interaksi radiasi

Apa yang akan terjadi apabila radiasi berinteraksi dengan suatu 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.


Ionisasi

Ionisasi bisa terjadi pada saat radiasi berinteraksi dengan atom materi yang dilewatinya. Radiasi yang dapat menyebabkan terjadinya ionisasi disebut radiasi pengion. Termasuk dalam katagori radiasi pengion ini adalah partikel alpha, partikel beta, sinar gamma, sinar-X dan neutron. Pada saat menembus materi, radiasi pengion dapat menumbuk elektron orbit sehingga elektron terlepas dari atom. Akibatnya timbul pasangan ion positif dan ion negatif.

Menurut sifat kejadiannya, ionisasi dikelompokkan ke dalam ionisasi-langsung dan ionisasi-tak-langsung. Ionisasi-langsung terjadi jika radiasi menyebabkan ionisasi pada saat itu juga ketika berinteraksi dengan atom materi, dan proses ini bisa disebabkan oleh partikel bermuatan listrik seperti alpha dan beta. Berbeda dengan yang terjadi pada interaksi partikel bermuatan, interaksi radiasi yang berupa gelombang elektromagnetik (sinar gamma atau sinar-X) ataupun partikel yang tidak bermuatan listrik (neutron) tidak secara langsung menimbulkan ionisasi. Partikel yang dihasilkan dalam interaksi yang pertama ini kemudian menyebabkan terjadinya ionisasi. Proses seperti ini dikenal sebagai ionisasi-tak-langsung.

Eksitasi

Apabila radiasi yang berinteraksi dengan atom tidak cukup energinya untuk menghasilkan ionisasi langsung, maka dapat mengakibatkan suatu elektron orbit tertentu berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi, atau ke keadaan tereksitasi. Energi eksitasi tersebut akan dilepaskan kembali dalam bentuk radiasi elektromagnetis, pada saat elektron tersebut kembali ke orbit dengan tingkat energi yang lebih rendah.


INTERAKSI RADIASI ALPHA

Apa yang terjadi apabila partikel alpha berinteraksi dengan materi ?

Dibandingkan dengan partikel-partikel yang lain, partikel alpha secara fisik maupun elektris relatif besar, terdiri dari 4 nukleon (2 proton dan 2 neutron). Selama melintas di dalam materi, partikel alpha ini sangat mempengaruhi elektron-elektron orbit dari atom-atom materi tersebut karena adanya gaya Coulomb. Elektron-elektron tersebut berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi (eksitasi) atau terlepas sama sekali dari atom dan terbentuklah pasangan-pasangan ion (ionisasi). Partikel alpha dengan energi sebesar 3,5 MeV mempunyai jangkauan di udara sejauh 20 mm dan mampu menghasilkan 100.000 pasangan ion. Partikel alpha yang m).msama mampu melintas di jaringan tubuh sejauh 0,03 mm (30


INTERAKSI RADIASI BETA

Apa yang terjadi apabila partikel beta berinteraksi dengan materi ?

Dibandingkan dengan partikel alpha, partikel beda adalah sangat kecil. Partikel beta (negatif) ini memiliki satu satuan muatan elementer negatif dan massanya dapat diabaikan terhadap massa partikel alpha. Partikel beta ini pada dasarnya identik dengan elektron yang mengorbit di atom penyerap (dengan muatan listrik yang sama), dapat menyebabkan terjadinya ionisasi langsung dengan gaya tolak coulomb terhadap elektron yang mengorbit tersebut. Partikel beta ini dapat pula menyebabkan terjadinya eksitasi bila energinya tidak cukup besar untuk dapat membuat elektron orbit lepas dari sistem atom.

Partikel beta dapat menimbulkan ionisasi langsung lebih sedikit dari pada partikel alpha dan dapat bergerak lebih jauh di dalam bahan penyerap. Partikel beta dengan energi sebesar 3,5 MeV dapat melintas di udara sejauh sekitar 11 meter dan apabila di dalam jaringan dapat mencapai jarak sekitar 15 mm. Partikel beta berenergi rendah 0,157 MeV yang dipancarkan oleh Carbon-14 hanya mampu melintas di udara sejauh 30 cm dan apabila di jaringan sekitar 0,8 mm.

Partikel beta yang berenergi lebih tinggi dapat melintas sampai dekat ke inti atom dari bahan penyerap. Partikel ini kehilangan sebagian energinya karena mengalami pelambatan (pengereman) di dalam medan listrik inti. Energi pengereman yang terambil dari energi kinetik partikel beta tersebut, akan muncul sebagai sinar-X. Radiasi tipe ini yang disebut sebagai bremsstrahlung, yang dalam bahasa Jerman berarti radiasi pengereman.

Radiasi Bremsstrahlung merupakan hal yang penting di dalam proteksi radiasi. Hal ini perlu mendapat perhatian khusus bagi organisasi/perorangan pemilik pesawat sinar-X untuk berusaha meminimalkan munculnya radiasi bremsstrahlung di ruang pesawat sinar-X dalam rangka keselamatan radiasi terhadap operator dan konsumen yang dilayani.

INTERAKSI RADIASI GAMMA

Apa yang terjadi apabila sinar gamma atau sinar-X berinteraksi dengan materi?

Berkurangnya energi dari sinar gamma dan sinar- X pada saat melewati suatu materi terjadi karena tiga proses utama, yaitu :
- efek fotolistrik
- efek Compton
- efek produksi pasangan

Efek fotolistrik dan efek Compton timbul karena interaksi antara sinar gamma atau sinar-X dengan elektron-elektron dalam atom materi, sedangkan efek produksi pasangan timbul karena interaksi dengan medan listrik inti atom.

a. Efek Fotolistrik

Pada efek fotolistrik, energi foton diserap oleh elektron orbit, sehingga elektron tersebut terlepas dari atom. Elektron yang dilepaskan akibat efek fotolistrik disebut fotoelektron. Efek fotolistrik terutama terjadi pada foton berenergi rendah yaitu antara energi + 0,01 MeV hingga + 0,5 MeV. Disamping itu efek fotolistrik banyak terjadi pada material dengan Z yang besar. Sebagai contoh efek fotolistrik lebih banyak terjadi pada timah hitam (Z=82) daripada tembaga (Z=29).

b. Hamburan Compton

Pada efek Compton, foton dengan energi hv berinteraksi dengan elektron terluar dari atom, selanjutnya foton dengan energi hv dihamburkan dan elektron tersebut dilepaskan dari ikatannya dengan atom dan bergerak dengan energi kinetik tertentu.

c. Efek Produksi Pasangan

Proses produksi pasangan hanya terjadi bila foton datang / 1,02 MeV. Apabila foton semacam ini mengenai inti atom berat, foton tersebut akan lenyap dan sebagai gantinya timbul sepasang elektron-positron. Positron adalah partikel yang massanya sama dengan elektron dan bermuatan listrik positif yang besarnya juga sama dengan muatan elektron. Proses ini memenuhi hukum kekekalan energi:


Oleh karena itu proses ini hanya bisa berlangsung bilamana energi foton yang datang minimal

adalah massa diam elektron dan c adalah kecepatan cahaya.
Berkaitan dengan uraian ini maka nilai atau besaran absorpsi linier akan bergantung pada energi foton yang datang disamping bergantung pada jenis media/materi/zat yang dilaluinya atau bergantung pada nomor atom (Z) media/materi yang dilaluinya.

d. 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 sisebut elektron Auger.
Rangkuman interaksi foton dengan materi (yang utama, dari antara serangkaian interaksi yang rumit)


INTERAKSI RADIASI NETRON

Apa yang terjadi apabila partikel neutron berinteraksi dengan materi?

Neutron merupakan salah satu partikel pembentuk inti atom yang tidak bermuatan listrik. Neutron dapat dihasilkan dalam reaksi fisi dan reaksi-reaksi nuklir lainnya. Pada umumnya neutron bebas yang berasal dari reaksi nuklir tersebut berenergi tinggi, dengan energi lebih besar dari 0,10 MeV. Energi ini akan makin menurun selama gerakannya di dalam bahan penyerap, karena tumbukan dengan atom-atom bahan tersebut. Neutron-neutron tersebut akan menjadi neutron thermal (dengan energi sekitar 0,025 eV).
Interaksi neutron dengan materi dapat terjadi dengan tiga cara :
- tumbukan elastis
- tumbukan tak elastis
- penangkapan

Tumbukan elastis dan tak elastis antara neutron dengan atom-atom bahan penyerap menyebabkan energi neutron-cepat maupun neutron-sedang makin berkurang dan akan mencapai daerah energi neutron thermal (lambat). Neutron-lambat inilah yang berpeluang dapat ditangkap oleh inti atom bahan penyerap.

Tumbukan Elastis
Dalam tumbukan elastis antara neutron dengan atom bahan penyerap, sebagian energi kinetik neutron diberikan ke inti atom terkait dalam bentuk energi kinetik, dan berarti inti atom yang ditumbuk tersebut bergerak. Sementara itu neutron penumbuk dibelokkan/dihamburkan.
Energi neutron yang dialihkan ke partikel yang ditumbuk antara lain ditentukan oleh massa dari partikel yang ditumbuk. Neutron akan kehilangan paling banyak energi kinetiknya bila bertumbukan dengan partikel yang sama atau hampir sama massanya (misalnya neutron atau proton) atau setidak-tidaknya yang massanya tidak jauh berbeda. Di dalam aplikasinya, air, beton dan parafin merupakan bahan yang baik untuk perisai terhadap radiasi neutron.

Tumbukan Tak Elastis
Interaksi yang lebih rumit adalah interaksi antara neutron-cepat atau yang berenergi sedang dengan target yang massanya jauh lebih besar dari pada neutron sendiri. Dalam hal ini neutron dapat terserap oleh inti atom target. Inti atom penyerap neutron tersebut menjadi tereksitasi. Pada saat inti atom tereksitasi tersebut kembali ke keadaan semula, terpancarlah sinar gamma. Tumbukan semacam inilah yang disebut tumbukan tak elastis. Kebolehjadian terjadinya tumbukan tak elastis ini bergantung kepada energi kinetik neutron penumbuk. Makin besar energi neutron, maka makin besar kemungkinan terjadinya tumbukan tak elastis tersebut.

Penangkapan Neutron
Neutron-cepat dan neutron-sedang yang diperlambat melalui tumbukan elastis dan tak elastis akanmenjadi neutron thermal dengan orde sekitar 0,025 eV. Neutron ini berpeluang besar untuk ditangkap oleh inti atom bahan penyerap.
Inti atom baru yang dalam keadaan tereksitasi dari hasil penyerapan neutron, dengan nomor massa (A+1), dapat memancarkan sinar gamma untuk menuju ke keadaan yang lebih stabil (A = nomor massa inti atom sebelum menyerap satu neutron).
Penangkapan neutron dapat juga menghasilkan reaksi-reaksi sebagai berikut :
Q Penangkapan neutron oleh inti atom ringan dapat menghasilkan emisi proton
Q Penangkapan neutron oleh inti atom boron dan lithium dapat menghasilkan emisi alpha.
Q Penangkapan neutron oleh inti atom berat dapat menghasilkan fisi / pembelahan inti (seperti pada uranium-235, plutonium-239, dan uranium-233).
Penangkapan neutron oleh inti atom stabil dapatQ menghasilkan isotop radioaktif seperti pada proses aktivasi neutron. Contoh: aktivasi neutron terhadap iridium stabil Ir-191 menghasilkan radioisotop Ir-192 (pemancar radiasi beta dan gamma), yang biasa digunakan dalam kegiatan radiografi.
Kemampuan bahan penyerap untuk menangkap neutron bergantung kepada penampang lintang penangkapan (capture cross section) dari masing-masing bahan, dengan satuan barn

Cadmium, lithium dan boron merupakan penyerap neutron thermal yang baik, akan tetapi penyerapan neutron oleh inti atom cadmium dan boron diikuti oleh radiasi gamma yang harus diperhitungkan pada desain pembuatan perisai radiasi.
Kombinasi antara polyethylene dengan boron atau lithium merupakan perisai radiasi neutron yang baik. Atom-atom hidrogen di dalam polyethlene memperlambat neutron, yang selanjutnya mudah ditangkap oleh inti atom boron atau lithium. Partikel alpha yang terbentuk akibat reaksi neutron dengan inti atom boron atau lithium ini cepat teratenuasi (menurun intensitasnya), sehingga bahaya yang ada tinggal dari sinar gamma dengan energi 0,48 MeV yang berasal dari interaksi boron serta kemungkinan sinar gamma dengan energi 2,26 MeV yang merupakan hasil apabila terjadi interaksi antara hidrogen dengan neutron yang terserap. Penyerapan neutron thermal oleh hidrogen tidak lazim, karena penampang lintangnya (cross section) relatif kecil.
Rangkuman interaksi neutron dengan materi dapat dilihat pada tabel sebagai berikut :