MAKALAH FISIKA INTI PELURUHAN ALFA
Disusun dalam rangka memenuhi Tugas Mata Kuliah Fisika Inti Dosen pengampu : Dr. Sutikno, M.T.
Kelompok 4 Anggota :
1. Pradita Ajeng Wiguna (4211412011) 2. Riameinda Br Bangun (4211412014) 3. Itsna Nuzula Rahma (4211412018)
Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan ALam Universitas Negeri Semarang
ii
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, yang telah melimpahkan rahmat, hidayah serta lindungan-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah dengan judul “ Peluruhan Alfa“
Dalam penulisan makalah ini, penulis menyadari bahwa masih adanya kekurangan dan keterbatasan, namun berkat bantuan dan bimbingan serta dorongan dari berbagai pihak, akhirnya makalah ini dapt diselesaikan dengan baik. Dalam hal ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1. Tuhan Yang Maha Esa
2. Dr. Sutikno, M.T selaku dosen pembimbing mata kuliah Fisika inti
Semoga amal baik dari semua pihak mendapat balasan yang berlipat ganda dari Tuhan Yang Maha Esa. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan makalah ini masih jauh dari sempurna, meskipun belum dapat memberikan informasi yang lebih lengkap, kami tetap berharap makalah ini bisa bermanfaat bagi semua pihak.
Saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca tentu sangat penulis harapkan demi kesempurnaan makalah ini. Semoga makalah ini, membawa manfaat yang baik untuk pembaca dalam mengenal masalah yang ditimbulkan dari sumber daya buatan.
Semarang, Oktober 2014
DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... iii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 2
1.3. Tujuan ... 2
BAB 2 PEMBAHASAN 2.1. Skema dan Reaksi Peluruhan Alfa ... 3
2.2. Energi Peluruhan Alfa ... 6
2.3. Spektrum Alfa ... 7
2.4. Teori Peluruhan Alfa secara Kuantum ……….. 8
BAB 3 PENUTUP 3.1. Kesimpulan ... 12
3.2. Saran ... 12
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Radioaktivitas merupakan pemancaran spontan partikel-partikel radioaktif oleh inti-inti atom yang tidak stabil. Radioaktivitas ditemukan pertama kali oleh Henri Becquerel. Radioaktivitas ini digolongkan menjadi unsur-unsur radioaktif dan partikel-partikel radioaktif. Unsur radioaktif adalah unsur-unsur yang memancarkan partikel-partikel radioaktif secara spontan. Dalam setiap proses peluruhan akan dipancarkan radiasi. Bila ketidakstabilan inti disebabkan karena komposisi jumlah proton dan neutronnya yang tidak seimbang, maka inti tersebut akan berubah dengan memancarkan radiasi alfa (α) atau radiasi beta (β). Sedangkan bila ketidakstabilannya disebabkan karena tingkat energinya yang tidak berada pada keadaan dasar, maka akan berubah dengan memancarkan radiasi gamma (γ).
Terdapat tiga jenis peluruhan radioaktif secara spontan yaitu peluruhan alfa (α), peluruhan beta (β), dan peluruhan gamma (γ). Jenis peluruhan atau jenis radiasi yang dipancarkan dari suatu proses peluruhan ditentukan dari posisi inti atom yang tidak stabil tersebut dalam diagram N-Z. Jika jumlah proton lebih besar dari jumlah netron (N < P), maka gaya elektrostatis akan lebih besar dari gaya inti, hal ini akan menyebabkan inti atom berada dalam keadan tidak stabil. Jika jumlah netron sama dengan jumlah protonnya (N = P) akan membuat inti berada dalam keadaan stabil.
Partikel α ialah inti atom helium yang bernomor atom 2 dan bernomor massa 4. Jenis inti yang memancarkan radiasi α disebut inti pemancar α. Selain dipancarkan oleh radionuklida (inti radioaktif) alam, misalnya radium, uranium dan torium, partikel α dapat juga dipancarkan oleh radionuklida buatan. Proses pemancaran partikel α oleh inti atom disertai perubahannya inti menjadi inti atom lain, disebut peluruhan α. Partikel alfa sebenarnya adalah sebuah inti helium. Inti helium merupakan inti stabil dengan nomor massa dan nomor atom yang kekal. Peluruhan alfa dapat dianggap sebagai sebuah reaksi fisi nuklir sebab inti induk terpecah menjadi dua inti “anak” (daughter). Peluruhan alfa adalah salah satu contoh dari efek terowongan dalam mekanika kuantum. Tidak seperti peluruhan beta, peluruhan alfa diatur oleh gaya nuklir kuat.
Untuk lebih memahami tentang alfa yang erat kaitannya dengan peristiwa radioaktivitas. Berikut akan dikaji tentang peluruhan Alfa dengan lebih mendalam.
1.2. Perumusan Masalah
1) Bagaimana proses terjadinya peluruhan alfa? 2) Bagaimana energi peluruhan alfa?
3) Bagaimana spektrum dari partikel alfa yang dihasilkan dari proses peluruhan?
4) Bagaimana teori peluruhan alfa secara kuantum? 1.3. Tujuan
1) Memahami konsep terjadinya peluruhan alfa. 2) Mengetahui energi peluruhan alfa.
3) Mengetahui spektrum partikel alfa yang dihasilkan dari proses peluruhan.
3
BAB 2 PEMBAHASAN
Peluruhan radioaktif adalah peristiwa hilangnya energi dari inti atom yang tidak stabil dengan memancarkan radiasi dan partikel‐partikel pengion. Peluruhan, atau hilangnya energi, ini akan menghasilkan jenis atom lain yang stabil. Atom baru yang dihasilkan ini dinamakan inti anak (daughter nuclide), sedangkan atom yang meluruh dinamakan inti ibu (parent nuclide). Satuan SI untuk peluruhan radiokatif adalah becquerel (Bq). Satu Bq didefinisikan sebagai satu perubahan (atau peluruhan) per detik. Karena suatu sampel bahan radioaktif berisi banyak atom, satu Bq adalah ukuran aktivitas yang sangat kecil. Satuan radioaktivitas yang lain adalah curie (Ci), yang pada awalnya didefinisikan sebagai aktivitas satu gram radium murni, isotop Ra‐226. Sekarang ini satu Ci didefinisikan sebagai aktivitas sebarang radionuklida yang meluruh dengan laju disintegrasi sebesar 3.7 × 1010 Bq.
Ditinjau dari jenis dan besar energinya, radiasi radiokatif dibedakan menjadi tiga macam (yang dinamakan sesuai dengan urutan alphabet Yunani), yaitu radiasi alfa, beta, dan gamma. Peluruhan alfa hanya terjadi pada unsur‐ unsur berat saja (dengan nomor atom ≥ 52), sedangkan dua jenis peluruhan yang lain bias terjadi pada semua unsur. Inti-inti yang tidak stabil kadang-kadang memancarkan partikel alfa (pada peristiwa peluruhan spontan) dari hasil eksperimen diketahui bahwa partikel alfa adalah inti Helium.
2.1. Skema dan Reaksi Peluruhan Alfa
Hinga kini telah ditemukan sekitar 1500 inti, namun hanya ada kira-kira 400 inti yang stabil. Perhatikan bahwa inti ringan (kira-kira sampai dengan Z = 20) sangat stabil, jika intinya mengandung jumlah proton dan netron yang sama (N = Z atau N/Z = 1). Sebagai contoh inti helium yang mengandung 2 proton dan 2 netron adalah sangat stabil. Inti berat lebih stabil jika jumlah netron melebihi jumlah proton. Begitu jumlah proton bertambah, gaya tolak Coulomb antara proton-proton bertambah sehingga cenderung untuk memisahkan nukleon di dalam inti. Untuk mengikat nukleon-nukleon tetap di dalam inti, maka gaya tolak Coulomb oleh proton-proton tambahan diimbangi oleh gaya tarik-menarik antara netron-netron tambahan. Namun karena satu proton
menolak seluruh proton lainnya, sedang satu netron hanya menarik netron-netron tetangganya, maka jelas penambahan netron-netron penambahan netron-netron harus lebih besar daripada penambahan proton. Inti berat lebih stabil jika jumlah netron kira-kira sama dengan 1,6 kali jumlah proton (N = 1,6 Z atau N/Z = 1,6). Hanya saja pada saat Z > 83, gaya tolak antara proton-proton tidak dapat lagi diimbangi dengan penambahan netron. Oleh karena itu, inti-inti yang mengandung lebih dari 83 proton (Z > 83) tidak memiliki inti yang stabil.
Gambar 1. Garfik Kestabilan Inti
Pada tahun 1896, Becquerel telah menemukkan gejala radioaktivitas pada bahan radioaktif alam. Curie dan Rutherford menemukkan bahan pemancar radiasi alfa. Struktur nuklir pada peluruhan alfa ini mempresentasikan keadaan inti atau disebut juga sebagai partikel alfa. Partikel alfa adalah inti helium yang dipancarkan oleh suatu inti yang tidak stabil. Partikel alfa pada dasarnya terdiri dari 2 proton dan 2 neutron atau identik dengan inti helium. Partikel ini sangat masif dan berenergi tinggi serta dipancarkan dari inti isotop radioaktif yang memiliki rasio neutron terhadap proton yang terlalu rendah. Oleh karena itu lambang partikel 𝑎 sama dengan lambang inti helium 24𝐻𝑒 atau terkadang ditulis 2α4. Partikel 𝑎
bermuatan positif (+2e), dan ketika bergerak diudara akan menimbulkan ionisasi yang cukup besar dan paling besar dibandingkan partikel 𝛽 dan 𝛾. Bahkan partikel 𝑎 ini tidak dapat menembus kertas.
5
Sifat-sifat sinar alfa yaitu: - Terdiri atas inti helium - Bermuatan listrik positif
- Dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet - Daya tembus kecil tetapi daya ionisasi sangat besar
Gambar 2. Daya Tembus partikel
Sinar alfa terbentuk saat suatu unsur radioaktif memancarkan partikel alfa dan membentuk unsur baru dalam proses yang disebut peluruhan alfa (alpha decay). Peluruhan alfa adalah jenis peluruhan radioaktif dimana inti atom yang memancarkan partikel alfa, dan dengan demikian mengubah (meluruh) menjadi atom dengan nomor massa 4 dan nomor atom 2. Peluruhan alfa dominan terjadi pada inti-inti tidak stabil yang relatif berat (nomor atom lebih besar dari 80). Dalam peluruhan ini akan dipancarkan partikel alfa (α) yaitu suatu partikel yang terdiri atas dua proton dan dua neutron, yang berarti mempunyai massa 4 sma dan muatan 2 muatan elementer positif. Partikel α secara simbolik dinyatakan dengan symbol 2He4.
Radionuklida yang mengalami peluruhan akan kehilangan dua proton dan dua neutron serta membentuk nuklida baru. Peristiwa peluruhan α ini dapat dituliskan secara simbolik melalui reaksi inti sebagai berikut:
Contoh peluruhan partikel Alfa yang terjadi di alam adalah:
Gambar 3. Skema Peluruhan alfa
2.2. Energi Peluruhan Alfa
Misalnya sebuah inti X dengan nomor massa A dan nomor atom Z, meluruh dengan memancarkan partikel . Maka dapat dituliskan:
He
Y
X
AZ A Z 4 2 4 2
Sifat kimia inti induk berbeda dengan inti anak.
Massa inti ZA
X
Mp
(induk); Massa inti ZA42Y
= Md(anak) dan massa partikel adalah Ma.
Berdasarkan hukum kekebalan energi MpC2 = MdC2 + MC2 + K + Kd.
Kd dan K berturut-turut energi kinetik inti AZ42
Y
(inti anak) dan energi kinetik partikel .7
Energi disintegrasi dapat dituliskan sebagai Q = Kd + K = (Mp – Md - M) C2
Syarat terjadinya peluruhan spontan Jika Q > 0 sehingga: MpC2 > MdC2 + MC2 atau Mp > Md + M
Maka harga inti-inti dengan A 200 memenuhi syarat ini. Fraksi Energi Peluruhan
Q Md M Md K Q Md M M Kd
Contoh sumber pemancar :
210Po (E = 5,3 MeV) 214Po (E = 7,7 MeV)
238U (E = 4,13 MeV dan 4,18 MeV) 212Bi memiliki 6 macam E
Range gerak partikel diudara (3,8 cm – 7,0 cm) 2.3. Spektrum Alfa
Spektrum partikel diskrit (terdiri grup energi yang diskrit) Gambar 4. Spektrum dari 23892U
cacah 4,13 MeV 4,18 MeV E
Skema peluruhan
Apabila pemancaran diikuti pemancaran sinar , maka transisi terjadi dari dasar ZAX ketingkat eksitasi dari intiAZ42Y
E partikel diskrit dari tingkat dasar inti ZAXke tingkat dasar inti AZ42Y 2.4. Teori Peluruhan secara kuantum
(Efek Terobosan)
Berdasarkan mekanika klasik, tidak dapat dipahami partikel alfa yang berenergi 4,2 MeV dapat terpancar keluar dari inti 23892𝑈 yang potensial Coulomb nya lebih dari 8,6 MeV. Tahun 1928, secara terpisah Gamow, Gurney, dan Condon berhasil menjelaskan peristiwa peluruhan dengan perhitungan mekanika kuantum. Dalam mekanika kuantum penerowongan kuantum merupakan salah satu fenomena berskala nano dimana sebuah partikel melanggar asas mekanika klasik dengan menembus melanggar penghalang potensial maupun impedansi yang lebih tinggi dari energi kinetis partikelnya.
Kebolehjadian partikel menembus potensial barrier:
2 2
I T
P P = Transparency
T = Amplitudo gelombang yang diteruskan, I = Amplitudo gelombang datang
X A Z
Y
A Z 4 2 X A ZY
A Z 4 2 Y A Z 4 2 * 19
Apabila potensial barrier berbentuk seperti pada gambar, Secara kuantum : P ~ exp (-2) Dengan
b a dx E x V m( ( ) ) 2 Gambar 5. Partikel menumbuk potensial Barrier P ~ exp (-2 kl) L = lebar barrier = (a – b)
2 ) ( 2 h K V m k Menghitung P e2
mV r E
dr R h P b R 2 1 2 2 ( ( ) ) 2 ln
V(r) = Energi potensial Coulumb sebuah Pada jarak (r) dari pusat inti dengan Q - Ze Ze = muatan inti anak (intiinduk – alfa)
r Ze r Ze e r V o 2 o 4 2 4 2 ) (
b R o dr K r Ze h m P 2 1 2 2 1 2 4 2 2 2 ln ketika r = b, V = K = b Ze o 2 4 2 ………….(*)
2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 cos 2 2 1 2 2 4 2 4 2 2 2 ln b R b R b R b h mK dr r b h mK dr b Ze r Ze h m P b R b R o o karena b >> R, 2 1 2 1 1 2 b R b R Cos 1 1 2 1 b R sehingga 2 1 2 1 2 2 2 2 ln b R b h mK P dari Pers (*) b = K Ze o 2 4 2 Jadi 2 1 2 1 2 1 95 , 3 R 97 , 2 lnP Z ZKK = energi kinetik (MeV) R = jari-jari inti fm
Z = nomor atom inti anak (Z induk - Z)
Konstanta peluruhan dapat dicari dengan hubungan:
P R Vin . 2
11
Kelemahan Teori Gamow
Beberapa kelemahan teori Gamow adalah:
a) Kebolehjadian pembentukan partikel didalam inti tak diperhitungkan setelah diperhitungkan, ternyata bahwa:
15
10 2R Vin
b) Kemungkinan pemancaran partikel dengan 0 tidak diperhitungkan. Untuk 0, disamping potensial Coulumb harus ditambahkan potensial sentrifugal sebesar : 2 ) 1 ( r Vs
Perbandingan antara kedua potensial barrier ini ialah:
) 1 ( 002 , 0 Barrier Coulumb Barrier l Sentrifuga
Dengan koreksi-koreksi tersebut, maka hasil perhitungan teoritis lebih mendekati eksperimen.
Partikel alfa tersebut ditembakkan pada inti suatu atom maka akan menghasilkan radioisotope (yang lebih dan sering digunakan untuk menembak adalah neutron). Adapun Muatan positif dari partikel alfa sangat berguna dalam industri, misalnya:
1. Radium-226 dapat digunakan untuk pengobatan kanker, yakni dengan memasukkan jumlah kecil radium ke daerah yang terkena tumor.
2. Polonium-210 berfungsi sebagai alat static eliminator dari paper mills di pabrik kertas dan industri lainnya.
3. Beberapa Detektor asap memanfaatkan emisi alfa dari americium-241 untuk membantu menghasilkan arus listrik sehingga mampu membunyikan alarm saat kebakaran.
BAB 3 PENUTUP 3.1. Kesimpulan
1) Peluruhan alpha adalah jenis peluruhan radioaktif dimana inti atom yang memancarkan partikel alpha, dan dengan demikian mengubah (meluruh) menjadi atom dengan nomor massa 4 dan nomor atom 2.
2) Pada peluruhan alfa terjadi pembebasan energi (hal ini disebabkan karena inti anaknya mempunyai energi ikat per nukleon yang lebih tinggi dibandingkan yang dipunyai inti induk). Energi yang dibebaskan (Q) ini akan menjadi energi kinetik partikel alfa (Kα) dan inti anak (Kd).
Fraksi Energi Peluruhan, Q Md M Md K Q Md M M Kd
3) Spektrum partikel α terdiri dari grup energi yang diskrit
4) Peluruhan alfa merupakan salah satu contoh dari efek terobosan haling (potensial barrier), dimana energi alfa jauh lebih rendah dibandingkan dengan potensial halang, sehingga menurut mekanika klasik tidak mungkin partikel alfa dapat menerobos masuk potensial halang, tetapi secara kuantum, partikel alfa dapat lolos dengan cara menerowong keluar dinding penghalang.
3.2. Saran
Apabila dalam penulisan dan penyusunan makalah ini ada kesalahan, kami atas nama penyusun makalah ini memohon untuk memberikan kritik, saran dan masukannya yang bersifat membangun demi menuju kesempurnaan makalah ini.
DAFTAR PUSTAKA
Dwijananti, Pratiwi. 2013. Inti Atom dan Fenomenanya. Semarang : H2O
Publishing
Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern. Jakarta : UI-Press
______.2014. Open Source Radiation Safety Training Module 1: Radiation Properties(online)
(http://web.princeton.edu/sites/ehs/osradtraining/radiationproperties/radiatio nproperties.htm, diakses pada 20 Oktober 2014)
