Radioaktifadalah kata yang tidak begitu dipahami. Dibanjiri ketakutan dan secara inheren tampak asing dan berbahaya, sifat peluruhan radioaktif adalah sesuatu yang layak dipelajari tentang apakah Anda seorang mahasiswa fisika atau hanya orang awam yang tertarik.
Kenyataannya adalah bahwa radioaktivitas pada dasarnya menggambarkan reaksi nuklir yang mengarah pada perubahan nomor atom suatu unsur dan/atau pelepasan radiasi gamma. Ini berbahaya dalam jumlah besar karena radiasi yang dilepaskan adalah "pengion" (yaitu, ia memiliki energi yang cukup untuk melepaskan elektron dari atom) tetapi ini adalah fenomena fisik yang menarik dan dalam praktiknya, kebanyakan orang tidak akan pernah berada di sekitar bahan radioaktif yang cukup berisiko.
Inti dapat mencapai keadaan energi yang lebih rendah dengan fusi – yaitu ketika dua inti bergabung bersama untuk menciptakan yang lebih berat nukleus, melepaskan energi dalam proses – atau dengan fisi, yang merupakan pemecahan unsur-unsur berat menjadi lebih ringan yang. Fisi adalah sumber energi dalam reaktor nuklir, dan juga dalam senjata nuklir, dan ini khususnya apa yang kebanyakan orang bayangkan ketika mereka berpikir tentang radioaktivitas. Tetapi sebagian besar waktu, ketika inti berubah ke keadaan energi yang lebih rendah di alam, itu karena peluruhan radioaktif.
Ada tiga jenis peluruhan radioaktif: peluruhan alfa, peluruhan beta, dan peluruhan gamma, meskipun peluruhan beta itu sendiri ada dalam tiga jenis yang berbeda. Mempelajari bentuk-bentuk peluruhan nuklir ini adalah bagian penting dari setiap kursus fisika nuklir.
peluruhan alfa
Peluruhan alfa terjadi ketika inti memancarkan apa yang disebut "partikel alfa" (-partikel). Partikel alfa adalah kombinasi dari dua proton dan dua neutron, yang jika Anda mengetahui tabel periodik Anda, Anda akan mengenalinya sebagai inti helium.
Prosesnya cukup mudah dipahami dalam hal massa dan sifat atom yang dihasilkan: Ia kehilangan empat dari nomor massanya (dua dari proton dan dua dari elektron) dan dua dari nomor atomnya (dari dua proton kalah). Ini berarti bahwa atom asli (yaitu, inti "induk") menjadi elemen yang berbeda (berdasarkan inti "anak") setelah mengalami peluruhan alfa.
Saat menghitung energi yang dilepaskan dalam peluruhan alfa, Anda perlu mengurangi massa inti helium dan atom anak dari massa atom induk, dan mengubahnya menjadi nilai energi menggunakan rumus Einstein yang terkenal persamaanE = mc2. Biasanya lebih mudah untuk melakukan perhitungan ini jika Anda bekerja dalam satuan massa atom (sma) dan mengalikan massa yang hilang dengan faktorc2 = 931.494 MeV / sma. Ini mengembalikan nilai energi dalam MeV (yaitu, mega elektronvolt), dengan elektronvolt sama dengan 1,602 × 10−9 joule dan umumnya unit yang lebih nyaman untuk bekerja dalam energi pada skala atom.
Peluruhan Beta: Peluruhan Beta-Plus (Emisi Positron)
Karena peluruhan beta memiliki tiga varietas yang berbeda, akan sangat membantu untuk mempelajari masing-masing secara bergantian, meskipun ada banyak kesamaan di antara mereka. Peluruhan beta-plus adalah ketika sebuah proton berubah menjadi neutron, dengan pelepasan partikel beta-plus (yaitu, partikel +) bersama dengan partikel tak bermassa yang hampir tidak bermuatan yang disebut neutrino. Sebagai hasil dari proses ini, atom anak akan memiliki satu proton lebih sedikit dan satu neutron lebih banyak daripada atom induknya, tetapi nomor massa keseluruhannya sama.
Partikel beta-plus sebenarnya disebut positron, yang merupakan partikel antimateri yang sesuai dengan elektron. Ia memiliki muatan positif dengan ukuran yang sama dengan muatan negatif pada elektron, dan massa yang sama dengan elektron. Neutrino yang dilepaskan secara teknis disebut neutrino elektron. Perhatikan bahwa satu partikel materi biasa dan satu partikel antimateri dilepaskan dalam proses ini.
Menghitung energi yang dilepaskan dalam proses peluruhan ini sedikit lebih rumit daripada bentuk-bentuk. lainnya peluruhan, karena massa atom induk akan mencakup massa satu elektron lebih banyak daripada atom anak massa. Selain itu, Anda juga harus mengurangi massa partikel + yang dipancarkan dalam proses tersebut. Pada dasarnya, Anda harus mengurangi massa partikel anak danduaelektron dari massa partikel induk, dan kemudian diubah menjadi energi seperti sebelumnya. Neutrino sangat kecil sehingga dapat diabaikan dengan aman.
Peluruhan Beta: Peluruhan Beta-Minus
Peluruhan beta-minus pada dasarnya adalah proses kebalikan dari peluruhan beta-plus, di mana neutron berubah menjadi proton, melepaskan partikel beta-minus (partikel ) dan antineutrino elektron di proses. Karena proses ini, atom anak akan memiliki satu neutron lebih sedikit dan satu proton lebih banyak daripada atom induk.
Partikel sebenarnya adalah elektron, tetapi memiliki nama yang berbeda dalam konteks ini karena ketika emisi beta untuk peluruhan pertama kali ditemukan, tidak ada yang tahu apa sebenarnya partikel itu. Selain itu, menyebutnya partikel beta berguna karena mengingatkan Anda bahwa itu berasal dari proses peluruhan beta, dan dapat berguna saat Anda mencoba mengingat apa yang terjadi di masing-masing – partikel beta positif dilepaskan dalam peluruhan beta-plus dan partikel beta negatif dilepaskan dalam beta-minus kerusakan. Namun, dalam kasus ini, neutrino adalah partikel antimateri, tetapi sekali lagi, satu antimateri dan satu partikel materi biasa dilepaskan dalam proses tersebut.
Menghitung energi yang dilepaskan dalam peluruhan beta jenis ini sedikit lebih sederhana, karena elektron ekstra yang dimiliki oleh atom anak dibatalkan dengan elektron yang hilang dalam emisi beta. Ini berarti bahwa untuk menghitungsaya, Anda cukup mengurangi massa atom anak dari atom induk dan kemudian mengalikannya dengan kuadrat kecepatan cahaya (c2), seperti sebelumnya, dinyatakan dalam mega elektronvolt per satuan massa atom.
Peluruhan Beta – Penangkapan Elektron
Jenis peluruhan beta terakhir sangat berbeda dari dua yang pertama. Dalam penangkapan elektron, proton “menyerap” elektron dan berubah menjadi neutron, dengan pelepasan elektron neutrino. Oleh karena itu, ini mengurangi nomor atom (yaitu, jumlah proton) sebanyak satu dan meningkatkan jumlah neutron sebanyak satu.
Ini mungkin tampak seperti melanggar pola sejauh ini, dengan satu materi dan satu partikel antimateri yang dipancarkan, tetapi memberikan petunjuk tentang alasan sebenarnya untuk keseimbangan ini. "Nomor lepton" (yang dapat Anda anggap sebagai nomor "keluarga elektron") adalah kekal, dan sebuah elektron atau elektron neutrino memiliki nomor lepton 1, sedangkan positron atau antineutrino elektron memiliki nomor lepton −1.
Anda harus dapat melihat bahwa semua proses lain memenuhi ini dengan mudah. Untuk penangkapan elektron, jumlah lepton berkurang 1 ketika elektron ditangkap, jadi untuk menyeimbangkan ini, partikel dengan nomor lepton 1 harus dipancarkan.
Menghitung energi yang dilepaskan dalam penangkapan elektron cukup sederhana: Karena elektron berasal dari atom induk, Anda tidak perlu khawatir untuk menghitung perbedaan jumlah elektron antara orang tua dan anak perempuan atom. Anda menemukansayadengan hanya mengurangkan massa atom anak dari atom induk. Ekspresi untuk proses umumnya akan ditulis dengan elektron di sisi kiri, tetapi aturan sederhana mengingatkan Anda bahwa ini sebenarnya adalah bagian dari atom induk dalam hal massa.
Peluruhan Gamma
Peluruhan gamma melibatkan emisi foton berenergi tinggi (radiasi elektromagnetik), tetapi jumlah proton dan neutron dalam atom tidak berubah sebagai akibat dari proses tersebut. Ini analog dengan emisi foton ketika elektron bertransisi dari keadaan energi yang lebih tinggi ke keadaan energi yang lebih rendah, tetapi transisi dalam hal ini terjadi di inti atom.
Sama seperti dalam situasi analog, transisi dari keadaan energi yang lebih tinggi ke keadaan energi yang lebih rendah diseimbangkan oleh emisi foton. Ini memiliki energi lebih dari 10 keV dan umumnya disebut sinar gamma, meskipun definisinya tidak terlalu ketat (misalnya, rentang energi tumpang tindih dengan sinar-X).
Emisi alfa atau beta dapat meninggalkan inti dalam keadaan energi yang lebih tinggi, tereksitasi, dan energi yang dilepaskan sebagai hasil dari proses ini dilakukan dalam bentuk sinar gamma. Namun, inti juga dapat berakhir dalam keadaan energi yang lebih tinggi setelah bertabrakan dengan inti lain atau dipukul oleh neutron. Hasilnya dalam semua kasus adalah sama: Inti turun dari keadaan tereksitasinya ke tingkat energi yang lebih rendah dan melepaskan sinar gamma dalam prosesnya.
Contoh Peluruhan Radioaktif – Uranium
Uranium-238 meluruh menjadi thorium-234 dengan pelepasan partikel alfa (yaitu, inti helium), dan ini adalah salah satu contoh peluruhan radioaktif yang paling terkenal. Prosesnya dapat direpresentasikan sebagai:
^{238}\text{U} \to \;^{234}\text{Th} + \;^4\text{Dia}
Untuk menghitung berapa banyak energi yang dilepaskan dalam proses ini, Anda memerlukan massa atom: 238U = 238.05079 sma, 234Th = 234.04363 sma dan 4He = 4.00260 sma, dengan semua massa dinyatakan dalam satuan massa atom. Sekarang untuk mengetahui berapa banyak energi yang dilepaskan dalam proses, yang perlu Anda lakukan hanyalah mencarisayadengan mengurangkan massa produk dari massa atom induk asli, dan kemudian menghitung jumlah energi yang diwakilinya.
\begin{sejajar} m &= \text{(massa induk)}- \text{(massa hasil kali)} \\ &= 238.05079 \text{ amu} - 234.04363 \text{ amu} - 4.00260 \text{ amu} \\ &= 0,00456 \text{ amu} \\ E &= mc^2 \\ &= 0,00456 \text{ amu} × 931.494 \text{ MeV / amu} \\ &= 4.25 \text { MeV} \end{selaras}
Contoh Peluruhan Radioaktif Multi-Langkah
Peluruhan radioaktif sering terjadi dalam rantai, dengan beberapa langkah antara titik awal dan titik akhir. Rantai peluruhan ini panjang dan akan membutuhkan banyak langkah untuk menghitung berapa banyak energi yang dilepaskan di seluruh proses, tetapi mengambil sepotong dari salah satu rantai tersebut menggambarkan pendekatannya.
Jika Anda melihat rantai peluruhan thorium-232, dekat dengan ujung rantai, inti tidak stabil (yaitu, atom dari isotop tidak stabil, dengan waktu paruh pendek) dari bismut-212 mengalami peluruhan beta-minus menjadi polonium-212, yang kemudian mengalami peluruhan alfa menjadi timbal-208, stabil isotop. Anda dapat menghitung energi yang dilepaskan dalam proses ini dengan mengambil langkah demi langkah.
Pertama, peluruhan beta-minus dari bismut-212 (saya= 211.99129 sma) menjadi polonium-212 (saya= 211.98887 sma) memberikan:
\begin{sejajar} m &= \text{(massa induk)} -\text{(massa putri)} \\ &= 211.99129 \text{ amu} - 211.98887 \text{ amu} \\ &= 0,00242 \text{ sama} \end{selaras}
Mengingat bahwa perubahan nomor elektron membatalkan peluruhan beta-minus. Itu rilis:
\begin{aligned} E &= mc^2 \\ &= 0,00242 \text{ amu} × 931.494 \text{ MeV / amu} \\ &= 2.25 \text{ MeV} \end{aligned}
Tahap selanjutnya adalah peluruhan alfa dari polonium-212 menjadi timbal-208 (saya= 207.97665 sma) dan satu inti helium.
\begin{sejajar} m &= \text{(massa induk)} -\text{(massa hasil kali)} \\ &= 211.98887\text{ amu} - 207.97665\text{ amu}- 4.00260\text{ amu} \\ &= 0,00962\text{ amu} \end{selaras}
Dan energinya adalah:
\begin{aligned} E &= mc^2 \\ &= 0,00962 \text{ amu} × 931.494 \text{ MeV / amu} \\ &= 8.96 \text{ MeV} \end{aligned}
Secara total, ada 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energi yang dilepaskan dalam proses tersebut. Tentu saja, jika Anda berhati-hati (termasuk partikel alfa, dan elektron tambahan jika proses Anda mencakup peluruhan beta-plus), Anda dapat menghitung perbedaan massa dalam satu langkah dan kemudian mengubahnya, tetapi pendekatan ini memberi tahu Anda energi yang dilepaskan pada masing-masing tahap.