REAKSI NUKLIR

2010/2011

• Peristiwa perubahan inti atom suatu nuklida menjadi nuklida lain, disebut juga TRANSMUTASI.

• Dapat terjadi secara spontan (disintegrasi / peluruhan), dengan sengaja (benturan radiasi nuklir dengan inti).

• Hasil reaksi : nuklida stabil, nuklida tidak stabil, radiasi nuklir, baik yang sejenis dengan proyektilnya maupun yang lain.

Pendahuluan …

• Reaksi nuklir yang dibuat pertama kali, dilakukan dengan partikel alfa yang berasal dari disintegrasi radionuklida alam → TERBATAS.

• Reaksi nuklir dapat digunakan untuk : mengubah inti suatu atom menjadi inti atom yang lain, memperoleh radionuklida buatan , memperoleh unsur-unsur baru termasuk unsur transuranium, dan untuk memperoleh energi yang besar (fisi dan fusi)

• Dilakukan 1st oleh Rutherford (1919) yaitu antara inti N-14 ditembak dengan partikel alfa, sehingga berubah menjadi O-17 dan 1 proton.

• Pada reaksi nuklir berlaku hukum: KEKEKALAN MASSA dan ENERGI; KEKEKALAN MUATAN; KEKEKALAN MOMENTUM dan KEKEKALAN NUKLEON.

Transmutasi Buatan …

• Menurut Blackett (1925) berdasarkan eksperimen dengan kamar kabut, jalannya reaksi: mula-mula partikel alfa ditangkap oleh nitrogen sehingga terbentuk Fluor, baru kemudian melepaskan proton, sehingga berubah menjadi oksigen.

• Fluor ini disebut INTI Senyawa, dimana suatu inti dalam keadaan teroksidasi yang kemudian terurai menjadi oksigen dan melepaskan proton.

• Eksperimen lain dilakukan oleh Cockeroft dan Walton (1931), dengan menembakkan proton kepada nuklida Li – 7 menghasilkan 2 partikel alfa.

• Untuk eksperimen menggunakan Li, energi protonnya sebesar 0,3 MeV; padahal energi partikel alfa yang dihasilkan adalah 8,6 MeV, sehingga jika menghasilkan 2 partikel alfa energinya adalah 2x 8,6 MeV.sehingga energi 0,3 MeV ini hanya berfungsi untuk memacu reaksi sedangkan reaksinya bersifat Eksotermis.

• Reaksi nuklir banyak menghasilkan radionuklida buatan, seperti reaksi yang dilakukan oleh JOLIET dan IRINE CURIE (1934):

• Perubahan massa pada reaksi nuklir merupakan perubahan energi (= Q), mungkin dibutuhkan dan mungkin dilepaskan.

• Dalam reaksi: A (a, b) B + Q Δm = Qbila Q > 0 → reaksi eksotemal

Q < 0 → reaksi endotermal

Energi pada Reaksi Nuklir…

Hubungan energi partikel penembak dengan QReaksi umum:

A + a → B + b + Qatau :

A (a, b) B + Qjika: Q > 0 → reaksi akan berlangsung spontanQ < 0 → reaksi baru akan berlangsung jika E

partikel lebih besar daripada Q

• Kenyataannya, reaksi dapat berlangsung jika menggunakan partikel yang memiliki energi yang lebih tinggi dari Q

• Hal ini diperlukan untuk melawan potensial penghalang yang ditimbulkan oleh gaya tolak Coloumb.

• Misal: sebuah sasaran A dengan massa M ditembak dengan partikel a dengan massa m, terjadi inti senyawa (inti transisi) X dengan massa M + m, setelah itu baru terurai sbb:

• Menurut hukum kekekalan energi:Ekp = Ex + Q

dimana:Ekp : energi kinetik partikelEx : energi kinetik yang diberikan kepada

sistem keseluruhanQ : energi yang terjadi dalam reaksi

• Menurut hukum Kekekalan Momentum:Pa = Px

Ekp = ½ m v2 , karena p = mv, maka diperoleh:

Ekp = (1 + m/M) ΙQΙ

dari persamaan di atas, terlihat bahwa suatu reaksi nuklir diperlukan energi kinetik yang lebih besar daripada QJadi Ekp > Q agar reaksi dapat berlangsung. Ekp disebut ENERGI AMBANG.

Tentukan Q nya! Analisis Ekp dan pembagiannya!

Massa = [(7p + 7n) + (2p + 2n)] - [(8p + 9n) + (1p)] Q = 18,005678 - 18,006958

= [- 0,001280] sma = [- 1,19] MeV

Ekp alfa yang digunakan harus melampaui 1,19 MeV

Dari penilaian ternyata pembagian energi kinetik partikel alfa adalah:

4/18 → untuk energi kinetik hasil reaksi14/18 → untuk reaksi

jadi agar reaksi dapat berlangsung, maka partikel alfa sekurang-kurangnya harus mempunyai energi sebesar : 18/14 x 1,19 MeV = 1,53 MeV (partikel alfa dapat masuk ke dalam inti).

Menurut model inti senyawa, proses reaksi nuklir berlangsung dalam 2 tahap, yaitu:1. penangkapan partikel penembak kemudian

pembentukan inti senyawa.2. penguapan partikel dari inti senyawa tereksitasi.

Kedua tahapan saling bergantung, artinya pembentukan inti senyawa dapat dengan berbagai cara, demikian juga dengan proses peluruhannya.

Teori Reaksi Nuklir…

• Setiap cara peluruhan tidak tergantung dari cara pembentukan inti senyawa, artinya jika suatu partikel dengan energi kinetik yang cukup ditembakkan ke arah inti sasaran maka partikel itu akan masuk ke dalam inti, kemudian energi yang dibawa dipindahkan / disebarkan ke seluruh nukleon dalam inti tersebut sehingga terbentuk inti senyawa yang tereksitasi.

• Secara random dapat dimungkinkan bahwa energi inti yang diterima itu terkumpul pada salah satu nukleon yang menyebabkan nukleon itu dapat lolos dari ikatan inti.

• Peristiwa pemancaran partikel dari inti senyawa yang tereksitasi disebut PENGUAPAN. Hal ini dapat terjadi bilamana energi kinetik partikel penembak cukup besar. Bilamana energi kinetik partikel penembak kecil maka hanya akan terhadi perubahan dari keadaan inti senyawa tereksitasi ke keadaan dasar dengan memancarkan sinar gama.

• Reaksi nuklir dengan penempakan partikel bermuatan (p atau α) lebih banyak terjadi pada inti ringan daripada pada inti berat (Z >>). Hal ini berkaitan dengan potensial penghalang Coloumb.

• Jika partikel ditembakkan pada suatu inti sasaran, mungkin menyebabkan adanya reaksi nuklir tetapi bisa juga tidak terjadi reaksi nuklir.

• Kebolehjadian berlangsungnya reaksi nuklir dinyatakan dengan penampang lintang reaksi nuklir atau cross section (σ), cm2.

• Besarnya penampang lintang reaksi nuklir tergantung banyak faktor, diantaranya jenis partikel radiasi, jenis nuklida sasaran, energi radiasi nuklida sasaran serta energi radiasi nuklir yang digunakan.

Penampang Lintang Reaksi Nuklir…

• Banyaknya radiasi nuklir yang berinteraksi dengan inti atom materi sasaran adalah:

dimana: no : intensitas radiasi nuklir setelah menembus sasaran

setebal x.nx : intensitas radiasi nuklis sebelum menembus sasaran. c : jumlah inti atom per cm3 materi.

σ : penampang lintang reaksi nuklir.x : tebal sasaran

• Pada reaksi :

nuklida Au-197, 100% berada di alam dengan penampang lintang reaksi 99 b (1 b = 10-24 cm2) . Dibuat lempeng emas sebagai sasaran dengan ukuran tebal 0,3 cm luas 5 cm2 dan dipaparkan kepada netron dengan fluks 107 cm-2det-1. Massa jenis emas 19,3 gr cm-3. Reaksi yang terjadi (n, γ) sedang reaksi yang lain tidak ditinjau. Bila massa atom Au 197,2 maka tentukanlah berapa buah atom Au-198 yang terjadi!!!

Jawab:

no = 5 cm2 x 107 (netron) cm-2 det-1

c = 19,3/197,2 x 6,023 x 1023 = 1,62 x 1021 inti Au – 198 cm-3

x = 0,3 cmσ = 99 x 10-24 cm2

Diperoleh : 2,35 x 106 inti Au-198 per detik.

• Macam reaksi nuklir ditentukan oleh jenis partikel penembak dan oleh partikel yang dilepaskan dari inti sasaran.

• Ada 5 macam reaksi nuklir berdasarkan jenis partikel penembaknya, yaitu: reaksi dengan netron, reaksi dengan proton, reaksi dengan deteron, reaksi dengan alfa dan reaksi dengan gama.

Macam Reaksi Nuklir…

• Merupakan partikel penembak yang paling efektif, karena tidak bermuatan listrik. Bahkan netron dengan energi rendah, reaksi tetap dapat berlangsung.

• Kemungkinan reaksi (n,p); (n,d) dan (n, α) berkurang dengan naiknya nomor atom nuklida sasaran.

• Untuk nuklida dengan Z besar, reaksi (n,n); (n, γ), dan (n,β+) lebih mungkin terjadi.

Reaksi dengan Netron…

• Besarnya energi netron yang digunakan dibedakan atas:netron termal : En = 0,025 eVnetron lambat : En = 1 keVnetron cepat : En > 500 keV

• Reaksi (n, α), sebagian besar nuklida mengalami reaksi (n, γ), seperti Pt-198 (n, γ) Pt-199; Na-23 (n, γ) Na-24; dan Mo-98 (n, γ) Mo-99

• Reaksi (n,p), seperti S-32 (n,p) P-32; N-14 (n,p) C-14

• Reaksi (n, α), seperti

• Reaksi (p, α) →

• Reaksi (p, n) → • Reaksi (p, γ) →

Reaksi dengan Proton…

• Banyak reaksi nuklir dilakukan dengan deteron energi tinggi sampe beberapa MeV, dipercepat dengan generator elektrostatik.

• Reaksi (d, α) →

• Reaksi (d, p) →

Reaksi dengan Deteron…

• Dapat menggunakan ion dengan energi tinggi (N-14, O-16, C-11) atau partikel/ion dengan kecepatan tinggi.misal:

Reaksi dengan alfa…

• Reaksi dengan foton energi tinggi disebut juga foto disintegrasi. Energi foton adalah sebagai energi kinetik, paling sedikit harus sama dengan energi ikat inti sasaran, umumnya mencapai energi 10 MeV.

• Misal:

Reaksi dengan gama…

• Untuk mengukur kestabilan inti digunakan besaran energi ikat inti per nukleon. Inti dengan energi ikat paling besar (A = 60) adalah inti yang paling stabil.

• Dengan melihat energi ikat inti nukleon, untuk nuklida ringan, sedang, dan berat. Misalnya: H-1 = 1,1 MeV; Ni-60 = 8,8 MeV dan U-238 = 7,6 MeV.

Reaksi Fisi …

• Nuklida ringan dan berat relatif kurang stabil, jika dibandingkan dengan nuklida pertahanan. Hal ini dikarenakan akan dilepaskan energi apabila suatu nuklida berat mengalami perpecahan atau suatu nuklida ringan mengadakan penggabungan.

• Peristiwa pecahnya nulkida berat menjadi dua nuklida sedang disebut reaksi FISI nuklir.

• Sedangkan peristiwa penggabungan nuklida ringan menjadi nuklida sedang disebut reaksi FUSI nuklir.

• Misal: U-236 pecah menjadi X-96 dan Y-140 dengan energi ikat inti per nukleon berturut-turut: 7, 5 MeV, 8,6 MeV dan 8,3 MeV.

Energi total dalam inti U-236 = [- 1770 MeV]Energi total dalam inti X -96 = [- 825,6 MeV]Energi total dalam inti Y-140 = [- 1162,0

MeV]Energi total nuklida setelah reaksi: [-1987,6 MeV]

Q = [+ 218 MeV] ---- dilepaskan• Dalam prakteknya, energi yang dilepaskan sekitar

200 MeV, diantaranya 60% berwujud panas (120 MeV).

• Agar dapat berlangsung suatu reaksi fisi nuklir, maka suatu nuklida berat, misal: U – 236 harus ditembak dengan partikel nuklir seperti netron, alfa, deteron dan gamma. Diantaranya yang paling penting adalah reaksi fisi dari nuklida berat U – 235 yang ditembak dengan partikel penembak netron.

• Mula-mula U-235 menangkap netron kemudian terbentuk U -236 yang tidak stabil, segera pecah menjadi 2 inti sedang X dan Y. Nomor massa X dan Y tak tertentu melainkan terdistribusi antara 60 – 170.

• Mungkin keduanya merupakan inti yang tidak stabil, tetapi sekurang-kurangnya satu diantaranya merupakan inti yang tidak stabil.

• Netron yang terkandung pada nuklida berat, kelebihan netron dalam nuklida hasil fisi akan dilepaskan menurut 2 cara, yaitu:1. beberapa buah netron dilepaskan dalam waktu

10-14 detik. netron jenis ini disebut netron serentak yang jumlahnya meliputi 99%. Beberapa menit kemudian baru dilepaskan lagi netron yang disebut netron tertunda yang jumlahnya sangat sedikit yaitu 0,75%.2. memancarkan partikel beta secara berturutan.

• Jika suatu nuklida ringan bersatu akan terbentuk nuklida yang lebih berat disertai dengan pelepasan energi yang besar. Selain menghasilkan energi yang besar, reaksi ini berlangsung pada suhu yang sangat tinggi, maka reaksi fusi disebut juga reaksi TERMONUKLIR.

• Reaksi fusi memerlukan energi ambang yang besar dan suhu yang tinggi ± 108 C. Pada suhu ini semua gas terionisasi. Kondisi ini disebut PLASMA.

Reaksi Fusi …

• Secara teori reaksi fusi lebih menguntungkan daripada reaksi fisi. Hal ini disebabkan oleh 2 hal, yaitu: energi yang dihasilkan lebih besar dan inti yang terjadi stabil sehingga mengurangi bahaya radiasi.

• Reaksi fusi tergantung atas besar kecilnya energi ambang, penampang lintang reaksi dan kelimpahan inti. Untuk nuklida dengan Z besar memiliki penampang lintang yang lebih besar.

• Keadaan plasma dalam inti tidak boleh bersinggungan dengan wadahnya, sehingga diperlukan wadah khusus yaitu MEDAN MAGNET.

• Plasma terdiri atas partikel inti yang bermuatan dan elektron-elektron bebas yang bergerak dengan energi kinetik yang besar sekali.

• Dengan medan magnet, plasma ini dapat didekatkan sehingga inti-inti dapat bergabung.

• Energi yang dihasilkan dari reaksi fusi belum dapat dimanfaatkan kecuali dalam bom Hidrogen.

• Reaksi fusi merupakan sumber energi pada bintang dan matahari.

• Reaksi siklus karbon terjadi pada bintang dengan tiap siklus menghasilkan 30 MeV, sedangkan pada matahari terjadi siklus proton-proton yang menghasilkan energi per siklus 24,6 MeV.