RADIOKIMIA4

REAKSI INTI



Pendahuluan

Reaksi inti adalah transformasi inti, sebagai akibat ditembaki oleh suatu projektil, yang dapat berupa inti-inti ringan, nukleon bebas, atau foton dengan energi yang sesuai. Reaksi inti berlangsung sangat cepat, dalam waktu 10-12 detik atau kurang, menghasilkan satu atau lebih inti baru dan mungkin juga partikel lain.

Reaksi inti dinyatakan dengan suatu persamaan, yang menyeimbangkan antara pereaksi dengan hasil reaksi. Bertindak sebagai pereaksi adalah inti sasaran (target) dan projektil, sedangkan hasil reaksi adalah inti baru yang terbentuk dan partikel yang dibebaskan. Untuk menyederhanakan persamaan, nomor atom Z dapat tidak dituliskan, karena Z bersifat khas bagi masing-masing unsur maupun partikel. Dengan demikian secara umum bentuk persamaan reaksi inti adalah :

A1X + A2a A3b + A4Y
Target projektil partikel hasil inti baru (hasil)


Menurut Bethe, suatu persamaan reaksi inti secara sederhana dinyatakan dengan notasi :
A1X (a,b)A4Y
Dimana X menyatakan inti sasaran, a adalah partikel penembak (projektil atau misil), b adalah partikel yang dibebaskan dalam reaksi dan Y adalah inti hasil atau recoil. Disini, inti sasaran dituliskan pertama dan inti hasil terakhir, sedangkan projektil dan partikel yang dibebaskan diletakkan di dalam tanda kurung dan dipisahkan dengan koma.
Contoh : 35Cl (n,p) 35S
23Na (n, ) 24Na
24Mg (d,) 22Na
63Cu (p,p3n9) 24Na.
Sebagai contoh, reaksi inti yang pertama kali diamati (oleh Rutherford pada tahun1919) adalah
atau (,p)

10.1 Jenis-jenis Reaksi Inti

Suatu cara untuk menyerdahanakan penamaan reaksi inti hanyalah dengan menyebutkan (a,b) pada inti sasaran. Jadi, untuk reaksi 35Cl (n,p) 35S, disebut reaksi (n,p) pada 35Cl.
Berdasarkan sifat-sifat dari a dan b maka reaksi-reaksi inti dibedakan ke dalam beberapa jenis seperti diuraikan berikut ini.

10.1.1 Hamburan Elastis
pada penembakan inti, dimana hasilnya a = b dan X = Y, disebut peristiwa hamburan elasti. Partikel penembak menumbuk inti sasaran, ia kehilangan sebagian energi kinetiknya, yang dialihkan paad inti sasaran. Tidak terjadi perubahan energi potensial total, dan energi kinetiknya kekal.
Jumlah energi yang ditransfer ke inti sasaran dapat dihitung dengan rumus :

dimana Em adalah energi kinetik awal dari partikel penembak dengan massa m, dan EM adalah energi kinetik yang diterima oleh inti sasaran dengan massa M. Teta () adalah besar sudut penyimpangan dari arah datang semula dengan arah setelah menumbuk inti sasaran.
Hamburan elastik digunakan dalam perlambatan neutron cepat oleh moderator di dalam reaktor nuklir.

10.1.2 Hamburan Inelastik
Suatu proses penghamburan dianggap inelastik jika sebagian energi kinetik partikel misil digunakan untuk menaikkan energi potensial inti asasaran,antara lain berupa eksitasi ketingkat energi yang lebih tinggi. Dalam kasus ini energi kinetik sistem tidak kekal.
Contoh :
107Ag (n,n)107mAg 107Ag
44,3 detik

10.1.3 Reaksi Photonuklir
Reaksi-reaksi inti yang diinduksi oleh sinar-X atau photon  berenergi tinggi (>1 MeV) dipandang sebagai reaksi-reaksi photonuklir. Dalam reaksi ini a =  dan b lebih sering adalah n atau p dan bila menggunakan photon dengan energi sangat tinggi maka b kemungkinan besar adalah d, t atau  atau bahkan campuran partikel-partikel.

10.1.4 Tangkapan Radiaktif
Bila partikel misil diserap oleh inti sasaran, inti sasaran tereksitasi yang kemudian memancarkan radiasi satu atau lebih photon gamma (). Reaksi yang paling umum adalah (n, ), dimana hasilnya adalah isotop dari inti sasaran yang massanya satu satuan massa lebih besar.
Contoh : 23Na (n, ) 24Na, 31P (n, ) 32P, 179Au (n, ) 180Au
Selain reaksi (n, ) ada pula reaksi (p, ), tetapi disini inti hasilnya bukan isotop dari inti sasaran.
Contoh : 19F (p, ) 20Ne, 27Al (p, ) 28Si
Reaksi inti jenis lain meliputi reaksi (n,p), (p,n), (n, ), (,n), d,p), (d,n), (,t).

10.1.5 Reaksi inti spesial
Dalam reaksi-reaksi yang telah disebutkan terdahulu, perbedaan massa inti sasaran dengan inti hasil hanya satu atau beberapa unit massa. Ada sejumlah reaksi inti yang mengakibatkan inti sasaran tersobek-sobek atau terpecah menjadi dua bagian yang massanya lebih kurang sama. Masuk dalam kelompok reaksi demikian adalah :
a. Penguapan (evaporation), yaitu bila berbagai nukleon dan atau gabungan nukleon seperti partikel alpha meninggalkan inti sasaran. Contoh 27Al (d,p) 24Na.
b. Spalasi, yaitu reaksi yang sedikit lebih hebat dari evaporasi. Sejumlah besar nukleon dilemparkan keluar dan hasilnya jauh lebih ringan dari inti sasaran. Contoh 63Cu (p,p3n9) 24Na.
c. Fisi, yaitu suatu proses dimana inti yang tereksitasi oleh neutron atau cara lain, membelah menjadi dua bagian yang massanya seimbang. Contoh :
235U + n 236U* 137Te + 97Zr + 2n
Probabilitas reaksi reaksi dapat pula dinyatakan sebagai probabilitas untuk menemukan partikel b pada partikel datang a atau . Persamaan rumusnya adalah

dimana  = luas efektif dan N = jumlah inti atom.

10.2 Inti Gabung

Neutron tidak bermuatan dan memiliki momen magnetik yang sangat kecil, sehingga dalam perjalanannya neutron tidak berinteraksi dengan elektron atomik, tetapi hanya berinteraksi dengan intinya. Neutron dapat berinteraksi dengan inti secara elastis (energi kinetiknya kekal) atau secara tak elastis. Jika tumbukannya tak elastis, inti ditinggalkan dalam keadaan tereksitasi, kemudian energi eksitasinya dikeluarkan dalam peluruhan gamma.
Tidak setiap gabungan neutron dan proton menjadi sebuah inti mantap. Pada umumnya, inti ringan (A<20) mengandung jumlah neutron dan proton yang hampir sama, sedangkan pada inti , berat proporsi neutron bertambah besar. Karena partikel alfa terdiri dari dua proton dan dua neutron, peluruhan alfa mereduksi Z dan N inti induk, masing-masing dengan dua. Dalam peluruhan beta negatif, neutron bertransformasi menjadi proton dan elektron : no p+ + e- elektronnya meninggalkan inti dan teramati sebagai “partikel beta”. Dalam peluruhan beta positif, sebuah proton menjadi sebuah neutron dan sebuah positron dipancarkan : p+ no + e- Jadi, peluruhan beta negatif mengurangi proporsi neutron, dan peluruhan beta positif menambahnya. Elektron diabsorpsi oleh proton nuklir yang bertransformasi menjadi neutron : P+ + e- no Salah satu contoh dari reaksi inti gabung adalah sebagai berikut : Makin banyak energi yang diberikan pada inti, semakin banyak neutron yang kita dapati melingkari inti. p + 63Cu 63Zn + n Zn 62Cu + n + p  + 60Ni 62Zn + 2n 10.3 Pembentukan Radioisotop dalam Reaksi Inti Aktivitas sebuah sampel nuklide radioaktif ialah laju perubahan inti atom pembentuknya jika N menyatakan banyaknya inti dalam sampel pada suatu saat, aktivitasnya R ialah sebagai berikut : Tanda minus dipakai supaya R menjadi kuantitas positif karena dN/dt secara intrinsik berharga negatif. Setiap radioisotop memiliki umur-paro karakteristik, beberapa memiliki umur-paro sepersejuta detik. Hukum aktivitas : R = Ro e-t Dengan  disebut sebagai konstan peluruhan, mempunyai harga yang berbeda untuk setiap radioisotop. Hubungan antara  dengan T1/2 adalah mudah untuk menentukannya. Kemudian umur-paro akan berlalu, yaitu apabila t = T1/2, aktivitas R telah menurun menjadi ½ Ro. Jadi : R = Ro e-t ½ Ro = Ro e-T1/2 eT1/2 = 2 T1/2 = ln 2 T1/2 = Hukum aktivitas empiris didapatkan langsung dari anggapan peluang masing-masing inti isotop tertentu untuk meluruh per satuan waktu ialah konstan . Karena  adalah peluang per satuan waktu. dt adalah peluang setiap inti untuk meluruh dalam selang waktu dt. Jika sampel itu mengandung N inti yang belum meluruh, banyaknya inti dN yang meluruh dalam selang waktu dt ialah perkalian antara banyaknya inti N dan peluang dt untuk masing-masing inti meluruh dalam selang waktu dt. Ini berarti, dN = - Ndt tanda minus diperlukan, karena N berkurang ketika t bertambah. Persamaan diatas dapat ditulis masing-masing ruas dapat diintegrasi : ln N – ln No = -t N = Noe-t Rumus-rumus diatas dapat juga dituliskan : dN = Rdt - Ndt dimana R = laju tetap  = tetapan peluruhan = N(t) = Sehingga aktivitasnya a(t) = N = R (1 – e-t) untuk t yang harganya kecil maka a(t)  Rt atau R =  dengan  = fluks neutron 10.4 Kinematika Reaksi Energi Rendah Dalam reaksi inti, energi seringkali dilepaskan atau diserap. Suatu reaksi melepas energi berarti energi kinetik partikel-partikel setelah reaski lebih besar dari energi kinetik partikel-partikel sebelum reaski. Penambahan energi ini datang dari pengubahan energi diam menjadi energi kinetik. Jumlah energi yang dilepas diukur oleh nilai Q reaksi inti, yang didefinisikan sebagi selisih antara energi kinetik akhir dan awal. Dalam sistem laboratorium, energi kinetik total timbul dari partikel datang saja : Klab = (energi kinetik dalam sistem lempengan) Dalam sistem pusat massa, kedua partikel bergerak dan memberikan kontribusi pada energi kinetik total. Kcm = ½ mA (v-V)2 + ½ mB V2 = ½ mAv2 - ½ (mA – mB) V2 = K - ½ (mA - mB) V2 = lab (energi kinetik dalam sistem pusat massa) Energi kinetik total partikel relatif terhadap pusat massanya ialah energi kinetik total dalam sistem laboratorium dikurangi energi kinetik ½ (mA + mB)V2 dari pusat massa yang bergerak. Jadi dapat dianggap bahwa Kcm sebagai energi kinetik gerak relatif partikel itu. Jika partikel bertumbukan, energi kinetik maksimum yang dapat berubah menjadi energi eksitasi dari inti majemuk yang terjadi dengan tetap mempertahankan kekekalan momentum ialah Kcm yanng lebih kecil dari Klab. Harga Q suatu reaksi nuklir : Q = [(mA + mB) - (mC + mD)] c2 = [(mA + mB – mC – mD)]c2 Jika Q merupakan kuantitas positif, energi dilepaskan oleh reaksi itu. Jika Q kuantitas negatif energi kinetik dalam sistem pusat massa cukup besar harus diberikan oleh partikel-partikel yang bereaksi sehingga Kcm + Q  0 10.5 Energi Ambang Reaksi Inti Untuk reaksi-reaksi eksoergik, nampaknya tidak diperlukan nilai ambang, tetapi sering di dalam praktek menghadapi energi penghalang tertentu terdapat energi ambang minimum. Dalam hal reaksi endoergik, energi ambang sekurang-kurangnya sama dengan –Q. Ini harus dalam bentuk energi kinetik projektil. Fraksi , energi kinetik projektil diperlukan untuk translasi inti senyawa. Dengan demikian suatu reaksi hanya akan berlangsung apabila : Atau energi ambang Eo  (1 +m/M)Q Jadi, bila detron dipercepat dengan energi 8 MeV, menumbuk inti Mg, maka energi yang tersedia untuk mempengaruhi reaksi inti 24Mg (d,)22 Na, hanya ada sebesar yang sama dengan energi kinetik pada CMS. 10.6. Fisi Inti Salah satu reaksi inti yang paling praktis adalah pembentukan inti majemuk apabila sebuah inti dengan A > 230 menyerap sebuah neutron. Kebanyakan inti majemuk ini kemudian akan membelah diri ke dalam dua fragmen (fragment) inti bermassa sedang (medium-mass) dan neutron tambahan. Jenis reaksi inti ini disebut fisi inti (nuclear fission).

Dalam sebuah reaktor atom, jumlah fisi per satuan waktu dikendalikan oleh penyeraan kelebihan neutron, sehingga secara rata-rata, satu neutron dari tiap-tiap fisi
Menghasilkan suatu fisi baru. Panas yang dibebaskan oleh reaksi inti ini kemudian digunakan untuk menghasilkan uap air guna membangkitkan turbin pembangkit tenaga listrik. Jika reaksinya tak terkendali, sehingga tiap fisi menghasilkan lebih dari satu neutron yang kemudian masing-masing memungkinkan terjadinya fisi-fisi berikutnya, maka jumlah fisi yang terjadi akan meningkat sesuai dengan deret ukur. Akibatnya, semua energi sumber akan terbebaskan dalam selang waktu yang sangat singkat, sehinggga menimbulkan ledakan bom nuklir.

Salah satu reaksi fisi yang khas adalah :

Dengan Z1 + Z2 = 92, A1 + A2 +  = 236, dan  sebuah bilangan bulat. Perbandingan masa antara fragmen-fragmen, M1/M2, secara eksperimen diperoleh kurang lebih 3/2. Bilangan  yang menyatakan jumlah neutron yang dibebaskan dalam fisi sebuah unsur atau inti tertentu bergantung pada fragmen-fragmen akhir yang dihasilkan.
N
Inti majemuk semula
N = Z

Fragmen-fragmen
fisi


inti-inti stabil


Z







10.7 Fusi Inti

Reaksi fusi (fusion) adalah suatu reaksi iti ketika dua inti atau inti-inti yang relatif ringan (A < 20) bergabung membentuk suatu inti yang lebih berat, dengan hasil pembebasan energi. Salah satu contoh reaksi fusi adalah pembentukan sebuah detron dari sebuah proton dan sebuah neutron : Q = 2,23 MeV Reaksi fusi yang lainnya adalah pembentukan sebuah partikel  oleh fusi dua buah detron. s Q = 2,23 MeV Meskipun energi-energi ini lebih kecil dari yang dibebaskan dalam suatu reaksi fisi khas ( 200 MeV), tetapi energi per satuan massanya lebih besar sebab massa partikel-partikel yang terlibat lebih kecil. Pembebasan energi dalam fusi menunjukkan bahwa untuk inti-inti ringan, energi ikat per nukleon (partikel inti) pada umumnya meningkat dengan bertambahnya nomor massa A. Sebagai akibatnya, inti yang lebih berat yang dibentuk dari dua inti yang lebih ringan memiliki energi ikat per nukleon yang lebih besar dari yang dimiliki masing-masing inti semula. Tetapi energi ikat per nukleon yang lebih besar dari yang dimiliki masing-masing inti semula. Tetapi energi ikat yang lebih tinggi berarti massa diam yang bersangkutan lebih rendah. Soal-soal 1. p + 56Fe n + 56Co Sasaran (tebal lempeng) 1 m.  = 1,0 cm, I = 3 A. Jika berkasnya tersebar merata pada seluruh permukaan bahan sasaran, dengan laju berapakah berkas neutron dihasilkan? Diketahui  besi = 7,9 gram/cm3 v sasaran = 1 cm x 1,0 cm x 1 m = 1 x 10-4 cm3 Jawab : sehingga m =  x v. m = 7,9 x 10-4 gram (massa sasaran) N = n x NA = 1,4 x 10-5 x 6,02 x 1023 = 8,428 x 1018 partikel 2. Berapakah aktivitas 1gram , yang waktu paruhnya adalah 1622 tahun? Jawab : Jumlah atom dalam 1 gram radium adalah m Tetapan peluruhan berhubungan dengan waktu hidup melalui maka aktivitasnya diperoleh dari aktivitas =  N = (1,355 x 10-11 s-1) ( 2,666 x 1021) = 3,612 x 1010 disintegrasi/s 3. Tunjukkan bahwa inti adalah tak stabil dan akan mengalami peluruhan . Agar inti Maka nilai Q-nya harus positif. Pemecahan untuk Q memberikan Q = (MPu - MU – MHe ) c2 = (236,046071 u - 232,037168 u - 4,002603 u) (931,5 MeV/u) = 5,87 MeV Oleh karena itu, inti dapat, dan memang pada kenyataannya, mengalami peluruhan  secara spontan. 4. Dalam proses fisi sebuah inti lewat penyerapan neutron membebaskan energi yang dapat dimanfaatkan sekitar 185 MeV. Jika dalam sebuah reaktor secara terus-menerus membangkitkan daya sebesar 100 MW, berapakah waktu yang diperlukan untuk menghabiskan 1 Kg uranium? Laju fisi yang berkaitan dengan keluaran daya yang diberikan ini adalah : Satu Kg 235U mengandung inti Dengan demikian ia akan terpakai habis dalam waktu t = 5. Berapakah energi maksimum elektron yang dipancarkan dalam peluruhan  dari Reaksinya adalah : Q = (MH – MHe)c2 = (3,016050 u – 3,016030 u) (931,5 MeV/u) = 0,0186 MeV = KHe + Ke + Kv Karena massa netrino nol dan MHe >> Me, maka energi kinetik inti He dapat
diabaikan, sehingga energi sebesar 0,0186 MeV dibagi antara elektron dan netrino.
Apabila energi netrino adalah nol, maka energi kinetik elektron dan memiliki nilai
maksimum, yaitu 0,0186 MeV.