INTERAKSI RADIASI DENGAN MATERI
Radiasi apabila menumbuk suatu materi maka akan terjadi
interaksi yang akan menimbulkan berbagai efek. Efek-efek radiasi
ini bergantung pada jenis radiasi, energi dan juga bergantung pada
jenis materi yang ditumbuk. Pada umumnya radiasi dapat menyebabkan
proses ionisasi dan atau proses eksitasi ketika melewati materi
yang ditumbuknya.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.A. Interaksi radiasi partikel bermuatanAda 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.1. Proses ionisasiKetika 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. Gambar 1: Proses terjadinya
ionisasiSetelah 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.
Partikel berupa elektron dapat bergerak bebas dari suatu senyawa,
molekul atau atom. Geraknya yang bebas ini dapat menumbuk senyawa,
molekul atau atom lain, seperti yang terlihat pada Gambar 1 dimana
partikel menumbuk suatu atom. Dalam Gambar 1 tersebut partikel
menumbuk atom dan mengenai elektron pada kulit terluar sehingga
terpental keluar. Elektron yang terpental keluar ini disebut ion
negatif, sedangkan atom yang kehilangan elektronnya menjadi ion
positif.Setiap partikel bermuatan bila berinteraksi dengan materi
dapat menimbulkan ionisasi, karena dalam setiap lintasannya pada
materi yang dikenai akan meninggalkan sejumlah pasangan ion positif
dan ion negatif. Radiasi Alpha yang bermuatan positif akan
menghasilkan 10.000-70.000 pasangan ion per cm panjang lintasannya.
Akan tetapi jejak lintasannya tidak terlalau jauh, karena massanya
yang besar (bermassa 4) dan juga karena muatannya yang positif
mudah ditarik oleh elektron bebas (yang bermuatan negatif) yang
banyak sekali tersebar di alam ini. Di udara radiasi alpha hanya
mampu melintas sejauh 2-3 cm (Wardana, 2007).Ionisasi yang
dihasilkan oleh radiasi Beta yang bermuatan negatif lebih sedikit
bila dibandingkan dengan radiasi Alpha yang bermuatan positif.
Radiasi beta yang berinteraksi dengan materi akan menghasilkan
60-7000 pasangan ion per cm panjang lintasannya, jauh lebih sedikit
bila dibandingakan dengan lintasan radiasi alpha (Wardana, 2007).
Hal ini disebabkan karena massanya relatif amat sangat kecil
(massanya bisa dianggap sama dengan nol) dan muatannya yang negatif
membantu dalam perjalanannya melintasi materi, karena didorong oleh
gaya coulumb elektron yang bermuatan negatif yang banyak terdapat
di alam ini. Untuk radiasi beta yang bermuatan positif (positron)
yang kebolehjadiannya di alam sangat kecil, jelas jauh lebih
sedikit kemampuannya untuk mengionisasikan materi yang
dilaluinya.Hal ini disebabkan karena sebelum mengionisasikan
materi, terlebih dahulu positron ini akan ditangkap oleh elektron
yang banyak tersebar di alam.
2. Proses eksitasiSalah satu postulat Bohr menyatakan bahwa
elektron dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi
yang lain. Berpindahnya elektron ini karena mendapatkan tambahan
energi dari luar, salah satunya dapat berasal dari radiasi alpha
dan radiasi betha. Apabila elektron berpindah dari tingkat energi
rendah menuju tingkat energi tinggi maka energi akan diserap untuk
melakukan proses tersebut. Elektron yang berpindah dari tingkat
energi rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan
elektron tereksitasi. Akan tetapi keadaan elektron tereksitasi ini
tidak stabil sehingga elektron kembali dari tingkat energi tinggi
menuju tingkat energi rendah yang disertai pelepasan energi dalam
bentuk radiasi (deeksitasi).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.
Gambar 2: Sebuah elektron melompat dari n1 ke keadaann2, dan
memancarkan foton
Pada tingkat yang lebih rendah, energi yang dimiliki elektron
lebih rendah daripada di tingkat sebelumnya. Perbedaan energi ini
muncul sebagai sebuah kuantum radiasi berenergi hv yang sama besar
dengan beda energi antara kedua tingkat tersebut. Artinya, jika
elektron melompat dari n = n2 ke n=n1, seperti Gambar 2, maka
terpancar sebuah foton dengan energi h = En2 En1Proses eksitasi
dapat terjadi karena partikel radiasi bermuatan yang berinteraksi
dengan materi yang menyebabkan struktur atom bahan terganggu atau
dalam keadaan tereksitasi.Pada radiasi alpha, peristiwa eksitasi
yang terjadi disebabkan karena energi radiasi alpha yang ditransfer
ke elektron orbital dari struktur atomnya. Keadaan ini yang
menyebabkan atom suatu bahan terganggu.Pada radiasi beta, peristiwa
eksitasi bisa terjadi karena pengaruh adanya peristiwa stopping
power yang menyebabkan energi radiasi beta hilang di sepanjang
lintasannya. Energi radiasi beta yang hilang ini menyebabkan
atom-atom yang ada di sepanjang lintasan radiasi beta juga
terganggu (Wardana, 2007).
3. Proses BrehmstrahlungProses 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.
B. Interaksi Radiasi NeutronNeutron 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.1. TumbukanNeutron 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.
2. Tumbukan elastikPada 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.
3. Tumbukan tak elastikPada 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.
4. Penyerapan/penangkapan neutronPada 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.
5. TransmutasiBila 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 B10dari unsur
Boron merupakan inti atom yang stabil. Ketika sebuah neutron termal
mengenai isotop ini, maka akan terjadi proses aktivasi yang akan
mengubah B10menjadi radioisotop (B11)*yang tidak stabil. Inti ini
kemudian dengan cepat berubah menjadi Li7yang 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.
6. Penangkapan radiasiInteraksi 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.
7. FisiSalah 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.
C. Interaksi Radiasi Gelombang ElektromagnetikGamma 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.Interaksi radiasi
gelombang elektromagnetik ketika mengenai materi lebih menunjukkan
sifat dualisme gelombang-partikel, yaitu :
1. Efek fotolistrikPada 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).Dalam peristiwa efek fotolistri, foton yang mengenai materi
akan diserap sepenuhnya dan salah satu elektron orbital akan
dipancarkan dengan energi kinetik yang hampir sama dengan energi
foton yang mengenainya
Gambar11:peristiwaefekfotolistrik Efek fotolistrik timbul karena
interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan electron-elektron
dalam atom bahan. Dalam peristiwa ini energy foton diserap semuanya
oleh electron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga electron
tersebut terlepas dari ikatan inti atom. Efek fotolistrik terutama
tarjadi pada foton berenergi rendah, yaitu berkisar antara 0,01 Mev
hingga 0,5 Mev dan dominan pada energy foton dibawah 0,1 Mev.
Radiasi elektromagnetik dengan energy fotonnya kecil akan
berinteraksi dengan elektron-elektron yang berada diorbit luar
atom.Semakin besar energy foton maka elektron-elektron yang berada
pada orbit lebih dalam akan dilepaskan. Elektron yang terlempar ke
luar dari atom yang paling mungkin berasal dari electron dikulit K.
Energi foton datang (hv) sebagian besar berpindah ke electron
fotolistrik dalam bentuk energy kinetic elektrondan sebagian sangat
kecil dipakai untuk melawan energy ikat electron (Be). electron
terlempar selanjutnya dapat melakukan proses ionisasi atom-atom
lain di dalam bahan. Besar energy kinetic fotoelektron (Be) dalam
peristiwa ini adalah Ek= hv Be2. Hamburan Compton (efek
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.
Gambar12:peristiwaefekCompton
Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energy hv
berinteraksi dengan electron bebas atau electron yang tidak terikat
secara kuat oleh inti, yaitu electron yang berada pada kulit
terluar dari atom. Electron dilepaskan dari inti atom dan bergerak
dengan energy kinetic tertentu disertai foton lain dengan energy
lebih rendah dibandingkan foton dating. Foton lain itu disebut
dengan foton hamburan dengan energy hv dan terhambur dengan sudut
terhadap foton datang.Karena ada energy ikat elektron yang harus
dilawan, meskipun sangat kecil, hamburan Compton ini termasuk
proses interaksi inelastik. Energi kinetik elektron (Ee) sebesar
selisih energi foton masuk dan foton keluar. Ee= hi hoHamburan
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.
3. Produksi pasanganPeristiwa ini menunjukkan kesetaraan antara
massa dengan energi sebagaimana yang diperkenalkan oleh Einstein.
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.
Gambar13:peristiwaproduksipasangan
Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan
medan listrik dalam inti atom berat. Proses ini hanya dapat terjadi
dalam medan listrik di sekitar partikel bermuatan, terutama dalam
medan sekitar inti. Dalam proses produksi pasangan, dapat dianggap
bahwa foton berinteraksi dengan atom secara keseluruhan. Jika
interaksi ini terjadi, maka foton akan lenyap. Sebagai gantinya
timbul sepasang electron-positron. Karena massa diam
electron/positron ekuivalen dengan 0,51 Mev maka produksi pasangan
hanya dapat terjadi pada energy foton dating 1,02 Mev.Dalam moda
ini suatu foton sinar X akan bertransformasi menjadi satu pasangan
zarah, yaitu elektron dan apa yang dinamakan positron. Transformasi
ini hanya dapat terjadi di bawah pengaruh medan inti yang kuat,
jadi tak dapat terjadi dalam ruang hampa. Positron adalah suatu
zarah mirip elektron yang bermuatan positip. Jadi transformasi
produksi pasangan dapat dituliskan sebagai berikut :ve++ e-Secara
energetik ini dapat terjadi tentunya hanya apabila energi foton :Hv
> 2m0c2= 1,02MeVdengan momassa elektron (=massa positron)
produksi pasangan dapat terjadi apabila energi foton lebih besar
dari 1,02 MeV. Zarah positron telah diramalkan oleh PAM Dirac tahun
1929. Hal ini timbul dari penelaahannya mengenai teori kuantum
relativistik.Dalam hal-ihwal positron ini teori mendahului
eksperimen. Baru tahun 1932 positron ditemukan secara eksperimen
oleh Anderson di CALTECH (California Institute of Technology). Hal
itu terjadi pada saat Anderson sedang melakukan percobaan-percobaan
mengenai sinar kosmos dengan kamar kabut (Wilson). Pada tahun
tigapuluhan itu banyak fisikawan mempelajari radiasi pengion yang
datang dari kosmos. Deteksinya dilakukan dengan pencacah
Geiger-Muller secara sendiri, atau pencacah GM yang dikaitkan
dengan suatu kamar kabut. Apabila suatu radiasi pengion melalui
kamar kabut maka jejaknya dapat dilihat sebagai butir-butir
kondensasi. Ini terjadi karena ion-ion udar dalam kamar kabut itu
merupakan inti-inti kondensasi. Dengan pemotretan jejak itu dapat
direkam dan dianalisa. Studi-studi semacam ini dapat membedakan
jejak sinar a, elektron, atau pun sinar gama. Dengan menempatkan
seluruh kamar kabut dalam medan magnet, maka dapat pula
diperkirakan muatan zarah yang membuat jejak. Dalam jejak itu
Anderson menemukan jejak suatu zarah yang mirik elektron, kecuali
tentang muatannya yang positif (positron). Kekekalan energi
mensyaratkan bahwa energi foton hn harus memenuhi :hv = E++
E-dengan E+dan E-secara berturut-turut adalah energi relativistik
positron dan elektron.Apabila tenaga kinetik dinyatakan dalam K,
maka berlaku.E+= K++ m0c2danE-= K-+ m0c2 Oleh karena itu kekekalan
energi mempersyaratkanhv = K++ K-+ 2 m0c2 dengan ..mo=9,11.10-31kgc
=3,00.10sm/s2 m0c2= 1,022MeV
Kebalikan proses produksi pasangan juga dapat terjadi yang
dinamakanpemisahan pasangan.
Proses terjadinya pemisahan pasangan
Peristiwa pemisahan pasangan terjadi bila positron berdekatan
dengan elektron dan keduanya saling mendekati di bawah pengaruh
gaya tarik menarik dari muatan yang berlawanan. Kedua partikel
tersebut musnah pada saat yang sama dan massa yang musnah tersebut
menjadi energi dan foton sinar gamma yang tercipta.Sedikitnya dua
foton harus dihasilkan untuk memenuhi kekekalan energi dan
momentum. Adapun persamaan yang dapat diperoleh sebagai berikut
:Eawal= Eakhiratau 2moc2+ K++ K-= h1+ h2pawal=pakhiratau m+v++
m-v-= (h/2)k1+ (h/2)k2dengankadalah vektor perambatan foton,
|k|=2/. Berlawanan dengan produksi pasangan, ternyata pemisahan
pasangan dapat dilakukan di ruang hampa dan prinsip-prinsip energi
dan momentum dapat diterapkan (Gautreau & Savin,1999).
4. Interaksi tidak langsungDari 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. Salah satu contoh interaksi tidak
langsung adalah emisi sekunder. Emisi sekunder dapat juga terjadi
pada efek fotolistrik karena disebabkan oleh dua hal sebagai
berikut : Pertama:Karena energinya besar elektron yang dilepaskan
adalah elektron dari orbit yang lebih dalam pada unsur bernomor
atom besar, maka lowongan elektron ini akan diisi oleh elektron
dari orbit yang lebih luar. Apabila pelepasan elektron terjadi pada
orbit K, maka transisi ini akan disertai dengan emisi foton dengan
berbagai karakteristik berupa radiasi sinar-X karakteristik yang
dikenal dengan radiasi fluoresensi. Kedua: Kadang-kadang foton ini
menumbuk elektron dari orbit yang lebih luar dari atom dan
melepaskan elektron ini. Elektron tersebut memiliki energi kinetik
yang sama dengan energi sinar-X karakteristik dikurangi dengan
energi ikat elektron tersebut dalam orbitnya dalam orbitnya dan
disebut elektron Auger.
INTERACTION OF RADIATION WITH MATTER
Radiation when it hits a material interaction will occur that
will cause various effects. The effects of this radiation depends
on the type of radiation, energy and also depends on the type of
material that is crushed. In general, the radiation can cause
ionization and excitation processes when passing or material
stamped. In general, the interaction of radiation can be divided
into three types, namely the interaction of charged particle
radiation (alpha and beta), radiation uncharged particles
(neutrons) and the last is radaisi electromagnetic waves / photons
(gamma radiation and x-rays). Because these three types of
radiation have different characteristics, then the interaction
would be different.A. Interaction charged particle radiation There
are three possible interactions of radiation that can occur when a
charged particle of matter, namely ionization, excitation and
brehmstrahlung. When punching a material, which has a mass of alpha
radiation and a relatively large load tend to do the ionization
process, whereas smaller particles of radiation such as beta,
electron, or proton can do all three. In addition to the above
three reactions, there are other interactions that can occur,
namely a core reaction probability is much smaller proportion than
other interactions. Examples of core reactions that can occur is
the activation of the core, that core manufacturing processes using
new atomic accelerator called proton accelerator.
1. ionization process When a charged particle through a
material, the particles will interact with the atoms making up the
material and causes some electrons regardless of the trajectory due
to the Coulomb drag force. The process of release of electrons from
an atom is called the ionization process. After the ionization
process, atoms are neutral initially be charged (ions)
positive.
Figure 1 : The process of ionizationAfter the process of
ionization energy radiation that comes will experience a reduction
in ( there is a difference of energy ) . This is due to the
transfer of radiation energy to the electrons , so the electrons
have enough energy to break away from the large atoms . If the end
of the radiation energy is still quite a lot , ioniasasi process
can happen again , continuously until the radiation energy runs
out.Regardless of the atomic electrons ( called negative ions )
will be a free electron that has no kinetic energy and are free to
move randomly ( random ) in the medium .Particles such as electrons
are able to move freely out of a compound , molecule or atom . This
free movement can grind compound , molecules or other atoms , as
seen in Figure 1, where the particle hits a atom . In Figure 1 the
mashing atomic particles and the electrons in the outer shell so it
bounced out . Electrons bounced out is called a negative ion ,
while the atom which loses electrons becomes a positive ion .Each
charged particle when it interacts with matter can cause ionization
, because in each of the tracks on that subject matter will leave a
number of pairs of positive ions and negative ions . Alpha
radiation is positively charged ions will produce 10000-70000 pairs
per cm length of the track . However, traces the trajectory
terlalau not much , because of the large mass ( mass 4 ) and also
because of the positive cargo easily drawn by free electrons (
negatively charged ) are aplenty scattered in nature . Alpha
radiation in the air is able to pass only as far as 2-3 cm ( Ward ,
2007) .Ionization produced by beta radiation is less negatively
charged than the Alpha radiation is positively charged . Beta
radiation that interacts with matter will produce 60-7000 ion pairs
per cm length of the track , much less when it is compared with the
trajectory of alpha radiation ( Ward , 2007) . This is due to the
relatively infinitesimally small mass ( its mass can be considered
equal to zero ) and negative payload helped on his way through the
material , because it is driven by the force coulumb negatively
charged electrons which are widely available in nature . For
positively charged beta radiation ( positrons ) which probabilities
are very small in nature , obviously much less ability to
mengionisasikan material in its path . This is because before
mengionisasikan material , this will advance positrons captured
electrons are widely spread in nature .
2 . excitation processOne of the postulates of Bohr stated that
electrons can move from one energy level to another energy level .
This is because the transfer of electrons gain extra energy from
outside , one of which can be derived from alpha radiation and beta
radiation . When electrons move from lower energy level to the
energy level is high then the energy will be absorbed in the
process. Electrons move from lower energy level to the higher level
of energy causes the electrons excited . However, the excited
electron state is not stable, so the electrons back from a high
energy level to the lower energy level is accompanied by the
release of energy in the form of radiation (deeksitasi).At first
glance excitation process similar to the process of ionization .
However , the electron excitation process is not to be separated
from the atom . Electrons only move to the outer track ( energy
greater trajectory ) . After the excitation , the atoms turn into
excited atoms .As the process of ionization , the radiation energy
that comes will be reduced after the excitation process . This
occurs because the radiation transfer a portion ( or all ) energy
to the electrons , so the electrons have enough energy to move the
track . Excitation process can also take place repeatedly until the
radiation energy runs out.Atoms are in the excited state will
return to the ground state ( ground state ) by performing electron
transitions . One of the electrons are in the outside lane will
move to fill the void in the deeper track while emitting x-ray
radiation characteristics . Characteristic x-ray energy emitted in
this event is equivalent to the energy difference between the track
before and after the transition .
Figure 2 : An electron jumps from n1 to state n2 , and emit
photons
At the lower level , which is owned by the electron energy is
lower than in the previous level . This energy difference arises as
a radiation quantum energy hv equal to the energy difference
between the two levels . That is , if the electron jumps from n =
n2 to n=n1,, such as Figure 2 , it radiates a photon with energyh =
En2 En1
Excitation process can occur due to charged particle radiation
that interacts with matter that causes the atomic structure of the
material is disturbed or in a state tereksitasi.Pada alpha
radiation , excitation events that occur due to alpha radiation
energy transferred to the electron orbitals of the atomic structure
. This state of the atoms of a substance that causes disturbed
.
In beta radiation , excitation events can occur because of the
presence of events that led to stopping power of beta radiation
energy is lost along the trajectory. Missing energy beta radiation
is causing the atoms that exist along the path of beta radiation
also disrupted ( Ward , 2007) .
3 . Process BrehmstrahlungThis process occurs in the interaction
is more dominant beta radiation and electron mass and charge due to
the beta particles are relatively small so that less power is
absorbed by the material and break higher than alpha particles
.Because of the electrostatic forces , or beta radiation of
electrons moving past the core will be deflected . This change in
direction of motion causes a change of momentum will then produce
radiant energy electromagnetic waves ( photons ) . Photons that
appears on this process is referred to as the x-ray brehmsstrahlung
( distinguished by the characteristic x-rays generated by electron
transitions ) .In contrast to x-ray radiation energy
characteristics are influenced only by the difference in the energy
levels of the trajectory , the energy level of x-ray radiation
brehmsstrahlung is influenced by several things , namely the
radiation energy of the atom , atomic number ( number of protons )
and the core pembelokannya corner .
B. Neutron Radiation InteractionsNeutrons have a mass similar to
protons and uncharged . Neutrons are hundreds of times larger than
electrons , but the size is 1/4 times the size of the alpha . That
is why the neutron is very difficult to stop and have a range of
great .There are 5 reactions that occur when a neutron interacts
with the nucleus . The first two reactions are known as neutron
scattering , where the neutron still appear at the end of the
process . While the interaction of the latter is known as neutron
absorption . In this interaction , the core to absorb neutrons and
produce something else .1 . CollisionNeutrons are particles that
have mass but not electrically charged , so that the interaction of
neutrons with matter more mechanical nature , ie collisions between
neutrons with the atoms ( atomic nuclei ) material , whether or not
elastic elakstik . Each collision with the material will absorb
energy neutrons , so that after some times the collision energy
will be depleted and neutron collision process was stopped . If the
neutron energy is very low , it is possible for neutron capture
reactions by atomic nuclei absorbent material.
2 . Elastic collisionIn elastic collision , no energy is
transferred from the neutron to the target nucleus that can lead to
a state of excitation . In elastic collisions apply the law of
conservation of momentum and kinetic energy ( momentum or kinetic
energy of the system before and after the interaction is the same )
, although there will usually be given neutron kinetic energy to
the target nucleus . Most of the neutron energy given to the target
atomic nucleus causes the atomic nucleus while the neutrons bounce
off the target will be deflected or dissipated .Elastic collision
occurs when atoms have a neutron pounded the same mass , or at
least nearly equal to the mass of the neutron ( eg hydrogen atoms )
, so that the fraction of the neutron energy is absorbed by the
atoms is quite large .3 . Nonelastic collisionAt no elastic
collisions , neutrons will be absorbed by the target atom nuclei
which then form the nucleus of the atom compound . The compound
nucleus will then emit neutrons with low kinetic energy and atomic
nuclei left in a state of excitation . In order to return to a
state of groundstate , the core will release its excess energy in
the form of gamma radiation . The amount of kinetic energy
dissipated neutrons , atomic nuclei and gamma targets emitted will
equal the number of neutrons kinetic energy before the collision
.
4 . Absorption / neutron captureOn the absorption of neutrons by
an atomic nucleus no neutrons are produced at the end of the
process , will instead be produced charged particles or gamma . If
the resulting atomic nucleus is radioactive , then the additional
radiation will be produced some time later .
5 . TransmutationWhen the neutron energy is very low ( or
commonly referred to as thermal neutrons , En < 0.025 eV ) , it
is possible that the neutrons will be ' captured ' by the atomic
nucleus absorbent material that will form a new atomic nuclei due
to the addition of neutrons . These nuclei are formed generally
unstable ( radioactive ) which emit radiation ( alpha , beta or
gamma ) . This is known as neutron activation , a process that is
done to change the material / material that is stable had an
advanced material / radioactive material .B10 isotope of the
element Boron is stable atomic nuclei . When a thermal neutron
regarding these isotopes , there will be an activation process that
will transform into a radioisotope B10 ( B11 ) * unstable . The
core is then rapidly transformed into a stable Li7 while emitting
alpha radiation .In addition to neutrons , such as the nuclear
reaction process can also be caused by charged particles such as
protons , but with a very high energy . The activation process is
typically used to produce radioisotopes .
6. Arrest radiation This interaction is the most common nuclear
reaction occurs. In these interactions, a neutron is absorbed by
atomic nuclei which later formed the core of the target compound in
a state of excitation of atoms. The compound nucleus will then emit
gamma radiation and return to the ground state (ground state). In
the reaction of atomic nuclei produced an isotope of atomic nuclei
targets, and no increase in mass number by one.
7. fission One of the most important interaction is the neutron
fission reaction that takes place inside the reactor. In this
reaction, the nuclei absorb neutrons would be so unstable that
divides into two new nuclei while releasing large amounts of
energy. An example of this reaction is the cleavage reaction of
uranium-235 nuclei of atoms that takes place in a nuclear power
plant.C. Interaction of Electromagnetic Waves RadiationGamma and
x-rays are included in the group of electromagnetic radiation .
Unlike radio waves and visible light , gamma and x-rays have a
shorter wavelength ( or higher frequency ) that have much higher
energy . While alpha and beta radiation has a maximum range limited
, photons interact probabilistic so that maximum coverage of a
photon can be highly variable ( not sure ) . Nevertheless , the
total fraction of photons that are absorbed by the material
decreases exponentially with the thickness of the material . There
are three mechanisms by which gamma and x-rays interact with matter
, the photoelectric effect , Compton and pair production hambran .
External gamma radiation have hazards due to radiation provides
much more energy and much more when compared with alpha and beta
radiation .The interaction of electromagnetic radiation when the
material further demonstrate the nature of the wave - particle
duality , namely :
1 . The photoelectric effectIn the process fotolistik effects ,
electromagnetic radiation ( photons ) coming on the atoms , as if '
mashing ' one electron orbital and gives all his energy . If a
given photon energy larger than the binding energy of the electron
, then the electron can be detached from the atoms and ions .
Electrons are removed ( or so-called photoelectrons ) can cause
secondary ionization events in the surrounding atoms in a manner
similar to that of beta . The photoelectric effect is likely to
occur if the photon has low energy ( less than 0.5 MeV ) and the
material has a large mass ( large atomic number ) . For example,
the photoelectric effect occurs more frequently in lead ( Z = 82 )
than copper ( Z = 29 ) .In the event fotolistri effect , the photon
will be absorbed entirely of matter and one orbital electron will
be emitted with a kinetic energy that is almost equal to the energy
of photons that hit him
Figure 11 : event photo-electric effectThe photoelectric effect
arises because of the interaction between electromagnetic radiation
with electrons in atomic materials . In this incident photon energy
absorbed by the electron which all strongly bound by an atom so
that the electron bonds regardless of the atomic nucleus . Tarjadi
photoelectric effect mainly on low-energy photons , which ranged
from 0.01 Mev to 0.5 Mev and dominant at photon energy below 0.1
Mev . Electromagnetic radiation with a small fotonnya energy will
interact with the electrons which are beyond diorbit large
atom.Semakin the photon energy electrons which are in the orbit
will be released .Electrons knocked out of atoms are most likely
derived from the skin electron energy photons coming K. ( hv ) most
of the photoelectric electrons move into kinetic energy in the form
of a very small portion elektrondan used against connective energy
electrons (Be) . thrown electron ionization process can then
perform other atoms in the material . Large photoelectron kinetic
energy (Be) in this event isEk= hv Be
2.Compton scattering (Compton effect) Compton scattering events
are actually not much different from the photoelectric effect.
However, not all of the Compton scattering photon energy is given
to electrons, but only partially, the rest of the photon energy is
in the form of electromagnetic waves (photons) are scattered. The
scattered photon will continue to interact with other electrons
until energy runs out and the resulting electron (photoelectron)
will cause secondary ionization process
Figure 12: Compton effect events
Compton scattering occurs when a photon with energy hv interact
with the free electrons or electrons are not strongly bound to the
core, ie electrons are on the outer shell of the atom. Electrons
released from the nucleus and moves with a certain kinetic energy
photons with other photons of energy lower than dating. Another
photon is called the scattering of photons with energy hv 'and
scattered at an angle to photons coming. Because there are
connective energy electrons that must be resisted, although very
small, this includes Compton scattering inelastic interaction
process. Electron kinetic energy (Ee) is the energy difference
between incoming photons and photons out. Ee= hi hoDominant Compton
scattering occurs when photons have energies were (above 0.5 MeV)
and occurs more frequently in the material with a mass number (Z)
is low.
3 . Pair productionIt demonstrated the equivalence between mass
and energy as introduced by Einstein. While you're at the core of
an atomic field region , the photon can experience conversion (
gone ) into postron a positively charged and a negatively charged
elektorn . By using a mass- energy conversion equation (E=mc2) ,
electrons and positrons produced will have the equivalent energy of
0.511 MeV. Therefore, only large energetic photons only ( > 1.02
MeV ) can produce electron- psoitron . Each edge energy 1.02 MeV
above will be given in the form of kinetic energy of particles . (
Kinetic Energy a total of two particles is equal to the energy of
the photons that come minus 1.02 MeV ) .Electrons produced will
interact with surrounding atoms and causing an ionization , while
the positron will find a free electron and the second will be
getting rid of particles ( positron interactions ) , and produce
energy .
Figure 13 : event production partner
Pair production occurs due to the interaction between photons
with the electric field in the nuclei of heavy atoms . This process
can only occur in the electric field around the charged particles ,
especially in the field around the core . In the process of pair
production , can be considered that the photon interacts with an
atom as a whole . If this interaction occurs , then the photon will
disappear . Instead, an electron- positron pair arise . Since the
rest mass of the electron / positron is equivalent to 0.51 Mev the
pair production can only occur at a photon energy of dating 1.02
Mev .
In this mode an X-ray photons will transform into a pair
particles , ie electrons and what is called a positron . This
transformation can only occur under the influence of a strong core
field , so it can not happen in a vacuum . The positron is an
electron -like particles are positively charged . So the
transformation of pair production can be written as follows :ve++
e-This can happen energetically course only if the photon energy
:Hv > 2m0c2= 1,02MeVthe electron mass mo ( = mass positrons
)pair production can occur if the photon energy greater than 1.02
MeV . Positron particle was predicted by PAM Dirac in 1929. This
arises from the examination of the relativistic quantum theory .In
the particulars of the positron theory precedes experiment . 1932
new positron discovered experimentally by Anderson at Caltech (
California Institute of Technology ) . It happened when Anderson is
conducting experiments on cosmic rays with fog room ( Wilson )
.
In the thirties , many physicists studying ionizing radiation
coming from the cosmos . The detection is done with a Geiger -
Muller counter alone , or GM counter associated with a fog room .
When an ionizing radiation fog the room through the trail can be
seen as grains of condensation . This occurs because the ions in
the room udar the fog is condensation nuclei . By shooting the
trail can be recorded and analyzed . Such studies can distinguish a
ray trace , electrons , or gamma rays .By placing the entire room
mist in a magnetic field , it can also be expected to charge
particles that make the trail . In the footsteps of Anderson found
traces of a particle is an electron Mirik , except on cargo
positive ( positron ) .Conservation of energy requires that the
photon energy hn must satisfy :hv = E++ E-with E + and E -
respectively are the relativistic energy positrons and electrons .
If the kinetic energy is expressed in K , then apply . E+= K++
m0c2andE-= K-+ m0c2Therefore, conservation of energy requireshv =
K++ K-+ 2 m0c2with mo = 9,11.10-31 kg ..c =3,00.10sm/s2 m0c2=
1,022MeV
The inverse process of pair production can occur is called the
separation of couples.
The process of separation of couples
Separation event occurs when a pair of electrons and positrons
is adjacent to both approach each other under the influence of
attractive forces of opposite charge . Both particles are destroyed
at the same time and mass into energy and destroyed the gamma ray
photons are created.At least two photons must be produced to meet
the conservation of energy and momentum . The equation can be
obtained as follows :Eawal = Eakhir or 2moc2 + K + + K - = h1 +
h2pawal=pakhiratau m+v++ m-v-= (h/2)k1+ (h/2)k2where k is the
photon propagation vector , | k | = 2 / .Contrary to pair
production , pair separation turns out to be done in a vacuum and
the principles of energy and momentum can be applied ( Gautreau
& Savin , 1999) .
4 . Indirect interactionOf the three interactions of
electromagnetic waves ( photons ) that have been mentioned above ,
it is seen that all interactions will produce charged particles (
electrons or positrons ) are high-energy . Energetic electrons or
positrons are in the movement will ionize the atoms of the material
in its path so in other words , electromagnetic waves can also
ionize materials but indirectly . One example of indirect
interaction is secondary emissionsSecondary emissions may also
occur due to the photoelectric effect is caused by two things as
follows :
First :Since the energy of the electrons that are released from
the electron orbit in the large atomic numbered elements , the
electron vacancy will be filled by an electron from the outer orbit
. If the release of electrons occur in orbits of K , then the
transition will be accompanied by the emission of photons with
different characteristics such as X-ray radiation characteristic
known as " fluorescence radiation " .Second :Sometimes these photon
impingement of electrons from outer orbits of the atom and release
electrons . The electron has a kinetic energy equal to the
characteristic X-ray energy minus the binding energy of the
electron in its orbit and the orbit is called the Auger electron
.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2010. Interaksi Radiasi dengan Materi.
http://kreatif-sains-madina.blogspot.com/2010/09/interaksi-radiasi-gelombang.html.
(26 Maret 2014).Anonim. 2011. Interaksi Radiasi dengan Materi.
http://www.infonuklir.com/read/detail/95/interaksi-radiasi-dengan-materi#.
(26 Maret 2014).Mukmin, S. 2011. Interaksi Radiasi dengan Materi.
http://smukmin.blogspot.com/2011/10/interaksi-radiasi-dengan-materi.html(26
Maret 2014).Zaki. 2009. Interaksi Radiasi.
http://zakizaka.blogspot.com/2009/05/interaksi-radiasi.html.(26
Maret 2014).
2