1

INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI

Disusun Oleh :

ERMAWATI

UNIVERSITAS GUNADARMA

JAKARTA

1999

2

ABSTRAK

Dalam mendesain semua sistem nuklir, pelindung radiasi, generator isotop, sangat

tergantung dari jalan interaksi radiasi nuklir dengan materi. Jika neutron menumbuk inti, inti

akan terbelah atas bagian – bagian, yang disebut mengalami fisi. Rekasi ini adalah

merupakan sumber prinsip dari energi nuklir untuk penggunaan praktis. Reaksi fisi dapat

membentuk reaksi berantai tak terendali yang memilii daya leda yang dahsyat dan dapat

dibuat dalam bentuk bom nuklir. Faktor – faktor yang harus dipertimbangkan dalam memilih

bahan nuklir adalah karakteristik inti target, penampang lintang neutron. Inti dan

dipakai dalam jumlah yang besar pada beberapa reaktor nuklir.

Oleh

Ermawati

Ermawati.Zarwisman@yahoo.com

3

PENDAHULUAN

Untuk mendesain semua sistem nuklir, pelindung radiasi, generator isotop, sangat

tergantung dari jalan interaksi radiasi nuklir dengan materi. Dalam tulisan ini interaksi

tersebut di diskusikan untuk neutron, sinar ɣ dan berbagai partikel bermuatan dengan energi

sekitar 20 Mev. Sebagian besar dari radiasi yang terjadi dalam peralatan nuklir dengan energi

20 Mev.

1. Interaksi – interaksi Neutron

Neutron adalah partikel yang tidak mempunyai muatan, oleh karena itu

interaksinya dengan materi sangat berbeda dengan interaksi partikel bermuatan.

Neutron bebas dari pengaruh medan listrik coulomb,,akibatnya neutron bebas

mendekati bahkan masuk ke inti atom dan menembusnya. Jika suatu neutron masuk

menembus inti dan keluar lagi, maka hanya terjadi peristiwa hamburan (scattering).

Hamburan ini dapat berupa hamburan elastis dan in elastis.

Neutron dapat berinteraksi dengan inti dalam berbagai acara sebagai berikut :

Hamburan elastis

Neutron menumbuk inti yang terletak dalam keadaan diam, kemudian neutron

keluar dari inti dan meninggalkan inti dalam keadaan seperti semula (tak mengalami

eksitasi). Interaksi ini disingkat dengan simbol (n,n). Ringkasnya hamburan dikatakan

elastis, jika keadaan sistem tetap seperti semula (unexcited).

Hamburan inelastis

Hamburan menjadi inelastis, jika inti yang ditinggalkan setelah terjadi

interaksi dalam keadaan tereksitasi. Karena energi diterima oleh inti, ini merupakan

interaksi endotermik. Hamburan inelastis ini disimbolkan dengan (n,n’). Inti yang

dalam keadaan tereksitasi tersebut dalam meluruh dengan mengemissi sinar ɣ . dalam

peristiwa ini, karena sinar ɣ berasal dari hamburan inelastis maka sinar tersebut

disebut sinar ɣ inelastis.

Penangkapan Radiasi

4

Dalam hal ini neutron ditangkap oleh inti dan mengemissi satu atau lebih sinar

ɣ yang disebut capture ɣ - rays. Peristiwa ini adalah interaksi eksotermik dan

disimbolkan dengan (n, ɣ). Karena neutron asli tersebut diserap, proses ini adalah

salah satu contoh dari bentuk interaksi yang dikenal dengan reaksi penyerapan.

Reaksi – reaksi partikel bermuatan

Neutron – neutron yang hilang sebagai hasil dari reaksi penyerapan tipe (n,α)

dan (n,p). Reaksi – reaksi tersebut dapat berupa reaksi eksotermik atau endotermik.

Reaksi – reaksi penghasil neutron

Reaksi – reaksi dari tipe (n,2n) dan (n,3n) terjadi dengan neutron yang

energitic. Reaksi – reaksi tersebut merupakan reaksi endotermik, karena di dalam

reaksi (n,2n) didapat 1 neutron dan dari (n,3n) diperoleh 2 neutron dari inti yang

tertumbuk. Reaksi tipe (n,2n) sangat penting dalam reaktor yang mengandung air

berat atau Berilium, karena dan mempunyai neutron yang terikat lemah,

sehingga dapt dengan mudah di injeksi.

Fisi (pembelahan)

Jika neutron menumbuk inti, inti akan terbelah atas bagian – bagian, yang

disebut mengalami fisi. Reaksi ini adalah merupakan sumber prinsip dari energi nuklir

untuk penggunaan praktis.

2. Penampang Lintang

Interaksi netron – netron dengan inti – inti atom dapat dilukiskan secara

kuantitatif dengan menggunakan pengertian penampang lintang. Hal tersebut

didefenisikan oleh eksperimen berikut. Jika berkas dari netron – netron yang mono

energi bertumbukan dengan target yang tipis dengan ketebalannya X dan luas Q. Jika

n adalah netron per cm³ dan v adalah kecepatan netron – netron maka Intensitas

berkas adalah :

I = n v ......................(2.1)

Karena netron bergerak dengan jarak v dalam 1 detik sehingga semua netron –

netron dalam volume vQ didepan target akan menumbuk target dalam 1 detik,

5

sehingga : nvQ = IQ , IQ/Q = I , adalah merupakan jumlah netron – netron yang

menumbuk target per cm² / detik.

Karena inti kecil dan target dianggap tipis, maka sebagian besar netron –

netron yang bertumbukan dengan target pada umumnya melewati target tanpa

berinteraksi dengan beberapa inti. Jumlah dari netron yang bertumbukan berbanding

lurus dengan intensitas berkas, kerapatan atom N target dan luas Q, serta ketebalan

target X. Berdasarkan hasil penyelidikan dapat disimpulkan dengan persamaan

sebagai berikut:

Jumlah tumbukan per detik = σINQX .................(2.2) (dalam seluruh target)

Dengan σ adalah konstanta pembanding yang disebut dengan penampang

lintang. Faktor NQX dalam persamaan 2.2 adalah jumlah total inti dalam target.

Jumlah tumbukan per detik dengan satu inti adalah tepat sama dengan σI. Maka σ

adalah sama dengan jumlah tumbukan per detik dengan satu inti per satuan intensitas

berkas.

Ada cara lain untuk membuat konsep penampang lintang. Total netron –

netron yang bertumbukan perdetik adalah IQ. Sedangkan interaksinya dengan

beberapa inti adalah σI, maka dapat disimpulkan untuk itu adalah :

σ

=

σ

.............. (2.3)

Adalah probabilitas berkas netron yang menumbuk inti.

Dari persamaan akan terlihat bahwa σ mempunyai satuan luas. Sesungguhnya,

σ adalah tidak lebih dari luas penampang lintang yang efektif yang disebut dengan

penampang lintang, dilambangkan dengan σ .

Penampang lintang netron dinyatakan dalam satuan barn yang disimbolkan

dengan huruf b, 1 barn sama dengan cm².

Dianggap berkas netron menumbuk seluruh target. Walaubagaimanapun juga,

dalam beberapa eksperimen bahwa sesungguhnya berkas netron mempunyai diameter

6

lebih kecil dari diameter target. Rumus 2.3 masih dipakai hanya saja sekarang Q

merupakan daerah berkas sebagai ganti daerah target. Dan defenisi dari penampang

lintang tetap sama.

Masing – masing proses yang digambarkan dalm seksi 2.1 yang merupakan

interaksi netron – netron dengan inti, ditunjukan oleh karkteristik penampang lintang.

Hamburan elastis digambarkan oleh penampang lintang elastis ( σ ѕ), hamburan

inelastis oleh penampanglintang in-elastis (σi), reaksi (n,ɤ) atau penangkapan radiasi

oleh penampang lintang penangkapan, fisi oleh penampang lintang fisi σ dan

sebagainya. Jumlah dari semua penampang lintang untuk semua kemungkinan

terjadinya interaksi yang disebut penampang lintang total disimbolkan dengan σ

yaitu :

= + + + + ...... (2.4)

Penampang lintang total adalah ukuran – ukuran dari berbagai interaksi yang

akan terjadi ketika netron menumbuk target. Jumlah penampang lintang dari semua

reaksi penyerapan yang disebut penampang lintang penyerapan, disimbolkan dengan

σ ,

Yaitu sebagai berikut :

= + + + + ...... (2.5)

Dengan adalah penampang lintang reaksi (n,p), dan adalah

penampang lintang reaksi (n,α).

Fisi yang terdapat pada persamaan (2.5) dinyatakan sebagai suatu proses

penyerapan.

Dengan yang telah diuraikan sebelumnya, penampang lintang ini jumlah

probabilitas suatu tumbukan dari berbagai tipe yang terjadi. Karena QX adalah

volume total target, jika persamaan dibagi dengan volume total ini akan menghasilkan

kerapatan tumbukan ( F ) yang diberikan dengan rumus :

7

F = I N ...........(2.7)

Hasil kali kerapatan atom dengan penampang lintang seperti yang terdapat

pada persamaan diatas sering ditemui dalam persamaan (2.7) teknik nuklir, dengan

N σ = Ʃ yang disebut penampang lintang makroskopik, sedangkan N = adalah

penampang lintang hamburan makroskopik dan lain – lainnya. Karena N satuannya

dan σ adalah cm² maka satuannya Ʃ adalah . Dalam bentuk penampang

lintang makroskopik maka persamaan dapat ditulis sebagai berikut :

F = I .............. (2.8)

2.3 ATENUASI NETRON

Dalam seksi ini digunakan target tebal, dengan ketebalan X yang diletakkan

dalam satu arah berkas dengan intensitas , dan sebuah detektor netron diletakkan

di belakangnya dengan jarak tertentu. Dengan anggapan bahwa target dan detektor

begitu kecil, dan detektor membentuk sudut kecil terhadap target. Dalam peristiwa ini

setiap netron yang bertumbukan di dalam target akan melepaskan cahaya, dan hanya

netron tersebut yang tidak berinteraksi, kemudian masuk ke detektor.

Jika I (X) intensitas dari neutron – neutron yang tak bertumbukan setelah

masuk ketarget sejauh x. Kemudian dalam melewati pertambahan jarak dx intensitas

berkas yang tidak bertumbukan akan dikurangi oleh jumlah neutron – neutron yang

bertumbukan dalam target tipis dengan luasnya 1 cm² dan mempunyai ketebalan dx.

Dalam persamaan (2.2) pengurangan intensitas diberikan oleh

- d I (x) = N I (x) dx = I (x) dx ....... (2.9)

Persamaan (2.9) dapat diintegrasi menghasilkan

I (X) = ...... (2.10)

Intensitas neutron – neutron yang tidak bertumbukan menurun secara

eksponensial terhadap jarak dalam target. Intensitas berkas dari neutron – neutron

yang tidak bertumbukan yang muncul dari target adalah

8

I (X) = ...... (2.11)

Intensitas inilah yang diukur oleh detektor.

Jika target sangat tebal seperti pada pelindung radiasi, yang menyebabkan

hampir semua neutron datang akan mempunyai sekurang – kurangnya satu tumbukan

dalam target, sehingga bagian terbesar dari neutron – neutron yang muncul akan

mengalami hamburan dengan target. Karena neutron – neutron tertentu saja yang

dapat memenuhi persamaan 2.11.

Jadi persaman ini tidak dapat dipakai untuk menghitung keefektivitas dari

sebuah pelindung (shield). Dan juga akan dapat mengabaikan bagian terbesar

komponen terpenting dari radiasi yang muncul yaitu neutron – neutron yang

dihamburkan.

Jika persamaan (2.9) dibagi dengan I (x), maka akan diperoleh sbb :

-

= dx ................. (2.12)

Kuantitas dI (x) adalah jumlah intensitas netron diluar jumlah I (x) yang

bertumbukkan dalam dx, sedangkan dI (x) /I (x) adalah probabilitas netron yang tidak

mengalami tumbukkan sampai ketebalan x, dan yang akan mengalami tumbukkan

dalam dx berikutnya. Oleh karena itu dx pada persamaan (1.12) adalah

probabilitas netron yang akan mengalami tumbukkan dalam dx berikutnya. Sehingga

dapat disimpulkan bahwa adalah probabilitas suatu netron per satuan panjang

jejak yang akan mengalami tumbukkan selama netron tersebut bergerak dalam

medium.

Perbandingan I(x) / = adalah probabilitas netron sampai ketebalan x

tanpa mengalami tumbukan.

Kuantitas p(x) dx adalah probabilitas netron yang mempunyai tumbukkan

pertamanya dalam dx setelah x. Hal ini sama dengan probabilitas netron yang

bertumbukan dalam dx dikali dengan probabilitas netron yang tanpa mengalami

tumbukkan sampai ketebalan x . p(x) diberikan oleh :

9

P (x) dx = . dx =

dx

adalah probabilitas netronper satuan panjang jejak. Jarak rata – rata dari

satu netron yang bergerak diantara tumbukan – tumbukan disebut jalan bebas rata –

rata ( mean free path ).

Kuantitas ini disimbolkan dengan λ , adalah sama dengan harga rata – rata x,

jarak yang ditempuholeh satu netron tanpa mengalami satu tumbukan. Fungsi

probabilitas adalah :

λ = ∫

x p (x) dx

= ∫

x dx

= 1/ .................................. (1.13)

Berikutnya satu campuran homogen dari dua macam inti x dan y yang

kerapatannya dan atom/cm³, dan mempunyai penampang lintang dan

untuk beberapa interaksi tertentu. Probabilitas per unit path dari satu netron yang

bertumbukan dengan inti, untuk tipe pertama adalah = . Dan untuk inti

tipe kedua adalah = . Jadi probabilitas total per unit path dari interaksi

satu netron dengan inti yang pertama maupun terhadap inti yang kedua, adalah

Ʃ = + = + ............................ (2.14)

Jika inti atom – atom tersebut terikat dalam satu molekul maka persamaan

(2.14) dapat digunakan untuk mendefenisikan suatu penampang lintang ekivalen

untuk molekul. Hal ini dapat dikerjakan dengan sederhana yaitu dengan jalan

membagi penampang lintang makroskopik dari campuran tersebut dengan jumlah

molekul per satuan volume. N adalah molekul – molekul per cm³, sedangkan

= mN dan = n N dan dari persamaan 2.14 maka penampang lintang untuk

molekul adalah :

10

σ =

= m + n ...............................(2.15)

Persamaan 2.14 dan 2.15 berdasarkan pada asumsi bahwa inti X dan Y

bergerak sendiri – sendiri satu sama lainnya bila mereka berinteraksi dengan netron.

Ini berlaku untuk semua interaksi netron kecuali hamburan elastis oleh molekul dan

zat padat.

Penampang lintang hamburan energi rendah untuk zat – zat seperti ini harus

diperoleh melalui percobaan.

2.4 Data Penampang Lintang Netron

Semua penampang lintang netron adalah fungsi dari energi netron datang,

karakteristik inti target. Faktor – faktor tersebut harus dipertimbangkan dalam

memilih bahan – bahan nuklir.

Kebanyakan data penampang lintang yang dibutuhkan untuk kegunaan umum,

diperoleh dari BNL – 325. Sebelumnya diterangkan dulu tentang data, karena data

penting untuk memikirkan mekanisme interaksi netron dengan inti.

Pembentukan Inti Gabungan

Kebanyakan interaksi netron diawali dengan dua langkah, netron datang,

tumbukan netron dengan inti target membentuk inti gabungan. Jika inti target adalah

, inti gabungan menjadi . Inti gabungan tersebut dapat meluruh dalam

berbagai cara. Misalnya jika netron dengan energi 1 MeV menumbuk target ,

inti gabungan akan menjadi .

Dan inti gabungan ini akan melurh dengan jalan mengemissi netron elastis

atau netron inelastis.

Satu ciri atau bentuk tumbukkan dari interaksi yang menghasilkan inti

gabungan adalah penampang lintangnya dalam keadaan maxima pada energi tertentu

dari netron datang, maxima seperti itu disebut Resonansi.

Selanjutnya jika netron menumbuk inti akan terbentuk inti gabungan dalm

suatu keadaan tereksitasi yang mempunyai energi sama dengan energi kinetik netron

11

datang ditambah dengan energi pemisahan atau energi ikat netron dalam inti

gabungan.

Hamburan Elastis

Penampang lintang hamburan elastis sebagai fungsi energi netron datang dapat

dibagi dalam 3 daerah yang berbeda – beda. Pertama, daerah energi rendah,

mendekati konstan. Hamburan dalam daerah ini tidak terjadi oleh pembentukan inti

gabungan, hanya saja karena ada gaya dari inti target sewaktu dilewati netron.

Penampang lintang untuk potensial hamburan adalah :

(potensial hamburan) = 4Л R² .......................... (2.16)

dengan R adalah jari – jari inti.

Diatas daerah potensial hamburan adalah daerah resonansi selama

pembentukan inti gabungan. Pada saat energi masih lebih tinggi, resonansi berkumpul

sampai sedemikian besar yang mana masing – masing resonansi tidak dapat lagi

dipecahkan dan dalam daerah inti

Turun dengan lambat setiap pertambahan energi.

FISI (Pembelahan)

Ketika netron menumbuk inti fisile, hasilnya akan selalu mengalami fisi.

Sudah umum terjadi jika netron berinteraksi dengan inti mungkin dihamburkan secara

elastis, netron – netron ini mungkin diserap dalam penangkapan radiasi dan

sebagainya. Suatu inti yang mengalami fisi, akan membelah menjadi dua atau lebih.

Kenyataannya fisi simetri jarang terjadi. Fisi adalah a simetri sehingga massa kedua

bagian tersebut, pada dasarnya sangat berbeda, dimana medan hasil fisi adalah

persentase dari fragmen – fragmen fisi yang dihasilkan dengan nomor massa, adalah

ditunjukkan sebagai fungsi dari A, untuk fisi yang disebabkan oleh netron termal

dalam . dengan meningkatnya energi netron datang, fisi menjadi lebih simetri.

Ketika hasil fisi terbentuk pertama kalinya, hasil ini secara berturut –turut

menghasilkan netron, yaitu mereka mengandung lebih banyak netron dari pada yang

dibutuhkan untuk stabilitasnya, sehingga akibatnya mereka meluruh dengan

12

mengemisi berturut – turut sinar , yang diikuti oleh sinar ɤ. Contohnya isotop

(palladium- 115) dihasilkan langsung dalam fisi dan meluruh secara berantai.

→ Ag

→ Cd

→ In – (stabil).

Banyak hasil fisi yang meluruh secara berantai dari macam ini telah dapat

diidentifikasikan dan dapat ditarik kesimpulan dari data pada daftar nuklida – nuklida.

13

KESIMPULAN

1. Jika inti yang ditinggalkan setelah terjadi interaksi dengan neutron mengalami

eksitasi maka dapat meluruh dengan mengemisi sinar γ. Emisi sinar γ dapat

merusak DNA, mengakibatkan luka bakar, merusak jaringan sel sehatdan

mengakibatkan kerusakan organ dan menyebabkan kematian. Selain dampak

negative, terdapat dampak positif yaitu dapat membunuh mikroorganisme

yang bisa memperpanjang tempo penyimpanan makanan kaleng atau makanan

yang dikemas, penyembuhan kanker, serta sebagai bahan senjata nuklir.

2. Keradioaktifan hasil – hasil fisi adalah penyebab dari sejumlah masalah dalam

pemanfaatan energi nuklir. Untuk suatu hal, hasil – hasil fisi terakumulasi

dalam suatu operating reaktor sebagai bahan bakar yang mengalami fisi, dan

perluasan dalam tindakan pencegahan harus menjamin bahwa unsur – unsur

yang radioaktif tersebut tidak akan menyebar ke lingkungan sekitarnya.

Selanjutnya panas yang dilepaskan oleh hasil fisi yang meluruh dapat sangat

besar, sehingga reaktor harus didinginkan setelah shutdown untuk mencegah

kerusakan bahan bakar.

3. Emisi radiasi yang terus menerus dari hasil – hasil fisi juga cenderung untuk

menjadi bagian dari reaktor yang tidak dapat teratasi setelah reaktor shutdown,

karena hasil – hasil fisi menyimpan bahan bakar yang radioaktifnya tinggi.

Ketika dipindahkan dari reaktor harus didinginkan yang biasanya memakan

waktu yang cukup lama sebelum dapat di proses.

14

DAFTAR PUSTAKA

Burcham, W.E., Nuclear Physics. New York : Mc Graw-Hill, 1963,Part D.

Foderaro, A., The Elements of Neutron Interaction Theory. Cambridge, Mass: MIT Press,

1971.

Glasstone, S., And A. Sesonske, Nuclear Reactor Engineering. New York: Van Nostrand,

1967, Chapter 2.

Lamarsh, J.R., Introduction to Nuclear Reactor Theory, Reading Mass., : Addison-Wesley,

1966, Chapter 2 and 3.