INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI

1. Interaksi partikel radiasi bermuatan (radiasi Alpha dan Beta ) dengan materi

Termasuk dalam kelompok ini adalah partikel radiasi Alpha dan radiasi Beta, karena radiasi Alpha yang tak lain adalah inti helium, yaitu ₂H⁴ yang bermuatan positif, dan radiasi Beta yang merupakan elektron dan positron yang bermuatan negatif dan positif. Oleh karena radiasi Alpha dan radiasi Beta termasuk dalam kelompok radiasi bermuatan maka interaksinya dengan materi akan menimbulkan efek :

1. Ionisasi

2. eksitasi

3. absorbsi

Ionisasi

Ionisasi adalah proses fisik yang mengubah suatu atom atau molekul menjadi ion melalui penambahan atau pelepasan elektron dari atom atau molekul tersebut. Pada peristiwa ionisasi molekul ataupun atom yang semula tidak bermuatan listrik dipaksa menjadi bermuatan listrik. Peristiwa ionisasai dapat digambarkan melalui salah satu mekanisme berikut,

Gambar 1 : Proses terjadinya ionisasi

Partikel berupa elektron dapat bergerak bebas dari suatu senyawa, molekul atau atom. Geraknya yang bebas ini dapat menumbuk senyawa, molekul atau atom lain, seperti yang terlihat pada Gambar 1 dimana partikel menumbuk suatu atom. Dalam Gambar 1 tersebut partikel menumbuk atom dan mengenai elektron pada kulit terluar sehingga terpental keluar. Elektron yang terpental keluar ini disebut ion negatif, sedangkan atom yang kehilangan elektronnya menjadi ion positif.

Setiap partikel bermuatan bila berinteraksi dengan materi dapat menimbulkan ionisasi, karena dalam setiap lintasannya pada materi yang dikenai akan meninggalkan sejumlah pasangan ion positif dan ion negatif. Radiasi Alpha yang bermuatan positif akan menghasilkan 10.000-70.000 pasangan ion per cm panjang lintasannya. Akan tetapi jejak lintasannya tidak terlalau jauh, karena massanya yang besar (bermassa 4) dan juga karena muatannya yang positif mudah ditarik oleh elektron bebas (yang bermuatan negatif) yang banyak sekali tersebar di alam ini. Di udara radiasi alpha hanya mampu melintas sejauh 2-3 cm (Wardana, 2007).

Ionisasi yang dihasilkan oleh radiasi Beta yang bermuatan negatif lebih sedikit bila dibandingkan dengan radiasi Alpha yang bermuatan positif. Radiasi beta yang berinteraksi dengan materi akan menghasilkan 60-7000 pasangan ion per cm panjang lintasannya, jauh lebih sedikit bila dibandingakan dengan lintasan radiasi alpha (Wardana, 2007). Hal ini disebabkan karena massanya relatif amat sangat kecil (massanya bisa dianggap sama dengan nol) dan muatannya yang negatif membantu dalam perjalanannya melintasi materi, karena didorong oleh gaya coulumb elektron yang bermuatan negatif yang banyak terdapat di alam ini. Untuk radiasi beta yang bermuatan positif (positron) yang kebolehjadiannya di alam sangat kecil, jelas jauh lebih sedikit kemampuannya untuk mengionisasikan materi yang dilaluinya. Hal ini disebabkan karena sebelum mengionisasikan materi, terlebih dahulu positron ini akan ditangkap oleh elektron yang banyak tersebar di alam.

Eksitasi

Salah satu postulat Bohr menyatakan bahwa elektron dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Berpindahnya elektron ini karena mendapatkan tambahan energi dari luar, salah satunya dapat berasal dari radiasi alpha dan radiasi betha. Apabila elektron berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi tinggi maka energi akan diserap untuk melakukan proses tersebut. Elektron yang berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan elektron tereksitasi. Akan tetapi keadaan elektron tereksitasi ini tidak stabil sehingga elektron kembali dari tingkat energi tinggi menuju tingkat energi rendah yang disertai pelepasan energi dalam bentuk radiasi (deeksitasi).

Gambar 2: Sebuah elektron melompat dari keadaan n₁ ke keadaan n₂, dan memancarkan sebuah foton.

Pada tingkat yang lebih rendah, energi yang dimiliki elektron lebih rendah daripada di tingkat sebelumnya. Perbedaan energi ini muncul sebagai sebuah kuantum radiasi berenergi hv yang sama besar dengan beda energi antara kedua tingkat tersebut. Artinya, jika elektron melompat dari n = n₂ ke n=n₁, seperti Gambar 2, maka terpancar sebuah foton dengan energi

hυ = E_n2 – E_n1

Proses eksitasi dapat terjadi karena partikel radiasi bermuatan yang berinteraksi dengan materi yang menyebabkan struktur atom bahan terganggu atau dalam keadaan tereksitasi.Pada radiasi alpha, peristiwa eksitasi yang terjadi disebabkan karena energi radiasi alpha yang ditransfer ke elektron orbital dari struktur atomnya. Keadaan ini yang menyebabkan atom suatu bahan terganggu.

Pada radiasi beta, peristiwa eksitasi bisa terjadi karena pengaruh adanya peristiwa stopping power yang menyebabkan energi radiasi beta hilang di sepanjang lintasannya. Energi radiasi beta yang hilang ini menyebabkan atom-atom yang ada di sepanjang lintasan radiasi beta juga terganggu (Wardana, 2007).

Absorbsi

Peristiwa absorbsi adalah peristiwa terserapnya partikel radiasi oleh suatu bahan yang terkena radiasi. Pada peristiwa absorbsi ini ada radiasi yang terserap seluruhnya oleh materi, ada yang hanya sebagian terserap oleh materi dan sisanya ada yang diteruskan keluar dari materi. Akibat peristiwa absorbsi radiasi oleh suatu bahan (materi), bahan akan menjadi panas sesuai dengan energi radiasi yang ditransfer ke atom-atom bahan.

Partikel radiasi yang bermassa besar akan lebih mudah terabsorbsi daripada prtikel yang bermassa kecil. Hal ini mudah dipahami karena massa yang besar relatif gerak kinetisnya lebih lamban daripada massa yang kecil. Selain daripada itu, muatan yang dibawa partikel radiasi juga berpengaruh pada peristiwa absorbsi. Partikel radiasi yang bermuatan positif akan lebih mudah tertangkap oleh elektron-elektron bahan. Dengan kata lain partikel radiasi yang bermuatan positif akan lebih mudah diabsorbsi oleh materi.

Berdasarkan uraian tersebut di atas dapat ditarik kesimpulan bahwa pada interaksi radiasi dengan materi, radiasi alpha lebih mudah diabsorbsi daripada radiasi beta. Dengan dasar pengertian ini maka radiasi alpha dapat ditahan oleh kertas sedangkan radiasi beta baru bisa ditahan oleh papan kayu yang tebal. Kenyataan ini sesuai dengan harga koefisien absorbsi linear kayu yang memang lebih tinggi daripada koefisien absorbsi linear kertas. Bila dikaitkan dengan koefisien absorbsi linear materi, maka proses penyerapan akan mengikuti perasamaan de’alembert berikut ini :

I = I_oe^-μt

Dimana dalam hal ini :

I = intensitas radiasi setelah menembus bahan

I₀= intensitas radiasi mula-mula (sebelum terabsorbsi)

μ = koefisien absorbsi linier bahan

t = tebal bahan

Untuk mengetahui banyaknya radiasi yang terserap oleh suatu bahan digunakan satuan dosis serap atau Radiation Absorbed Dose yang disingkat Rad. Jadi dosis serap merupakan ukuran banyaknya energi yang diberikan oleh radiasi pengion kepada medium. Dosis serap sebesar 1 Rad sama dengan energi yang diberikan kepada bahan sebesar 1 Joule/kg (Wardana, 2007).

2. Interaksi foton (γ) dengan materi

Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik adalah interaksi antara foton dengan sebuah elektron yang terikat kuat dalam atom yaitu elektron pada kulit bagian dalam suatu atom, biasanya kulit K atau L. Foton akan menumbuk elektron tersebut dan karena elektron itu terikat kuat maka elektron akan menyerap seluruh tenaga foton. Sebagai akibatnya elektron akan dipancarkan keluar dari atom dengan tenaga gerak sebesar selisih tenaga foton dan tenaga ikat elektron (Knoll, 2000), yaitu

Ek = hυ - E_b

Dengan E adalah energi foton(eV), Ek adalah energi kinetik elektron (eV), Eb adalah energi ikat elektron (eV), h adalah konstanta Planck (6,63 x 10-34 J.s) dan vadalah frekuensi gelombang elektromagnetik yang diserap atau yang dipancarkan elektron (Hz). Efek fotolistrik secara skematis dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 3. : Mekanisme terjadinya efek fotolistrik

 Hamburan Compton

Hamburan Compton terjadi antara foton dan sebuah elektron bebas yangterdapat pada kulit terluar sebuah atom. Apabila foton menumbuk elektron tersebut maka berdasarkan hukum kekekalan momentum tidak mungkin elektron akan dapat menyerap seluruh energi foton seperti pada efek fotolistrik. Foton akan menyerahkan sebagian energinya kepada elektron dan kemudian terhambur sebesar sudut terhadap arah gerak foton datang yang digambarkan sebagai berikut .

Gambar 4: Mekanisme terjadinya hamburan compton

Besar panjang gelombang λf yang terhambur dapat dihitung dengan rumus :

λf- λi = [h/m_ec²][1-cosθ)

Untuk mengetahui bagaimana penurunan rumus efek compton, download materinya disini.

Kuantitas h/m_ec biasanya disebut panjang gelombang compton, nilainya untuk sebuah elektron adalah 0,0234Å (Gautreau & Savin,1999). Perhatikan bahwa perubahan panjang gelombang ini bergantung hanya pada sudut hamburan θ dan tidak bergantung pada energi foton datang.

Produksi pasangan

Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai gantinya akan timbul sepasang elektron-positron.

Gambar 5: Proses terjadinya produksi pasangan

Ketika muatan suatu sistem bernilai awal nol, maka dua partikel yang berlawanan muatannya harus diciptakan guna mengkonversi muatan. Untuk menggabungkan sebuah pasangan, foton datang harus memiliki energi yang setidaknya setara dengan energi diam pasangan tersebut, dan setiap kelebihan energi foton akan muncul sebagai energi kinetik partikel.

Produksi pasangan tidak dapat terjadi di ruang hampa. Oleh karenanya terlihat kehadiran nukleus berat pada gambar diatas. Nukleus membawa sejumlah momentum foton datang, tapi karena massanya yang besar, energi kinetik lompatannya, K≈p²/2M₀, biasanya diabaikan terhadap energi-energi kinetik pasangan elektron-positron. Dengan demikian, kekekalan energi dapat diterapkan dengan mengabaikan nukleus berat, sehingga menghasilkan

hυ = m₊c² + m_-c² = K₊ + K_- + 2m_oc²

karena positron dan elektron memiliki massa diam yang sama, m₀ = 9,11x10^-31 kg.

Kebalikan proses produksi pasangan juga dapat terjadi yang dinamakan pemisahan pasangan (Gambar 6).

Gambar 6: Proses terjadinya pemisahan pasangan

Peristiwa pemisahan pasangan terjadi bila positron berdekatan dengan elektron dan keduanya saling mendekati di bawah pengaruh gaya tarik menarik dari muatan yang berlawanan. Kedua partikel tersebut musnah pada saat yang sama dan massa yang musnah tersebut menjadi energi dan foton sinar gamma yang tercipta (Beiser, 1990).

Sedikitnya dua foton harus dihasilkan untuk memenuhi kekekalan energi dan momentum. Adapun persamaan yang dapat diperoleh sebagai berikut :

E_awal = E_akhir atau 2m_oc² + K₊ + K_- = hυ₁+ hυ₂

p_awal = p_akhir atau m₊v₊ + m_-v_- = (h/2π)k₁ + (h/2π)k2

dengan k adalah vektor perambatan foton, |k|=2π/λ.

Berlawanan dengan produksi pasangan, ternyata pemisahan pasangan dapat dilakukan di ruang hampa dan prinsip-prinsip energi dan momentum dapat diterapkan (Gautreau & Savin,1999)