Makalah Tentang Atom, Radioaktivitas dan Waktu Paruh

A.      INTI ATOM

Materi yang terdiri atas partikel-partikel sangat kecil tak terbayangkan yang disebut atom. Sekecil namanya, atom adalah struktur kompleks yang terdiri atas partikel-pertikel yang lebih kecil lagi. Sifat-sifat materi yang sehari-hari kita lihat disekitar kita tergantung pada bangun atom itu sendiri.

Semua materi disekitar kita terdiri atas atom-atom partikel-partikel yang sedemikian kecil sehingga sekitar 100 juta atom dapa menempati lebar kuku jari tanganmu. Ada ekitar 5.000 triliun-triliun atom didalam tubuh kita. Tetapi pada tahun 1897, fisikawan Inggris, J.J Thomson, menemukan bahwa atom mengandung partikel-partikel yang jauh lebih kecil lagi, yang nantinya disebut elektron.

Elektron mempunyai muatan listrik negatif. Dadalam atom harus ada juga muatan positif sebagai penyeimbang muatan negatif ini. Thomson juga menyatakan bahwa elektron melekat pada satu globe listrik positif, seperti butiran kismis pada puding prem. Tetapi kemudian Ernest Rutherford, orang Selandia Baru, menemukan bahwa muatan positif atom, dan sebagian besar massanya, terletak dipusatnya yang disebut inti (nukleus).

Atom disatukan oleh gaya tarik menarik listrik antara inti yang positif dan elektron yang negatif.

1.      MENUJU KE INTI

Percobaan-percobaan yang datang belakangan menemukan bahwa inti itu sendiri terdiri dari partikel-pertikel, atau nukleon-nukleon. Ada dua jenis nukleon. Yang satu adalah proton, yangmempunyai muatan listrik yang setara tetapi berlawanan dengan muatan listrik elektron. Massa proton hampir 2.000 kali massa elektron. Jenis lain nukleon adalah tidak bermuatan atau netral sehingga disebut neutron. Massanya kurang lebih setara dengan massa proton.

Proton, neutron, dan elektron berubah menjadi atom dalam beberapa menit pertama usia Alam Semesta, dalam bola api  Dentuman Besar, 15 milliar tahun yang lalu atau lebih. Tetapi yang terbentuk hanya atom-atom yang paling sederhana dan paling ringan. Sejak itu, atom-atom ringan telah menyatu dalam pusat –pusat bintang untuk membentuk atom-atom yang lebih kompleks. Itulah asal dari karbon, oksigen, nitrogen dan atom-atom lain. Jika sebuah bintang meledak sebagai supernova, atom –atom itu dan atom-atom yang lebih berat menyebar ke seluruh  yang angkasa.

2.      DI DALAM ATOM

Para ilmuwan mengerahui bahwa atom tidak dapat dibagi atau tidak dapat dirusak. Elektron ditemukan sebagai hasil percobaan terhadap  lucutan muatan listrik melalui gas pada tekanan yang sangat rendah. Elektron-elektron ini ditarik keluar dari atom gas oleh medan listrik yng kuat yang diaplikasikan pada tabung lucutan. Tanpa menghiraukan jenis gas yang digunakan, ditemukan bahwa akan dihasilkan partikel identik bermuatan negatif dan atom bermuatan positif dari bobot yang berbeda. Sehingga, disimpulkan bahwa partikel-partikel bermuatan negatif, yang disebut elektron, ada disetiap jenis atom. Penyelidikan lebih lanjut tentang radioaktifitas menuntun pada kesimpulan bahwa :

-          Setiap atom mengandung inti (nukleus) bermuatan positif dimana sebagian besar massanya terpusat.

-          Inti tersusun atas dua jenis partikel, proton dan neutron. Inti atom hidrogen adalah proton tunggal.

-          Proton adalah partikel bermuatan positif dan sedikit lebih ringan daripada neutron yang merupakan partikel tak bermuatan.

-          Elektron bergerak dalam ruang mengelilingi inti pada jarak yang relatif lebar. Muatan elektron setara dan berlawanan dengan muatan proton. Bobot elektron sekitar 2.000 kali lebih ringan dari proton.

 

	Muatan/ Muatan Proton	Massa/ Massa Proton
Proton	1	1
Neutron	0	1
Elektron	-1	0

Atom dilambangkan dengan simbol ^A_Z X dimana Z adalah jumalah proton dalam atom dan A, nomor massa, adlah jumalah proton dan neutron dalam inti. Massa sebuah atom kira-kira sama dengan A kali massa atom hidrogen. Ini karena A adalah jumlah proton dan neutron didalam intinya dan setiap proton atau neutron memiliki massa kira –kira setara dengan massa atom hidrogen. Sebagai contoh, simbol ⁷₃Li melambangkan sebuah atom dari litium dengan tifa proton dan empat neutron didalam intinya dan tiga elektron yang bergerak disekitar inti. Massa atom ini kira –kira tujuh kali lipat massa atom hidrogen.

3.      ISOTOP

Semua atom dari unsur yang sama memuat proton dengan jumlah sama didalam inti masing-masing atom. Jumlah neutron di dalam setiap atom sebuah unsur dapat berbeda. Atom sebuah unsur dengan jumlah neutron berbeda disebut isotop.

Sifat radioaktivitas ditetapkan oleh Ernest Rutherford yang menunjukkan bahwa radiasi dihasilkan saat atom-atom tidak stabil luruh. Ia menggunakan radiasi untuk menyelidiki atom dan ia menyimpulkan bahwa setiap atom mengandung inti bermuatan positif tempat sebagian besar massanya berada. Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa inti itu sendiri tersusun atas neutron dan proton. Pada dasawarsa sekarang, para ilmuwan telah mengetahui bahwa proton dan neutron tersusun atas partikel-partikel yang lebih kecil disebut kuark.. banyak pertanyaan tentang dunia subatom yang belum terjawab dan semakin banyak pertanyaan muncul ketika semakin banyak penemuan dibuat.

Radioaktivitas terjadi karena ketidakstabilan inti yang memiliki terlalu banyak proton atau neutron. Inti seperti ini menjadi stabil atau sedikit tidak stabil dengan memancarkan satu dari tiga jenis radiasi :

1.      Radiasi alfa (α) terdiri atas partikel-pertikel, masing-masing tersusun atas dua proton dan neutron. Partikel α dipancarkan oleh inti tidak stabil yang sangat besar. Radiasi alfa

-          Dengan mudah dihentikan oleh kertas karton atau logam tipis.

-          Memiliki kisaran diudara tidak lebih dari beberapa sentimeter,

-          Mengionisasi molekul udara jauh lebih kuat dari kedua jenis radiasi radioaktif lainnya.

2.      Radiasi beta (β) terdiri atas elektron, masing-masing dipancarkan saat sebuah inti dengan terlalu banyak neutron luruh. Neutron dalam inti seperti itu  secara tiba-tiba dan tidak terduga berubah menjadi proton; dalam proses, elektron terbentuk dan dengan segera dipancarkan dari inti. Radiasi beta

-          Dihentikan oleh logam 5-10 mm

-          Memiliki kisaran diudara sekitat 1 meter

-          Mengionisasi molekul udara tidak sekuat radiasi α

3.      Radiasi gama (ϒ) terdiri atas foton bertenaga tinggi. Foton adaalh paket gelombang elektromagnet. Foton gama dipancarkan dari inti dengan kelebihan tenaga setelah memancarkan partikel α dan β. Radiasi gama

-          Dihentikan hanya oleh timah setebal beberapa sentimeter,

-          Memiliki kisaran tidak terbatas diudara

-          Mengionisasi molekul udara dengan sangat lemah.

4.      HUKUM-HUKUM KEKEKALAN REAKSI INTI

Reaksi inti adalah reaksi yang terjadi dalam inti antara inti atom suatu unsur ditembak dengan partikel dasar atau dengan inti atom lain, sehingga berubah menjadi inti atom unsur baru. Secara umum, reaksi inti dinyatakan :

 

           a + X è Y + b, disingkat X (a, b) Y

dengan :

a         = proyektil

b         = partikel hasil

X        = target

Y        = inti hasil

Didalam reaksi inti, berlaku 4 hukum kekekalan, yaitu :

-          Hukum kekekalan momentum

-          Hukum kekekalan energi

-          Hukum kekekalan nomor atom, dan

-          Hukum kekekalan nomor massa

Contoh –contoh reaksi inti :

1.      Gejala tumbukan antara partikel alfa dengan atom gas nitrogen yang dilakukan Rutherford pada tahun 1919.

₇N¹⁴ + ₂He⁴     è    ₈O¹⁷ + ₁H¹

Penulisan singkatnya adalah :

₇N¹⁴(α, p) ₈O¹⁷

2.      Penembakan partikel alfa pada keping berilium yang dilakukan oleh Chadwick pada tahun 1937.

₄Be⁹ + ₂He⁴     è      ₆C¹² + ₆n¹

Penulisan singkatnya adalah

₄Be⁹ (α, n) ₆C¹²

3.      Pada tahun 1932, Cockroff dan Walton menembaki inti litium dengan partikel proton (₁H¹) menghasilkan dua inti atom helium.

₃Li⁷ + ₁H¹      è     ₂He⁴ + ₂He⁴

Dari contoh –contoh tersebut, dapat dilihat bahwa jumlah nomor atom dan nomor massa sama sebelum dengan sesudah reaksi.

5.      JENIS-JENIS REAKSI INTI

Reaksi inti dibedakan menjadi dua jenis, yaitu reaksi fisi dan reaksi fusi.

a.      Reaksi Fisi

Reaksi fisi, yaitu reaksi pembelahan inti menjadi dua buah inti (atau lebih) yang lebih ringan dengan disertai pancaran energi dan netron baru. Contoh reaksi fisi adalah reaksi bom atom :

₉₂U²³⁵ + ₀n¹           è    ₅₄Xe¹⁴⁰ + ₃₈Sr⁹⁴ + 2 ₀n¹ + ϒ + energi

Pada ruas kanan persamaan diatas, ada beberapa kemungkinan, yaitu :

è    ₅₇La¹⁴⁷ + ₃₅Br⁸⁷  + 2 ₀n¹ + energi, atau :

è    ₃₈Sr⁹⁵ + ₅₄Xe¹³⁷ + 4 ₀n¹ + energi

b.      Reaksi Fusi

Reaksi fusi, yaitu reaksi penggabungan dua inti ringan membentuk sebuah inti yang lebih berat disertai pelepasan energi.

Pada umumnya, unsur-unsur yang berperan dalam reaksi fusi adalah isotop hidrogen.

₁H² + ₁H²   è   ₁H³ + ­₁H¹

Keuntungan reaksi fusi dibanding reaksi fisi (secara teoritis) adalah :

1.      Energi yang dihasilkan jauh lebih banyak

2.      Inti atom unsur hasil reaksi fusi umumnya stabil, sehingga pencemaran radioaktif dan bahaya radiasi dapat dihindarkan.

B.       PARTIKEL RADIOAKTIF

Radioaktivitas adlah pemancaran sinar radioaktif secar spontan oleh inti-inti tidak stabil. Sinar radioaktif pertama kali ditemukan pada unsur uranium oleh Henri Belquerel, penyelidikan lebih lanjut dilakukan oleh Marie Curie dan Peirre Curie. Pasangan suami istri ini berhasil menemukan dua unsur radioaktif baru, yaitu radium dan polonium. Setelah dipelajari dengan saksama oleh para pakar fisika, ternyata bahan-bahan radioaktif itu hanya memancarkan 3 jenis sinar saja, yaitu sinar α, sinar β, dan sinar ϒ.

a.      Sinar alfa (α), mempunyai ciri-ciri :

-          Terdiri dari partikel-partikel bermuatan positif

-          Merupakan inti atom helium (₂H⁴)

-          Mempunyai kecepatan antara 1,4 x 10 ⁷ m/s sampai 2,2 x 10⁷ m/s

-          Radiasinya mempunyai jangkauan beberapa cm diudara dan sekitar 10^-2 mm dalam logam tipis

-          Mempunyai daya ionisasi relatif besar, yakni 100 kali daya ionisasi beta

-          Dapat dibelokkan oleh medan magnet dan medan listrik

-          Dapat menghitamkan film.

 

Gambar : Sinar radioaktif diuraikan oleh medan magnet

b.      Sinar beta (β), mempunyai ciri-ciri :

-          Terdiri dari partikel-pertikel bermuatan negatif (elektron berenergi tinggi)

-          Mempunyai kecepatan hampir mendekati kecepatan cahaya (± 2 x 10⁸ m/s)

-          Mempunyai daya tembus relatif besar dari pada sinar α

-          Mempunyai daya ionisasi relatif kecil dari pada sinar α

-          Dapat dibelokkan oleh medan magnet dan medan listrik

-          Dapat menghitamkan film

c.       Sinar gamma (ϒ), mempunyai ciri-ciri :

-          Tidak bermuatan

-          Merupakan gelombang elektromagnetik berenergi tinggi

-          Mempunyai daya tembus yang sangat besar

-          Mempunyai daya ionisasi paling lemah dari pada sinar α dan sinar β

-          Tidak dipengaruhi oleh medan magnet dan medan listrik

-          Dapat menghitamkan film

Gambar : Daya tembus sinar radioaktif

Interaksi sinar radioaktif dengan materi

Jika sinar radioaktif dilewatikan pada suatu materi, maka sinar radioaktif tersebut akan mengalami pelemahan intensitas. Secara matematika dapat dirumuskan :

I = I₀ e^-µx

Dengan :

I          = intensitas setelah melewati keping materi (J/sm²)

I₀           = intensitas mula-mula (J/sm²)

E         = bilangan natural = 2,71828

µ         = koefisien pelemahan oleh keping materi (cm^-1 atau m^-1)

x         = tebal keping materi (cm atau m)

jika  , maka harga  (coba anda buktikan).

Nilai  disebut HVL (Half Value Layer).

Alat-alat detektor radioaktif

Detektor radioaktif adalah zat yang digunakan untuk mendeteksi adanya suatu zat radioaktif. Jenis –jenis detektor radioaktif diantaranya sebagai berikut :

a.      Emulsi film

Emulsi film adalah plat film yang diberi emulsi khusus, yaitu yang mempunyai kandungan perak tinggi.

b.      Pencacah Geiger-Muller

Alat ini ditemukan oleh Geiger dan Muller, digunakan untuk mengukur radiasi dari sinar radioaktif.

c.       Kamar kabut

Kamar kabut ini ditemukan oleh C.T.R. Wilson pada tahun 1991, digunakan untuk mengamati jejak partikel radioaktif.

d.      Pencacah sintilasi

Sintilasi berarti partikel cahaya/sinar. Alat ini digunakan untuk mencacah  percikan sinar radioaktif.

JENIS RADIOAKTIVITAS

Selembar kertas dapat menghentikan partikel alfa (inti helium), sementara selembar aluminium setebal 5 mm dapat menghentikan partikel beta (elektron bergerak cepat). Tetapi timbel setebal 2 cm dibutuhkan untuk menghentikan sinar gamma (radiasi elektromagnet berenergi tinggi).

BAHAYA RADIOAKTIF

Radioaktivitas berbahaya bagi kesehatan manusia keran radiasi pengion membunuh sel-sel hidup dan menyebabkan tumor. Karena alasan ini, penggunaan sumber radioaktif diatur keras. Sebagai contoh,  sumber-sumber radioaktif harus disimpan dalam wadah untuk mencegah lepasnya radiasi. Juga, sumber-sumber radioaktif seharusnya hanya dibuang menggunakan alat pengendali yang sesuai.

Karena sumber radioaktif dengan umur paru lama tetap radioaktif selama bertahun-tahun, pembuangan sumber radioaktif dan hasil-hasilnya diatur secara hukum. Limbah radioaktf dari reaktof nuklir harus disimpan dalam kontainer tertutup ditempat yang disetujui.

C.      PELURUHAN RADIOAKTIF

Radioaktivitas menghilang dengan berjalannya waktu dengan cara yang sepenuhnya dapat diduga secara matematika. Oleh karena itu, radioaktivitas bertindak sebagai “jam” yang dapat digunakan oleh para ilmuwan untuk mentarikhkan  (mengetahui usia) kejadian-kejadian yang terjadi akhir-akhir ini hingga ke saat Bumi dan Bulan dilahirkan.

Sebuah atom radioaktif mungkin pecah dalam sekali, atau mungkin berlanjut ke pemecahan yang lebih jauh, pada setiap pemecahan terbentuk inti-inti baru. Tetapi, akhirnya rantai pemecahan akan berakhir. Kecepatan peluruhan sangat berbeda untuk isotop yang berbeda. U-238, isotop lazim uranium, habis setelah miliaran tahun. Rn-219 meluruh dalam beberapa detik.

Kecepatan peluruhan radioaktif dapat dinyatakan sebagai umur paruh zat. Yaitu lamanya waktu yang dibutuhkan oleh suatu sampel untuk meluruh hingga tinggal separuhnya. Tidak peduli apakah sampelnya besar atau kecil. Umur paruh U-238 adalah 4,5 milliar tahun, hampir seusia Bumi. Dengan kata lin, kemungkinan dari setiap atom tunggal U-238 meluruh dalam 4,5 milliar tahun adalah 50 %.

Radioaktivitas adalah “jam” yang kecepatannya tidak pernah berubah; tidak dipengaruhi oleh suhu, tekanan, atau faktor lain yang diketahui. Inti memungkinkannya digunakan untuk menentukan umur batuan. Misal  kalium -40 (lambang ⁴⁰K) dalam bantuan meluruh menjadi argon -40 (⁴⁰Ar). Dengan mengukur nisbah ⁴⁰K terhadap ⁴⁰Ar. Ilmuwan dapat menemukan berapa lama batuan itu telah ada. Metode ini dapat menetapkan umur batuan hingga 4,6 milliar tahun.

Isotop lain yang dapat digunakan untuk menentukan umur batuan adalah rubidium-87 dan strontium-87.

Arkeologiwan yang ingin mengukur umur artifak dan sisa-sisa manusia membutuhkan “jam” yang dapat mengukur periode yang lebih pendek. Untuk periode hingga sekitar 50.000 tahun, mereka menggunakan isotop radioaktif karbon-14, juga dikenal sebagai radiokarbon. Karbon-14 ada di udara karena terbentuk secara terus menerus dari karbon-12 oleh pembombardiaran sinar kosmis yang memasuki atmosfer Bumi dari ruang angkasa.

Perbandingan karbon-14 ditubuh hewan dan tumbuhan tetap panggah (konstan) selama masa hidupnya karena hewa atau tumbuhan menyerap karbon bari diudara dan didalam makanannya. Karbon-14 yang meluruh didalam tubuhnya digantikan. Karena mati, organisme itu tidak dapat menyerap karbon baru, dan karbon-14 didalam tubuhnya mulai meluruh dengan umur paruh 5.730 tahun. Mengukur jumlah karbon-14 didalam, katakanlah, sepotong kayi dari rumah Romawi kuno memperlihatkan sudah berapa lama pohon untuk membuat kayu itu ditebang.

D.      WAKTU PARUH

Waktu paruh suatu bahan radioaktif adalah lama waktu yang diperlukan oleh suatu bahan radioaktif untuk meluruh sampai tinggal setengah dari semula.

Tabel : Waktu paruh berbagai peluruhan zat radioaktif

Isotop		Waktu Paruh	Jenis peluruhan
Polonium Kripton Radon Stronsium Radium Karbon Uranium Indium	84Po214 36Kr89 86Rn222 38Sr90 88R226 6C14 92U238 49In115	1,64 x 10-4 s 3,16 menit 3,83 hari 28,5 tahun 1,6 x 103 tahun 5,73 x 103 tahun 4,47 x 109 tahun 4,41 x 1014 tahun	α, ϒ β, ϒ α, ϒ β α, ϒ β α, ϒ β

UMUR PARUH

Umur paruh isotop radioaktif adalah waktu yang dibutuhkan untuk setengah jumlah atom isotop untuk meluruh. Katakanlah, pada awalnya terdapat 10.000 atom dari isotop-X radioaktif tertentu. Jumlah atom berkurang

-          Dari 10.000 menjadi 5.000 setelah umur satu paruh, kemudian

-          Dari 5.000 menjadi 2.500 setelah umur paruh berikutnya, kemudian

-          Dari 2.500 menjadi 1.250 setelah umur paruh berikutnya, dst.

Oleh karena itu, jumlah isotop radioaktif berkurang dalam waktu seperti yang ditunjukkan kurva umur paruh pada gambar dibawah ini. Nilai umur paruh berkisar dari sepersekian detik hingga milliaran tahun. Sebagai contoh, umur paruh uranium 238 (²³⁸₉₂U) adalah sekitar 4,5 milliar tahun.

Peluruhan radioaktif adalah proses acak. Untuk sejumlah besar atom dari isotop radioaktif tertentu, perbandingan luruh per detik adalah tetap. Ini terjadi karena sifat acak peluruhan radioaktif.