Sabtu, 28 April 2012

Materi Fisika Radiasi


SINAR X

DEFINISI dan SEJARAH
Sinar X adalah salah satu radiasi gelombang elektromagnetik buatan yang memiliki panjang gelombang sangat pendek 10-7m s/d 10–9 m sehingga memiliki daya tembus yang tinggi terhadap material yang dilaluinya.
Radiasi dibagi menjadi 2 jenis :
1. Radiasi Pengion
2. Radiasi Non Pengion
• Pada tahun 1895, Roentgen (Wilhelm Conrad Roentgen, Jerman, 1845-1923), seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wuerzburg di Jerman melakukan penelitian tabung sinar katoda. Ia membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran fotoluminesensi dari dalam tabung ke luar. Lalu ia membuat ruang penelitian menjadi gelap. Pada saat membangkitkan sinar katoda, ia mengamati sesuatu yang di luar dugaan.
Pelat fotoluminesensi yang ada di atas meja mulai berpendar di dalam kegelapan. Walaupun dijauhkan dari tabung, pelat tersebut tetap berpendar. Dijauhkan sampai lebih 1 m dari tabung, pelat masih tetap berpendar. Roentgen berpikir pasti ada jenis radiasi baru yang belum diketahui terjadi di dalam tabung sinar katoda dan membuat pelat fotoluminesensi berpendar. Radiasi ini disebut sinar-X yang maksudnya adalah radiasi yang belum diketahui.
Tahun 1895 itu Roentgen melakukan penelitian sinar-X untuk mengetahui sifat-sifatnya. Berikut ini adalah sifat-sifat sinar-X:
• Sinar-X dipancarkan dari tempat yang paling kuat tersinari oleh sinar katoda.
• Intensitas cahaya yang dihasilkan pelat fotoluminesensi, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik terjadinya sinar-X dengan pelat fotoluminesensi. Meskipun pelat dijauhkan sekitar 2 m, cahaya masih dapat terdeteksi.
• Sinar-X dapat menembus buku 1000 halaman tetapi hampir seluruhnya terserap oleh timbal setebal 1,5 mm.
• Pelat fotografi sensitif terhadap sinar-X.
• Ketika tangan terpapari sinar-X di atas pelat fotografi, maka akan tergambar foto tulang tersebut pada pelat fotografi. Skema peralatan ditampilkan pada Gambar 2. Foto tulang tangan yang diambil pada saat itu ditampilkan pada Gambar 3.
• Lintasan sinar-X tidak dibelokkan oleh medan magnet (daya tembus dan lintasan yang tidak terbelokkan oleh medan magnet merupakan sifat yang membuat sinar-X berbeda dengan sinar katoda).
SPEKTRUM GELOMBANG

SIFAT SIFAT SINAR X

1. Daya tembus
Sinar X dapat menembus bahan atau massa yang padat
2. Penyebaran
Apabila berkas sinar x melalui suatu bahan atau suatu zat, maka berkas sinar
tersebut akan bertebaran keseluruh arah, menimbulkan radiasi sekunder(radiasi hambur) pada bahan atau zat yang dilalui
3.
Penyerapan ( Absorbtion )
Sinar x dalam radiografi diserap oleh bahan atau zat sesuai dengan berat atom atau kepadatan bahan atau zat tersebut.
4. Fluoresensi
Sinar x menyebabkan bahan-bahan tertentu seperti kalsium tungstat atau zink sulfide memendarkan cahaya (luminisensi).
5. Ionisasi
Sinar x apabila mengenai suatu bahan atau zat dapat menimbulkan ionisasi partikel-partikel atau zat tersebut
6. Efek Biologi
Sinar x akan menimbulkan perubahan-perubahan biologi pada jaringan. Efek biologi ini yang dipergunakan dalam pengobatan radioterapi
7. Fotografi
Sinar X dapat menghitamkan film
PROSES PEMBANGKITAN SINAR X
Syarat syarat terjadinya sinar X :
• Adanya emisi elektron yang didapat dari pemanasan filament
• Beda potensial yang tinggi.
• Focusing Cup,untuk mengarahkan arah laju elektron
• Ada target, material khusus untuk tumbukan elektron
• Lintasan elektron Hampa Udara

Penjelasan Singkat
• Filament pada katoda dipanaskan sehingga terbentuk emisi elektron.Saat tegangan tinggi di alirkan pada kutub anoda dan katoda,maka elektron akan bergerak ke arah anoda dan menumbuk target.Hasil tumbukan ini mengakibatkan terjadinya beberapa reaksi sehingga 99% energi dikonversi menjadi panas dan 1% menjadi sinar X.
• Laju elektron diarahkan dengan focusing cup
• Lintasan elektron harus hampa udara
1. Pemanasan Filament
Pemanasan filament akan menghasilkan emisi elektron.Arus pemanasan filament (Ih) biasanya berkisar 2A – 9A
2. Tegangan Tinggi (KV)
Tegangan tinggi pada anoda (+) dan katoda (-) berkisar antara 40KV-150 KV.Tegangan ini berfungsi untuk menarik elktron dari katoda ke anoda.
3. Rotary anoda
Saat elektron akan menumbuk target pada anoda, anoda berotasi untuk memberikan spot / titik tumbuk yang merata.
4.Tabung sinar X harus hampa udara,agar elektron bisa melintas dari katoda menuju anoda
5. Karena 99% energi hasil tumbukan elektron diubah menjadi panas,maka tabung X Ray dilapisi dengan gelas envelope dan oli pendingin untuk sirkulasi panas dan isolasi terhadap tegangan tinggi yang ada pada anoda dan katoda.
Interaksi Materi
Saat elektron bertumbukan dengan material khusus pada target,akan terjadi proses yang menghasilkan radiasi:
1. Proses eksitasi
2. Proses Bremstrahlung
Proses Eksitasi
• Proses eksitasi adalah proses berpindahnya elektron ke kulit yang lebih luar, proses ini akan diikuti oleh proses de-eksitasi yaitu berpindahnya elektron dari kulit yang lebih luar mengisi posisi kosong yang ditinggalkan elektron tersebut.
• Pada proses de-ekitasi ini akan diikuti dengan memancarkan radiasi sinar-x karakteristik
Proses Bremsstrahlung
• Apabila elektron yang bergerak mengenai suatu atom,maka secara tiba2 laju elektron diperlambat secara drastis oleh atom tersebut sehingga mengubah arah lajunya.Saat proses perlambatan ini,elektron melepaskan energi berupa sinar X Bremstrahlung
• Makin besar nomor atom bahan penyerap akan menghasilkan fraksi sinar-x bremsstrahlung yang lebih besar
PARAMETER UTAMA DALAM PROSES PEMBANGKITAN X RAY
Tegangan Tabung (kV)
• Mempercepat elektron menuju katoda.
• Semakin tinggi tegangan yang diberikan akan semakin tinggi daya tembus sinar-x terhadap objek.
Arus Tabung
• Filamen (katoda) adalah sebagai sumber emisi elektron yang dipengaruhi oleh besarnya arus filamen (Ih) yang diberikan, makin tinggi arus maka jumlah elektron akan semakin banyak pula.
• Intensitas sinar-x yang dihasilkan akan berbanding lurus dengan jumlah elektron yang menumbur target per detik.
• Intensitas sinar-x yang dihasilkan berbanding lurus dengan besarnya arus tabung (mA)
Material Target (anoda)
• Material pembentuk target (anoda) akan sangat mempengaruhi jumlah sinar-x per unit yang dihasilkan
• Material juga akan mepengaruhi sinar-x type mana yang akan dihasilkan (karakteristik atau bremsstrahlung)
Diposkan oleh Erwin Candra A.P di 16:59
Wednesday, 1 February 2012
1.5  TEORI  KWANTUM RADIASI
Hukum klasik menyatakan besarnya tenaga radiasi sebagai fungsi dari pada frekwensi dan suhu mutlaknya.
Besarnya tenaga radiasi persatuan frekwensi persatuan volume didalam medan radiasi telah dihitung oleh Rayleigh – Jeans (1900)  , dan  untuk frekwensi tinggi oleh Wien ( 1896 ). Kedua hukum ini menunujukkan adanya sifat diskontinu dari tenaga radiasi untuk frekwensi menengah, dimana besarnya tenaga menjadi tak hingga . Dilemma ini dipecahkan oleh Max Planck ( 1901 ) dengan menurunkan suatu rumus interpolasi terhadap hukum Rayleigh-Jeans dan Wien.
Menurut Max Planck didalam penyerapan maupun dalam pancaran radiasi oleh benda hitam , jumlah tenaga selalu bersifat diskrit dan harganya selalu merupakan kelipatan bulat dari kwanta tenaga tertentu.Kwanta-kwanta tenaga tersebut tergantung pada frekwensi radiasi dan besarnya dinyatakan dengan :
                                                              E  =  h f
Dimana : h = 6,625 x 10 -34 joule.sekon = 6,625 x 10 –27 erg.sekon
Dengan gagasan Planck ini , mulailah terjadi perubahan pola pikir dalam fisika dengan berpedoman pada sifat kwantisasi dari tenaga, dan dari hubungan panjang gelombang l (lamda) , frekwensi ( f ) dan kecepatan rambat gelombang c , sehingga rumus dapat ditulis menjadi :
           h c
                                                                           E  = ---------
         l
dengan memasukkan harga-harga :   h  = 6,625 x 10 –27 erg.sekon
                                                            c = 3 x 1010 cm/sekon,
maka tenaga kwanta dalam erg adalah :
                                                           6,625 x 10 –27  x   3 . 1010     erg.cm
                                                         E ( erg ) = ----------------------------------------------
l        ( cm )

                                                                  1,99  x 10-16
                                                       =    -----------------------   erg
                                                                           l
misalnya sinar gamma dengan l = 10-10 cm , akan memiliki tenaga dalam setiap kwanta sebesar 1,99 x 10-6 erg.
Dalam teori  atom , satuan tenaga dinyatakan dengan elektronvolt yang disingkat dengan ev.
Satu elektronvolt didefenisikan sebagai besarnya tenaga yang dimiliki oleh sebuah benda yang muatannya sebesar muatan elektron , jika kepadanya diberikan tegangan listrik sebesar 1 volt.
1 ev = 1,6 x 10-19 Joule = 1,6 x 10-12 erg.
Dengan ini rumus E (tenaga ) menjadi :
                                                                    1,99 x 10-16                 1,24 x 10-4
                                                     E ( ev ) = -------------------  =     ------------------
                                                                     1,6  x 10-12  l                       l( cm)
Bila tenaga dinyatakan dalam  Mega-elektronvolt ( Mev ) dan panjang gelombang dalam nanometer, dimana 
                        1 Mev =  106  ev
                         1 nm   = 10-9 m = 10 –7 cm
maka akan kita dapatkan rumus :
                                                               1240
                                                  E  =  -----------   x  10 –6
                                                               l( nm)
Didalam perkembangannya , teori kwantum radiasi dari Planck mendapat  kesulitan dalam menerangkan beberapa peristiwa , yaitu :
a.       Pancaran sinar x  :
Sinar ini sebagai suatu radiasi dapat mengionisasi atom-atom atau molekul-molekul      gas yang dilaluinya , yang berarti sinar x  dapat melepaskan elektron dari atomnya.
b.      Efek foto listrik :
Suatu berkas sinar yang jatuh pada sebuah permukaan logam dapat mengeluarkan elektron-elektron dari permukaan logam . Disini terlihat bahwa gelombang radiasi sinar x dapat mempunyai interaksi dengan materi.
c.       Efek Compton
Peristiwa ini menunjukkan adanya interaksi sinar x dengan inti atom ringan , dimana sebuah berkas sinar –x  yang menumbuk sebuah inti atom didalam rambatannya akan terhambur dengan mengalami perubahan panjang gelombang.
Disini Comptom memandangnya sebagai suatu peristiwa tumbukan elastis antara dua benda yang mempunyai massa sama , yaitu sebesar massa dari inti atom yang ditumbuk oleh sinar.x  Dengan menggunakan hukum kekekalan  momentum dan hukum kekekalan tenaga untuk peristiwa ini , Compton dapat menghitung besarnya perubahan panjang gelombang yang dialami oleh sinar x tersebut , 


 


…………………………………………………………..
                       h
l  - l0   = ----------- ( 1 – cos j )
                     m0 c
Pada tahun 1905  Albert Einstein mengatasi kesulitan  untuk menerangkan peristiwa-peristiwa diatas berdasarkan efek foto listrik. Tenaga radiasi mempunyai sifat terkwantisasi dalam penyerapan , pemancaran dan juga dalam perambatannya.
Jadi Einstein lebih menekankan bahwa radiasi memiliki sesuatu butiran ( photon ) tenaga yang besarnya adalah seperti pada rumus :
                                            E  = h f ,
oleh karena itu teori ini dikenal sebagai teori photon dari Einstein.
Didalam efek photo listrik , berkas sinar yang jatuh pada permukaan logam akan memiliki tenaga sebesar  h.f  dan tenaga ini diubah untuk mengeluarkan elektron-elektron dari permukaan logam
Persamaan yang diturunkan oleh Einstein  untuk          efek foto listrik adalah :

H f    = 2 mV 2   +  e F

Dimana :
h.f     = tenaga photon yang datang.
2 mV 2  = tenaga kinetis elektron-elektron
 e F   = work function dari elektron.
1.6  Partikel dan gelomban
Dengan adanya teori kwantum Planck dan teori photon Einsteins , maka timbul dualisme dalam sifat-sifat radiasi seperti apa yang dikenal dalam teori klasik mengenai cahaya , teori gelombang  dari Huygens dan teori korpuskel dari-pada Newton. Radiasi merupakan kwanta-kwanta tenaga, kalau kita lihat dari peristiwa pancaran , rambatan , penyerapan , difraksi dan interferensi..Pada peristiwa photo listrik , pancaran sinar x dan efek Compton , harus ditinjau radiasi sebagai photon-photon tenaga dengan sifat-sifat sebagai partikel.
Dualisme sifat radiasi ini membawa para ahli fisika kepada pemikiran bahwa sifat ini tentu juga berlaku bagi partikel., dan pada tahun 1923 Louis de Broglie mengambil kesimpulan bahwa dualisme merupakan sifat alam yang pokok. Dengan menggunakan teori kwantum dan teori reletivitas , Louis de Broglie menurunkan rumus sebagai berikut :
                                              H f  =  m c2
Karena  c = f l    maka  : 
                                              h.c
                                             -----  =   mc2
                                              l
sehingga diperoleh :      
                                               h
                                              ---  =   m.c
                                               l
Dengan demikian sesuatu radiasi dengan panjang gelombang sebesar l , akan memiliki momentum ( sifat partikel ) sebesar :                              

                                                h
                                        p =  ---
                                                l
dan sebaliknya , sebuah partikel dengan momentum sebesar p , akan mempunyai panjang gelombang sebesar :
                                                  h
                                       l  = -------
                                                  p
Panjang gelombang sebuah partikel seperti ini dinamakan panjang gelombang de Broglie.
Panjang gelombang yang pendek dapat diamati ,tetapi yang mempunyai tenaga yang cukup rendah belum ada alat yang dapat mengamati nya.
Sifat –sifat gelombang dari elektron dilakukan penyelidikan oleh C.J Davisson dan L A Germer   ( 1927 ) di Bell Telephone Laboratory..Dengan mempelajari pemantulan dan hamburan oleh kristal Nikkel terhadap berkas elektron , dimana elektron telah mengalami percepatan oleh suatu selisih potensial listrik , terlihat bahwa  berkas elektron itu lebih menunjukkan sifat sebagai berkas gelombang. Untuk selisih potensial 54 volt, hasil percobaan Davisson dan Germer mendapatkan harga panjang gelombang elektron sebesar 1,65 A0, sedangkan menurut rumus de Broglie adalah 1,67 A0
Pembuktian selanjutnya  dilakukan oleh G.S Thomson ( 1927 ) putera dari J.J.Thomson, suatu arus eletron diliwatkan melalui selembar logam tipis dan membiarkan berkas elektron itu menembus logam tadi dan jatuh pada plat film. Ternyata lembaran film tersebut terjadi suatu pola diffraksi berupa lingkaran yang konsentris , seperti yang diperoleh bila menggunakan sinar x. Efek-efek difraksi ini dapat juga terjadi pada partikel-partikel lain seperti , proton  ,partikel-partikel alpha dan lain-lain.


Friday, 27 January 2012
EFEK RADIASI DAN PROTEKSI RADIASI
RINGKASAN
Radiasi yang berasal dari alam dan bukan dari hasil aktivitas manusia disebut
radiasi alam. Berdasarkan sumbernya, radiasi alam dikelompokkan ke dalam dua
jenis, yaitu radiasi kosmik dan radiasi yang berasal dari bahan radioaktif yang
berada dalam kerak bumi. Radiasi kosmik terdiri dari radiasi kosmik primer yang
berasal dari luar angkasa dan masuk ke atmosfir bumi, dan radiasi kosmik
sekunder yang terjadi akibat interaksi antara radiasi kosmik primer dengan
unsur-unsur di angkasa.
URAIAN
Radiasi alam adalah radiasi yang ada di alam berupa radiasi kosmik dan radiasi
yang berasal dari bahan radioaktif yang ada dalam kerak bumi (radionuklida
terestrial). Radiasi yang terpancar dari inti atom akibat interaksi antara radiasi
kosmik dengan inti atom yang ada di atmosfir bumi (radionuklida kosmogenik)
adalah radiasi yang paling umum. Di sini akan dibahas radiasi yang berasal dari
radiasi kosmik dan dari radionuklida terestriall.(Gambar 1).
1. Radiasi Kosmik
Radiasi kosmik terdiri dari radiasi berenergi tinggi yang berasal dari luar angkasa
yang masuk ke atmosfir bumi (radiasi kosmik primer), partikel sekunder dan
gelombang elektromagnetik yang terjadi akibat interaksi radiasi kosmik primer
dengan inti atom yang ada di atmosfir.
1.1. Radiasi Kosmik Primer
Bagian terbesar dari radiasi kosmik primer adalah radiasi Bima Sakti primer yang
berasal dari sistem tata surya, terutama partikel yang berasal dari flare matahari
seperti partikel proton (90 %) dan partikel alfa (10%). Selain itu, dalam jumlah
yang kecil terdapat inti atom berat, elektron, foton, dan neutrino.
Besarnya fluks radiasi kosmik yang masuk ke bumi dipengaruhi oleh medan
magnet bumi dan aktivitas matahari. Di daerah pada garis lintang rendah,
partikel berenergi rendah dibelokkan kembali ke angkasa, sehingga fluks radiasi
kosmik pada daerah tersebut lebih rendah dari pada fluks di daerah pada garis
lintang tinggi (efek posisi lintang). Partikel proton berenergi rendah dari radiasi
Bima Sakti primer menunjukkan fluktuasi dengan periode 11 tahun sesuai dengan
aktivitas matahari (modulasi). Fluks partikel tersebut akan menjadi sangat kecil
pada saat aktivitas matahari sangat tinggi, sebaliknya pada saat aktivitas
matahari paling kecil fluksnya menjadi paling besar.
1.2 Radiasi Kosmik Sekunder
Setelah memasuki atmosfir, radiasi kosmik primer akan mengalami berbagai
reaksi dengan inti atom yang ada di atmosfir dan menghasilkan partikel dan inti
atom yang baru. Partikel radiasi kosmik berenergi tinggi mengalami reaksi inti
yang disebut reaksi tumbukan dengan inti atom udara dan menghasilkan materi
hasil reaksi partikel sekunder seperti neutron, proton, p meson, K meson dan
lain-lain, serta inti He-3 (helium), Be-7 (berilium), Na-22 (natrium). Selanjutnya
partikel proton, neutron, p meson berenergi tinggi bereaksi dengan inti atom
yang ada di udara, dan menghasilkan partikel sekunder lebih banyak (cascade).
Kemudian p meson meluruh dan berubah menjadi muon atau foton dan
menghasilkan penggandaan jenis yang lain. Partikel yang terjadi disebut radiasi
kosmik sekunder. Selain itu, H-3, Be-7, Na-22 adalah materi yang memancarkan
radiasi. Materi ini disebut radionuklida kosmogenik dan dianggap berbeda dengan
radiasi kosmik sekunder.
Radiasi kosmik dapat sampai ke permukaan bumi dan mengionisasi udara.
Besarnya ionisasi udara di sekitar permukaan laut sekitar 75% disebabkan oleh
elektron yang lepas karena tumbukan muon, dan 15% disebabkan oleh elektron
yang terjadi akibat peluruhan muon. Selain itu, neutron yang merupakan bagian
dari radiasi kosmik memberikan dosis efektif tahunan sekitar 8% dari partikel
yang dihasilkan karena ionisasi.
Intensitas radiasi kosmik juga bervariasi bergantung pada ketinggian. Pada
ketinggian 2.000 m jumlah ionisai yang terjadi sekitar 2 kali jumlah ionisasi di
permukaan laut, pada ketinggian 5.000 m sekitar 10 kali, dan pada ketinggian
10.000 m sekitar 100 kali.
2. Radiasi dari Radionuklida alam
Dari seluruh radionuklida yang ada di bumi, sebagian besar merupakan inti atom
yang ada di kerak bumi sejak bumi terbentuk (radiasi primordial). Selain itu
terdapat inti yang terjadi dari interaksi antara radiasi kosmik dengan inti atom
yang ada di udara, bahan radioaktif akibat peluruhan spontan atau akibat
interaksi dengan neutron dari radiasi kosmik, dan radionuklida yang pernah ada
tetapi saat ini sudah musnah karena umur paronya pendek. Jumlah inti yang
musnah ini tidak begitu banyak. Di bawah ini akan dijelaskan radiasi yang
dipancarkan oleh radionuklida terestrial yang ada sejak terbentuknya bumi.
2.1 Radiasi dari radionuklida primordial
Terdapat tiga jenis radionuklida primordial utama yaitu kalium-40 (K-40 umur
paro 1,25 milyar tahun), Th-232 (umur paro 14 milyar tahun) yang merupakan
inti awal deret thorium, dan U-238 (umur paro 4,5 milyar tahun) yang
merupakan inti awal deret uranium. Radionuklida dalam deret uranium maupun
thorium mengalami peluruhan a, b maupun g. K-40 mengalami peluruhan b
berubah menjadi Ca-40 dan Ar-40 dengan memancarkan radiasi b dan g.
Radionuklida ini ada dalam hampir semua materi seperti kerak bumi, bebatuan,
lapisan tanah, air laut, bahan bangunan dan tubuh manusia dengan kadar yang
berbeda-beda. Secara umum batuan dari gunung berapi memiliki kadar
radionuklida yang lebih tinggi dari pada batuan endapan. Jadi, kerapatan
radionuklida berbeda-beda bergantung kepada jenis tanah dan unsur
pembentuknya, dan ini adalah penyebab utama adanya perbedaan dosis radiasi
dari suatu tempat dengan lainnya.
Di dalam deret uranium dan thorium terdapat gas mulia Rn-222 dan Rn-220
(radon). Sebagian dari gas yang muncul/terjadi dalam deret peluruhan ini akan
keluar dari lapisan tanah atau bahan bangunan. Partikel inti hasil peluruhan dapat
menempel pada aerosol di udara dan mengubah aerosol itu menjadi aerosol
radioaktif alam. Paparan radiasi (dosis efektif) akibat menghirup aerosol
radioaktif merupakan komponen terbesar di antara radiasi alam. Di dalam
bangunan yang terbuat dari batuan yang kerapatan materi radioaktifnya tinggi,
kerapatan aerosol radioaktif di udara juga tinggi; dan karenanya dosis radiasi
pada sistem pernafasan juga meningkat maka kerapatan dan dinamika Rn dan
hasil peluruhannya di udara dalam ruangan menjadi suatu masalah.
Paparan radiasi dari radionuklida di luar ruangan ditentukan oleh kerapatan
radionuklida di dalam lapisan tanah di tempat itu, sedangkan di dalam ruangan,
faktor penentunya adalah kerapatan radionuklida di dalam bahan bangunan dan
efek kungkungan. Di luar ruangan, laju dosis rata-rata akibat menghirup udara (1
m di atas tanah) di Jepang adalah 49 nGy/jam (terkecil 5, terbesar 100), hampir
sama dengan nilai rata-rata dunia (55 nGy/jam). Data pengukuran di 23 negara
termasuk Austria dan Denmark menunjukkan nilai rata-rata 24 ~ 85 nGy/jam,
dan nilai rata-rata di satu negara sangat berbeda dengan di negara lain. Dari
daerah-daerah tersebut ada sebagian wilayah yang laju dosisnya sangat tinggi,
misalnya di wilayah Kerala (India) yang banyak mengandung monasit (150 ~
1000 nGy/jam), dan wilayah Karabari di Brazil (130 ~ 1200 nGy/jam).
Gambar 1.
Radiasi Alam Dan Sumbernya
Sumber : www.batan.go.id
Monday, 23 January 2012

FISIKA RADIASI

Berdasarkan percobaan terhadap energi radiasi benda hitam, Max Planck membuat hipotesis:
"Radiasi hanya dipancarkan (atau diserap) dalam bentuk satuan-satuan/kuantum energi disebut foton yang besarnya berbanding lurus dengan frekuensi radiasi".

Energi total foton (masa foton = 0):
E = n . h . f = n . h . c/l
E = energi radiasi (joule)
h = konstanta Planck = 6.62 x 10-34 J.det
f = frekuensi radiasi (Hz)
l = panjang gelombang radiasi (m)
n = jumlah foton, jadi energi cahaya adalah terkuantisasi


Jadi dapat disimpulkan dari hipotesis Planck, bahwa cahaya adalah partikel sedangkan Maxwell menyatakan bahwa cahaya adalah gelombang, disebut dualisme cahaya.
 
Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat (logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam.
Efek fotolistrik ini ditemukan oleh Albert Einstein, yang menganggap bahwa cahaya (foton) yang mengenai logam bersifat sebagai partikel.
Energi kinetik foto elektron yang terlepas:

Ek = h f - h fo
Ek maks = e Vo
h f
= energi foton yang menyinari logam
h fo
= Fo frekuensi ambang = fungsi kerja

= energi minimum untuk melepas elektron
e
= muatan elektron = 1.6 x 10-19C
Vo
= potensial penghenti

Proses kebalikan foto listrik adalah proses pembentukan sinar X yaitu proses perubahan energi kinetik elektron yang bergerak menjadi gelombang elektromagnetik (disebut juga proses Bremmsstrahlung).

Kesimpulan:
  1. Agar elektron dapat lepas dari permukaan logam maka f > fo atau l < lo
  2. Ek maksimum elektron yang terlepas tidak tergantung pada intensitas cahaya yang digunakan, hanya tergantung pada energi atau frekuensi cahaya. Tetapi intensitas cahaya yang datang sebanding dengan jumlah elektron yang terlepas dari logam.

EFEK COMPTON
Konsep foton dikembangkan oleh Compton, yang menunjukkan bahwa foton memiliki momentum (p) yang besarnya:
p = E/c - h f/c = h/l
Hal ini menunjukkan bahwa foton dapat berkelakuan sebagai partikel (materi), dengan massa (m):
m = p/c karena m = E/c² = hf/c² = h/c l
Pada gejala Compton,foton (sinar X) yang menumbuk elektron atom suatu zat dihamburkan dengan panjang gelombang lebih besar.
Selisih panjang gelombang foton yang dihamburkan:
l' - l = h/moc (1 - cos q)
Gbr. Efek Compton

HIPOTESIS de BROGLIE
Louis de Broglie mengemukakan hipotesis:
"Cahaya selain memiliki sifat sebagai partikel, juga memiliki sifat sebagai gelombang".

Panjang gelombang de Broglie:

ldB = h/m v = h/p
h = konstanta Planck
m = massa partikel
v = kecepatan partikel


DUALISME CAHAYA

"Cahaya dapat bersifat sebagai gelombang dan dapat juga bersifat sebagai materi (partikel)".
Prinsip ini dikemukakan oleh Heisenberg, karena adanya sifat dualisme cahaya. "Pengukuran posisi dan momentum partikel secara serentak, selalu menghasilkan ketidakpastian yang lebih besar dari konstanta Planck".

Dx . Dp = h

Dx = ketidakpastian posisi partikel
Dp = ketidakpastian momentum partikel

Contoh:
Tentukan panjang gelombang sinar elektron pada mikroskop elektron !
Jawab:
Elektron bergerak di dalam beda potensial mikroskop elektron, sehingga:
Ek = Elistrik
½ m v² = e Vo ® v = Ö(2 e Vo / m)
Panjang gelombang elektron (partikel) yang bergerak mengikuti rumusan de Broglie, yaitu:
l = h/mv = h/Ö(2 e m Vo)
Jadi panjang gelombang elektron di dalam mikroskop elektron berbanding terbalik dengan akar tegangan (Ö(Vo) yang dipakai..
TEORI DALTON
Atom merupakan partikel terkecil yang tidak dapat dibagi-bagi.

TEORI THOMSON

Berdasarkan penemuan perbandingan e/m (e = muatan elektron; m = massa elektron), Thomson mengemukakan teorinya"
"Atom mempunyai muatan positif yang terbagi merata ke seluruh isi atom, dan dinetralkan oleh elektron yang tersebar di antara muatan listrik positif ® (seperti roti kismis).


TEORI ERNST RUTHERFORD

Rutherford melakukan percobaannya dengan menembakkan partikel a ke arah lempeng emas, sehingga dapat menyimpulkan: Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang berputar pada lintasan-lintasan tertentu ® (seperti susunan tata surya).
Bila lintasan elektron dianggap lingkaran, maka energi total elektron:
E = Ek + Ep
E = - k e²/2r
tanda (-) menunjukkan keterikatan terhadap inti
(menunjukkan bahwa untuk mengeluarkan elektron
diperlukan energi).
r = jari-jari orbit elektron
k = 9 x 109 newton.m²/cou
Jadi jika r membesar maka E juga membesar, sehingga elektron pada kulit paling luar memiliki energi terbesar.

Kelemahan teori Rutherford:
  1. elektron dapat "runtuh" ke inti atom karena dipercepat dan memancarkan energi.
  2. spektrum atom hidrogen berupa spektrum kontinu (kenyataannya spektrum garis).

TEORI NEILS BOHR
Berdasarkan model atom Rutherford dan teori kuantum, Neils Bohr mengemukakan teorinya:
  1. Elektron hanya dapat mengelilingi inti atom melalui lintasan-lintasan tertentu saja, tanpa membebaskan energi. Masing-masing lintasan hanya dapat dilalui elektron yang memiliki momentum anguler kelipatan bulat dari h/2p.

    m . v . r = n . h/2p
  2. Elektron akan mengalami eksitasi (pindah ke lintasan yang lebih tinggi) atau ionisasi jika menyerap energi, dan transisi ke lintasan yang lebih rendah jika memancarkan energi foton.

    Jari-jari lintasan elektron:

    rn = 5.28 x 10-11 n2 meter

    n = 1, 2, 3, .............. = bilangan kuantum utama

    Tingkat-tingkat energi (energi kulit ke-n):

    En = - (k e2/2 r n2)= (-13.6/n2) ev

    1 eV= 1.6 x 10-19 joule

SPEKTRUM ATOM HIDROGEN (SPEKTRUM GARIS)

Menurut Neils Bohr :
1/l = R [ (1/nA2) - (1/nB2) ]
DE = EB - EA = h . c/l
EB = energi pada kulit n
EA = energi pada kulit nA
R = konstanta Rydberg = 1.097 x 107 m-1
DE = energi yang diserap/dipancarkan pada saat elektron pindah
Gbr. Model Atom Neils Bohr
I.
Deret Lyman
terletak pada daerah ultra ungu
n
A = 1 ; nB = 2, 3, 4, .......
II.
Deret Balmer
terletak pada daerah cahaya tampak
n
A = 2 ; nB = 3, 4, 5. ... ...
III.
Deret Paschen
terletak pada daerah infra merah 1
n
A=3 ; nB = 4, 5, 6,.....
IV.
Deret Bracket
terletak pada daerah infra merah 2
n
A = 4 ; nB = 5, 6, 7,.......
V.
Deret Pfund
terletak pada daerah infra merah 3
n
A = 5 ; nB = 6, 7, 8, ...

Kelemahan Model Atom Bohr:
  1. Tidak dapat menerangkan atom berelektron banyak
  2. Tidak dapat menerangkan pengaruh medan magnet terhadap spektrum atom (kelemahan ini dapat diperbaiki oleh Zeeman, yaitu setiap garis pada spektrum memiliki intensitas dan panjang gelombang yang berbeda)
  3. Tidak dapat menerangkan kejadian ikatan kimia

LUCUTAN GAS

Lucutan gas adalah peristiwa mengalirnya muatan listrik di dalam tabung lucutan gas (tabung Crookes) pada tekanan gas sangat kecil ® menghasilkan berkas sinar katoda
PERBANDINGAN MASSA DAN MUATAN ELEKTRON (e/m)
  1. Dihitung oleh JJ Thomson:
    e/m= 1,7588 x 1011 coul/kg
  2. R.A. Milikan menghitung besarnya muatan elektron:
    e = 1,6021 x 10-19 coulomb
  3. Sehingga massa elektron dapat ditentukan:
    m
    e = 9,1091 x 10-31
Partikel-partikel pembentuk inti atom adalah proton (1P1) dan netron ( 0n1). Kedua partikel pembentuk inti atom ini disebut juga nukleon.
Simbol nuklida : ZXA atau ZAX dengan
A = nomor massa
Z = jumlah proton dalam inti = jumlah elektron di kulit terluar
N = A - Z = jumlah netron di dalam inti atom


Proton bermuatan positif = 1,6 x 10-19 C dan netron tidak bermuatan.
Isoton : Atom-atom unsur tertentu ( Z sama) dengan nomor massa berbeda.
Isoton: kelompok nuklida dengan jumlah netron sama tetapi Z berbeda.
Isobar: kelompok nuklida dengan A sama tetapi Z berbeda.
Massa inti atom selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon-nukleon pembentuknya. Akibatnya ada energi ikat inti.

Contoh: 2p + 2n ® 2He4 jadi Dm = m(2p + 2n) - m(2He4)

Energi ikat inti DE = Dm c2 ® Dm = (Z . mp + N . mn) - minti
Dalam fisika inti satuan massa biasa ditulis 1 sma (1 amu) = 1.66 x 10-27 kg = 931 MeV/C2
satuan Dm :
kg ® E = Dm . c2 (joule)
sma ® E = Dm . 931 (MeV)

Stabilitas inti:
Suatu nuklida dikatakan stabil bila terletak dalam daerah kestabilan pada diagram N - Z.
Untuk nuklida ringan (A < 20) terjadi kestabilan bila Z = N (N/Z = 1), sedangkan untuk nuklida dengan Z > 83 adalah tidak stabil.


Contoh:
1. Sumber energi matahari adalah reaksi inti 4 proton ® helium + 2e+ diketahui:
- massa proton = 1,6726 x 10-27 kg
- massa e+ = 0,0009 x 10-27 kg
- massa helium = 6,6466 x 10-27 kg

Jika dalam reaksi ini terbentuk 6,6466 gram helium, hitunglah energi yang dihasilkannya.
Jawab:
Dalam setiap reaksi yang terjadi: 4 1p1 ® 2He4 + 2e+, selalu terbentuk 1 2He4 yang massanya 6,6466 x 10-27 kg. Karena terbentuknya 6,6466 gram 2He4, maka jumlah reaksi yang terjadi (n) adalah:
n = (6,6466 gram) / (6,6466 x 10-27) = 1024 kali reaksi.
Dari rumus Defek massa:
Dm = M(Dp) - M(1 2He4 + 2e+) = 0,042 x 10-27 kg

Jadi energi total reaksi yang dihasilkan:
E = n . Dm . c2 = 1024 . 0,042 x 10-27 (3.108)2 = 0,378 x 1013 joule

Radioaktivitas adalah peristiwa pemancaran sinar-sinar a, b, g yang menyertai proses peluruhan inti.
Sinar a :
- identik dengan inti atom helium (2He4)
- daya tembusnya kecil tapi daya ionisasinya besar.
Sinar b :
- identik dengan elektron ( le.)
- daya tembus cukup besar tapi daya ionisasinya agak kecil
Sinar g :
- tidak bermuatan (gelombang elektromagnetik).
- daya tembus paling besar tapi daya ionisasinya kecil   (interaksi berupa foto listrik, Compton den produksi   pasangan).

Gbr. Radioaktivitas
Gbr. Kuat Radioaktivitas

Kuat radiasi suatu bahan radioaktif adalah jumlah partikel (a, b, g) yang dipancarkan tiap satuan waktu.
R = l N
R = kuat radiasi satuan Curie
     1 Curie (Ci) = 3,7 x 1010 peluruhan per detik.
l = konstanta pelurahan, tergantung pada jenis isotop dan jenis      pancaran radioaktif, yang menyatakan kecepatan peluruhan inti.
N = jumlah atom.

Waktu paruh (T ½) adalah waktu yang diperlukan oleh ½ unsur radioaktif berubah menjadi unsur lain.

T½ = ln 2/l = 0,693/l                Þ         N = Noe-lt = No(½)-t/T

Jadi setelah waktu simpan t = T½ massa unsur mula-mula tinggal separuhnya, N = ½ No ATAU setelah waktu simpan nT½ Þ zat radioaktif tinggal (½)n
Sinar radioaktif yang melewati suatu materi akan mengalami pelemahan intensitas dengan rumus:

I = Ioe-mx
Io = intensitas mula-mula (joule/s.m2)
m = koefisien serap materi (m-1 atau cm-1)
x = tebal materi/bahan (m atau cm )

Bila I = ½ Io maka x = 0,693/m Þ disebut HVL (lapisan harga paruh) yaitu tebal keping yang menghasilkan setengah intensitas mula

Jenis detektor radioaktif:
  1. Pencacah Geiger(G1M)
    untuk menentukan/mencacah banyaknya radiasi sinar radioaktif
  2. Kamar Kabut Wilson
    untuk mengamati jejak partikel radioaktif
  3. Emulsi Film
    untuk mengamati jejak, jenis dan mengetahui intensitas partikel radioaktif
  4. Pencacah Sintilad
    untuk mencacah dan mengetahui intensitas partikel radioaktif.

TRANSMUSI INTI
  1. Fisi
    Peristiwa pembelahan inti atom dengan partikel penembak, sehingga menghasilkan dua inti baru dengan nomor massa yang hampir sama.

    Contoh: Dalam reaktor atom: U235 + n Þ Xe140 + Sr94 + 2n + E
  2. Fusi
    Peristiwa penggabungan dua inti atom ringan, menghasilkan inti atom baru yang lebih berat.

    Contoh: reaksi di matahari: 1H2 + 1H2 ® 2He3 + on1
PIRANTI EKSPERIMEN FISIKA INTI
  1. Reaktor Atom
    Tempat berlangsungnya reaksi fisi, yaitu penembakan Uranium (U) dengan netron (n), menghasilkan banyak n yang dapat dikendalikan. Bila tidak dikendalikan ® terjadi bom atom.

    Komponen reaktor :
    - batang kendali
    - moderator
    - perisai
    - bahan bakar
  2. Siklotron
    Tempat pemercepat partikel (proton atau netron). Energi hingga 100 MeV.
  3. Betatron
    Tempat pemercepat elektron. Energi hingga 300 MeV.
  4. Sinkrotron
    Tempat pemercepat proton. Energi yang dicapai hingga 500 GeV.
  5. Akselerator
    Tempat pemercepat proton atau elektron. Energi hingga 10 GeV.
Semua piranti di atas digunakan untuk melakukan transmutasi inti.
RADIOISOTOP
Radioisotop adalah isiotop dari zat radioaktif, dibuat dengan menggunakan reaksi inti dengan netron.

misalnya 92 U 238 + 0 n 1 ® 29 U 239 + g

Penggunaan radioisotop:
- Bidang hidrologi
- biologi
- industri


DIFRAKSI SINAR-X
Jika seberkas sinar-X datang pada kristal, maka sinar-sinar yang dipantulkan akan saling memperkuat (interferensi konstruktif). Dalam hal ini berlaku Persamaan Bragg yaitu :
ml = 2d sin q
m = 1, 2, 3, ........ = orde difraksi
l = panjang gelombang sinar X
d = sudut antara sinar datang dengan permukaan kristal

PITA ENERGI
Teori pita energi dapat menerangkan sifat konduksi listrik suatu bahan.
Pita energi terdiri atas dua jenis yaitu:
  1. Pita valensi (terisi penuh oleh 2N elektron di mana N adalah jumlah atom suatu bahan)
  2. Pita konduksi (terisi sebagian elektron atau kosong)
Di antara pita valensi dan pita konduksi terdapat celah energi yang layak tidak boleh terisi elektron.
Hambatan jenis (kebalikan dari konduktivitas listrik) suatu bahan dapat dikelompokkan menjadi:
  1. Konduktor ( < 10-6 Wm)
  2. Semikonduktor (10-6 Wm - 104 Wm)
  3. Isolator ( > 104 Wm)
Hubungan hambatan jenis (o) terhadap suhu

Pada bahan semikonduktor, hole (kekosongan) den elektron berfungsi sebagai pembawa muatan listrik (pengantar arus).

Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-atom lain (atom pengotor).

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N (pembawa muatan elektron).

Komponen semikonduktor:
  1. Dioda, dapat berfungsi sebagai penyearah arus, stabilisasi tegangan dan detektor.
  2. Transistor, dapat berfungsi sebagai penguat arus/tegangan dan saklar.Transistor terdiri dari dua jenis yaitu PNP dan NPN.

    Semikonduktor tipe-P
Gbr. Semikonduktor tipe-P


  1. En = tingkat energi akseptor
    Eg = celah energi

    Semikonduktor tipe-N
Gbr. Semikonduktor tipe-N
4.     
En = tingkat energi donor
Eg = celah energi

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar