RADIOAKTIVITAS

OLEH :

Komang Suardika (0913021034)

JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS MIPA

UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA

SINGARAJA

2011

1

1. Pengertian dan Penemuan Radioaktivitas

Radioaktivitas merupakan suatu fenomena dimana suatu bahan mampu

memancarkan radiasi. Unsur radioaktif merupakan suatu unsur atau bahan yang

mampu memancarkan radiasi dan tidak dipengaruhi oleh perubahan fisika dan

kimia. Adapun perubahan fisika seperti perubahan tekanan, temperature dan

volume maupun bentuk unsur tersebut sedangkan perubahan kimia seperti

perubahan susunan molekul-molekul atomnya. Adapun ciri-ciri radiasi yaitu:

(1) memiliki daya tembus kuat,

(2) dapat mengionisasi, dan

(3) menunjukkan gejala apabila dilewatkan pada medan magnet dan

listrik.

2. Jenis-jenis Sinar Radioaktif

Dari hasil penelitian diperoleh ciri-ciri sinar radioaktif yaitu sebagai

berikut.

a.Daya tembus sangat kuat

b. Dapat mengionisasi gas-gas yang berbeda

c.Kelakuan atau sifat di bawah pengaruh medan magnet dan medan listrik

Sebuah percobaan sederhana dilakukan oleh Curie untuk mengecek

keberadaan tiga jenis sinar radiasi yang dipancarkan oleh bahan radioaktif seperti

ditunjukkan pada gambar (1).

(1) komponen sinar yang dibelokkan ke kanan adalah bermuatan positif

merupakan partikel α,

(2) komponen sinar yang dibelokkan ke kiri adalah bermuatan negatif

merupakan partikel β, dan

(3) komponen sinar yang tidak dibelokkan adalah tidak bermuatan

merupakan partikel γ.

2

Gambar (1)

.

α

γ

β

Kotak timbal

B (medan magnetik keluar bidang)

Plat foto

Radium

Adapun sifat-sifat ketiga sinar radioaktif tersebut adalah sebagai berikut.

a. Partikel alfa (α), adapun sifat-sifat partikel alfa adalah sebagai berikut.

Daya tembus lemah yaitu hanya bisa menembus selembar kertas.

Daya ionisasi tinggi

Mengalami pembelokkan pada medan listrik dan medan magnet.

Rasio muatan per massanya (e/m) dua kali e/m muatan hidrogen.

e/m partikel alfa : 4823 emu/gm

e/m partikel hidrogen : 9650 emu/gm

e/m diperoleh dari hasil ekperimen dengan metode defleksi ion positif

oleh medan magnet dan medan listrik (metode untuk menentukan besar

e/m)

Mampu menyebabkan memendarnya/berpijarnya suatu bahan, karena

adanya tumbukan partikel alfa terhadap layar flourensi. Kecepatan

partikel alfa antara 1,4 x 109 cm/sec sampai 2,2 x 109 cm/sec.

b. Partikel Betha (β)

Daya tembusnya 100 kali lebih kuat dari partikel α

Daya ionisasinya lebih kecil dari partikel α

Mengalami pembelokan oleh medan magnetik dan medan listrik yang

mana besar sudut belok untuk partikel β lebih besar dari partikel α sebab

massa partikel β lebih kecil dari partikel α.

Rasio muatan permassanya adalah (e/m) sebanding dengan 1,77 x 107

amu/gm.

Memiliki kemampuan atau daya memendarkan atau memijarkan suatu

bahan yang sangat bagus dan warnanya tergantung dari bahan

flourensasinya.

Partikel β memiliki kecepatan sebesar 0,99 c.

c. Partikel Gamma (γ)

Daya tembusnya paling besar yaitu sebesar 100 kali partikel β

Memiliki daya ionisasi sangat lemah

Tidak dapat dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet sebab

partikel γ tidak bermuatan.

3

Sinar γ merupakan gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang

gelombang antara 1,7 x 10-10 cm sampai 4,1 x 10-8 cm.

Kecepatan sinar gamma (γ) sama dengan kecepatan cahaya sehingga

energinya paling besar.

Daya tembus sinar alfa, beta dan gamma pada bahan

Dalam bentuk tabel perbedaan ketiga sinar radioaktif tersebut dapat disajikan

sebagai berikut.

Tabel 1. Sifat-sifat sinar α, β, dan γ

Jenis Identik dengan MuatanKelajuan sampai dengan

Diserap olehDalam medan magnetik dan

listrik

Sinar α inti Helium+ 2e

selembar kertas

dibelokkan

Sinar β Elektron kecepatan tinggi -1e

selembar aluminium setebal 3 mm

dibelokkan dengan kuat

Sinar γ Radiasi elektromagnetik frekuensi tinggi

0 cselembar timbal setebal 3 cm

tidak dibelokkan

3. Peluruhan Radioaktif

Peluruhan radioaktif. adalah suatu proses dimana inti mengemisikan atau

memancarkan partikel α dan β, sinar γ dan partikel lainnya atau suatu proses

dimana inti menangkap elektron dari kulit terluarnya disebut peluruhan

radioaktif. Dalam satu gram zat radioaktif terdapat miliaran atom radioaktif.

Atom-atom tersebut akan memancarkan sinar radioaktif (α, β, atau γ) untuk

menjadi inti stabil maupun inti yang baru yang belum stabil.

1. Hukum Peluruhan Radioaktif

Laju peluruhan radioaktif dalam suatu bahan radioaktif disebut aktivitas

(dilambangkan dengan huruf A). Aktivitas hanya ditentukan oleh banyaknya

4

β

α

γ

papan aluminium timbal

inti yang meluruh per sekon. Jika peluang tiap inti untuk meluruh disebut

tetapan peluruhan (Lambang λ), maka aktivitas bahan bergantung pada

banyaknya inti radioaktif alam bahan (N) dan tetapan peluruhan (λ). Secara

matematis dapat ditulis menjadi:

Tetapan peluruhan λ memiliki harga berbeda untuk inti yang berbeda tetapi

konstan terhadap waktu. ”Aktivitas A didefinisikan sebagai laju peluruhan

sejumlah inti radioaktif terhadap waktu”. Makin banyak inti yang meluruh

per satuan waktu, makin besar A. Sehingga dapat dinyatakan bahwa:

tanda negatif menyatakan bahwa N berkurang terhadap bertambahnya

waktu. Berdasarkan persamaan (1) dan (2) didapatkan:

persamaan (3) dapat diintegralkan secara langsung dalam bentuk integral

tentu dengan batas N dari No → N dan t dari 0 → t, maka didapatkan:

Sehingga hukum peluruhan radioaktif dapat dirumuskan …..(5)

dengan: No = banyak inti radioaktif awal atau saat t = 0

5

N = banyaknya inti radioaktif setelah selang waktu t

e = bilangan natural = 2, 718......

λ = tetapan peluruhan (s-1)

Persamaan (5) menyatakan bahwa banyaknya inti induk berkurang secara

eksponensial terhadap waktu, yang mana persamaan tersebut disebut

hukum peluruhan radioaktif.

2. Waktu Paro

Waktu paro dari suatu unsur radioaktif adalah selang waktu yang

dibutuhkan agar aktivitas radiasi berkurang setengah dari aktivitas semula,

(dilambangkan t½). Hubungan antara konstan peluruhan λ dan umur paro t1 / 2

dapat ditentukan dengan mudah. Dan untuk waktu-paro akan berlaku, yaitu

apabila t = t1 / 2, dan aktivitas N telah menurun menjadi ½ N0. jadi,

Pada saat t = t½ maka N = ½ N0 sehingga berdasarkan persamaan (5)

diperoleh:

Oleh karena nilai ln 2 = 0,693 maka didapatkan: nilai waktu paro adalah

Karena t1 / 2 adalah waktu, maka λ adalah peluang per satuan waktu (det-1).

Selain kita dapat menghitung waktu paro dari suatu unsur radioaktif, dapat

juga ditentukan waktu hidup rata-rata (disimbolkan τ) suatu unsur

radioaktif. Waktu hidup rata-rata dari suatu unsur radioaktif dapat

ditentukan dengan menjumlahkan waktu hidup total inti dibagi dengan

jumlah total inti. Bila inti dN1 memiliki waktu hidup t1, dN2 memiliki waktu

hidup t2, dN3 memiliki waktu hidup t3, demikian seterusnya maka waktu

hidup rata-ratanya adalah:

6

Bila persamaan (6) ditulis kembali dalam bentuk integral maka diperoleh:

Substitusikan persamaan (5) ke persamaan (7) maka diperoleh:

Sehingga dieroleh …………………… (8)

Berdasarkan persamaan (8) maka dapat dinyatakan bahwa besarnya waktu

hidup rata-rata suatu unsur radioaktif berbanding terbalik dengan nilai

tetapan peluruhannya.

3. Satuan Radioaktivitas

Dalam satuan Internasional satuan aktivitas radiasi dinyatakan dalam

becquerel (disingkat Bq), sesuai dengan nama penemu radioaktivitas untuk

pertama kalinya, dimana:

Satuan yang paling sering digunakan oleh alat pengukur aktivitas radiasi

adalah curie (disingkat Ci). Satu curie didefinisikan sebagai banyaknya

peluruhan yang dilakukan oleh satu gram radium alam waktu satu sekon.

7

Berdasarkan hasil percobaan didapatkan waktu paro radium 1620 tahun

sehingga tetapan peluruhannya adalah:

Massa radium adalah 226 amu dan terdapat 6,02 x 1023 atom di dalam satu

gram atom radium, Sehingga satu gram radium mengandung:

Oleh karena itu, peluruhan rata-ratanya aalah:

Dengan menggunakan nilai t½ untuk bahan radium yang diberikan oleh

berbagai ilmuwan maka diperoleh nilai peluruhan tiap sekonnya bervariasi

ari 3,4 x 1010 sampai 3,7 x 1010 peluruhan dalam satu sekon, tetapi untuk

satu curie diambil 3,7 x 1010 , sehingga di dapat hubungan:

Satu curie merupakan satuan aktivitas yang cukup besa, sehingga di dalam

prakteknya sering igunakan satuan milicurie (mCi) dan mikrocurie (μCi)

yang mana penyetaraannya adalah sebagai berikut.

Karena masih adanya kebingungan untuk mendefinisikan satu curie maka

American National Bureau of Standards menetapkan satuan baru untuk

aktivitas radiasi yaitu rutherford (disingkat rd). satu rutherford

8

didefinisikan sama dengan 106 , adapun penyetaraannya adalah

sebagai berikut.

4. Peluruhan Radioaktif Berurutan

Peluruhan radioaktif berurutan dapat menghasilkan inti anak yang

sama dengan unsur radioaktif alami maupun buatan. Peluruhan radioaktif

berurutan dapat diibaratkan sebagai berikut: suatu inti induk dari unsur

radioaktif meluruh menghasilkan inti anak kemudian inti anak tersebut

meluruh lagi menghasilkan inti cucunya dan begitu seterusnya berlangsung

hingga dihasilkan inti anak yang stabil maupun belum stabil tergantung dari

proses peluruhan yang dialaminya. Namun yang menjadi permasalahan

adalah bagaimana dengan jumlah atom pada masing-masing inti selama

proses peluruhan berlangsung. Adapun untuk mencapai solusinya dapat

dilakukan melalui perhitungan berikut ini.

Contoh skema peluruhan:

λ menyatakan peluang kejadian per satuan waktu.

Atau diagram di atas apat digambar sebagai berikut.

Berdasarkan persamaan (2) dinyatakan bahwa:

9

N3 (stabil)N2N1λ1 λ2

N3 (stabil)

λ2

N2

λ1

N1

Gambar (2)

Dengan: dN menyatakan jumlah atom yang meluruh dalam waktu yang

sangat singkat (dt) sedangkan merupakan laju peluruhan inti.

Dari diagram yang ditunjukkan pada gambar (2), dapat dibuatkan

persamaan peluruhannya yaitu sebagai berikut.

Untuk peluruhan berurutan:

Jika pada t = 0 N1 = N10 dan N2 = N3 = 0 maka N1 bisa dicari:

dtN

dN1

1

1

CtN lnln 1

Syarat t = 0, N1 =N10:

ln N10 = 0 + ln C

C = N1

Sehingga:

tN

N

tNN

NtN

10

1

101

101

ln

lnln

lnln

teNN 1101

...................................................................................(9)

Jumlah inti induk yang meluruh: teNNN 1110110

Jumlah N2 pada saat t adalah sebagai berikut:

22112 NN

dt

dN

11222 NN

dt

dN

10

teNNdt

dN1

101222

.................................................................(10)

Kalikan persamaan (10) dengan te 2, diperoleh:

tttt eeNeNdt

dNe 2122 .10122

2

atau

tt eNeNdt

d122

1012

...............................................................(11)

Integralkan persamaan (11), diperoleh:

CeNeN tt

12210

12

12

......................................................(12)

Dimana C adalah konstanta integrasi, dengan mengalikan te 2

menghasilkan persamaan:

tt

t eCeNN 21 .1012

12

......................................................(13)

Nilai dari konstanta integrasi ditentukan dengan cacatan bahwa, apabila t = 0 dan N2 = N20 = 0, sehingga diperoleh:

1012

1 NC

Substitusi nilai C ke persamaan (12), dan membagi kedua sisi dengan te 2,

diperoleh:

tt eeNN 2110

12

12

.........................................................(14)

Dengan cara yang sama, dengan kondisi N3 = N30 = 0 pada t = 0, diperoleh:

tt eeNN 12

12

2

12

1103 1

.......................................(15)

11

Karena persamaan (9), (12), dan (15) secara lengkap menguraikan jumlah atom pada keadaan t. Penyamaan dapat dilakukan untuk keadaan khusus di mana N1 = N10, dan N20 = N30 = 0, pada t = 0. Persamaannya menjadi:

teNN 1101

.................................................................................(16.a)

ttt eNeeNN 2212010

12

12

...............................................(16.b)

ttt eeNeNNN 122

12

2

12

11020303 11

...........(16c)

4. Keseimbangan Radioaktivitas

Pada keseimbangan radioaktif, akan diterapkan peluruhan berurutan untuk

beberapa kasus khusus. Ada dua kasus yang penting yaitu (a) dimana 21 dan

(b) dimana 21 . Untuk kasus yang pertama disebut dengan keseimbangan

transien dan yang kedua disebut dengan keseimbangan sekuler atau permanen.

a. Keseimbangan Transien

Keseimbangan transien tercapai apabila inti induk meluruh dengan

konstanta peluruhan mendekati konstanta peluruhan inti anak. Jika 21 maka

umur rata-rata inti induk besarnya pada orde yang sama ( ). Kondisi inti

anak dapat dilihat dari dua sisi setelah mencapai nilai N2 maksimal yaitu sebagai

berikut.

1. 21

Ketika inti induk memiliki konstanta peluruhan lebih kecil dari konstanta

peluruhan inti anak, dimulai dari persamaan (14) yaitu:

tt eeNN 2110

12

12

.....................................................(14)

Persamaan jumlah inti anak pada keadaan t akan mencapai maksimum. Untuk

mencapai maksimum diferensialkan persamaan (14) dan samakan dengan nol,

persamaan menjadi:

tt eeNdt

dNm 21

211012

12 0

12

1

2

12

1 log

mt ......................................................................(17)

Jika 21 maka τ1 > τ2, hal ini menandakan bahwa te 2 pada

persamaan (14) akan mendekati nol lebih cepat dari te 1 dan diabaikan.

Maka diperoleh:

teNN 110

12

12

....................................................................(18a)

112

1 N

............................................................................(18b)

12

1

1

2

N

N..............................................................................(19)

Rasio aktivitas konstan inti anak dengan inti induk dinyatakan sebagai

berikut.

12

2

11

22

1

2

/

/

N

N

dtdN

dtdN.................................................(20)

Berdasarkan persamaan (18a) menyatakan bahwa peluruhan inti anak

bergantung juga dengan nilai konstanta peluruhan inti induk . Sedangkan

persamaan (19) menyatakan bahwa perbandingan adalah konstan.

Sedangkan persamaan (20) menyatakan aktivitas inti anak lebih besar

daripada aktivitas inti induknya dengan adanya faktor . Pada kasus

seperti ini, inti induk dan inti anaknya dikatakan mengalami keseimbangan

transien.

2. 12

Jika 21 , maka λ1 lebih cepat mencapai nol sehingga te 1 menjadi

hilang. Persamaan (13) menjadi:

teNN 210

12

12

.........................................................(21)

13

Keseimbangan Sekuler/Permanen

Keseimbangan permanen akan terjadi jika inti induk meluruh dengan

konstanta peluruhan yang jauh lebih kecil dibandingkan konstanta peluruhan

inti anak. jika 21 , berarti semakin kecil konstanta peluruhannya maka

semakin lama meluruh atau sebaliknya. Dari persamaan (14):

tt eeNN 2110

12

12

.....................................................(14)

Direduksi menjadi:

teNN 21102

12

.................................................................(22)

karena λ2 – λ1 ≈ λ2 dan te 1 1.

Lagipula, jika t sangat besar dibandingkan waktu paruh inti anak (t >>

1/λ2), maka te 2 menjadi sangat kecil dari 1, dan persamaan (22) direduksi

menjadi:

102

12 NN

............................................................................(23)

Sehingga N10 cenderung mendekati N1 (N10 = N1) sehingga:

12

12 NN

1122 NN .............................................................................(24.a)

2

1

1

2

N

N...................................................................................(24.b)

Contoh kesetimbangan radiokativitas:

14

1.0

0.5

0 1τ 2τ 3τ 4τ 5τ 6τ 7τ

Nomor Relatif, N

Waktu dalam unit τ satuan

peluruhan

recovery

Net recovery

Slow recovery

Kesetimbangan Sekular

peluruhan lambat

5. Deret Radioaktivitas Alami

Kebanyakan unsur radioaktif yang didapatkan di dalam alam merupakan

anggota dari empat deret radioaktif, masing-masing deret terdiri dari urutan

produk inti anak yang semuanya dapat diturunkan dari inti-induk tunggal.

Dalam proses peluruhan radioaktif, nomor massa A inti induk akan berubah

dengan 4 satuan (peluruhan α) atau A tidak berubah (peluruhan β). Karena itu

harga nomor massa A dari isotop-isotop anggota suatu pelurhan berantai berbeda

dengan kelipatan 4. Dengan demikian dapat diharapkan ada empat deret

radioaktif yang mungkin dengan nomor massa A, semua isotop-isotop radioaktif

dari Z=81 sampai Z=92 yang terjadi secara alamiah, yang diklasifikasikan ke

dalam empat jenis deret yaitu sebagai berikut.

A = 4n Deret Thorium

A = 4n+1 Deret Neptunium

A = 4n+2 Deret Uranium

A = 4n+3 Deret Aktinium

Dengan n adalah bilangan bulat. Deret di atas menyatakan penggolongan inti

anak dari inti induk ke dalam deret-deret radioaktif berdasarkan pengurangan

nomor massa setelah peluruhan berangsung.

Masing-masing deret radioaktf diberi nama sesuai dengan inti induknya.

Keempat deret radioaktif ini dirangkum pada tabel (2).

Tabel 2. Empat Deret Radioaktif

Deret Inti IndukWaktu Paro

(tahun)

Rumus

Deret

Inti stabil

Akhir

Uranium 4,47 x 109 4n+2

Aktinium 7,04 x 108 4n+3

Thorium 1,41 x 1010 4n

Neptunium 2,14 x 106 4n+1

Catatan: Ketiga deret pertama yang terjadi secara alamiah berakhir pada inti stabil timbal (Pb).

15

Delapan isotop pertama yang merupakan anggota dari deret uranium disajikan

dalam tabel (3).

Tabel 3. Delapan Isotop Pertama Anggota dari Deret Uranium

Unsur Nuklida Waktu Paro Radiasi

Energi α atau β

dalam MeV

Uranium 4,77 x 109 tahun α, γ 4,2

Thorium 24,1 hari β, γ 0,19

Protactinium 6,75 jam β, γ 2,3

Uranium 2,47 x 105 tahun α, γ 4,77

Thorium 8,0 x 104 tahun α, γ 4,68

Radium 1.620 tahun α, γ 4,78

Radon 3,82 hari α 5,49

Polonium 3,05 menit α 6,0

Kecuali deret Neptunium, ketiga deret lainnya mengikuti empat kaedah umum

yaitu:

a. Semua unsur radioaktif dari ketiga deret tersebut memiliki waktu paro sangat

lama sebagai contohnya:

90Th232 t1/2 = 1,39 x 1010 tahun

92U238 t1/2 = 4,5 x 109 tahun

92U235 t1/2 = 7,15 x 108 tahun

b. Ketiga deret tersebut yang terjadi secara alamiah berakhir pada inti akhir

stabil timbal yaitu (deret Uranium), (deret Aktinium) dan

(deret Thorium).

16

c. Masing-masing berupa gas pada Z = 86. Adapun nama unsur-unsurnya

Thoron ( ) untuk deret Thorium, Radon ( ) untuk deret Uranium,

dan Aktinon ( ) untuk deret Aktinium.

d. Dalam semua deret, sebuah isotop c mengalami peluruhan berantai berbentuk

segiempat dengan memancarkan partikel α dan β, dan menghasilkan dua buah

inti anak dengan memancarkan partikel yang berbeda dimana inti anak

meluruh lagi menghasilkan inti anak yang sama dengan memancarkan

partikel yang berbeda pula.

17

C’

C

C’’

D

β -

β -

α