Peluruhan radioaktif adalah kumpulan beragam proses di mana sebuah
inti atom yang tidak stabil memancarkan
partikel subatomik (
partikel radiasi). Peluruhan terjadi pada sebuah
nukleus induk dan menghasilkan sebuah
nukleus anak. Ini adalah sebuah proses
acak sehingga sulit untuk memprediksi peluruhan sebuah atom.
Satuan internasional (
SI) untuk pengukuran peluruhan radioaktif adalah
becquerel (Bq). Jika sebuah material radioaktif menghasilkan 1 buah kejadian peluruhan tiap 1 detik, maka dikatakan material tersebut mempunyai aktivitas 1 Bq. Karena biasanya sebuah sampel material radiaktif mengandung banyak atom,1 becquerel akan tampak sebagai tingkat aktivitas yang rendah; satuan yang biasa digunakan adalah dalam orde gigabecquerels.
Pendahuluan
Neutron dan
proton yang menyusun
inti atom, terlihat seperti halnya partikel-partikel lain, diatur oleh beberapa interaksi.
Gaya nuklir kuat, yang tidak teramati pada skala
makroskopik, merupakan gaya terkuat pada skala subatomik.
Hukum Coulomb atau
gaya elektrostatik juga mempunyai peranan yang berarti pada ukuran ini.
Gaya nuklir lemah sedikit berpengaruh pada interaksi ini.
Gaya gravitasi tidak berpengaruh pada proses nuklir.
Interaksi gaya-gaya ini pada inti atom terjadi dengan kompleksitas yang tinggi. Ada sifat yang dimiliki susunan partikel didalam inti atom, jika mereka sedikit saja bergeser dari posisinya, mereka dapat jatuh ke susunan
energi yang lebih rendah. Mungkin bisa sedikit digambarkan dengan menara
pasir yang kita buat di pantai: ketika
gesekan yang terjadi antar pasir mampu menopang ketinggian menara, sebuah gangguan yang berasal dari luar dapat melepaskan gaya gravitasi dan membuat tower itu runtuh.
Keruntuhan menara (
peluruhan) membutuhkan
energi aktivasi tertentu. Pada kasus menara pasir, energi ini datang dari luar sistem, bisa dalam bentuk ditendang atau digeser tangan. Pada kasus peluruhan inti atom, energi aktivasi sudah tersedia dari dalam. Partikel
mekanika kuantum tidak pernah dalam keadaan diam, mereka terus bergerak secara acak. Gerakan teratur pada partikel ini dapat membuat inti seketika tidak stabil. Hasil perubahan akan mempengaruhi susunan inti atom; sehingga hal ini termasuk dalam
reaksi nuklir, berlawanan dengan
reaksi kimia yang hanya melibatkan perubahan susunan
elektron diluar inti atom.
(Beberapa
reaksi nuklir melibatkan sumber energi yang berasal dari luar, dalam bentuk "tumbukkan" dengan partikel luar misalnya. Akan tetapi, reaksi semacam ini tidak dipertimbangkan sebagai peluruhan. Reaksi seperti ini biasanya akan dimasukan dalam
fisi nuklir/
fusi nuklir.
Radioaktivitas pertama kali ditemukan pada tahun 1896 oleh ilmuwan
Perancis Henri Becquerel ketika sedang bekerja dengan material
fosforen. Material semacam ini akan berpendar di tempat gelap setelah sebelumnya mendapat paparan cahaya, dan dia berfikir pendaran yang dihasilkan
tabung katoda oleh
sinar-X mungkin berhubungan dengan fosforesensi. Karenanya ia membungkus sebuah pelat foto dengan kertas hitam dan menempatkan beragam material fosforen diatasnya. Kesemuanya tidak menunjukkan hasil sampai ketika ia menggunakan
garam uranium. Terjadi bintik hitam pekat pada pelat foto ketika ia menggunakan garam uranium tesebut.
Tetapi kemudian menjadi jelas bahwa bintik hitam pada pelat bukan terjadi karena peristiwa fosforesensi, pada saat percobaan, material dijaga pada tempat yang gelap. Juga, garam uranium nonfosforen dan bahkan uranium metal dapat juga menimbulkan efek bintik hitam pada pelat.
Partikel Alfa tidak mampu menembus selembar kertas, partikel beta tidak mampu menembus pelat alumunium. Untuk menghentikan gamma diperlukan lapisan metal tebal, namun karena penyerapannya fungsi eksponensial akan ada sedikit bagian yang mungkin menembus pelat metal
Pada awalnya tampak bentuk radiasi yang baru ditemukan ini mirip dengan penemuan sinar-X. Akan tetapi, penelitian selanjutnya yang dilakukan oleh Becquerel,
Marie Curie,
Pierre Curie,
Ernest Rutherford dan ilmuwan lainnya menemukan bahwa radiaktivitas jauh lebih rumit ketimbang sinar-X. Beragam jenis peluruhan bisa terjadi.
Sebagai contoh, ditemukan bahwa
medan listrik atau
medan magnet dapat memecah emisi radiasi menjadi tiga sinar. Demi memudahkan penamaan, sinar-sinar tersebut diberi nama sesuai dengan
alfabet yunani yakni
alpha,
beta, dan
gamma, nama-nama tersebut masih bertahan hingga kini. Kemudian dari arah gaya elektromagnet, diketahui bahwa
sinar alfa mengandung muatan positif,
sinar beta bermuatan negatif, dan
sinar gamma bermuatan netral. Dari besarnya arah pantulan, juga diketahui bahwa partikel alfa jauh lebih berat ketimbang partikel beta. Dengan melewatkan sinar alfa melalui membran gelas tipis dan menjebaknya dalam sebuah
tabung lampu neon membuat para peneliti dapat mempelajari
spektrum emisi dari gas yang dihasilkan, dan membuktikan bahwa partikel alfa kenyataannya adalah sebuah inti atom
helium. Percobaan lainnya menunjukkan kemiripan antara radiasi beta dengan
sinar katoda serta kemiripan radiasi gamma dengan sinar-X.
Para peneliti ini juga menemukan bahwa banyak
unsur kimia lainnya yang mempunyai
isotop radioaktif. Radioaktivitas juga memandu Marie Curie untuk mengisolasi
radium dari
barium; dua buah unsur yang memiliki kemiripan sehingga sulit untuk dibedakan.
Bahaya radioaktivitas dari radiasi tidak serta merta diketahui. Efek akut dari radiasi pertama kali diamati oleh insinyur listrik Amerika
Elihu Thomson yang secara terus menerus mengarahkan sinar-X ke jari-jarinya pada 1896. Dia menerbitkan hasil pengamatannya terkait dengan efek bakar yang dihasilkan. Bisa dikatakan ia menemukan bidang ilmu
fisika medik (health physics); untungnya luka tersebut sembuh dikemudian hari.
Efek genetis radiasi baru diketahui jauh dikemudian hari. Pada tahun 1927
Hermann Joseph Muller menerbitkan penelitiannya yang menunjukkan efek genetis radiasi. Pada tahun 1947 dimendapat penghargaan
hadiah Nobel untuk penemuannya ini.
Sebelum efek biologi radiasi diketahui, banyak perusahan kesehatan yang memasarkan
obat paten yang mengandung bahan radioaktif; salah satunya adalah penggunaan radium pada perawatan
enema.
Marie Curie menentang jenis perawatan ini, ia memperingatkan efek radiasai pada tubuh manusia belum benar-benar diketahui (Curie dikemudian hari meninggal akibat Anemia Aplastik, yang hampir dipastikan akibat lamanya ia terpapar Radium). Pada tahun 1930-an produk pengobatan yang mengandung bahan radioaktif tidak ada lagi dipasaran bebas.
[sunting] Mode Peluruhan
Sebuah inti radioaktif dapat melakukan sejumlah reaksi peluruhan yang berbeda. Reraksi-reaksi tersebut disarikan dalam tabel berikut ini. Sebuah inti atom dengan muatan (nomor atom)
Z dan berat atom
A ditampilkan dengan (
A,
Z).
| Mode peluruhan | Partikel yang terlibat | Inti anak |
| Peluruhan dengan emisi nukleon: |
| Peluruhan alfa | Sebuah partikel alfa (A=4, Z=2) dipancarkan dari inti | (A-4, Z-2) |
| Emisi proton | Sebuah proton dilepaskan dari inti | (A-1, Z-1) |
| Emisi neutron | Sebuah neutron dilepaskan dari inti | (A-1, Z) |
| Fisi spontan | Sebuah inti terpecah menjadi dua atau lebih atom dengan inti yang lebih kecil disertai dengan pemancaran partikel lainnya | - |
| Peluruhan cluster | Inti atom memancarkan inti lain yang lebih kecil tertentu (A1, Z1) yang lebih besar daripada partikel alfa | (A-A1, Z-Z1) + (A1,Z1) |
| Berbagai peluruhan beta: |
| Peluruhan beta | Sebuah inti memancarkan
elektron dan sebuah antineutrino || (A, Z+1) |
| Emisi positron | Sebuah inti memancarkan positron dan sebuah neutrino | (A, Z-1) |
| Tangkapan elektron | Sebuah inti menangkap elektron yang mengorbit dan memancarkan sebuah neutrino | (A, Z-1) |
| Peluruhan beta ganda | Sebuah inti memancarkan dua elektron dan dua antineutrinos | (A, Z+2) |
| Tangkapan elektron ganda | Sebuah inti menyerap dua elektron yang mengorbit dan memancarkan dua neutrino | (A, Z-2) |
| Tangkapan elektron dengan emisi positron | Sebuah inti menangkap satu elektron yang mengorbit memancarkan satu positron dan dua neutrino | (A, Z-2) |
| Emisi positron ganda | Sebuah inti memancarkan dua positrons dan dua neutrino | (A, Z-2) |
| Transisi antar dua keadaan pada inti yang sama: |
| Peluruhan gamma | Sebuah inti yang tereksitasi melepaskan sebuah foton energi tinggi (sinar gamma) | (A, Z) |
| Konversi internal | Inti yang tereksitasi mengirim energinya pada sebuah elektron orbital dan melepaskannya | (A, Z) |
Peluruhan radioaktif berakibat pada pengurangan
massa, dimana menurut
hukum relativitas khusus massa yang hilang diubah menjadi energi (
pelepasan energi) sesuai dengan persamaan
E = mc2. Energi ini dilepaskan dalam bentuk energi kinetik dari partikel yang dipancarkan.
[sunting] Rantai peluruhan dan mode peluruhan ganda
Banyak inti radioaktif yang mempunyai mode peluruhan berbeda. Sebagai contoh adalah
Bismuth-212, yang mempunyai tiga.
Inti anak yang dihasilkan dari proses peluruhan biasanya juga tidak stabil, kadang lebih tidak stabil dari induknya. Bila kasus ini terjadi, inti anak tadi akan meluruh lagi. Proses kejadian peluruhan berurutan yang menghasilkan hasil akhir inti stabil, disebut
rantai peluruhan.
[sunting] Keberadaan dan penerapan
Menurut teori
Big Bang, isotop radioaktif dari unsur teringan (
H,
He, dan
Li) dihasilkan tidak berapa lama seteleah alam semesta terbentuk. Tetapi, inti-inti ini sangat tidak stabil sehingga tidak ada dari ketiganya yang masih ada saat ini. Karenanya sebagian besar inti radioaktif yang ada saat ini relatif berumur muda, yang terbentuk di
bintang (khususnya
supernova) dan selama interaksi antara isotop stabil dan partikel berenergi. Sebagai contoh,
karbon-14, inti radioaktif yang mempunyai umur-paruh hanya 5730 tahun, secara terus menerus terbentuk di atmosfer atas bumi akibat interaksi antara sinar kosmik dan
Nitrogen.
Peluruhan radioaktif telah digunakan dalam teknik
perunut radioaktif, yang digunakan untuk mengikuti perjalanan subtansi kimia di dalam sebuah sistem yang kompleks (seperti
organisme hidup misalnya). Sebuah sampel dibuat dengan atom tidak stsbil konsentrasi tinggi. Keberadaan substansi di satu atau lebih bagian sistem diketahui dengan mendeteksi lokasi terjadinya peluruhan.
Dengan dasar bahwa proses peluruhan radioaktif adalah proses
acak (bukan proses
chaos), proses peluruhan telah digunakan dalam
perangkat keras pembangkit bilangan-acak yang merupakan perangkat dalam meperkirakan umur absolutmaterial geologis dan bahan organik.
[sunting] Laju peluruhan radioaktif
Laju peluruhan, atau
aktivitas, dari material radioaktif ditentukan oleh:
Konstanta:
- Waktu paruh - simbol t1 / 2 - waktu yang diperlukan sebuah material radioaktif untuk meluruh menjadi setengah bagian dari sebelumnya.
- Rerata waktu hidup - simbol Ï„ - rerata waktu hidup (umur hidup) sebuah material radioaktif.
- Konstanta peluruhan - simbol λ - konstanta peluruhan berbanding terbalik dengan waktu hidup (umur hidup).
-
- (Perlu dicatat meskipun konstanta, mereka terkait dengan perilaku yang secara statistik acak, dan prediksi menggunakan kontanta ini menjadi berkurang keakuratannya untuk material dalam jumlah kecil. Tetapi, peluruhan radioaktif yang digunakan dalam teknik penanggalan sangat handal. Teknik ini merupakan salah satu pertaruhan yang aman dalam ilmu pengetahuan sebagaimana yang disampaikan oleh [1])
Variabel:
- Aktivitas total - simbol A - jumlah peluruhan tiap detik.
- Aktivitas khusus - simbol SA - jumlah peluruhan tiap detik per jumlah substansi. "Jumlah substansi" dapat berupa satuan massa atau volume.)
Persamaan:
-
- dimana
adalah jumlah awal material aktif.
[sunting] Pengukuran aktivitas
Satuan aktivitas adalah:
becquerel (simbol
Bq) = jumah disintegrasi (pelepasan)per detik ;
curie (Ci) =
disintegrasi per detik; dan disintegrasi per menit (dpm).
[sunting] Waktu peluruhan
Sebagaimana yang disampaikan di atas, peluruhan dari inti tidak stabil merupakan proses acak dan tidak mungkin untuk memperkirakan kapan sebuah atom tertentu akan meluruh, melainkan ia dapat meluruh sewaktu waktu. Karenanya, untuk sebuah sampel radioisotop tertentu, jumlah kejadian peluruhan –
dN yang akan terjadi pada selang (interval) waktu
dt adalah sebanding dengan jumlah atom yang ada sekarang. Jika
N adalah jumlah atom, maka kemungkinan (probabilitas) peluruhan (–
dN/
N) sebanding dengan
dt:
Masing-masing inti radioaktif meluruh dengan laju yang berbeda, masing-masing mempunyai konstanta peluruhan sendiri (
λ). Tanda negatif pada persamaan menunjukkan bahwa jumlah N berkurang seiring dengan peluruhan. Penyelesaian dari
persamaan diferensial orde 1 ini adalah
fungsi berikut:
Fungsi di atas menggambarkan
peluruhan exponensial, yang merupakan penyelesaian pendekatan atas dasar dua alasan. Pertama,
fungsi exponensial merupakan
fungsi berlanjut, tetapi kuantitas fisik
N hanya dapat bernilai
bilangan bulat positif. Alasan kedua, karena persamaan ini penggambaran dari sebuah proses acak, hanya benar secara statistik. Akan tetapi juga, dalam banyak kasus, nilai
N sangat besar sehingga fungsi ini merupakan pendekatan yang baik.
Selain konstanta peluruhan, peluruhan radioaktif sebuah material biasanya juga dicirikan oleh
rerata waktu hidup. Masing-masing atom "hidup" untuk batas waktu tertentu sebelum ia meluruh, dan rerata waktu hidup adalah
rerata aritmatika dari keseluruhan waktu hidup atom-atom material tersebut. Rerata waktu hidup disimbolkan dengan
Ï„, dan mempunyai hubungan dengan konstanta peluruhan sebagai berikut:
Parameter yang lebih biasa digunakan adalah
waktu paruh. Waktu paruh adalah waktu yang diperlukan sebuah inti radioatif untuk meluruh menjadi separuh bagian dari sebelumnya. Hubungan waktu paruh dengan konstanta peluruhan adalah sebagai berikut:
Hubungan waktu paruh dengan konstanta peluruhan menunjukkan bahwa material dengan tingkat radioaktif yang tinggi akan cepat habis, sedang materi dengan dengan tingkat radiasi rendah akan lama habisnya. Waktu paruh inti radioaktif sangat bervariasi, dari mulai
1024 tahun untuk inti hampir stabil, sampai
10-6 detik untuk yang sangat tidak stabil.
