FI-4004 Fisika Inti dan Partikel

Sidik Permana

Nuclear Physics and Biophysics Research Division Physics Department, Nuclear Science and Engineering Department, Faculty of Matematis and Natural Sciences, Institut Teknologi Bandung

Semester 1 TA 2021/2022

Program Studi Fisika FMIPA ITB

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel

Peluruhan partikel radioaktif

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Radiaktivitas?

• Apa yang menyebabkan sesuatu benjadi radioaktif?

• Nuklida mengeluarkan radiasi secara spontan karena secara energi mereka akan melakukannya.

Didalam peluruhan radioaktif, inti atom meluruh dari sebuah keadaan kondisi energi yang kurang stabil ke keadaan energi yang lebih stabil.

1

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Radiaktivitas?

Jenis Peluruhan Radioaktif

3

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif

Graphic showing relationships between radioactivity and detected ionizing radiation

https://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_decay

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif

https://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_decay

5

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif

https://en.wikipedia.org/wiki/Radioactive_decay

Decay modes

Mode of decay Participating particles Daughter nucleus

Decays with emission of nucleons

α Alpha decay Analpha particle(A = 4, Z = 2) emitted from nucleus (A − 4, Z − 2)

p Proton emission Aprotonejected from nucleus (A − 1, Z − 1)

2p Double proton emission Two protons ejected from nucleus simultaneously (A − 2, Z − 2)

n Neutron emission Aneutronejected from nucleus (A − 1, Z)

2n Double neutron emission Two neutrons ejected from nucleus simultaneously (A − 2, Z) SF Spontaneous fission Nucleus disintegrates into two or more smaller nuclei and other particles — CD Cluster decay Nucleus emits a specific type of smaller nucleus (A₁, Z₁) which is larger than an alpha

particle

(A − A₁, Z − Z₁) + (A₁, Z₁) Different modes of beta decay

β⁻ Beta minus decay A nucleus emits anelectronand anelectron antineutrino (A, Z + 1)

β⁺ Beta plus decay A nucleus emits apositronand anelectron neutrino (A, Z − 1)

ε (EC) Electron capture A nucleus captures an orbiting electron and emits a neutrino; the daughter nucleus is left in an

excited unstable state (A, Z − 1)

Bound-state beta decay

A free neutron or nucleus beta decays to electron and antineutrino, but the electron is not emitted, as it is captured into an empty K-shell; the daughter nucleus is left in an excited and unstable state. This process is a minority of free neutron decays (0.0004%) due to the low energy of hydrogen ionization, and is suppressed except in ionized atoms that have K-shell vacancies.

(A, Z + 1)

β⁻β⁻ Double beta decay A nucleus emits two electrons and two antineutrinos (A, Z + 2)

εε Double electron capture

A nucleus absorbs two orbital electrons and emits two neutrinos – the daughter nucleus is left in an

excited and unstable state (A, Z − 2)

Electron capturewithpositron emission

A nucleus absorbs one orbital electron, emits one positron and two neutrinos (A, Z − 2)

β⁺β⁺ Double positron decay A nucleus emits two positrons and two neutrinos (A, Z − 2)

Transitions between states of the same nucleus

IT Isomeric transition Excited nucleus releases a high-energyphoton(gamma ray) (A, Z)

Internal conversion Excited nucleus transfers energy to an orbital electron, which is subsequently ejected from the atom (A, Z)

Jenis Peluruhan Radioaktif

7

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

DESINTEGRASI BERTURUTAN

135

I decays with a 6.57 hour half-life to

¹³⁵

Xe A ➔ B ➔ C

λ1 λ2 N1 N2 N3

• Misal pada t=0 yang ada hanya A, sedang B dan C sama dengan nol

2 2 3

2 2 1 1 2

1 1 1

dt N dN

N dt N

dN dt N dN









=

−

=

−

=

However, removing xenon-135 from neutron exposure also causes the reactor to produce more of the long-lived fission product cesium-135

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

DESINTEGRASI BERTURUTAN

2 2 3

2 2 1 1 2

1 1 1

dt N dN

N dt N

dN dt N dN









=

−

=

−

𝑵 _𝟏 = 𝑵 _𝟏𝒐 𝒆 ^{−𝝀 𝟏 𝒕} =

𝑵 _𝟐 = 𝝀 _𝟏

𝝀 _𝟐 − 𝝀 _𝟏 𝑵 _𝟏𝒐 (𝒆 ^{−𝝀 𝟏 𝒕} − 𝒆 ^{−𝝀 𝟐 𝒕} )

𝑵 _𝟑 = 𝑵 _𝟏𝟎 (𝟏 + 𝝀 _𝟏

𝝀 _𝟐 − 𝝀 _𝟏 𝒆 ^−𝝀

^𝟐

^𝒕 − 𝝀 _𝟐

𝝀 _𝟐 − 𝝀 _𝟏 𝒆 ^−𝝀

^𝟏

^𝒕 )

A ➔ B ➔ C

λ1 λ2

N1 N2 N3

9

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

DESINTEGRASI BERTURUTAN

Peluruhan Alfa (Alpha Decay)

Jenis Peluruhan Radioaktif?

11

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Tipe Peluruhan Radioaktif

Peluruhan Alfa/ Alpha decay (α)

• Peluruhan dengan mengeluarkan dua muatan inti helium ⁴ He ^2+.

• Contoh : ²³⁸ U→ ²³⁴ Th + ⁴ He

• ΔZ = -2, ΔN=-2, ΔA=-4

• Semua nuklida dengan nomor atom Z≥83 meluruh dengan peluruhan α- decay sepertihalnya beberapa aktinida pada tanah jarang (rare earth nuclei).

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Alfa (Alpha Decay)

• Pelepasan partikel alfa (α-particles) adalah monoenergetic, dengan jangkauan energy dari 4-11 MeV.

• Peluruhan alfa ini dapat ditahan atau diproteksi dengan oleh selembar kertas sehingga lebih efektif untuk radiasi internal dari pada radiasi eksternal.

• Secara alamiah, pelepasan alfa terjadi (α-

emitters) dari deret panjang aktinida yang meluruh dari satu nuklida ke nuklida yang lainnya.

Beberapa dari peluruhan alamiah yang terjadi termasuk isotop Rn (Radon) sebuah nuklida gas.

13

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Alfa (Alpha Decay)

Proses Peluruhan Radioaktif

PENDAHULUAN

• Umumnya terjadi pada inti-inti berat karena pengaruh gaya tolak menolak Coulomb

• Alfa partikel bersifat stabil dan terikat kuat

• Pelepasan alfa partikel dari inti berat memungkinkan terjadinya energi positif

15

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

Proses Peluruhan Alfa

 +

== _Z ^A ₋ ⁻ ₂ ⁴ ' _{N − 2}

N A

Z X X

) / 4 1 ( 1

) (

' '

' 2

2 ' 2

2 '

2 ' 2

A Q

m m T Q

Maka p p

Q T

T c

m c

m c

m

T c m T

c m c

m

X X

X X

X

X X

X

−

= +

=

=

= +

=

−

−

+ +

+

=

 











17

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

Sistematika Peluruhan Alfa

• Range energi dan waktu paruh : - Th-232: 1.410 ¹⁰ y, 4.08 Mev - Th-218 : 1.0x10 ^-7 , 9.85 Mev

• Semakin tinggi energi pancaran, waktu paruh makin kecil dan sebaliknya

Proses Peluruhan Radioaktif

19

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

Rumus Semi Empiris

4 / 7 2

3 / 1 3

/ 1 v

4

3 ) / 2 1 ( 4

) 3 / 1

( 3 4

4a 8 - 28.3

) , ( )

4 ,

2 (

) (

−

−

−

+

−

−

− +

+

=

−

−

− +

=

A a A

Z a

A Z ZA

a A

a

A Z B A

Z B He

B Q

p sym

c s

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

21

Teori Peluruhan Alfa

Life Time dari Alfa Emitter

23

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

The strong energy dependence is explained by quantum mechanical

tunnel effect. Note the slope

of the potential curve in the gif animation.

Remember that E = - grad V. This helps to understand why the Coulomb barrier acts as a barrier both for incoming α particles (Rutherford scattering) and outgoing α particles (α decay).

Geiger–Nuttall plot and quantummechanical tunneling

The Geiger–Nuttall plots of the data of different decay series (which are slightly different) show that the half life of alpha decay very strongly depends on the alpha- energyl. A mere 50% increase in alpha energy causes

~15-decimal drop in half life.

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

Geiger and Nuttall originally discovered log-log linearity between the decay constant and the range of α rays. Due to the relationship between range and energy (more energetic particles can penetrate deeper in a given substance), the decay constant (or the half life which is inveresely proportional to it) and the alpha energy also yield a linear log-log plot. Such graphs are called Geiger–

Nuttall plots.

The Geiger–Nuttall plots of the data of different decay series (which are slightly different) show that the half life of alpha decay very strongly depends on the alpha-energyl. A mere 50% increase in alpha energy causes

~15-decimal drop in half life.

Geiger–Nuttall plot and quantummechanical tunneling

25

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

Proses Peluruhan Radioaktif

Comparing the stabilities of

⁸

Be and

⁴

He

The vertical axes of the figures below show the binding energy per nucleon (B/A) in different units. The table to the left shows B/A values for light (A < 20) stable nuclides as a function of the mass number (A). The figure to the right compares the stabilities of the isobaric

nuclides for A = 8 that are not represented in the first diagram at all with each other and with the stability of

⁴

He.

27

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

Gamow theory of alpha decay Suppose we have a wave packet representing an alpha particle with mass and kinetic energy E impinging on a square potential barrier of height V;

and width . Then the transmission coefficient T is obtained from 2nd year quantum mechanics as

where .

This can be extended to any barrier shape in the form of the WKB approximation:

Here, R and b are the classical turning points of the motion inside and outside the barrier. We may take the barrier to be the sum of a square well nuclear potential of radius R, and a Coulomb potential arising from a charge within R,

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

Gamow theory of alpha decay Here, R and b are the classical turning points of the motion inside and outside the barrier. We may take the barrier to be the sum of a square well nuclear potential of radius R, and a Coulomb potential arising from a charge

within R,

We can equate (aproximately) the energy release Q in the alpha decay to the kinetic energy E of the alpha particle and to the potential at the outer classical turning point.

and hence determine b:

Hence the integral over becomes

where and the above expression for b has been used.

29

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Proses Peluruhan Radioaktif

Gamow theory of alpha decay Hence the integral over becomes

where and the above expression for b has been used.

For thick barriers ( or ) we can

approximate , and hence

The decay constant for alpha decay is thus

where

Thus

Dengan Pendekatan Terobosan Potensial

= wp





 

 −  ^b −

R

dr E r m V

] ) ( 2 [

2 2

 P = exp

4 217 4 . 0 log

2 log 843 1 . 21

log _{10 10 10}

R A

 E

+ − +

+

=

31

33

36

Deformed nuclei

39

41

43

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Beta

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Beta

• Peluruhan Beta terdiri dari tiga tipe peluruhan :

- Inti neutron (proton) berubah menjadi inti proton (netron)

- Jenis peluruhan beta terdiri dari β-, β+ dan penangkapan elektron (electron capture (EC)).

• Peluruhan β- termasuk juga perubahan sebuah inti neutron menjadi inti proton dan ditemukan pada nuklida dengan rasio jumlah neutron yang lebih besar dibanding jumlah proton seperti dalam pemisahan reaksi fisi (fission fragment).

• Contoh peluruhan β- : 14C→14N + β- +v

45

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Peluruhan Beta (1)

• Peluruhan Beta ΔZ = +1, ΔN=-1, ΔA=0

• Banyak energi yang dikeluarkan dalam

peluruhan terjadi dalam energi diam dan energi kinetik elektron β- yang dilepaskan dan

melepaskan anti-elektron neutrino v

• Energi peluruhan dibagi antara elektron yang dilepas dan neutrino.

• Peluruhan β- dilihat didalam semua nuklida yang kaya akan netron.

• β- yang dilepas dengan mudah dihentikan dengan selembar tipis aluminium.

Jenis Peluruhan Radioaktif?

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Beta (2)

• Tipe kedua peluruhan beta adalah β+(peluruhan positron)

• Peluruhan positron : ΔZ = -1, ΔN=+1, ΔA=0, sebuah inti proton berubah menjadi sebuah inti netron dengan mengeluarkan sebuah positron β+ dan sebuah neutrino elektron v _e

• Contoh dari peluruhan ini ²² Na→ ²² Ne + β ⁺ + v _e

• Seperti halnya peluruhan β-, dalam peluruhan β+, energi peluruhan dibagi antara inti yang dihasilkan, positron yang dikeluarkan dan neutrino elektron.

• Peluruhan β ⁺ terjadi pada inti atom dengan dengan rasio lebih besar antara proton dan netron (rasio p/n). Hal ini terjadi pada unsur yang lebih ringan.

• Partikel β ⁺ musnah ketika mereka kontak dengan bahan yang mempunyai emisi energi dari dua photon 0.511 MeV.

47

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Beta (3)

• Tipe ketiga dari peluruhan beta adalah penangkapan elektron (electron capture(EC)).

• Didalam peluruhan EC, sebuah elektron pada orbit tertentu ditangkap oleh sebuah inti proton berubah menjadi sebuah inti netron dengan

mengeluarkan sebuah neutrino elektron

• Contoh dari peluruhan ini e ^- +

209 Bi→ ²⁰⁹ Pb + v

_e

• Kejadian peluruhan ini dideteksi terjadi pada emisi sinar X (Dari kekosongan pada kulit elektron.

• Peluruhan ini lebih sering terjadi pada tipe peluruhan untuk inti berat dengan kaya proton.

7

4

Be +

⁰_-1

e →

⁷₃

Li + ν

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Elektromagnetik

• Ada dua tipe peluruhan elektromagnetik : emisi sinar gamma dan internal conversion (IC). Internal conversion adalah interaksi nukleus secara elektromagnetik dengan orbit elektron sebuah atom.

• Dalam kedua peluruhan tersebut : ΔN=ΔZ = ΔA=0 dengan hanya merendahkan energi eksitasi sebuah inti atom.

• Didalam emisi sinar gamma, banyaknya pelepasan energi muncul dalam bentuk sebuah foton.

• Emisi foton tersebut adalah mono-energetik dan

mempunyai sebuah energi berhubungan dengan hampir

49

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Elektromagnetik (1)

• Sinar gamma adalah radiasi inti yang paling tinggi daya tembusnya dan menghalaginya memerlukan penghalang yang cukup masif. Radiasi ini sebagai bagian dari sebuah potensi radiasi eksternal.

• Contoh penghasil sinar gamma adalah ⁶⁰ Co. Unsur ⁶⁰ Co merupakan nuklida dengan waktu paruh yang relatif panjang 5,3 tahun yang menghasikkan partikel β- .

• Tipe kedua adalah konversi internal (IC). Didalam peluruhan IC, emisi energi ditransfrekan (lebih kecil radiasinya) ke sebuah elektron orbit, mengeluarkan

elektron tersebut dengan membawa hampir semua energi peluruhan

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Radioaktivitas

51

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Radioaktivitas

Jenis Peluruhan Radioaktif?

Peluruhan Radioaktivitas

Nuklida Induk dan dan Anak

53

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

Jenis Peluruhan Radioaktif?

232 Thank YoU ²³⁸ TeriMA Kasih Hatur Nuhun

Sidik Permana

Nuclear Physics and Biophysics Research Division Physics Department, Nuclear Science and Engineering Department, Faculty of Matematis and Natural Sciences, Institut Teknologi Bandung

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Radioaktivitas

FI-4004 Fisika Inti dan Partikel Semester 1, TA 2021/2022, Program Studi Fisika, FMIPA ITB

55