research reactor).


DAFTAR PUSTAKA

1. Herman Chamber, “Introduction to Health Physics” 3ed., McGraw-HillCompany, Inc. (1996)

2. Moe, H.J., S.R. Lasuk, M.C. Schumecher and H.M. Hunt, RadiationSafety Technician Training Course, Argonne National Laboratory,Argonne (1972).

3. Technical Report Series No. 280, Training Course on RadiationProtection, International Atomic Energy Agency, Vienna (1988).

4. Frank Herbert Attix, Introduction to Radiological Physics and RadiationDosimetry, John Wiley & Sons, New York (1986).

5. Mc. Kracken, “Introduction to Nuclear Physics”, McGraw-HillCompany, Inc. (1992)

6. Irving Kaplan, "Nuclear Physics", 2nd ed., Addison-Wesley PublishingComp. (1979)

DASAR ilmu FISIKA RADIASI.pdf

Documents

Transcript of DASAR ilmu FISIKA RADIASI.pdf