Proses-Proses Peluruhan Radioaktif [PDF]

Citation preview

pendahuluan Neutron dan proton yang menyusun inti atom, terlihat seperti halnya partikel-partikel lain, diatur oleh beberapa interaksi. Gaya nuklir kuat, yang tidak teramati pada skala makroskopik, merupakan gaya terkuat pada skala subatomik. Hukum Coulomb atau gaya elektrostatik juga mempunyai peranan yang berarti pada ukuran ini. Gaya nuklir lemah sedikit berpengaruh pada interaksi ini. Gaya gravitasi tidak berpengaruh pada proses nuklir. Interaksi gaya-gaya ini pada inti atom terjadi dengan kompleksitas yang tinggi. Ada sifat yang dimiliki susunan partikel di dalam inti atom, jika mereka sedikit saja bergeser dari posisinya, mereka dapat jatuh ke susunan energiyang lebih rendah. Mungkin bisa sedikit digambarkan dengan menara pasiryang kita buat di pantai: ketikagesekan yang terjadi antar pasir mampu menopang ketinggian menara, sebuah gangguan yang berasal dari luar dapat melepaskan gaya gravitasi dan membuat tower itu runtuh. Keruntuhan menara (peluruhan) membutuhkan energi aktivasi tertentu. Pada kasus menara pasir, energi ini datang dari luar sistem, bisa dalam bentuk ditendang atau digeser tangan. Pada kasus peluruhan inti atom, energi aktivasi sudah tersedia dari dalam. Partikel mekanika kuantum tidak pernah dalam keadaan diam, mereka terus bergerak secara acak. Gerakan teratur pada partikel ini dapat membuat inti seketika tidak stabil. Hasil perubahan akan memengaruhi susunan inti atom; sehingga hal ini termasuk dalam reaksi nuklir, berlawanan dengan reaksi kimia yang hanya melibatkan perubahan susunanelektron di luar inti atom. (Beberapa reaksi nuklir melibatkan sumber energi yang berasal dari luar, dalam bentuk "tumbukkan" dengan partikel luar misalnya. Akan tetapi, reaksi semacam ini tidak dipertimbangkan sebagai peluruhan. Reaksi seperti ini biasanya akan dimasukan dalam fisi nuklir/fusi nuklir.



PEMBAHASAN Radioaktivitas disebut juga peluruhan radioaktif, yaitu peristiwa terurainya beberapa inti atom tertentu secara spontan yang diikuti dengan pancaran partikel alfa (inti helium),partikel beta (elektron), atau radiasi gamma (gelombang elektromagnetik gelombang pendek). Sinar-sinar yang dipancarkan tersebut disebut sinar radioaktif, sedangkan zat yang memancarkan sinar radioaktif disebut dengan zat radioaktif. Peluruhan radioaktif adalah kumpulan beragam proses di mana sebuah inti atom yang tidak stabil memancarkanpartikel subatomik (partikel radiasi). Peluruhan terjadi pada sebuah nukleus induk dan menghasilkan sebuahnukleus anak. Ini adalah sebuah proses "acak" (random) sehingga sulit untuk memprediksi peluruhan sebuah atom. Satuan internasional (SI) untuk pengukuran peluruhan radioaktif adalahbecquerel (Bq). Jika sebuah material radioaktif menghasilkan 1 buah kejadian peluruhan tiap 1 detik, maka dikatakan material tersebut mempunyai aktivitas 1 Bq. Karena biasanya sebuah sampel material radioaktif mengandung banyak atom,1 becquerel akan tampak sebagai tingkat aktivitas yang rendah; satuan yang biasa digunakan adalah dalam orde gigabecquerels. Penemu Radioaktivitas



Radioaktivitas pertama kali ditemukan pada tahun 1896 oleh ilmuwan Perancis Henri Becquerel ketika sedang bekerja dengan material fosforen. Material semacam ini akan



berpendar di tempat gelap setelah sebelumnya mendapat paparan cahaya, dan dia berpikir pendaran yang dihasilkan tabung katode oleh sinar-Xmungkin berhubungan dengan fosforesensi. Karenanya ia membungkus sebuah pelat foto dengan kertas hitam dan menempatkan beragam material fosforen diatasnya. Kesemuanya tidak menunjukkan hasil sampai ketika ia menggunakan garam uranium. Terjadi bintik hitam pekat pada pelat foto ketika ia menggunakan garam uranium tesebut. Tetapi kemudian menjadi jelas bahwa bintik hitam pada pelat bukan terjadi karena peristiwa fosforesensi, pada saat percobaan, material dijaga pada tempat yang gelap. Juga, garam uranium nonfosforen dan bahkan uranium metal dapat juga menimbulkan efek bintik hitam pada pelat.



Istilah keradioaktifan (radioactivity) pertama kali diciptakan oleh Marie Curie (1867 – 1934), seorang ahli kimia asal Prancis. Marie dan suaminya, Pierre Curie (1859 – 1906), berhasil menemukan unsur radioaktif baru, yaitu polonium dan radium. Ernest Rutherford (1871 – 1937) menyatakan bahwa sinar radioaktif dapat dibedakan atas sinar alfa yang bermuatan



positif dan sinar beta yang bermuatan negatif. Paul Ulrich Villard (1869 – 1915), seorang ilmuwan Prancis, menemukan sinar radioaktif yang tidak bermuatan, yaitusinar gamma. Sebagai contoh, ditemukan bahwa medan listrik atau medan magnet dapat memecah emisi radiasi menjadi tiga sinar. Demi memudahkan penamaan, sinar-sinar tersebut diberi nama sesuai dengan alfabet yunani yakni alpha, beta, dan gamma, nama-nama tersebut masih bertahan hingga kini. Kemudian dari arah gaya el ektromagnet, diketahui bahwa sinar alfa mengandung muatan positif, sinar beta bermuatan negatif, dan sinar gamma bermuatan netral. Dari besarnya arah pantulan, juga diketahui bahwa partikel alfa jauh lebih berat ketimbang partikel beta. Dengan melewatkan sinar alfa melalui membran gelas tipis dan menjebaknya dalam sebuah tabung lampu neon membuat para peneliti dapat mempelajari spektrum emisi dari gas yang dihasilkan, dan membuktikan bahwa partikel alfa kenyataannya adalah sebuah inti atom helium. Percobaan lainnya menunjukkan kemiripan antara radiasi beta dengan sinar katode serta kemiripan radiasi gamma dengan sinar-X. Para peneliti ini juga menemukan bahwa banyak unsur kimia lainnya yang mempunyai isotop radioaktif. Radioaktivitas juga memandu Marie Curie untuk mengisolasi radium dari barium; dua buah unsur yang memiliki kemiripan sehingga sulit untuk dibedakan. Bahaya radioaktivitas dari radiasi tidak serta merta diketahui. Efek akut dari radiasi pertama kali diamati oleh insinyur listrik AmerikaElihu Thomson yang secara terus menerus mengarahkan sinar-X ke jari-jarinya pada 1896. Dia menerbitkan hasil pengamatannya terkait dengan efek bakar yang dihasilkan. Bisa dikatakan ia menemukan bidang ilmu fisika medik (health physics); untungnya luka tersebut sembuh dikemudian hari. Efek genetis radiasi baru diketahui jauh dikemudian hari. Pada tahun 1927 Hermann Joseph Muller menerbitkan penelitiannya yang menunjukkan efek genetis radiasi. Pada tahun 1947 dimendapat penghargaan hadiah Nobel untuk penemuannya ini. Sebelum efek biologi radiasi diketahui, banyak perusahan kesehatan yang memasarkan obat paten yang mengandung bahan radioaktif; salah satunya adalah penggunaan radium pada perawatan enema. Marie Curie menentang jenis perawatan ini, ia memperingatkan efek radiasai pada tubuh manusia belum benar-benar diketahui (Curie dikemudian hari meninggal akibat Anemia Aplastik, yang hampir dipastikan akibat lamanya ia terpapar Radium). Pada tahun 1930-an produk pengobatan yang mengandung bahan radioaktif tidak ada lagi dipasaran bebas. Mode Peluruhan Sebuah inti radioaktif dapat melakukan sejumlah reaksi peluruhan yang berbeda. Reaksireaksi tersebut disarikan dalam tabel berikut ini. Sebuah inti atom dengan muatan (nomor atom) Z dan berat atom A ditampilkan dengan (A, Z). Mode peluruhan



Partikel yang terlibat



Inti anak



Peluruhan dengan emisi nukleon:



Peluruhan alfa



Sebuah partikel alfa (A=4, Z=2) dipancarkan dari inti



(A-4, Z-2)



Emisi proton



Sebuah proton dilepaskan dari inti



(A-1, Z-1)



Emisi neutron



Sebuah neutron dilepaskan dari inti



(A-1, Z)



Fisi spontan



Sebuah inti terpecah menjadi dua atau lebih atom dengan inti yang lebih kecil disertai dengan pemancaran partikel lainnya



Peluruhan cluster



Inti atom memancarkan inti lain yang lebih kecil tertentu (A-A1, Z-Z1) + (A1, Z1) yang lebih besar daripada partikel alfa (A1,Z1)



Berbagai peluruhan beta:



Sebuah inti memancarkan



Peluruhan beta



elektron dan sebuahantineutrino || (A, Z+1) Emisi positron



Sebuah inti memancarkanpositron dan sebuah neutrino



Tangkapan elektron



Sebuah inti menangkap elektron yang mengorbit dan (A, Z-1) memancarkan sebuah neutrino



Peluruhan ganda



(A, Z-1)



beta Sebuah inti memancarkan dua elektron dan dua (A, Z+2) antineutrinos



Tangkapan elektron Sebuah inti menyerap dua elektron yang mengorbit dan (A, Z-2) ganda memancarkan dua neutrino Tangkapan elektron Sebuah inti menangkap satu elektron yang mengorbit dengan emisi (A, Z-2) memancarkan satu positron dan dua neutrino positron Emisi ganda



positron



Sebuah inti memancarkan dua positrons dan dua neutrino (A, Z-2)



Transisi antar dua keadaan pada inti yang sama: Peluruhan gamma



Sebuah inti yang tereksitasi sebuah fotonenergi tinggi (sinar gamma)



melepaskan



Konversi internal



Inti yang tereksitasi mengirim energinya pada sebuah (A, Z) elektron orbital dan melepaskannya



(A, Z)



Peluruhan radioaktif berakibat pada pengurangan massa, di mana menurut hukum relativitas khusus massa yang hilang diubah menjadi energi (pelepasan energi) sesuai



dengan persamaan . Energi ini dilepaskan dalam bentuk energi kinetik dari partikel yang dipancarkan. Rantai peluruhan dan mode peluruhan ganda Banyak inti radioaktif yang mempunyai mode peluruhan berbeda. Sebagai contoh adalah Bismuth-212, yang mempunyai tiga. Inti anak yang dihasilkan dari proses peluruhan biasanya juga tidak stabil, kadang lebih tidak stabil dari induknya. Bila kasus ini terjadi, inti anak tadi akan meluruh lagi. Proses kejadian peluruhan berurutan yang menghasilkan hasil akhir inti stabil, disebut rantai peluruhan. Keberadaan dan penerapan Menurut teori Big Bang, isotop radioaktif dari unsur teringan (H, He, dan Li) dihasilkan tidak berapa lama seteleah alam semesta terbentuk. Tetapi, inti-inti ini sangat tidak stabil sehingga tidak ada dari ketiganya yang masih ada saat ini. Karenanya sebagian besar inti radioaktif yang ada saat ini relatif berumur muda, yang terbentuk di bintang (khususnya supernova) dan selama interaksi antara isotop stabil dan partikel berenergi. Sebagai contoh, karbon-14, inti radioaktif yang mempunyai umur-paruh hanya 5730 tahun, secara terus menerus terbentuk di atmosfer atas bumi akibat interaksi antara sinar kosmik dan Nitrogen. Peluruhan radioaktif telah digunakan dalam teknik perunut radioaktif, yang digunakan untuk mengikuti perjalanan subtansi kimia di dalam sebuah sistem yang kompleks (seperti organisme hidup misalnya). Sebuah sampel dibuat dengan atom tidak stsbil konsentrasi tinggi. Keberadaan substansi di satu atau lebih bagian sistem diketahui dengan mendeteksi lokasi terjadinya peluruhan. Dengan dasar bahwa proses peluruhan radioaktif adalah prosesacak (bukan proses chaos), proses peluruhan telah digunakan dalam perangkat keras pembangkit bilangan-acak yang merupakan perangkat dalam meperkirakan umur absolutmaterial geologis dan bahan organik. PROSES-PROSES PELURUHAN RADIOAKTIF 1. PROSES – PROSES PELURUHAN RADIASI ALPHA Nuklida yang tidak stabil (kelebihan proton atau neutron) dapat memancarkan nukleon untuk mengurangi energinya dengan energi pemisah rata MeV/nukleon. Partikel alpha tersusun dan 2 neutron dan 2 proton, 2 dan nomor massa 4, memiliki energi ikat kirakira 28 MeV. Inti atom memancarkan partikel alpha akan berkurang nomor atomnya sebesar 2 dan massanya 4. Peluruhan alpha dinyatakan sebagai berikut :



Berdasarkan neraca dan energy dapat disusun persamaan untuk menghitung energy peluruhan, yaitu :



dimana : Mi



: massa nuklida induk



Ma



: masaa nuklida anak



m



: massa partikel alpha



Me



: Massa rehat elektron



c



: kecepatan cahaya



Q



: energi peluruhan



Berdasarkan energi peluruhan yang dikeluarkan selama proses peluruhan radiasi alpha, maka energi kinetik dan partikel alpha dapat ditentukan, yaitu :



Energi pental (recoil energy) dan nuklida anak adalah selisih antara energi dengan energi kinetik atau (Q — EQ). Beberapa contoh peluruhan partikel alpha adalah sebagai berikut :



Universitas Gadjah Mada



1



Energi partikel alpha yang dipancarkan oleh radionuklida berkisar antara (‘44Nd) sampai dengan 11,7 MeV (212Pm), dan sebagian terbesar 4 sampai dengan 8 MeV. Jangkau energi yang relatif pendek ini dihubungkan dengan jangkau umur paro yang cukup besar, yaitu 10-7 (misalnya sampai dengan 1016 tahun (misalnya



148



Sm). Hubungan antara



kanstanta dengan jangkauan partikel alpha di udara telah diformulasikan oleh dan J. M. Nuttall (1911),



dimana :  : konstanta peluruhan r



a dan b : konstanta



: jangkauan di udara Variasi sistematik umur paruh peluruhan alpha dengan energi peluruhan dinyatakan



dengan berbagai cara, salah satunya adalah dalam bentuk kurva peluruhan keadaan dasar terhadap logaritmik umur paruh pemancar alpha sampai dengan nobelium. Untuk memahami tentang pancaran radiasi alpha, maka persamaan Schrodinger untuk partikel alpha berenergi E yang berada dalam potensial inti harus disusun dan diselesaikan. Fungsi gelombang yang mewakili partikel alpha tidak dengan tiba-tiba nol di dinding sumur penghalang potensial (pada jarak R1) dan memiliki nilai tertentu (meskipun kecil) di luar jarak radial R1. Dengan menerapkan kondisi batas bahwa fungsi gelombang dan derivatif pertamanya harus kontinyu di R1 dan R2, maka persamaan gelombang untuk daerah antara R 1 dan R2 dapat diselesaikan, yaitu di dalam penghalang yang energi potensialnya U



(r) lebih besar dan energi kinetik total T (jumlah energi kinetik partikel alpha dan inti yang terpental). Probabilitas (P) ‘partikel alpha bermassa Ma untuk menembus penghalang potensial disebut sebagai faktor kemampuan menembus penghalang dan besarnya adalah



Dan persamaan (2-6) diketahui bahwa probabilitas untuk menembus penghalang akan berkurang dengan kenaikan nilai integral yang berada dalam suku eksponensial, yang artinya kenaikan tinggi dan lebar penghalang (semakin tinggi penghalang, semakin besar perbedaan (selisih) U(r) dengan T, dan semakin lebar penghalang, semakin besar jangkauan integrasinya). Universitas Gadjah Mada



2



Konstanta peluruhan dianggap sebagai hasil perkalian antara P dengan frekuensi (f) partikel alpha mengenai (menumbuk) penghalang potensial. Besarnya f dapat ditentukan dengan menggunakan panjang gelombang de Broglie yang besarnya adalah h/., dengan  adalah kecepatan partikel alpha dan . adalah momentum di dalam inti, sehingga



Jika partikel alpha dianggap memantu bolak – balik diantara dinding – dinding potensial, maka :



Dengan demikian konstanta peluruhannya adalah :



Nilai jari-jari R1 dan R2 dapat diperoleh dan energi kinetik total (T) dan tinggi penghalang (B),



Dengan mensubstitusi batas-batas integrasi dan manipulasi aijabar, maka diperoleh



Jika T = ½ .2 dan substitusi persamaan (2-8) ke dalam persamaan (2-7) diperoleh



Hasil perhitungan persamaan (2-9) dengan R1 = (1,3.A1/3 + 1,2) x 10-13 cm telah dibandingkan dengan hasil eksperimen. Selain keteraturan pada waktu hidupnya, pemancar partikel alpha menunjukkan kecenderungan sistematik pada energi peluruhan.



Universitas Gadjah Mada



3



2. PROSES PELURUHAN RADIASI BETA



MZ > MZ +1 MZ > MZ -1 MZ > MZ -1 + 2me



Suatu proses peluruhan radioaktif yang tidak mengubah nomor massanya tetapi mengubah nomor atomnya digolongkan sebagai peluruhan beta. Dan persamaan (1-13) dapat disimpulkan bahwa untuk setiap A ganjil terdapat hanya satu nuklida stabil-beta dan untuk setiap A genap terdapat paling banyak tiga nuklida stabil-beta. Pada sisi yang ‘kaya’ neutron terjadi pancaran - (elektron), pada sisi yang ‘kaya’ proton terjadi pancaran + (positron) atau tangkapan elektron (electron capture). Inti ganjil-ganjil di dekat lembah kestabilan (misalnya



64



Cu) dapat meluruh dengan kedua arah, menuju sebelahnya yang



stabil, inti genap – genap kestabilan (misalnya



64



Cu) dapat meluruh dengan kedua arah,



menuju sebelahnya yang stabil, inti genap-genap. Radioaktivitas beta merupakan pengurangan kelebihan energi radionuklida dengan perubahan neutron menjadi proton atau sebaliknya, disertai pancaran elektron, positron atau tangkapan elektron. Kondisi energetik untuk ketiga jenis peluruhan beta dan nuklida dengan nomor atom



Z dan nomor massa MZ adalah : a. Peluruhan b. Tangkapan electron c. Peluruhan +



a. Peluruhan  Peluruhan - terjadi jika dalam inti atom terdapat kelebihan neutron, yang dinyatakan dalam reaksi berikut ini.



Peristiwa yang terjadi di dalam inti adalah :



Dengan mengguankan neraca massa dan energy, maka :



Karena massa elektron sangat kecil dibandingkan dengan massa nuklida induk dan anak, maka besarnya energy peluruhan (Q-) adalah



Universitas Gadjah Mada



4



Energi kinetik dan radiasi tersebut adalah



Contoh radionuklida yang memancarkan radiasi - adalah



Partikel 13 yang dipancarkan oleh suatu radionuklida tidak memiliki erni yang diskrit, tetapi memiliki distribusi energi yang kontinyu dan nol sampai dengan energi maksimum. Energi maksimum partikel - berkisar dan beberaa keV sampai dengan 15 MeV. Spektrum sinar beta telah diteliti dengan metode defleksi magnetik. Energi rata-rata partikel - dapat ditentukan dan persamaan berikut,



Sebagai pendekatan, energi rata-rata partikel - sekitar sepertiga (1/3) dari energi maksimumnya. Telah dibahas pada BAB I bahwa semua inti bernomor massa genap memiliki spin bilangan bulat (integral) dan statistik mengikuti Bose, sedangkan semua inti bernomor massa ganjil memiliki spin bilangan pecahan dan statistik mengikuti Fermi. Karena nomor massa peluruhan  adalah tetap (tidak berubah), maka spin inti awal dan akhir memiliki kelompok yang sama, bilangan bulat atau pecahan dan statistiknya tidak berubah. Pada kenyataannya elektron dan positron memiliki spin setengah dan statistik mengikuti Fermi, sehingga momentum angularnya dan statistiknya tidak memenuhi kekekalan peluruhan beta. Pada tahun 1930 Pauli menyusun postulat yang menyatakan bahwa dalam setiap peluruhan beta terdapat tambahan partikel yang tidak teramati. Sifat - sifat dan partikel hipotesis ini (yang kemudian dikenal sebagai neutrino) adalah sedemikian rupa sehingga dapat memenuhi kekekalan. Partikel neutrino adalah partikel yang tidak bermuatan, memiliki spin setengah, statistik mengikuti Fermi, dan membawa sejumlah energi dan momentum dalam setiap proses beta. Karena sulit dideteksi, maka partikel neutrino memiliki massa rehat yang sangat kecil atau nol dan momen magnetik yang sangat kecil atau nol. Dengan



Universitas Gadjah Mada



5



demikian setiap terjadi proses peluruhan beta selalu disertai oleh neutrino, untuk peluruhan - selalu disertai oleh antineutrino. b. Peluruhan  + Jika di dalam inti atom terdapat kelebihan proton dan energi sebesar 2 maka m ec kelebihan energi akan dilepas dalam bentuk pancaran partikel + Keberadaan positron telah dipostulatkan oleh P. A. M. Dirac. Ia menemukan bahwa persamaan gelombang relativitasnya untuk elektron memiliki penyelesaian yang berhubungan dengan elektron dalam tingkat energi negatif yang sama dengan tingkat energi positif, tetapi besarnya energi selalu lebih dari mec2. Karena untuk memenuhi arti fisis dan tingkat energi negatif elektron yang tidak teramati, maka Dirac mengemukakan bahwa secara normal semua tingkat energi negatif harus terisi. Naiknya elektron dan tingkat energi negatif ke tingkat energi positif (dengan adanya tambahan energi lebih dari 2 mec2) seharusnya dapat diamati tidak hanya dalam penampakan elektron seperti biasanya tetapi juga dalam penampakan secara simultan dan kekosongan (hole) dalam sekumpulan elektron berenergi negatif yang jumlahnya tidak berhingga. Kekosongan ini memiliki sifat-sifat partikel bermuatan positif, tetapi identik dengan elektron biasa. Penemuan positron berikutnya adalah dalam sinar kosmis kemudian dalam peluruhan radioaktif dan diikuti penemuan pada proses produksi pasangan serta anihilasi positron-elektron (akan dibahas pada BAB IV). Yang kesemuanya itu dianggap sebagai pembuktian secara eksperimen terhadap teori Dirac. Peluruhan  + dinyatakan dalam reaksi berikut ini. (2 - 10) Peristiwa yang terjadi di dalam inti adalah (2 - 11) Dengan menggunakan neraca massa dan energy, maka (2 – 12) Besarnya energi peluruhan (Q) adalah (2 – 13) Contoh peluruhan + adalah sebagai berikut :



Universitas Gadjah Mada



6



c. Tangkapan Elektron (Electron Capture atau EC) Jika inti atom kelebihan proton tetapi tidak memiliki energi lebih dari 2 m ec2, maka terjadi proses tangkapan elektron. Pada proses ini elektron yang terikat dalam kulit atom dengan energi ikat EB akan ditangkap oleh inti atom dan akan dipancarkan neutrino dengan energi sebesar E0 (MeV) yang merupakan selisih (perbedaan) massa nuklida induk dan anak. Proses tangkapan elektron dinyatakan dalam reaksi berikut ini. (2-14) Peristiwa yang terjadi di dalam inti adalah (2-15) Energi peluruhan pada proses tangkapan elektron sepenuhnya dibawa oleh neutrino. (2-16) Contoh proses tangkapan elektron adalah (2-17) Meskipun tangkapan elektron merupakan cara peluruhan yang sangat biasa, tetapi baru tahun 1934 ditemukan oleh L. Alvarez, karena proses ini tidak disertai oleh pancaran radiasi inti yang dapat terdeteksi, kecuali pada saat inti produk dalam keadaan tereksitasi sehingga harus mengalami proses de-eksitasi dengan memancarkan radiasi gamma. Radiasi karakteristik yang paling banyak menyertai proses tangkapan elektron adalah pancaran sinar X, akibat adanya kekosongan pada kulit atom yang elektronnya telah ditangkap oleh inti. Spektrum kontinyu radiasi elektromagnetik dengan intensitas yang sangat rendah sering dijumpai dalam proses tangkapan elektron dan proses peluruhan beta lainnya. Kuanta ini disebut sebagai inner bremsstrahlung. Jumlah total kuanta per tangkapan elektron adalah mendekati 7,4. 10-4E20. Apabila radiasi gamma dipancarkan inti atom, maka inner bremsstrahlung biasanya tidak dapat dideteksi karena intensitasnya yang rendah. Tetapi untuk tangkapan elektron yang tidak disertai pancaran gamma, pengukuran batas energi yang lebih tinggi dan spektrum inner bremsstrahlung merupakan metode yang sangat bermanfaat untuk menentukan energi transisi dan metode ini merupakan cara langsung untuk mengukur energi peluruhan dalam. proses tangkapan elektron. Neutrino yang dipancarkan pada proses tangkapan elektron bersifat monoenergetik. Komparasi umur paruh pada peluruhan beta dapat ditentukan dari persamaan berikut ini. Universitas Gadjah Mada



7



Tangkapan elektron pada kulit K mendominasi dibandingkan pada kulit lainnya, karena elektron kulit K memiliki amplitudo paling besar di inti atom. Tetapi pada energi peluruhan di bawah energi ikat elektron kulit K, tangkapan elektron hanya mungkin berasal dari L(2s+2p), M(3s, 3p, 3d) dan seterusnya. Perbandingan antara tangkapan L 1 dengan tangkapan K sebagai fungsi energi peluruhan telah dihitung untuk transisi yang diijinkan. Untuk Z ≥ 14 dapat diwakili dengan formula pendekatan berikut ini.



(2-19) Dimana



EL0(v)



K



dan E 0(v) adalah energi neutrino yang menyertai dua proses, EL0(v) melebihi



EK0(v) dengan perbedaan antara energi ikat kedua kulit. 3. TRANSISI GAMMA Proses peluruhan alpha atau beta kemungkinan meninggalkan produk inti baik dalam keadaan dasar maupun keadaan tereksitasi. Keadaan tereksitasi kemungkinan juga muncul karena reaksi inti atau eksitasi langsung dan keadaan dasar. Pada bagian ini akan dibahas tentang fenomena terjadinya de-eksitasi dan keadaan’eksitasi. a. Proses De-eksitasi Inti dalam keadaan tereksitasi kemungkinan memberikan energi eksitasinya dan kembali ke keadaan dasar dengan berbagai cara. Tansisi yang paling banyak terjadi adalah pemancaran gelombang elektromagnetik. Radiasi semacam ini disebut sebagai radiasi gamma, sinar gamma memiliki frekuensi yang ditentukan dan energinya E = h.. Seringkali transisi tidak terjadi secara langsung dari tingkat yang lebih tinggi menuju tingkat dasar tetapi kemungkinan berlangsung tahap demi tahap yang meliputi tingkat eksitasi intermediet. Sinar gamma dengan energi beberapa keV sampai dengan 7 MeV telah diamati pada proses radioaktif. Pancaran sinar gamma kemungkinan disertai atau bahkan diganti dengan proses lain, yaitu pancaran elektron konversi internal. Konversi internal (internal conversion) terjadi karena interaksi antara gelombang elektromagnetik dan inti atom dengan elektron di kulit atom sehingga menyebabkan pancaran elektron dengan enegi kinetik sebesar selisih antara energi transisi inti dan energi ikat elektron dalam atom.



Universitas Gadjah Mada



8



Proses ketiga dan de-eksitasi inti terjadi jika terdapat energi lebih dari 1,02 MeV. Energi ini ekivalen dengan massa dua elektron. Proses yang kemungkinan terjadi adalah inti atom yang berada dalam keadaan tereksitasi akan menghasilkan secara simultan satu elektron baru dan satu positron baru, keduanya akan dipancarkan dengan energi kinetik sebesar selisih antara energi eksitasi total dikurangi dengan 1,02 MeV. Semua proses di atas disebut dengan transisi gamma, meskipun hanya proses pertama saja yang memancarkan gamma dan inti atom. Semua proses tersebut ditandai dengan adanya perubahan energi tetapi tidak terjadi perubahan A dan Z. b.



Waktu hidup tingkat eksitasi Sebagian besar transisi gamma terjadi dengan skala waktu yang sangat singkat untuk



pengukuran langsung, yaitu kira-kira kurang dan 10 -12 detik, seperti yang diharapkan untuk dimensi dipol inti dan satuan muatan elektronik. Proses de-eksitasi gamma merupakan sesuatu yang penting pada semua jenis pengukuran radioaktivitas dan pada pembuatan skema tingkat inti, apakah waktu hidup dapat diukur atau tidak. Pada bagian ini hanya dibahas faktor yang mempengaruhi waktu hidup transisi gamma dan kemungkinan menyebabkan keberadaan tingkat metastabil atau transisi isomeris. Definisi isomer inti dalam istilah ‘umur paruh yang terukur’ menjadi sesuatu yang samar-samar, karena perkembangan teknik langsung dan tidak langsung yang baru dapat mengukur sampai batas yang lebih rendah. Untuk skala yang lebih tinggi kemungkinan tidak ada batasnya,



2l0



Bim memiliki umur



paruh 3,5 x 106 tahun. Peluruhan gamma dari tingkat isomeris disebut dengan transisi isomeris (isomeric transition atau IT), dibatasi untuk transisi dengan umur paruh lebih dari atau sama dengan 10-6 detik. c.



Radiasi multipol dan aturan seleksi Transisi gamma adalah gelombang elektromagnetik yang dihasilkan dengan mengosilasi



muatan listrik sehingga membentuk medan listrik yang berosilasi, disebut dengan radiasi multipol elektrik (E), dan mengosilasi arus listrik sehingga membentuk medan magnet yang berosilasi disebut sebagai radiasi multipol magnetik (M). Suatu multipol elektrik atau magnetik memancarkan foton dengan momentum sudut orbital sebesar lh. Nomenklatur radiasi yang memiliki 1 = 1, 2, 3, 4, 5 satuan dan h adalah radiasi dipol, quadrupol, oktupol, 24-pol, dan 25-pol. Notasi singkatan untuk radiasi elektrik (atau magnetik) 21-pol adalah E1 (atau Ml). Dengan demikian E2 adalah radiasi quadrupol elektrik, M4 adalah radiasi 2 4-pol magnetik, dan sebagainya. Ada dua aturan seleksi yang harus dipenuhi pada transisi gamma, yaitu i). Aturan seleksi momentum sudut Universitas Gadjah Mada



9



Ii : keadaan spin awal 1: keadaan spin akhir ii). Aturan seleksi paritas Apabila



Aturan seleksi paritas:



dimana, I : paritas awal f : paritas awal Jika keadaan awal dan akhir mempunyai paritas sama, maka multipol elektrik adalah untuk 1 genap dan multipol magnetik adalah untuk 1 ganjil. Jika keadaan awal dan akhir mempunyai paritas berlawanan, maka multipol elektrik adalah untuk 1 ganjil dan I genap untuk multipol magnetik. Sebagai contoh : transisi dari 4+ ke 2+ memiliki 1 = 2, 3, 4, 5, 6, paritas awal dan akhir adalah sama (+), maka radiasi yang mungkin dipancarkan adalah E2, M3, E4, M5, dan E6. Transisi dan 3+ ke 1- memiliki 1 = 2, 3, 4, paritas awal berlawanan dengan paritas akhir, sehingga radiasi yang mungkin dipancarkan adalah M2, E3, danM4. d.



Radiasi multipol elektrik Daya yang dipancarkan radiasi multipol elektrik (El) adalah



(2-20)



dimana, r



: panjang gelombang radiasi yang dipancarkan



Q1



: momen multipol : fraksi dari ZeR1



P(EI) sebanding dengan atau(



)21 atau ( )21



Universitas Gadjah Mada



10



Laju pancaran foton adalah



(2-21)



Jika Q1 diketahui, maka umur paruh dapat dihitung. Paritas radiasi E1 adalah (-1)1. Jika transisi antar keadaan inti hanya melibatkan proton tunggal, maka untuk nilai partikel tunggal



(2-22) Jika persamaan (2-18) clisubstitusikan ke dalam persamaan (2-17), maka akan diperoleh laju transisi partikel tunggal atau laju transisi Weisskopf e.



Radiasi multipol magnetik Analog dengan radiasi multipol elektrik, maka laju pancaran foton adalah



(2-23)



A1 adalah amplitudo momen multipol magnetik yang berosilasi. Paritas radiasi Ml (-1) 1-1 atau -(-1)1. Jika transisi antar keadaan inti hanya melibatkan partikel maka untuk nilai partikel tunggal, maka untuk nilai partikel tunggal Al  orde dari



dan jika disubstitusikan ke dalam persamaan (2-23) akan diperoleh



laju transisi Moszkowski. Perbandingan antara laju peluruhan partikel tunggal untuk radiasi elektrik magnetik adalah sebagai berikut,



(2-24)



Nilai



 



aka berkurang jika I semakin besar.



Universitas Gadjah Mada



11



f. g.



Konversi Internal Medan Coulomb inti dapat memindahkan semua energi eksitasi secara



langsung pada elektron orbital atom. Inti berubah (kembali) ke keadaan dasar tanpa adanya pancaran sinar gamma dan atom akan melepaskan elektronnya. Probabilitas terbesar adalah mengeluarkan elektron dari kulit K, yaitu yang terdekat dengan inti atom. Besarnya energi kinetik elektron konversi internal adalah = E* - EK



(2-25)



dimana, E* : energi eksitasi EK : energi ikat aelektron pada kulit K Jika E*