UNSUR RADIOAKTIF Oleh: M. Nurissalam, S.Si SMA Muhammadiyah I Metro Unsur Radioaktif adalah unsur yang dapat memancarkan radiasi secara spontan. Radiasi adalah sejenis sinar tetapi memiliki energi yang besar dan daya tembus yang tinggi. Radiasi yang dipancarkan zat radioaktif terdiri dari 3 jenis partikel: Sinar alfa 24 Sinar beta -1 0 Sinar gama 0 0   + 

NOTASI DAN SIMBOL PARTIKEL INTI Muatan Proton p atau H 1p1 atau 1H1 +1 Netron n 0n1 Elektron/ Sinar beta e atau  -1e0 atau -10 -1 Sinar alfa  atau He 24 atau 2He4 +2 Sinar gama  00

KESETABILAN INTI Mengapa atom bersifat radioaktif ? Atom bersifat radioaktif karena intinya tidak stabil, sehingga mudah meluruh/pecah yang disertai pemancaran radiasi. Mengapa proton sebagai penyusun inti tidak saling tolak menolak/ dapat menyatu ? Proton (+) Netron (o)

Ada 3 Pendekatan tentang kesetabilan inti Atom Pita kesetabilan. Diidentifikasi perbandingan n/p isotop-isotop yang terdapat di alam. Contoh Isotop 6C12 memiliki n=6 dan p= 6 maka n/p = 1 Isotop 11Na23 memiliki n= 12 dan p=11 maka n/p=12/11 = 1,09. Isotop 20Ca40 mempunyai n=20 dan p=20 maka n/p=1 Dari perhitungan diatas maka diperoleh diagram berikut yang disebut diagram pita kesetabilan.

2. Isotop dengan No atom lebih dari 82 semua radio aktif. Catatan: Isotop yang stabil adalah isotop yang memiliki n/p berada pada pita kesetabilan. n/p isotop stabil 2. Isotop dengan No atom lebih dari 82 semua radio aktif. 3. Ada 3 kelompok isotop tidak stabil; a.Di atas pita kestabilan. b.Di bawah pita kestabilan c. Atom berat dengan No > 82 82

Kecenderungan mencapai kestabilan Isotop di atas pita kesetabilan berarti kelebihan n dan kekurangan p. Maka akan mencapai kesetabilannya dengan cenderung mengubah n menjadi p Memancarkan sinar beta 0n1 1p1 + -1  0 2. Isotop di bawah pita kesetabilan berarti kelebihan p dan kekurangan n. Maka akan mencapai kesetabilannya dengan cenderung mengubah p menjadi n dengan dua cara: Cara I Memancarkan positron 1p1 0n1 + +1 e 0

Menangkap elektron dari kulit K Cara II 1p1 -1e0 0n1 + Menangkap elektron dari kulit K Memancarkan sinar X e K L Cara yang kedua ini lebih sering terjadi, sedangkan cara I jarang sekali terjadi

3. Istop-isotop dengan No. atom lebih dari 82. (inti berat) Cenderung meluruh dengan memancarkan sinar alfa () meskipun kadang disertai sinar beta () dan gama () 92U238 90Th234 24 + 90Th234 88Ra230 24 +

POLA PELURUHAN ZAT RADIOAKTIF 90Th234 91Pa234 92U234 90Th230 88Ra226 86Rn222 84Po218 82Pb214 83Bi214 84Po214 82Pb210 83Bi210 84Po210 82Pb206

2. Energi Bonding Menurut kajian ini kesetabilan inti atom disebabkan karena adanya energi bonding pernukleon yang cukup besar. Menurut konsep ini sebagian massa dari partikel inti diubah menjadi energi ikat antar nukleon (penyusun inti). Hal ini dapat dilihat dari selisih massa secara teori dan massa secara kenyataan, selisih massa tersebut kemudian diubah menjadi energi dengan konversi Einstein E = mc2 dan kemudian dibagi jumlah nukleonnya, sehingga akan diperoleh energi ikatan pernukleon.

BE = 9 x (p mass) + 10 x (n mass) – 19F mass Nuclear binding energy (BE) is the energy required to break up a nucleus into its component protons and neutrons. BE + 19F 91p + 101n 9 1 E = mc2 BE = 9 x (p mass) + 10 x (n mass) – 19F mass BE (amu) = 9 x 1.007825 + 10 x 1.008665 – 18.9984 BE = 0.1587 amu 1 amu = 1.49 x 10-10 J BE = 2.37 x 10-11J binding energy per nucleon = binding energy number of nucleons = 2.37 x 10-11 J 19 nucleons = 1.25 x 10-12 J 23.2

Nuclear binding energy per nucleon vs Mass number

Nuclear Transmutation 14N + 4a 17O + 1p 7 2 8 1 Cyclotron Particle Accelerator 27Al + 4a 30P + 1n 13 2 15 14N + 1p 11C + 4a 7 1 6 2 23.4

Balancing Nuclear Equations Conserve mass number (A). The sum of protons plus neutrons in the products must equal the sum of protons plus neutrons in the reactants. 1n U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 + 2 235 + 1 = 138 + 96 + 2x1 Conserve atomic number (Z) or nuclear charge. The sum of nuclear charges in the products must equal the sum of nuclear charges in the reactants. 1n U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 + 2 92 + 0 = 55 + 37 + 2x0 23.1

WAKTU PARUH ( t½ ) Waktu yang diperlukan untuk meluruhkan separuh dari jumlah inti suatu isotop. Waktu paruh bersifat spesifik untuk setiap isotop. Contoh : t½ C-14 = 5700 th t½ Po-214 = 1,6 x 10-4 detik t½ Bi-210 = 5 hari t½ Pb-214 = 26,8 menit Semakin besar (panjang) waktu paruhnya berarti proses peluruhannya berlangsung lambat (Isotop kurang aktif) Semakin pendek waktu paruhnya berarti peluruhannya berlangsung cepat (Isotop sangat aktif)

HUBUNGAN t½ DENGAN SISA ISOTOP 100 % 1 x Waktu paruh 50% 2 x Waktu paruh 3 x Waktu paruh 25% 4 x Waktu paruh 12,5% 6,25% 20 40 60 80 100 120 t½ t½ t½ t½ Waktu ( t )

Periode Waktu paruh: t / t½ HUBUNGAN t½ DENGAN SISA ISOTOP Periode Waktu paruh: t / t½ Sisa Isotop Nt Rumus 100% = 1 bagian (½)0 bagian 1 50% = ½ bagian (½)1 bagian 2 25 % = ¼ bagian (½)2 bagian 3 12,5% = 1/8 bagian (½)3 bagian 4 6,25% = 1/16 bagian (½)4 bagian - n Maka sisa isotop ( Nt ) (½)n bagian Maka jumlah isotop yang tersisa; Nt = ( ½ )n .No

Contoh soal: Suatu isotop setelah disimpan selama 20 hari ternyata masih tersisa = 1/16 bagian. Tentukanlah waktu paruh isotop tersebut ! Jawab: Diketahui : No = 1 bagian Nt = 1/16 bagian Nt No = ( ½ )n 1/16 = ( ½ )n = ( ½ )4 Maka n = 4 t t½ n = Maka t½ = 20 4 = 5 hari

Contoh soal: 2. Suatu isotop setelah disimpan selama 60 hari ternyata masih tersisa = 12,5 %. Tentukanlah waktu paruh isotop tersebut ! Jawab: Diketahui : No = 100% Nt = 12,5 % Nt No = ( ½ )n 12,5/100 = ( ½ )n 1/8 = ( ½ )3 Maka n = 3 t t½ n = Maka t½ = 60 3 = 20 hari

PENENTUAN USIA FOSIL Pada mahluk hidup kadar C-14 yang ada dalam tubuh adalah konstan. Hal ini karena pada mahluk hidup masih melakukan aktivitas kehidupannya Pada mahluk yang sudah mati kadar C-14 yang ada dalam tubuh adalah berkurang. Hal ini karena pada mahluk mati tidak melakukan aktivitas kehidupannya Usia suatu fosil dapat ditentukan berdasarkan aktivitas isotop C-14 yang terkandung dalam fosil ( sebagai Nt ) dibandingkan dengan aktivitas C-14 yang terkandung dalam jasad masih hidup ( sebagai No )

Contoh soal: 3. Telah ditemukan fosil manusia purba di Desa Sangiran, Setelah diidentifikasi aktivitas C-14 nya ternyata memiliki aktivitas 5,1 dps. Jika pada tulang yang masih hidup memiliki aktivitas C-14 =15,3 dps dan t ½ C-14 =5700 th. Tentukan usia fosil manusia purba tersebut. Jawab: Diketahui : No = 15,3 dps Nt = 5,1 dps Nt No = ( ½ )n 5,1/15,3 = ( ½ )n ⅓ = ( ½ )n log ⅓ = log ( ½ )n log ⅓ = n log ½ Hitung n ?

Cyclotron Particle Accelerator REAKSI INTI Transmutasi inti. Pada transmutasi inti inti atom ditembaki dengan partikel (proton, netron, alfa atau partikel lain.) Cyclotron Particle Accelerator

Nuclear Transmutation

Nuclear Fission Pembelahan Inti 235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energy 92 54 38 Energy = [mass 235U + mass n – (mass 90Sr + mass 143Xe + 3 x mass n )] x c2 Energy = 3.3 x 10-11J per 235U = 2.0 x 1013 J per mole 235U Combustion of 1 ton of coal = 5 x 107 J

Nuclear Fission Nuclear chain reaction is a self-sustaining sequence of nuclear fission reactions. The minimum mass of fissionable material required to generate a self-sustaining nuclear chain reaction is the critical mass. Non-critical Critical 23.5

Schematic Diagram of a Nuclear Reactor 23.5

Chemistry In Action: Nature’s Own Fission Reactor Natural Uranium 0.7202 % U-235 99.2798% U-238 Measured at Oklo 0.7171 % U-235 Chemistry In Action: Nature’s Own Fission Reactor

Tokamak magnetic plasma confinement Nuclear Fusion Fusion Reaction Energy Released 2H + 2H 3H + 1H 1 6.3 x 10-13 J 2H + 3H 4He + 1n 1 2 2.8 x 10-12 J 3.6 x 10-12 J 6Li + 2H 2 4He 3 1 2 Tokamak magnetic plasma confinement 23.6

Radioisotopes in Medicine 1 out of every 3 hospital patients will undergo a nuclear medicine procedure 24Na, t½ = 14.8 hr, b emitter, blood-flow tracer 131I, t½ = 14.8 hr, b emitter, thyroid gland activity 123I, t½ = 13.3 hr, g-ray emitter, brain imaging 18F, t½ = 1.8 hr, b+ emitter, positron emission tomography 99mTc, t½ = 6 hr, g-ray emitter, imaging agent Brain images with 123I-labeled compound 23.7

Radioisotopes in Medicine Research production of 99Mo 98Mo + 1n 99Mo 42 Commercial production of 99Mo 235U + 1n 99Mo + other fission products 92 42 Bone Scan with 99mTc 99Mo 99mTc + 0b + n 42 43 -1 t½ = 66 hours 99mTc 99Tc + g-ray 43 t½ = 6 hours 23.7

Pakai oksigen berlabel Pakai glukosa berlabel

Geiger-Müller Counter 23.7

Biological Effects of Radiation Radiation absorbed dose (rad) 1 rad = 1 x 10-5 J/g of material Roentgen equivalent for man (rem) 1 rem = 1 rad x Q Quality Factor g-ray = 1 b = 1 a = 20 23.8

Chemistry In Action: Food Irradiation Dosage Effect Up to 100 kilorad Inhibits sprouting of potatoes, onions, garlics. Inactivates trichinae in pork. Kills or prevents insects from reproducing in grains, fruits, and vegetables. 100 – 1000 kilorads Delays spoilage of meat poultry and fish. Reduces salmonella. Extends shelf life of some fruit. 1000 to 10,000 kilorads Sterilizes meat, poultry and fish. Kills insects and microorganisms in spices and seasoning.