Transcript Dasar Fisika Radiasi

FISIKA RADIASI
BPTC-2014
Balai Diklat BAPETEN
TUJUAN
Memahami pengetahuan dasar
tentang Fisika Radiasi yang menjadi
landasan bagi pengetahuan lain yang
berhubungan dengan pemanfaatan
dan pengawasan tenaga nuklir
BAHASAN
proses terjadinya radiasi dari atom atau
inti atom yang tidak stabil,
peluruhan inti atom yang tidak stabil,
interaksi radiasi bila mengenai materi
termasuk terjadinya reaksi inti,
serta beberapa sumber radiasi baik
sumber radiasi alam maupun sumber
radiasi buatan
Klasifikasi Radiasi
RADIASI
Inframerah
Cahaya Tampak
Ultraviolet
NON
PENGION
Partikel : alfa (a), beta (b-), positron (b+)
Foton : Gamma, X
PENGION
Atom adalah bagian terkecil materi yang masih
memiliki sifat dasar materi tersebut. Atom
mempunyai ukuran sekitar 10-8 cm atau 10-10 m
atau 1 angstrom (=1 Ao).
ATOM (lanjutan)
Atom tersusun
atas:

Proton yang
bermuatan positif (+),

Neutron yang tidak
bermuatan

Elektron yang
bermuatan negatif (-)
Inti atom adalah bagian dari atom yang terletak di
tengah/di pusat atom, merupakan bagian dari
atom yang memiliki massa terbesar dan berukuran
sekitar 10-12 cm atau 10-4Ao. Hampir semua inti
atom tersusun dari dua jenis partikel yang disebut
proton dan neutron.
ATOM (lanjutan)
Proton dan neutron terikat
bersama membetuk inti atom.
Inti menentukan identitas unsur
dan massa atom.
Proton dan neutron mempunyai massa yang
hampir sama.
Proton merupakan partikel bermuatan sedangkan
neutron tidak bermuatan.
Proton
 Proton ditemukan secara eksperimental
oleh C.D. Anderson pada tahun 1932.,
sedang
 massanya jauh lebuh besar :
mp = 1,007287 sma
= 1,6725 x 10-27 kg
 Muatan proton = 1,6022 x 10-19 Coulomb
Jumlah proton in an atom menentukan jenis
unsur.
Neutron
 Neutron ditemukan oleh Chadwick
pada tahun 1932.
 mn = 1,008665 sma = 1,6748 x 10-27 kg
 Tidak bermuatan
 Sebagai partikel penyusun inti atom,
proton dan neutron disebut pula neuklon
Elektron
 Elektron ditemukan pertamakali secara
eksperimental oleh J. J. Thompson
pada tahun 1897.
 e = -1,6022 x 10-19 Coulomb
 me = 0,000549 sma = 9,1091 x 10-31 kg
Perbandingan Partikel Penyusun Atom
Partikel
Simbol
Massa (kg)
Energi (MeV)
Muatan
Proton
p
1.672E-27
938.2
+1
Neutron
n
1.675E-27
939.2
0
Elektron
e
0.911E-30
0.511
-1
Parameter Atomik
 Bilangan Avogadro adalah bilangan yang menyatakan
jumlah atom dalam satu gram atom atau jumlah molekul
di dalam satu gram molekul zat. Bilangan avogadro
lazim dituliskan dengan simbol NA, dimana :
 NA = 6,023 X 1023 atom/gram atom
= 6,023 X 1023 atom/gram molekul
 Sehingga jumlah atom dari suatu unsur dengan massa
m gram, dapat dinyatakan oleh rumus:
m
N   NA
A
Parameter Atomik (lanjutan)
satuan massa atom merupakan satuan
yang lazim dipakai untuk menyatakan
massa atom.
Satu mol zat mengandung 6,023 x 1023
molekul atau atom (bilangan Avogadro)
berat 1 mol zat dinyatakan dengan gram
sama dengan berat molekul /atomnya.
massa atom 12C sebagai standar. Untuk
12C, 1 mol = 12 gram.
Parameter Atomik (lanjutan)
1 sma
1
 x massa 12 C
12
1
1 gr atom/mol
 x
12 6,023x1023 atom/mol
1

x 1,99 x 10- 23
12
 1,66 x 10- 24 gram
Latihan 1
Hitung massa atom 52Cr dalam gram, jika
diketahui massa atomnya adalah
51,94051 sma.
52
M ( Cr)
51,9405gr/mol

6,02x1023 atom/ m ol
 8,628x10 23 g/atom
Kesetaraan Massa-Energi
E
moc2
v
1-  
c
E  moc
2
2
, jika v=0
Latihan 2
Hitung energi elektron dalam eV jika massa
elektron diketahui 9,109x10-31kg
31
15
E  moc  (9,109x10 kg)(3x10 m / s)  81,98x10 J
2
15
E  (81,98x10
8
1eV
5
J )(
)

5
,
11
x
10
eV  0,511MeV
9
1,602x10 J
Struktur Atom
(model Bohr)
Inti Atom
Elektron
Lintasan Elektron
Atom Bohr (lanjutan)
1. Elektron dalam orbital bergerak
disekeliling inti dalam radius tetap
tertentu.
2. Foton dipancarkan hanya bila elektron
berpindah dari satu orbit ke orbit lain
yang lebih rendah energinya.
Transisi Elektron
Energi Eksternal
Sinar-X karakteristik
Inti Atom
Inti Atom
Elektron
Elektron
Kulit K
Kulit K
Kulit L
Kulit L
Kulit Elektron
K
L
M
N
O
2
2n
Kulit
n
K
1
Jumlah
maksimum
elektron
2
L
2
8
M
3
18
N
4
32
O
5
50
P
6
72
Energi Ikat
Kulit
Hidrogen Tungsten
K
-13.5
-69,500
L
-3.4
-11,280
M
-1.5
-2,810
N
-0.9
-588
O
-0.54
-73
(Energi Ikat dalam eV)
Binding Energy (keV)
Energi Ikat
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Atomic Number (Z)
90
100
Eksitasi
atom
excited state
electron
orbitals
energy
energy
nucleus
ground state
Eksitasi
higher energy level
excited
electron
energy
normal energy level
Eksitasi
nucleus
energy
electron
excited state
Ionisasi
Ionisasi elektron
pada kulit terluar
Ionisation
Ionisasi
elektron pada
kulit K
Simbol Atom
A
Z
X
A = nomor massa atom yang menyatakan jumlah proton dan neutron dalam inti atom.
Z = nomor atom nuklida, yang menyatakan jumlah proton dalam inti atom.
X = Nama atom
Beberapa Istilah dari Simbol Atom
 Isotop, adalah nuklida – nuklida dengan nomor
atom(Z) sama tetapi berbeda nomor massanya
(A). Isotop – isotop memiliki jumlah proton yang
sama di dalam intinya tetapi berbeda jumlah
netronnya.
1
2
3
1
1
1
H, H, H
Elektron
Proton
Neutron
1
1H
Hidrogen
2
1H
Deuterium
3
1H
Tritium
Isotop
Jumlah proton
dan electrons
tetap sama.
Tetapi Jumlah
neutron berbedabeda
Beberapa Istilah dari Simbol Atom
Isoton adalah nuklida – nuklida dengan
jumlah neutron (N) yang sama tetapi
berbeda nomor atomnya (Z).
26
12
27
13
28
14
Mg, Al, Si
Beberapa Istilah dari Simbol Atom
Isobar adalah nuklida – nuklida dengan
nomor massa (A) yang sama tetapi
berbeda nomor atomnya (Z)
31
14
31
15
31
16
Si, P, S
Beberapa Istilah dari Simbol Atom
 Isomer adalah nuklida-nuklida yang mempunyai
nomor atom maupun nomor massa sama, tetapi
mempunyai tingkat energi yang berbeda.
 Inti atom yang memiliki tingkat energi lebih tinggi
daripada tingkat energi dasarya biasanya diberi
tanda asterisk (*) atau m
60
28
60
28
*
60
28
Ni, Ni atau Ni
m
Kestabilan Inti Atom
Hubungan Jumlah Neutron dan Proton
Kestabilan Inti Atom
Secara umum, kestabilan intiinti ringan terjadi bila jumlah
protonnya sama dengan
jumlah neutronnya, terlihat
bahwa posisi nuklida berhimpit
dengan garis N = Z, sedang
kestabilan inti-inti berat terjadi
bila jumlah neutron mendekati
1,5 kali jumlah protonnya.
Inti yang Stabil
gaya electrostatik
p
p
n
gaya nuclear
Line of stability
Kestabilan Inti Atom
Proses perubahan atau transformasi inti
atom yang tidak stabil menjadi atom yang
stabil dinamakan peluruhan
Peluruhan Alpha (a)
 Peluruhan alfa dominan terjadi pada inti-inti
tidak stabil yang relatif berat (nomor atom lebih
besar dari 80).
 dipancarkan partikel yang terdiri atas dua proton
dan dua neutron, yang berarti mempunyai
massa 4 sma dan muatan 2 muatan elementer
positif. Partikel a secara simbolik dinyatakan
dengan simbol 24a , atau24He
 Radionuklida yang mengalami peluruhan akan
kehilangan dua proton dan dua neutron serta
membentuk nuklida baru
Peluruhan Alpha (a)
Peristiwa peluruhan a ini dapat dituliskan
secara simbolik melalui reaksi inti sebagai
berikut:
A
Z
Y a
A 4
Z 2
X
Peluruhan Alpha (a)
Pu239 → U235 + a particle (He-4 nucleus)
Sifat Radiasi Alfa
 Daya ionisasi partikel alfa sangat besar, kurang
lebih 100 kali daya ionisasi partikel b dan 10.000
kali daya ionisasi sinar .
 Jarak jangkauan (tembus) nya sangat pendek,
hanya beberapa mm udara, bergantung pada
energinya.
 Partikel a akan dibelokkan jika melewati medan
magnet atau medan listrik.
 Kecepatan partikel a bervariasi antara 1/100
hingga 1/10 kecepatan cahaya.
Peluruhan Beta (b)
 Peluruhan beta terjadi pada inti tidak stabil yang
relatif ringan. Dalam peluruhan ini akan
dipancarkan partikel beta yang mungkin
bermuatan negatif (b-) atau bermuatan positif
(b+).
 peluruhan b- terjadi bila nuklida tidak stabil
berada di atas kurva kestabilan sedangkan
peluruhan b+ terjadi bila nuklidanya berada di
bawah kurva kestabilan.
Peluruhan Beta (b)
Dalam proses peluruhan b- terjadi
perubahan neutron menjadi proton di
dalam inti atom.
A
Z
X Y b v
A
Z 1

C N  b  v
14
6
14
7



Peluruhan Beta (b)
proses peluruhan b+ terjadi perubahan
proton menjadi neutron di dalam inti atom
X Y b v
A
Z
A
Z 1

O N  b  v
15
8
15
7

Sifat Radiasi Beta
 Daya ionisasinya di udara 1/100 kali dari partikel a
 Jarak jangkauannya lebih jauh daripada partikel a,
di udara dapat beberapa cm.
 Kecepatan partikel b berkisar antara 1/100 hingga
99/100 kecepatan cahaya.
 Karena sangat ringan, maka partikel b mudah
sekali dihamburkan jika melewati medium.
 Partikel b akan dibelokkan jika melewati medan
magnet atau medan listrik.
Peluruhan Gamma ()
 peluruhan gamma tidak menyebabkan
perubahan nomor atom maupun nomor massa,
karena radiasi yang dipancarkan dalam
peluruhan ini berupa gelombang
elektromagnetik (foton).
 terjadi bila energi inti atom tidak berada pada
keadaan dasar (ground state) (inti atom yang
isomer)
 Biasanya, peluruhan  ini mengikuti peluruhan a
ataupun b
Peluruhan Gamma ()
A
Z
X  X 
*
A
Z
contoh peluruhan gamma yang mengikuti peluruhan b
60
27
Co Ni  b
60
28
Ni  Ni  
60
28
*
60
28
*

Sifat Radiasi Gamma
 Sinar  dipancarkan oleh nuklida tereksitasi
(isomer) dengan panjang gelombang antara
0,005 Å hingga 0,5 Å
 Daya ionisasinya di dalam medium sangat kecil
sehingga daya tembusnya sangat besar bila
dibandingkan dengan daya tembus partikel a
atau b
 Karena tidak bermuatan, sinar  tidak dibelokkan
oleh medan listrik maupun medan magnit
Rumus Umum Peluruhan
Peluruhan radioaktif adalah proses
random yang laju karakteristiknya dapat
diprediksi
Konstanta peluruhan l, menunjukkan
probabilitas terjadinya peluruhan
radioaktif.
Probabilitas radioaktif untuk meluruh
dalam waktu dt → ldt
Rumus Umum Peluruhan
 Dari jumlah total inti atom N, dalam waktu dt, jumlah inti
yang akan meluruh, dN, dapat dihitung dari
-dN = N l dt
 Karena konstanta peluruhan tidak bergantung pada
waktu, solusi persamaan diatas menjadi
N  No e
lt
(PERSAMAAN 1)
Aktivitas
Aktivitas adalah jumlah inti atom yang
meluruh persatuan waktu.
Jika probabilitas peluruhan ini adalah l,
dan terdapat N inti atom, jumlah rerata inti
yang meluruh adalah Nl dan ditetapkan
sebagai aktivitas
A=Nl
Aktivitas
 Dari persamaan 1 dapat diperoleh
A  Nl  Nole
lt
(PERSAMAAN 2)
 Aole
lt
Satuan Aktivitas
1 Bq = satu peluruhan inti atau transformasi
inti per detik
1 Ci = 3,7 x 1010 Bq
Waktu Paroh
Waktu paroh (T1/2) adalah waktu yang
dibutuhkan selama peluruhan untuk
menghasilkan setengah dari jumlah mula-mula
inti atom.
Ao
Ao
1
 lT1 / 2
 lt
A

 Ao e  Ao e
  e lT1 / 2
2
2
2
T1/ 2 
ln(2)
l

0,693
l
Latihan Perhitungan
Berapa persen 226Ra akan meluruh selama periode
waktu 1000 tahun jika waktu paruhnya adalah 1600
tahun
A  Ao e
 lt
 Ao e
 0 , 693
t
T1 / 2
A

 e 0, 693 x1000 /1600  0,648  64,8%
Ao
Persentase yang meluruh = (100 -64,8)%= 35,2%
Latihan Perhitungan
1. Hitunglah konstanta peluruhan dan waktu
paruh 226 Ra jika satu microgram
memancarkan 3,65 x 104 partikel alpa per
detik
2. Sebuah sampel 113In mempunyai massa 2
mikrogram dan waktu paruh 1,6582 jam.
Hitunglah:
a)
b)
c)
d)
Jumlah atom 113In
Jumlah atom 113In yang tersisa setelah 4 jam
Aktivitas sampel setelah 4 jam (dalam Bq dan Ci)
Aktivitas spesifik sampel 113In
INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI
Interaksi Partikel Alfa
Proses ionisasi
Proses eksitasi
Interaksi partikel Alpa
Proses Ionisasi
Elektron lepas
Radiasi, E0
Radiasi, Ei
Inti Atom
Lintasan elektron
Elektron
Interaksi partikel Alpa
Proses Eksitasi
Radiasi, E0
Elektron pindah
Inti Atom
Lintasan elektron
Radiasi, E1
Elektron
Interaksi Partikel Beta
Sinar-X Bremstrahlung
Partikel b
Lintasan elektron
Inti Atom
Elektron
 Fraksi energi (f) dari sinar-X
bremstrahlung yang dihasilkan dapat
ditentukan menggunakan persamaan
empiris
f= 3,5 x 10-4.Z.Emaks
Z adalah nomor atom bahan penyerap,
Emaks adalah energi maksimum dari partikel beta
(dalam Me V)
Interaksi Neutron
 Neutron tidak bermuatan sehingga terjadi
ionisasi tidak langsung
 Neutron dibagi menjadi neutron ‘lambat’
(termal) dan cepat (energi >= 1 MeV)
Interaksi Neutron Lambat
Penangkapan Neutron
+ 1H  2H + 
1n
1H(n,
1n
)2H
 114Cd + 
113Cd(n, ) 114Cd
+
113Cd
Interaksi Neutron Lambat
Pancaran Partikel Bermuatan
1n
+
10B
 7Li + 4He
10B(n,a) 7Li
Interaksi Neutron Lambat
Fisi
1n
+
235U
 Produk Fisi
Untuk fisi
selanjutnya
Interaksi Neutron Cepat
 Hamburan Elastik – neutron berinteraksi
dengan partikel yang mempunyai massa
yang sama seperti proton.Terjadi pada
material yang kaya hidrogen air, beton
 Total energi kinetik sebelum dan sesudah
sama
Interaksi Neutron Cepat
•
•
Hamburan Inelastik – neutron berinteraksi
dengan partikel yang mempunyai massa
yang jauh lebih berat (seperti besi)
Total energi kinetik sebelum dan sesudah
Berbeda
Interaksi Radiasi Foton
Efek Fotolistrik
enegi foton diserap oleh elektron orbit, sehingga
elektron tersebut terlepas dari atom
Efek fotolistrik sangat dominan terjadi bila foton
berenergi rendah di bawah 0,5 Me V dan lebih banyak
terjadi pada material dengan Z yang besar
Fotoelektron
(berenergi)
Gelombang
Elektromagnet
Lintasan
elektron
Inti Atom
Elektron
Interaksi Radiasi Foton
Hamburan Compton
Hamburan Compton sangat dominan terjadi bila foton
berenergi sedang (di atas 0,5 MeV) dan lebih banyak
terjadi pada material dengan Z yang rendah
Gelombang
Elektromagnet,
Ei=hi
Fotoelektron
(berenergi)
Eo=ho
Lintasan
elektron
Inti Atom
Elektron
Interaksi Radiasi Foton
Produksi Pasangan
energi foton datang hνi lebih besar dari 1,02
MeV
Elektron
Gelombang
Elektromagnet
Lintasan
elektron
Inti Atom
Elektron
Positron
Atenuasi Radiasi Foton
Io
Bahan
Penyerap
Ix
x
I x  I0 e
x
 = linear attenuation coefficient (cm-1)
-
Ix = Io e-x = Io e

(x)

/ = mass attenuation coefficient (cm2/g)
Attenuation and Buildup
Io
I
Io
IxB
where B1
Buildup
I = Io B e(-x)
Foton utama + foton hamburan
B=
Foton utama
Jika tidak ada foton hamburan, maka B = 1
Jika ada foton yang dihamburkan, maka B > 1
Atenuasi radiasi foton
Intensitas awal
(Io)
Intensitas, Ix
½ Io
1/10
Io
HVL
TVL
Tebal, x
Atenuasi radiasi foton
0,693
2,303
HVL 
;TVL 


I x  12  I0 ; I x  110  I0
n
m
Pembangkitan Sinar-X
Radiasi Alam
Nuklida Primordial
Nuklida Waktu Paroh Keterangan
235U
238U
232Th
7.04 x 108 yr 0.711% dari seluruh
U alam
4.47 x 109 yr 99.275% seluruh U
alam; 0.5 to
4.7 ppm total U in
batuan
1.41 x 1010 yr 1.6 to 20 ppm dalam
batuan
Nuklida Primordial
Nuklida
226Ra
Waktu Paroh
1,600 yr
222Rn
3.82 days
40K
1.28 x 109 yr
Radiasi Latar
Ada 3 rantai peluruhan di alam:
 deret uranium, dimulai dengan 238U
 deret thorium, yang berasal dari 232Th
 deret actinium series, yang berasal dari 235U
Jenis Radiasi Kosmik
 Radiasi Kosmik Utama
 Radiasi Kosmik Sekunder
Radiasi Kosmik Utama
 Partikel dengan energi yang sangat tinggi
(hingga 1018 eV)
 sebagian besar terdiri dari proton atau
kadang-k adang partikel lebih berat
 Sebagian besar berasal dari luar sistem tata
surya
 Beberapa diantaranya berasal dari matahari
Radiasi Kosmik Sekunder
 Dihasilkan dari interaksi radiasi
kosmik utama dengan atmosfer
 Radiasi kosmik yang kita terima
 energi radiasi lebih rendah dalam
bentuk foton, elektron, neutron
Radiasi Latar
Radiasi galaktik
salah satu
komponen
radiasi latar di
bumi
Radiasi Latar
Atmosfer bumi
berlaku sebagai
perisai radiasi dari
sebagian besar radiasi
kosmik
Radiasi Latar
Dosis radiasi dari
radiasi kosmik
berkurang
padaketinnggian
yang lebih rendah
Radionuklida Kosmogenik
Nuklida
Waktu
paroh
14C
5730 yr
Interaksi
radiasi kosmik,
14N(n,p)14C
0.22 Bq/g
3H
12.3 yr
Interaksi
radiasi kosmik
dgn N dan O
1.2 x 10-3 Bq/kg
7Be
53.3 days
Interaksi
radiasi kosmik
dgn N dan O
0.01 Bq/kg
sumber
Aktivitas
alamiah
Dosis Radiasi Kosmik
Penerbangan Subsonic at 11 km
Lama
Penerbangan
(jam)
Dosis tiap
perjalanan pulangpergi (Gy)
11.1
48
Chicago – Paris
8.3
36
New York - Paris
7.4
31
New York - London
7.0
29
Los Angeles - New York
5.2
19
17.4
44
Rute
Los Angeles – Paris
Sydney - Acapulco
Dosis Radiasi Kosmik
Penerbangan Subsonic at 19 km
Lama
Penerbangan
(jam)
Dosis tiap
perjalanan pulangpergi (Gy)
Los Angeles – Paris
3.8
37
Chicago – Paris
2.8
26
New York – Paris
2.6
24
New York – London
2.4
22
Los Angeles - New York
1.9
13
Sydney - Acapulco
6.2
21
rute
Terima Kasih