Fisika nuklir

Sebuah atom terdiri dari inti nuklir kecil di tengah dengan elektron yang bergerak mengelilinginya (dalam orbit, seperti planet mengelilingi Matahari).

• Nuklir memiliki muatan positif.
• Elektron memiliki muatan negatif.
• Atom secara keseluruhan bersifat netral, karena muatan positif dan negatif sama besar.

Hampir seluruh massa berada di nuklir, tetapi nuklir sangat kecil dibandingkan atom secara keseluruhan. Jadi atom sebagian besar adalah ruang hampa.

Ion

Atom bersifat netral, tetapi dapat menerima atau melepaskan elektron untuk menjadi ion.

• Melepaskan satu atau lebih elektron → ion positif (sekarang ada lebih banyak proton daripada elektron).
• Menerima satu atau lebih elektron → ion negatif.

Percobaan hamburan alfa

Percobaan ini memberikan bukti untuk model nuklir. Partikel alfa α (kecil, cepat, positif) ditembakkan ke lembaran emas yang sangat tipis, dan hamburan (cara mereka memantul) diamati.

Hasil dan apa yang ditunjukkan:

• Hampir semua partikel alfa menembus lurus. → Atom sebagian besar adalah ruang hampa.
• Beberapa terbelok (dibengkokkan) melalui sudut kecil. → Nuklir bermuatan positif, yang menolak partikel alfa positif.
• Sangat sedikit memantul hampir lurus kembali. → Nuklir sangat kecil dan sangat berat, serta menampung sebagian besar massa atom.

Nuklir terdiri dari dua jenis partikel, bersama-sama disebut nukleon:

• proton, yang memiliki muatan relatif sebesar $+1$;
• neutron, yang memiliki muatan relatif $0$ (mereka netral).

Elektron memiliki muatan relatif $-1$. Proton dan neutron masing-masing memiliki massa relatif sekitar $1$; elektron hampir tidak bermassa jika dibandingkan.

Dua angka menggambarkan sebuah nuklir:

• nomor proton $Z$ (juga disebut nomor atom) — jumlah proton;
• nomor nukleon $A$ (juga disebut nomor massa) — jumlah proton ditambah neutron.

Jadi jumlah neutron adalah $A - Z$.

Kita menulis sebuah nuklir dalam notasi nuclida:

di mana X adalah simbol kimia. Misalnya, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ memiliki $79$ proton dan $197 - 79 = 118$ neutron. Muatan relatif seluruh nuklir hanyalah $+Z$ (di sini $+79$), dan massanya relatif sekitar $A$.

Isotop

Isotop adalah atom dari unsur yang sama ($Z$ yang sama) tetapi dengan jumlah neutron berbeda ($A$ berbeda). Mereka berperilaku sama dalam kimia tetapi berbeda di dalam nuklir. Misalnya, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ dan $^{14}_{\ 6}\text{C}$ keduanya adalah karbon.

Fisi dan fusi nuklir

Dalam fisi nuklir, nuklir berat menyerap neutron lalu pecah menjadi dua nuklir lebih kecil, melepaskan dua atau tiga neutron dan sejumlah besar energi:

Angka atas (nomor nukleon) seimbang di kedua sisi, begitu juga angka bawah (nomor proton). Anda dapat menggunakan ini untuk menemukan angka yang hilang — misalnya, berapa banyak neutron yang dilepaskan.

Dalam fusi nuklir, dua nuklir ringan bergabung membentuk satu yang lebih berat, juga melepaskan energi. Inilah cara Matahari menghasilkan energinya, menggabungkan nuklir hidrogen menjadi helium. Reaksi di bawah ini — dua bentuk berat hidrogen (deuterium dan tritium) bergabung menjadi helium — adalah reaksi yang digunakan dalam reaktor fusi di Bumi:

baik dalam fisi maupun fusi, sebagian kecil massa hilang dan berubah menjadi energi.

Nuklir yang tidak stabil akan segera atau nanti runtuh dan memancarkan radiasi. Ini adalah peluruhan radioaktif. Nuklir mungkin tidak stabil karena memiliki terlalu banyak neutron, atau karena terlalu berat.

Peluruhan bersifat spontan (terjadi sendiri, dan Anda tidak dapat mempercepat atau memperlambatnya) dan acak (Anda tidak dapat mengatakan nuklir mana yang akan meluruh selanjutnya, atau kapan persisnya).

Radiasi latar belakang

Beberapa radiasi selalu ada di sekitar kita. Ini adalah radiasi latar belakang. Sumber utamanya adalah:

• gas radon di udara (biasanya sumber terbesar);
• batuan dan bangunan;
• makanan dan minuman;
• sinar kosmik dari luar angkasa.

Mengukur radiasi

Radiasi dapat diukur dengan detektor yang terhubung ke pesihitung. Tingkat hitungan adalah jumlah hitungan per detik (atau per menit).

Untuk menemukan tingkat hitung sebenarnya dari sumber, ukur terlebih dahulu tingkat hitung latar belakang secara terpisah, kemudian kurangkan. Hasilnya adalah tingkat hitung yang dikoreksi:

Contoh terpecahkan. Detektor yang diletakkan di samping sumber membaca $250$ hitungan/menit. Dengan sumber diambil jauh, laju latar belakang adalah $30$ hitungan/menit. Temukan laju hitungan yang telah dikoreksi.

Radiasi dapat berupa salah satu dari tiga jenis. Setiap jenis bersifat pengion, yang berarti dapat menendang elektron keluar dari atom-atom di perjalanannya.

Jadi partikel alfa paling pengion tetapi paling sedikit menembus (mudah diserap). Partikel beta β berada di tengah. Radiasi gamma γ paling sedikit pengionnya tetapi paling banyak menembusnya.

Kita dapat menjelaskan efek pengionan dari muatan dan energi kinetik: partikel alfa memiliki muatan besar ($+2$) dan bergerak lambat serta berat, sehingga menarik kuat elektron yang dilaluinya dan mengionkan banyak. Partikel beta memiliki muatan lebih kecil dan bergerak lebih cepat, sehingga mengionkan kurang.

Pembiasan dalam medan

Karena partikel alfa dan beta bermuatan, mereka dibias oleh medan listrik dan medan magnet. Mereka membengkok ke arah berlawanan, karena muatan mereka memiliki tanda yang berlawanan, dan partikel beta yang lebih ringan membengkok lebih banyak. Sinar gamma tidak bermuatan, jadi tidak terbias sama sekali.

Ketika inti meluruh, nomor nukleon dan nomor proton harus seimbang di kedua sisi.

Peluruhan alfa — inti kehilangan 2 proton dan 2 neutron, sehingga $A$ turun sebesar $4$ dan $Z$ turun sebesar $2$. Ia menjadi unsur yang berbeda:

Contoh terpecahkan. Inti radium $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ memancarkan partikel alfa. Temukan nomor nukleon dan nomor proton dari inti baru.

Peluruhan alfa menurunkan $A$ sebesar $4$ dan $Z$ sebesar $2$:

Jadi inti baru (radon) memiliki nomor nukleon $222$ dan nomor proton $86$.

Peluruhan beta — di dalam inti sebuah neutron berubah menjadi proton ditambah elektron:

Elektron berkecepatan tinggi keluar sebagai partikel beta. Jadi $A$ tetap sama tetapi $Z$ naik sebesar $1$, menghasilkan unsur yang berbeda:

Emisi gamma — inti hanya kehilangan energi, sehingga $A$ dan $Z$ tidak berubah. Peluruhan alfa dan beta membuat inti lebih stabil; gamma sering dipancarkan bersamaan untuk membawa energi berlebih.

Karena peluruhan acak, kita tidak dapat mengikuti satu inti. Sebaliknya, kita mendeskripsikan sampel besar menggunakan waktu paruhnya.

Waktu paruh isotop adalah waktu yang dibutuhkan agar setengah dari inti-inti tidak stabil dalam sampel meluruh. Setelah setiap waktu paruh, laju hitungan (atau jumlah inti tidak stabil yang tersisa) turun menjadi setengahnya.

Sebagai contoh, jika sebuah sumber memiliki laju hitungan $800$ hitungan/menit dan waktu paruh $3$ jam:

Setelah $6$ jam (dua waktu paruh), laju hit telah berkurang separuh dua kali: $800 \to 400 \to 200$. Anda dapat membaca waktu paruh dari grafik peluruhan dengan mencari waktu yang dibutuhkan agar laju hit turun dari nilai apa pun menjadi setengahnya. Jika pembacaan mencakup radiasi latar, kurangi laju hit latar dari setiap pembacaan terlebih dahulu, kemudian tentukan waktu paruh dari nilai yang telah dikoreksi.

Contoh terpecahkan. Aktivitas sumber turun dari $800$ hit/menit menjadi $100$ hit/menit. Waktu paruhnya adalah $5$ hari. Berapa lama proses ini berlangsung?

Hitung jumlah penurunan separuh: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ adalah tiga waktu paruh, sehingga waktunya adalah $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.

Isotop yang dipilih untuk suatu pekerjaan bergantung pada jenis radiasinya dan waktu paruhnya:

• alarm asap menggunakan sumber alfa (alfa mudah diblokir, jadi aman di luar alarm, dan waktu paruh panjang berarti tahan bertahun-tahun);
• menggunakan radiasi pada makanan, atau peralatan, membunuh bakteri dan kuman — ini memerlukan sinar gamma yang menembus untuk sterilkan item yang tertutup rapat;
• mengukur dan mengontrol ketebalan lembaran kertas atau logam menggunakan sumber beta (jumlah yang tembus berubah sesuai ketebalan);
• pelacak medis adalah sejumlah kecil isotop pemancar gamma dengan waktu paruh pendek, disuntikkan ke tubuh: detektor di luar tubuh mengikuti perjalanannya, sinar gamma keluar dari tubuh dengan mudah, dan aktivitas segera turun ke tingkat aman;
• sinar gamma digunakan untuk menemukan dan mengobati kanker di dalam tubuh, karena dapat menembus keluar (atau masuk) tubuh.

Radiasi pengion merusak sel hidup. Radiasi ini dapat menyebabkan kematian sel, mutasi (perubahan pada gen) dan kanker.

Saat bekerja dengan sumber radioaktif, pertahankan dosis (jumlah radiasi yang diterima) tetap rendah dengan cara:

• mengurangi waktu paparan — habiskan waktu sesingkat mungkin di dekat sumber;
• meningkatkan jarak antara Anda dan sumber;
• menggunakan pelindung, seperti timah, antara sumber dan tubuh Anda.

Sumber radioaktif harus ditangani dengan tangkapan (bukan tangan telanjang), dijauhkan dari orang-orang, dan disimpan dalam kotak berlapis timah.

• Nomor nukleon (atas) adalah proton + neutron; nomor proton (bawah) hanya proton. Jumlah neutron = nomor nukleon − nomor proton.
• Isotop memiliki nomor proton yang sama tetapi nomor nukleon berbeda — unsur yang sama dengan jumlah neutron yang berbeda.
• Urutkan radiasi dengan dua cara: alfa paling mengionisasi tetapi paling tidak tembus (terhalang kertas); gamma paling sedikit mengionisasi tetapi paling tembus (memerlukan timbal tebal). Beta berada di antaranya (terhalang beberapa mm aluminium).
• Dalam setiap persamaan peluruhan, angka atas harus seimbang dan angka bawah harus seimbang. Peluruhan alfa: $A-4$, $Z-2$. Peluruhan beta: $A$ tidak berubah, $Z+1$.
• Selalu kurangi laju hitung latar belakang sebelum menggunakan pembacaan sumber. Setelah $n$ paruh waktu, laju hitung telah terbagi dua $n$ kali — hitung jumlah pembagian dua daripada menebak dari total waktu.