25 Kimia Inti

Kimiawi biasa dari unsur-unsur didasarkan pada gejala dimana elektron memegang peran utama. Baik sifat-sifat kimia maupun fisika yang berhubungan dengan gaya antarmolekul diturunkan dari struktur elektron atom, ion, dan molekul. Dalam gejala-gejala yang kita temui selama ini, peranan inti atom adalah untuk menetapkan massa atom dan molckul dan untuk melengkapi pusat bermuatan positif agar elektron-elektron berada pada kedudukan yang seharusnya.

Dalam bab ini kita membicarakan keaneka ragaman gejala yang langsung berasal dari inti atom. Umumnya gejala semacam ini kita sebut kimia inti. Gejala kimia inti penting pada waktu kita membicarakan unsur-unsur aktinida. Juga gejala ini kita jumpai pada nulaida tertentu dari unsur yang lebih ringan, khususnya nuklida buatan. Segi lain dari kimia inti ial,h penelitian dampak radiasi pengion dengan zat, yang merupakan pokok persoalan dalam "perdebatan nuklir" sekarang ini.

25-1 Gejala Keradioaktifan Istilah "keradioaktifan" diusulkan Marie Curie untuk menggambarkan gejala yang

paling mudah diamati yang menyertai perubahan inti atom tertentu yang dikenal sebagai emisi radiasi pengion. Tersirat dari namanya, radiasi pengion berinteraksi dengan zat untuk menghasilkan ion. Ini berarti bahwa radiasi cukup kuat untuk memecahkan ikatan kimia. Beberapa radiasi. pengion bersifat partikulat (terdiri dari partikel) dan lainnya bersifat tak-partikulat. Kita akan membicarakan lagi dampak radiasi pengion dengan zat pada Sub Bab 25-10. Sekarang ini secara singkat akan dibicarakan jenis radiasi pengion yang berhubungan dengan keradioaktifan. Sinar alfa (). Radiasi ini terdiri dari seberkas partikel alfa (). Partikel ini identik dengan inti atom helium-4. Sewaktu menembus zat, sinar alfa menghasilkan sejumlah besar ion, walaupun daya tembusnya rendah (umumnya sinar tersebut tidak dapat menembus sehelai kertas). Karena bermuatan positif, partikel dibelokkan oleh medan magnit maupun listrik (lihat Ga:nbar 25-1). Produksi partikel oleh inti radioaktif dapat digambarkan dalam suatu persamaan inti. Petsamaan inti (nuclear equation) ditulis dalam bentuk yang sama dengan persamaan kimia. Tetapi perlu diingat bahwa keadaan setimbang suatu persamaan inti memerlukan kesamaan antara jumlah nomor atom dan jumlah nomor massa di sebelah kiri persamaan dengan jumlah yang bersangkutan di sebelah kanannya. Dalam persamaan (25-1), nomor masa ditulis sebagai angka indeks atas (superskrip), nomor atom sebagai angka indeks bawah (subskrip), sedangkan partikel digambarkan sebagai 42 He. Jumlah nomor massa adalah 238 sedangkan nomor atom adalah 92. Hilangnya satu partikel menyebabkan pengurangan nomor atom dan nomor massa masing-masing sebesar 2 dan 4.

Gambar 25-1. Tiga jenis radiasi dari bahan radioaktif.

Bahan radioaktif tersembunyi dalam suatu balok timbal berlobang sempit. Kecuali yang memancar melalui lobang tersebut maka radiasi lainnya akan diserap oleh timbal. Bila radiasi ini melintasi medan listrik akan terpecah menjadi tiga berkas. Berkas pertama adalah sinar gamma () yang tidak terpengaruh. Berkas kedua tertarik ke lempeng bermuatan negatif, ini adalah partikel alfa ( ) yang bermuatan positif. Berkas ketiga tertarik ke lempeng bermuatan positif. Ini adalah berkas partikel beta (() atau elektron. Karena mempunyai momen (yang melibatkan massa dan kecepatan) lebih besar, maka partikel a mengalami pembelahan kurang besar dibandingkan partikel . Bila medan listrik diganti oleh medan magnet, maka keadaannya akan sama. 23892 U ------>

23490 Th +

42 He (25.1)

Sinar Beta (). Berkas sinar ini juga terdiri dari partikel, dan partikel - adalah identik dengan elektron. Sinar beta mempunyai daya tembus yang lebih besar tetapi daya pengionnya lebih kecil dibandingkan sinar . Berkas sinar ini dapat menembus kertas aluminium setebal 2 hingga 3 mm. Partikel beta juga dibelokkan oleh medan listrik dan magnet, tetapi arahnya berlawanan dari partikel (lihat Gambar 25-1). Selain itu partikel -mengalami pembelokan yang lebih besar dibandingkan partikel dalam medan-medan tersebut.

Gambar 25-2. Produksi sinar gamma.

Peralihan inti 23090 Th. diantara dua tingkat energi yang diperlihatkan di atas menghasilkan teremisinya energi sebesar 0,05 Me dalam bentuk sinar y. Hal ini terjadi karena partikel - mempunyai massa yang jauh lebih ringan dibandingkan partikel . Inti 23490 Th, sebagai hasil reaksi (25.1) bersifat tak mantap, inti ini mengalami peluruhan radioaktif dengan teremisinya partikel - Hilangnya partikel yang digambarkan sebagai 01 e dari suatu inti, menyebabkan inti tersebut nomor atomnya bertambah satu satuan sedangkan nomor masanya tidak berubah. Jadi partikel -dianggap mempunyai nomor atom -1 sedangkan nomor massanya 0.

Th23490 -------> ePao1

23491 + (25.2)

Sinar Gamma (). Beberapa proses peluruhan radioaktif yang memancarkan partikel atau menyebabkan inti berada dalam keadaan "energetik". Inti tersebut selanjutnya kehilangan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik, yaitu sinar gamma (). Sinar gamma mempunyai daya tembus yang besar. Berkas sinar ini tidak dibelokkan oleh medan listrik dan magnit. Dalam keseluruhan radioaktif inti 23492 U maka 77% inti tersebut mengemisi partikel yang berenergi 4,18 MeV. Sisanya sebesar 23% menghasilkan partikel yang berenergi 4,13 MeV. Sisa inti tersebut mempunyai kelebihan energi sebesar 0,05 MeV. Energi ini dibebaskan sebagai sinar . Bila kita menyatakan inti Th yang tak mantap dan energetik sebagai 23090 Th,* maka dapat dituliskan.

23492 U ---> 23090 Th* +

43 He (25.3)

*23090Th --------> +Th23090 (25.4) Proses emisi ini ditunjukkan dalam Gambar 25-2.

Elektron volt (eV) sebagai satuan energi, Satuan MeV adalah satu juta elektron volt. Satuan ini dan hubungannya dengan satuan energi lainnya Positron (+), Emisi sinar - yang selanjutnya akan kita bicarakan pada Sub. Bab 25-7, merupakan ciri inti yang perbandingan antara jumlah netron dan jumlah protonnya terlalu besar dibandingkan keadaan mantap. Bila perbandingan tersebut terlalu kecil untuk mencapai kemantapan, maka peluruhan radioaktif dapat terjadi melalui emisi positron. Positron merupakan partikel bermuatan positif, berlainan dengan partike - atau elektron. Positron ditandai sebagai + atau e01+ . Emisi positronumumnya kita temukan pada inti radioaktif buatan dari unsur yang lebih ringan (lihat Sub. 253). Sebagai contoh, P3015 --------> Si

3014 + e

01+ (25..5)

Penangkapan Elektron (Electron Capture, E.C.). Proses kedua yang sering terjadi bersama dengan emisi positron dan memberi dampak yang sama adalah penangkapan elektron (E.C.). Dalam proses ini elektron pada Wit elektron bagian dalam (biasanya kulit K atau L) diserap oleh inti. (Di dalam inti, elektron tersebut digunakan untuk mengubah proton menjadi netron). Jatuhnya elektron dari tingkat kuantum yang lebih tinggi ke tempat yang lowong bekas elektron yang tertangkap menghasilkan radiasi x. Sebagai contoh,

TI20281 - EC---------> 20250 Hg (diikuti oleh radiasi x) (25.6)

Contoh 25-1. Tulislah persamaan inti yang menunjukkan (a) emisi partikel oleh 232Rn;(b) peluruhan radioaktif bismut -215 menjadi polonium; (c) peluruhan suatu inti radioaktif yang menghasilkan 58Ni dan satu positron. Jawaban :

(a) Dua spesies yang terlibat dalam proses tersebut dapat ditulis langsung berdasar keterangan yang diberikan. Spesies lainnya dapat diketahui dengan menggunakan prinsip dasar kesetimbangan reaksi inti. 22286 R n - - - - - - - - - > ( ? ) +

42 He dan

22286 R n - - - - - - - - - > Po

21884 +

42 He

(b) Bismut mempunyai nomor atom 83 dan polonium 84. Jenis emisi yang

menyebabkan kenaikan nomor atom satu satuan adalah sinar -. Bi21583 ------------> Po

21584 + e

01

(c) Kita mengetahui hasil proses peluruhan radioaktif. Inti radioaktif yang dapat menghasilkannya hanyalah 5829 Cu.

Cu5829 ---------> eNio1

5828 ++

25-2 Nuklida Radioaktif Alami 209

83 Bi adalah nuklida yang bernomor atom dan bernomor massa tertinggi yang mantap. Semua nuklida yang dikenal dan mempunyai nomor atom dan massa yang lebih besar dibanding nuklida tersebut bersifat radioaktif. 23892 U alami bersifat radioaktif dan mengalami peluruhan dengan melepaskan partikel 23892 U - - - - - - - - >

23490 Th

+ 42 He (25.7) 234

90 Th juga radioaktif; keluruhannya dengan emisi -

Th23490 --------> Pa234

91 + e01 (25.8)

Pa23491 juga mengalami peluruhan oleh emisi

-.

Pa23491 -------> eU01

23492 + (25.9)

234

92 U juga radioaktif. Deret Keluruhan Radioak6f. Rangkaian keluruhan radioaktif dimulai dari 23892 U dan

dilanjutkan dengan tahap-tahap emisi dan hingga berakhir dengan 20682 Pb. yaitu isotop timbal yang mantap. Keseluruhan bagan ditunjukkan pada Gambar 25-3. Semua nuklida radioaktif alami yang bernomor atom tinggi termasuk salahsatu dari tiga deret keluruhan, yaitu deret uranium yang baru saja dibicarakan, deret torium, atau deret aktinium. Salah satu penerapan bagan peluruhan radioaktif adalah dalam penentuan umur batuan dan dengan demikian juga umur bumi (lihat Sub.Bab 25-5). Munculnya senyawa radio aktif tertentii dalam suatu lingkungan juga dapat diterangkan dengan deret peluruhan radioaktif. Orang pertama yang mengasosiasikan penyakit jan-tung pada petambang dengan lingkungan penam-

bangan adalah dokter dan kimiawan Swiss bernama Paracelsus (1493-1541). 232Rn hasil keluruhan 238U sekarang ini diketahui sebagai penyebab penyakit paru-paru yang mematikan dan menimpa pekerja tambang di Eropa Tengah selama bertahun-tahun. Penyakit ini adalah kanker paru-paru, dan uranium sebagai penyebabnya terkandung dalam bijih emas, perak dan platina yang ditambang. 210Po dan 210Pb telah ditemukan dalam asap rokok. Nuklida radioaktif ini merupakan turunan 232U, yang ditemukan dalam jumlah sedikit (runut) pada pupuk fosfat yang digunakan di kebun tembakau. Baru-baru ini telah ditetapkan bahwa nuklida pengemisi terlibat dalam hubungan antara pengisap rokok, kanker dan penyakit jantung

GAMBAR 25-3

Deretan keluruhan radioaktif alami dari U23892 . Panah panjang yang menunjuk ke bawah atau ke kiri merupakan emisi partikela. Panah pendek yang mendatar merupakan emisi -.Deret pcluruhan alami lainnya bermula dari isotop torium, aktinium dan neptunium. Keradioaktifan merupakan hal yang umum pada nuklida bernomor atom tinggi. Hal ini relatif jarang ditemukan pada nuklida ringan yang terdapat di alam. 40K merupakan nuklida radioaktif seperti juga 50V dan 138La. 40K mengalami peluruhan dengan emisi -dan dengan penangkapan elektron, 4019 K ------------>

4020 Ca +

o1 e dan

4019 K -----

EC--------> Ar4013

Pada waktu bumi terbentuk 4K berlimpah bila dibandingkan sekarang ini. Argon yang banyak terdapat di atmosfir (0,934%) berdasar volume dan hampir semuanya sebagai 40Ar dipercaya merupakan turunan dari peluruhan radioaktif 40 K. Di samping 40 K, maka nuklida radioaktif yang terpenting dari unsur yang lebih ringan adalah nuklida buatan.

25-3 Reaksi Inti dan Keradioaktifan Buatan Dalam Bab 2 kita membicarakan bagaimana Rutherford menemukan proton di luar

inti atom. Ia menemukan bahwa dengan pemboman partikel pada inti nitrogen akan dihasilkan proton, hasil lainnya adalah atom O.

147 N +

42 He --------->

178 O +

11H (25.10)

Meskipun prinsip yang digunakan untuk menuliskan persamaan (25-10) sama dengan yang digunakan untuk menuliskan peluruhan radioaktif, ternyata ada perbedaan, yaitu adanya "dua pereaksi" disebelah kiri. Suatu inti tidak mengalami peluruhan secara spontan, karena inti tersebut harus dilanggar oleh partikel kecil lainnya agar terjadi reaksi inti. Secara singkat pada (25.11) dituliskan inti sasaran di sebelah kiri dan inti hasil di sebelah kanan dari persamaan. Di dalam tanda kurung maka partikel yang ditembakkan dituliskan terlebih dulu diikuti oleh partikel yang terlempar.

1 4N(,p)17O (25.11) 17

8 O merupakan nuklida non-radioaktif alami dari oksigen (di alam sekitar 0,037%).

P3015 yang juga dapat dihasilkan dalam suatu reaksi inti, keadaannya agak berbeda. Dalam tahun 1934 ketika Irene Curie dan suaminya Frederic Joliot menembakkan

partikel pada aluminium, mereka melihat emisi dua jenis partikel yaitu netron dan positron. Mereka juga menemukan bila penembakan partikel dihentikan ternyata emisi netron berhenti tetapi emisi positron berlanjut. Mereka berkesimpulan bahwa penembakan inti akan menghasilkan P3015 yang selanjutnya mengalami peluruhan radioaktif dengan teremisinya positron.

2715 A1 +

42 He ---------> P

3015 +

1o n atau

Z7Al(,n)30P (25.12)

P3015 ------> eSi01

3014 ++

(25.13)

3015 P merupakan nuklida radioaktif buatan pertama. Sesudah itu lebih dari 1000

nuklida buatan diperoleh. Sekarang ini jumlah nuklida radioaktif yang dikenal melebihi jumlah nuklida non-radioaktif (sekitar 280).

Contoh 25-2. Tuliskan (a) persamaan reaksi inti 147 N +

10 n -------->

126 C + H

11

(b) penulisan secara biasa dari reaksi inti 59Co(n,?)56Mn. Jawaban :

(a) Partikel yang dftembakkan adalah suatu netron n, dan partikel yang teremisikan adalah proton p. Persamaan singkatnya ialah 14N(n,p)14C

(b) Partikel yang tak diketahui dalam tanda kurung mempunyai A = 4 dan Z = 2, ini adalah partikel

5927 Co +

10 n ------->

5625 Mn +

42 He

25-4 Unsur Transuranium

Hingga tahun 1940 yang dikenal hanyalah unsur yang terdapat di alam. Dalam tahun 1940 unsur buatan pertama dihasilkan dengan penembakan netron pada atom 23892 U

.Pertama-tama

terbentuklah inti 23992 U yang tak mantap. Inti ini mengalami peluruhan dan dihasilkan unsur neptunium dengan Z = 93.

23892 U + n

10 ---------->

23992 U (25.14)

23992 U ---------> eNp01

23993 + (25.15)

Penembakan netron merupakan cara efektif untuk menghasilkan reaksi inti. Hal ini disebabkan netron adalah partikel yang berat dan tak bermuatan sehingga tidak ditolak sewaktu mendekati inti.

Sejak tahun 1940 semua unsur yang mempunyai Z = 93 hingga 106 telah dibuat. Misalnya unsur isotop dengan Z = 105 telah dihasilkan dengan penembakan inti N157 pada atom

Cf24998 . .

N157 + Cf249

98 -------> n4Ha10

260169 + (25.16)

Unsur 104 dan 105 merupakan unsur pertama dalam deret unsur peralihan setelah deret aktinoid, keduanya disebut unsur trans-aktinida. Dari pengetahuan kita mengenal tabel ber-kala seharusnya dapat diramalkan unsur yang menyerupai hafnium dan tantalum. Selain itu cukup alasan untuk percaya bahwa semakin banyak unsur dapat disintesa. Pemacu Partikel-Bermuatan. Untuk melaksanakan reaksi inti semacam (25-16) digunakan partikel energetik sebagai projektil untuk menembak inti atom. Partikel energetik semacam ini dapat diperoleh dari suatu alat pemacu. Suatu jenis pemacu yang dikenal sebagai siklotron diperlihatkan pada Gambar 25-4.

Gambar 25-4. Sikloton suatu pemaicu partikedl nermuatan

Pemacu ini terdiri dari dua kotak setengah-lingkar berlubang dan datar. Kotak ini disebut "dee" dan selalu bermuatan listrik. Keseluruhan rakitan ini dipertahankan letaknya dalam suatu medan magnit. Partikel yang akan dipacu, berupa ion positif dihasilkan di pusat mulut di antara kedua dee tersebut. Partikel akan tertarik ke dalam dee yang bermuatan negatif dan dipaksa menuruti garis edar yang melingkar oleh medan magnit tersebut. Ketika partikel me-ninggalkan dee dan memasuki celah maka muatan listrik dari dee dibalikkan sehingga partikel tertarik ke dalam dee yang di hadapannya. Partikel akan dipacu ketika melampaui celah dan menjalani lingkaran garis edar yang lebih lebar dalam dee berikutnya. Proses ini diulangi berkali-kali hingga partikel mempunyai energi yang cukup besar untuk melakukan reaksi inti yang diinginkan. Partikel kemudian dikeluarkan dari pemacu dan ditembakkan ke sasaran.

Analogi sederhana dari pemacu inti ditemukan pada mainan ayunan. Bila anak-anak yang sedang berayun didorong setiap kali ayunan tersebut mencapai titik akhir maka ayunan bertambah cepat dan sudut ayun melebar.

Sebagaimana tersirat dari namanya, suatu pemacu partikel bermuatan hanya dapat menghasilkan berkas partikel bermuatan sebagai projektil (misalnya 11H

+). Dalam banyak hal netron lebih efektif sebagai projektil untuk penembakan inti. Netron yang dibutuhkan ini dapat dihasilkan melalui reaksi inti menggunakan berkas partikel bermuatan. 11H pada reaksi berikut merupakan berkas detron (sesungguhnya

+H21 ) dari suatu pemacu. 94 Be +

21H ------>

105 B

+ 10 n 25-5 Laju Peluruhan Radioaktif

Kita dapat mengharapkan setiap inti atom dari nuklida radioaktif pada waktunya akan mengalami keluruhan, tetapi tidak mungkin untuk meramalkan kapan suatu inti tertentu mengalaminya. Keradioaktifan merupakan suatu proses acak. Tetapi satu pengamatan penting ditemukan yaitu: Laju peluruhan bahan radioaktif ternyata berbanding langsung dengan jumlah atom yang terdapat di contohnya. Misalkan rata-rata 100 atom mengalami keluruhan setiap detik dalam suatu contoh yang mengandung 1 juta atom, maka kita dapat mengharapkan laju keluruhan adalah 200 atom per detik dalam contoh yang mengandung 2 juta atom, atau 50 atom per detik dalam contoh yang mengandung 5 x 105 atom, dan seterusnya. Secara matematik dituliskan

laju peluruhan N dan laju peluruhan = N (25.17) laju peluruhan dinyatakan sebagai atom per satuan waktu, misalnya atom/detik. N adalah jumlah atom dalam contoh yang diteliti. X adalah tetapan peluruhan (decay constant) dan satuannya adalah (waktu)-1.

Persamaan (25-17) merupakan proses orde pertama. Dengan mengganti [A] dengan N dan k dengan X, diperoleh persamaan sebagai berikut.

log Nt - Log No = 303.2

tNN

logo

t = (25.18)

t1/2 = 693,0 (25.19)

Nt merupakan jumlah atom yang tersisa pada waktu t, sedangkan N adalah jumlah pada waktu awal (t = 0). Peluruhan radioaktif biasanya dicirikan dengan waktu-paroh

(half-life) yaitu tl/2 dan bukan dengan tetapan peluruhan X. Bila waktu-paroh lebih pendek berarti harga X lebih besar dengan demikian proses keluruhannya lebih cepat. Waktu-paroh nuklida radio aktif beragam dari waktu yang sangat pendek hingga sangat panjang. Hal ini dungkapkan dalam Tabe125-1.

Contoh 25-3 23892 U mempunyai waktu-paroh 4,51 x 10

9 tahun. Nuklida ini mengalami keluruhan dengan proses seperti diperlihatkan oleh persamaan (25-1). Berapa banyak partikel yang dihasilkan per detik dalam contoh yang mengandung 1 x 1020 atom U23892 ?

Jawaban. Dari persamaan (25-19) diperoleh harga

t10x51,4693,0

9= = 1,54 x 10-10 t-'

Persamaan (25-17) digunakan untuk mendapatkan harga laju peluruhan. laju keluruhan = (1,54 X 10-10t-1) x (1,00 x 1020 atom) = 1,54 X 1010 atom/t (25.20) Satu partikel (x dihasilkan oleh setiap atom yang mengalami peluruhan. Laju produksi partikel dinyatakan oleh persamaan (25-20). Bila waktu dinyatakan dalam detik, maka

laju keluruhan = 1,54 x 1010 partikel /t x d60

m1xm60j1x

j24h1x

h365t1

= 488 partikel /detik

Peluruhan radioaktif bila dipandang dari sudut statistik ternyata mengalami fluktuasi. Harga yang diperoleh tadi merupakan laju peluruhan rata-rata. Dengan demikian, tidak berarti bahwa selalu dan tiap detik dihasilkan tepat 488 partikel a. Penanggalan Radiokarbon. (Carbon dating) Dalam jasad hidup maka senyawa yang mengandung karbon menjaga kesetimbangan dengan l4C di atmosfi.r. Nuklida 14C adalah radioaktif dan mempunyai waktu-paroh 5730 tahun. Keaktifan karbon dalam kesetimbangan ini sekitar 15 disintegrasi per menit per gram karbon. Bila suatu jasad mati (misalkan suatu pohon tumbang) maka kesetimbangan tersebut rusak dan laju

disintegrasi berkurang. Dari laju disintegrasi terukur beberapa waktu kemudian, umur jasad dapat diperkirakan (merupakan waktu yang lewat sejak jasad tersebut mati). 14

8 C di atmosfir lapisan atas terbentuk dengan laju tetap melalui pemboman 147 N

dengan netron.

147 N +

1o n - - - - - - - - > HC

11

146 +

Netron dihasilkan oleh sinar kosmik. C146 berdisintegrasi dengan emisi -

: Contoh 25-4. Suatu benda dari kayu ditemukan pada tumpukan tanah kuburan orang Indian dan kemudian digunakan untuk penanggalan radiokarbon. Laju peluruhan 14C-nya adalah 10 disintegrasi per menit per gram karbon. Berapa umur benda itu (yaitu waktu yang lewat sejak pohon tersebut dipotong)? Jawaban. Dalam contoh ini digunakan ketiga persamaan (25-17), (25-18), dan (25-19). Per.samaan (25-19) kembali digunakan untuk menetapkan laju keluruhan

t5730

693,0= = 1;21 x 10-4 tahun-l Kemudian digunakan persamaan (25-17) untuk menunjukkan jumlah atom yang sesungguhnya, yaitu No pada t = 0 (pada waktu kesetimbangan l4C dirusakkan) dan Nt pada waktu t (saat ini).

No= == 15)0tpada(peluruhanlaju

Nt = =10)twaktupada(peluruhanlaju

Akhirnya kita masukkan dalam persamaan (25-18)

303,2t)tahun10x21,1(

1510log

/15/10log

NN

log14

o

t==

= -0,18 = -(5,25 x 10-5 tahun-1) t

t = = 15 t10x25,518,0 3,4 x 103 tahun

Umur Bumi. Dari Gambar 25-3 tentang bagan peluruhan radioaktif alam, dapat dilihat nasib yang menunggu dari semua 23892 U yang terdapat di alam, yaitu perubahan menjadi timbal. Mineral uranium alami selalu dapat dihubungkan dengan beberapa timbal non radioaktif yang terbentuk oleh keluruhan radioaktif. Dari perbandingan antara bobot 206

82 Pb dengan 23892 U dalam mineral semacam ini kita dapat menaksir umur batuan yang

mengandung mineral tersebut. Umur batuan yang dimaksud adalah sejak magma cair membeku menjadi batuan. Satu anggapan dalam cara ini adalah bahwa setiap nuklida radioaktif awal, yaitu nuklida mantap, dan semua hasil dan deret peluruhan tetap berada dalam batuan. Anggapan

lainnya adalah bahwa setiap timbal yang berada dalam batuan tersebut sejak awal terdiri dari beberapa isotop timbal dalam kelimpahan alaminya.

Suatu penelitian seksama mengenai persoalan ini memerlukan pengertian tentang hubungan antara laju keluruhan dari radionuklida yang disebut "induk" ("parent") dan nuklida hasff yang disebut "anak" ("daughter").

Waktu-paroh 23892 U adalah 4,5 x 109 tahun. Sesuai dengan bagan keluruhan alami

yang terlihat pada Gambar 25-3, maka perubahan dasar yang terjadi ketika atom 23892 U dan "anak"-nya menjalani keseluruhan rangkaian seperti berikut

23892 U --------->

20682 Pb + 8 He

42 + 6 e

01 (25.21)

Dengan mengabaikan massa partikel -, dapat dilihat bahwa dari setiap 238 gram uranium yang mengalami keluruhan sempurna akan dihasilkan 206 gram timbal dan 32 gram helium.

Misalkan dalam suatu batuan yang sejak awal tak mengandung timbal terdapat 1,000 gram

23892 U dan telah mengalami peluruhan selama satu waktu-paroh yaitu 4,5 x 10

9 tahun. Pada akhir waktu-paroh contoh tersebut mengandung : 0,500 gram 23892 U yang tak mengalami peluruhan, dan

0,500 x 206/238 = 0,433 gram 20683 Pb dengan nisbah

866,0500,0433,0

U

Pb23892

20682 == (25.22)

Nishah U

Pb23892

20682 yang lebih kecil dibandingkan (25-22) menandakan mineral padat

tersebut urnurnya belumlah setua satu waktu-paroh 23892 U. Nisbah yang lebih besar menandakan batuan tersebut berumur lebih tua. Sesungguhnya taksiran yang paling kena dari umur bumi adalah sekitar 4,5 x 109 tahun. Taksiran ini berdasarkan nisbah antara 206

82 Pb dengan 23892 U.dan nisbah pasangan nuklida-nuklida deret keluruhan radioaktif

lainnya.

Contoh 25-5.

Deretan peluruhan radioaktif torium menghasilkan satu atom 206Pb sebagai hasil disintegrasi akhir atom 232Th. Waktu-paroh 232Th adalah 1,4 x 1010 tahun. Suatu batuan tertentu ternyata mempunyai nisbah massa 208Pb/232Th sebesar 0,14:1,00. Dengan menggunakan data ini taksirlah umur batuan tersebut.

Jawaban. Tetapan peluruhan kita perolelr dengan cara seperti biasa.

==t10x4,1

693,010

5,0 x 10-11t-1

Bila kita anggap batuan tersebut mengandung 1,00 gram 232Th pada saat ini (=t) maka,, untuk menentukan jumlah molekul 2 3 2Th awal (=No) maka dapat dilakukan penalaran se-bagai berikut. Massa total 232Th yang terkandung dalam contoh mineral haruslah 1,00 gram yang terdapat sekarang ditambah massa 232Th yang dibutuhkan untuk menghasilkan 0,14 gram 208Pb,

jumlah gram 232Th = 0,14 g 208Pb x Thg16,0Pbg208Pbg232 232

208

232=

Massa total 232Th yang berada sejak awal adalah 1,00 + 0,16 = 1,16 g 232Th. Karena jumlah atom dalam contoh berbanding langsung dengan massanya kita dapat memasukkan harga 1,00 g untuk Nf dan 1,16 g untuk No. Sekarang kita mempunyai data yang diperlukan untuk dimasukkan dalam persamaan (25-18) dan mencari harga t.

303,2tt10x0,5log

NN

log111

o

t=

- 0,064 = - 2,2 x 10-11 t-1 t

t = =

111t10x2,2064, 2,9 x 109 t

25-6 Energitika dari Reaksi Inti Penilaian selengkapnya suatu reaksi inti membutuhkan penggunaan kesetaraan massa dan energi yang dirumuskan oleh Albert Einstein E=mc2 (25.23) Perubahan energi reaksi kimia begitu kecil sehingga perubahan massa yang setara tidaklah terlihat (walaupun hal ini ada). Dalam reaksi kimia dikatakan adanya kekekalan massa. Dalam reaksi inti terlibat perubahan energi yang besar. Perubahan massa yang jelas terjadi pula.

Bila massa nuklida yang tepat diketahui, kita dapat menghitung energi reaksi inti dengan menggunakan persamaan (25-23). Lambang m menyatakan perubahan massa bersih, (dalam satuan kg), sedangkan c adalah keeepatan cahaya (dalam meter/detik). Energi E dinyatakan dalani joule. Satuan lainnya yang biasa digunakan untuk menyatakan energi inti adalah MeV (juta elektron volt).

1 MeV = 1,602 x 10-'3 J (25.24) Contoh 25-6. Berapa jumlah energi yang terlibat dalam peluruhan satu 232U (a) bila satuannya MeV; (b) bila satuannya kJ/mol?

U23892 --------> HeTh42

23490 +

Dalam satuan massa atom (U) diketahui massa nuklidanya adalah 23892 U = 238,0508 u Th

23490 = 234,0437 u

42 He = 4,0026 u

Jawaban

(a) Perubahan massa bersih yang menyertai peluruhan.satu inti 238U adalah 234,0437 + 4,0026 - 238,0508 = -0.0045 u

. Kehilangan massa muncul berubah menjadi energi kinetik yang dilakukan oleh partitcel . Dalam pemecahan soal berikut, hubungan antara u dan g mudah dicari karena 1 u sama dengan 1/12 massa karbon -12.

g10x65,110x02,6

g00,12x121u1 2423

==

E = 0,0045 u x2

228

24

sm)10x00,3(x

g10001x

ug10x66,1

E = 6,7 x 10-13 J

E = 6,7 x 10-13 J x J10x602,1

MeV113 = 4,2 MeV

(b) Hitungan dalam bagian (a) adalah untuk satu disintegrasi. Energi dalam kJ/mol adalah berdasarkan disintegrasi 1 mol atom.

J1000kJ1x

mol1atom10x02,6x

atomJ10x7,6E

2313=

= 4,0 x 103 k.l/mol

Jika hitungan dalam Contoh 25-6a dimulai dengan massa tepat 1,00 u (bukan 0,0045

u), besarnya energi menjadi 931,2 MeV. Harga ini adalah faktor konversi antara massa dan energi 1 Satuan massa atom (u) atau sma = 931,2 MeV (25.25) Energi Ikatan Inti. Gambar 25-5 menunjukkan proses terbentuknya inti 42 He dari dua proton dan dua netron. Dalam pembentukan inti ini terjadilah suatu cacat massa (mass defect) sebesar 0,0305 sma. Gambar 25-5 Energi ikatan inti 42 He. ,0073 sma

1,0073 -0,0305 sma

1,0087

1,0087 4,0320 sma 4,0015 sma

Massa suatu inti helium ( 42 He) 0,0305 sma (satuan massa atom) lebih kecil dibandingkan dengan gabungan massa dua proton dan dua netron. Energi yang setara dengan hilangnya massa ini (disebut cacat masa) merupakan energi inti yang mengikat partikel-partikel inti bersama-sama. Ternyata dalam percobaan massa inti 42 He adalah 0,0305 sma lebih kecil dibandingkan gabungan massa dua proton dan dua netron. Massa yang "hilang" ini dibebaskan sebagai energi. Melalui perhitungan yang sama dengan Contoh 25-25, dapat dilihat bahwa 0,0305 Sma setara dengan energi sebesar 28,4 MeV. Karena hal ini merupakan energi yang dibebaskan dalam pembentukan inti 42 He, energi ini disebut energi ikatan inti. (Dengan kata

lain, suatu inti 42 He harus menyerap energi sebesar 28,4 MeV agar proton dan netron

tarpisahkan). Bila kita membayangkan energi ikatan dalam 42 He dibagi antara dua proton dan dua netron, maka energi ikatan per nukleon adalah 7,1 MeV. Perhitungan yang sama dapat dilakukan untuk inti lainnya dan dihasilkan gambar seperti terlihat dalam Gambar 25-6. Gambar 25-6 Energi ikatan rata-rata per nukleon sebagai fungsi dari nomor atom.

Gambar 25-6 menunjukkan bahwa energi ikatan per nukleon terbesar untuk suatu inti ter-

dapat pada nomor massa sekitar 60. Dapat ditarik dua kesimpulan yang menarik: (a) Bila inti yang kecil digabungkan menjadi suatu inti yang lebih berat (hingga kira-kira A = 60), ternyata energi ikatan per nukleon bertambah dan suatu jumlah massa tertentu harus berubah menjadi energi. Reaksi inti bersifat sangat eksoterm. Ini merupakan suatu proses penggabungan (fusion process) dan menjadi dasar dari bom hidrogen. (b) Untuk inti yang mempunyai nomor massa lebih besar dari 60, penambahan nukleon tambahan akan membutuhkan energi (karena energi ikatan per nukleon menurun). Disintegrasi inti berat menjadi inti ringan akan disertai pembebasan energi. Ini merupakan proses pembelahan (fision process) dan menjadi dasar dari bom atom dan reaktor tenaga nuklir konvensionfl. Pembelahan dan penggabungan inti dibicarakan lebih mendalam dalam Sub Bab 25-8 dan 25-9. Tetapi sebelumnya marilah kita perhatikan Gambar 25-6 yang mempersoalkan kemantapan inti.

25-7 Kemantapan Inti Selama kita menjelaskan proses keluruhan inti mungkin sekali anda telah mempunyai be-berapa pertanyaan dasar misalnya: Mengapa beberapa inti radioaktif mengalami keluruhan dengan emisi , inti lain dengan emisi -, dan seterusnya? Mengapa unsur yang lebih ringan mempunyai hanya sedikit nuklida radioaktif alami, sedangkan unsur yang lebih berat kelihat-annya semuanya radioaktif? Tabel 25-2 Bilangan magis untuk kemantapan inti Jumlah Proton Jumlah Netron 2 2 8 8 20 20 28 28 50 50 82 82 114 126 184 196 Petunjuk pertama untuk menjawab pertanyaan semacam ini terlihat pada Gambar 25-6 yang secara khusus memperlihatkan beberapa nuklida. Nuklida tersebut mempunyai energi ikatan yang lebih besar dibandingkan nuklida lainnya. Inti-inti semacam ini sangat mantap. Pengamatan ini sesuai dengan teori struktur inti yang dikenal sebagai teori Wit (shell theory). Dalam pembentukan inti, proton dan netron dipercaya mengisi sederetan kulit inti. Proses ini analog dengan terbentuknya konfigurasi elektron suatu atom oleh penambahan elektron berturut-turut pada kulitkulit elektron. Seperti juga proses Aufbau yang secara berkala menghasilkan konfigurasi elektron yang sangat mantap, maka inti tertentu rnendapatkan kemantapan khusus sewaktu kulit-kulit inti terisi. Kemantapan khusus suatu inti atom atom melibatkan jumlah proton dan/atau netron tertentu yang dikenal sebagai bilangan magis (magic numbers). Bilangan magis ini tercantum dalam Tabel 25-2.

Analog dengan elektron, maka nukleon juga mempunyai spin dan sepasang spin mengisi kulit inti. Inti yang mempunyai jumlah nukleon ganjil akan mengakibatkan adanya spin inti. Nukleon mantap dengan jumlah ganjil lebih sedikit dibandingkan dengan nukleon dengan jumlah genap. Keadaan ini ditunjukkan oleh sebaran jumlah proton (Z) dan netron (N) di antara nuklida mantap yang dikenal.

Z genap; N genap : 163 nuklida Z genap; N ganjil : 55 Z ganjil; N genap : 50 Z ganjil; N ganjil : 4

Gabungan Z ganjil-N ganjil hanya ditemukan pada unsur yang lebih ringan 21 H, 63 Li,

105 B, dan N147 .

Manifestasi lain dari gejala pasangan ini adalah kenyataan bahwa unsur dengan nomor atom ganjil umumnya hanya mempunyai satu atau dua isotop mantap, sedangkan unsur dengan nomor atom genap mempunyai beberapa isotop mantap. Bila semua proton berpasangan (jumlah atom genap) maka inti tersebut mampu menampung netron dengan jumlah bermacam-macam. Hal ini mengakibatkan adanya bermacam isotop. Beberapa data yang mewakili terlihat pada Tabe125-3.

Tabet 25-3 Isotop mantap dari beberapa unsur

Unsur Z Jumlah isotop mantap H 1 2 O 8 3 F 9 1 Ne 10 3 Cl 17 2 Ca 20 6 Cu 29 2 Sn 50 10 I 53 1 Hg 80 7 Untuk unsur yang ringan (sampai dengan Z = 20) nuklida mantap yang umum mempunyai proton dan netron dengan unsur jumlah yang sama, misalnya 42 He,

126 C,

168 O,

2814 Si,

4020 Ca. Karena bertambahnya daya tolak antara proton dalam unsur yang

mempunyai jumlah atom yang lebih besar maka sejumlah besar netron harus ada untuk memantapkan intinya dan perbandingan n/p juga bertambah besar. Untuk bismut maka nisbah tersebutsekitar 1,5: 1. Gambar 25-7 menunjukkan lingkup nisbah n/p untuk nuklida mantap sebagai suatu fungsi jumlah atom.

Contoh 25-7. Dari nuklida berikut yang manakah diharapkan mantap, dan yang manakah radioaktif?

(a) 76As;; (b) 120Sn ; (c) 214 Po

Jawaban (a) 76As mempunyai Z = 33 dan N = 43. Ini merupakan gabungan ganjil dengan ganjil yang

ditemukan hanya pada empat dari unsur-unsur yang ringan. 76As bersifat radioaktif. (Perhatikan juga bahwa nuklida ini terletak di luar lajur kemantapan dalam Gambar 25-7).

(b) Sn mempunyai jumlah atom 50 yang merupakan bilangan magis. Pada nuklida 120Sn jumlah netronnya adalah 70. Ini merupakan gabungan genap dengan genap dengan demikian kita harapkan inti ini mantap. Lagi pula Gambar 25-7 menunjukkan bahwa nuklida ini termasuk di dalam lajur kemantapan. 12OSn adalah nuklida mantap.

(c) 214Po mempunyai jumlah atom 84. Semua nuklida yang dikena dan mempunyai Z > 83 adalah radioaktif. 214Po bersifat radioaktif.

(a). Lajur nuklida mantap alami meliputi 11H hingga 209

83 Bi.

(b). Nuklida radioaktif dari unsur berat alami maupun buatan. (c). Nuklida berat yang sangat mantap yang mungkin ada (mempunyai waktu-paroh radioaktif yang panjang).

Berdasar beberapa gagasan yang kita bicarakan ini (yaitu teori kulit inti, bilangan

magis dan lainnya), ahli-ahli kimia inti telah meramalkan kemungkinan adanya nuklida berjumlah atom tinggi. Nuklida semacam ini diharapkan mempunyai waktu-paroh yang panjang. Dewasa ini dilakukan usaha untuk menemukan nuklida semacam ini balk di alam maupun membuatnya dalam pemacu. (Agar suatu nuklida tetap berada setelah bumi terbentuk, maka waktu parohnya haruslah lebih lama dari 108 tahun.) Gambar 25-7 menunjukkan lingkup dari jumlah proton dan netron secara umum dari nuiclida tersebut. Mekanisme Peluruhan Radioaktif. Emisi partikel oleh suatu inti tidak sulit untuk dibayangkan. Empat nukleon (dua proton dan dua netron) terlempar dari inti dan menyebabkan inti tersebut secara energetika lebih mantap. Emisi partikel sangat terbatas pada nuklida dengan Z > 82, walaupun ada juga beberapa pengemisi di antara nuklida lantanida. Emisi sinar gamma dapat dibayangkan sebagai penataan ulang nukleon dengan pembebasan energi berupa radiasi elektromagnet. Emisi partikel - dan + dan penangkapan elektron sulit untuk dibayangkan. Tapi kita dapat melukiskannya sebagai berikut *

emisi - . n10 ------> p

11 + e

01 (25.26)

emisi + : p11 -------> n10 + e

01+ (25.27)

penangkapan elektron : p11 + e01 -------> n10 (25.28)

Tabel 25-4 Sifat radioaktif dan isotop Isotop Cara peluruhan Waktu Paroh 17F + 66 s 18F + 109,7 min EC 19F stable 20F - 11,4 s 21F - 4,4 s 22F - 4,0 s Bila suatu nuklida terletak di atas jalur kemantapan pada Gambar 25-7 maka umumnya nisbah n/p terlalu tinggi. Dalam hal ini netron diubah menjadi proton dan terjadilah emisi partikel - (25.26). Bila suatu nuklida terletak di bawah jalur kemantapan maka nisbah n/p terlalu rendah. Dalam hal ini akan terjadi pengubahan proton menjadi netron dan diikuti emisi + (25.27) atau terjadi penangkapan elektron (25.28). Tabel 25-4 menunjukkan deret isotop fluor.

contoh 25-8.

Dengan cara bagaimana nuklida 82Y mengalami peluruhan?

Jawaban : Bahwa nuklida ini radioaktif dapat ditunjukkan dengan dua cara. Nuklida ini terletak di bawh jalur kemantapan dalam Gambar 25-7, dan juga gabungan proton dan netronnya adalah ganjil dengan ganjil. Nuklida tersebut mempunyai netron yang terlalu sedikit untuk mencapai kemantapan. Maka proton harus diubah menjadi netron dengan teremisinya positron (+) (25-2'7) atau dengan penangkapan elektron (25-28). 25-8 Pembelahan Inti (Nuclear Fission) Pada tahun 1934 Enrico Fermi seorang ahli fisika Italia mengajukan bahwa unsur transuranium kemungkinan dapat dihasilkan oleh penembakan netron pada uranium. Menurut penalarannya, hilangnya berturut-turut partikel - dapat menyebabkan nomor atom bertambah,

* Persamaan (25.26) dan (25.27) adalah penyederhanaan yang berlebih-lebihan dari kasus yang sebenarnya. Dalam orde beberapa sifat kita perhatikan, untuk kehadiran dalil penting sekali di mana partikel yang lain kecil sekali (kira-kira 0,0004 kali massa dari elektron) di dalam proses pengurangan p. Di sini neutrino dalam persamaan (25.26) dan antineutrino dalam (25.27). Keadaan dari partikel tetap ada. kemungkinan mencapai 96. Ketika percobaan semacam itu dilakukan ternyata memang inti yang dihasilkan mengemisikan -. Tapi pada tahun 1938 dua ahli kimia Hahn dan Strassman melalui analisis kimia menemukan bahwa hasil penembakan netron pada uranium tak ada

hubungannya unsur-unsur dengan Z > 92. Juga bukan unsur yang berdekatan dengan uranium (yaitu Ra, Ac, Th atau Pa). Ternyata hasilnya adalah radioisotop dari unsur yang jauh lebih ringan seperti stronsium dan barium. Penembakan netron pada inti uranium menyebabkan sebagian dari inti tersebut mengalami pembelahan (fission) menjadi fragmen yang lebih kecil. Proses pembelahan ditunjukkan dalam Gambar 25-8. Gambar 25-8 Pembelahan inti 23592 U dengan netron termal

Suatu inti 23592 U ditabrak oleh netron yang berenergi termal biasa. Pertama-tama dihasilkan

inti 23692 U yang tak-mantap kemudian inti ini pecah menjadi fragmen ringan dan berat dan beberapa netron. Terjadinya bermacam fragmen inti mungkin saja tetapi yang paling banyak adalah fragmen ringan dengan nomor massa 97 sedangkan yang berat bernomor mama 137.

Energi yang setara dengan massa yang hilang dalam suatu proses pembelahan ternyata

agak beragam. Hal ini disebabkan kemungkinan terbentuknya bermacam fragmen pembelahan. Tetapi energi rata-rata untuk tiap pembelahan kira-kira 3,20 x 10-11 J (200 MeV).

23592 U + n ------>

23692 U --- -> Fragmen Pembelahan + netron + 3,20 x 10

-11J

Pada persamaan (25-28) energi tersebut kelihatannya kecil, tetapi ini dihasilkan dari pembelahan satu inti 23592 U. Berapakah bila 1 gram

23592 U mengalami pembelahan?

jumlah kJ = 1,00 g 235U x Uatom1J10x20,3x

Umol1Uatom10x02,6x

Ug235Umol1

235

11

235

23523

235

235

= 8,20 x 1010 J = 8,20 x 107 kJ Ini merupakan jumlah energi yang luar biasa besarnya! Bandingkan dengan pembakaran yang sempurna dari 1,00 gram karbon yang hanya membebaskan 32,8 kJ. Reaktor Inti. (Nuclear Reactors) Dalam pembelahan satu 23592 U, rata-rata dibebaskan 2,5 netron. Netron-netron ini rata-rata menyebabkan terjadinya dua atau lebih pembelahan berikutnya. Netron yang dihasilkan pada pembelahan babak kedua menghasilkan empat atau lima pembelahan berikutnya, demikianlah seterusnya. Hasilnya terjadilah reaksi berantai (chain reaction). Bila reaksinya tidak terkendalikan maka total energi yang terbebaskan akan menyebabkan suatu ledakan; inilah dasar dari suatu bom atom. Dalam suatu reaktor inti maka energi yang terbebaskan dikendali dengan baik. Pembelahan spontan yang mengakibatkan terjadinya ledakan yang tak terkendali hanya terjadi bila jumlah 23592 U melebihi massa kritik

(critical mass). Di bawah massa kritik, netron yang terlepas dari 235U tidak mendukung terjadinya reaksi berantai.

Dalam reaktor inti, energi pembelahan yang dibebaskan dikendalikan dengan baik. Gambar 23-9 menunjukkan satu bentuk umum dari reahtor inti yang disebut reaktor air ringan (light water reactor). Pada bagian tengah reaktor, tongkat bahan bakar yang kaya akan uranium digantungkan di dalam air yang tekanannya dijaga antara 70 hingga 150 atm. Air dalam hal ini mempunyai dua kegunaan. Pertama untuk memperlambat netron yang terbentuk selama proses pembelahan agar hanya mempunyai energi termal yang normal. Netron termal ini ternyata lebih mampu untuk melakukan pembelahan dibandingkan netron yang sangat energetik. Dengan kemampuannya ini air dikatakan bertindak sebagai suatu moderator. Kegunaan kedua dari air adalah sebagai medium pemindah panas. Energi reaksi pembelahan menjaga suhu tinggi (sekitar 3000C). Air yang bersuhu tinggi dibiarkan mengadakan kontak dengan air dingin dalam suatu penukar panas. Air dingin diubah menjadi uap yang menggerakkan generator listrik. Komponen akhir dari reaktor inti adalah sekumpulan tongkat pengendali (control rods), biasanya terbuat dari logam kadmium yang berfungsi untuk menyerap elektron. Bila tongkat-tongkat ini diturunkan ke dalam reaktor maka proses pembelahan akan diper-lambat. Bila tongkat tersebut dinaikkan maka baik rapatan netron maupun kecepatan pembelahan akan bertambah.

Reaktor inti yang berdasarkan pembelahan 23692 U dinamakan pembakar inti. Dalam pembakar inti ini, nuklida yang mampu membelah dihabiskan (kira-kira 1 sampai 3 kg per hari) dan tertimbunlah limbah radioaktif tinggi. Pemisahan,penghimpunan dan pembuangan limbah radioaktif adalah masalah sulit yang membutuhkan teknologi kimia yang memadai. Cara pembuangan limbah radioaktif yang cukup memuaskan masih harus ditemukan.

Segi penting lain dari pembakaran inti adalah sangat cepatnya penggunaan inti yang mampu membelah yang relatif tidak melimpah ketersediaannya. 23592 U hanya sekitar

0,71% dari uranium alami. Untuk mengekstrak 23592 U murni dari bijih uranium, dibutuhkan bijih bermutu tinggi, biasanya U308. Cadangan U308 di dunia dan pertumbuhan tenaga inti menunjukkan bahwa persediaan 23592 U yang ada akan habis pada akhir abad ini. Reaktor inti konvensionil merupakan cara yang terbatas dalam memproduksi energi jangka panjang.

Gambar 23-9 Reaktor inti air ringan (LWR)

Reaktor Pembiak (Breeder Reactors). Apa yang diperlukan untuk mengawali

pembelahan 23592 U adalah netron yang berenergi termal biasa. Inti 23592 U yang

merupakan nuklida uranium yang berlimpah (99,28%) bila ditembak dengan netron energetik akan mengalami reaksi berikut

23592 U + n

10 ------> U

23992

U23992 --------> eNp01

23993 +

ePuNp 0123994

23993 +>

Nuklida yang mampu membelah seperti U23592 disebut nuklida terbelahkan (fissile

nuclide), contoh lainnya ialah 23994 Pu. Nuklida semacam 236

92 U yang dapat diubah menjadi nuklida terbelahkan dikatakan subur (fertile). Dalam suatu reaktor inti pembiak, sejumlah kecil nuklida terbelahkan memberikan netron yang mengubah sejumlah besar nuklida subur menjadi nuklida terbelahkan. (Nuklida terbelahkan akan ikut serta dalam reaksi berantai yang bersifat mandiri).

Bila dikembangkan, keuntungan yang nyata dari reaktor pembiak adalah bahwa jumlah "bahan bakar" uranium yang ada segera melonjak kira-kira 100 kali. Ini merupakan nisbah 23892 U dengan

23892 U yang terdapat di alam. Sesungguhnya

keuntungannya lebih besar dari hal ini. Reaktor pembiak mampu menggunakan bahan bakar inti yang kandungan uraniumnya sangat rendah. Misalnya endapan batuan serpih (shale) yang didapatkan di Pegunungan Appalachian sebelah barat mengandung 0,006% uranium berdasar berat, semuanya ini merupakan bahan bakar inti yang cukup banyak.

Tetapi ada kelemahan penggunaan reaktor pembiak. Hal ini khususnya terdapat pada reaktor yang sekarang ini sedang dikembangkan dengan giat, yaitu reaktor pembiak cepat dengan logam cair yang didinginkan (liquid-metal-cooled fast breeder reactor, LMFBR). Sistemnya harus sempurna untuk menangani logam cair (misalnya natrium) yang dalam reaktor akan menjadi sangat radioaktif. Juga perlu diingat banyaknya

produksi kalor dan netron yang begitu besar pada LMFBR dibandingkan dari LWR. Hal ini menyebabkan kerusakan material yang lebih cepat pada LMFBR. Faktor ini sangat menyulitkan konstruksi dan operasi ceaktor jenis ini. Masalah tak terpecahkan yang paling utama adalah penanganan limbah fadioaktif dan pemrosesan ulang bahan bakar plutonium. Plutonium adalah salah satu bahan paling beracun yang dikenal. Bahan ini dapat menyebabkan kanker paru-paru bila terhirup walaupun dalam jumlah yang sedikit (dalam mikrogram, 10-6 gram). Standar kesehatan di AS menetapkan ambang sebesar 0,6 gram. Tambahan lagi, karena plutonium mempunyai waktu paroh yang panjang (24.000 tahun) maka daerah yang terkena akan mengalami pencemaran yang kekal.

25-9 Penggabungan Inti (Nuclear Fusion) Penggabungan inti atom merupakan proses di mana energi dihasilkan pada matahari. Reaksi penggabungan yang tak terkendali merupakan dasar dari bom hidrogen. Bila suatu reaksi penggabungan dapat dikendalikan, reaksi akan memberikan sumber energi yang hampir tak terbatas. Reaksi inti yang memberi harapan besar adalah reaksi deterium-tritium:

21H +

31H ---->

42 He +

10 n (25.29)

Kesulitan dalam mengembangkan reaksi penggabungan mungkin tak ada yang menyamainya dalam sejarah teknologi. Kelayakan reaksi penggabungan yang terkendali harus ditunjukkan terlebih dulu. Masalah utamanya adalah sebagai berikut :

Agar penggabungan antara inti deterium dan tritium terjadi keduanya harus saling sangat berdekatan. Karena inti atom saling tolak, inti yang mendekat harus energi termal yang sangat tinggi. Pada suhu yang diperlukan untuk mengawali reaksi penggabungan, gas mengalami ionisasi sempurna menjadi campuran inti dan elektron yang dikenal sebagai plasma. Sesungguhnya, dibutuhkan suhu plasma yang lebih tinggi (di atas 40.000.000 K) untuk mengawali reaksi mandiri (reaksi yang membebaskan energi lebih besar dibandingkan dengan yang dibutuhkan untuk memulai reaksi). Tentunya tak ada wadah yang tahan suhu sangat tinggi ini. Harus dicari cara untuk menahan plasma mengadakan kontak dengan bahan lain (mempunyai rapatan yang cukup tinggi) serta waktu yang cukup agar reaksi penggabungan dapat terjadi. Saat ini dua cara yang mendapat perhatian besar adalah pengurungan dalam suatu medan magnet dan pemanasan butir deuterium-tritium beku dengan berkas laser. Kondisi kritik untuk memperoleh reaksi penggabungan yang tertunjang belum dicapai oleh kedua cara ini. Selain kesulitan ini, banyak masalah teknis harus diselesaikan, meliputi penanganan litium cair yang diharapkan sebagai medium pemindah panas dan sumber tritium ( 31H).

Pada bom hidrogen maka suhu yang tinggi ini diperoleh dengan peledakan bom atom yang selanjutnya memacu reaksi penggabungan.

73 L i +

10 n ------->

42 He +

31H +

10 n (25.30)

(cepat) (lambat)

Akhirnya untuk cara pengurungan magnit, medan magnit harus dihasilkan oleh magnit adikonduksi (superconducting) yang suhunya dijaga mendekati nol mutlak. Jadi reaktor penggabungan ini harus mempunyai bagian yang bersuhu mendekati 0K dan bagian lain

yang bersuhu berpuluh juta derajat K dan keduanya dipisahkan oleh jarak mungkin hanya dua meter. Simulasi bahan bakar pelet uranium oksida-plutonium oksida untuk sarana uji reaktor inti. Satu pelet dapat menghasilkan energi setara dengan tiga ton batubara. (Sumbangan dari Atonic Industrial Forum, Inc)

Banyak keuntungan penggabungan dibandingkan pembelahan. Karena dalam setiap 6500 atom H terdiri dari sekitar satu deterium, dan lautan dapat menyediakan dalam jumlah yang tak terbatas bahan bakar inti ini. bumi mengandung cukup litium sebagai sumber tritium untuk kurun waktu 1 juta tahun.

25-10 Dampak Radiasi pada Zat Marilah kita alihkan perhatian secara singkat pada dampak radiasi dari inti radioaktif. Meskipun ada perbedaan yang besar bagaimana sinar ,, dan , berinteraksi dengan atom dan molekul sewaktu mereka melalui contoh zat, ternyata mereka semua mempunyai corak yang sama, yaitu cenderung untuk mengeluarkan elektron dari atom dan molekul untuk menghasilkan ion. Daya pengion dari radiasi ini mungkin digambarkan sebagai jumlah pasangan ion yang terbentuk. Suatu pasangan ion terdiri dari satu elektron terionkan dan ion positif yang dihasilkan. Partikel mempunyai daya pengion yang paling besar kemudian diikuti oleh partikel dan sinar . Elektron terion yang dihasilkan langsung dari tabrakan partikel radiasi dengan atom disebut elektron primer. Elektron semacam ini dengan sendirinya mungkin mempunyai cukup energi untuk menyebabkan ionisasi sekunder. Jadi walaupun beberapa radiasi (misalkan sinar ) mungkin menghasilkan sedikit elektron primer tetapi ionisasi total yang bersangkutan jika menembus suatu zat tersebut dapat dikatakan besar.

Tidak semua interaksi antara radiasi dan zat menyebabkan pembentukan ion. Dalam beberapa hal, elektron hanya naik ke tingkat energi atom atau molekul yang lebih tinggi. Kembalinya elektron ini ke keadaan normal disertai oleh radiasi, dapat berupa sinar x, ultraviolet atau sinar tampak, dan ini tergantung pada energi yang terlibat. Beberapa energi partikel radiasi dapat juga berupa panas. Contoh praktis dari efek ini terdapat pada angka jam yang bercahaya. Angka-angka tersebut dicat dengan campuran bahan yang dapat berpijar, misalnya seng sulfida dan bahan radioaktif dalam jumlah runut seperti radium (sebagai pengemisi ). Eksitasi seng sulfida oleh partikel akan disertai emisi sinar, dengan demikian angka akan terlihat di kegelapan.

Gambar 25-10 menunjukkan beberapa kemungkinan tersebut. (a) Tabrakan menghasilkan elektron primer dan sekunder. (b) Suatu atom mengalami eksitasi karena dilalui oleh partikel , Suatu elektron dinaikkan ke tingkat energi yang lebih tinggi. Di dalam atom tersebut. Atom yang tereksitasi kembali ke keadaan normal dengan mengemisikan radiasi. Detektor Radiasi. Interaksi radiasi dengan zat dapat merupakan dasar untuk deteksi radiasi dan pengukuran intensitasnya. Salah-satu cara yang paling sederhana adalah yang digunakan oleh Becquerel sewaktu ia menemukan keradioaktifan, yaitu menggunakan lempeng fotografi. Efek sinar , , dan pada emulsi fotografi serupa dengan efek sinar x.

Gambar 25-10 Beberapa interaksi radiasi dengan zat

Suatu alat yang berperanan penting dalam perkembangan pengetahuan tentang keradioaktifan adalah kamar awan (cloud chamber) terlihat dalam Gambar 25-11. Prinsip bekerjanya sangat sederhana. Bila suatu uap dibuat jenuh (misalnya dengan pengembangan dan pendinginan) dan pada waktu tersebut tidak ada inti (misalnya partikel debu) yang dapat menyebabkan pengembunan maka uap tersebut dapat mengalami lewat-jenuh. Bila radiasi pengion melewati uap semacam ini maka ion yang diha$ilkan akan menjadi inti dari cairan yang terbentuk. Akan dihasilkan tetesan yang memb.entuk jejak menyerupai awan. Jenis radiasi pengion dan beberapa cirinya dapat diketahui dari jejak semacam ini. Misalnya partikel menghasilkan jejak yang pendek, lurus serta tebal. Sedangkan partikel -menghasilkan jejak yang panjang, tipis serta berkelok. Bila ruang awan ini ditempatkan dalam medan magnit maka jejak tersebut akan membentuk lengkungan, partikel menuju ke satu arah sedangkan partikel a- menuju arah yang berlawanan.

Kamar gelembung (bubble chamber) merupakan modifikasi dari kamar awan dan berguna untuk mendeteksi radiasi yang berenergi tinggi seperti sinar . Dalam alat ini, suatu bahan (biasanya hidrogen) dijaga tetap pada titik didihnya. Sinar pengion yang melintasi menyebabkan terbentuknya pasangan ion dan selanjutnya ion tersebut akan dikelilingi gelembung uap yang terbentuk. Jejak selanjutnya juga dapat di potret dan dianalisis.

Alat yang paling umum untuk mendeteksi dan mengukur radiasi pengion adalah penghitung Geiger-Muller (Geiger Muller counter) terlihat pada Gambar 25-12. Penghitung G-M terdiri dari katode berbentuk silinder dengan anode kawat sebagai sumbu silinder tersebut. Anode dan katode keduanya.tertutup rapat dalam suatu tabung gelas yang berisi gas. Tabung ini bekerja sedemikian rupa sehingga ion yang dihasilkan sewaktu radiasi melintasi tabung tersebut mencetuskan pulsa aliran listrik. Pulsa inilah yang kemudian dihitung. Gambar 25-11 Kamar awan dari Wilson

(a) Uap jenuh (misalkan etanol) didinginkan dengan pengembangan yang tiba-tiba.

Akibatnya uap tersebut menjadi lewat-jenuh. Pasangan ion yang dihasilkan dalam uap yang lewat-jenuh berperan sebagai inti untuk jejak,kondensasi.

(b) Jejak partikel (c) Suatu partikel a bertabrakan dengan inti atom. Dua jejak keluar dari titik di mana

jejak ash menghilang (yangsatu adalah jejak partikel a dan lainnya adalah jejak atom yang ditabrak).

(d) Partxkel dibelokkan dalam medan magnet. (e) Partikel - dibelokkan dalam medan magnet. (f) Positron (+) dibelokkan dalam medan magnet. Gambar 25-12 Penghitung Geiger-Muller

Radiasi memasuki tabung G-M lewat jendela kaca. Ion yang dihasilkan akibat radiasi menyebabkan gas dalam tabung (biasanya argon) mengalami gangguan listrik. Pulsa dari aliran listrik akan melintasi lintas arus listrik dan kemudian dapat dihitung. Dampak Radiasi Pengion pada Jasad Hidup. Seluruh kehidupan terkena radiasi pengion alami seperti sinar kosmik, ultraviolet dan radiasi yang keluar dari unsur radioaktif seperti uranium yang terdapat dalam batuan. Tingkat radiasi tidak selalu sama, tergantung tempatnya di bumi, misalnya tempat yang tinggi mempunyai tingkat radiasi yang lebih besar. Hanya baru-baru ini saja manusia mampu menciptakan keadaan di mana jasad hidup dapat dikenai radiasi pada tingkat yang lebih tinggi dibandingkan di alam.

Interaksi radiasi dengan jasad hidup sama dengan bentuk zat lainnya di mana molekul mengalami ionisasi, eksitasi dan juga disosiasi. Radiasi pengion dengan dosis yang besar sudah pasti mematikan jasad hidup. Tetapi radiasi pengion dengan dosis yang kecil dapat menyebabkan perubahan kromosom sel. Jadi, umumnya dipercaya bahwa meskipun dengan

dosis yang cendah radiasi pengion dapat mengakibatkan cacat lahir, leukemia, kanker tulang dan kanker bentuk lainnya. Pertanyaan yang selalu membuntuti dan belum ada jawabannya yang pasti adalah seberapa besar kenaikan terjadinya cacat lahir dan kanker yang diakibatkan oleh tingkat radiasi tertentu.

Dosis Radiasi. Beberapa satuan yang berbeda digunakan untuk menyatakan dosis radiasi, yaitu jumlah radiasi yang mengenai zat. Tabe125-5 merupakan ringkasan satuan tersebut.

Tabel 25-5 Jatuan dosis radisia Satuan Definisi Curie Jumlah bahan radioaktif yang mengalami keluruhan pada kecepatan yang sama dengan 1 gram radium (3,7 x lOr() disintegrasi/detik) Rad Dosis radiasi yang mampu menumpuk energi sebesar 1 x 10-2J tiap kilogram zat. Rem Satuan yang bersangkutan dengan rad, tetapi memperhitungkan bermacam dampak dari jenis radiasi yang berenergi sama terhadap zat biologis. Hubungan ini dilakukan melalui "faktor mutu" ("quality factor") yang dapat dianggap sama dengan satu untuk sinar-sinar x dan serta partikel . Faktor ini berharga 5 untuk proton dan netron lambat, dan 10 untuk partikel a. Jadi dampak 1 rad sinar x setara dengan 1 rem, tapi 1 rad partikel cc setara dengan 10 rem .aSumber radiasi CY relatif tak berbahaya bila mengenai badan bagian luar tetapi sangat berbahaya bila mertgenai badan bagian dalam seperti paru-paru atau perut. Bentuk radiasi lain (sinar x maupun p) karena mempunyai daya tembus yang besar, berbahaya walaupun mengenai badan bagian luar.

Diperkirakan radiasi sebesar 1000 rem dalam interval waktu yang pendek akan mem-

bunuh 100% populasi yang terkena. 450 rem mungkin mengakibatkan kematian sekitar 50% populasi yang terkena dalam waktu 30 hari. Satu dosis 1 rem yang mengenai 1 juta orang akan menghasilkan 100 kasus kanker dalam waktu 20 hingga 30 tahun. Jumlah radiasi yang di-terima badan kebanyakan penduduk dunia dari sumber alami kira-kira 0,13 rem (130 milirem) per tahun. Pemeriksaan dengan sinar x pada dada memberikan 20 milirem. Produksi pembangkit tenaga inti (nuklir) diperkirakan memberikan radiasi pada populasi umum paling tinggi sebesar 5 milirem per tahun.

Beberapa pernyataan terdahulu tentang radiasi dan dampak yang diperkirakan berdasar pada (1) sejarah medis orang yang selamat setelah ledakan bom atom di Nagasaki dan Hiroshima, (2) timbulnya leukemia dan kanker lainnya pada anak-anak yang ibunya menerima radiasi diagnostik selama kehamilan, dan (3) peristiwa kanker paru-paru pada buruh tambang uranium di Amerika Serikat. Dari kenyataan ini, bagaimanakah tingkat "aman" dari radiasi? Satu pendekatan adalah untuk membuat ekstrapolasi dari dosis tinggi ini ke dosis yang lebih rendah yang dapat mempengaruhi populasi umum. Hal ini mendorong dewan nasional Amerika Serikat yang menangani perlindungan dan pengukuran radiasi (the United States National Council on Radiation Protection and Measurements) mengajukan saran agar dosis dari semua sumber yang mengenai populasi umum dibatasi 0,17 rem (170 milirem) di atas tingkat dasar setiap tahunnya. Tetapi Para ahli berbeda pendapat lain mengenai bagaimana seharusnya data akibat dosis tinggi diekstrapolasikan ke dosis rendah. Beberapa ahli berpendapat bahwa jumlah 0,17 rem/tahun adalah 10 kali terlalu

tinggi. Bila ternyata demikian, maka tambahan 0,17 rem/tahun di atas tingkat dasar mungkin akan meningkatkan cacat lahir dan kanker secara nyata. 25-11 Penerapan Radioisotop Baik kemampuan reaksi inti untuk memberikan sumber energi baru maupun daya perusaknya telah dibicarakan di atas. Bermacam pemakaian praktis radioisotop memang penting tapi kurang diketahui umum. Kita akhiri bab ini dengan tinjauan singkat beberapa penerapan radioisotop.

Pengobatan Kanker. Telah diketahui bahwa dengan dosis rendah radiasi pengion dapat menyebabkan kanker, tetapi radiasi tersebut juga (khususnya sinar ) dapat digunakan dalam pengobatan kanker. Dasar pengobatan ini ialah walaupun radiasi cenderung merusakkan semua sel, tetapi sel kanker ternyata lebih mudah rusak dibandingkan sel normal. Jadi berkas sinar atau sinar x yang berenergi tinggi yang diarahkan dengan hati-hati sekali dan dengan dosis yang tepat dapat digunakan untuk menghentikan pertumbuhan sel kanker. Belakangan ini pengobatan radiasi dengan menggunakan berkas netron dilakukan terhadap beberapa bentuk kanker.

Perunut Radioaktif (Radioactive Tracers). Sifat yang berbeda pada isotop radioaktif dibandingkan non-radioaktif adalah ketidak-mantapan intinya dan bukan pada sifat fisika maupun kimianya. Jadi dalam setiap proses fisika maupun kimia kedua macam isotop ini diharapkan berkelakuan sama. Fakta ini merupakan prinsip dasar dalam penggunaan perunut radioaktif atau atom yang "ditandai" ("tagged" atoms). Sebagai contoh, bila sejumlah kecil radioaktif buatan 32P (sebagai fosfat) dibubuhkan pada larutan hara untuk tanaman, maka penangkapan fosfor dapat diikuti dengan membuat peta bagian tanaman yang menjadi radioaktif. Dengan cara yang sama maka jalan iod dalam tubuh manusia dapat ditentukan dengan cara n;emberi minum seseorang dengan larutan iodida yang mengandung sejumlah kecil iod radioaktif sebagai perunut. Ketidaknormalan kelenjar tiroid dapat diketahui melalui cara ini.

Dalam industri, pemakaian perunut juga banyak. Jalan suatu katalis di pabrik kimia dapat diikuti dengan menggabungkan perunut radioaktif pada katalis, sebagai contoh 192Ir pada katalis Pt-Ir. Dengan mengikuti keaktifan 192Ir kita dapat menentukan kecepatan pengangkutan katalis tersebut dan ke arah mana dari pabrik.

Struktur dan Mekanisme. Pengetahuan yang-terinci dari suatu mekanisme reaksi kimia atau struktur spesies dapat diduga dari percobaan menggunakan radioisotop sebagai perunut. Perhatikan bukti percobaan berikut yang menyokong pernyataan di Sub Bab 21-2, bahwa kedua atom S pada ion thiosulfat S2O3 2- tidak setara.

S2032- dibuat dari belerang rad3 ioaktif (35S) dan ion sulfit yang mengandung isotop non-radioaktif 32S.

35S + 32S032- ---------> 35S32S032- (25.31) Bila ion thiosulfat mengalami penguraian oleh pengasaman, maka semua keradioaktifan terdapat pada endapan sulfur dan tak terdapat pada gas S02. Atom 35 S harus terikat dengan cara yang berbeda dari atom 32S (lihat Gambar 21-10) 35S32S032- + 2 H+ ---------> H2O + 32S02(g) + 35S(S) (25.32)

Dalam reaksi (25-33), KI04 non-radioaktif ditambahkan pada larutan mengandung

ion iodida yang ditandai dengan radioisotop 128I. Ternyata semua keradioaktifan

terdapat pada I2 dan tak terdapat pada I03-. Ini membuktikan bahwa semua I03- dihasilkan oleh reduksi I04- dan bukannya oleh oksidasi I-.

I04- + 2128I- + H20 ------>128I2 + I03- + 2 OH- (25.33)

Bila garam krom (IlI) yang mengandung 51Cr radioaktif ditambahkan pada bak penyepuhkrom, ternyata pada lempeng krom tak terdapat keradioaktifan. Hal ini rnembuktikan bahwa reduksi Cr(VI) menjadi Cr(0) pada katode tidak terjadi melalui oksidasi Cr(III).

Kimia Analitik. Kita telah mengetahui bagaimana suatu bahan dapat dianalisis melalui pengendapan dari larutannya. Prosedur umumnya meliputi penyaringan, pencucian, pengeringan dan penimbangan endapan murni. Cara lain adalah mereaksikan bahan yang akan dianalisis dengan suatu pereaksi yang mengandung radioisotop. Dengan mengukur keaktifan endapan dan membandingkannya dengan larutan aslinya dapat dihitung jumlah endapan tanpa harus memurnikan, mengeringkan dan menimbangnya. Sebagai contoh Ag+ dalam larutan dapat diendapkan sebagai AgCI radioaktif dengan penambahan suatu larutan yang mengandung Cl- radioaktif.

Cara lain yang penting dalam kimia analitik adalah analisis pengaktifan netron (neutron activation analysis). Dalarn prosedur ini, contoh yang akan dianalisis (biasanya non-radioaktif) ditembaki netron; unsur yang diselidiki diubah menjadi radioisotop. Kemudian keradioaktifan radioisotop ini ditentukan. Untuk menglutung jumlah unsur dalam contoh tersebut maka prosedur di atas digabungkan dengan pengetahuan faktor lainnya misalnya laju penembakan netron, waktu-paroh radioisotop, dan efisiensi detektor radiasi. Cara ini sangat menarik karena (1) unsur dengan jumlah yang sangat sedikit tetap dapat ditentukan (kadangkadang ppb atau kurang dari itu); (2) contoh dapat dianalisis tanpa merusakkannya; dan (3) contoh dapat berada dalam keadaan apa saja termasuk bahan biologis. Diantara penggunaannya yang banyak, analisis pengaktifan netron telah digunakan untuk meneliti benda-benda purbakala dan untuk menentukan keaslian dari lukisan kuno. Pelukis-pelukis kuno rnembuat sendiri catnya. Perbedaan formulasi dengan mudah dapat diketahui dengan mengetahui unsur runut yang terkandung dalam cat tersebut. Pemrosesan Radiasi. Istilah ini menjelaskan penggunaan radiasi pengion-sinar dari 60Co atau berkas elektron dari pemacu elektron. Radiasi pengion digunakan dalam pembuatan bahanbahan tertentu atau untuk mengubah sifat-sifatnya. Penggunaan yang lebih intensif adalah dalam pemecahan, pembentukan ulang dan jembatan rantai polimer untuk mempengaruhi sifat-sifat fisis dan mekanis dari plastik yang digunakan dalam produksi busa (foamed products), penyekat listrik dan bahan-bahan pengepakan. Pemberian radiasi pengion digunakan untuk sterilisasi peralatan kedokteran misalnya peralatan bedah, alat semprot/suntik, dan pakaian rumah sakit. Pada penanganan limbah pemrosesan radiasi digunakan untuk mempersingkat waktu pengendapar. lumpur limbah dan untuk membunuh patogen. Penggunaan penting pada masa depan adalah dalam pengawetan makanan, yang rnerupakan alternatif yang baik, atas pengalengan, pengeringan beku, atau mesin pendingin. Aspek penting dari pemrosesan radiasi, berbeda dengan analisis peragaktifan netron, sebagai contoh, bahan yang tidak diradiasi (irradiated) tidak mengandung radioaktif, yang juga menarik adalah kenyataan bahwa pemrosesan radiasi dapat menghasilkan peng3ruh yang diinginkan pada biaya errergi yang murah.