PENGUKURAN RADIOAKTIVITAS 20102011 Pendahuluan Peluruhan zat radioaktif memancarkan

PENGUKURAN RADIOAKTIVITAS 2010/2011

Pendahuluan … • Peluruhan zat radioaktif memancarkan partikel bermuatan. • Radiasi partikel bermuatan dapat dideteksi dengan jalan memanfaatkan interaksi radiasi tersebut dengan materi. • Interaksi dapat terjadi melalui dua cara, yaitu: (a) interaksi radiasi dengan inti atom materi disekitarnya. (b) interaksi radiasi dengan elektron atom materi, menurut gaya columb.

Interaksi Radiasi dengan Elektron Atom Materi … Interaksi radiasi dengan elektron dapat menghasilkan dua proses, yaitu: a) IONISASI suatu partikel bermuatan yang bergerak akan menimbulkan medan listrik disekitarnya. Medan listrik ini mempengaruhi elektron-elektron atom materi yang berada didekat lintasan elektron tersebut. Jika interaksi cukup kuat, maka elektron dapat bertolak ke luar dari atom yang sebelumnya terikat dan menerima suatu energi kinetik.

b) EKSITASI Jika interaksi tidak cukup kuat untuk terjadinya proses ionisasi, maka bisa terjadi eksitasi. Dalam hal ini, elektron akan berpindah dari suatu keadaan awal dengan energi ikat (Eo) menuju ke energi ikat akhir (E 1), dimana E 1 < Eo

Interaksi Radiasi dengan Elektron Atom Materi … Jika partikel bermuatan akan berinteraksi melalui medan Coulomb ketika mereka saling mendekat, akibatnya jalan tempuh partikel tersebut berubah dan terjadi perubahan memontum dan energi salah satu atau kedua partikel tersebut tanpa terjadi kontak fisik secara langsung.

Interaksi Radiasi dengan Elektron Atom Materi … Jenis tumbukan yang terjadi: a) Tumbukan ELASTIK terjadi jika TIDAK terjadi perubahan energi dalam atau energi kinetik total dari partikel-partikel yang bertumbukan. b) Tumbukan TAK ELASTIK terjadi jika ADA perubahan energi dalam dari satu atau lebih dari sistem yang bertumbukan (mis. terjadi pengionan atom)

c) Penyerapan SEMPURNA terjadi jika semua radiasi yang menumbuk materi diserap sempurna (tidak ada radiasi semula yang diteruskan atau dipantulkan). Pengamatan interaksi radiasi dengan materi dapat ditinjau secara makroskopis maupun mikroskopis.

Misal: Jika intensitas radiasi diukur sebelum dan sesudah melalui suatu materi, maka intensitas yang diserap materi dapat dihitung. It Io Ia

• Secara MASKOSKOPIK, pengukurannya merupakan hasil rata-rata dari berbagai tumbukan radiasi dengan tiap atom penyusun materi yang biasanya melibatkan berbagai jenis interaksi. • Secara MIKROSKOPIK, pengukurannya memperhitungkan setiap jenis tumbukan yang terjadi pada tingkat atom atau sub atomik dan proses-proses yang diakibatkan tumbukan tersebut.

Interaksi Partikel α dengan Materi • Partikel alfa terdiri atas inti atom helium, yang merupakan inti stabil karena energi ikat per nukleonnya cukup tinggi (≈ 7 Me. V). • Partikel α mempunyai massa lebih besar dari elektron, sehingga jika elektron ditumbuk dengan partikel α maka perlambatan partikel α terjadi tanpa difusi, melalui sejumlah besar tumbukan dengan pertukaran energi sedikit demi sedikit.

• Kadang-kadang suatu elektron yang terlepas dari orbital atom oleh partikel α dan terlempar melewati ruang dengan energi tertentu berakibat elektron ini mampu menghasilkan pasangan ion. • Pengionan spesifik : jumlah pasangan ion yang dihasilkan per satuan panjang dari jarak tempuh (per mm) radiasi pengion. • Pengionan spesifik bergantung pada energi yang tertinggal pada partikel.

Partikel α secara kontinu kehilangan energi sepanjang jalan tempuhnya dengan menghasilkan proses-proses pengionan, maka pengionan spesifik pun berubah secara kontinu. Bersamaan dengan hilangnya energi partikel, kecepatan partikelnyapun berkurang. Pada kecepatan yang lebih rendah, partikel α mempunyai lebih banyak waktu untuk mempengaruhi lingkungan atom-atom yang dijumpainya sehingga jumlah pasangan ion yang terjadi akan lebih banyak karena partikel α mempunyai kesempatan lebih besar untuk berinteraksi dengan elektron.

• Kehilangan energi per satuan panjang akan naik dengan turunnya energi partikel. Makin lambat gerakan partikel bermuatan, makin besar kehilangan energinya. Hal ini akan berakibat pada naiknya rapat ionisasi. • Pada saat energi (E) menurun, maka rapat ion akan mencapai harga maksimum dan kemudian menurun mendadak menjadi nol pada suatu harga yang sedikit lebih tinggi dari harga jangkauan rata-rata.

• Di dalam udara dengan tekanan 760 mm. Hg pada temperatur 0 o. C panjangkauan (R) partikel α dapat dinyatakan dengan kategori: a) E < 4 Me. V, R (cm) = 0, 56 E Me. V. b) 4 Me. V < E < 8 Me. V, R (cm) = 1, 24 E (Me. V) – 2, 62 • R partikel α dalam suatu medium atau bahan lainnya, dapat dinyatakan sbb: Rm (mg/cm 2) = 0, 56 x A 1/3 x R dimana: A = nomor atom medium R = panjangkauan partikel α dalam udara (cm) Rm = kerapatan ketebalan (mg/cm 2)

• Hubungan antara kerapatan total dengan ketebalan (te) dapat dirumuskan sbb: Rm (g/cm 2) = Г (g/cm 3) x te (cm) • Panjangkauan/lintasan partikel α dalam tubuh manusia dapat dinyatakan sbb: Ra x Гa = Rt x Гt dimana: Ra = panjang lintasan α di udara Гa = berat jenis udara Rt = panjang lintasan α dalam tubuh manusia Гt = berat jenis tubuh manusia

Interaksi Partikel β dengan Materi • Kecepatan partikel β bergantung pada energinya, dimana berkisar dari 0 secara kontinu sampai sekitar 2, 9 x 1010 cm/s (mendekati kecepatan cahaya). • Partikel β harus bergerak dengan kecepatan yang lebih besar daripada kecepatan α yang mempunyai energi yang sama, karena massa partikel β lebih kecil dari partikel α.

• Energi partikel β dihitung berdasarkan kecepatan partikelnya (v). jika v < (rendah), maka energinya dapat dihitung menggunakan persamaan: E = ½ mv 2 sedangkan jika v > (tinggi), maka diperlukan faktor koreksi relativitas Einsten : m = mo/{1 -β 2}1/2 dimana: m = massa efektif mo = massa diam β = v/c , dengan v = kecepatan partikel c = kecepatan cahaya

• Penyerapan partikel β oleh materi dari pengamatan MAKROSKOPIS merupakan fungsi dari jarak yang ditempuh partikel-partikel dalam bahan penyerap dari rapat massa bahan tersebut. • Jika suatu berkas partikel β dengan intensitas (Io) mengenai suatu absorber, maka sejumlah partikel akan terserap sehingga intensitas yang diteruskan adalah I.

X penyerapan partikel β akan turun secara eksponensial jika menembus suatu bahan absorben dengan tebal (x). Pernyataan tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan: dimana: Ro = keaktifan yang teramati tanpa absorber R = keaktifan yang teramati dengan absorber μ = koefisien absorpsi (cm 2/g)

• Hubungan antara panjang lintasan (g/cm 2) dengan energi partikel β (Me. V) dapat dinyatakan sbb: Emaks > 0, 8 Me. V, maka R = 0, 542 Emaks – 0, 133 0, 15 Me. V < Emaks < 0, 8 Me. V, maka R = 0, 407 (Emaks)1, 38

Interaksi Partikel γ dengan Materi • Radiasi γ adalah gelombang elektromagnetik, dimana dipancarkan sebagai foton atau kwanta energi yang menjalar dengan kecepatan cahaya (c = 3 x 1010 cm/s). • Panjang gelombang (λ) dan frekuensi (ν) dihubungkan dengan kecepatan cahaya (c) akan diperoleh persamaan: λ = c/ν

• Energi foton dihitung dengan menggunakan hubungan: E=hν • Hubungan antara panjang gelombang (λ) dengan energi (E) dituliskan sbb: λ(cm) = [1, 24 x 10 -10/E (Me. V)] • Beberapa interaksi penting antara foton dengan materi ialah hamburan Rayleigh, Thomson, resonansi inti, Bragg, dan Fotodisintegrasi.

• Hamburan RAYLEIGH jika interaksi antara suatu foton dan elektron orbital tidak cukup untuk menghasilkan pengionan atau eksitasi atom, terjadi tumbukan elastik, dimana energi foton sebelum dan sesudah tumbukan tidak berubah. • Hamburan THOMSON berdasarkan sifat gelombang, mula-mula diperkirakan bahwa sinar X akan dipantulkan oleh suatu cermin, namun ternyata bahwa sinar X banyak dihamburkan daripada dipantulkan. Hamburan ini adalah suatu interaksi sinar X dengan elektron orbital.

• Hamburan RESONANSI INTI jika frekuensi vibrasi suatu inti sama dengan frekuensi foton yang mengenainya maka terjadi penyerapan foton, dimana foton kemudian dipancarkan kembali dari inti tereksitasi. • Hamburan BRAGG terjadi pada sinar gama dengan cara yang sama seperti hamburan sinar X (difraksi sinar X) yang terjadi pada suatu muka kristal. Hal ini merupakan suatu jenis hamburan elastik koheren, karena terdapat hubungan fasa yang tepat antara gelombang jatuh dengan gelombang hamburan.

• Fotodisintegrasi dalam interaksi ini melibatkan suatu tumbukan dari foton berenergi tinggi dengan suatu inti. Foton terserap sempurna dalam proses ini dan suatu netron, proton atau partikel alpha dilepaskan dari inti yang tereksitasi. • Efek Fotolistrik terjadi terutama jika energi foton rendah. Tumbukan tak elastik dari foton dengan elektron orbital menghamburkan pelepasan sempurna dari elektron dan menghasilkan pasangan ion.

• Efek COMPTON penting untuk sinar γ dengan energi medium (0, 5 – 1, 0 Me. V). Efek ini melibatkan suatu tumbukan antara foton dan elektron yang sebagian energi fotonnya diberikan pada elektron. Foton yang keluar mempunyai energi yang lebih kecil. panjang gelombang foton dapat dihitung dgn pers: dimana :

• Pembentukan Pasangan hanya melibatkan sinar gamma yang mempunyai energi lebih besar dari 1, 02 Me. V. Energi sinar gamma diubah menjadi suatu elektron dan positron dalam daerah medan elektromagnetik tinggi. Et = h. νo – 2 mo c 2 dimana: mo : massa elektron νo : frekuensi sinar gamma yang datang c : kecepatan cahaya h : tetapan Planck

• Jika sinar gamma menembus materi, maka akan mengalami penyerapan oleh interaksi dengan atom dari bahan penyerap, terutama oleh efek fotolistrik, efek compton dan oleh pembentukan pasangan. Hal ini mengakibatkan terjadi penurunan intensitas radiasi dengan jarak yang ditempuhnya melalui bahan penyerap. • Penurunan energi dari berkas radiasi gamma yang jatuh ialah dalam bentuk eksponensial.

• Io dan I masing-masing adalah intensitas awal dan intensitas setelah menembus absorber setebal x. • μ adalah koefisien absorpsi yang merupakan jumlah dari 3 koefisien absorpsi parsial yaitu τ (koef. fotolostrik), σ (koef. efek Compton) dan κ (koef. pembentukan pasangan). • Konsep yang berguna sehubungan dengan penyerapan gamma adalah HALF VALUE LAYER (HVL) atau tebal separo, yang didefinisikan sebagai jarak pada absorber yang harus ditempuh agar intensitas radiasi gamma berkurang menjadi setengah nilai semula.

Interaksi Partikel Neutron dengan Materi • Netron merupakan partikel tidak stabil dengan waktu paruh ± 12 menit dan meluruh menjadi 1 p, 1 n dan 1 netrino. • Netron tidak bermuatan, sehingga tidak dipengaruhi oleh medan magnit maupun medan elektrostatis. Netron hanya dibelokkan apabila bertumbukan dengan partikel lain.

• Netron dihasilkan menggunakan 2 proses umum, yaitu penembakan inti dan pembelahan dalam suatu reaktor. • Sumber partikel yang menggunakan penembakan inti sebagai sumber netron ada dua jenis, yaitu menggunakan sumber radioaktif maupun menggunakan pemercepat partikel bermuatan dengan tegangan tinggi.

• Hamburan ELASTIK hamburan elastik adalah penyebab utama dari MODERASI (perlambatan) netron. Dalam suatu tumbukan elastik, energi kinetik total dan momentum total dari netron dan inti tetap konstan. Dalam hal ini tidak terjadi kehilangan energi dengan pelepasan radiasi elektromagnetik. unsur-unsur yang sering digunakan sebagai Moderator adalah hidrogen dan karbon. hidrogen adalah moderator yang sangat efisien karena mempunyai massa yang hampir sama dengan netron sehingga pada tumbukan elastik sempurna akan menghasilkan derajat moderasi terbesar.

• Hamburan RESONANSI TAK ELASTIK hamburan yang menyebabkan kehilangan dalam energi total dari sistem yang bertumbukan. Dalam suatu reaksi jenis (n, n’) dengan n adalah netron penembak dan n’ adalah netron yang lebih lambat yang dilepaskan inti sasaran dan perbedaan energi kedua netron tersebut dipancarkan sebagai suatu foton.

• Untuk kebanyakan inti penangkapan netron menghasilkan peningkatan energi sekitar 8 Me. V ditambah energi kinetik netron. Hal ini menyebabkan energi inti yang terbentuk sesudah penangkapan netron berada dalam tingkat energi yang tinggi. • Kestabilan dicapai dengan pemancaran partikel atau foton. Jenis reaksi penangkapan bergantung pada energi netron penembak, sehingga menurut energinya, netron dibagi menjadi 4, yaitu:

• NETRON LAMBAT (TERMAL) energi inti meningkat hanya sekitar 8 Me. V dan umumnya tidak cukup untuk mengeluarkan suatu partikel. Reaksi umumnya ialah jenis reaksi (n, γ) yang dikenal dengan reaksi Pengaktifan. misal: • NETRON INTERMEDIATE penangkapan dapat menghasilkan reaksi pengaktipan sebanyak di atas, tetapi inti gabungan yang dihasilkan juga mempunyai cukup energi untuk mengatasi energi ikat dan mengeluarkan suatu partikel.

• NETRON CEPAT energi kinetiknya sampai 10 Me. V memberi sumbangan sampai sekitar 18 Me. V kepada inti. Energi ikat suatu nukleon hanya sekitar 8 Me. V, sehingga dua partikel dapat dilepaskan dari inti. misalnya: • NETRON RELATIVITAS jumlah nukleon yang dapat dilepaskan dari inti sasaran dengan netron ini lebih besar lain.