2 S IFAT SIFAT R ADIOAKTIVITAS

BAGIAN VI LIMBAH RADIO AKTIF

2 S IFAT SIFAT R ADIOAKTIVITAS

Sebuah atom terdiri dari sebuah inti (nucleus) bermuatan positif dan sejumlah planet-planet yang mengorbit pada intinya dan elektron- elektron yang bermuatan negatif yang mampu mengimbangi muatan positif dari inti atom. Karena massa atom terkonsentrasi dalam volume yang sangat kecil, maka densitas inti atom tersebut sangat tinggi, yaitu sekitar 2 x 1014 gram/cm3.

Struktur sebuah Atom :

Inti-atom (nucleus) terdiri dari proton dan netron. Proton adalah partikel dasar dengan massa mendekati 1 dalam skala berat atom dan bermuatan + e, yaitu muatan sebuah elektron sebesar 4,8025 x 10-10 esu (electrostatic unit). Netron juga merupakan partikel dasar dengan besaran mendekati 1 unit satuan atom, namun tidak bermuatan. Oleh karenanya, sebuah inti-atom dicirikan oleh nomor massa (A), yang sepadan dengan jumlah netron dan proton, dan nomor atom (Z), yang proporsional dengan muatan positif pada inti-atom (Ze), dan sepadan dengan jumlah proton dalam inti-atom. Simbol sebuah atom ditulis sebagai ZXA, dimana X adalah simbol

kimia yang biasa digunakan untuk unsur tersebut. Untuk mengikat sejumlah besar netron dan proton dalam ruang yang sangat kecil yang tersedia dalam sebuah inti-atom, dibutuhkan satu ikatan yang sangat kuat, sebab bila tidak maka akibat adanya gaya tolakan elektrostatis antara proton-proton maka akan mengakibatkan mereka terpencar.

Misalnya diambil masa 2He4 yang terdiri dari 2 proton dan 2 netron:

Massa proton = 2 x 1,007595 = 2,015190 amu (atomic mass unit) Massa netron = 2 x 1,008983 = 2,017966 amu

--- + = 4,033156 amu

Massa inti-atom helium = 4,002775 amu --- -

Perbedaan massa (mass defect) = 0,030381 amu

Perbedaan massa ini menghilang pada saat terjadinya fusi dua proton dan dua netron untuk membentuk inti-atom helium. Dengan menggunakan persamaan Einstein, yaitu E = mc2 maka sejumlah ekuivalensi enersi akan terbebaskan. Dalam hal ini:

c = kecepatan cahaya=2,9979 x 109 cm/detik m = perbedaan massa (amu)

Elektron dapat dianggap sebagai partikel dengan muatan negatif e (4,8025x10-10esu), dengan massa 1/1840 proton (0,00055 amu). Sebuah atom adalah netral, sehingga jumlah elektron harus mengimbangi nomor atom (jumlah proton dalam inti-atom). Elektron-elektron ini terikat dalam orbitnya oleh gaya elektrostatis dengan jarak yang bervariasi terhadap inti-atom, dan jumlah elektron serta susunannya merupakan kunci sifat-sifat kimiawi dari elemen tersebut.

Isotop :

Nomor atom dari sebuah unsur menentukan jumlah elektron dan merupakan identitas kimiawinya. Di alam terdapat atom dengan 1 elektron (hidrogen) sampai 92 elektron (uranium) dan massanya bervariasi dari 1 (sebuah proton pada hidrogen) sampai 238 (92 proton dan 146 netron pada uranium). Bisa saja dijumpai dua buah atom yang mempunyai nomor atom yang sama tetapi berbeda masanya. Atom tersebut disebut sebagai isotopis satu terhadap yang lain, dan menjadi isotop yang berbeda untuk elemen yang sama. Jadi isotop adalah elemen yang mempunyai nomor atom yang sama, tetapi mempunyai jumlah massa yang berbeda. Sifat-sifat kimiawi dua buah isotop akan sama, tetapi sifat-sifat fisisnya yang tergantung pada masanya, akan berbeda. Sebagai contoh adalah sebuah atom hidrogen yang mempunyai sebuah proton dan sebuah elektron. Terdapat pula sebuah atom dengan inti-atom yang terdiri dari sebuah proton dan sebuah netron disertai sebuah electron. Sifat-sifat kimiawinya adalah identik. Atom terakhir ini merupakan sebuah isotop dari hidrogen, dikenal sebagai hidrogen berat atau deuterium, dan sifat-sifat nuklirnya agak berbeda dari hidrogen biasa. Contoh lain adalah isotop uranium, yang mempunyai proton sebanyak 92, dijumpai dalam bentuk 92U235 dan 92U238, dan biasanya cukup

dituliskan sebagai U-235 dan U-238. Hampir semua unsur terdapat di alam dalam bentuk campuran dari isotop-isotop seperti terlihat dalam Tabel 6.1.

Tabel 6.1: Campuran isotop di alam

--- --- Isotop Persentase Isotop Persentase --- --- 1H 1 99,98 50Sn 112 0,95 1D2 0,02 50Sn114 0,65 50Sn115 0,34 7N14 99,635 50Sn116 14,24 7N 15 0,365 50Sn 117 7,57 50Sn 118 24,01 8O16 99,76 50Sn119 8,58 8O17 0,04 50Sn120 32,97 8O18 0,20 50Sn122 4,71 50Sn 124 5,98 20Ca 40 96,97 20Ca42 0,64 92U234 0,0058 20Ca43 0,15 92U235 0,715 20Ca46 0,0033 92U238 99,28 20Ca 48 0,19 --- --- Peluluhan Radioaktif :

Pada kondisi normal, inti atom sangatlah stabil, dan tidak mengalami perubahan sifat-sifat kimiawi karena hanya melibatkan elektron- elektron terluar. Tahun 1986 Becquerel menemukan bahwa garam-garam uranium meng-emisikan sejenis radiasi yang menyebabkan pelat fotografis menjadi hitam. Kemudian ternyata bahwa fenomena tersebut berasal dari kegiatan pada inti-atom dan fenomena tersebut terjadi pada seluruh elemen dengan nomor atom lebih dari 83. Dengan demikian, secara artifisial dapat dihasilkan isotop-isotop yang tidak stabil yang dikenal sebagai radionuklisida (radionuclicide) dari unsur-unsur yang ada. Rutherford kemudian menunjukkan bahwa radiasi tersebut terdiri dari tiga jenis radiasi yang berbeda, yang dikenal kemudian sebagai radiasi α (alfa), β (beta) dan γ (gamma).

Radiasi α adalah merupakan partikulat dan setiap partikel alfa adalah sebuah inti helium yang berkecepatan tinggi sampai mencapai 109 cm/detik. Radiasi ini terdiri dari emisi dua proton dan dua netron dari inti-atom. Bila sebuah inti-atom yang tidak stabil mengemisikan partikel alfa, maka nomor atomnya menurun 2 satuan sedang massa atomnya menurun 4 satuan, seperti pada contoh peluluhan uranium ke thorium:

92U238 92Th234+2α4

Dalam reaksi ini dikeluarkan partikel α (inti helium) dari inti-atom. Secara kimiawi, thorium yang dihasilkan berbeda dengan uranium karena sifat-sifat kimia ditentukan oleh nomor atomnya. Hal ini perlu mendapat perhatian pada saat penanganan limbahnya, terutama dalam penyimpanan dan penyingkiran, sebab walaupun secara kimiawi asalnya tidak toksik atau tidak korosif, namun hasil peluluhan bisa saja menjadi lain. Thorium yang dihasilkan dalam reaksi itu tidak stabil, dan akan meluluh dengan mengeluarkan sinar β, yaitu sebuah elektron, yaitu:

90Th23491Pa234 + e -

Emisi sebuah muatan negatif dari inti-atom mengakibatkan muatan positif bertambah satu yaitu pada protactinium. Massa partikel β diabaikan, dan konversi tersebut dapat dianggap sebagai perubahan sebuah netron menjadi sebuah proton. Sekali lagi, sifat kimiawi dari kedua unsur tersebut berbeda, namun massanya tetap. Ketika partikel α melalui suatu media, enersinya secara bertahap dilepaskan akibat interaksi dengan atom yang lain. Dalam perjalanannya, muatan positif menarik elektron, menaikkan tingkat enersinya dan melepaskannya dari inti. Fenomena ini dikenal sebagai pengionan (ionization). Partikel α relatif massif dan mudah dihentikan. Kulit manusia dapat menahan radiasi ini, tetapi bila terhirup melalui pernafasan, maka partikel ini sangat berbahaya.

Radiasi β dapat dianggap pula sebagai partikulat, dan setiap partikel β adalah sebuah elektron negatif yang berkecepatan tinggi sampai mencapai 0,99 kecepatan cahaya. Radiasi ini dipancarkan dari inti-atom yang tidak stabil sebagai transformasi spontan dari sebuah netron ke sebuah proton dan elektron. Jumlah masa tidak berubah, tetapi nomor atomnya meningkat satu satuan. Sinar γ dapat pula terbentuk akibat transformasi itu. Sebagai contoh adalah peluluhan strontium-90 menjadi yttrium :

38Sr9039Y90 + β

Ionsasi yang terjadi pada partikel β frekuensinya lebih sedikit dibanding partikel α, namun penetrasinya pada jaringan tubuh lebih dalam. Partikel α dapat menembus pada jaringan tubuh sampai 100 µm, sedang partikel β bisa mencapai beberapa cm, dan hanya dapat dihentikan misalnya dengan lembar alumunium setebal 1 cm.

Radiasi γ adalah radiasi eletromagnetis dengan panjang gelombang sangat pendek, yaitu antara 10-3 sampai 10-7 µm, sehingga sinar ini mempunyai kemampuan untuk mengionisasi dan dapat merusak jaringan hidup. Radiasi γ tidak mempunyai muatan atau masa, dan bergerak dengan kecepatan cahaya. Sinar tersebut sangat sulit dihalangi, dan membutuhkan beberapa cm timah untuk mengisolasinya.

Perbedaan jenis radiasi tersebut di atas terkait dengan peluluhan inti atom-atom radioaktif. Sebuah inti-atom dapat terurai dengan kehilangan partikel α atau β-nya. Inti radium misalnya secara spontan akan terurai dengan melepaskan partikel α. Penentuan rancangan penyimpanan atau penyingkiran limbah radioaktif, perlu memperhatikan sifat peluluhan itu sendiri. Sinar β dan γ mempunyai kemapuan penetrasi yang lebih tinggi dibanding sinar α. Oleh karenanya, penyekatan harus dirancang bukan saja agar mampu menahan radiasi dari limbah asalnya, namun juga harus mampu menahan kemungkinan radiasi dari hasil peluluhannya yang bisa saja lebih berbahaya. Radioaktivitas menjadi kajian yang menarik dalam masalah lingkungan karena dampak negatifnya terhadap organisme yang terpapar, namun dapat bermanfaat, misalnya digunakan sebagai pelacak (tracer) untuk membantu pengukuran aliran materi dalam lingkungan.

Rutherford et al menemukan bahwa intensitas radiasi mengalami peluluhan secara eksponensial terhadap waktu, yaitu:

N = N0-Kt

dengan N = jumlah inti radioaktif setelah t waktu N0 = Jumlah inti awal

t = waktu yang ditinjau K = konstanta peluluhan radioaktif

Kemudian persamaan tersebut disederhanakan menjadi persamaan waktu-paruh t1/2, yaitu waktu

yang dibutuhkan agar inti tersebut luluh menjadi setengahnya, yaitu N = 1/2 No, dan persamaannya menjadi : t1/2 = ln2/k ≈ 0,693/k

Waktu paruh sebetulnya tidak dapat dihitung tapi harus diukur secara eksperimental. Nilai waktu paruh tersebut bervariasi dari satu isotop ke isotop yang lain. Tabel 6.2 memberikan gambaran waktu-paruh dari enam isotop pertama yang terdapat pada ilustrasi sebelumnya.

Tabel6.2 : Contoh waktu-paruh

--- Isotop Radiasi Waktu-paruh

--- 92U238 α 4,51 x 109 tahun 90Th234 β 24,1 hari 91U234 β 1,17 menit 92U 234 α 2,47 x 105 tahun 90Th 230 α 8,0 x 104 tahun 88Ra226 α 1,60 x 103 tahun ---

Sebagai gambaran, bila dimulai dengan sebuah isotop yang mempunyai waktu-paruh 1 tahun dan mempunyai berat 100 gram, maka akan tertinggal sebanyak 50 gram setelah 1 tahun, menjadi 25 gram setelah 2 tahun. Waktu-paruh dari sebuah isotop adalah tetap, tetapi waktu- paruh dari nuklisida-nuklisida akan sangat bervariasi. Tidak terdapat pola yang jelas antara waktu-paruh isotop-isotop yang diamati dengan mekanisme peluluhannya. Waktu-paruh tersebut tidak dapat dirubah namun memainkan peranan yang penting dalam aktivitas penyimpanan dan penyingkirannya. Oleh karena itu seluruh rantai peluluhan tersebut harus diperhitungkan dalam perancangan limbah radioaktif.

Isotop Artifisial:

Dengan ditemukannya radioaktivitas alamiah, manusia mulai mengamati pengaruh radiasi terhadap materi yang diradiasinya. Terbukalah pintu penelitian terhadap reaksi nuklir atau penelitian terhadap pembuatan isotop-isotop artifisial. Bila sebuah partikel seperti partikel alfa atau sebuah proton atau sebuah netron bertumbukan dengan inti-atom, maka terbentuk isotop baru. Reaksi nuklir pertama yang terdeteksi adalah partikel alfa dari polonium yang dibuat agar terjadi reaksi dengan atom- atom nitrogen di udara, sehingga memberikan reaksi :

7N14 + 2He48O17 + proton

Dalam hal ini 8O17 adalah stabil. Namun banyak hasil rekasi yang bersifat tidak stabil, dan luluh

secara radioaktif.

Reaksi lain yang dapat terjadi adalah bila inti-atom yang berat menyerap sebuah netron. Misalnya

92U236 menyerap sebuah netron menghasilkan isotop yang tidak stabil 92U236 (?). Peluluhannya

tidak dengan jalan mengemisikan partikel-partikel α atau β, tetapi inti-atom memecah dalam dua fragmen dengan massa yang hampir sama; hal ini dikenal sebagai fisi nuklir. Bila cara reaksi fisi yang terkontrol ini berlangsung, seperti yang banyak dilakukan dalam reaktor-reaktor nuklir, hasilnya akan dapat dipisahkan secara kimiawi dan merupakan sumber yang berlimpah bagi isotop-isotop artifisial.

Unit Satuan yang Digunakan:

Banyak satuan yang digunakan dalam bidang radioaktivitas ini, yang dapat membingungkan pemakainya. Satuan Curie (Ci) adalah satuan dasar yang menyatakan besarnya peluluhan sebuah sumber. Satu Ci sebanding dengan desintegrasi sebanyak 3,7 x 1010 per detik, yang merupakan laju desintegrasi inti-atom 1 gram radium. Dalam satuan SI, aktivitas tersebut dinyatakan sebagai becquerel (Bq), yaitu: 1 Bq = 2,7 x 10-11 Ci. Aktivitas sebuah sumber tidak langsung mengidentifikaikan jumlah partikel yang teremisi. Misalnya 38Sr90 meluluh dengan emisi

sebuah partikel beta, artinya sebuah sumber dengan kekuatan 1 Bq akan mengemisikan satu partikel per detik; tetapi 27Co60 akan mengemisikan sebuah partikel beta dan dua sinar gamma,

jadi sumber tersebut yang mempunyai aktivitas 1 Bq mengemisikan tiga partikel sekaligus per detik.

Secara umum, bila kekuatan sebuah sumber serta mekanisme peluluhannya diketahui, maka jumlah partikel yang teremisikan per satuan waktu akan dapat dihitung. Tetapi hanya fraksi dari radiasi ini yang terlacak ke luar, karena beberapa diantaranya terserap oleh materi radioaktif itu sendiri. Dalam hal sebuah isotop menghasilkan produk yang tidak stabil, maka intensitas totalnya persatuan waktu adalah merupakan penjumlahan, mulai limbah asal (limbah'orang tua'nya) sampai hasil luluhannya (limbah 'anak-anak'nya).

Pengukuran aktivitas sumber ternyata tidak menjelaskan tentang pengaruh radiasi yang teremisi terhadap sekitarnya. Pengukuran ini dilakukan pertama kali dengan satuan röntgen (R), yang merupakan kuantitas dari radiasi X atau γ yang menghasikan ion-ion, 1cm3 udara mengandung muatan 1 esu. Sebuah sumber sebesar 1 Ci dari radium yang dilindungi dengan sebuah kumparan platinum setebal 0,5 mm untuk mengabsorbsi setiap partikel α, menghasilkan intensitas radiasi 0,8 R per jam pada jarak 1 m dari sumber. Satuan baru (satuan SI) yang diusulkan adalah dengan satuan coulomb (C), yang menyatakan ukuran ionisasi per kilogram. Dalam hal ini 1 C/Kg = 3876 R. Dengan satuan ini memungkinkan dosis radiasi dalam gas diukur langsung dengan alat elektronik tanpa harus menentukan terlebih dahulu enersi terabsorbsi. Dalam mengukur ionisasi selain gas, terdapat kesulitan. Oleh karena itu digunakan satuan rad (radiaton absorbed doses). Dikatakan telah menyerap radiasi sebesar 1 rad bila 1 gram materi menyerap 100 erg enersi, atau sebesar 10-2 J/Kg. Dalam satuan SI, digunakan satuan gray (Gy) yang sepadan dengan penyerapan enersi 1 J/Kg, atau 1 Gy = 100 rad. Satuan yang digunakan dalam kesehatan adalam satuan rem (radiation equivalent man), yaitu satuan pengukuran terhadap penyerapan enersi radiasi oleh jaringan tubuh manusia. Satu rem adalah sepadan dengan penyerapan 100 erg enersi radiasi untuk satu gram jaringan tubuh.