Nuklida dicirikan oleh nomor atom (jumlah proton) dan nomor massa atom (jumlah proton dan neutron). Jumlah proton menentukan unsur apa, dan jumlah total proton dan neutron menentukan isotop.
Radioisotop (isotop radioaktif) adalah atom yang memiliki inti tidak stabil dan rentan terhadap peluruhan nuklir. Mereka berada dalam keadaan energi tinggi dan ingin melompat ke keadaan energi yang lebih rendah dengan melepaskan energi itu, baik dalam bentuk cahaya atau partikel lain. Waktu paruh radioisotop, atau jumlah waktu yang dibutuhkan setengah dari atom radioisotop untuk meluruh, adalah ukuran yang sangat berguna untuk diketahui.
Unsur radioaktif cenderung berada pada baris terakhir tabel periodik, dan baris terakhir unsur tanah jarang.
Peluruhan Radioaktif
Isotop radioaktif memiliki inti yang tidak stabil, di mana energi ikat yang menjaga proton dan neutron terkunci rapat tidak cukup kuat untuk menahan secara permanen. Bayangkan sebuah bola duduk di puncak bukit; sentuhan ringan akan membuatnya berguling, seolah-olah ke keadaan energi yang lebih rendah. Inti yang tidak stabil dapat menjadi lebih stabil dengan melepaskan sebagian energinya, baik dalam bentuk cahaya maupun partikel lain seperti proton, neutron, dan elektron. Pelepasan energi ini disebut peluruhan radioaktif.
Proses peluruhan dapat mengambil banyak bentuk, tetapi jenis dasar peluruhan radioaktif adalah:alfapeluruhan (emisi partikel alfa/inti helium),betapeluruhan (emisi partikel beta atau penangkapan elektron) dangammapeluruhan (emisi sinar gamma atau radiasi gamma). Peluruhan alfa dan beta mengubah radioisotop menjadi nuklida lain, yang sering disebut nuklida anak. Ketiga proses peluruhan menciptakan radiasi pengion, sejenis radiasi berenergi tinggi yang dapat merusak jaringan hidup.
Dalam peluruhan alfa, juga disebut emisi alfa, radioisotop memancarkan dua proton dan dua neutron sebagai inti helium-4 (juga dikenal sebagai partikel alfa). Hal ini menyebabkan nomor massa radioisotop turun empat dan nomor atomnya turun dua.
Peluruhan beta, juga disebut emisi beta, adalah emisi elektron dari radioisotop ketika salah satu neutronnya berubah menjadi proton. Ini tidak mengubah nomor massa nuklida, tetapi meningkatkan nomor atomnya satu per satu. Ada juga jenis peluruhan beta yang hampir merupakan kebalikan dari yang pertama: nuklida memancarkan positron (pasangan antimateri elektron yang bermuatan positif), dan salah satu protonnya berubah menjadi neutron. Ini menurunkan nomor atom nuklida satu per satu. Baik positron dan elektron akan dianggap sebagai partikel beta.
Sebuah jenis khusus peluruhan beta disebut peluruhan beta penangkapan elektron: Salah satu elektron terdalam nuklida ditangkap oleh proton dalam nukleus, mengubah proton menjadi neutron dan memancarkan partikel ultra-kecil dan supercepat yang disebut elektron neutrino.
Radioaktivitas biasanya diukur dalam salah satu dari dua unit: becquerel (bq) dan curie. Becquerels adalah satuan standar (SI) radioaktivitas, dan mewakili laju satu peluruhan per detik. Curie didasarkan pada jumlah peluruhan per detik dari satu gram radium-226, dan dinamai menurut ilmuwan radioaktivitas terkenal Marie Curie. Penemuannya tentang radioaktivitas radium mengarah pada penggunaan pertama sinar-x medis.
Apa itu Half-Life?
Waktu paruh isotop radioaktif adalah jumlah waktu rata-rata yang dibutuhkan sekitar setengah atom dalam sampel radioisotop untuk meluruh. Radioisotop yang berbeda meluruh pada tingkat yang berbeda dan dapat memiliki waktu paruh yang sangat berbeda; waktu paruh ini bisa sesingkat beberapa mikrodetik, seperti dalam kasus polonium-214, dan selama beberapa miliar tahun, seperti uranium-238.
Konsep penting adalah bahwa radioisotop tertentu akanselalumembusuk dengan kecepatan yang sama. Waktu paruhnya adalah karakteristik yang melekat.
Mungkin tampak aneh untuk mengkarakterisasi suatu elemen dengan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk meluruh; tidak masuk akal untuk berbicara tentang waktu paruh satu atom, misalnya. Tetapi ukuran ini berguna karena tidak mungkin untuk menentukan dengan tepat inti mana yang akan meluruh dan kapan – prosesnya hanya dapat dipahami secara statistik, rata-rata, seiring waktu.
Dalam kasus satu inti atom, definisi umum dari waktu paruh dapat dibalik: kemungkinan inti tersebut meluruh dalam waktu kurang dari waktu paruhnya adalah sekitar 50%.
Persamaan Peluruhan Radioaktif
Ada tiga persamaan setara yang memberikan jumlah inti yang tersisa pada waktuuntuk. Yang pertama diberikan oleh:
N(t) = N_0(1/2)^{t/t_{1/2}}
Dimanauntuk1/2adalah waktu paruh isotop. Yang kedua melibatkan variabelτ, yang disebut masa hidup rata-rata, atau waktu karakteristik:
N(t) = N_0e^{-t/τ}
Yang ketiga menggunakan variabelλ, yang dikenal sebagai konstanta peluruhan:
N(t) = N_0e^{-λt}
Variabeluntuk1/2, τdanλsemuanya berhubungan dengan persamaan berikut:
t_{1/2} = ln (2)/λ = × ln (2)
Terlepas dari variabel atau versi persamaan yang Anda gunakan, fungsinya adalah eksponensial negatif, artinya tidak akan pernah mencapai nol. Untuk setiap waktu paruh yang berlalu, jumlah inti dibagi dua, menjadi lebih kecil dan lebih kecil tetapi tidak pernah benar-benar menghilang – setidaknya, inilah yang terjadi secara matematis. Dalam praktiknya, tentu saja, sampel terdiri dari sejumlah atom radioaktif yang terbatas; begitu sampel menjadi satu atom, atom itu pada akhirnya akan meluruh, tanpa meninggalkan atom dari isotop aslinya.
Kencan radioaktif
Para ilmuwan dapat menggunakan tingkat peluruhan radioaktif untuk menentukan usia benda atau artefak tua.
Misalnya, karbon-14 terus diisi ulang dalam organisme hidup. Semua makhluk hidup memiliki rasio karbon-12 terhadap karbon-14 yang sama. Rasio itu berubah setelah organisme mati karena karbon-14 meluruh sedangkan karbon-12 tetap stabil. Dengan mengetahui tingkat peluruhan karbon-14 (memiliki waktu paruh 5.730 tahun), dan mengukur berapa banyak karbon-14 dalam sampel memiliki ditransmutasikan menjadi elemen lain relatif terhadap jumlah karbon-12, maka dimungkinkan untuk menentukan usia fosil dan sejenisnya objek.
Radioisotop dengan waktu paruh yang lebih lama dapat digunakan untuk penanggalan objek yang lebih tua, meskipun harus ada beberapa cara untuk mengetahui berapa banyak radioisotop itu dalam sampel awalnya. Penanggalan karbon hanya dapat menentukan penanggalan objek yang berusia kurang dari 50.000 tahun karena setelah sembilan waktu paruh, biasanya ada terlalu sedikit karbon-14 yang tersisa untuk diukur secara akurat.
Contoh
Jika waktu paruh seaborgium-266 adalah 30 detik, dan kita mulai dengan 6,02 × 1023 atom, kita dapat menemukan berapa banyak yang tersisa setelah lima menit dengan menggunakan persamaan peluruhan radioaktif.
Untuk menggunakan persamaan peluruhan radioaktif, kita masukkan 6,02 × 1023 atom untuktidak0, 300 detik untukuntukdan 30 detik untukuntuk1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Bagaimana jika kita hanya memiliki jumlah atom awal, jumlah atom akhir, dan waktu paruh? (Inilah yang dimiliki para ilmuwan ketika mereka menggunakan peluruhan radioaktif untuk menentukan usia fosil dan artefak kuno.) Jika sampel plutonium-238 dimulai dengan 6,02 × 1023 atom, dan sekarang memiliki 2,11 × 1015 berapa banyak waktu yang telah berlalu jika waktu paruh plutonium-238 adalah 87,7 tahun?
Persamaan yang harus kita selesaikan adalah
2.11\times 10^{15}=(6.02\times 10^{23})(1/2)^{\frac{t}{87.7}}
dan kita harus menyelesaikannya untukuntuk.
Membagi kedua sisi dengan 6,02 × 1023, kita mendapatkan:
3,50\kali 10^{-9}=(1/2)^{\frac{t}{87.7}}
Kami kemudian dapat mengambil log dari kedua sisi dan menggunakan aturan eksponen dalam fungsi log untuk mendapatkan:
-19,47 = (t/87,7)log (1/2)
Kita dapat menyelesaikan ini secara aljabar untuk mendapatkan t = 2463,43 tahun.