Salah satu istilah yang mungkin sering kita dengar ialah radioaktivitas atau radioaktif. Kedua istilah tersebut masih memiliki tema yang serupa, hanya saja penggunaannya yang berbeda. Radioaktivitas (peluruhan radioaktif) merupakan sebuah peristiwa spontan pelepasan partikel atau energi oleh inti atom yang bersifat tidak stabil. Kita dapat menggunakan istilah radioaktif sebagai sebutan sebuah bahan yang mengalami peluruhan. Ketidakstabilan muncul akibat kombinasi jumlah proton dan neutron yang tidak seimbang (tidak seimbang bukan berarti tidak sama jumlahnya) serta inti yang tereksitasi. Tujuan dari pelepasan tersebut ialah “keinginan” inti atom untuk kembali ke keadaan stabilnya.
Peristiwa peluruhan bersifat spontan dan acak, artinya kita tidak dapat memprediksi kapan proses peluruhan terjadi. Selain itu, kita tidak dapat mengetahui inti atom mana yang mengalami peluruhan. Sebagai contoh, kita memiliki sampel 1 gram uranium yang bersifat radioaktif. Dalam 1 gram, jumlah atomnya sebanyak X atom. Kita tidak bisa mengetahui “inti atom yang mana” yang mengalami peluruhan karena proses yang dialami bersifat acak.
Persamaan Peluruhan Radioaktif
Walaupun bersifat acak, kita masih bisa mewakili peristiwa peluruhan melalui persamaan matematis sederhana. Apabila kita tuliskan jumlah inti atom suatu sampel sebagai N, maka laju peluruhan inti
λ adalah konstanta peluruhan (bergantung dari jenis elemen). Laju peluruhan (dN/dt) memiliki satuan SI berupa becquerel (Bq) dengan definisi
1 becquerel = 1 Bq = 1 peluruhan per detik
Satuan lainnya ialah Curie dengan definisi
1 curie = 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq
Kita coba cari solusi dari persamaan di atas dengan menyusun ulang,
Selesaikan dengan menggunakan integral di kedua sisi,
N0 adalah jumlah inti atom suatu sampel pada waktu t0. Apabila kita tuliskan t0 sebagai waktu awal dengan nilai t0 = 0, maka
N0 dapat kita katakan sebagai jumlah inti atom awal (pada waktu t0) sedangkan N ialah jumlah inti atom suatu sampel setelah mengalami peluruhan selama waktu t.
Waktu Paruh dalam Peluruhan Radioaktif
Jumlah inti atom yang mengalami peluruhan dari suatu sampel radioaktif bergantung pada konstanta peluruhan (λ). Apabila jumlah inti yang meluruh sudah mencapai setengah dari jumlah awal, maka waktu yang terlewati bisa kita katakan sebagai waktu paruh. Kita bisa katakan bahwa waktu paruh ini mewakili lama waktu yang dibutuhkan bagi inti atom untuk berkurang setengahnya dari jumlah awal. Apabila kita kembali ke persamaan peluruhan dan memasukkan N menjadi 1/2 dari N0, maka
Dengan T1/2 ialah waktu paruh.
Seperti yang sudah kita ketahui sebelumnya bahwa peluruhan radioaktif melibatkan pelepasan partikel atau energi. Kita dapat menyebut elemen sebelum mengalami peluruhan sebagai inti induk (parent nuclei) dan hasil elemen setelah mengalami peluruhan sebagai inti anak (daughter nuclei). Berikut adalah beberapa jenis peluruhan yang paling biasa terjadi.
Contoh Peluruhan Radioaktif: Partikel Alfa
Peluruhan partikel alfa melibatkan pelepasan partikel alfa (2 proton dan 2 neutron) dari inti atom yang tidak stabil. Secara teknis, partikel alfa merupakan inti dari atom helium. Peluruhan alfa akan melibatkan pengurangan jumlah proton dan neutron sebanyak masing-masing 2 buah. Apabila kita melihat contohnya, maka akan terlihat sebagai berikut.
Setelah mengalami peluruhan alfa, elemen X akan mengalami pengurangan nomor massa sebesar 4 dan nomor atom sebesar 2. Apabila suatu elemen mengalami peluruhan alfa, maka elemen tersebut akan berubah menjadi elemen lain (karena perubahan jumlah proton). Contoh nyata dari peluruhan alfa ialah peluruhan Radium-226 menjadi Radon-222.
Peristiwa peluruhan akan menghasilkan energi yang biasanya dibawa sebagian besar oleh hasil peluruhannya (yaitu partikel alfa). Partikel alfa akan memiliki energi sebesar 4,871 MeV setelah terlepas dari inti Radium-226.
Partikel Beta
Peluruhan partikel beta melibatkan pelepasan partikel beta dari inti atom. Partikel beta dapat berupa elektron atau positron (positron merupakan antimateri dari elektron yang memiliki muatan positif). Inti atom yang mengalami peluruhan beta akan mendapati bahwa nomor atomnya dapat berkurang atau bertambah. Berikut adalah contoh skema dari peluruhan beta.
Selain menghasilkan partikel beta, peluruhan ini menghasilkan pula neutrino atau antineutrino, sebuah partikel yang sangat ringan dan tidak bermuatan. Peluruhan beta negatif sebenarnya berasal dari perubahan neutron di dalam inti atom. Sedangkan peluruhan beta positif berasal dari perubahan proton.
Contoh nyata dari peluruhan beta negatif ialah peluruhan Cobalt-60 menjadi Nikel-60 serta untuk beta positif ialah Cu-64 menjadi Ni-64. Serupa dengan peluruhan alfa, partikel beta akan membawa sebagian besar energi dari hasil peluruhan. Sebagai contoh, peluruhan Co-60 menghasilkan partikel beta dengan energi sebesar 0,31 MeV.
Sinar Gamma
Sinar gamma merupakan salah satu jenis gelombang elektromagnetik dengan energi terbesar di spektrum gelombang elektromagnetik. Peluruhan radioaktif dapat menghasilkan sinar gamma melalui kondisi inti atom yang sedang tereksitasi. Berikut skema sederhana terkait peluruhan sinar gamma.
Inti atom X berada dalam keadaan eksitasi ingin kembali ke keadaan dasar dengan cara melepaskan sinar gamma. Proses ini tidak akan melibatkan perubahan elemen. Contoh peluruhan dari sinar gamma adalah keadaan tereksitasi inti atom Ni-28.
Peluruhan gamma yang dialami Ni-60 sebenarnya merupakan hasil peluruhan sebelumnya yaitu peluruhan beta negatif dari Co-60. Setelah Co-60 meluruh lalu menghasilkan partikel beta, hasil peluruhan yaitu Ni-60 berada dalam keadaan tereksitasi. Inti Ni-60 akan menghasilkan sinar gamma untuk kembali ke keadaan dasar.
Referensi
- Halliday, D., Resnick, R. & Walker, J., 2010. FISIKA DASAR EDISI 7 JILID 3. Jakarta: Erlangga.
- //ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability diakses pada 4 Agustus 2021.
- //www.nucleide.org/DDEP_WG/Nuclides/Co-60_tables.pdf diakses pada 4 Agustus 2021.
- //hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/betaex.html diakses pada 4 Agustus 2021.