Radioaktivitas

I. PENDAHULUAN

Radioaktivitas, disintegrasi spontan inti atom oleh emisi partikel subatomik yang disebut partikel alpha dan partikel beta, atau sinar elektromagnetik disebut sinar X dan sinar gamma. Fenomena ini ditemukan pada tahun 1896 oleh fisikawan Perancis Antoine Henri Becquerel ketika ia mengamati bahwa unsur uranium dapat menghitamkan pelat fotografi, meskipun dipisahkan oleh kaca atau kertas hitam. Dia juga mengamati bahwa sinar yang menghasilkan gelap yang mampu melaksanakan sebuah elektroskop, menunjukkan bahwa sinar memiliki muatan listrik. Pada tahun 1898 para ahli kimia Perancis Marie Curie dan Pierre Curie menyimpulkan bahwa radioaktivitas adalah fenomena yang berhubungan dengan atom, terlepas dari kondisi fisik atau kimianya. Mereka juga menyimpulkan bahwa karena uranium yang mengandung bijih bijih-bijih uranium lebih radioaktif intens daripada garam uranium yang digunakan oleh Becquerel, unsur-unsur radioaktif lainnya harus dalam bijih. Mereka dibawa melalui serangkaian perawatan kimia bijih-bijih uranium yang menghasilkan penemuan dua elemen radioaktif baru, polonium dan radium. Marie Curie juga menemukan bahwa thorium elemen radioaktif, dan pada tahun 1899 yang aktinium unsur radioaktif ditemukan oleh kimiawan Perancis André Louis Debierne. Pada tahun yang sama penemuan gas radon radioaktif dibuat oleh fisikawan Inggris Ernest Rutherford dan Frederick Soddy, yang diamati dalam hubungan dengan thorium, aktinium, dan radium.

Radioaktivitas segera diakui sebagai sumber lebih terkonsentrasi energi daripada yang telah dikenal sebelumnya. Curie mengukur panas yang terkait dengan peluruhan radium dan menetapkan bahwa 1 g (0,035 oz) radium mengeluarkan sekitar 100 kal energi setiap jam. Efek pemanasan ini terus jam demi jam dan tahun demi tahun, sedangkan pembakaran sempurna gram hasil batubara dalam produksi total hanya sekitar 8000 kal energi. Radioaktivitas menarik perhatian para ilmuwan di seluruh dunia berikut ini penemuan awal. Dalam dekade berikutnya banyak aspek dari fenomena yang diselidiki secara menyeluruh.

   II. JENIS radiasi

Rutherford menemukan bahwa setidaknya dua komponen yang hadir dalam radiasi radioaktif: partikel alpha, yang menembus ke aluminium hanya sekian sentimeter, dan partikel beta, yang hampir 100 kali lebih tajam. Setelah percobaan di mana radiasi radioaktif menjadi sasaran medan magnet dan listrik mengungkapkan adanya komponen ketiga, sinar gamma, yang ditemukan jauh lebih tajam daripada partikel beta. Dalam medan listrik jalur partikel beta yang sangat dibelokkan ke arah tiang listrik positif, bahwa partikel alpha pada tingkat lebih rendah ke arah kutub negatif, dan sinar gamma tidak dibelokkan sama sekali. Oleh karena itu, partikel beta bermuatan negatif, partikel alpha bermuatan positif dan lebih berat daripada partikel beta, dan sinar gamma tidak bermuatan.

Penemuan bahwa radium membusuk untuk menghasilkan radon membuktikan secara meyakinkan bahwa peluruhan radioaktif disertai dengan perubahan sifat kimia dari unsur membusuk. Percobaan pada defleksi partikel alpha dalam medan listrik menunjukkan bahwa rasio muatan listrik dengan massa partikel-partikel ini adalah sekitar dua kali lipat dari ion hidrogen. Fisikawan seharusnya bahwa partikel dapat ganda bermuatan ion helium (atom helium dengan dua elektron dihapus). Anggapan ini terbukti dengan Rutherford saat ia membiarkan zat alpha-emitting membusuk dekat kapal tipis-kaca dievakuasi. Partikel alpha mampu menembus kaca dan kemudian terjebak dalam kapal, dan dalam beberapa hari kehadiran unsur helium ditunjukkan oleh penggunaan spektroskop sebuah. Partikel beta yang kemudian terbukti elektron, dan sinar gamma terdiri dari radiasi elektromagnetik dari sifat yang sama dengan sinar X tetapi energi jauh lebih besar.

  A. Hipotesis Nuklir

Percobaan Rutherford 

Rutherford mempelajari struktur atom dengan menembakkan seberkas partikel alpha pada atom emas. Beberapa partikel alpha memantul langsung kembali, menunjukkan bahwa mereka telah memukul sesuatu yang besar. Rutherford mengusulkan bahwa sebagian besar massa atom terkonsentrasi di pusat-pusat mereka. Konsentrasi massa yang sekarang dikenal sebagai inti atom (nukleus). 

Pada saat penemuan fisikawan radioaktif percaya bahwa atom adalah akhir, terbagi blok bangunan materi. Pengakuan alpha dan beta partikel sebagai unit diskrit materi dan radioaktivitas sebagai proses melalui mana atom berubah menjadi jenis baru dari atom yang memiliki sifat kimia baru karena emisi dari satu atau yang lain dari partikel-partikel ini dibawa dengan kesadaran bahwa atom itu sendiri harus memiliki struktur dan bahwa mereka bukan akhir, partikel dasar alam. Pada tahun 1911 Rutherford membuktikan keberadaan inti dalam atom dengan eksperimen di mana partikel alpha tersebar oleh foil logam tipis (lihat Atom). Hipotesis nuklir telah berkembang menjadi sebuah teori halus dan diterima sepenuhnya dari struktur atom, dalam hal mana seluruh fenomena radioaktivitas dapat dijelaskan. Secara singkat, atom diduga terdiri dari inti pusat padat dikelilingi oleh awan elektron. Inti, pada gilirannya, terdiri dari proton sama jumlahnya dengan elektron (dalam atom netral), dan neutron. Partikel alfa, atau ion helium bermuatan ganda, terdiri dari dua neutron dan dua proton, dan karenanya dapat dipancarkan hanya dari inti atom. Kehilangan partikel alfa oleh inti mengakibatkan pembentukan inti baru, lebih ringan dari aslinya oleh empat unit massa (massa neutron dan proton adalah sekitar satu unit masing-masing). Sebuah atom dari isotop uranium massa 238, setelah memancarkan partikel alfa, menjadi atom unsur lain dari massa 234. Masing-masing dari dua proton yang membentuk bagian dari partikel alpha dipancarkan dari atom uranium-238 memiliki unit muatan listrik positif. Jumlah muatan positif dalam inti, seimbang dengan jumlah elektron yang sama negatif dalam orbit luar inti, menentukan sifat kimia dari atom. Karena muatan pada inti uranium-238 berkurang dua unit sebagai akibat dari emisi alpha, nomor atom dari atom yang dihasilkan adalah 2 kurang dari yang asli, yang adalah 92. Atom baru memiliki nomor atom 90 dan maka adalah isotop dari unsur thorium. Lihat Elements, Kimia; Kimia Nuklir; Hukum periodik.

Thorium-234 memancarkan partikel beta, yaitu elektron. Menurut teori saat ini, beta emisi dilakukan dengan transformasi neutron menjadi proton, sehingga mengakibatkan peningkatan muatan inti (atau nomor atom) dari satu unit. Massa elektron dapat diabaikan, sehingga isotop yang dihasilkan dari thorium-234 pembusukan memiliki nomor massa 234 tetapi nomor atom 91 dan, karena itu, isotop terpapar.

  B. Radiasi Gamma

Emisi gamma biasanya ditemukan dalam hubungan dengan alpha dan beta emisi. Sinar gamma memiliki tanpa biaya atau massa; sehingga emisi sinar gamma oleh inti tidak mengakibatkan perubahan sifat kimia dari inti tetapi hanya hilangnya sejumlah energi radiasi. Emisi sinar gamma adalah kompensasi oleh inti atom untuk keadaan tidak stabil yang mengikuti alpha dan beta proses dalam inti. The alpha primer atau partikel beta dan sinar gamma yang dipancarkan akibatnya hampir bersamaan. Beberapa kasus yang dikenal alpha murni dan emisi beta, bagaimanapun, bahwa adalah, alpha dan beta proses ditemani oleh sinar gamma; sejumlah isotop gamma-emitting murni juga dikenal. Emisi gamma murni terjadi ketika sebuah isotop ada dalam dua bentuk yang berbeda, yang disebut isomer nuklir, memiliki angka yang sama atom dan nomor massa, tetapi berbeda dalam konten-energi nuklir. Emisi sinar gamma menyertai transisi dari isomer-energi yang lebih tinggi ke bentuk energi yang lebih rendah. Contoh dari Isomer adalah isotop terpapar-234, yang ada di dua negara yang berbeda energi dengan emisi sinar gamma sinyal transisi dari satu ke yang lain.

Alpha, beta, gamma dan radiasi semua dikeluarkan dari inti induknya dengan kecepatan yang luar biasa. Partikel alpha melambat dan berhenti saat mereka melewati materi, terutama melalui interaksi dengan elektron yang ada dalam hal itu. Selain itu, sebagian besar partikel alpha dipancarkan dari substansi yang sama yang dikeluarkan pada sangat hampir kecepatan yang sama. Dengan demikian hampir semua partikel alpha dari polonium-210 perjalanan 3,8 cm melalui udara sebelum benar-benar berhenti, dan mereka polonium-212 perjalanan 8,5 cm di bawah kondisi yang sama. Pengukuran jarak yang ditempuh oleh partikel alpha digunakan untuk mengidentifikasi isotop. Partikel beta yang dikeluarkan pada kecepatan yang jauh lebih besar dari partikel alpha, dan dengan demikian akan menembus jauh lebih peduli, meskipun mekanisme melalui mana mereka berhenti pada dasarnya sama. Tidak seperti partikel alpha, bagaimanapun, partikel beta yang dipancarkan di berbagai kecepatan yang berbeda, dan emitter beta harus dibedakan dari satu sama lain melalui keberadaan maksimum karakteristik dan kecepatan rata-rata partikel beta mereka. Distribusi dalam energi beta-partikel (kecepatan) memerlukan hipotesis keberadaan bermuatan, partikel tak bermassa yang disebut neutrino, dan emisi neutrino sekarang berpikir untuk menemani semua beta meluruh. Sinar gamma memiliki rentang beberapa kali lebih besar daripada partikel beta dan dalam beberapa kasus dapat melewati beberapa inci dari timbal. Alpha dan beta partikel, ketika melewati materi, menyebabkan pembentukan banyak ion; ionisasi ini sangat mudah untuk mengamati ketika hal ini gas. Sinar gamma tidak dikenakan biaya, dan karenanya tidak dapat menyebabkan ionisasi tersebut secara langsung, tetapi ketika mereka berinteraksi dengan materi mereka menyebabkan pengusiran elektron dari atom; atom minus beberapa elektron mereka sehingga terionisasi (lihat Efek Radiasi, Biologi). Sinar beta memproduksi t ke z dari ionisasi dihasilkan oleh sinar alpha per sentimeter dari jalan mereka di udara. Sinar gamma menghasilkan sekitar t dari ionisasi sinar beta. The Geiger-Müller counter dan kamar ionisasi lainnya (lihat Detektor partikel), yang didasarkan pada prinsip-prinsip ini, yang digunakan untuk mendeteksi jumlah alpha individu, beta, dan sinar gamma, dan karenanya tingkat mutlak peluruhan zat radioaktif. Satu unit radioaktivitas, curie tersebut, didasarkan pada tingkat peluruhan radium-226, yang merupakan 37 miliar disintegrasi per detik. Yang lebih baru dan Unit disukai untuk mengukur radioaktivitas dalam Sistem Satuan Internasional disebut becquerel tersebut. Hal ini sama dengan satu disintegrasi per detik.

Mode peluruhan radioaktif, selain tiga yang disebutkan di atas, ada. Beberapa isotop yang mampu memancarkan positron, yang identik dengan elektron tetapi berlawanan biaya. Proses emisi positron-biasanya diklasifikasikan sebagai peluruhan beta dan disebut emisi beta-plus untuk membedakannya dari emisi negatif-elektron lebih umum. Positron emission diduga dilakukan melalui konversi, dalam inti, proton menjadi neutron, menghasilkan penurunan jumlah atom oleh satu unit. Cara lain pembusukan, yang dikenal sebagai penangkapan K-elektron, terdiri dari penangkapan elektron oleh inti, diikuti dengan transformasi proton untuk neutron. Hasil akhirnya adalah demikian juga penurunan jumlah atom oleh satu unit. Proses ini diamati hanya karena penghapusan elektron dari hasil orbitnya dalam emisi dari sinar X. Dalam beberapa tahun terakhir telah menunjukkan bahwa sejumlah isotop, terutama uranium-235 dan beberapa isotop dari unsur transuranium buatan, mampu membusuk dengan proses spontan-fisi, di mana inti dibagi menjadi dua fragmen. Pada pertengahan 1980-an mode peluruhan unik diamati, di mana isotop radium massa 222, 223, dan 224 memancarkan karbon-14 inti daripada membusuk dengan cara yang biasa dengan memancarkan radiasi alpha.

  III. SETENGAH-HIDUP

Pembusukan beberapa zat, seperti uranium-238 dan thorium-232, tampaknya berlanjut tanpa henti tanpa penurunan terdeteksi tingkat peluruhan per satuan massa isotop (tingkat spesifik-pembusukan). Zat radioaktif lainnya menunjukkan penurunan ditandai dalam tingkat tertentu-pembusukan dengan waktu. Di antaranya adalah isotop thorium-234 (awalnya disebut uranium X), yang, setelah isolasi dari uranium, meluruh menjadi setengah intensitas radioaktif aslinya dalam waktu 25 hari. Setiap zat radioaktif individu memiliki periode pembusukan karakteristik atau paruh; karena setengah-hidup mereka begitu lama bahwa pembusukan tidak cukup dalam periode observasi, penurunan laju spesifik pembusukan beberapa isotop tidak bisa diamati di bawah metode ini. Thorium-232, misalnya, memiliki waktu paruh dari 14 miliar tahun.

  IV. Rangkaian peluruhan radioaktif

Ketika uranium-238 meluruh dengan emisi alpha, thorium-234 dibentuk; thorium-234 adalah pemancar sinar beta dan meluruh untuk membentuk terpapar-234. Protactinium-234 pada gilirannya merupakan emitor beta, membentuk isotop baru uranium, uranium-234. Uranium-234 meluruh dengan emisi alpha untuk membentuk thorium-230, yang meluruh pada gilirannya oleh emisi alpha untuk menghasilkan isotop dominan, radium-226. Ini seri peluruhan radioaktif, yang disebut seri uranium-radium, terus sama melalui lima emisi alpha lebih dan empat emisi beta lagi sampai produk akhir, sebuah nonradioactive (stabil) isotop timbal (elemen 82) massa 206 tercapai. Setiap elemen dalam tabel periodik antara uranium dan timbal diwakili dalam seri ini, dan masing-masing isotop ini dibedakan oleh karakteristik paruhnya. Para anggota dari seri semua berbagi karakteristik umum: nomor massa mereka dapat dibuat persis dibagi oleh empat jika nomor 2 dikurangi dari mereka, yaitu, nomor massa mereka dapat dinyatakan dengan rumus 4n sederhana + 2, dimana n adalah seluruh nomor. Seri radioaktif alami lainnya adalah seri thorium, yang disebut seri 4n, karena jumlah massa semua anggotanya adalah persis dibagi oleh empat, dan seri aktinium, atau 4n + 3 seri. Orang tua dari seri thorium adalah isotop thorium-232, dan produk akhir adalah isotop stabil timbal-208. Seri aktinium dimulai dengan uranium-235 (bernama actinouranium oleh penyidik ​​awal) dan berakhir dengan timbal-207. Serangkaian keempat, 4n + 1 seri, semua anggota yang artifisial radioaktif, telah dalam beberapa tahun terakhir telah ditemukan dan benar-benar ditandai. Anggota awalnya adalah isotop dari elemen curium sintetis, curium-241. Ini berisi isotop terpanjang-hidup dari neptunium elemen, dan produk akhir adalah bismuth-209.

Sebuah aplikasi menarik pengetahuan unsur radioaktif dibuat dalam menentukan usia bumi. Salah satu metode untuk menentukan waktu geologi didasarkan pada kenyataan bahwa dalam banyak uranium dan thorium bijih, yang semuanya telah membusuk sejak pembentukan mereka, partikel alpha telah terperangkap (seperti atom helium) di bagian dalam batu. Dengan akurat menentukan jumlah relatif dari helium, uranium, dan thorium di batu, panjang waktu selama proses pembusukan telah terjadi (umur batu) dapat dihitung. Metode lain didasarkan pada penentuan rasio uranium-238 untuk memimpin-206 atau thorium-232 untuk memimpin-208 di bebatuan (yaitu, rasio konsentrasi anggota awal dan akhir dari seri pembusukan). Dan metode lainnya memberikan nilai untuk usia bumi antara 3 miliar dan 5 milyar tahun. Nilai-nilai yang sama diperoleh untuk meteorit yang jatuh ke permukaan bumi, serta sampel dari bulan dibawa kembali oleh Apollo 11 pada bulan Juli 1969, menunjukkan kemungkinan bahwa seluruh tata surya bisa sekitar usia yang sama seperti bumi.

  V. RADIOAKTIVITAS BUATAN

Semua isotop yang terjadi secara alami di atas bismut dalam tabel periodik yang radioaktif dan di samping secara alami isotop radioaktif bismut, thalium, vanadium, indium, neodymium, gadolinium, hafnium, platinum, memimpin, renium, lutetium, rubidium, kalium, hidrogen, karbon, lantanum, dan samarium ada. Pada tahun 1919 Rutherford melakukan reaksi nuklir pertama ketika ia dibombardir gas nitrogen biasa (nitrogen-14) dengan partikel alfa dan menemukan bahwa inti nitrogen ditangkap partikel alfa dan proton yang dipancarkan sangat cepat, membentuk isotop stabil oksigen, oksigen-17. Reaksi ini dapat ditulis secara simbolis sebagai

¨N + ¸He →©O + §H

di mana nomor atom dari inti berpartisipasi secara konvensional ditulis di bawah ini dan di sebelah kiri simbol kimia dan nomor massa mereka di atas dan ke kiri. Dalam reaksi di atas partikel alpha ditampilkan sebagai inti helium dan proton sebagai inti hidrogen.

Tidak sampai tahun 1933 apakah itu menunjukkan bahwa reaksi nuklir seperti kadang-kadang dapat mengakibatkan pembentukan inti radioaktif baru. Para ahli kimia Perancis Irène dan Frédéric Joliot-Curie menyiapkan zat radioaktif buatan pertama di tahun itu ketika mereka dibombardir aluminium dengan partikel alpha. Inti aluminium menangkap partikel alpha dan neutron kemudian dipancarkan dengan pembentukan akibatnya isotop fosfor, yang diurai oleh emisi positron dengan waktu paruh pendek. Mereka juga menghasilkan isotop nitrogen dari boron dan salah satu dari aluminium magnesium. Sejak saat itu banyak reaksi nuklir yang besar telah ditemukan, dan inti dari seluruh elemen tabel periodik telah dibombardir dengan partikel yang berbeda, termasuk partikel alfa, proton, neutron, dan deuteron (ion isotop hidrogen massa 2). Sebagai hasil dari penyelidikan intensif ini, lebih dari 400 radioaktivitas buatan sekarang dikenal. Penelitian ini telah dibantu tak terkira oleh perkembangan akselerator partikel yang mempercepat partikel membombardir dengan kecepatan yang sangat besar, sehingga dalam banyak kasus meningkatkan kemungkinan penangkapan mereka oleh inti sasaran.

Penyelidikan yang kuat dari reaksi nuklir dan pencarian radioaktivitas buatan baru, terutama sehubungan dengan pencarian untuk kegiatan tersebut antara unsur-unsur yang lebih berat, bertanggung jawab untuk penemuan fisi nuklir dan perkembangan selanjutnya dari bom atom (lihat Energi Nuklir; Nuklir Senjata). Penyelidikan juga telah menghasilkan penemuan dari beberapa elemen baru yang tidak ada di alam. Pengembangan reaktor nuklir telah memungkinkan produksi pada skala besar isotop radioaktif hampir semua elemen dari tabel periodik, dan ketersediaan isotop ini merupakan bantuan yang tak terhitung penelitian kimia dan penelitian biologi dan medis (lihat Pelacak isotop ). Yang sangat penting di antara isotop radioaktif buatan yang dihasilkan merupakan isotop karbon, karbon-14, yang memiliki waktu paruh sekitar 5730 ± 40 tahun. Ketersediaan zat ini telah memungkinkan penyelidikan berbagai aspek proses kehidupan, seperti proses fotosintesis, dengan cara yang lebih mendasar dibandingkan sebelumnya dianggap mungkin.

Para ilmuwan baru-baru ini telah menunjukkan bahwa jumlah yang sangat menit tetapi berubah karbon-14 hadir di atmosfer bumi dan bahwa semua organisme hidup mengasimilasi jejak isotop ini selama masa hidup mereka. Setelah kematian asimilasi ini berhenti dan karbon radioaktif, terus membusuk, tidak lagi dipertahankan pada konsentrasi yang stabil. Perkiraan usia sejumlah objek, seperti tulang dan mumi, kepentingan sejarah dan arkeologi telah dimungkinkan oleh karbon-14 pengukuran. Lihat Metode Kencan.

Dalam analisis neutron-aktivasi, sampel zat radioaktif dibuat dalam reaktor nuklir. Sejumlah kotoran yang tidak dapat dideteksi dengan cara lain kemudian dapat ditemukan dengan mendeteksi jenis tertentu radioaktivitas yang berkaitan dengan radioisotop kotoran tersebut. Aplikasi lain dari isotop radioaktif dalam terapi medis, radiografi industri, dan perangkat khusus seperti sumber cahaya berpendar, eliminator statis, alat pengukur ketebalan, dan baterai nuklir.