Kimia Inti dan Radiokimia

Kimia inti?

• Kimia inti adalah ilmu yang mempelajari struktur inti atom dan pengaruhnya terhadap kestabilan inti serta reaksi-reaksi inti yang terjadi pada proses peluruhan radio nuklida dan transmutasi inti

• Radiokimia: mempelajari zat radioaktif dan penggunaannya dengan teknik2 kimia.

• Kimia radiasi: bidang kimia yang mempelajari efek radiasi radioaktif terhadap materi.

Nuklida

• Nuklida spesies nuklir• Contoh: 6C12, 7N14, 6O18

• Rumus umum: ZXA dengan,

– Z= nomor atom -- N = A-Z– A=nomor massa

• Berdasarkan kesamaan dalam nilai A, Z, dan N, nuklida-nuklida digolongkan menjadi 4 tipe.

ANZX

Penggolongan Nuklida

• Isotop kelompok nuklida dengan Z sama– Contoh: 82Pb204, 82Pb206, 82Pb207,82Pb208

• Isobar kelompok nuklida dengan A sama– Contoh: 6C14, 7N14, 8O14

• Isoton kelompok nuklida dengan N sama– Contoh: 1H3, 2He4

• Isomer inti nuklida dengan A dan Z sama tetapi berbeda dalam tingkat energinya– Contoh: Co60m, Co60

5 Kelompok nuklida berdasar kestabilan dan proses pembentukannya di alam

• Nuklida stabil secara alamiah tidak mengalami perubahan A maupun Z, misal: 1H1, 6C12, 7N14

• Radionuklida alam primer radionuklida yang terbentuk secara alamiah dan bersifat radioaktif. Disebut primer karena waktu paruh panjang sehingga masih bisa ditemukan sampai sekarang. Contoh: 92U238 dengan waktu paruh=4,5x109 th

• Radionuklida alam sekunder radiaktif dan dapat ditemukan dialam. Waktu paruh pendek, tidak dapat ditemukan di alam, tetapi dapat dibentuk secara kontinu oleh radionuklida alam primer, misal 90Th234 dengan waktu paruh 24 hari.

• Radionuklida alam terinduksi Misal 6C14 yang dibentuk karena interaksi sinar kosmik dan nuklida 7N14 di atmosfir.

• Radionuklida buatan merupakan radionuklida yang terbentuk tidak secara alamiah, tetapi hasil sintesis.

Kestabilan inti

Faktor penentu kestabilan:• Angka banding jumlah netron terhadap proton

(n/p) yang terkandung dalam inti. Inti yang paling stabil adalah inti yang mempunyai nomor atom sampai 20, memiliki n/p=1 (kestabilan diagonal)

• Pasangan nukleon yang ditunjukkan oleh hukum genap-ganjil

• Energi pengikat inti pernukleon.

Angka Banding n/p

• Apabila nuklida-nuklida stabil dihubungkan maka akan diperoleh pita kestabilan inti.

• Unsur-unsur sampai dengan nomor atom 20 pita kestabilan inti membentuk sudut 45o dengan sumbu N dan Z (n/p=1).

• Suatu inti dikatakan bersifat radioaktif karena ia mengalami peluruhan spontan disertai pemancaran radiasi.

Jenis radiasi yang dipancarkanPartikel dasar

Massa relatif

Muatan Simbol Jenis

Alfa 4 +2 , 2He4 Partikel Negatron

(beta)0 -1 -, -1e0 Partikel

Positron 0 +1 +, +1e0 Partikel Gamma 0 0 Gelombang

elektromagnet

Proton 1 +1 1p1, 1H1 Partikel Netron 1 0 0n1 Partikel

Hukum Genap Ganjil• Dari jumlah nuklida stabil di alam, jika dikelompokkan

berdasarkan jumlah proton (Z) dan jumlah netron (N) penyusunnya maka akan diperoleh data sbb:

• Data diatas menunjukkan urutan kestabilan relatif adalah Z genap, N genap > Z genap, N ganjil> Z ganjil, N ganjil > Z ganjil, N ganjil.

• Inti yang stabil menghendaki jumlah proton dan netron genap

Jenis nuklida Jumlah nuklida stabil

Z genap, N genap 165

Z genap, N ganjil 55

Z ganjil, N genap 50

Z ganjil, N ganjil 4

Energi Pengikat Inti

• Massa suatu inti selalu lebih kecil dari jumlah massa proton dan netron.

• Berdasarkan hukum kesetaraan massa dan energi, selisih massa tersebut adalah merupakan energi pengikat nukleon dalam inti.

• Semakin besar energi pengikat inti per nukleon, semakin stabil nuklidanya.

Reaksi Inti Spontan dan Buatan

• Unsur paling berat yang terjadi secara alamiah adalah uranium.

• Isotop uranium 92U238 secara spontan akan memancarkan partikel alfa menjadi 90Th234.

• Peluruhan 90Th234 dengan memancarkan sinr beta akan menghasilkan 91Pa234.

• Unsur-unsur dengan Z > 92 yang dikenal dengan unsur buatan dihasilkan dari penembakan inti dengan proton, partikel alfa atau ion-ion positif unsur periode kedua.

Jenis Peluruhan Radioaktif

• Peluruhan alfa• Peluruhan beta• Peluruhan gamma (transisi isomerik)• Pembelahan spontan• Pemancaran netron• Pemancaran netron terlambat

Peluruhan alfa

• Partikel alfa terdiri atas 2 proton dan dua netron (partikel relatif besar).

• Agar suatu nuklida mampu melepaskan partikel alfa, inti harus relatif besar.

• Contoh:

84Po210 82Pb206 + 2He4.

Peluruhan beta

• 3 jenis peluruhan beta:– Pemancaran negatron (beta negatif)– Pemancaran positron (beta positif)– Penangkapan elektron (electron capture, EC).

• Contoh:

19K40 20Ca40 + -10;

Pemancaran negatron terjadi jika n/p > isobar yang lebih stabil, maka dalam inti terjadi perubahan 1 n menjadi 1 p : 0n1 1H1 + -10 +

21Se44 20Co44 + +10.

22Ti44 + -1e0 21Se44.

Peluruhan Gamma (transisi isomerik)

• Transisi diantara isomer inti.• Seringkali suatu inti berada pada tingkat

kuantum diatas tingkat dasarnya (metastabil).• Waktu paruh transisi isomerik kebanyakan

dalam orde <10-6 detik.• Contoh:

27Co60m 27Co60 +

Pembelahan spontan

• Peluruhan dengan pembelahan spontan hanya terjadi pada nuklida sangat besar.

• Nuklida yang sangat besar membelah diri menjadi 2 nuklida yang massanya hampir sama disertai pelepasan beberapa netron.

• Contoh:

98Cr254 42Mp108 + 56Ba142 + 4 0n1

Pemancaran netron

• Prose peluruhan ini terjadi pada nuklida yang memiliki kelebihan netron relatif terhadap inti yang stabil.

• Contoh:

36Kr87 36Kr86 + 0n1

Pemancaran netron terlambat

• Proses peluruhan terjadi dengan didahului oleh pemancaran negatron kemudian dilanjutkan dengan pemancaran netron.

• Contoh:

35Br87 36Kr87 + -10 36Kr86 + 0n1

35Br87 disebut pemancar netron terlambat

Kinetika reaksi inti dan waktu paruh

• Kebolehjadian suatu nuklida untuk meluruh tidak tergantung lingkungan (suhu, tekanan, keasaman, dll).

• Tetapi, bergantung pada jenis dan jumlah nuklida.• Kecepatan peluruhan berbanding lurus dengan jumlah

radionuklida, yang dinyatakan dengan:-dN/dt N; dengan N=jumlah radionuklida, t=waktu

Kinetika reaksi inti dan waktu paruh

• Perbandingan dapat diubah menjadi persamaan dengan memasukkan tetapan perbandingan .-dN/dt N-dN/dt = N laju perluruhan=keaktifan(A)A = -dN/dt A = NdN/N = - dt (diintegralkan)Nt=N0.e- t

Kinetika reaksi inti dan waktu paruh

• Jika N0 dan diketahui maka dapat dihitung radionuklida N pada tiap waktu t.

• Daftar tetapan peluruhan tidak ada, yang ada daftar waktu paruh nuklida sudah dikenal.

• Jika t = t½, maka N = ½ N0

ln ½ N0/N0 = - t½

t½ = ln 2

t½ = 0,693 t½ = 0,693/

Satuan keradioaktifan dan dosis radiasi

• Keaktifan suatu zat radioaktif adalah jumlah peluruhan (disintegrasi) per satuan waktu.

• Satuan keaktifan suatu zat radioakt9if adalah Curie (Ci), semula didasarkan pada laju disintegrasi 1 gram radium, tetapi sekarang didefinisikan sebagai 3,7 x 1010 disintegrasi S-1.

• Satuan keaktifan dalam SI adalah becquerel (Bq) yang didefiniskan sebagai 1 disintegrasi S-1.

1 Bq = 1 disintegrasi/S• Keaktifan jenis adalah keaktifan per gram cuplikan zat

radioaktif.

Satuan keradioaktifan dan dosis radiasi

• Satu rad adalah jumlah energi radiasi yang diserap 100 erg per gram bahan.

• Dalam SI satuan dosis adalah Gray (Gy) yang didefinisikan sebagai 1 JKg-1.1 Gy = 100 rad.

Reaksi Fisi

• Reaksi Fisi : reaksi pembelahan inti menghasilkan netron

• Setiap reaksi pembelahan inti selalu dihasilkan energi sekitar 200 Mev.

• Netron yang dihasilkan dapat digunakan untuk menembak inti lain sehingga terjadi pembelahan inti secara berantai.

• Energi yang dihasilkan pada pembelahan 235 gram 235U ekivalen dengan energi yang dihasilkan pada pembakaran 500ton batubara.

Reaksi Fusi

• Reaksi penggabungan dua atau beberapa inti ringan menjadi satu inti yang lebih berat.

• Reaksi fusi menghasilkan energi yang sangat besar.• Reaksi ini memiliki energi pengaktifan, terutama

untuk mengatasi gaya tolak menolak kedua inti yang akan bergabung.

• Reaksi hanya mungkin terjadi pada suhu sangat tinggi, sekitar 100 juta derajat.

• Pada suhu tersebut tidak terdapat atom melainkan plasma dari inti dan elektron.

Reaksi Fusi

• Energi yang dihasilkan pada reaksi fusi sangat besar.• Energi yang dihasilkan cukup untuk menyebabkan

terjadinya reaksi fusi berantai yang dapat menimbulkan ledakan termonuklir.

• Energi fusi dari 1 kg hidrogen setara dengan energi pembakaran 20ribu ton batubara.

• Keuntungan reaksi fusi dibandingkan reaksi fisi:– Energi yang dihasilkan lebih tinggi– Relatif lebih “bersih”, karena hasil reaksi fusi adalah

nuklida-nuklida stabil.

Aplikasi Reaksi Inti dan Keradioaktifan

• Reaksi inti (fusi dan fisi) sebagai penghasil energi listrik.• Penentuan umur (dating) batuan atau fosil.• Dalam bidang kimia:

– Analisis pengenceran isotop– Analisis pengaktifan netron sebagai perunut dalam

menentukan mekanisme reaksi kimia.• Dalam bidang kedokteran, radioisotop digunakan sebagai

perunut dalam terapi kanker.• Dalam bidang pertanian, radioisotop digunakan sebagai

perunut dan juga untuk memperoleh bibit unggul (pemuliaan tanaman).

Contoh soal:

• Ditemukan tulang suatu binatang purba yang mempunyai keaktifan C14 2,75 dpm/g. Perkirakan berapa tahun yang lampau binatang itu hidup? (t½ C14 = 5668 tahun).