Interaksi Radiasi Neutron dalam Bahan

Tri Susanti

4211411054

Neutron merupakan salah satu partikel pembentuk inti atom yang tidak bermuatan listrik.Neutron dapat dihasilkan dalam reaksi fisi dan reaksi-reaksi nuklir lainnya. Pada umumnya neutron bebas yang berasal dari reaksi nuklir tersebut berenergi tinggi, dengan energi lebih besar dari 0,10 MeV

Pendahuluan

Radiasi adalah pancaran energi yang berasal dari proses transformasi atom atau inti atom yang tidak stabil. Ketidak-stabilan atom dan inti atom tersebut terjadi secara alamiah atau bisa juga merupakan buatan manusia.

Beberapa contoh radiasi adalah radiasi alpha dan beta. Radiasi (pancaran energi) tersebut dipancarkan oleh zat radioaktif (inti atom yang tidak stabil). Selain itu, ada juga radiasi elektron dan proton, yang dihasilkan oleh mesin berkas elektron ataupun akselerator.

Radiasi neutron merupakan pancaran energi dalam bentuk partikel neutron yang tidak bermuatan listrik dan

mempunyai massa 1 sma (satuan massa atom). Radiasi ini lebih banyak dihasilkan bukan oleh inti atom yang tidak

stabil (radioisotop) melainkan oleh proses reaksi inti.

Oleh karena neutron merupakan partikel yang tidak bermuatan, hal tersebut yang mengakibatkan interaksinya dengan materi sangat berbeda dengan interaksi partikel bermuatan. Neutron bebas dari pengaruh medan listrik coulomb,,akibatnya neutron bebas mendekati bahkan masuk ke inti atom dan menembusnya. Jika suatu neutron masuk menembus inti dan keluar lagi, maka hanya terjadi peristiwa hamburan (scattering).

Hal yang paling penting terkait interaksi neutron adalah konsep penampang lintang, yaitu luas penampang lintang inti dari

sudut pandang neutron.

Perilaku neutron fisi ketika berinteraksi dengan bahan menentukan fenomena reaksi neutron berantai yang terjadi. Untuk dapat mempertahankan reaksi berantai, minimal satu neutron yang terlahir dari tiap reaksi fisi mampu bertahan dalam bahan hingga akhirnya kembali mengalami reaksi fisi. Perilaku neutron fisi pada reaktor nuklir bergantung kepada energi kinetik neutron fisi tersebut serta fenomena ketika melaju pada bahan dan berinteraksi dengan inti. bahan.

Penampang lintang inti, kebergantungannya terhadap energi kinetik neutron, juga probabilitas

relatif bahwa tumbukan antara neutron dengan inti akan berlanjut dengan reaksi hamburan,

penangkapan, atau fisi merupakan data fisis mendasar yang menentukan sifat reaksi berantai.

Dalam kesempatan kali ini kami akan membahas mengenai perilaku neutron

ketika melaju pada bahan serta mendefinisikan penampang lintang

mikroskopik dan makroskopik.

PEMBAHASAN

1. INTERAKSI NEUTRON DENGAN INTI

Karena neutron tidak bermuatan listrik, seperti halnya foton, maka jarak lintasannya menembus materi lebih panjang daripada jarak tembus partikel bermuatan listrik. Dan meskipun tidak berenergi tinggi, neutron dapat masuk dengan mudah ke dalam inti atom. Oleh karena itu neutron mempunyai peran penting dalam interaksinya dengan inti atom.

Dalam reaksi inti yang berupa penyerapan neutron, akan dipancarkan partikel misalnya proton, deuteron, partikel a, neutron, radiasi g dan kombinasi sejumlah partikel tersebut. Reaksi penyerapan neutron oleh inti dapat mengakibatkan reaksi pembelahan inti atom menjadi 2 atau lebih inti hasil belah. Pada umumnya, makin kecil energi neutron maka semakin besar probabilitas terjadinya reaksi inti.

Dengan neutron yang berenergi kurang dari 500 keV, terjadi hamburan elastis dan tangkapan neutron, reaksi seperti ini memperlihatkan hamburan elastis dan tangkapan resonansi

terhadap energi spesifik. Bila energi neutron kecil, probabilitas tangkapan berbanding terbalik

dengan kecepatan neutron yaitu 1/v (hukum 1/v).Dengan neutron yang mempunyai energi sekitar 500 keV hingga 10 MeV, selain

hamburan elastis dan tangkapan elektron, dapat juga terjadi hamburan inelastis dan

transformasi inti.Dengan energi sekitar 10 MeV hingga 50 MeV, mungkin terjadi pancaran lebih dari 2 partikel.

Akibat hamburan elastis, sebagian energi neutron dapat dipindahkan menjadi energi inti atom.

Semakin kecil massa inti atom, maka semakin besar energi neutron yang hilang akibat tumbukan. Berdasarkan hal ini, inti atom

hidrogen dapat menurunkan energi neutron secara efisien karena massanya sama.

1.1 Hamburan elastis

Interaksi – interaksi Neutron

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

Neutron menumbuk inti yang terletak dalam keadaan diam, kemudian neutron keluar dari

inti dan meninggalkan inti dalam keadaan seperti semula

(tak mengalami eksitasi). Interaksi ini disingkat dengan

simbol (n,n). Ringkasnya hamburan dikatakan elastis,

jika keadaan sistem tetap seperti semula (unexcited).

1.2 Hamburan inelastis

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

Hamburan menjadi inelastis, jika inti yang ditinggalkan setelah terjadi interaksi dalam keadaan tereksitasi. Karena energi diterima oleh inti, ini merupakan interaksi endotermik. Hamburan inelastis ini disimbolkan dengan (n,n’). Inti yang dalam keadaan tereksitasi tersebut dalam meluruh dengan mengemissi sinar ɣ . dalam peristiwa ini, karena sinar ɣ berasal dari hamburan inelastis maka sinar tersebut disebut sinar ɣ inelastis.

Dalam peristiwa ini, energi neutron yang diberikan ke atom yang

ditumbuknya tidak terlalu besar sehingga setelah tumbukan, energy

neutron tidak banyak berkurang. Oleh karena itu, bahan yang

mengandung atom-atom dengan nomor atom besar tidak efektif

sebagai penahan radiasi neutron.

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

2. Reaksi Inti

3. PENAMPANG LINTANG NEUTRON 

Neutron merupakan partikel netral. Elektron orbital bermuatan negatif sekitar inti maupun medan listrik yang disebabkan oleh inti bermuatan positif tidak akan mempengaruhi lintasan neutron. Oleh karena itu neutron bergerak dengan lintasan yang lurus, dan keluar dari lintasan tersebut hanya ketika neutron bertumbukan dengan inti yang membuatnya terhambur ke lintasan dengan arah baru atau hilang karena terabsorpsi.

Bagi neutron yang bergerak pada bahan padatan,ruang bahan akan tampak sangat kosong. Karena neutron tak berinteraksi dengan elektron, maka ketika neutron melalui bahan, hanya inti atom bahan yang menjadi `hambatan` neutron. Umumnya atom memiliki jejari pada orde 10-8 cm sedangkan jejari inti pada orde 10-12 cm, maka ketika neutron melaju, fraksi bidang tegak lurus arah gerak neutron yang terisi `hambatan` hanya sekitar yaitu perbandingan antara luas penampang inti terhadap luas penampang atom. Oleh karena itu, neutron mampu menembus jarak hingga jutaan kali lapisan atom pada bahan sebelum akhirnya bertumbukan dengan inti atom. Bila material target tipis, misalnya selembar kertas, maka hampir semua neutron dapat menembus kertas tersebut tanpa mengalami tumbukan.

Interaksi netron – netron dengan inti – inti atom dapat dilukiskan secara kuantitatif dengan menggunakan pengertian penampang lintang. Hal tersebut didefenisikan oleh eksperimen berikut. Jika berkas dari netron – netron yang mono energi bertumbukan dengan target yang tipis dengan ketebalannya X dan luas Q. Jika n adalah netron per cm³ dan v adalah kecepatan netron – netron maka Intensitas berkas adalah :

I = n v ............................................................... (1)Karena netron bergerak dengan jarak v dalam 1 detik sehingga semua netron – netron dalam volume vQ didepan target akan menumbuk target dalam 1 detik,

sehingga :

nvQ = IQ

= I , adalah merupakan jumlah netron – netron yang menumbuk

target per cm² / detik.

Karena inti kecil dan target dianggap tipis, maka sebagian besar netron – netron

yang bertumbukan dengan target pada umumnya melewati target tanpa

berinteraksi dengan beberapa inti. Jumlah dari netron yang bertumbukan

berbanding lurus dengan intensitas berkas, kerapatan atom N target dan luas Q,

serta ketebalan target X.

Jumlah tumbukan per detik = ΣINQX …. (2)

Dengan σ adalah konstanta pembanding yang disebut dengan penampang lintang.

Faktor NQX dalam persamaan 2 adalah jumlah total inti dalam target. Jumlah

tumbukan per detik dengan satu inti adalah tepat sama dengan σI. Maka σ adalah

sama dengan jumlah tumbukan per detik dengan satu inti per satuan intensitas

berkas.

Penampang lintang inti memiliki nilai yang sangat kecil. Oleh karena itu, selain cm2 satuan yang lebih sering digunakan untuk menyatakan penampang lintang inti adalah barn dengan notasi `b` dan nilai 10-24 cm2. Penamaan satuan barn ini berasal ketika awal penentuan nilai penampang lintang ketika salah satu peneliti berkomentar mengenai hasil pengukuran yang kecil dengan seruan “That`s as big as a barn” (“ Ukurannya sebesar `lumbung`”).

Jika I (X) intensitas dari neutron – neutron yang tak bertumbukan setelah masuk ketarget sejauh x. Kemudian dalam melewati pertambahan jarak dx intensitas berkas yang tidak bertumbukan akan dikurangi oleh jumlah neutron – neutron yang bertumbukan dalam target tipis dengan luasnya 1 cm² dan mempunyai ketebalan dx.

Dalam persamaan (2) pengurangan intensitas diberikan oleh

 

- d I (x) = Nσt I (x) dx = I (x) dx ....... (10)

4. ATENUASI NETRON

Dalam seksi ini digunakan target tebal, dengan ketebalan X yang diletakkan dalam satu arah berkas dengan intensitas I0,

dan sebuah detektor netron diletakkan di belakangnya dengan jarak tertentu. Dengan anggapan bahwa target dan detektor begitu kecil, dan detektor membentuk sudut kecil terhadap

target. Dalam peristiwa ini setiap netron yang bertumbukan di dalam target akan melepaskan cahaya, dan hanya netron

tersebut yang tidak berinteraksi, kemudian masuk ke detektor.

Persamaan (10) dapat diintegrasi menghasilkan

 

………………………. (11)

 

Intensitas neutron – neutron yang tidak bertumbukan menurun secara eksponensial terhadap jarak dalam target. Intensitas berkas dari neutron – neutron yang tidak bertumbukan yang muncul dari target adalah

 

Intensitas inilah yang diukur oleh detektor.

Jika target sangat tebal seperti pada pelindung radiasi, yang menyebabkan hampir semua neutron datang akan mempunyai sekurang – kurangnya satu tumbukan dalam target, sehingga bagian terbesar dari neutron – neutron yang muncul akan mengalami hamburan dengan target. Karena neutron – neutron tertentu saja yang dapat memenuhi persamaan (11).

Jadi persaman ini tidak dapat dipakai untuk menghitung keefektivitas dari sebuah pelindung (shield). Dan juga akan dapat mengabaikan bagian terbesar komponen terpenting dari radiasi yang muncul yaitu neutron – neutron yang dihamburkan.

Jika persamaan (10) dibagi dengan I (x), maka akan diperoleh sbb :

 

…………… (12)

 

Kuantitas dI (x) adalah jumlah intensitas netron diluar jumlah I (x) yang bertumbukkan dalam dx, sedangkan dI (x) /I (x) adalah probabilitas netron yang tidak mengalami tumbukkan sampai ketebalan x, dan yang akan mengalami tumbukkan dalam dx berikutnya. Oleh karena itu dx pada persamaan (12) adalah probabilitas netron yang akan mengalami tumbukkan dalam dx berikutnya. Sehingga dapat disimpulkan bahwa adalah probabilitas suatu netron per satuan panjang jejak yang akan mengalami tumbukkan selama netron tersebut bergerak dalam medium.

TERIMA KASIH