Interaksi radiasi dengan materi


       Ketika radiasi nuklir mengenai materi, ada tiga kemungkinan yang dapat terjadi, yaitu radiasi akan dibelokkan, diserap (berinteraksi) atau diteruskan.

 

 

Secara umum, interaksi radiasi dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu interaksi radiasi partikel bermuatan (alpha dan beta), radiasi partikel yang tidak bermuatan (neutron) dan yang terakhir adalah radaisi gelombang elektromagnetik/foton (radiasi gamma dan sinar-x). Karena ketiga jenis radiasi ini memiliki karakteristik yang berbeda, maka interaksi yang terjadi pun akan berbeda.

Interaksi radiasi partikel bermuatan

Ada tiga kemungkinan interaksi radiasi yang dapat terjadi ketika suatu partikel bermuatan mengenai materi, yaitu ionisasi, eksitasi dan brehmstrahlung. Ketika menumbuk suatu materi, radiasi alpha yang memiliki massa dan muatan yang relatif besar cenderung melakukan proses ionisasi, sedangkan radiasi partikel yang lebih kecil seperti beta, elektron, atau proton dapat melakukan ketiganya.

Selain ketiga reaksi tersebut diatas, ada interaksi lain yang dapat terjadi, yaitu reaksi inti yang probabilitas kejadiannya jauh lebih kecil dibandingkan interaksi lainnya. Contoh reaksi inti yang dapat terjadi adalah proses aktivasi inti, yaitu proses pembuatan inti atom baru dengan menggunakan alat pemercepat proton yang disebut akselerator.

 

Proses ionisasi

       Ketika partikel bermuatan melalui suatu materi, partikel tersebut akan berinteraksi dengan atom-atom penyusun materi dan menyebabkan beberapa elektron terlepas dari lintasannya karena adanya gaya tarik Coulomb. Proses terlepasnya elektron dari suatu atom disebut sebagai proses ionisasi. Setelah proses ionisasi, atom yang mula-mula netral menjadi  bermuatan (ion) positif.



Setelah melakukan proses ionisasi energi radiasi yang datang akan mengalami pengurangan (terdapat selisih energi). Ini dikarenakan adanya transfer energi dari radiasi kepada elektron , sehingga elektron memiliki energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari atom. Jika energi radiasi akhir masih cukup banyak, proses ioniasasi dapat terjadi lagi, terus-menerus hingga energi radiasinya habis.

Elektron yang terlepas dari atom (disebut ion negatif) akan menjadi elektron bebas yang tidak  memiliki energi kinetik dan bebas bergerak secara random (acak) di dalam medium.

 

Proses eksitasi

Sepintas proses eksitasi mirip dengan proses ionisasi. Akan tetapi, pada proses eksitasi elektron tidak sampai terlepas dari atom. Elektron hanya berpindah ke lintasan yang lebih luar (energi lintasannya lebih besar). Setelah terjadi proses eksitasi, atom tersebut berubah menjadi atom yang tereksitasi.


Sebagaimana pada proses ionisasi, energi radiasi yang datang akan berkurang setelah melakukan proses eksitasi. Ini terjadi karena radiasi mentransfer sebagian (atau seluruh) energinya kepada elektron, sehingga elektron memiliki energi yang cukup untuk berpindah lintasan. Proses eksitasi juga dapat berlangsung berulang kali hingga energi radiasinya habis.

Atom yang berada dalam keadaan tereksitasi ini akan kembali ke keadaan dasarnya (ground state) dengan melakukan transisi elektron. Salah satu elektron yang berada di lintasan luar akan berpindah mengisi kekosongan di lintasan yang lebih dalam sambil memancarkan radiasi sinar-x karakteristik. Energi sinar-x karakteristik yang dipancarkan dalam peristiwa ini setara dengan selisih energi antara lintasan sebelum dan sesudah transisi.

 

Proses Brehmstrahlung

Proses ini lebih dominan terjadi pada interaksi radiasi beta dan elektron karena massa dan muatan partikel beta relatif lebih kecil sehingga kurang diserap oleh materi dan daya tembusnya lebih tinggi dibandingkan partikel alpha.

Karena adanya gaya elektrostatik, radiasi beta atau elektron yang bergerak melewati inti akan dibelokkan. Perubahan arah gerak ini menyebabkan adanya perubahan momentum yang kemudian akan menghasilkan pancaran energi gelombang elektromagnetik (foton). Foton yang muncul pada proses ini disebut sebagai sinar-x brehmsstrahlung (bedakan dengan sinar-x karakteristik yang dihasilkan oleh transisi elektron).

Berbeda dengan energi radiasi sinar-x karakteristik yang hanya dipengaruhi oleh selisih tingkat energi lintasan, tingkat energi radiasi sinar-x brehmsstrahlung ini dipengaruhi oleh beberapa hal, yaitu energi radiasi yang mengenai atom, nomor atom (jumlah proton) inti dan sudut pembelokannya.
 

Interaksi radiasi neutron

Neutron mempunyai massa yang hampir sama dengan proton dan tidak bermuatan. Neutron ratusan kali lebih besar dari elektron, tetapi ukurannya 1/4 kali ukuran alpha. Karena itulah mengapa neutron sangat sulit dihentikan dan memiliki daya jangkau yang besar.

Ada 5 reaksi yang terjadi ketika sebuah neutron berinteraksi dengan inti. 2 reaksi yang pertama dikenal sebagai hamburan neutron, dimana neutron tetap muncul diakhir proses. Sedangkan interaksi yang terakhir dikenal dengan sebutan penyerapan neutron. Pada interaksi ini, inti menyerap neutron dan menghasilkan sesuatu yang lain. Berbeda.

 

Tumbukan

Neutron merupakan partikel yang memiliki massa namun tidak bermuatan listrik, sehingga interaksi neutron dengan materi lebih banyak bersifat mekanik, yakni tumbukan antara neutron dengan atom (inti atom) materi, baik secara elakstik maupun tak elastik. Setiap tumbukan dengan materi akan menyerap energi neutron, sehingga setelah beberapa kali tumbukan energi neutron akan habis dan proses tumbukan pun berhenti. Jika energi neutron sudah sangat rendah, ada kemungkinan untuk terjadinya reaksi penangkapan neutron oleh inti atom bahan penyerap.

 

Tumbukan elastik

Pada tumbukan elastik, tidak ada energi yang ditransfer dari neutron kepada inti target yang dapat menyebabkan suatu keadaan eksitasi. Pada tumbukan elastik berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik (momentum atau energi kinetik sistem sebelum dan sesudah interaksi adalah sama), meskipun biasanya akan ada energi kinetik yang diberikan neutron kepada inti target. Sebagian energi neutron yang diberikan kepada inti atom target menyebabkan inti atom target terpental sedangkan neutronnya akan dibelokkan atau dihamburkan.

Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai massa yang sama, atau setidaknya hampir sama dengan massa neutron (misalnya atom hidrogen), sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom tersebut cukup besar.

Tumbukan tak elastik

 

Pada tumbukan tak elastik, neutron akan diserap oleh inti atom target yang kemudian membentuk inti atom majemuk. Inti majemuk ini kemudian akan memancarkan neutron dengan energi  kinetik rendah dan meninggalkan inti atom dalam keadaan eksitasi. Agar dapat kembali ke keadaan groundstate, inti akan mengeluarkan kelebihan energi yang dimilikinya dalam bentuk radiasi gamma. Jumlah energi kinetik neutron yang dihamburkan, inti atom target dan gamma yang diemisikan akan sama dengan jumlah energi kinetik neutron sebelum tumbukan.

 

Penyerapan/penangkapan neutron

Pada penyerapan neutron oleh suatu inti atom tidak ada neutron yang dihasilkan pada akhir proses, sebagai gantinya akan dihasilkan partikel bermuatan atau gamma. Jika inti atom yang dihasilkan adalah radioaktif, maka radiasi tambahan akan dihasilkan beberapa saat kemudian.

 

Transmutasi

Bila energi neutron sudah sangat rendah (atau biasa disebut sebagai neutron termal, En < 0,025 eV), maka ada kemungkinan neutron tersebut akan ’ditangkap’ oleh inti atom bahan penyerap sehingga akan terbentuk inti atom baru karena penambahan neutron. Inti atom yang terbentuk ini umumnya tidak stabil (radioaktif) yang memancarkan radiasi (alpha, beta atau gamma). Peristiwa ini disebut sebagai aktivasi neutron, yaitu suatu proses yang dilakukan untuk mengubah bahan/materi yang tadinya bersifat stabil menajdi bahan/materi yang radioaktif.

Isotop B10 dari unsur Boron merupakan inti atom yang stabil. Ketika sebuah neutron termal mengenai isotop ini, maka akan terjadi proses aktivasi yang akan mengubah B10 menjadi radioisotop (B11)*  yang tidak stabil. Inti ini kemudian dengan cepat berubah menjadi Li7 yang stabil sambil memancarkan radiasi alpha.

Selain oleh neutron, proses reaksi inti seperti ini juga dapat disebabkan oleh partikel bermuatan seperti proton, tetapi dengan energi yang sangat tinggi. Proses aktivasi ini biasanya dimanfaatkan untuk memproduksi radioisotop.

 

Penangkapan radiasi

Interaksi ini merupakan reaksi nuklir yang  paling umum terjadi. Pada interaksi ini, sebuah neutron akan diserap oleh inti atom target yang kemudian membentuk inti atom majemuk dalam keadaan eksitasi. Inti majemuk ini kemudian akan memancarkan radiasi gamma dan kembali ke keadaan dasarnya (ground state). Pada reaksi ini inti atom yang dihasilkan merupakan isotop dari inti atom target, dan ada kenaikan nomor massa sebesar satu.

 

Fisi

 

Salah satu interaksi neutron yang paling penting adalah reaksi fisi yang berlangsung di dalam reaktor. Pada reaksi ini, inti atom yang menyerap neutron akan menjadi sangat tidak stabil sehingga membelah menjadi dua inti baru sambil melepaskan sejumlah besar energi. Contoh reaksi ini adalah reaksi pembelahan inti atom uranium-235 yang berlangsung di dalam PLTN.

 

Interaksi radiasi gelombang elektromagnetik

Gamma dan sinar-x termasuk ke dalam kelompok radiasi elektromagnetik. Tidak seperti gelombang radio dan cahaya tampak, gamma dan sinar-x memiliki panjang gelombang yang lebih pendek (atau frekuensi yang lebih tinggi) sehingga memiliki energi yang jauh lebih tinggi. Sementara radiasi alpha dan beta memiliki daya jangkau maksimum yang terbatas, foton berinteraksi secara probabilistik sehingga daya jangkau maksimum sebuah foton bisa sangat bervariasi (tidak pasti). Meskipun demikian, fraksi total foton yang diserap oleh bahan berkurang secara eksponensial dengan ketebalan bahan. Ada tiga mekanisme bagaimana gamma dan sinar-x berinteraksi dengan materi, yaitu efek fotolistrik, hambran Compton dan produksi pasangan. Radiasi gamma memiliki bahaya eksternal karena radiasi ini memberikan energinya jauh lebih banyak dan lebih jauh bila dibandingkan dengan radiasi alpha dan beta.

 

Efek fotolistrik

Pada proses efek fotolistik, radiasi gelombang elektromagnetik (foton) yang datang mengenai atom, seolah-olah ’menumbuk” salah satu elektron orbital dan memberikan seluruh energinya. Jika energi foton yang diberikan lebih besar dari energi ikat elektron, maka elektron tersebut dapat terlepas dari atom dan menghasilkan ion. Elektron yang terlepas (atau biasa disebut fotoelektron) dapat menyebabkan peristiwa ionisasi sekunder pada atom sekitarnya dengan cara yang mirip dengan yang dilakukan beta. Efek fotolistrik sangat mungkin terjadi jika foton memiliki energi yang rendah (kurang dari 0,5 MeV) dan materi memiliki massa besar (nomor atom besar). Sebagai contoh efek fotolistrik lebih banyak terjadi pada timah hitam (Z = 82) daripada tembaga (Z = 29).

 

Hamburan Compton

Peristiwa hamburan Compton sebenarnya tidak berbeda jauh dengan efek fotolistrik. Akan tetapi, pada hamburan Compton tidak semua energi foton diberikan kepada elektron, melainkan hanya sebagian saja, sisa energi foton masih berupa gelombang elektromagnetik (foton) yang dihamburkan.  Foton yang dihamburkan ini akan terus berinteraksi dengan elektron lain sampai energinya habis dan elektron yang dihasilkan (fotoelektron) akan menyebabkan proses ionisasi sekunder.



Pada hamburan Compton, foton dengan energi hλiberinteraksi dengan elektron terluar dari atom, selanjutnya foton dengan energi hλodihamburkan dan sebuah fotoelektron lepas dari ikatannya. Energi kinetik elektron (Ee) sebesar selisih energi foton masuk dan foton keluar.

Ee = hλi– hλo

Hamburan Compton sangat dominan terjadi bila foton mempunyai energi sedang (di atas 0,5 MeV) dan lebih banyak terjadi pada material dengan nomor massa (Z) yang rendah.

 

Produksi pasangan

Ketika berada di daerah medan inti sebuah atom, foton dapat mengalami konversi (lenyap) menjadi postron yang bermuatan positif dan elektorn yang bermuatan negatif. Dengan menggunakan persamaan konversi energi menjadi massa (E=mc2), elektron dan positron yang dihasilkan akan memiliki energi yang setara dengan 0,511 MeV. Oleh karena itu hanya foton berenergi besar saja (>1,02 MeV) yang dapat menghasilkan pasangan elektron-psoitron. Setiap kelebihan energi diatas 1,02 MeV akan diberikan pada partikel dalam bentuk energi kinetik. (Energi kinetik total dari dua partikel tersebut sama dengan energi foton yang datang dikurangi 1,02 MeV).

Elektron yang dihasilkan akan berinteraksi dengan atom sekitar dan menyebabkan terjadinya ionisasi, sedangkan positron akan menemukan sebuah elektron bebas dan kedua partikel ini akan saling menghilangkan (interaksi positron), dan menghasilkan energi.

 

Interaksi tidak langsung

Dari tiga interaksi gelombang elektromagnetik (foton) yang telah disebutkan di atas, terlihat bahwa semua interaksi akan menghasilkan partikel bermuatan (elektron atau positron) yang berenergi tinggi. Elektron atau positron yang berenergi tersebut dalam pergerakannya akan mengionisasi atom-atom bahan yang dilaluinya sehingga dengan kata lain, gelombang elektromagnetik juga dapat mengionisasi bahan tetapi secara tidak langsung.