Selengkapnya......

Interaksi Radiasi Gelombang Elektromagnetik

Interaksi  radiasi  gelombang  elektromagnetik  ketika  mengenai  materi  lebih menunjukkan  sifat  dualisme  gelombang  -  partikel  yaitu  efek  foto  listrik,  efek Compton, dan produksi pasangan.

1.   Efek Foto Listrik

Dalam peristiwa efek foto listrik, foton yang mengenai materi akan diserap sepenuhnya  dan  salah  satu  elektron  orbital  akan  dipancarkan  dengan energi kinetik yang hampir sama dengan energi foton yang mengenainya.

Gambar 11: peristiwa efek foto listrik

            Efek fotolistrik timbul karena interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan electron-elektron dalam atom bahan. Dalam peristiwa ini energy foton diserap semuanya oleh electron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga electron tersebut terlepas dari ikatan inti atom. Efek fotolistrik terutama trjadi pada foton berenergi rendah, yaitu berkisar antara 0,01 Mev hingga 0,5 Mev dan dominan pada energy foton dibawah 0,1 Mev. Radiasi elektromagnetik dengan energy fotonnya kecil akan berinteraksi dengan elektron-elektron yang berada diorbit luar atom.Semakin besar energy foton maka elektron-elektron yang berada pada orbit lebih dalam akan dilepaskan.

            Elektron yang terlempar ke luar dari atom yang paling mungkin berasal dari electron dikulit K. Energi foton datang (hv) sebagian besar berpindah ke electron fotolistrik dalam bentuk energy kinetic elektrondan sebagian sangat kecil dipakai untuk melawan energy ikat electron (B­_e). electron terlempar selanjutnya dapat melakukan proses ionisasi atom-atom lain di dalam bahan. Besar energy kinetic fotoelektron (E_k)dalam peristiwa ini adalah

                             E_k = hv – B­_e

2.      Efek Compton

Peristiwa efek Compton sangat menyerupai efek foto listrik kecuali energi foton  yang  mengenai  materi  tidak  diserap  sepenuhnya  sehingga  masih ada sisa energi foton yang dipantulkan atau dibelokkan.

Gambar 12: peristiwa efek Compton

Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energy hv berinteraksi dengan electron bebas atau electron yang tidak terikat secara kuat oleh inti, yaitu electron yang berada pada kulit terluar dari atom. Electron dilepaskan dari inti atom dan bergerak dengan energy kinetic tertentu disertai foton lain dengan energy lebih rendah dibandingkan foton dating. Foton lain itu disebut dengan foton hamburan dengan energy hv ‘ dan terhambur dengan sudut θ terhadap foton datang. Karena ada energy ikat elektron yang harus dilawan, meskipun sangat kecil, hamburan Compton ini termasuk proses interaksi inelastik.

3.                              Produksi Pasangan

Peristiwa   ini   menunjukkan   kesetaraan   antara   massa   dengan   energi sebagaimana diperkenalkan pertama kali oleh Einstein. Bila sebuah foton yang  mengenai  materi  berhasil  “masuk”  sampai  ke  daerah  medan  inti (nuclear  field)  dan  mempunyai  energi  lebih  besar  dari  1,022  MeV  maka foton   tersebut   akan   diserap   habis   dan   akan   dipancarkan   pasangan elektron   –   positron.   Positron   adalah   anti   partikel   dari   elektron,   yang mempunyai karakteristik sama dengan elektron tetapi bermuatan positif.

Gambar 13: peristiwa produksi pasangan

Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Proses ini hanya dapat terjadi dalam medan listrik di sekitar partikel bermuatan, terutama dalam medan sekitar inti. Dalam proses produksi pasangan, dapat dianggap bahwa foton berinteraksi dengan atom secara keseluruhan. Jika interaksi ini terjadi, maka foton akan lenyap. Sebagai gantinya timbul sepasang electron-positron. Karena massa diam electron/positron ekuivalen dengan 0,51 Mev maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energy foton dating ≥ 1,02 Mev.

 Dalam moda ini suatu foton sinar X akan bertransformasi menjadi satu pasangan zarah, yaitu elektron dan apa yang dinamakan positron. Transformasi ini hanya dapat terjadi di bawah pengaruh medan inti yang kuat, jadi tak dapat terjadi dalam ruang hampa. Positron adalah suatu zarah mirip elektron yang bermuatan positip. Jadi transformasi produksi pasangan dapat dituliskan sebagai berikut :

v Þ e⁺ + e^-

            Secara energetik ini dapat terjadi tentunya hanya apabila energi foton :

Hv > 2m₀c² = 1,02MeV

dengan m_o massa elektron (=massa positron)

            produksi pasangan dapat terjadi apabila energi foton lebih besar dari 1,02 MeV. Zarah positron telah diramalkan oleh PAM Dirac tahun 1929. Hal ini timbul dari penelaahannya mengenai teori kuantum relativistik.

            Dalam hal-ihwal positron ini teori mendahului eksperimen. Baru tahun 1932 positron ditemukan secara eksperimen oleh Anderson di CALTECH (California Institute of Technology). Hal itu terjadi pada saat Anderson sedang melakukan percobaan-percobaan mengenai sinar kosmos dengan kamar kabut (Wilson).

            Pada tahun tigapuluhan itu banyak fisikawan mempelajari radiasi pengion yang datang dari kosmos. Deteksinya dilakukan dengan pencacah Geiger-Muller secara sendiri, atau pencacah GM yang dikaitkan dengan suatu kamar kabut. Apabila suatu radiasi pengion melalui kamar kabut maka jejaknya dapat dilihat sebagai butir-butir kondensasi. Ini terjadi karena ion-ion udar dalam kamar kabut itu merupakan inti-inti kondensasi. Dengan pemotretan jejak itu dapat direkam dan dianalisa. Studi-studi semacam ini dapat membedakan jejak sinar a, elektron, atau pun sinar gama.

            Dengan menempatkan seluruh kamar kabut dalam medan magnet, maka dapat pula diperkirakan muatan zarah yang membuat jejak. Dalam jejak itu Anderson menemukan jejak suatu zarah yang mirik elektron, kecuali tentang muatannya yang positif (positron).

            Kekekalan energi mensyaratkan bahwa energi foton hn harus memenuhi :

            hv = E₊ + E_-

dengan E₊ dan E_- secara berturut-turut adalah energi relativistik positron dan elektron. Apabila tenaga kinetik dinyatakan dalam K, maka berlaku.

            E₊ = K₊ + m₀c²

dan

            E_- = K_- + m₀c²

            Oleh karena itu kekekalan energi mempersyaratkan

            hv = K₊ + K_- + 2 m₀c²

            dengan ..m_o = 9,11.10^-31 kg

            c = 3,00.10^sm/s

            2 m₀c² = 1,022 MeV

Selengkapnya......

Radiasi Gelombang Elektromagnetik (Foton)

Radiasi  ini  merupakan  pancaran  energi  dalam  bentuk  gelombang  elektro- magnetik atau foton yang tidak bermassa maupun bermuatan listrik. Terdapat dua   jenis   radiasi   yang   berbentuk   gelombang   elektromagnetik   yaitu   sinar gamma dan sinar-X.

1.   Gamma

Radiasi gamma dipancarkan oleh inti atom yang dalam keadaan tereksitasi (bedakan dengan atom  yang tereksitasi). Setelah memancarkan radiasi gamma, inti atom tidak mengalami perubahan baik jumlah proton maupun jumlah neutron.

Gambar 9: proses peluruhan gamma

Sinar-γ tidak dibelokkan baik oleh medan listrik maupun medan magnet. Sinar-γ ini merupakan radiasi elektromagnetik yang tidak bermassa dan tidak bermuatan sehingga diberi notasi _oγ^o. Sinar-γ menpunyai sifat yang sama dengan sinar-X, namaun panjang gelombangnya lebih pendek dibandingkan sinar-X.

Atom yang memancarkan sinar-γ tidak akan mengalami pengurangan nomor atom maupun nomor massa, hanya atomnya saja yang berada dalam keadaan tereksitasi kembali ke keadaan dasar. Atom yang tereksitasi biasanya terjadi pada atom yang melakukan pemancaran sinar α maupun sinar β, dan untuk mencapai tingkat energi dasar atau keadaan stabil atom tersebut melakukan pelepasan energi melalui pemancaran sinar-γ. Oleh sebab itu pemancaran sinar-γ ini biasanya menyertai pemancaran sinar α maupun sinar β.

Dari penjelasan diatas, maka sifat dari sinar gamma adalah sebagai berikut:

Ø            Merupakan radiasi yang menyerupai sinar-X, tetapi panjang gelombang lebih pendek.

Ø            Daya ionisasi sangat kecil

Ø            Kecepatan sama dengan kecepatan cahaya (c)

Ø            Daya tembus sangat besar

            Baik sinar γ maupun sinar X keduanya merupakan radiasi elektromagnetik yang menbawa energy dalam bentuk paket-paket yang disebut dengan foton. Ionisasi yang dihasilkannya sebagian besar melalui proses ionisasi sekunder. Jadi, dalam hal ini jika sinar γ dan sinar X berinteraksi dengan materi, hanya beberapa pasang ion primer saja yang terbentuk. Ion-ion primer itu selanjunya melakukan proses ionisasi sekunder sehingga diperoleh pasangan ion yang lebih banyak dibandingkan yang terbentuk pada proses ionisasi primer.

            Apabila radiasi elektromagnetik memasuki bahan penyerap, maka intensitas radiasi itu saja akan berkurang. Sedang radiasi elektromagnetik yang lolos dari bahan penyerap tidak mengalami pengurangan energi. Dilihat dari daya tembusnya, radiasi elektromagnetik memiliki daya tembus paling kuat dibandingkan dengan radiasi partikel yang dipancarkan inti radioaktif. Sebaliknya, daya ionisasi radiasi elektromagnetik ini paling lemah bila dibandingkan dengan sinar alfa dan sinar beta. Karena sifatnya sebagai gelombang elektromagnetik, maka kecepatan gerak radiasi elektromagnetik ini di udara sama besarnya dengan kecepatan cahaya.

 2.      Sinar-X

Sebenarnya  dikenal  dua  jenis  sinar-X  yaitu  yang  dihasilkan  oleh  atom dalam  keadaan  tereksitasi  (sinar-X karakteristik) dan yang dihasilkan oleh proses interaksi radiasi partikel bermuatan (brehmsstrahlung).

 

Gambar 10: produksi sinar-X karakteristik

Perbedaan  kedua  jenis  sinar-X  di  atas,  selain  asal  terjadinya,  adalah bentuk  spektrum  energinya.  Sinar-X  karakteristik  bersifat  “discreet”  pada energi tertentu sesuai dengan jenis unsurnya, sedangkan brehmsstrahlung bersifat kontinyu.

Selengkapnya......

Radiasi Partikel tak Bermuatan (Neutron)

Radiasi  ini  merupakan  pancaran  energi  dalam  bentuk  partikel  neutron yang tidak  bermuatan  listrik  dan  mempunyai  massa  1 sma (satuan massa atom). Radiasi  ini  lebih  banyak  dihasilkan  bukan  oleh  inti  atom  yang  tidak  stabil (radioisotop) melainkan oleh proses reaksi inti seperti contoh sumber AmBe di atas ataupun reaksi fisi di reaktor nuklir.

Karena  tidak  bermuatan  listrik,  mekanisme  interaksi  radiasi  neutron  lebih dominan   secara   mekanik,   yaitu   peristiwa   tumbukan   baik   secara   elastik maupun   tidak   elastik.   Sebagaimana   radiasi   partikel   bermuatan,   radiasi neutron juga mempunyai potensi melakukan reaksi inti.

Neutron merupakan partikel penyusun inti atom yang bermassa 1 sma dan tidak bermuatan listrik, sehingga diberi notasi _on¹. Radiasi neutron dari inti atom sebetulnya sulit terjadi. Meskipun demikian, pemancaran neutron ini biasanya hanya terjadi pada unsure-unsur hasil fisi dengan waktu paro yang sangat pendek. Contoh dari hasil pemancaran neutron adalah

₅₃I¹³⁷  →    ₊₁β^o + ₅₄Xe¹³⁷ (t1/2) = 3,84 menit)

₅₄Xe¹³⁷  →   _on¹   + ₅₄Xe¹³⁶ (stabil)

Untuk lebih jelasnya efek radiasi dalam medan dapat digambarkan sebagai berikut:

 Gambar 6: efek radiasi 

1.      Tumbukan elastik

Tumbukan  elastik  adalah  tumbukan  di  mana  total  energi  kinetik  partikel- partikel  sebelum  dan  sesudah  tumbukan  tidak  berubah.  Dalam  tumbukan elastik antara neutron dan atom bahan penyerap, sebagian energi neutron diberikan ke inti atom yang ditumbuknya sehingga atom tersebut terpental sedangkan neutronnya dibelokkan/dihamburkan.

 

Gambar 7: peristiwa tumbukan elastik

Tumbukan  elastik  terjadi  bila  atom  yang  ditumbuk  neutron  mempunyai massa  yang  sama,  atau  hampir  sama  dengan  massa  neutron  (misalnya atom  Hidrogen),  sehingga  fraksi  energi  neutron  yang  terserap  oleh  atom tersebut cukup besar.

2.      Tumbukan tidak Elastik

Proses  tumbukan  tak  elastik  sebenarnya  sama  saja  dengan  tumbukan elastik,  tetapi  energi  kinetik  sebelum  dan  sesudah  tumbukan  berbeda.  Ini terjadi  bila  massa  atom  yang  ditumbuk  neutron  jauh  lebih  besar  dari massa  neutron.  Setelah  tumbukan,  atom  tersebut  tidak  terpental,  hanya bergetar, sedang neutronnya terhamburkan.

Gambar 8: peristiwa tumbukan tidak elastik

Dalam peristiwa ini, energi neutron yang diberikan ke atom yang ditumbuknya tidak terlalu besar sehingg setelah tumbukan, energi neutron tidak banyak berkurang. Oleh karena itu, bahan yang mengandung atom-atom dengan nomor atom besar tidak efektif sebagai penahan radiasi neutron.

3.      Reaksi Inti

Bila  energi  neutron  sudah  sangat  rendah  atau  sering  disebut  sebagai neutron  termal  (En  <  0,025  eV),  maka  kemungkinan  neutron  tersebut “ditangkap”   oleh   inti   atom   bahan   penyerap   akan   dominan   sehingga membentuk inti atom baru, yang biasanya merupakan inti atom yang tidak stabil.  Peristiwa  ini  yang  disebut  sebagai  proses  aktivasi  neutron,  yaitu mengubah  bahan  yang  stabil  menjadi  bahan  radioaktif.  Peristiwa  aktivasi neutron  ini  juga  dapat  disebabkan  oleh  neutron  cepat  meskipun  dengan probabilitas kejadian yang lebih rendah.

Selengkapnya......