Radioaktivitas - Partikel Alfa

Dalam tulisan berikut ini saya akan mencoba membahas tentang radioaktivitas. Pertama, kita harus memahami definisi dari radioaktivitas. Radioaktivitas menurut definisi dari Herman Chamber dalam bukunya yang berjudul Health Physics Introduction adalah Transformasi - transformasi inti - inti (nuklir) yang terjadi secara spontan dan menyebabkan terbentuknya unsur - unsur baru. Transformasi ini disertai dari salah satu dari beberapa mekanisme yang berbeda yaitu emisi partikel alfa, emisi partikel beta dan positron serta penangkapan elektron orbital. Masing - masing dari mekanisme yang terjadi mungkin disertai emisi partikel gama namun mungkin juga tidak. Berbagai cara transformasi radioaktif ditentukan oleh dua faktor yaitu 1. Ketidakstabilan inti. Yaitu apakah rasio netron terhadap proton terlalu tinggi atau terlalu rendah 2. Hubungan massa - energi antara inti atom induk (parent nucleus), inti atom anakan (daughter nucleus) serta partikel yang dipancarkan. Pada tulisan saya ini, saya akan membahas salah satu emisi radioaktivitas yaitu emisi pertikel alfa, sedangkan untuk yang lain insya Allah akan dibahas pada tulisan saya yang berikutnya. Emisi Partikel Alfa Partikel alfa pada dasarnya terdiri dari 2 proton dan 2 netron atau identik dengan inti helium. Partikel ini sangat masif dan berenergi tinggi serta dipancarkan dari inti isotop radioaktif yang memiliki rasio netron terhadap proton yang terlalu rendah. 84210Po ----------------> 24He + 82206Pb Pada contoh tentang peluruhan Polonium diatas dapat dilihat bahwa rasio netron terhadap proton dari polonium adalah 1.5 : 1 . Namun setelah mengalami peluruhan dengan menembakkan partikel alfa, maka dihasilkan unsur Pb-82 yang stabil dengan rasio netron terhadap proton 1,51 : 1 Suatu inti yang memancarkan partikel alfa, terkadang meninggalkan keadaan eksitasi pada inti anakan, yang kemudian menghasilkan emisi sinar gamma untuk mengembalikan inti pada keadaan dasar (stabil). Seperti contoh yang terjadi pada tranformasi inti 226Ra menjadi 222Rn dimana energi partikel alfa sebesar 7.77 MeV dipancarkan sehingga mengghasilkan inti 222Rn yang stabil. dan energi partikel alfa sebesar 4,591 MeV dipancarkan dan meninggalkan keadaan tereksitasi yang kemudian kembali ke keadaan stabil dengan sebelumnya memancarkan sinar gamma sebesar 0.186 MeV. Yang menjadi misteri menurut Fisika Klasik, partikel alfa tidaklah memiliki cukup energi untuk keluar dari potensial barier inti. Hal ini diketahui setelah radius inti dapat ditentukan melalui Eksperimen Hamburan Rutherford sehingga memungkinkan diketahuinya tinggi potensial barier pada inti atom yang ternyata memiliki energi yang lebih tinggi dari energi partikel alfa yang mampu diamati dalam eksperimen. Pemecahan atas masalah ini muncul dalam mekanika kuantum yakni sebuah partikel alfa dapat terlepas dari sumur potensialnya melalui efek terobosan kuantum.

Partikel alfa, karena memiliki muatan listrik dan massa yang relatif besar menyebabkan partikel ini memiliki kemampuan yang sangat terbatas dalam menembus bahan dan menjadi cepat kehilangan energi di udara. Sehelai kertas tisu bahkan kulit mati tsudah cukup tebal untuk menyerap semua radiasi alfa yang keluar dari bahan - bahan radioaktif. Ini mengakibatkan radiasi alfa yang berasal dari sumber - sumber di luar tubuh bukan merupakan sebuah bahaya. Namun akan menjadi bahaya jika isotop -isotop pemancar alfa tersebut terendap secara internal (di dalam tubuh) seperti terhirup, tertelan, atau bahkan terserap ke dalam aliran darah. Sehingga tidak ada lagi shielding effect berupa lapisan terluar kulit mati. Ini dapat menyebabkan radiasi alfa tersebut dihamburkan pada jaringan hidup, sehingga berakibat toksin, yakni menimbulkan resiko kanker, khususnya setelah diketahui bahwa radiasi alfa dapat menyebabkan kanker paru - paru ketika sumber radiasi alfa tak sengaja terhisap. Muatan positif dari partikel alfa sangat berguna dalam industri. Misalnya, radium-226 dapat digunakan untuk pengobatan kanker, yakni dengan memasukkan jumlah kecil radium ke daerah yang terkena tumor. Polonium-210 berfungsi sebagai alat static eliminator dari paper mills di pabrik kertas dan industri lainnya. Beberapa Detektor asap memanfaatkan emisi alfa dari americium-241untuk membantu menghasilkan arus listrik sehingga mampu membunyikan alarm saat kebakaran.Radioaktivitas

Partikel Beta merupakan suatu partikel subatomik yang terlempar dari inti atom yang tidak stabil - beta. Partikel tersebut ekuivalen dengan elektron dan memiliki muatan listrik negatif tunggal -e ( -1,6 x 10-19 C ) dan memiliki massa yang sangat kecil ( 0.00055 atomic mass unit ) atau hanya berkisar 1/2000 dari massa neutron atau proton. Perbedaannya adalah partikel beta berasal dari inti sedangkan elektron berasal dari luar inti. Kecepatan dari partikel beta adalah beragam bergantung pada energi yang dimiliki oleh tiap - tiap partikel. Karena pertimbangan - pertimbangan teoritis tidak memperkenankan eksistensi independen dan dari elektron intra nuklir, maka dipostulatkan bahwa partikel terbentuk pada saat pemancaran oleh transformasi suatu neutron menjadi sebuah proton dan sebuah elektron sesuai dengan persamaan 01n -------->11H + -10e Transformasi tersebut memperlihatkan bahwa penurunan beta terjadi diantara isotop - isotop yang memiliki kelebihan jumlah neutron. Sehingga neutron yang berlebih tersebut bertransformasi menjadi proton dan elektron seperti yang telah dijelaskan diatas, proton yang dihasilkan dari transformasi tersebut akan tetap berada pada inti, sedangkan elektron yang dihasilkan akan terlempar dengan energi yang tinggi. Proses ini akan mengakibatkan jumlah neutron dari suatu atom tersebut berkurang satu sedangkan jumlah protonnya bertambah satu. Karena jumlah proton dari suatu atom menentukan unsur, maka transformasi neutron menjadi proton tersebut akan merubah radionuklida tersebut menjadi unsur yang lain. Seperti contoh transformasi fosfor radioaktif yang menjadi sulfur stabil yang sesuai dengan persamaan :

15 32P -------->16 32S + -1 0e + 1,71 MeV Dapat diperhatikan bahwa - seperti yang telah dijelaskan, selama transformasi beta terdapat satu muatan negatif yang hilang, dan karena massa partikel beta jauh lebih kecil daripada 1 amu (atomic mass unit ), maka inti anakan akan memiliki nomer atom yang lebih besar 1 amu daripada nomer atom induk, sedangkan nomer massa akan tetap 32 amu. Energi transformasi dalam contoh ini sebesar 1,71 MeV merupakan energi yang setara dengan selisih massa antara inti 32P dan jumlah inti 32S ditambah dengan partikel Beta. Energi ini muncul sebagai energi kinetik dari partikel beta tersebut. Eksperimen terhadap peluruhan beta mengungkapkan bahwa partikel beta dipancarkan dengan suatu distribusi yang kontinu yang berkisar dari nol hingga nilai yang diharapkan secara teoritis yang didasarkan pada pertimbangan - pertimbangan energi - massa untuk transisi beta khusus , bukan monoenergitik seperti halnya partikel alfa. Anomali lain adalah fakta bahwa nuclear recoil tidak berada pada arah yang berlawanan dengan momentum elektron. Terjadinya pancaran partikel lain adalah penjelasan yang paling mungkin untuk menjelaskan tingkah laku ini, tetapi eksperimen tidak menemukan sebuah bukti berupa massa dan muatan lain dari peristiwa ini. Fakta ini nampaknya menyimpang dari hukum hukum kekekalan energi dan massa. Untuk menghindari penyimpangan ini, pada tahun 1930, Pauli mengusulkan suatu hipotesa tentang keberadaan suatu partikel yang disebut dengan neutrino yang menyertai partikel beta yang energinya sama dengan selisih antara energi kinetik yang menyertai partikel beta dan energi maksimum dari distribusi spektrum, neutrino - seperti yang didalilkan haruslah tidak bermuatan dan memiliki massa yang tak berhingga kecilnya, sehingga dengan karakteristik ini maka partikel ini akan sangat sulit dideteksi. Namun demikian pembuktian akan keberadaan partikel ini secara eksperimental barulah tercapai pada tahun 1950. Sehingga persamaan transformasi beta harus dimodifikasi menjadi 01n -------->11H + -10e + dengan adalah neutrino Fosfor-32, seperti halnya pemancar beta yang lain yang meliputi H-3, C-14, Y-90, tidak memancarkan sinar gamma (disebut sebagai pemancar beta murni). Lawan dari pemancar beta murni adalah pemancar beta - gamma (partikel beta (dengan seketika) diikuti oleh pemancaran sinar gamma) dalam hal ini Inti anakan setelah terjadi pemancaran sinar beta akan tertinggal dalam keadaan teraktivasi, dan keumdian energi aktivasi tersebut dilepaskan melalui pemacaran sinar gamma. Salah satu contoh isotop pemancar beta-gamma adalah Hg-203 Daya tembus partikel beta untuk menembus jaringan bergantung pada energi yang dimiliki partikel tersebut, sehingga radiasi partikel beta juga merupakan bahaya radiasi eksternal jika memiliki energi diatas 200 keV sehingga tingkat bahaya haruslah dievaluasi untuk setiap kasus. Sinar - sinar beta yang energinya kurang dari 200 keV tidak dianggap sebagai bahaya radiasi eksternal karena memiliki daya tembus yang sangat terbatas seperti halnya S-35 dan C-14. Namun yang perlu diperhatikan adalah bahwa sinar - sinar beta akan memicu sinar-X Bremsstrahlung yang berdaya tembus tinggi jika

dihentikan melalu shielding yang tidak dirancang sebagaimana mestinya dan langkah - langkah pencegahan yang sesuai tidak dilakukan. Penyinaran langsung dari partikel beta adalah berbahaya karane emisi dari pemancar beta yang kuat bisa memanaskan atau bahkan membakar kulit. Namun masuknya pemancar beta melalui penghirupan dari udara menjadi perhatian yang serius karena partikel beta langsung dipancarkan ke dalam jaringan hidup sehingga bisa menyebabkan bahaya di tingkat molekuler yang dapat mengganggu fungsi sel. Karena partikel beta begitu kecil dan memiliki muatan yang lebih kecil daripada partikel alfa maka partikel beta secara umum akan menembus masuk ke dalam jaringan, sehingga terjadi kerusakan sel yang lebih parah. Radionuklida pemancar beta terdapat di alam dan juga merupakan buatan manusia. Seperti halnya Potassium - 40 dan Carbon-14 yang merupakan pemancar beta lemah yang ditemukan secara alami dalam tubuh kita. Pemancar beta digunakan untuk medical imaging, diagnosa, dan prosedur perawatan (seperti mata dan kanker tulang), yakni technetium-99m, phosphorus-32, and iodine-131. Stronsium-90 adalah bahan yang paling sering digunakan untuk menghasilkan partikel beta. Partikel beta juga digunakan dalam quality control untuk menguji ketebalan suatu item seperti kertas yang datang melalui sebuah system of rollers. Beberapa radiasi beta diserap ketika melewati produk. Jika produk yang dibuat terlalu tebal atau terlalu tipis maka radiasi dengan jumlah berbeda akan diserap. Sebuah program computer akan memantau kualitas dari kertas yang diproduksi tersebut berdasarkan jumlah radiasi yang diteruskan melalui kertas tersebut, sehingga program komputer tersebut memindahkan rollers untuk mengubah ketebalan sesuai dengan kualitas yang telah ditentukan sebelumnya. Namun bagaimanapun, pada akhirnya Penggunaan pemancar beta haruslah memerlukan sebuah perhatian khusus dari hal manfaat dan juga potensi dampak yang merugikan.Radioaktivitas - Positron

ika perbandingan neutron terhadap proton terlalu rendah sedangkan emisi partikel alfa tidak begitu energitik, pada suatu kondisi tertentu suatu inti astabil akan mencapai stabil dengan memancarkan positron. Tetapi apakah itu positron? Positron merupakan suatu partikel beta bermuatan positif. Hampir tidak ada yang membedakannya dengan partikel beta ataupun dengan suatu elektron biasa. Positron memliliki massa 0.000548 atomic mass unit serta bermuatan sebesar +1.6 x 1019 C. Sebagaimana diketahui bahwa inti atom akan kehilangan muatan positif jika memancarkan sebuah positron, inti anakan akan kehilangan satu nomer atom induk sehingga unsur anakan akan berbeda dengan unsur dari atom induk karena nomer atom akan mempengaruhi jenis suatu unsur . Sedangkan nomer massa atom anakan tidak akan berubah, seperti halnya transisi nuklir yang melibatkan elektron. Sebagai contoh transformasi 2211 Na menjadi 2210Ne berdasarkan persamaan reaksi 2211Na -------> 2210Ne + 01e +v

Selain perbedaan dalam hal muatan, elektron dan positron juga memiliki perbedaan yang lain, yakni keberadaannya. Elektron terdapat bebas di alam sedangkan positron memiliki eksistensi yang bersifat temporal. Di alam, positron - positron terjadi sebagai akibat interaksi antara sinar - sinar kosmik, kemudian menghilang dalam suatu materi hanya dalam waktu yang berorde mikro sekon setelah pembentukannya. Proses menghilangnya suatu positron merupakan hal yang menarik untuk ditelaah. Positron berpadu dengan sebuah elektron dan kedua partikel tersebut hancur yang kemudian diikuti dengan munculnya dua foton sinar gamma yang energinya sama dengan massa yang setara dengan positron dan elektron. Peristiwa ini dikenal dengan nama annihilasi. Sebagaimana halnya interaksi nuklir lainnya. Positron tidak terdapat secara independen dalam inti atom dan dipostulatkan bahwa positron dihasilkan dari satu transformasi suatu proton menjadi neutron dalam inti berdasarkan reaksi 11H ------->10n + 01e + v Kita ambil sebuah contoh, Natrium- 22, suatu isotop yang sangat berguna dalam sebuah penelitian biomedis bertransformasi menjadi 22Ne melalui dua mekanisme yang saling bersaing yakni 89,8% merupakan pemancaran Positron dan 10,2% merupakan peritiwa K-Capture . Kedua mekanisme ini menghasilkan 22Ne dalam keadaan teraktivasi, yang kemudian melepaskan energi aktivasinya sebagai sinar gamma dengan energi 1,277 MeV. Karena Positron mirip dengan elektron, maka bahaya radiasi yang ditimbulkan positron itu sendiri sangat mirip dengan bahaya yang ditimbulkan partikel beta, Perlu diperhatikan pula bahwa radiasi gamma yang ditimbulkan dari peristiwa annihilasi positron, membuatt semua isotop - isotop pemancar positron sebagai unsur yang mempunyai bahaya radiasi eksternal.