ABSORBSI GAMMA (γ)

JURNAL LAPORAN PRAKTIKUM KE - IV

WILLIAM

110801057

LABORATORIUM FISIKA INTI

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2013

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sinar gamma (seringkali dinotasikan dengan huruf Yunani gamma, γ) adalah sebuah bentuk

berenergi dari radiasi elektromagnetik yang diproduksi oleh radioaktivitas atau proses nuklir

atau subatomik lainnya seperti penghancuran elektron-positron.

Sinar gamma membentuk spektrum elektromagnetik energi tertinggi. Mereka

seringkali didefinisikan bermulai dari energi 10 keV/ 2,42 EHz/ 124 pm, meskipun radiasi

elektromagnetik dari sekitar 10 keV sampai beberapa ratus keV juga dapat menunjuk kepada

sinar X keras. Penting untuk diingat bahwa tidak ada perbedaan fisikal antara sinar gamma

dan sinar X dari energi yang sama, mereka adalah dua nama untuk radiasi elektromagnetik

yang sama, namun, gamma dibedakan dengan sinar X oleh asal mereka.

Sinar gamma adalah istilah untuk radiasi elektromagnetik energi-tinggi yang

diproduksi oleh transisi energi karena percepatan elektron. Karena beberapa transisi elektron

memungkinkan untuk memiliki energi lebih tinggi dari beberapa transisi nuklir, ada

penindihan antara apa yang kita sebut sinar gamma energi rendah dan sinar-X energi tinggi.

Sinar gamma merupakan sebuah bentuk radiasi mengionisasi; mereka lebih menembus dari

radiasi alfa atau beta (keduanya bukan radiasi elektromagnetik), tapi kurang mengionisasi.

Sinar gamma begitu istimewa dibandingkan dengan sinar/partikel radioaktif lainnya

dikarenakan dia tidak memiliki massa dan muatan. Sinar Gamma memiliki panjang

gelombang yang paling kecil dan energi terbesar dibandingkan spektrum gelombang

elektromagentik yang lain, (sekitar 10 000 kali lebih besar dibandingkan dengan energi

gelombang pada spektrum sinar tampak). Selain itu, sinar gamma memiliki daya ionisasi yang

paling rendah namun jangkauan tembus yang paling besar dibandingkan sinal beta dan alfa.

Sinar gamma muncul dari inti atom yang tidak stabil dikarenakan atom tersebut memiliki

energi yang tidak sesuai dengan kondisi dasarnya (groundstate).

1.2 Tujuan

1. Untuk mengetahui hubungan antara intensitas sinar gamma dengan ketebalan

absorber.

2. Untuk menentukan koefisien absorbsi sinar gamma pada beberapa absorber.

3. Untuk mengetahui aplikasi sinar gamma.

BAB II

LANDASAN TEORI

Energi sinar gamma yang dipancarkan sama dengan selisih antara tingkat-tingkat energi

dimana inti atom melakukan transisi. Energi transisi dilepaskan pada saat terjadi transisi

energi inti digunakan sebagai tenaga sinar gamma dan tenaga inti pemancar. Peluruhan

gamma dari inti tereksitasi memerlukan selang waktu tertentu,seperti peluruhan pada atom

yang tereksitasi memiliki umur paruh tingkat eksitasi atom 10 -8 detik untuk elektron –

elektron valensi dan 10-15 detik untuk eksitasi lubang yang tercipta setelah terjadi pancaran

elektron dari kulit atom yang lebih dalam. Keadaan eksitasi inti memiliki umur paruh

terhadap pancaran gamma pada rentang 10-16 detik sampai lebih dari 100 tahun. Umur paruh

ini dapat diperkirakan secara kasar dengan pendekatan semiklasik. Dapat ditunjukkan dari

persamaan Maxwell bahwa sebuah titik muatan e yang mengalami percepatan akan

memancarkan radiasi elektromagnetik dengan laju:

dEdt

= 23

e2 a 2c3

...................................................... 2.1

Radiasi elektromagnetik dihasilkan oleh muatan titik yang bergerak. Pada

kenyataannya inti atom merupakan distribusi muatan yang lebih luas. Aliran arus listrik

dibangkitkan oleh gerakan spin dan orbit nukleon-nukleon. Medan listrik dan medan magnet

yang dihasilkan dalam transisi keadaan inti adalah sangat kompleks. Dalam perhitungan

klasik, distribusi arus-muatan aktual dikembangkan dalam momen multipol.

Sebagai alternatif lain dari peluruhan gamma, dalam beberapa kasus inti tereksitasi

dapat kembali ke keadaan dasar dengan memberikan energi eksitasinya ke salah satu elektron

dan orbital di sekelilingnya. Proses ini dikenal sebagai konversi internal, yakni sejenis efek

fotolistrik dimana sebuah foton nuklir diserap oleh elektron atomik. Konversi internal

merupakan transfer langsung energi eksitasi ke sebuah elektron. Elektron yang terpancar

memiliki energi kinetik sama dengan energi eksitasi nuklir yang hilang dikurangi energi ikat

elektron dalam atom.

Konversi internal adalah suatu proses elektromagnetik yang bersaing dengan emisi

gamma. Dalam hal ini medan multipol elektromagnetik dari inti tidak menghasilkan emisi

foton, sebagai gantinya, medan-medan itu berinteraksi dengan elektron-elektron atomik dan

menyebabkan salah satu elektron dari atom. Tidak seperti pada peluruhan beta, elektron

tersebut tidak diciptakan dalam proses peluruhan, tetapi merupakan elektron yang sebelumnya

ada dalam orbit atom. Karena alasan itu laju peluruhan konversi internal dapat diubah sedikit

dengan mengubah lingkungan kimia dari atom tersebut sehingga berpengaruh sedikit terhadap

orbit atom. Konversi internal bukan merupakan proses dua langkah, dimana sebuah foton

mula-mula dipancarkan oleh inti dan kemudian menumpuk elektron orbit dengan proses yang

mirip dengan efek fotolistrik. Proses semacam ini memiliki kebolehjadian sangat kecil.

Energi transisi dalam konversi internal muncul sebagai tenaga kinetik Ke elektron

yang dipancarkan dikurangi dengan energi ikat atom EB yang harus diberikan untuk

melepaskan elektron dari kulit atom.

Ke = Ei – Ef - EB .................................................. 2.2

Seperti pada pembahasan energi ikat inti, maka kita ambil EB sebagai bilangan bulat

positif. Namun demikian energi keadaan terikat adalah negatif, dan kita menganggap bahwa

energi ikat sebagai energi yang harus kita berikan kepada atom untuk berpindah dari keadaan

itu ke energi nol. Karena energi ikat elektron bervariasi dengan orbit atom, untuk suatu △E

pada transisi tertentu akan menimbulkan konversi internal elektron-elektron yang terpancar

dari atom dengan energi yang berbeda-beda.

(Wiyatmo,Yusman. 2006)

Spektrum sinar-γ terbentuk sebagai hasil interaksi antara sinar- γ dengan detektor.

Apabila sinar- γ berinteraksi dengan materi maka tenaganya akan diserahkan pada atom-atom

materi yang dilalui. Satuan yang dipakai untuk menyatakan tenaga sinar- γ adalah elektron

volt , disingkat eV. Satu elektron volt adalah tenaga yang diterima oleh sebuah elektron

(muatan elektron = e = 1,60 x 10-19 coulomb) yang dipercepat melalui suatu medan listrik

dengan beda potensial sebesar satu volt. Pada umumnya, dalam spektrometri- γ orang bekerja

dengan tenaga- γ dari 50 KeV sampai 5 MeV. Jika diketahui panjang gelombangnya, tenaga

sinar- γ dapat dihitung melalui rumus Planck : E = hc/λ.

Interaksi sinar- γ dengan materi bisa terjadi melalui bermacam-macam proses. Dari

berbagai proses tersebut hanya ada tiga proses yang penting untuk diperhatikan dalam

spektrometri- γ yaitu:

- Hamburan Compton

- Efek fotolistrik

- Pembentukan pasangan

Ketiga proses tersebut menghasilkan pembebasan elektron dari atom-atom materi yang

berinteraksi dengan sinar- γ. Efek fotolistrik penting pada daerah pada tenaga sinar- γ di

bawah 1 MeV; hamburan Compton penting untuk daerah jangkau tenaga yang sangat lebar;

sedang pembentukan pasangan hanya penting untuk tenaga sinar- γ > 1,022 MeV.

Efek fotolistrik adalah interaksi antara foton- γ dengan sebuah elektron yang terikat

kuat dalam atom yaitu elektron pada kulit bagian dalam suatu atom, biasanya kulit K atau L.

Foton- γ akan menumbuk elektron tersebut dan karena elektron itu terikat kuat-kuat maka

elektron akan menyerap seluruh tenaga foton- γ. Sebagai akibatnnya, elektron akan

dipancarkan keluar dari atom dengan tenaga gerak sebesar selisih tenaga foton- γ dan tenaga

ikat elektron :

Ee = E γ – W ……………………………………….2.3

Elektron yang dipancarkan itu disebut fotoelektron. Atom yang terionisasi akibat efek

fotolistrik tentu saja berada dalam keadaan tidak stabil. Lowongan yang ditinggalkan

fotoelektron akan segera diisi oleh elektron pada kulit berikutnya dan demikian seterusnya.

Kebolehjadian bagi suatu foton- γ yang bertenaga E γ berinteraksi melalui efek fotolistrik

dinyatakan dalam suatu besaran yang disebut tampang efek fotolistrik, biasanya diberi dengan

lambang τ.

Hamburan Compton terjadi antara foton- γ dan sebuah elektron bebas atau yang terikat

lemah. Elektron-elektron yang dapat dikategorikan sebagai elektron yang terikat lemah adalah

elektron yang berada pada kulit terluar suatu atom. Apabila foton- γ menumbuk elektron jenis

ini, maka berdasarkan hukum kekekalan momentum tidak mungkin elektron akan dapat

menyerap seluruh tenaga foton- γ seperti yang terjadi dalam efek fotolistrik. Foton- γ akan

hanya menyerahkan sebagian tenaganya kepada elektron dan kemudian terhambur menurut

sudut θ terhadap arah gerak foton- γ mula-mula. Secara sederhana hal ini dapat digambarkan

sebagai suatu kelereng yang ditembakkan pada sebuah kelereng lain yang bebas dan diam.

Sebagai akibat tumbukan yang terjadi, kelereng yang ditembakkan itu akan menyerahkan

sebagian tenaganya pada kelereng yang diam dan kemudian terhambur ke arah lain dengan

tenaga yang sudah berkurang dari semula. Sebaliknya kelereng yang diam akan bergerak ke

depan karena menerima tenaga dari luar. Demikian pula yang terjadi dengan elektron yang

mula-mula bebas dan “diam” (stasioner) itu akan terlempar ke depan dan keluar dari sistem

atom. Elektron yang dilepaskan itu disebut sebagai elektron Compton.

Peristiwa ini disebut efek pembentukan pasangan. Massa elektron dan positron

masing-masing setara dengan tenaga sebesar 0,511 MeV. Pada umumnya, pembagian tenaga

antara positron dan elektron tidak simetris, akan tetapi kebolehjadian terbesar adalah positron

dan elektron membagi tenaga tersebut sama besar.

Positron adalah partikel yang tidak stabil dan mempunyai umur sangat pendek. Segera

setelah terbentuk, positron akan bergabung dengan elektron disekitarnya setelah menyerahkan

tenaga geraknya. Massa kedua partikel tersebut diubah menjadi dua buah foton yang masing-

masing bertenaga 0,511 MeV dan dipancarkan pada arah bertolak belakang 180° satu

terhadap yang lain. Peristiwa ini dinamakan proses anihilasi (pemusnahan) dan ditandai

dengan tenaga foton 0,511 MeV tersebut.

(Susetyo,Wisnu. 1988)

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Peralatan dan Bahan

3.1.1 Peralatan

1. Tabung GM ( 1 buah)

Fungsi : sebagai detektor radiasi sinar gamma.

2. Rak tabung GM (1 buah)

Fungsi : untuk meletakkan tabung GM dan unsur radioaktif yang digunakan.

3. Scaler atau Ratameter (1 buah)

Fungsi : untuk menampilkan besarnya gelombang sinar gamma yang terdeteksi.

4. Stopwatch (1 buah)

Fungsi : untuk menghitung waktu deteksi radiasi per satuan waktu.

5. Penjepit (1 buah)

Fungsi : untuk menjepit bahan dan absorber.

6. Absorber Al dan Pb (masing-masing 1 buah)

Fungsi : sebagai penyerap sinar gamma.

3.1.2 Bahan

1. Co-60 (1 buah)

Fungsi : sebagai sumber radiasi gamma.

3.2 Prosedur Percobaan

A. Tanpa menggunakan absorber

1. Dipersiapkan semua peralatan yang digunakan.

2. Dihubungkan tabung GM dengan scaler dengan kabel koaksial.

3. Scaler dihubungkan ke sumber arus listrik.

4. Diletakkan sumber radioaktif radiasi sinar gamma (Co-60) di rak tabung.

5. Dicatat laju pencacahan dalam waktu 1 menit sebagai cacah latar belakang tanpa

menggunakan absorber.

6. Dilakukan pencacahan sebanyak tiga kali dan dihitung nilai rata-rata cacahan.

B. Menggunakan absorber

1. Dipersiapkan semua peralatan pada percobaan.

2. Dihubungkan tabung GM dan scaler dengan menggunakan kabel koaksial.

3. Scaler dihubungkan ke sumber arus listrik.

4. Diletakkan sumber radioaktif radiasi sinar gamma Co-60 pada rak.

5. Dipersiapkan absorber dengan ketebalan mg/cm2 , 2,5 mg/cm2 , 5 mg/cm2 , 7,5

mg/cm2 , 10 mg/cm2 , 12,5 mg/cm2 , 15 mg/cm2 , 20 mg/cm2 , 25 mg/cm2 .

6. Diletakkan absorber aluminium dengan ketebalan terkecil pada rak tabung.

7. Dicatat laju pencacahan dalam waktu 1 menit.

8. Dilakukan pencacahan sebanyak 3 kali dan dihitung nilai rata-rata cacahannya.

9. Diulangi langkah 6-8 untuk menggunakan absorber Al dengan ketebalan yang

digunakan mulai dari ketebalan terkecil.

10. Diulangi langkah 5 sampai 9 untuk absorber Pb dengan ketebalan 0,1,2,3,4,6,10,12

dalam satuan mg/cm2 .

BAB IV

HASIL PERCOBAAN DAN ANALISIS

4.1 Data Percobaan

(Terlampir)

4.2 Analisa Data

1. Membuat Grafik cacah vs tebal dari setiap absorben

(Terlampir)

2. Menentukan koefisien serapan masing-masing data

µ=0,693x

a. Untuk absorber Alumunium (Al)

- μ 1=0,6930

=

- μ 2=0,6932,5

=0,28

- μ 3=0,6935

=0,13

- μ 4=0,6937,5

=0,09

- μ 5=0,69310

=0,0693

- μ 6=0,69312,5

=0,055

- μ 7=0,69315

=0,0462

- μ 8=0,69320

=0,03465

- μ 9=0,69325

=0,02772

μrata−rata=0,08143

b. Untuk absorber Timbal (Pb)

- μ=0,6930

=̴�

- μ=0,6931

=0,693

- μ=0,6932

=0,346

- μ=0,6933

=0,23

- μ=0,6934

=0,173

- μ=0,6936

=0,1155

- μ=0,6938

=0,086

- μ=0,69310

=0,0693

- μ=0,69312

=0,053

μrata−rata=0,196

3. Menentukan koefisien serapan total untuk setiap penyerap.

μtotal=μAl+μPb

¿0,08143+0,196

¿0,27743

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Hubungan antara intensitas sinar gamma dengan ketebalan absorber adalah penurunan

secara eksponensial di dalam intensitas radiasi sebagai sebuah sinar homogennya dari

sinar- γ yang melewati sebuah materi lempeng tipis. Ketika sebuah sinar- γ dari intensitas

I ditumbukkan pada sebuah lempeng dari ketebalan ∆x, perubahan intensitas dari sinar

setelah menembus lempeng adalah sebanding pada ketebalan dan kepada intensitas

tumbukan. Ketika sinar gamma melewati absorber, maka sebagian sinar gamma tersebut

akan diserap oleh absorber dan intensitasnya akan berkurang sesuai dengan persamaan:

I = I0 . e -µx

Semakin besar nilai ketebalan dari absorber, maka intensitas sinar gamma akan tereduksi

dan pada ketebalan tertentu, sinar gamma tidak bisa menembus absorber.

2. Penentuan absorbsi sinar gamma pada beberapa absorber (Aluminium dan Timbal):

a. Untuk absorber Alumunium (Al)

- μ 1=0,6930

=

- μ 2=0,6932,5

=0,28

- μ 3=0,6935

=0,13

- μ 4=0,6937,5

=0,09

- μ 5=0,69310

=0,0693

- μ 6=0,69312,5

=0,055

- μ 7=0,69315

=0,0462

- μ 8=0,69320

=0,03465

- μ 9=0,69325

=0,02772

μrata−rata=0,08143

b. Untuk absorber Timbal (Pb)

- μ=0,6930

=

- μ=0,6931

=0,693

- μ=0,6932

=0,346

- μ=0,6933

=0,23

- μ=0,6934

=0,173

- μ=0,6936

=0,1155

- μ=0,6938

=0,086

- μ=0,69310

=0,0693

- μ=0,69312

=0,053

μrata−rata=0,196

3. Aplikasi dari sinar gamma salah satunya digunakan dalam proses mensterilkan alat-alat

kedokteran dan biasanya digunakan untuk mengukur ketebalan suatu material (absorber).

5.2 Saran

1. Sebaiknya praktikan mengetahui prinsip kerja pada detector Geiger – Muller.

2. Sebaiknya praktikan lebih berhati-hati saat menyentuh bahan radioaktif saat percobaan.

3. Sebaiknya praktikan mengetahui sifat dari sinar gamma.

DAFTAR PUSTAKA

Kaplan, Irving. 1954. “ NUCLEAR PHYSICS”. Addison-Wesley Publishing Company:

London.

Pages : 395 – 396

Susetyo, Wisnu. 1988. “SPEKTROMETRI GAMMA”. Gajah Mada University Press:

Yogyakarta.

Hal : 36 – 44.

Wiyatmo, Yusman. 2006. “FISIKA NUKLIR”. Jilid I. Pustaka Pelajar: Yogyakarta.

Hal : 172 – 189.

http://smadaracit.com/28/

Tanggal akses : 12 Nopember 2013

Jam : 19.00 WIB

GAMBAR PERCOBAAN

a. Menggunakan absorber aluminium

b. Menggunakan absorber Pb

1. Menentukan grafik perbandingan antara cacah –Vs – Ketebalan untuk masing-masing

absorber.

a. Grafik perbandingan antara Cacah – Vs – Ketebalan untuk absorber Aluminium

0 5 10 15 20 25 300

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Grafik Cacah -Vs- Ketebalan

Ketebalan (mg/cm2)

Cpn

Slope = ∆ Cpm∆ tebal

= 6377−153820−5

= 4839

15 = 322,6

b. Grafik perbandingan antara Cacah – Vs – Ketebalan untuk absorber Timbal

0 2 4 6 8 10 12 140

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Grafik Cacah -Vs- Ketebalan

Ketebalan (mg/cm2)

Cpm

Slope = ∆ Cpm∆ tebal

= 1481−2712−4

= 1454

8 = 181,75