Materi 2 : Struktur Atom dan Radiasi

Struktur Atom & Radiasi

Atom merupakan unit terkecil dari materi. Atom bergabung untuk membentuk molekul, yang kemudian berinteraksi untuk membentuk padatan, gas, atau cairan. Misalnya adalah air yang terdiri dari atom hidrogen dan oksigen membentuk molekul air.

Atom terdiri dari tiga partikel dasar: proton, elektron, dan neutron. Sebagai partikel penyusun inti, kesatuan proton dan neutron kita sebut dengan nucleon. Inti  atom mengandung proton (bermuatan positif) dan neutron (tidak bermuatan). Daerah terluar atom disebut kulit elektron dan mengandung elektron (bermuatan negatif). Atom memiliki sifat yang berbeda berdasarkan susunan dan jumlah partikel dasarnya.

(gambaran struktur atom)

Proton dan neutron memiliki massa yang kurang lebih sama, yaitu sekitar 1,67 × 10-24 gram. Meskipun massanya serupa, muatannya berbeda dengan proton bermuatan positif, sedangkan neutron tidak bermuatan. Oleh karena itu, jumlah neutron dalam sebuah atom memberikan kontribusi signifikan terhadap massanya, tetapi tidak pada muatannya.

Massa electron lebih kecil daripada proton, yaitu hanya 9,11 × 10-28 gram, atau sekitar 1/1800 satuan massa atom. Oleh karena itu, mereka tidak berkontribusi banyak pada keseluruhan massa atom suatu elemen. Ketika mempertimbangkan massa atom, biasanya mengabaikan massa elektron dan menghitung massa atom berdasarkan jumlah proton dan neutron saja.

Elektron berkontribusi besar terhadap muatan atom, karena setiap elektron memiliki muatan negatif yang sama dengan muatan positif proton. Para ilmuwan mendefinisikan sebagai "+1" dan "-1. Dalam atom netral yang tidak bermuatan, jumlah elektron yang mengorbit nukleus sama dengan jumlah proton di dalam nukleus. Dalam atom-atom ini, muatan positif dan negatif saling meniadakan, yang mengarah ke atom tanpa muatan.

Atom memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. Gaya antara dua muatan yang berbeda menarik elektron berada dekat ke inti.

Di inti yang kecil, partikel-partikel saling berdekatan sehingga gaya kuat mengikat proton dan neutron dengan erat. 

Gaya nuklir kuat adalah gaya yang mengikat neutron dan proton bersama-sama di sebuah inti.

Di inti yang besar, gaya kuat hanya mengikat erat partikel-partikel yang saling berdekatan satu sama lain.

Di inti yang kecil, partikel-partikel saling berdekatan sehingga gaya kuat mengikat proton dan neutron dengan erat.

Di inti yang memiliki banyak proton, gaya listrik menolak proton yang berjauhan dengannya. Gaya tolak-menolak yang meningkat ini menyebabkan partikel-partikel di inti yang besar diikat dengan kurang kuat dibandingkan dengan partikel di inti kecil.

Nomor Atom dan Nomor Massa

Nomor atom adalah jumlah proton dalam suatu unsur, sedangkan nomor massa adalah jumlah proton ditambah jumlah neutron.

- Nomor Atom (Z)

Atom netral suatu unsur mengandung jumlah proton dan elektron yang sama. Nomor atom (Z) menunjukkan jumlah electron pada kulit atom. Untuk atom yang netral, jumlah proton pada inti sama dengan dan neutron pada kulit. Misalnya, nomor atom karbon (Z) adalah 6 karena memiliki 6 proton. Jumlah neutron dapat bervariasi untuk menghasilkan isotop, yaitu atom dari unsur yang sama yang memiliki jumlah neutron yang berbeda. Jumlah elektron juga dapat berbeda dalam atom dari unsur yang sama, sehingga menghasilkan ion (atom bermuatan).

Contoh : 

₁₇Cl³⁵ -> Jumlah electron (Z) = 17

                Jumlah proton (Z) = 17

                Jumlah neutron (N) = A – Z = 34 – 17 = 18 neutron

- Nomor Massa (A)

Nomor massa suatu unsur (A) adalah jumlah dari jumlah proton dan jumlah neutron. Proton dan neutron keduanya memiliki berat sekitar satu satuan massa atom atau sma. Isotop dari unsur yang sama akan memiliki nomor atom yang sama tetapi nomor massa yang berbeda.

Berdasarkan  nomor atom (Z) dan nomor massa (A), kita dapat menemukan jumlah proton, neutron, dan elektron dalam atom netral.

Jumlah nucleon dalam atom = Z + N

Misalnya, atom litium

Atom litium mengandung tiga proton (Z=3), tiga elektron (karena jumlah proton sama dengan jumlah elektron dalam atom), dan empat neutron (A-Z = 7 – 3 = 4).

- Isotop

Isotop adalah berbagai bentuk atom dari unsur kimia yang memiliki jumlah proton yang sama, tetapi jumlah neutron yang berbeda.

Contoh : ₁₇Cl³⁵ dan ₁₇Cl³⁷

- Isoton 

Isoton adalah berbagai bentuk unsur yang memiliki jumlah neutron yang sama

Contoh : ₅₄Xe¹³⁰   dan ₅₉Ba¹³⁰  

- Isobar 

Isobar adalah berbagai bentuk unsur yang memiliki nomor massa yang sama

Contoh : ₆C¹³  dan ₇C¹⁴

- Keadaan isomer (metastabil)

Metastabil adalah keadaan nuklir tereksitasi yang ada untuk beberapa waktu.

Contoh : _99mTc adalah keadaan isomer dari ₉₉Tc

Radioaktivitas

Radioaktivitas pertama kali diperkenalkan oleh fisikawan Perancis Antonie Henry Becquerel pada tahun 1896. Saat itu unsur uranium yang beliau teliti menunjukkan gejala radiasi tertentu dengan daya tembus yang sangat kuat. Antonie Henry Becquerel secara tidak sengaja meninggalkan serbuk uranium di atas keping fotografi. Saat keping itu dicetak, terdapat garis uranium pada film. Gejala pemancaran radiasi secara spontan dari uranium ini disebut dengan gejala radioaktivitas. Radioaktivitas adalah proses inti atom yang tidak stabil kekurangan energy melalui radiasi emisi dari partikel atau gelombang elektromagnetik. Radioaktivitas dapat juga didefinisikan sebagai inti yang tidak stabil melepaskan energy untuk mencapai kestabilan sambil memancarkan radiasi. Unsur yang dapat menunjukkan gejala radioaktivitas disebut dengan unsur radioaktif. 

Kestabilan Inti Atom

Peristiwa radioaktivitas berkaitan erat dengan kestabilan inti atom. Kestabilan inti atom ditandai dengan perbandingan jumlah proton dan neutron didalam inti atom.

- n/p > 1 ( atom kelebihan electron )

Jika jumlah neutron lebih banyak dibandingkan proton, maka untuk mencapai kestabilan neutron akan meluruh menjadi proton disertai pemancaran electron (radiasi beta negative).

₀n¹ -> ₊₁p¹ + _-1β⁰

- n/p < 1 (atom kelebihan proton)

jika jumlah proton lebih banyak dibandingkan neutron, maka untuk mencapai kestabilan proton akan meluruh menjadi neutron disertai pemancaran positron

₊₁p¹ -> ₀n¹ + ₊₁β⁰ atau ₊₁p¹ + _-1β⁰ -> ₀n¹

Peluruhan

Pemancaran radiasi terus menerus sepanjang waktu dari inti radioaktif mengakibatkan penyusutan jumlah inti atom radioaktif. Berkurangnya jumlah inti disertai dengan berkurangnya jumlah radiasi yang dipancarkan. Peristiwa penyusutan ini disebut peluruhan radioaktif.

Peluruhan Inti

a) Peluruhan beta

Sinar-β merupakan partikel dengan muatan listrik -1e dan tidak bermassa. Terjadi saat inti memiliki jumlah proton atau neutron yang relatif berlebih satu sama lain.

- Peluruhan radiasi  β negative : sinar-β dibelokkan oleh medan magnet namun arah pembelokannya kea rah kutub posistif, berlawanan dengan pembeokan sinar-α.

Jika inti atom memancarkan radiasi β negative maka dihasilkan inti baru dengan nomor atomnya bertambah satu dan nomor massannya tetap (penambahan satu proton dan pengurangan satu neutron dalam inti).

_ZX^A -> _Z+1Y^A + _-1β⁰

- Peluruhan radiasi  β positif : jenis sinar radioaktif yang dibelokkan oleh medan magnet namun arah pembelokannya ke kutub negative.

Sinar- β positif ini diebut juga dengan positron. Jika inti atom memancarkan positron maka dihasilkan inti atom baru yang nomor atomnya berkurang 1 dan nomor massanya tetap. (pengurangan satu proton dan penambahan satu neutron dalam inti)

_ZX^A -> _Z-1Y^A + ₊₁β⁰

- Penangkapan electron (penangkapan elektron oleh proton mengubahnya menjadi neutron) : terjadi saat inti memiliki banyak proton relatif terhadap jumlah neutron

b) Peluruhan alfa

Sinar-α dibelokkan oleh medan magnet ke arah kutub negative. Sinar-α merupakan partikel dengan muatan listrik +2 dan bermassa 4 sma.  Terjadi ketika inti terlalu besar

Suatu inti yang tidak stabil dapat meluruh menjadi inti yang lebih ringan dengan memancarkan partikel alfa (inti atom helium). Pada peluruhan alfa terjadi pembebasan energi. Energi yang dibebaskan akan menjadi energi kinetik partikel alfa dan inti anak. Inti anak memiliki energi ikat per nukleon yang lebih tinggi dibandingkan induknya.

Jika inti atom memancarkan sinar-α maka akan dihasilkan inti baru dengan nomor atom nerkurang 2 dan nomor massanya berkurang 4 (jumlah proton dan neutron berkurang dua)

_ZX^A -> _Z-2Y^A-4 + ₂α⁴

c) Peluruhan gamma

Sinar-γ tidak dibelokkan oleh medan magnet maupun medan listrik. Sinar-γ merupakan radiasi EM yang tidak bermassa dan tidak bermuatan. Sifat sinar-γ sama dengan sinar-X namun memiliki frekuensi yang lebih besar dan panjang gelombang yang lebih pendek.

Atom yang memancarkan sinar-γ tidak akan mengalami pengurangan nomor atom maupun nomor massa, hanya saja atom yang berada dalam keadaan tereksitasi kembali ke keadaan dasar.

Pemancaran sinar-γ terjadi saat inti kelebihan energi biasanya disertai dengan pemancaran sinar alfa ataupun sinar beta.

d) Peluruhan neutron

Neutron merupakan partikel penyusun inti atom yang bermassa 1 sma dan tidak bermuatan listrik. Pemancaran neutron biasanya terjadi pada unsur-unsur hasil fisi dengan wakto paro yang sangat pendek. Peluruhan inti yang disertai pemancaran neutron akan menghasilkan inti baru dengan nomor atom tetap dan nomor massanya berkurang satu.

Unsur radioaktif yang dapat memancarkan neutron secara spontan adalah ²⁵²Cf.

Neutron cepat dapat diproduksi melalui reaksi nuklir dalam alat akselerator.

e) Penangkapan electron

Terjadi karena inti memiliki proton terlalu banyak dibanding neutron. Proton menangkap elektron dan berubah menjadi neutron.

Inti anak akan  memiliki nomor atom yang berkurang 1 dan nomor massa yang sama dengan inti induk.

Sumber :

Akhadi, M., Dasar-Dasar Protekski Radiasi, Rineka Cipta, Jakarta (2000).

IAEA, Nuclear Medicine Physics : A Handbook for Teachers  and Students, Chapter 1

https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/the-structure-of-the-atom/

https://m-edukasi.kemdikbud.go.id/medukasi/produk-files/kontenkm/km2016/KM201609/materi-2-jenis-jenis-peluruhan-unsur-radioaktif.html