RADIO KIMIA

Tujuan Pembelajaran

Mahasiswa memahami sifat-sifat inti, gejala keradioaktifan, energitika reaksi inti, cara mendeteksi dan pengukuran radiasi inti, serta kegunaan keradioaktifan dalam bidang kimia

Yang akan dibahas

Struktur Atom Perkembangan model atom Thomson ,

Rutherford, Bohr dan Schrodinger,

partikel dasar, komposisi inti Inti dan Keradio aktifan Reaksi-reaksi inti Penggunaan keradioaktifan Efek kimia akibat transformasi inti Deteksi radiasi

Buku Sumber

Mc. Key. Principles of Radiochemistry. London (1977)

Friendlander. Nuclear and Radiochemistry. 1981

Ratna Wilis. Kimia Inti. 1989 Bun Bun Bunjali, Radio Kimia. 2003 Ronald Gautreu, Fisika Modern, 1995

Tori atom Dalton Zat tersusun oleh partikel yang tidak dapat

dibagi lebih lanjut yang disebut atom. Semua atom penyusun suatu unsur

memiliki sifat yang identik (ukuran, bentuk dan massa) yang berbeda dari sifat atom unsur lain.

Suatu reaksi kimia semata-mata adalah penyusunan ulang kombinasi atom dari senyawa pereaksi menjadi susunan atom dalam senyawa hasil reaksi.

Penemuan Elektron- Percobaan Faraday tentang elektrolisis- Efek fotolistrik- Sir William Crookes jika tekanan dalam gas di perkecil,

dari katode terlihat terpancar seberkas sinar- Pada tahun 1897 Sir JJ. Thamson membuktikan bahwa

sinar katode bermuatan negatif.

Tabung Sinar Katoda

Sifat sinar katoda

Bermuatan negatif Dibelokkan oleh medan listrik atau

medan magnet Sifat sinar kotede tidak bergantung pada

material elektroda.

• Dengan percobaan lebih lanjut Thomson berhasil menentukan angka banding muatan terhadap massa e/m elektron.

•Penimpangan suatu partikel bermuatan dalam suatu medan magnet atau medan listrik sebanding dengan muatannya (e) dan berbanding terbalik dengan massa (m).

• Dengan percobaan lebih lanjut Thomson berhasil menentukan angka banding muatan terhadap massa e/m elektron.

•Penimpangan suatu partikel bermuatan dalam suatu medan magnet atau medan listrik sebanding dengan muatannya (e) dan berbanding terbalik dengan massa (m).

Tabung sinar katode dalam percobaan thomson

Thomson berhasil menentukan angka banding e/m = -1,76 x 1011 C/kg

Penentuan muatan elektron dilakukan oleh Robert Millikan (1908) melalui percobaan tetes minyak yaitu -1,6 x 10-19 C

Dari percobaan diatas ditentukan massa elektron me=9,106x10-31kg.

Penemuan Proton

Terdiri dari partikel bermuatan positif yang bermassa hampir sama dengan massa atom relatif gas pengisi tabung,

Bergerak menurut garis lulus dan dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet yang berlawanan dengan arah pembelokan sinar katoda.

Massa partikel positif paling kecil, diperoleh ketika tabung diisi dengan gas Hidrogen.

Penemuan gejala keradioaktifan Pada tahun 1896, Henry Becquerel melalui percobaannya

menemukan sinar yang dapat menghitamkan film fotografi yang dipancarkan oleh garam uranium

Tahun 1898, Marie Curie menunjukkan bahwa radiasi tersebut bukan hanya berasal dari uranium, tapi juga dari polonium dan radium.

Gejala radiasi seperti diatas disimpulkan merupakan gejala atomik yang disebut radioaktifitas

Tahun 1899 Rutherford mengemukakan 2 jenis radiasi yaitu alpha (α) dan beta (β). Tahun 1900 P.Curie dan Villard melaporkan radiasi ketiga, gamma (γ)

Radioaktivitas

Sifat radiasi

Daya tembus α < β < γ = 1 : 100 : 10.000 Kemampuan mengion α : β : γ = 10.000 :

100 : 1 dalam jarak lintasan yang sama. Type peluruhan

Model atom Thomson:

Atom dipandang sebagai suatu permukaan bola yang bermuatan positif dan pada permukaan tersebut menempel elektron.

Pengujian model oleh Rutherford (1911) melalui percobaan hamburan partikel α pada lapis tipis emas (4x10-5 cm)

Hasil percobaan Rutherford

Sebagian besar partikel alpha menembus lapis tipis logam tanpa mengalami pembelokan arah. Hal ini menunjukkan bahwa sebagian besar volume atom merupakan ruang-ruang kosong.

Beberapa partikel alpha mengalami pembelokan arah dengan sudut yang besar. Menunjukkan inti atom bermuatan positif menolak partikel alpha.

Satu dua partikel alpha mengalami pembelokan arah (dipantulkan). Hal ini menunjukkan massa terkonsentrasi di inti atom. Diameter atom kira-kira 100.000 kali diameter inti.

Teori Atom RutherfordElektron bergerak mengitari inti seperti planit mengitari matahari. Gaya tarik-menarik antara elektron dan inti diimbangi oleh gaya sentrifugal.

Kelemahan:Teori elektromagnetik klasik menyebutkan bahwa suatu partikel bermuatan yang bergerak seperti elektron pada teri Rutherford akan mengalami percepatan dan terus menerus memancarkan radiasai dan kehilangan energinya, makin lama akan makin dekat ke inti dan akhirnya akan masuk ke inti, sehingga atom jadi roboh. Niels Bohr menghitung elektron akan jatuh ke inti pada teori atom Rutherford setelah waktu 10-4 detik.

Spektrum Atom Hidrogen Atom hidrogen bersifat stabil dan tidak

memancarkan radiasi dengan sendirinya. Spektrum atom hidrogen yang telah diketahui:

Spektrum deret lymann (m=1) Balmer (m=2) Paschen (m=3) Brackett (m=4) Pfund (m=5)

Secara umum panjang gelombang deret tersebut diungkapkan dengan persamaan:

m=1,2,3,4,5,..., and n > mRH= Tetapan Ryberg untuk atom hidrogen=

10,97x106m-1

Model Atom Bohr Pada tahun 1990, Max Planck

mengemukakan bahwa cahaya terdiri dari paket-paket kecil energi yang disebut foton. Energi yang diserap atau dipancarkan oleh suatu zat sebanding dengan frekwensi cahaya(f)

E = hfh = tetapan planck= 6,6256x10-34Js

Pada tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan model atom , dengan postulat sebgai berikut:

Elektron bergerak dalam lintasan tertentu yang disebut orbit stasioner, bersesuaian dengan tingkat energi tertentu yang spesifik dan diskrit.

Momentum sudut elektron adalah kelipatan dari h/2Π,

mvr=n h/2Π.m= massa elektronv= kecepatan elektronr= jari-jari lintasan elektronn= 1,2,3

Suatu elektron dapat memancarkan atau menyerap paket energi tertentu hanya jika ia berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya yang diperbolehkan

Model Atom Bohr

Menurut Bohr energi elektron adalah:

Model Atom Bohr

2n

AE

n = bilangan kuantum = 1,2,3……

A= tetapan, dapat dihitung dari massa, muatan elektron dan tetapan planck= 2,18x10-18 J

Model Atom Bohr

Transisi Energi

ΔE= E2-E1

)()(2

12

2 n

A

n

AE

22

21

11

nnAE

Penemuan Neutron Rutherford mengemukakan, jika atom hanya terdiri dari

proton dan elektron dalam jumlah yang sama, dan massa hanya ditentukan oleh proton dan elektron maka massa atom hanya ½ dari massa atom relatif yang diketahui.

Tahun 1932 J. Chadwick menemukan neutron dari penembakan berilium dengan partikel alpha.

4Be9 + 2He4 6C12 + 0n

1

Beberapa sifat partikel subatomik

-1-1,602x10-190,00054869,11x10-31Elektron

01,0086651,67x10-27Neutron

+1+1,602x10-191,0072761,67x10-27Proton

Satuan muatan elektron

Coulombsmakg

MuatanMassaPartikel

RADIOAKTIVITAS Unsur-unsur yang dapat memancarkan

sinar radioaktif secara spontan disebut dengan unsur radioaktif.

Gejala pemancaran sinar secara spontan oleh suatu unsur radioaktif disebut dengan radioaktifiatas.

Sinar-sinar yang dipancarkan oleh zat radioaktif adalah sinar alpha (α), beta (β) dan gamma (γ).

Karakteristik Sinar Radioaktif

00Gamma

-10,0005486Beta

42+24Alfa

LambangMuatanMassa (SMA)Partikel

• Kekuatan daya tembus ketiga sinar radioaktif tersebut adalah α < β < γ ;

• sedangkan kekuatan mengionnya adalah α > β > γ.

Inti Atom Menurut Rutherford Inti atom merupakan

pusat massa yang bermuatan positif di dalam atom.

Diameter inti atom sekitar 10-15M, sedangkan diameter atom sekitar 10-10M.

Rapat massa inti sekitar 1014g cm-3 atau 1020 kg m-3.

Inti Atom Menurut Rutherford Inti atom merupakan

pusat massa yang bermuatan positif di dalam atom.

Diameter inti atom sekitar 10-15M, sedangkan diameter atom sekitar 10-10M.

Rapat massa inti sekitar 1014g cm-3 atau 1020 kg m-3.

Hipotesis Proton - Elektron Dikemukakan oleh J.J Thomson.

Menurutnya inti atom terdiri dari proton dan elektron.

Menurut hipotesis ini inti heliun terdiri dari 4 proton dan 2 elektron.

Hipotesis ini gugur dengan penemuan netron oleh Chadwick tahun 1932.

Hipotesis Proton-Neutron Hipotesis proton-neutron dikemukakan oleh

Werner Heisenberg yang berbunyi partikel dasar pembangun inti atom adalah proton dan neutron.

Menurut hipotesis ini, proton dan neutron adalah dua tingkat kuantum berbeda dari partikel dasar yang sama, nukleon, dan dapat terjadi konversi dengan cara pertukaran meson atau transisi yang melibatkan pembentukan satu elektron dan satu neutrino.

Partikel Dasar

1. Foton, memiliki massa=0, dengan simbol γ .

2. Lepton adalah kelompok partikel yang memiliki massa lebih kecil dari massa proton dan semua lepton memiliki spin ½ . Anggota kelompok ini adalah:

a) Neutrino, dikenal dua jenis (neutrino dan anti neutrino), dilambangkan dengan v dan ˉ v.

b) Elektron, negatron e-dan anti partikelnya positron e+

c) Muon, sebelumnya disebut mu meson. Simbolnya µ+ atau µ-,

tergantung muatannya .

Partikel Dasar3. Meson, Massa diam meson lebih besar dari massa lepton

tetapi lebih kecil dari massa satu nukleon. Spin meson = 0, dikenal dengan istilah pion dan kaon dilambangkan dengan л+, л-, лo, K+, Ko, K1, K2

4. Baryon. Kelompok ini adalah partikel berat, yang paling ringan adalah proton, Baryon memiliki spin ½ , dikelompokkan menjadi:

a. Nukleon, mencakup proton dan neutron

b. Hyperon. Semua hyperon memiliki massa lebih besar dari neutron. Simbol hyperon yang dikenal adalah: Δ, E+, E-, ≡+, ≡-, Ω

Partikel Elektron Proton Neutron Pion netral

Muon Neutrino Foton

Simbol e p n лo µ± v γ

Muatan/e -1 +1 0 0 ± 0 0

Massa/me 1 1831,4 1834 264 207 0 0

Waktu Hidup (s)

stabil stabil 932 0,7x10-16 2,2x10-6 stabil stabil

Karakteristik partikel dasar

SUSUNAN INTI ATOM Secara umum inti atom (nuklida) dilambangkan

dengan AXZ

X = Lambang atom

A = Nomor massa

Z = Nomor atom Jumlah proton dalam inti sama dengan jumlah

nomor atom (Z). Jumlah nukleon atau jumlah proton dan neutron dalam inti sama dengan bilangan massa (A), dimana

A = N + Z Partikel-partikel penyusun inti yaitu proton dan

neutron disebut nukleon.

Penggolongan Nuklida • Isotop yaitu nuklida yang nomor atomnya (Z) sama tetapi N

dan A berbeda. Contoh 1H1, 2H1, 3H1

Isotop dapat dibagi dua yaitu: • Isotop stabil artinya isotop jenis ini tidak mengalami perubahan secara

spontan dialam. • Isotop tidak stabil artinya isotop yang dapat memancarkan sinar secara

spontan. Isotop ini sering disebut dengan isotop radioaktif atau radio isotop.

• Isobar ialah nuklida-nuklida yang bilangan massanya sama tapi nomor atomnya berbeda.

Contoh 14N7, 14C6

• Isoton ialah nuklida-nuklida yang mengandung jumlah neutron yang sama. Contoh 30Si14, 31P15, 32S16

• Isomer yaitu inti dengan A dan Z sama, tapi berbeda tingkat energi intinya

Penggolongan Nuklida atas dasar kestabilan dan pembentukannya

Nuklida stabil, yaitu nuklida yang secara alamiah sepanjang masa tidak mengalami perubahan nilai A dan Z.

Radionuklida alam primer, nuklida yang secara alami ada dialam dan sudah bersifat radioaktif.

Radionuklida alam sekunder, nuklida radioaktif yang selalu terbentuk secara alamiah sebagai hasil peluruhan radionuklida primer.

Radionuklida alam terinduksi, yaitu radionuklida yang secara terus menerus terbentuk dialam, walaupun memiliki waktu paruh pendek, tapi tetap ada dialam dengan kelimpahan tertentu.

Radionuklida buatan

KESTABILAN INTI (NUCLEAR STABILITY)

Semua inti yang dikenal mempunyai dua nuklida atau lebih. Kecuali flour dan aluminium hanya mempunyai satu nuklida yang terdapat secara alamiah.

Lebih dari 3000 isotop sudah ditemukan, hanya sekitar 280 yang stabil.

Faktor yang menentukan Kestabilan Inti Angka banding jumlah neutron terhadap

proton (N/Z) yang terkandung dalam inti, inti atom yang stabil sampai no atom 20 memiliki N/Z=1

Pasangan nukleon yang ditunjukkan oleh hukum genap ganjil. Kestabilan lebih tinggi untuk inti yang n atau p nya genap.

Energi ikat per nukleon. Inti yang paling stabil bila energi ikat per nukleon paling besar.

Kurva N/Z

Cara mencapai kestabilanCara mencapai kestabilan Diatas pita kestabilan Z<83, N/Z, atau Diatas pita kestabilan Z<83, N/Z, atau

daerah surplus neutron. Untuk mencapai daerah surplus neutron. Untuk mencapai kestabilan:kestabilan: Inti memancarkan neutron. Inti memancarkan neutron. Memancarkan partikel beta. Memancarkan partikel beta.

Dibawah pita kestabilanDibawah pita kestabilan Memancarkan positron. Dalam hal proton berubah Memancarkan positron. Dalam hal proton berubah

menjadi neutron dan memancarkan positron.menjadi neutron dan memancarkan positron. Penangkapan elektron (EC)Penangkapan elektron (EC)

epn

eNeNa 01

222211

NbEC

Mo 9541

9542

Daerah di atas pita kestabilan (Z>83) Inti di daerah ini surplus massa atau surplus

neutron dan proton. Untuk mencapai kestabilan, inti memancarkan partikel alfa

Cara mencapai kestabilan

HeRnRa 42

22286

22688

Hukum genap-ganjil

50Ganjil, genap

4ganjil, ganjil

55Genap, ganjil

165Genap, genap

Jumlah Nuklida yang stabil

Jenis Nuklida (Z, N)

Kestabilan inti bertambah bila komposisi nukleon merupakan bilangan ajaib (magic number) yaitu 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Observasi yang mendukung adanya bil. ajaib Unsur dengan Z bilangan mukjizat mempunyai jumlah

isotop yang lebih banyak dari pada unsur tetangganya dalam sistem periodik. Pb, Z=82 mempunyai 4 isotop stabil, Bi, Z = 83 tidak mempunyai isotop stabil dan Ti, Z= 81 mempunyai 2 isoto stabil. Sn50= 10 stabil, In49= 2 stabil, Sb51=2 stabil.

Nuklida-nuklida dengan N atau Z bil mukjizat paling banyak terdapat di alam. 16O8=99,7%, 17O8=0,03% dan 18O8=0,2%

Nuklida dengan N bilangan mukjizat mempunyai penampang lintang penangkap neutron yang rendah.

Tiga dari empat deret radioaktif alamiah berakhir dengan Z yang merupakan bilangan mukjizat, yaitu Pb Z=82

ENERGI PENGIKAT INTI

Massa inti yang sebenarnya dibandingkan dengan jumlah massa proton dan neutron penyusunnya selalu lebih kecil, Hal ini disebut defek massa

Massa yang hilang ini merupakan ukuran energi pengikat neutron dan proton.

Energi yang diperlukan untuk menguraikan inti (energi yang dilepaskan jika inti terbentuk) disebut energi pengikat inti.

Besarnya energi ikat inti selalu dinyatakan dengan energi ikat inti per nukleon.

Satuan energi ikat inti sering dinyatakan dalam MeV. 1 sma = 931,4 MeV

Kurva energi ikat inti pernukleon vs nomor massa

Contoh hitungan energi ikat inti Hitunglah energi ikat 4He2, jika diketahui massa He = 4,002603

sma.massa p = 1,007825, massa n= 1,008665 sma JawabBobot atom He dari komponen penyusunnya adalah:M He = (2 x mp) + (2 x mn)

= (2 x 1,007825) + (2 x 1,008665)= 4,032980 sma.

Defek massa = 4,032980 sma - 4,002603 = 0,030377 smaEnergi ikat = 0,030377 x 931,4 MeV = 28,293 MeVEnergi ikat per nukleon = 28,293 MeV/4 =7,073 MeVEnergi ikat dalam Joule= 7,073 MeV x 1,6022 x 10-13 J/MeV

= 1,13 x 10-12 Joule/nukleon