Radioaktivitas

Radioaktivitas disebut juga peluruhan radioaktif. Radioaktivitas adalah yaitu peristiwa terurainya beberapa inti atom tertentu secara spontan yang diikuti dengan pancaran partikel alfa (inti helium), partikel beta (elektron), atau radiasi gamma (gelombang elektromagnetik gelombang pendek). Sinar-sinar yang dipancarkan tersebut disebut sinar radioaktif, sedangkan zat yang memancarkan sinar radioaktif disebut dengan zat radioaktif.
Istilah keradioaktifan (radioactivity) pertama kali diciptakan oleh Marie Curie (1867 - 1934), seorang ahli kimia asal Prancis. Marie dan suaminya, Pierre Curie (1859 - 1906), berhasil menemukan unsur radioaktif baru, yaitu polonium dan radium. Ernest Rutherford (1871 - 1937) menyatakan bahwa sinar radioaktif dapat dibedakan atas sinar alfa yang bermuatan positif dan sinar beta yang bermuatan negatif. Paul Ulrich Villard (1869 - 1915), seorang ilmuwan Prancis, menemukan sinar radioaktif yang tidak bermuatan, yaitu sinar gamma.

1. Jenis Sinar Radioaktif

Berdasarkan partikel penyusunnya, sinar radioaktif dibagi menjadi tiga, yaitu sinar alfa, sinar beta, dan sinar gamma.

Sinar Alfa (Sinar α)

Sinar alfa adalah sinar yang dipancarkan oleh unsur radioaktif. Sinar ini ditemukan secara bersamaan dengan penemuan fenomena radioaktivitas, yaitu peluruhan inti atom yang berlangsung secara spontan, tidak terkontrol, dan menghasilkan radiasi. Sinar alfa terdiri atas dua proton dan dua neutron. Berikut ini adalah sifat alamiah sinar alfa.

1. Sinar alfa merupakan inti He.
2. Dapat menghitamkan pelat film (yang berarti memiliki daya ionisasi). Daya ionisasi sinar alfa paling kuat daripada sinar beta dan gamma.
3. Mempunyai daya tembus paling lemah di antara ketiga sinar radioaktif.
4. Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.
5. Mempunyai jangkauan beberapa sentimeter di udara dan 10² mm di dalam logam.

Sinar Beta (Sinar β)

Sinar beta merupakan elektron berenergi tinggi yang berasal dari inti atom. Berikut ini beberapa sifat alamiah sinar beta.

1. Mempunyai daya ionisasi yang lebih kecil dari sinar alfa.
2. Mempunyai daya tembus yang lebih besar daripada sinar alfa.
3. Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.

Sinar Gamma (Sinar γ)

Sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik yang terpancar dari inti atom dengan energi yang sangat tinggi yang tidak memiliki massa maupun muatan. Sinar gamma ikut terpancar ketika sebuah inti memancarkan sinar alfa dan sinar beta. Peluruhan sinar gamma tidak menyebabkan perubahan nomor atom maupun massa atom. Sinar gamma memiliki beberapa sifat alamiah berikut ini.

1. Sinar gamma tidak memiliki jangkauan maksimal di udara, semakin jauh dari sumber intensitasnya makin kecil.
2. Mempunyai daya ionisasi paling lemah.
3. Mempunyai daya tembus yang terbesar.
4. Tidak membelok dalam medan listrik maupun medan magnet

2. Peluruhan Radioaktif

Peluruhan Sinar Alfa

Suatu inti yang tidak stabil dapat meluruh menjadi inti yang lebih ringan dengan memancarkan partikel alfa (inti atom helium). Pada peluruhan alfa terjadi pembebasan energi. Energi yang dibebaskan akan menjadi energi kinetik partikel alfa dan inti anak. Inti anak memiliki energi ikat per nukleon yang lebih tinggi dibandingkan induknya.

Jika inti memancarkan sinar α (inti , maka inti tersebut kehilangan 2 proton dan 2 neutron, sehingga Z berkurang 2, n berkurang 2, dan A berkurang 4.

Persamaan peluruhannya sinar alfa:

Contoh peluruhan sinar alfa:

Ernest Rutherford menemukan bahwa partikel α adalah atom-atom helium tanpa elektron dan partikel α atau β keluar dari atom, jenis atom berubah. Perubahan demikian dapat menyebabkan radiasi γ.

Peluruhan alfa menyebabkan nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat, dan karena itu sebuah inti baru akan terbentuk. Adapun pada peluruhan beta akan menambah atau mengurangi nomor atom sebesar satu (nomor massa tetap sama). 

Peluruhan Sinar Beta

Salah satu bentuk peluruhan sinar beta adalah peluruhan neutron. Neutron akan meluruh menjadi proton, elektron, dan antineutrino. Antineutrino merupakan partikel netral yang mempunyai energi, tetapi tidak memiliki massa. Bentuk peluruhan sinar beta yang lain adalah peluruhan proton. Proton akan meluruh menjadi neutron, positron, dan neutrino. Neutrino memiliki sifat yang sama dengan antineutrino. Peluruhan sinar beta bertujuan agar perbandingan antara proton dan neutron di dalam inti atom menjadi seimbang sehingga inti atom tetap stabil.

Jika inti radioaktif memancarkan sinar beta (β) maka nomor massa inti tetap (jumlah nukleon tetap), tetapi nomor atom berubah. Terjadi dua proses peluruhan sinar beta, yaitu:

Contoh peluruhan sinar beta :

Peluruhan Sinar Gamma

Suatu inti atom yang berada dalam keadaan tereksitasi dapat kembali ke keadaan dasar (ground state) yang lebih stabil dengan memancarkan sinar gamma. Peristiwa ini dinamakan peluruhan sinar gamma. Atom yang tereksitasi biasanya terjadi pada atom yang memancarkan sinar alfa maupun sinar beta, karena pemancaran sinar gamma biasanya menyertai pemancaran sinar alfa dan sinar beta. Peluruhan gamma hanya mengurangi energi saja, tetapi tidak mengubah susunan inti.

Persamaan peluruhan sinar gamma:

Inti yang berada dalam keadaan eksitasi pada umumnya terjadi setelah peluruhan. Misalnya:

3. Deret Radioaktif

Deret radioaktif merupakan deret nuklida radioaktif. Pada deret ini setiap anggotanya terbentuk dari hasil peluruhan nuklida sebelumnya. Deret akan berakhir dengan nuklida stabil. Ada empat deret radioaktif alamiah, yaitu deret torium, neptunium, uranium, dan aktinium.

Deret Torium

Deret torium dimulai dari inti induk  dan berakhir pada inti  Deret ini juga disebut dengan deret 4n, sebab nomor massanya selalu kelipatan 4.

Deret Neptunium

Deret neptunium dimulai dari induk  dan berakhir pada inti  Deret ini juga disebut deret (4n + 1), karena nomor massanya selalu dapat dinyatakan dalam bentuk 4n +1.

Deret Uranium

Deret uranium dimulai dari inti induk dan berakhir pada  Deret ini disebut juga deret (4n +2), karena nomor massanya selalu dapat dinyatakan dalam bentuk 4n + 2.

Deret Aktinium

Deret aktinium dimulai dari inti induk U dan berakhir pada Pb. Deret ini juga disebut deret (4n +3), sebab nomor massanya selalu dapat dinyatakan dalam bentuk 4n + 3.

4. Aktivitas Radioaktif

Aktivitas radioaktif didefinisikan sebagai jumlah atom suatu bahan radioaktif yang meluruh per satuan waktu. Dapat dirumuskan:

A = - (dN/dt)............................ (1)

Dengan N adalah jumlah inti radioaktif dan t adalah waktu peluruhan.

Berdasarkan eksperimen, menunjukkan bahwa jumlah inti atom radioisotop yang meluruh sebanding dengan selang waktu dt selama peluruhan, dengan tetapan kesebandingan λ , yang dinamakan tetapan radioaktif sebagai ukuran laju peluruhan, yang ternyata hanya tergantung pada jenis radioisotop, dan tidak tergantung keadaan sekitarnya, serta tidak dapat dipengaruhi oleh apapun.

Sehingga, peluruhan radioaktif dapat dituliskan dalam persamaan:

-(dN/dt) = λ.dt........................... (2)

Persamaan (2) dapat diselesaikan dengan persamaan integral, sehingga diperoleh:

Yang menunjukkan penurunan eksponensial terhadap waktu.

Satuan Radioaktivitas

Satuan radiasi ini merupakan satuan pengukuran yang digunakan untuk menyatakan aktivitas suatu radionuklida dan dosis radiasi ionisasi. Satuan SI untuk radioaktivitas adalah becquerel (Bq), merupakan aktivitas sebuah radionuklida yang meluruh dengan laju rata-rata satu transisi nuklir spontan per sekon. Jadi,

1 Bq = 1 peluruhan/sekon

Satuan yang lama adalah curie (Ci), di mana 1 curie setara dengan 3,70 × 10¹⁰ Bq, atau 1 Ci = 3,7 × 10¹⁰ Bq.

5. Waktu Paruh

Waktu paruh adalah waktu yag diperlukan oleh zat radioaktif untuk berkurang menjadi separuh (setengah) dari jumlah semula. Dengan mengetahui waktu paruh suatu unsur radioaktif, dapat ditentukan jumlah unsur yang masih tersisa setelah selang waktu tertentu. Setiap unsur radioaktif mempunyai waktu paruh tertentu, misalnya karbon -14 (C-14) memiliki waktu paruh 5.730 tahun.

Dari persamaan (3a) maka:

untuk t = T ----------> N = ½ N₀

sehingga, ½ N₀ = N₀. e^-λt

λ .T = ln 2

λ = 0,693/T

T = 0,693/T ...................................................... (4)

Dari persamaan (4), maka dapat ditentukan jumlah inti radioaktif setelah peluruhan maupun aktivitas radioaktif setelah peluruhan melalui persamaan:

Contoh Soal 1 :

Inti  memiliki waktu paruh 1,6 x 10³ tahun. Jumlah inti 3 × 10¹⁶. Berapakah aktivitas inti pada saat itu?

Penyelesaian:

Besaran yang diketahui: 

N = 3 × 10¹⁶

T = (1,6 × 10³ th)(3,16 × 10⁷ s/th

T = 5,1 × 10¹⁰ s

sehingga:

λ = 0,693/T

λ = 0,693/(5,1 x 10⁵ s) = 0,14 × 10^-10 = 1,4 × 10^-11/s

A = λ . N

A = (1,4 × 10^-11)(3 × 10¹⁶)

A = 4,2 × 10⁵ peluruhan/s

A = 4,2 Bq

Contoh Soal 2 :

Grafik di atas merupakan grafik peluruhan sampel radioaktif. Jika N = ¼ N₀ = 10²⁰ inti, tentukan:

a. waktu paruh unsur radioaktif tersebut,

b. konstanta peluruhannya,

c. aktivitas radioaktif mula-mula!

Penyelesaian:

a. Dari data grafik:

b. Konstanta peluruhan

λ = 0,693/T

λ = 0,693/3 = 0,231 peluruhan/sekon

c. A = λ .N₀

A = (0,231)(4 × 10²⁰)

A = 0,924 × 10²⁰

A = 9,24 × 10²⁰ peluruhan/sekon

A = 9,24 × 10¹⁹ Bq