Aplikasi Kimia inti

-       Aplikasi medis

Aplikasi medis dari teknologi nuklir dibagi menjadi diagnosa dan terapi radiasi, perawatan yang efektif bagi penderita kanker. Pencitraan (sinar X dan sebagainya), penggunaanTeknesium untuk diberikan pada molekul organik, pencarian jejak radioaktif dalam tubuh sebelum diekskresikan oleh ginjal, dan lain-lain.

 

-       Aplikasi industri

Pada eksplorasi minyak dan gas, penggunaan teknologi nuklir berguna untuk menentukan sifat dari bebatuan sekitar seperti porositas dan litografi. Teknologi ini melibatkan penggunaanneutron atau sumber energi sinar gamma dan detektor radiasi yang ditanam dalam bebatuan yang akan diperiksa.

Pada konstruksi jalan, pengukur kelembaban dan kepadatan yang menggunakan nuklir digunakan untuk mengukur kepadatan tanah, aspal, dan beton. Biasanya digunakan cesium-137 sebagai sumber energi nuklirnya.

 

-       Apikasi komersial

Ionisasi dari americium-241 digunakan pada detektor asap dengan memanfaatkan radiasi alfa. Tritium digunakan bersama fosfor pada rifle untuk meningkatkan akurasi penembakan pada malam hari. Perpendaran tanda “exit” menggunakan teknologi yang sama.

-       Pemrosesan makanan dan pertanian

Irradiasi makanan adalah proses memaparkan makanan dengan ionisasi radiasi dengan tujuan menghancurkan mikroorganisme, bakteri, virus, atau serangga yang diperkirakan berada dalam makanan. Jenis radiasi yang digunakan adalah sinar gamma, sinar X, dan elektron yang dikeluarkan oleh pemercepat elektron. Aplikasi lainnya yaitu pencegahan prosespertunasan, penghambat pemasakan buah, peningkatan hasil daging buah, dan peningkatan rehidrasi. Secara garis besar, irradiasi adalah pemaparan suatu bahan ke radiasi untuk mendapatkan manfaat teknis. Teknik seperti ini juga digunakan pada peralatan medis, plastic, tuba untuk jalur pipa gas, saluran untuk penghangat lantai, lembaran untuk pengemas makanan, bagian-bagian otomotif, kabel, ban, dan bahkan batu perhiasan. Dibandingkan dengan pemaparan irradiasi makanan, volume penggunaan nuklir pada aplikasi tersebut jauh lebih besar namun tidak diketahui oleh konsumen.

Efek utama dalam pemrosesan makanan dengan menggunakan ionisasi radiasi berhubungan dengan kerusakan DNA, informasi dasar kehidupan. Mikroorganisme tidak mampu lagi berkembang biak dan melanjutkan aktivitas mereka. Serangga tidak akan selamat dan menjadi tidak mampu berkembang. Tanaman tidak mampu melanjutkan proses pematangan buah dan penuaan. Semua efek ini menguntungkan bagi konsumen dan industri makanan.

Harus diperhatikan bahwa jumlah energi yang efektif untuk radiasi cukup rendah dibandingkan dengan memasak bahan makanan yang sama hingga matang. Bahkan energi yang digunakan untuk meradiasikan 10 kg bahan makanan hanya mampu memanaskan air hingga mengalami kenaikan temperatur sebesar 2,5 oC.

Keuntungan pemrosesan makanan dengan ionisasi radiasi adalah, densitas energi per transisi atom sangat tinggi dan mampu membelah molekul dan menginduksi ionisasi (tercermin pada nama metodenya) yang tidak dapat dilakukan dengan pemanasan biasa. Ini adalah alasan untuk efek yang menguntungkan, dan di saat yang sama, menimbulkan kekhawatiran. Perlakuan bahan makanan solid dengan radiasi ionisasi dapat menciptakan efek yang sama dengan pasteurisasi bahan makanan cair seperti susu. Namun, penggunaan istilah pasteurisasi dingin dan iradiasi dalah proses yang berbeda, meski bertujuan dan memberikan hasil yang sama pada beberapa kasus.

Iradiasi makanan saat ini diizinkan di 40 negara dan volumenya diperkirakan melebihi 500.000 metrik ton setiap tahunnya di seluruh dunia.

Perlu diperhatikan bahwa iradiasi makanan secara esensial bukan merupakan teknologi nuklir; hal ini berhubungan dengan radiasi ionisasi yang dihasilkan oleh pemercepat elektron dan konversi, namun juga mungkin menggunakan sinar gamma dari peluruhan inti nuklir. Penggunaan di dunia industri untuk pemrosesan menggunakan radiasi ionisasi, menempati sebagian besar volume energi pada penggunaan pemercepat elektron. Iradiasi makanan hanya sebagian kecil dari aplikasi nuklir jika dibandingkan dengan aplikasi medis, material plastik, bahan mentah industri, batu perhiasan, kabel, dan lain-lain.

Waktu Paruh

Jika kita dapat melihat sebuah atom isotop radioaktif, seperti U-238, kita tidak dapat meramalkan kapan atom tersebut akan meluruh. Peluruhan ini dapat terjadi dalam waktu beberapa milidetik atau mungkin membutuhkan waktu selama satu abad. Ternyata ada cara sederhana untuk mengetahuinya.

Laju peluruhan merupakan ukuran kesetabilan inti, biasanya dinyatakan dalam waktu paruh (t ½ ), yaitu waktu yang diperlukan untuk meluruh agar jumlah atom (N0) menjadi tinggal separuhnya (½ N0).

½ N0

ln ¾¾ = - k.t ½

N0

ln 2 0,693

t ½ = ¾¾ = ¾¾

k k

Di laboratorium untuk memudahkan pengukuran jumlah atom (N) atau radioaktifitas (A) dinyatakan dalam count (banyaknya peluruhan yang tercatat pada detektor) permenit.

dN

A = c.( - ¾ )

dt

c = koefisien deteksi yang bergantung jenis detektor, orientasi detektor, jarak detektor dari sampel, dan lain-lain.

Jika c dianggap tetap, maka:

A = A0.e- k.t

A0 = radioaktifitas pada saat t = 0

Dibutuhkan waktu tertentu bagi separuh dari atom radioaktif untuk meluruh dan tersisa setengah dari sebelumnya. Kemudian, dibutuhkan juga sejumlah waktu yang sama untuk separuh dari atomradioaktif yang sisa untuk meluruh dan sejumlah waktu yang sama untuk atom radioaktif sisa untuk meluruh dan seterusnya.Banyaknya waktu yang digunakan untuk separuh dari cuplikan meluruh disebut waktu paruh (t_1/2).

Berikut ini adalah tabel hubungan waktu paruh (t_1/2) dengan jumlah zat radioaktif yang masih tersisa setelah peluruhan :

Waktu Paruh (t1/2)	Persentase Isotop Radioaktif yang Tersisa
0	100,00
1	50,00
2	25,00
3	12,50
4	6,25
5	3,125
6	1,5625
7	0,78 (hasil pembulatan)
8	0,39 (hasil pembulatan)
9	0,19 (hasil pembulatan)
10	0,09 (hasil pembulatan)

Perlu dipahami bahwa waktu paruh (t_1/2) peluruhan isotop radioaktif tidak linear.  Peluruhan ini bersifat eksponensial. Jika kita ingin menentukan waktu atau jumlah yang tidak berhubungan dengan kelipatan sederhana pada waktu paruh, kita dapat menggunakan persamaan berikut :

ln (No/Nt) = (0,6963 t) / t_1/2

Pada persamaan tersebut, ln adalah singkatan dari logaritma natural (logaritma dengan bilangan pokok e). No adalah jumlah isotop radioaktif mula-mula. Nt adalah jumlah radioisotop yang yang tertinggal pada waktu tertentu (t) dan t_1/2 adalah waktu paruh radioisotop. Jika kita mengetahui waktu paruh (t_1/2) dan jumlah isotop radioaktif mula-mula (No), kita dapat menggunakan persamaan ini untuk menghitung jumlah radioaktif sisa (Nt) setiap waktu.

Bentuk lain dari persamaan di atas adalah sebagai berikut :

Nt / No = (1/2)^ (t/t_1/2)

Waktu paruh bisa menjadi sangat pendek atau sangat panjang. Tabel berikut menunjukkan waktu paruh (t_1/2) dari beberapa jenis isotopradioaktif.

Radioisotop	Radiasi yang Dipancarkan	Waktu Paruh (t1/2)
Kr-94	Β	1,4 detik
Rn-222	Α	3,8 hari
I-131	Β	8 hari
Co-60	Γ	5,2 tahun
H-3	Β	12,3 tahun
C-14	Β	5730 tahun
U-235	Α	4,5 miliar tahun
Re-187	Β	70 miliar tahun

Cuplikan waktu paruh penting untuk diketahui, sebab dapat digunakan untuk menentukan kapan suatu bahan radioaktif aman untuk ditangani. Aturannya adalah suatu cuplikan dinyatakan aman bila radioaktivitasnya telah turun sampai di bawah batas pengamatan (ini terjadi setelah 10 kali waktu paruh). Jadi, jika radioaktif Iodin-131 (I-131) dengan waktu paruh (t_1/2) = 8 hari dimasukkan ke dalam tubuh guna mengobati kanker thyroid, bahan ini akan hilang dalam 10 kali waktu paruh atau 80 hari. Hal ini penting untuk diketahui, sebab radioaktif yang digunakan sebagai pelacak medis yang dimasukkan ke dalam tubuh, digunakan oleh seorang dokter untuk melacak suatu saluran, menemukan suatu penghalang atau untuk pengobatan (terapi) kanker. Isotop radioaktif ini harus aktif dalam waktu yang cukup lama untuk pengobatan, tetapi juga harus cukup pendek, sehingga tidak merusak sel-sel atau organ-organ yang sehat.

Aplikasi waktu paruh yang sangat berguna adalah pada pelacakan radioaktif. Ini berhubungan dengan penentuan usia benda-benda kuno.

Karbon 14 (C-14) adalah isotop karbon radioaktif yang dihasilkan di atomosfer bagian atas oleh radiasi kosmis. Senyawa utama di atmosfer yang mengandung karbon adalah karbon dioksida (CO₂). Sangat sedikit sekali jumlah karbon dioksida tang mengandung isotop C-14. Tumbuhan menyerap C-14 selama fotosintesis. Dengan demikian, C-14 terdapat dalam struktur sel tumbuhan. Tumbuhan kemudian dimakan oleh hewan, sehingga C-14 menjadi bagian dari struktur sel pada semua organisme.

Selama suatu organisme hidup, jumlah isotop C-14 dalam struktur selnya akan tetap konstan. Tetapi, bila organisme tersebut mati, jumlah C-14 mulai menurun. Para ilmuwan kimia telah mengetahui waktu paruh dari C-14, yaitu 5730 tahun. Dengan demikian, mereka dapat menentukan berapa lama organisme tersebut mati.

Contoh soal :

Diketahui : waktu paro bismut-210 adalah 5 hari

Ditanyakan : tetapan peluruhan dan waktu yang diperlukan agar 0,016 mg bismut meluruh menjadi 0,001 mg

Jawab :

a. λ = 0,693/t_1/2

       = 0,693/ (5 hari x 24 jam x 60 menit x 60 sekon)

                   = 1,6 x 10^-6 s^-1

b. ln N_t/N₀ = - λt

                 t = - (ln 0,001/0,016)/ 1,6 x 10^-6

       = 1732867,9 sekon ~ 20 hari

Sinar-sinar radioaktif

Pada tahun 1903, Ernest Rutherford mengemukakan bahwa radiasi yang dipancarkan zat radioaktif dapat dibedakan atas dua jenis berdasarkan muatannya. Radiasi yang bermuatan positif dinama sinar alfa, dan yang bermuatan negatif diberi nama sinar beta . Selanjutnya Paul U.Viillard menemukan jenis sinar yang ketiga yang tidak bermuatan dan diberi nama sinar gamma.

Sinar alfa ( α )

Sinar alfa merupakan radiasi partikel yang bermuatan positif

Partikel sinar alfa sama dengan inti helium -4, bermuatan +2e dan bermassa 4 sma. Partikel alfa adalah partikel terberat yang dihasilkan oleh zat radioaktif. Sinar alfa dipancarkan dari inti dengan kecepatan sekitar 1/10 kecepatan cahaya. Karena memiliki massa yang besar daya tembus sinar alfa paling lemah diantara diantara sinar-sinar radioaktif. Diudara hanya dapat menembus beberapa cm saja dan tidak dapat menembus kulit. Sinar alfa dapat dihentikan oleh selembar kertas biasa. Sinar alfa segera kehilangan energinya ketika bertabrakan dengan molekul media yang dilaluinya. Tabrakan itu mengakibatkan media yang dilaluinya mengalami ionisasi. Akhirnya partikel alfa akan menangkap 2 elektron dan berubah menjadi atom

Radiasi Alfa – a

-       4He2+ dipancarkan secara monoenergetik dengan cakupan energi: 1,5 – 11,7 MeV. (1 MeV = 1,6 x 10-13 J

Sinar beta (β)

Sinar beta merupakan radiasi partikel bermuatan negatif. Sinar beta merupakan berkas elektron yang berasal dari inti atom. Partikel beta yang bemuatan -1e dan bermassa 1/836 sma. Karena sangat kecil, partikel beta dianggap tidak bermassa. Energi sinar beta sangat bervariasi, mempunyai daya tembus lebih besar dari sinar alfa tetapi daya pengionnya lebih lemah. Sinar beta paling energetik dapat menempuh sampai 300 cm dalam udara kering dan dapat menembus kulit.

Radiasi Beta – b

Emisi dipancarkan dalam 3 modus:

-       Negatron, b-: elektron dipancarkan dari inti, terutama oleh intri yang kaya neutron. Emisinya disertai dengan pemancaran antineutrino (kekekalan momentum).

-       Positron, b+: e+ dipancarkan dari inti atom, terutama inti yang kaya proton. Emisinya disertai dengan pemancaran neutrino (kekekalan momentum).

-       Electron Capture (EC): suatu modus mengurangi nomor atom Z namun besarnya nomor massa A dipertahankan. Modus ini berkompetisi dengan pemancaran positron. Elektron tertarik ke dalam inti dari kulit K. Modus ini disukai jika energi peluruhan < 2mc2.

b+ dan b- dipancarkan pada cakupan energi tertentu

-       Dipengaruhi oleh elektron-elektron sekitar atom.

-       Memiliki karakteristik berupa nilai Emaks.

Sinar gamma ( γ )

Sinar gamma adalah radiasi elektromagnetek berenergi tinggi, tidak bermuatan dan tidak bermassa. Sinar gamma mempunyai daya tembus. Selain sinar alfa, beta, gamma, zat radioaktif buatan juga ada yang memancarkan sinar X dan sinar Positron. Sinar X adalah radiasi sinar elektromagnetik.

Radiasi gamma

Radiasi gamma merupakan bagian dari spektrum EM yang energinya lebih tinggi daripada daerah sinar-X. Besarnya energi 0,1- 10 MeV, rata-rata > 5 MeV.

-       Radiasi terjadi bersama-sama dengan emisi a dan b ketika atom kembali dari keadaan transisi ke keadaan dasar.