Interaksi Radiasi Dengan Materi (Proses Dasar) [PDF]

Citation preview

10/2/2016



INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI (PROSES DASAR)



 Ensiklopedi Teknologi Nuklir



Home



INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI (PROSES DASAR) Ringkasan Jika partikel bermuatan listrik menembus ke dalam materi, maka atom materi tersebut akan tereksitasi dan atau terionisasi. Karena pengaruh medan listrik inti atom maka arah partikel bermuatan  akan  berbelok  dengan  tiba­tiba  dan  kecepatannya  berkurang, sehingga kemudian energinya habis. Arah gerak elektron, yaitu partikel bermuatan, berbelok dengan tajam pada saat  bertumbukan  dengan  atom,  sebaliknya  energi  partikel  berat  bermuatan  listrik  tidak begitu  berkurang  sewaktu  bertumbukan  dengan  atom  dan  tidak  mengalami  perubahan  arah, sehingga  dapat  melaju  dengan  lurus.  Oleh  karena  itu  untuk  partikel  berat  bermuatan  listrik, pengurangan  laju  radiasi  karena  menembus  materi  tak  perlu  diperhitungkan.  Peristiwa bergabungnya  positron  dan  elektron  dan  berubah  menjadi  2  foton  yang  masing­masing berenergi  0,51  MeV  disebut  anihilasi  elektron.  Semakin  pendek  panjang  gelombang  foton, kekuatan  menembusnya  ke  dalam  materi  semakin  besar.  Pada  saat  menembus  materi, radiasi g dapat kehilangan energi karena adanya efek fotolistrik dan efek Compton. Pada saat berinteraksi  dengan  materi,  foton  yang  energinya  lebih  besar  daripada  1,02  MeV  dapat membentuk  satu  pasang  elektron  yang  terdiri  dari  positron  dan  negatron.  Dalam  reaksi  inti yaitu penyerapan neutron oleh inti, inti atom dapat memancarkan bermacam­macam partikel misalnya proton, deuteron, partikel a, neutron dan radiasi g.



Uraian 1. Interaksi radiasi b dan elektron dengan materi. 1.1. Pengurangan energi. Jika menembus materi, radiasi b berenergi tinggi akan kehilangan energinya menurut 2 tahap sebagai berikut:



a. atom tereksitasi atau terionisasi oleh energi radiasi b, b. sewaktu  melaju  di  dekat  inti  atom  materi,  radiasi  b  dibelokkan  arahnya  oleh  medan listrik  inti  atom  dan  kecepatannya  berkurang,  dengan  hilangnya  energi  tersebut menyebabkan terjadinya atenuasi radiasi (Bremstrahlung). Setiap kali partikel b bertumbukan dengan atom, arah geraknya mengalami pembelokan yang besar  dan  pergerakannya  zigzag  seperti  yang  diperlihatkan  pada  Gambar  1.  Penyerapan radiasi b di dalam materi dihitung menurut rumus eksponensial. Jika  energi  elektron  menjadi  lebih  besar  dari  beberapa  MeV,  ada  kemungkinan  inti  atom dapat tereksitasi, tetapi persentasenya sangat kecil. Pada  proses  Bremstrahlung  energi  elektron  (E)  berbanding  dengan  kuadrat  nomor  atom  (Z) dibagi massa elektron (E = (Z/m)2). 1.2. Daya perlambatan. Energi partikel bermuatan listrik yang hilang per satuan jarak pada waktu menembus materi disebut  daya  perlambatan  linear  (S).  Perbandingan  S  dan  kerapatan  materi  (r)  disebut  daya perlambatan massa (Sm = S/r), artinya energi yang hilang pada materi bermassa 1 g dengan



luasan 1 cm2. Meskipun materinya berbeda, daya perlambatan massa terhadap radiasi b atau elektron hampir sama, karena Sm tidak berubah secara drastis. 1.3. Kurva serapan dan jangkauan radiasi b Pada Gambar 2  diperlihatkan  kurva  serapan  radiasi  b  dari  P­32  oleh  aluminium.  Jarak  yang dilalui partikel sampai energi geraknya habis disebut jangkauan maksimum radiasi b. http://www.batan.go.id/ensiklopedi/08/01/02/03/08­01­02­03.html



1/3



10/2/2016



INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI (PROSES DASAR)



1.4. Hamburan. Hamburan  partikel  b  disebabkan  oleh  interaksinya  dengan  inti  atom  atau  elektron  orbital materi. Untuk memperkecil hamburan digunakan materi dengan nomor atom yang kecil. Pada pengukuran radioaktivitas radiasi b, dapat terjadi hamburan radiasi b oleh materi pendukung sumber.  Peristiwa  ini  disebut  hamburan  balik  dan  akan  mempengaruhi  hasil  pengukuran. Besarnya hamburan balik bergantung pada nomor atom dan tebal materi penghambur, makin tebal  materi  hamburan  balik  makin  besar,  sampai  mencapai  nilai  konstan,  dan  disebut hamburan balik jenuh. Koefisien hamburan balik berubah berdasarkan nomor atom dan tebal materi  pendukung,  energi  radiasi  b,  dan  faktor  lain.  Jika  materi  cukup  tebal,  maka  nilai koefisiennya konstan, hal ini disebut koefisien hamburan balik jenuh. Hubungan antara hamburan balik jenuh dengan nomor atom materi penghambur diperlihatkan pada Gambar 3. 1.5. Anihilasi pasangan elektron­positron. Pada interaksi positron dengan materi, energi geraknya dapat berkurang hingga habis seperti halnya  pada  interaksi  antara  elektron  dengan  materi.  Positron  yang  kehilangan  energi geraknya bergabung dengan elektron dan berubah menjadi 2 buah foton yang dipancarkan ke arah yang berlawanan. Peristiwa ini disebut anihilasi pasangan. Dalam hal ini, karena seluruh massa pasangan menjadi energi foton, maka energi masing­masing foton adalah 0,51 MeV. 2. Interaksi partikel berat bermuatan listrik dengan materi. Partikel  bermuatan  listrik  selain  elektron  disebut  partikel  berat  bermuatan  listrik.  Pada  saat menembus  materi,  partikel  berat  bermuatan  listrik  mengionisasi  dan  atau  mengeksitasi atom,  sama  seperti  halnya  elektron,  dan  karena  massanya  lebih  besar  daripada  elektron, maka  partikel  tersebut  tidak  kehilangan  banyak  energinya  sewaktu  bertumbukan  dengan elektron,  dan  juga  cenderung  tidak  mengalami  perubahan  arah  sehingga  mampu  menembus dengan arah lurus (Gambar 1). Pengurangan energi partikel berat bermuatan listrik pada saat interaksi, umumnya dapat diabaikan, sehingga perlambatannya tidak dipengaruhi oleh materi. Jika  partikel  a,  yang  merupakan  partikel  berat  bermuatan  listrik,  menembus  materi,  maka jumlah  pasangan  ion  per  satuan  jarak  (ionisasi  spesifik)  bertambah  bersamaan  dengan berkurangnya  kecepatannya.  Di  udara,  ionisasi  spesifik  menunjukkan  energi  maksimal sebesar 370 keV, yaitu 3 milimeter dari akhir lintasan. Gambar 4 memperlihatkan kurva yang menunjukkan  ionisasi  spesifik  sepanjang  lintasan  radiasi  a,  dan  disebut  "kurva  Bragg". Peristiwa  ini  juga  berlaku  untuk  partikel  berat  bermuatan  listrik  lain  misalnya  proton  dan deuteron. 3. Interaksi foton dengan materi. 3.1. Koefisien atenuasi. Jika  radiasi  g  atau  radiasi­X  menembus  materi,  maka  akan  terjadi  interaksi  dengan  materi dan  mengalami  pengurangan  energi.  Atenuasi  karena  interaksi  adalah  proses  pengurangan energi  foton  atau  perubahan  arah  foton.  Rasio  atenuasi  foton  dalam  materi  yang  tebalnya  1 cm  disebut  koefisien  atenuasi  (m).  Pada  umumnya,  semakin  besar  energi  foton,  semakin besar juga nilai m­nya. Oleh karena itu, daya tembus foton dalam materi semakin besar bila panjang  gelombangnya  semakin  pendek.  Pada  materi  tertentu,  koefisien  atenuasi  dapat berubah  berdasarkan  rapat  jenis  materi  tersebut,  disebut  koefisien  atenuasi  massa  (mm). Untuk  materi  tertentu,  koefisien  atenuasi  massa  yang  hanya  berhubungan  dengan  panjang gelombang foton, dan merupakan rasio atenuasi  foton  dengan  luasan  1  cm2  dan  massa  1  g. Pada Gambar 5 diperlihatkan atenuasi foton oleh timbal. 3.2. Efek fotolistrik. Peristiwa  terlepasnya  elektron  orbital  suatu  atom  karena  interaksi  dengan  radiasi  g dinamakan  efek  fotolistrik.  Elektron  yang  dilepaskan  pada  peristiwa  tersebut  disebut fotoelektron,  dan  energi  geraknya  adalah  selisih  antara  energi  ionisasi  elektron  orbital  dan energi  radiasi  g.  Pada  saat  energi  radiasi  g  kecil,  kebanyakan  fotoelektron  terlepas  dengan arah  tegak  lurus  pada  arah  radiasi,  tetapi  bila  energinya  besar  maka  fotoelektron  terpancar ke  arah  depan  dalam  jumlah  yang  banyak.  Secara  teori,  semakin  besar  ikatan  antara http://www.batan.go.id/ensiklopedi/08/01/02/03/08­01­02­03.html



2/3



10/2/2016



INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI (PROSES DASAR)



elektron  dan  inti  atom  maka  semakin  besar  persentase  terjadinya  efek  fotolistrik;  untuk elektron pada kulit K akan terjadi efek fotolistrik sebesar kira­kira 80%. 3.3. Efek Compton. Peristiwa  terjadinya  tumbukan  antara  foton  dan  elektron  dalam  suatu  atom  yang mengakibatkan  sebagian  energi  foton  menjadi  energi  gerak  elektron  dan  sebagian  energi hamburan  foton  disebut  efek  Compton  (Gambar  6).  Bila  energi  foton  cukup  besar,  efek Compton  dapat  terjadi  pada  elektron  orbital  yang  energi  ikatnya  dapat  diabaikan. Selanjutnya, seperti diperlihatkan pada Gambar 6, elektron dianggap sebagai elektron bebas, energi  dan  momentumnya  sama  besar  sebelum  dan  sesudah  bertumbukan.  Dalam  hal  ini terjadi  tumbukan  elastis  sempurna  antara  foton  dan  elektron.  Koefisien  atenuasi  pada  efek Compton ialah jumlah dari perbandingan energi gerak elektron antibonding dan perbandingan energi hamburan foton. Koefisien atenuasi pada efek Compton sebanding dengan nomor atom materi. 3.4. Produksi pasangan. Pada  waktu  foton  yang  berenergi  lebih  dari  1,02  MeV  menembus  materi  dan  mendekati inti atom, karena pengaruh medan listrik yang kuat dari inti atom, foton berubah dan membentuk satu  pasangan  yaitu  positron  dan  elektron  yang  masing­masing  berenergi  sebesar 0,51 MeV. Peristiwa  ini  disebut  produksi  pasangan.  Energi  sebesar  1,02  MeV  ini  disebut  nilai  batas ambang  produksi  pasangan.  Jumlah  koefisien  atenuasi  radiasi  g  pada  produksi  pasangan makin bertambah bersamaan dengan bertambahnya  energi  foton,  di  sisi  lain  juga  sebanding dengan  Z  (Z+1)  dari  materi.  Jumlah  koefisien  atenuasi  efek  fotolistrik,  efek  Compton  dan produksi  pasangan  disebut  koefisien  atenuasi  linear.  Pada  Gambar  5  diperlihatkan  koefisien atenuasi foton oleh timbal. 4. Interaksi neutron dengan materi. Karena  neutron  tidak  bermuatan  listrik,  seperti  halnya  foton,  maka  jarak  lintasannya menembus  materi  lebih  panjang  daripada  jarak  tembus  partikel  bermuatan  listrik.  Dan meskipun  tidak  berenergi  tinggi,  neutron  dapat  masuk  dengan  mudah  ke  dalam  inti  atom. Oleh karena itu neutron mempunyai peran penting dalam interaksinya dengan inti atom. Dalam  reaksi  inti  yang  berupa  penyerapan  neutron,  akan  dipancarkan  partikel  misalnya proton,  deuteron,  partikel  a,  neutron,  radiasi  g  dan  kombinasi  sejumlah  partikel  tersebut. Reaksi  penyerapan  neutron  oleh  inti  dapat  mengakibatkan  reaksi  pembelahan  inti  atom menjadi  2  atau  lebih  inti  hasil  belah.  Pada  umumnya,  makin  kecil  energi  neutron  maka semakin besar probabilitas terjadinya reaksi inti. Dengan neutron yang berenergi kurang dari 500 keV, terjadi hamburan elastis dan tangkapan neutron,  reaksi  seperti  ini  memperlihatkan  hamburan  elastis  dan  tangkapan  resonansi terhadap energi spesifik. Bila energi neutron kecil, probabilitas tangkapan berbanding terbalik dengan  kecepatan  neutron  yaitu  1/v   (hukum  1/v ).  Dengan  neutron  yang  mempunyai  energi sekitar 500 keV hingga  10  MeV,  selain  hamburan  elastis  dan  tangkapan  elektron,  dapat  juga terjadi  hamburan  inelastis  dan  transformasi  inti.  Dengan  energi  sekitar  10  MeV  hingga  50 MeV, mungkin terjadi pancaran lebih dari 2 partikel. Akibat hamburan elastis, sebagian energi neutron dapat  dipindahkan  menjadi  energi  inti  atom.  Semakin  kecil  massa  inti  atom,  maka semakin  besar  energi  neutron  yang  hilang  akibat  tumbukan.  Berdasarkan  hal  ini,  inti  atom hidrogen dapat menurunkan energi neutron secara efisien karena massanya sama.



Gambar/Tabel Gambar 1. Interaksi partikel bermuatan listrik dengan materi. Gambar 2. Kurva serapan radiasi b dari P­32 oleh aluminium. Gambar 3. Koefisien hamburan balik jenuh radiasi b dari P­32. Gambar 4. Kurva Bragg radiasi a dari RaC di udara. Gambar 5. Kurva atenuasi foton oleh timbal. Gambar 6. Hamburan Compton.



Home



http://www.batan.go.id/ensiklopedi/08/01/02/03/08­01­02­03.html



3/3