Pengguna:Hysocc/Buku/Radioaktivitas

Radioaktivitas adalah proses di mana inti dari atom yang tidak stabil mengemisikan radiasi. Zat yang mengemisikan radiasi secara spontan disebut zat radioaktif. Jenis radiasi yang diemisikan diantaranya partikel alfa, partikel beta, sinar gamma, dan elektron.

Atom yang mengemisikan radioaktif akan mengalami perubahan nomor atom, perubahan massa atom, atau keduanya, tergantung dari jenis radiasi yang diemisikan. Berikut adalah jenis partikel yang diemisikan zat radioaktif.

Jenis radiasi	Perubahan pada atom
Sinar alfa ($\alpha$ atau $_{2}^{4}He$)	A − 4, Z − 2
Sinar beta- ($\beta ^{-}$ atau $e^{-}$)	A, Z + 1
Sinar gamma ($\gamma$)	A, Z
Proton ($p$)	A - 1, Z - 1
Neutron ($n$)	A - 1, Z
Positron ($e^{+}$)	A, Z - 1
A: Massa atom; Z: Nomor atom

Contoh karbon-14 memancarkan elektron, maka notasi peluruhan radioaktifnya adalah:

$_{6}^{14}C\to _{7}^{14}N+_{-1}^{\ \ 0}e^{-}$

Pemancaran elektron atau sinar beta dari inti akan menambah nomor atom karbon karena pemancaran sinar beta akan diawali dengan peluruhan neutron menjadi elektron dan proton. Elektron yang berada di dalam inti tersebut kemudian terpental keluar sebagai peluruhan radioaktif. Sedangkan karbon, karena sudah mengalami penambahan proton, nomor atomnya bertambah sehingga karbon berubah menjadi unsur dengan nomor atom 7, yaitu nitrogen.

Pada berbagai jenis percobaan radioaktivitas, peluruhan tidak dapat terjadi secara instan melainkan harus diinduksi dengan memaksa atom tersebut menyerap beberapa partikel subatomik hingga mencapai kondisi ketidakstabilan. Contohnya adalah reaksi penangkapan 3 neutron oleh oksigen:

$_{8}^{16}O+_{0}^{3}n\to _{8}^{19}O$

Penambahan massa inti atom ini akan memaksa atom oksigen-19 meluruh menjadi fluor dengan mengemisikan partikel beta:

$_{8}^{19}O\to _{9}^{19}F+_{-1}^{\ \ 0}e^{-}$

Secara neto, kedua reaksi di atas dapat digabungkan menjadi:

$_{8}^{16}O+_{0}^{3}n\to _{9}^{19}F+_{-1}^{\ \ 0}e^{-}$

Stabilitas inti

Peta persebaran inti stabil berdasarkan nomor atom dan nomor massa dan emisinya. Inti atom yang stabil ada pada pixel berwarna hitam

Apa yang diemisikan oleh suatu atom jika berada di luar garis kestabilan

Inti yang stabil tidak secara spontan mengemisikan radioaktif. Namun jika ia berada di luar titik kestabilan, maka ia akan mengemisikan sesuai dengan lokasinya terhadap garis kestabilan. Penjelasan secara umumnya dapat dilihat pada gambar di samping ini.

Jenis-jenis peluruhan

Peluruhan alfa

Peluruhan alfa adalah satu jenis peluruhan radioaktif di mana inti atom mengemisikan partikel alfa yang serupa dengan inti dari atom helium. Hasil dari peluruhan adalah berkurangnya nomor massa sebanyak empat dan berkurangnya nomor atom menjadi dua, sesuai dengan jumlah atom pada inti helium yang terdiri dari dua neutron dan dua proton. Contoh dari peluruhan alfa ada pada U-238 yang meluruh menjadi Th-234.

$_{92}^{238}U\to _{90}^{234}Th+_{2}^{4}\alpha$

atau

$_{92}^{238}U\to _{90}^{234}Th+_{2}^{4}He$

Peluruhan beta

Peluruhan beta dibagi menjadi dua, yaitu peluruhan beta negatif dan peluruhan beta positif. Peluruhan beta negatif adalah emisi elektron dari inti; menyebabkan nomor atom bertambah. Sedangkan peluruhan beta positif adalah emisi positron dari inti; menyebabkan nomor atom berkurang.

Contoh emisi beta negatif adalah peluruhan Cs-137 menjadi Ba-137:

$_{55}^{137}Cs\to _{56}^{137}Ba+_{-1}^{\ \ 0}e^{-}$

Contoh emisi beta positif adalah pelurunan Na-22 menjadi Ne-22:

$_{11}^{22}Na\to _{10}^{22}Ne+_{1}^{0}e^{+}$

Peluruhan proton

Peluruhan proton adalah jenis peluruhan radioaktif di mana proton diemisikan keluar dari inti atom. Di alam peluruhan proton relatif langka dan hanya terjadi pada isotop yang rasio n/p relatif sangat rendah dibandingkan dengan rasio yang stabilnya.

Contoh atom yang mengemisikan proton adalah Co-49 yang meluruh menjadi Fe-49:

$_{22}^{49}Co\to _{21}^{48}Fe+_{1}^{1}p$

Peluruhan neutron

Peluruhan neutron adalah emisi neutron dari inti atom. Ketika mengemisikan neutron, atom akan mengalami penurunan nomor massa, namun nomr atomnya tetap. Sehingga emisi neutron hanya mengubah unsur menjadi isotopnya. Contoh peluruhan neutron adalah peluruhan Be-10 menjadi Be-9:

$_{4}^{10}Be\to _{4}^{9}Be+_{0}^{1}n$

Waktu peluruhan

Waktu peluruhan yang digunakan pada radioaktivitas umumnya adalah waktu paruh, yaitu waktu yang diperlukan untuk menunggu suatu zat radioaktif mengemisikan partikel hingga massanya turun menjadi setengahnya.

Persamaan umum yang digunakan untuk menunggu peluruhan menjadi seper-n-nya adalah:

$t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}$

Maka persamaan untuk mendapatkan waktu paruh, yaitu peluruhan menjadi seper-2-nya adalah:

$t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}$

di mana $\lambda$ adalah konstanta peluruhan.

Reaksi inti

Contoh reaksi inti, yaitu pembentukan dua partikel alfa dari penumbukkan atom litium

Reaksi inti adalah reaksi di mana inti dari suatu atom ditumbukkan dengan partikel atau inti atom yang lain untuk menghasilkan atom baru. Jika reaksi inti menghasilkan inti baru yang tidak stabil, maka inti yang baru tersebut akan meluruh atau membelah. Peluruhan menghasilkan radiasi partikel, sedangkan pembelahan akan menghasilkan dua jenis inti baru dengan ukuran yang hampir sama ditambah radiasi alfa.

Contoh reaksi inti yaitu penumbukkan lithium-6 dengan deuterium:

$_{3}^{6}Li+_{1}^{2}H\rightarrow _{2}^{4}He+_{2}^{4}He$

Contoh reaksi inti yang melibatkan atom bermassa besar, yaitu reaksi pada ledakan bom atom:

$_{92}^{235}U+_{0}^{1}n\rightarrow _{56}^{139}Ba+_{36}^{94}Kr+3_{0}^{1}n$

$_{94}^{239}Pu+_{0}^{1}n\rightarrow 2_{47}^{118}Ag+4_{0}^{1}n$

Reaksi di atas disebut dengan reaksi fisi (pembelahan), karena reaksi ini membelah atom bermassa besar menjadi dua atom dengan massa yang hampir sama.

Sedangkan reaksi inti yang menggabungkan dua inti yang sejenis menjadi satu inti yang lebih besar disebut dengan reaksi fusi (penggabungan). Reaksi fusi bisa saja mengemisikan radiasi setelah penggabungan selesai. Reaksi fusi terjadi setiap saat di dalam inti matahari dan meradiasikan energi ke seluruh tata surya:

$_{1}^{2}H+_{1}^{3}H\rightarrow _{2}^{4}He+_{0}^{1}n$

Penerapan radioaktivitas

Bidang kedokteran

• Mendeteksi gangguan pada peredaran darah, menggunakan $^{24}Na$
• Mengukur laju pembentukan sel darah merah, menggunakan $^{59}Fe$
• Mengetahui metabolisme secara umum, menggunakan $^{11}C$
• Mendeteksi kerusakan kelenjar tiroid, menggunakan $^{131}I$
• Mendeteksi adanya tumor, penyakit pada mata dan liver, menggunakan $^{32}P$

Bidang industri

• Radiasi sinar gamma digunakan untuk mengawetkan makanan, karena sangat efektif dalam mematikan mikroorganisme.
• Untuk mendeteksi keretakan pada besi cor, pipa besi, dan komponen logam lainnya
• Untuk mengukur ketebalan kertas pada industri kertas, karena sinar alfa dapat menembus kertas yang terlalu tipis.
• Industri otomotif, misal untuk mempelajari kinerja pelumas pada mesin.

Bidang hidrologi

• Isotop radioaktif yang larut air digunakan untuk mempelajari aliran air (kecepatan, debit, arah, dsb)
• Menyelidiki kebocoran pipa
• Menentukan umur dan asal air tanah dengan mengukur rasio antara $^{14}C$ dan $^{13}C$ pada sampel air.

Bidang biologi

• Mengubah kode genetik dengan menembakkan sinar radiasi pada DNA.
• $^{11}C$ dan $^{14}C$ digunakan untuk mengukur metabolisme secara umum, termasuk fotosintesis
• Meneliti gerakan air di dalam pembuluh tanaman
• Mengetahui performa ATP dalam metabolisme sel, menggunakan $^{38}F$

Bidang pertanian

• $^{37}P$ dan $^{14}C$ digunakan untuk mengetahui tempat pemupukan yang tepat
• $^{32}P$ digunakan untuk mempelajari arah dan kemampuan terbang serangga hama
• Mutasi gen atau pemuliaan tanaman
• $^{14}C$ dan $^{18}O$ digunakan untuk mengetahui metabolisme dan proses fotosintesis
• Mengkaji efisiensi pemanfaatan pakan untuk produksi ternak
• Mengungkapkan informasi dasar kimia dan biologi maupun antikualitas pada pakan ternak.
• $^{32}P$ dan $^{35}S$ untuk pengukuran jumlah dan laju sintesis protein di dalam usus besar hewan ternak
• $^{14}C$ dan $^{3}H$ untuk pengukuran produksi serta proporsi asam lemak mudah menguap di dalam usus besar

Contoh soal

Diketahui unsur X dengan massa atom 100 dan nomor atom 50 menangkap elektron dan kemudian mengemisikan 3 alfa. Maka hasilnya adalah atom Y dengan massa atom ... dan nomor atom ...

Jawab

Reaksi tersebut bisa digambarkan dengan:

$_{50}^{100}X+_{-1}^{\ \ 0}e^{-}\rightarrow _{z}^{a}Y+3_{2}^{4}\alpha$

Kerjakan dengan prinsip:

$\Sigma _{reaktan}=\Sigma _{produk}$

Sehingga nilai $a$ bisa didapatkan dengan:

$100+0=a+(3\times 4)$

$a=88$

Sedangkan nilai $z$ bisa didapatkan dengan:

$50+(-1)=z+(3\times 2)$

$z=43$

Jika dituliskan ulang:

$_{50}^{100}X+_{-1}^{\ \ 0}e^{-}\rightarrow _{43}^{88}Y+3_{2}^{4}\alpha$

Pengayaan: PLTN

Skema PLTN tipe boiling water

PLTN tipe pressurized water

Rentetan reaksi inti

Pembangkit listrik tenaga nuklir adalah pembangkit listrik yang menggunakan zat radioaktif sebagai bahan bakarnya. PLTN memiliki keunggulan diantaranya adalah relatif lebih bersih karena tidak mengemisikan gas karbon dioksida. Satu gram U-235 dapat melepaskan energi sebesar 20 miliar Joule, sedangkan satu gram batu bara berkualitas tinggi hanya mampu melepaskan energi sebesar 7000 joule. Sehingga satu gram U-235 memiliki energi yang setara dengan 3 metrik ton batu bara. Dan tipikal PLTN hanya mengisi bahan bakar uraniumnya setahun sekali. Dengan hematnya penggunaan bahan bakar di PLTN tersebut, 90 persen biaya dalam keekonomian PLTN ada pada pembangunan fasilitasnya, bukan pada bahan bakar dan pengoperasiannya. Berkebalikan dengan pembangkit listrik tenaga bahan bakar fosil.

Pembangkitan energi pada PLTN diawali dengan menginisiasi peluruhan pada bahan bakar uraniumnya (jika PLTN tersebut menggunakan uranium) dengan menembakkan sedikit neutron. Bagian yang 'tertembak' tersebut menangkap neutron, sehingga menjadikannya tidak stabil dan menyebabkan terjadinya reaksi inti yang melepaskan unsur hasil peluruhan dan lebih banyak neutron. Neutron yang dilepaskan tersebut menabrak atom uranium lain, sehingga terjadi rantai / rentetan reaksi inti. Setiap kali reaksi inti terjadi, energi dikeluarkan dalam bentuk panas. Panas tersebutlah yang dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Tergantung jenis PLTN-nya, pembangkitan energi listrik dapat memiliki metode yang berbeda-beda. Namun secara umum, panas yang dihasilkan dari reaktor digunakan untuk menguapkan atau meningkatkan tekanan air atau fluida yang berfungsi untuk memutar turbin. Turbin kemudian menghasilkan energi listrik. Pada reaktor air bertekanan, menara pendingin digunakan untuk mendinginkan air atau fluidanya kembali untuk kemudian dipanaskan lagi.

Bahan bakar

Uranium merupakan bahan bakar PLTN yang paling umum. Isotop uranium yang dibutuhkan dalam reaksi inti adalah uranium dengan massa atom 235 (U-235). Namun 99% uranium yang ditambang di alam merupakan uranium dengan massa atom 238 (U-238). Untuk itu, dibutuhkan pengayaan uranium agar kadar U-235 meningkat sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar PLTN.

Pengayaan dilakukan dengan sentrifugasi. Karena U-235 dan U-238 memiliki perbedaan massa yang sangat kecil sekali, sentrifugasi harus dilakukan berulang-ulang, sampai ribuan kali, hingga mendapatkan kadar U-235 yang diinginkan.

• 
  Deretan tabung sentrifugasi untuk memisahkan U-235 dan U-238 dalam wujud gas

Keamanan

Rentetan reaksi inti pada PLTN dijaga agar tidak berlebihan sehingga tidak menyebabkan reaktor meleleh. Pengendalian dilakukan dengan menggunakan batang pengendali (control rod) yang terbuat dari boron, perak, indium, atau bahan lain yang dapat menyerap neutron tanpa disertai peluruhan.

Selain dengan batang pengendali, bahan bakar PLTN dibuat dari uranium yang hanya mengandung maksimum 4% Uranium-235 agar rentetan reaksi tidak menyebabkan ledakan. Sisa 96%-nya adalah Uranium-238. Neutron yang menabrak U-235 dapat menyebabkan reaksi inti, namun tidak jika menabrak U-238. Bandingkan dengan uranium untuk bom atom yang mengandung 90% U-235.

• 
  Menara pendingin yang digunakan untuk mendinginkan reaktor nuklir dan fluida yang mengalir melewatinya
• 
  "Butir" bahan bakar PLTN