Peluruhan radioaktif

Peluruhan radioaktif (disebut juga peluruhan nuklir atau radioaktivitas) adalah kemampuan inti atom yang tidak stabil menjadi stabil melalui pemancaran radiasi.^[1] Kemampuan ini melibatkan proses pemecahan inti atom yang tidak stabil sehingga terjadi kehilangan energi (berupa massa dalam diam) dengan memancarkan radiasi, seperti partikel alfa (inti helium), partikel beta (elektron atau positron) dengan neutrino dan sinar gamma.^[2] Material yang mengandung inti tak stabil ini dianggap radioaktif.^[3]

Peluruhan terjadi pada sebuah nukleus induk dan menghasilkan sebuah nukleus anak.^[4] Peluruhan radioaktif adalah sebuah proses "acak" (stochastic) dimana menurut teori kuantum, tidak mungkin untuk memprediksi kapan sebuah sebuah atom akan meluruh,^[5][6][7] tidak peduli seberapa lama atom tersebut telah eksis. Namun, untuk sekumpulan atom, kecepatan peluruhan yang diperkirakan dapat dikarakterisasi melalui konstanta peluruhan atau waktu-paruh.^[8] Hal ini menjadi dasar bagi pengukuran radiometrik. Waktu paruh atom radioaktif tidak memiliki batas, terbentang sepanjang 55 tingkat besaran, dari mulai hampir spontan sampai jauh melebihi usia alam semesta.

Satuan internasional (SI) untuk pengukuran peluruhan radioaktif adalah becquerel (Bq) yang diambil dari nama fisikawan Prancis Henri Becquerel. Jika sebuah material radioaktif menghasilkan 1 buah kejadian peluruhan tiap 1 detik, maka dikatakan material tersebut mempunyai aktivitas 1 Bq.^[9] Karena biasanya sebuah sampel material radioaktif mengandung banyak atom,1 becquerel akan tampak sebagai tingkat aktivitas yang rendah; satuan yang biasa digunakan adalah dalam orde gigabecquerel. Selain itu, satuan lain yang dipakai untuk mengukut peluruhan radioaktif adalah curie (Ci). Satuan ini didasarkan pada besar pancaran yang dihasilkan oleh satu gram radium. Satu curie (Ci) setara dengan 3.7 × 10¹⁰ Bq.^[10]

Neutron dan proton yang menyusun inti atom, terlihat seperti halnya partikel-partikel lain, diatur oleh beberapa interaksi. Gaya nuklir kuat, yang tidak teramati pada skala makroskopik, merupakan gaya terkuat pada skala subatomik.^[11] Hukum Coulomb atau gaya elektrostatik juga mempunyai peranan yang berarti pada ukuran ini. Gaya nuklir lemah sedikit berpengaruh pada interaksi ini.^[12] Gaya gravitasi juga hanya memberikan sedikit berpengaruh pada proses nuklir.

Perubahan susunan partikel dan atau perubahan jenis partikel menyebabkan interaksi kompleks antar gaya-gaya tersebut. Interaksi ini kemudian dapat menyebabkan pelepasan energi. Hal ini dikarenakan stabilitas nuklei terbatas apabila mengalami transformasi.^[13] Kejadian ini mungkin bisa digambarkan seperti menara pasir yang kita buat di pantai: walaupun gesekan yang terjadi antar pasir mampu menopang ketinggian menara, namun menara tersebut tidak stabil, melihat energi potensialnya yang rendah. Oleh karena itu, dibutuhkan "gangguan" yang bisa mengubah menara ke tingkat entropi yang lebih tinggi. Gangguan tersebut membuat sistem menghasilkan energi yang kemudian didistribusikan ke seluruh bagian sehingga terjadi keruntuhan. Keruntuhan menara ini kemudian menjadi analogi dari proses peluruhan.

Keruntuhan menara (peluruhan) membutuhkan energi aktivasi tertentu.^[14] Gangguan yang terjadi pada menara tersebut datang dari luar sistem, bisa dalam bentuk ditendang atau digeser tangan. Pada kasus peluruhan inti atom, energi aktivasi berasal dari fluktuasi kuantum.^[15] Nukleus, seperti menara merupakan sesuatu yang tidak stabil, sehinggga terus menstabilkan diri dengan berusaha sedekat mungkin dengan keadaan dasar.

Beberapa reaksi nuklir melibatkan sumber energi yang berasal dari luar, dalam bentuk "tumbukkan" dengan partikel luar misalnya. Akan tetapi, reaksi semacam ini tidak dipertimbangkan sebagai peluruhan. Reaksi seperti ini biasanya akan dimasukan dalam fisi nuklir/fusi nuklir.

Radioaktivitas pertama kali ditemukan pada tahun 1896 oleh ilmuwan Prancis Henri Becquerel ketika sedang bekerja dengan material fosforesen. Material semacam ini akan berpendar di tempat gelap setelah sebelumnya mendapat paparan cahaya, dan dia berpikir pendaran yang dihasilkan tabung katode oleh sinar-X mungkin berhubungan dengan fosforesensi.^[16] Karenanya ia membungkus sebuah pelat foto dengan kertas hitam dan menempatkan berbagai material fosforen diatasnya. Kesemuanya tidak menunjukkan hasil sampai ketika ia menggunakan garam uranium. Terjadi bintik hitam pekat pada pelat foto ketika ia menggunakan garam uranium tersebut.^[17]

Tetapi kemudian menjadi jelas bahwa bintik hitam pada pelat bukan terjadi karena peristiwa fosforesensi, pada saat percobaan, material dijaga pada tempat yang gelap. Juga, garam uranium nonfosforen dan bahkan uranium metal dapat juga menimbulkan efek bintik hitam pada pelat.^[17]

Pada awalnya tampak bentuk radiasi yang baru ditemukan ini mirip dengan penemuan sinar-X. Akan tetapi, penelitian selanjutnya yang dilakukan oleh Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie, Ernest Rutherford dan ilmuwan lainnya menemukan bahwa radioaktivitas jauh lebih rumit ketimbang sinar-X. Beragam jenis peluruhan bisa terjadi.^[18]

Sebagai contoh, ditemukan bahwa medan listrik atau medan magnet dapat memecah emisi radiasi menjadi tiga sinar.^[19] Demi memudahkan penamaan, sinar-sinar tersebut diberi nama sesuai dengan alfabet yunani yakni alpha, beta, dan gamma, nama-nama tersebut masih bertahan hingga kini. Kemudian dari arah gaya elektromagnet, diketahui bahwa sinar alfa mengandung muatan positif, sinar beta bermuatan negatif, dan sinar gamma bermuatan netral. Dari besarnya arah pantulan, juga diketahui bahwa partikel alfa jauh lebih berat ketimbang partikel beta.^[20] Dengan melewatkan sinar alfa melalui membran gelas tipis dan menjebaknya dalam sebuah tabung lampu neon membuat para peneliti dapat mempelajari spektrum emisi dari gas yang dihasilkan, dan membuktikan bahwa partikel alfa kenyataannya adalah sebuah inti atom helium. Percobaan lainnya menunjukkan kemiripan antara radiasi gamma dengan sinar katode serta kemiripan radiasi gamma dengan sinar-X.

Para peneliti ini juga menemukan bahwa banyak unsur kimia lainnya yang mempunyai isotop radioaktif. Radioaktivitas juga memandu Marie Curie untuk mengisolasi radium dari barium; dua buah unsur yang memiliki kemiripan sehingga sulit untuk dibedakan.^[21]

Bahaya radioaktivitas dari radiasi tidak serta merta diketahui. Efek akut dari radiasi pertama kali diamati oleh insinyur listrik Amerika Ernest Amory Codman yang secara terus menerus mengarahkan sinar-X ke jari-jarinya pada 1896. Dia menerbitkan hasil pengamatannya terkait dengan efek bakar yang dihasilkan.^[22] Bisa dikatakan ia menemukan bidang ilmu fisika medik (health physics); untungnya luka tersebut sembuh dikemudian hari.

Efek genetis radiasi baru diketahui jauh di kemudian hari. Pada tahun 1927, Hermann Joseph Muller menerbitkan penelitiannya yang menunjukkan efek genetis radiasi.^[23] Pada tahun 1947, dia mendapat penghargaan hadiah Nobel untuk penemuannya ini.

Sebelum efek biologi radiasi diketahui, banyak perusahan kesehatan yang memasarkan obat paten yang mengandung bahan radioaktif; salah satunya adalah penggunaan radium pada perawatan enema. Marie Curie menentang jenis perawatan ini, ia memperingatkan efek radiasi pada tubuh manusia belum benar-benar diketahui (Curie dikemudian hari meninggal akibat Anemia Aplastik, yang hampir dipastikan akibat lamanya ia terpapar Radium). Pada tahun 1930-an, produk pengobatan yang mengandung bahan radioaktif tidak ada lagi dipasaran bebas.

Sebuah inti radioaktif dapat melakukan sejumlah reaksi peluruhan yang berbeda. Reaksi-reaksi tersebut disarikan dalam tabel berikut ini. Sebuah inti atom dengan muatan (nomor atom) Z dan berat atom A ditampilkan dengan (A, Z).

Peluruhan radioaktif berakibat pada pengurangan massa, di mana menurut hukum relativitas khusus massa yang hilang diubah menjadi energi (pelepasan energi) sesuai dengan persamaan ${\displaystyle E=mc^{2}}$. Energi ini dilepaskan dalam bentuk energi kinetik dari partikel yang dipancarkan.

Banyak inti radioaktif yang mempunyai mode peluruhan berbeda. Sebagai contoh adalah Bismuth-212, yang mempunyai tiga.

Inti anak yang dihasilkan dari proses peluruhan biasanya juga tidak stabil, kadang lebih tidak stabil dari induknya. Bila kasus ini terjadi, inti anak tadi akan meluruh lagi. Proses kejadian peluruhan berurutan yang menghasilkan hasil akhir inti stabil, disebut rantai peluruhan.

Menurut teori Big Bang, isotop radioaktif dari unsur teringan (H, He, dan Li) dihasilkan tidak berapa lama setelah alam semesta terbentuk. Tetapi, inti-inti ini sangat tidak stabil sehingga tidak ada dari ketiganya yang masih ada saat ini. Karenanya sebagian besar inti radioaktif yang ada saat ini relatif berumur muda, yang terbentuk di bintang (khususnya supernova) dan selama interaksi antara isotop stabil dan partikel berenergi. Sebagai contoh, karbon-14, inti radioaktif yang mempunyai umur-paruh hanya 5730 tahun, secara terus menerus terbentuk di atmosfer atas bumi akibat interaksi antara sinar kosmik dan Nitrogen.

Peluruhan radioaktif telah digunakan dalam teknik perunut radioaktif, yang digunakan untuk mengikuti perjalanan substansi kimia di dalam sebuah sistem yang kompleks (seperti organisme hidup misalnya). Sebuah sampel dibuat dengan atom tidak stabil konsentrasi tinggi. Keberadaan substansi di satu atau lebih bagian sistem diketahui dengan mendeteksi lokasi terjadinya peluruhan.

Dengan dasar bahwa proses peluruhan radioaktif adalah proses acak (bukan proses chaos), proses peluruhan telah digunakan dalam perangkat keras pembangkit bilangan-acak yang merupakan perangkat dalam memperkirakan umur absolut material geologis dan bahan organik.

Laju peluruhan, atau aktivitas, dari material radioaktif ditentukan oleh:

Konstanta:

• Waktu paruh - simbol ${\displaystyle t_{1/2}}$ - waktu yang diperlukan sebuah material radioaktif untuk meluruh menjadi setengah bagian dari sebelumnya.
• Rerata waktu hidup - simbol ${\displaystyle \tau }$ - rerata waktu hidup (umur hidup) sebuah material radioaktif.
• Konstanta peluruhan - simbol ${\displaystyle \lambda }$ - konstanta peluruhan berbanding terbalik dengan waktu hidup (umur hidup).

(Perlu dicatat meskipun konstanta, mereka terkait dengan perilaku yang secara statistik acak, dan prediksi menggunakan konstanta ini menjadi berkurang keakuratannya untuk material dalam jumlah kecil. Tetapi, peluruhan radioaktif yang digunakan dalam teknik penanggalan sangat handal. Teknik ini merupakan salah satu pertaruhan yang aman dalam ilmu pengetahuan sebagaimana yang disampaikan oleh [1])

Variabel:

• Aktivitas total - simbol ${\displaystyle A}$ - jumlah peluruhan tiap detik.
• Aktivitas khusus - simbol ${\displaystyle S_{A}}$ - jumlah peluruhan tiap detik per jumlah substansi. "Jumlah substansi" dapat berupa satuan massa atau volume.)

Persamaan:

${\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)}$

${\displaystyle A={\frac {dN}{dt}}=-\lambda N}$

${\displaystyle S_{A}a_{0}=\left.{\frac {dN}{dt}}\right|_{t=0}=-\lambda N_{0}}$

dimana

${\displaystyle a_{0}\ }$ adalah jumlah awal material aktif

Satuan aktivitas adalah: becquerel (simbol Bq) = jumah disintegrasi (pelepasan)per detik; curie (Ci) = ${\displaystyle 3.7\times 10^{10}\ }$disintegrasi per detik; dan disintegrasi per menit (dpm).

Sebagaimana yang disampaikan di atas, peluruhan dari inti tidak stabil merupakan proses acak dan tidak mungkin untuk memperkirakan kapan sebuah atom tertentu akan meluruh, melainkan ia dapat meluruh sewaktu waktu. Karenanya, untuk sebuah sampel radioisotop tertentu, jumlah kejadian peluruhan –dN yang akan terjadi pada selang (interval) waktu dt adalah sebanding dengan jumlah atom yang ada sekarang. Jika N adalah jumlah atom, maka kemungkinan (probabilitas) peluruhan (– dN/N) sebanding dengan dt:

${\displaystyle \left(-{\frac {dN}{N}}\right)=\lambda \cdot dt}$

Masing-masing inti radioaktif meluruh dengan laju yang berbeda, masing-masing mempunyai konstanta peluruhan sendiri (λ).^[24] Tanda negatif pada persamaan menunjukkan bahwa jumlah N berkurang seiring dengan peluruhan. Penyelesaian dari persamaan diferensial orde 1 ini adalah fungsi berikut:

${\displaystyle N(t)=N_{0}e^{-\lambda t}\,\!}$

Fungsi di atas menggambarkan peluruhan exponensial, yang merupakan penyelesaian pendekatan atas dasar dua alasan. Pertama, fungsi exponensial merupakan fungsi berlanjut, tetapi kuantitas fisik N hanya dapat bernilai bilangan bulat positif. Alasan kedua, karena persamaan ini penggambaran dari sebuah proses acak, hanya benar secara statistik. Akan tetapi juga, dalam banyak kasus, nilai N sangat besar sehingga fungsi ini merupakan pendekatan yang baik.

Selain konstanta peluruhan, peluruhan radioaktif sebuah material biasanya juga dicirikan oleh rerata waktu hidup. Masing-masing atom "hidup" untuk batas waktu tertentu sebelum ia meluruh, dan rerata waktu hidup adalah rerata aritmetika dari keseluruhan waktu hidup atom-atom material tersebut. Rerata waktu hidup disimbolkan dengan ${\displaystyle \tau }$, dan mempunyai hubungan dengan konstanta peluruhan sebagai berikut:

${\displaystyle \tau ={\frac {1}{\lambda }}}$

Parameter yang lebih biasa digunakan adalah waktu paruh. Waktu paruh adalah waktu yang diperlukan sebuah inti radioaktif untuk meluruh menjadi separuh bagian dari sebelumnya. Hubungan waktu paruh dengan konstanta peluruhan adalah sebagai berikut:

${\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}}$

Hubungan waktu paruh dengan konstanta peluruhan menunjukkan bahwa material dengan tingkat radioaktif yang tinggi akan cepat habis, sedang materi dengan tingkat radiasi rendah akan lama habisnya. Waktu paruh inti radioaktif sangat bervariasi, dari mulai 10²⁴ tahun untuk inti hampir stabil, sampai 10^-6 detik untuk yang sangat tidak stabil.

Berdasarkan asalnya, radioaktivitas dikelompokkan menjadi radioaktivitas alam, yang keberadaannya tanpa keterlibatan manusia, dan radioaktivitas buatan, yang terjadi akibat kegiatan yang dilakukan manusia. Berdasarkan asalnya, radioaktivitas dikelompokkan menjadi radioaktivitas alam, dan radioaktivitas buatan, yaitu hasil kegiatan yang dilakukan manusia.

Dalam radioaktivitas alam, ada yang berasal dari alam dan dari radiasi kosmik. Radioaktivitas buatan adalah unsur radioisotop yang terjadi karena sengaja dibuat manusia, dan mempunyai berbagai jenis yang disesuaikan dengan penggunaannya. Radioaktivitas buatan dipancarkan oleh raioisotop yang sengaja dibuat manusia, dan berbagai jenis radionuklida dibuat sesuai dengan penggunaannya.

Radioaktivitas primordial

Pada litosfer, banyak inti radioaktif yang sudah ada bersamaan dengan terjadinya bumi, dan tersebar secara luas yang disebut radioaktivitas alam. Pada litosfer, banyak terdapat inti radioaktif yang sudah ada bersamaan dengan terjadinya bumi, yang tersebar secara luas yang disebut radionuklida alam.

Radioaktivitas ini banyak terkandung pada berbagai macam materi dalam lingkungan, misalnya dalam air, tumbuhan, kayu, bebatuan, bahan bangunan, dan lain lain. Radionuklida alam banyak terkandung dalam berbagai macam materi dalam lingkungan, misalnya dalam air, tumbuhan, kayu, bebatuan, dan bahan bangunan. Radioaktivitas primordial dapat ditemukan juga di dalam tubuh mausia. Terutama radioisotop yang terkandung dalam kalium alam. Radionuklida primordial dapat ditemukan juga di dalam tubuh mausia. Terutama radioisotop yang terkandung dalam kalium alam. Uraian lengkap mengenai radioaktivitas alam dijelaskan pada pokok bahasan "inti radioaktif alam (08-01-01-02)".

Radioaktivitas yang berasal dari radiasi kosmik

Pada saat radiasi kosmik masuk ke dalam atmosfer bumi, terjadi interaksi dengan inti atom yang ada di udara menghasilkan berbagai macam inti radioaktif. Yang paling banyak dihasilkan adalah H-3 dan C-14. Pada saat radiasi kosmik masuk ke dalam atmosfer bumi, terjadi interaksi dengan inti atom yang ada di udara menghasilkan berbagai macam radionuklida. Yang paling banyak dihasilkan adalah H-3 dan C-14. Kecepatan peluruhan dan kecepatan pembentukan radioaktivitas jenis ini adalah seimbang, sehingga secara teoritis jumlahnya di alam adalah tetap. Kecepatan peluruhan dan kecepatan pembentukan radionuklida seimbang, sehingga secara teoretis jumlahnya di alam adalah tetap. Berdasarkan fenomena tersebut, maka dengan mengukur kelimpahan C-14 yang ada dalam suatu benda, maka akan dapat ditentukan umur dari benda tersebut dan metode tersebut dinamakan penanggalan karbon (Carbon Dating). Berdasarkan fenomena tersebut, maka dengan mengukur kelimpahan C-14 yang ada dalam suatu benda, dapat ditentukan umur dari benda tersebut dan metode penentuan umur ini dinamakan penanggalan karbon (Carbon Dating).

Radioaktivitas yang berhubungan dengan pembangkit listrik tenaga nuklir

Energi yang dihasilkan akibat proses peluruhan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga nuklir. Energi yang dihasilkan oleh proses peluruhan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga nuklir. Dalam instalasi pembangkit listrik tenaga nuklir, faktor keselamatan radiasi menjadi prioritas yang utama, dan dengan berkembangnya teknologi pembangkit listrik tenaga nuklir, maka tingkat keselamatan radiasinya pun semakin tinggi.

Radioaktivitas akibat percobaan senjata nuklir

Radioaktivitas yang berasal dari jatuhan radioaktif akibat percobaan senjata nuklir disebut fall out. Tingkat radioaktivitas dari fall out yang paling tinggi terjadi pada tahun 1963 dan setelah itu jumlahnya terus menurun. Hal itu disebabkan pada tahun 1962 Amerika dan Rusia mengakhiri percobaan senjata nuklir di udara.

Radioaktivitas dalam kedokteran

Radioaktivitas dalam kedokteran digunakan untuk pemeriksaan, pengobatan, dan sterilisasi dan lain-lain. Radioaktivitas yang berasal dari radioisotop dalam bidang kedokteran digunakan misalnya untuk diagnosis, terapi, dan sterilisasi alat kedokteran. Uraian lengkap dari penggunaan radioaktivitas di bidang kedokteran dapat dibaca pada pokok bahasan Penggunaan radiasi dalam bidang kedokteran.

Radioaktivitas dalam rekayasa teknologi

Penggunaan radiasi dalam bidang pengukuran (gauging), analisis struktur materi, pengembangan bahan-bahan baru, dan sebagai sumber energi dibahas dalam pokok bahasan Penggunaan Radiasi dalam rekayasa teknologi.

Radioaktivitas dalam bidang pertanian

Penggunaannya dalam bioteknologi, pembasmian serangga atau penyimpanan bahan pangan, dan teknologi pelestarian lingkungan dibahas dalam pokok bahasan Penggunaan radiasi dalam produksi pertanian, kehutanan dan laut.

• Bahan bakar nuklir bekas
• Limbah radioaktif
• Kecelakaan dan insiden nuklir
• Pencemaran radioaktif
• Pemrosesan ulang nuklir
• Radiasi alam
• Produk peluruhan
• Rantai peluruhan
• Deret radioaktif
• Tangkapan neutron
• Tangkapan elektron
• Radiasi pengion
• Racun neutron

• The Lund/LBNL Nuclear Data Search – Contains tabulated information on radioactive decay types and energies.
• Nomenclature of nuclear chemistry
• Specific activity and related topics.
• The Live Chart of Nuclides – IAEA
• Interactive Chart of Nuclides Diarsipkan 10 October 2018 di Wayback Machine.
• Health Physics Society Public Education Website
• Annotated bibliography for radioactivity from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues Diarsipkan 7 October 2010 di Wayback Machine.
• Stochastic Java applet on the decay of radioactive atoms Diarsipkan 13 August 2011 di Wayback Machine. by Wolfgang Bauer
• Stochastic Flash simulation on the decay of radioactive atoms by David M. Harrison
• "Henri Becquerel: The Discovery of Radioactivity", Becquerel's 1896 articles online and analyzed on BibNum [click 'à télécharger' for English version].
• "Radioactive change", Rutherford & Soddy article (1903), online and analyzed on Bibnum [click 'à télécharger' for English version].