Radioaktivitas dan Kestabilan Inti

Radioaktivitas dan Kestabilan Inti – Kestabilan inti atom dapat ditinjau dari aspek kinetika dan energitika. Kestabilan secara energitika ditinjau dari aspek energi nukleosintesis dihubungkan dengan energi komponen penyusunnya (proton dan neutron), disebut energi ikat inti. Kestabilan secara kinetika ditinjau berdasarkan kebolehjadian inti meluruh membentuk inti yang lain, disebut peluruhan radioaktif.

1. Ciri-Ciri Inti Stabil dan Tidak Stabil

Untuk mengetahui ciri-ciri inti yang stabil dan inti yang tidak stabil dapat ditinjau dari perbandingan antarpartikel yang terkandung di dalam inti atom, yaitu perbandingan neutron terhadap proton (N/Z). Selain nuklida ₁H, semua nuklida atom memiliki proton dan neutron. Suatu nuklida dinyatakan stabil jika memiliki perbandingan neutron terhadap proton lebih besar atau sama dengan satu (N/Z > 1). Untuk nuklida ringan (Z < 20), perbandingan N/Z < 1. Untuk nuklida dengan Z > 20, perbandingan N/Z >1. Perbandingan N/Z untuk beberapa nuklida yang stabil ditunjukkan pada tabel berikut.

Tabel 5.1 Beberapa Nuklida yang Stabil

Nuklida	2H	20Ne	40Ca	64 n	90Sn	120Nd	202Hg
Z	1	10	20	30	40	50	80
N	1	10	20	34	50	70	122
N/Z	1	1	1	1,13	1,25	1,50	1,50

Berdasarkan tabel tersebut, tampak bahwa nilai N/Z berubah sebagai fungsi Z. Hubungan proton dan neutron dapat diungkapkan dalam bentuk grafik yang disebut grafik pita kestabilan.

Gambar 5.1 Grafik pita kestabilan Nuklida stabil ditunjukkan oleh titik hitam yang berkerumun membentang seperti pita sehingga disebut pita kestabilan. Di luar pita kestabilan tergolong radioaktif.

Dengan bertambahnya jumlah proton (Z), perbandingan neutron proton meningkat hingga 1,5. Kenaikan angka banding N/Z diyakini akibat meningkatnya tolakan muatan positif dari proton. Untuk mengurangi tolakan antar proton diperlukan neutron yang berlebih. Nuklida di luar pita kestabilan umumnya bersifat radioaktif atau nuklida tidak stabil. Nuklida yang terletak di atas pita kestabilan adalah nuklida yang memiliki neutron berlebih. Untuk mencapai keadaan inti yang stabil, nuklida ini mengubah neutron menjadi proton dan partikel beta.

Nuklida yang terletak di bawah pita kestabilan adalah nuklida yang miskin neutron. Untuk mencapai keadaan yang stabil, dilakukan dengan cara memancarkan positron atau penangkapan elektron (electron capture) pada kulit K menjadi neutron. Nuklida yang terletak di atas pita kestabilan dengan nomor atom (jumlah proton) lebih dari 83 adalah nuklida yang memiliki neutron dan proton melimpah. Untuk mencapai keadaan stabil, nuklida ini melepaskan sejumlah partikel alfa (inti atom He).

Contoh Meramalkan Kestabilan Inti

Ramalkan apakah nuklida ₇N¹³ stabil atau tidak. Jika tidak, bagaimana untuk mencapai stabil?
Jawab
Kestabilan inti dapat dilihat dari angka banding N/Z. Untuk inti dengan jumlah proton
(Z) 20, angka banding N/Z= 1.

Angka banding N/Z untuk ₇N¹³ =6/7 = 0,86 lebih kecil dari 1 sehingga tidak stabil. Oleh karena nuklida N berada di bawah pita kestabilan ( 1) maka untuk mencapai stabil dilakukan dengan cara memancarkan positron atau penangkapan elektron kulit K.

2. Peluruhan Radioaktif

Peluruhan radioaktif adalah peristiwa spontan emisi beberapa partikel dan radiasi elektromagnetik dari suatu inti atom tidak stabil menuju inti yang stabil. Peluruhan radioaktif diketahui merupakan suatu peristiwa eksoergik (pelepasan energi). Pada proses peluruhan inti berlaku Hukum Kekekalan Energi, Momentum, Massa, dan Muatan.

a. Persamaan Peluruhan Inti

Persamaan peluruhan inti ditulis seperti halnya persamaan reaksi kimia. Contoh peluruhan radioaktif 238U disertai pelepasan partikel alfa dapat ditulis sebagai berikut.

^₉₂U238 → ₉₀ Th²³⁴ +₂He⁴

Pada persamaan ini, hanya inti yang berubah yang dituliskan. Tidak perlu menuliskan senyawa kimia atau muatan elektron untuk setiap senyawa radioaktif yang terlibat sebab lingkungan kimia tidak memiliki pengaruh terhadap perubahan inti.

Gambar 5.3 Deret peluruhan radioaktif: ₂₃₈U→ ₂₀₆Pb

Pereaksi dan produk yang terlibat dalam peluruhan inti ditulis menurut simbol nuklidanya. Simbol untuk partikel yang terlibat dalam peluruhan inti adalah sebagai berikut.
Tabel 5.2 Simbol Partikel yang Terlibat dalam Peluruhan Inti

Proton	Neutron	Beta	Positron	Gamma
1p1	0n1	-1e0 atau -1β0	1e0 atau 1β0	0ϒ0

Contoh Menuliskan Persamaan Peluruhan Inti

Tuliskan persamaan transmutasi inti untuk peluruhan radioaktif radium–226 disertai pancaran partikel alfa membentuk radon–222.

Jawab
Nomor atom radium 88 dan radon 86. Jadi, simbol kedua nuklida adalah
₈₈ Ra²²⁶ dan Persamaan transmutasi intinya:
^{₈₈ Ra226}→ ₈₆ Rn²²²+ ₂He⁴

b. Jenis Peluruhan Radioaktif

Peluruhan radioaktif dapat digolongkan ke dalam tiga jenis peluruhan, yaitu peluruhan alfa, peluruhan beta (β –, β + atau positron, atau penangkapan elektron), dan peluruhan gamma. Secara umum ditunjukkan pada Tabel 5.3.
Tabel 5.3 Jenis Peluruhan Radioaktif

Jenis peluruhan	Radiasi	Perubahan Setara	Perubahan Inti
			No. Atom	No. Massa
Emisi alfa (α)	2He4	-	–2	–4
Emisi beta (β)	-1e0	0n1 à 1p1 + -1e0	+1	0
Emisi positron (β+)	1e0	1p1 à 0n1 + 1e0	–1	0
Penangkapan elektron	Sirnar-X	1p1 + -1e0 à 0n1	–1	0
Emisi gamma (ϒ)	0ϒ0	-	0	0

1. Emisi alfa adalah emisi nuklida ₂He⁴ atau partikel alfa dari inti tidak stabil.
Misalnya, pada peluruhan radioaktif ₂₂₆Ra.
₈₈ Ra²²⁶ ⎯⎯→ ₈₆ Rn ²²² + ₂He⁴
Nuklida yang memiliki nomor atom di atas 83 akan memancarkan partikel alfa.

2. Emisi beta (β-) adalah emisi elektron berkecepatan tinggi dari inti tidak stabil. Emisi beta sama dengan perubahan neutron menjadi proton. Persamaannya:
₀ n¹ → ₁ p¹ + _-1e⁰
Nuklida di atas pita kestabilan akan memancarkan partikel beta.

3. Emisi positron (β+) adalah emisi sejenis elektron yang bermuatan positif. Emisi positron setara dengan perubahan proton menjadi neutron.
₁p¹ → ₀ n¹ + ₁ e⁰
Emisi positron terjadi pada nuklida yang berada di bawah pita kestabilan.

4. Penangkapan elektron ( electron capture) adalah peluruhan inti dengan menangkap elektron dari orbital yang terdekat ke inti, yaitu kulit K. Dalam hal ini, proton diubah menjadi neutron.
₁ p¹ + _-1e⁰ → ₀ n¹

5. Emisi gamma (ϒ) dihasilkan dari nuklida yang tereksitasi setelah menjalani peluruhan. Peluruhan radioaktif menghasilkan nuklida pada keadaan tereksitasi yang tidak stabil. Untuk mencapai keadaan stabil dilakukan dengan cara mengemisikan energi dalam bentuk radiasi gamma. Contohnya:
₄₃Tc^99m → ₄₃Tc⁹⁹ + ₀γ⁰

Gambar 5.5 Radiasi α, β, ϒ dalam medan Magnet

Contoh Meramalkan Jenis Peluruhan Radioaktif
Gunakan pita kestabilan untuk meramalkan peluruhan radioaktif dan tuliskan persamaan transmutasi intinya:
a. ₄₇Ca
b. ₂₅Al

Jawab
a. Nuklida ₄₇Ca memiliki 20 proton dan 27 neutron. Oleh karena nilai N/Z < 1 (di bawah pita kestabilan) maka akan terjadi emisi beta.
b. Nuklida ₂₅Al memiliki 13 proton dan 12 neutron. Oleh karena nilai N/Z 1 (di bawah pita kestabilan) maka akan terjadi emisi positron atau penangkapan elektron. Persamaan transmutasi intinya:
₁₃Al²⁵→ 13Al + 1 e (emisi positron)
atau
₁₃Al²⁵ + ₋₁e⁰ → ₁₂Mg²⁵ (penangkapan elektron)

3. Nukleosintesis dan Energi Ikat Inti
Nukleosintesis adalah pembentukan inti atom atau nuklida dari partikel-partikel penyusunnya (proton dan neutron). Energi yang terlibat dalam nukleosintesis dinamakan energi ikat inti ( i). Lihat Gambar 5.6.

Gambar 5.6 Kehilangan massa diubah menjadi energi yang digunakan untuk mengikat nukleon membentuk satu kesatuan di dalam inti.

Menurut aspek energitika, suatu inti atom stabil jika memiliki energi ikat inti besar. Dengan kata lain, makin besar energi ikat inti, makin stabil inti atom tersebut. Energi ikat inti, Ei didefinisikan sebagai selisih energi antara energi nuklida hasil sintesis dengan energi nukleon penyusunnya. Contoh, nuklida ₄He disintesis dari 2 proton dan 2 neutron.

2 ₁p¹ + 2 ₀n¹→ ₂He⁴

Δ Enukelosintesis = Ei = Enuklida He – E(2p + 2n)

Bagaimana mengukur perubahan energi inti tersebut? Menurut Einstein, perubahan energi inti dapat ditentukan secara langsung dari perubahan massa nukleon, sebab perubahan massa selalu disertai perubahan energi sesuai persamaan:

E = m c² atau ΔE = c² Δm

Keterangan:
c = kecepatan cahaya (3×108 m s^–1)
Δm = perubahan massa (kg)

Satuan yang digunakan untuk energi ikat inti adalah Mega elektron volt (MeV). Satu Mega elektron volt (1 MeV) sama dengan 1,062 × 10^–13 Joule, atau 1 MeV = 1,062 × 10^–13 Joule
Hubungan satuan energi ikat inti dan massa partikel subinti dalam satuan sma adalah 1 sma = 931,5 MeV

Contoh Menentukan Perubahan Energi Inti
Hitung perubahan energi pada pembentukan nuklida helium (partikel alfa) berikut.
2 ₀n¹ + 2 ₁p¹ → ₂He⁴
a. dalam satuan MeV
b. dalam satuan Joule

Jawab
a. Energi ikatan inti dalam satuan Me
Perubahan massa pada pembentukan He:
Δm= mHe – 2(m_n + m_p)
Δm={4,00150 – 2(1,00867 + 1,00728)} sma
Δm= – 0,0304 sma
Ei = (– 0,0304 sma) (931,5 MeV sma–1)
Ei = – 28,3176 MeV

b. Energi ikat inti dalam satuan Joule
1 MeV = 1,062 × 10^–13 J
Ei = –28,3176 MeV × 1,062 × 10^–13 J MeV^–1
Ei = –3,007 × 10^–12 J

Jadi, pada pembentukan nuklida He dilepaskan energi sebesar 28,3176 MeV atau 3,007 × 10^–12 J.

Kekurangan massa pada pembentukan nuklida helium (Contoh Soal 5.4 di atas) disebabkan telah diubah menjadi energi yang digunakan untuk mengikat partikel subinti agar tidak pecah. Oleh karena itu, makin besar energi ikat inti makin stabil inti tersebut.

Energi ikat per nukleon bervariasi bergantung pada nomor atom unsur-unsur stabil. Energi ikat rata-rata maksimum sekitar 8,8 MeV dimiliki oleh atom Fe dan Ni, seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 5.7 Grafik Energi ikat nukleon terhadap nomor massa

contoh Menghitung Energi Ikat Inti

Hitung energi ikat ₂₃₅U jika massa nuklidanya sebesar 235,034 sma.

Jawab
Nuklida ₂₃₅U mengandung 92 proton dan 143 neutron. Massa nukleon penyusun ₂₃₅U adalah
92 × 1,00728 sma = 92,6698 sma
143 × 1,00867 sma = 144,2398 sma
Total massa = 236,9096 sma
Kekurangan massa dari nuklida ini adalah
Massa nukleon = 236,9096 sma
Massa nuklida = 235,0349 sma
Kekurangan massa = 1,8756 sma
Energi ikat inti ₂₃₅U per nuklida adalah
Ei = 1,8756 sma × 931,5 MeV sma^–1
Ei= 1747,1214 MeV

• Tweet
• Share
• Share
• Share
• Share