Materi dan contoh soal Kimia kelas XII Bab 4 Unsur Radioaktif

Unsur Radioaktif

A. Sejarah Penemuan Unsur Radioaktif

Berawal dari penemuan sinar X pada tahun 1895 oleh Wilhelm Konrad Rontgen (1845 - 1923) bahwa beberapa unsur dapat memancarkan sinar-sinar tertentu. Para ahli tertarik untuk mengadakan penelitian tentang unsur tersebut. Setahun kemudian Antoine Henre Becquerel (1852 - 1908) mengamati garam uranik sulfat (K2UO2(SO4)2) memancarkan sinar (radiasi) secara spontan. Gejala ini dinamakan keradioaktifan, sedangkan unsur yang memancarkan radiasi disebut unsur radioaktif.

B. Sinar Radioaktif

Sinar yang dipancarkan oleh unsur radioaktif memiliki sifat-sifat:

1. dapat menembus lempeng logam tipis;

2. dapat menghitamkan pelat film;

3. dalam medan magnet terurai menjadi tiga berkas sinar.

Pada tahun 1898 Paul Ulrich Villard menemukan sinar radioaktif yang tidak dipengaruhi oleh medan magnet yaitu sinar gamma (γ ). Setahun kemudian Ernest Rutherford berhasil menemukan dua sinar radioaktif yang lain, yaitu sinar alfa (α ) dan sinar beta ( β ).

1. Sinar Alfa (α)

Sinar alfa merupakan inti helium (He) dan diberi lambang  ⁴₂  α  atau  ⁴₂ He .

Sinar α memiliki sifat-sifat sebagai berikut:

a. bermuatan positif sehingga dalam medan listrik dibelokkan ke kutub

negatif;

b. daya tembusnya kecil (α < β < γ );

c. daya ionisasi besar (α > β > γ ).

2. Sinar Beta (β)

Sinar beta merupakan pancaran elektron dengan kecepatan tinggi dan

diberi lambang   ⁰₁β   atau   ⁰₁e.

Sinar beta memiliki sifat-sifat:

a. bermuatan negatif sehingga dalam medan listrik dibelokkan ke kutub positif;

b. daya tembusnya lebih besar dari α ;

c. daya ionisasinya lebih kecil dari α .

3. Sinar Gamma (γ)

Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek dan diberi lambang    ⁰₀γ  .

Sinar γ  memiliki sifat-sifat:

a. tidak bermuatan listrik, sehingga tidak dipengaruhi medan listrik;

b. daya tembusnya lebih besar dari α dan β;

c. daya ionisasi lebih kecil dari α dan β.

Selain sinar α , β dan γ unsur radioaktif juga memancarkan partikel yang lain, misalnya positron (elektron positif) ⁰₊₁e , neutron ¹₀n , proton ¹₁ p , detron ²₁D dan triton ³₁T .

                                     Sinar α dan β dipengaruhi medanlistrik.

Daya tembus sinar α , β dan γ .

Bila unsur-unsur radioaktif memancarkan sinar α atau β maka akan berubah menjadi unsur lain.

• Bila unsur radioaktif memancarkan sinar α , akan menghasilkan unsur baru dengan nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat.

Contoh:

²²⁶₈₈Ra  è  ²²²₈₆Rn  +  ⁴₂α

• Bila unsur radioaktif memancarkan sinar β , akan menghasilkan unsur baru dengan nomor atom bertambah satu dan nomor massa tetap.

Contoh:

²³⁴₉₀Th è  ²³⁴₉₁Pa   +  ⁰_-1β

Pemancaran sinar γ dari unsur radioaktif tidak menghasilkan unsur baru.

C. Stabilitas Inti

Dalam inti atom terdapat proton dan neutron yang disebut nukleon (partikel penyusun inti). Suatu inti atom (nuklida) ditandai jumlah proton dan jumlah neutron. Secara umum nuklida dilambangkan dengan:

^A X

^Z           

dimana è   A = nomor massa = jumlah proton + jumlah neutron

Z = nomor atom = jumlah proton

Kestabilan inti ditentukan oleh imbangan banyaknya proton dan neutron,

karena neutron dalam inti berfungsi menjaga tolak-menolak antar proton.

Untuk unsur yang kecil, jumlah neutron sama atau sedikit lebih banyak dari pada proton.

Untuk unsur yang berat jumlah neutron lebih banyak daripada  proton.

Contoh :

Nuklida yang stabil dengan nomor atom terbesar 83 yaitu ²⁰⁹₈₃ Bi, sedangkan nuklida dengan Z > 83 tidak stabil.

Sampai dengan nomor atom 80 inti-inti stabil semakin besar angka banding

neutron dengan proton.

 Inti ⁴⁰₂₀Ca adalah inti stabil terberat yang angka banding neutron-protonnya adalah 1.

Inti yang tidak stabil (bersifat radioaktif) memiliki perbandingan n/p di luar pita kestabilan, yaitu:

1. di atas pita kestabilan

2. di bawah pita kestabilan

3. di seberang pita kestabilan

D. Peluruhan

Inti yang tidak stabil akan mengalami peluruhan yaitu proses perubahan dari inti yang tidak stabil menjadi inti yang lebih stabil.

Inti yang terletak di atas pita kestabilan, memiliki harga n/p terlalu besar (kelebihan neutron), akan mencapai kestabilan dengan cara:

a. Memancarkan sinar (elektron)

Pada proses ini terjadi perubahan neutron menjadi proton.

¹₀n è   ¹₁ p +   ⁰_-1 e

Contoh:

¹⁴₆C è ¹⁴₇N + ⁰_-1 e

³⁵₁₆S è ³⁵₁₇ Cl + ⁰_-1 e

¹³⁷₅₅Cs è ¹³⁷₅₆Ba + ⁰_-1 e

b. Memancarkan neutron

Proses ini jarang terjadi di alam, hanya beberapa inti radioaktif yang mengalami proses ini.

Contoh:

⁵₂He è ⁴₂He + ¹₀ n

Inti yang terletak di bawah pita kestabilan memiliki harga n/p yang terlalu kecil (kelebihan proton), akan mencapai kestabilan dengan cara:

a. Memancarkan positron

Pada proses ini terjadi perubahan proton menjadi netron.

¹₁ p è ¹₀ n + ⁰₁e

Contoh:

¹¹₆C è¹¹₅B + ⁰₁e

b. Memancarkan proton (proses ini jarang terjadi)

Contoh:

³³₁₆S è ³²₁₅P + ¹₁p

c. Menangkap elektron

Elektron terdekat dengan inti (elektron di kulit K) ditangkap oleh inti atom sehingga terjadi perubahan

¹₁ p + ⁰_-1 e ==> ¹₀ n

Contoh:

⁴⁰₁₉K + ⁰₊₁e è ⁴⁰₁₈Ar

⁹⁰₄₂Mo + ⁰_-1e è ⁹⁰₄₁Nb

Inti yang terletak di seberang pita kestabilan (Z > 83) mencapai kestabilan dengan cara memancarkan alfa.

Contoh:

²¹⁶₈₄Po è ²¹²₈₂Pb  +  ⁴₂α

E. Kecepatan Peluruhan

Telah kita pelajari bersama bahwa nuklida yang tidak stabil akan mengalami peluruhan menjadi nuklida yang lebih stabil. Kecepatan  peluruhan tiap nuklida berbeda-beda tergantung jenis nuklidanya. Bila ditinjau dari segi orde reaksi, peluruhan nuklida radioaktif mengikuti reaksi

orde satu. Hal ini dapat kita gambarkan sebagai berikut:

Bila N adalah jumlah zat radioaktif pada waktu t, maka jumlah yang  terurai tiap satuan waktu dapat dinyatakan dengan persamaan diferensial, yaitu:

_ dN  = λ N

dt

, dimana λ = tetapan peluruhan, yang besarnya tergantung jenis zat radioaktif.

 Bila persamaan di atas diintegralkan akan menjadi:

N = N₀e^{- λ t} ,

 dengan N0 = jumlah zat radioaktif pada saat t = 0 (mula-mula).

Pada gambar di atas tampak bahwa setelah waktu t jumlah zat radioaktif menjadi ½ dari jumlah pemula. Dalam hal ini kita mengenal  waktu yang diperlukan oleh zat radioaktif untuk meluruh menjadi separuh  (setengah) dari jumlah semula, yang dikenal dengan waktu paruh (t ½ ).

Jadi, pada saat t = t ½  , maka N = ½ N0 ,

Sehingga :

1  =    0,693

   2           λ

Bila  :

jumlah zat radioaktif mulamula = N0 dan waktu paruh = t1/2,

maka setelah waktu paruh pertama  jumlah zat radioaktif tinggal  1/2N0

dan setelah waktu paruh kedua tinggal ¼ N0.

Setelah zat radioaktif meluruh selama waktu t, maka zat radioaktif yang tinggal (N), dapat dirumuskan dengan:

           

             t 

N  =  1  t^1/2    X  N₀

         2

Contoh Soal :

1. Suatu zat radioaktif x sebanyak 12,8 gram dan memiliki waktu paruh 2 tahun. Berapa gram zat radioaktif x yang tersisa setelah 6 tahun?

Jawab:

Diketahui: N0 = 12,8 gram, t ^1/2      = 2 tahun, t = 6 tahun

                 

Ditanyakan:  N = ...

             t 

N  =  1  t^1/2    X  N₀

         2

             6 

N  =  1   ²    X  12,8

         2

             

N  =  1  ³    X  12,8

         2

N  =  1     X  12,8  = 1,6 gram

         8

2. Suatu radioisotop memiliki massa 8 mg. Setelah beberapa hari, massanya berkurang menjadi 2 mg. Jika waktu paruh radioisotop tersebut 20 hari, telah berapa lamakah radioisotop tersebut meluruh?

Jawab

Diketahui

Nt = 2 mg

N0 = 8 mg

t 1/2 = 20 hari

Nt = ( 1/2 )ⁿ x N0

2 = ( 1/2 )ⁿ x 8

( 1/2 )ⁿ = 1/4

n = 2

n =   t

       t^1/2

t = n × t 1/2 = 2 x 20 = 40

Jadi, radioisotop tersebut telah meluruh selama 40 hari.

LATIHAN SOAL

1. Setelah disimpan selama 40 hari, massa unsur radioaktif tinggal 6,25% dari massa semula. Berapa hari waktu paruh unsur radioaktif tersebut?

2. Sebanyak 64 gram suatu nuklida radioaktif memiliki waktu paruh 25 hari, berapa gram yang tersisa setelah disimpan 100 hari?

3. Suatu isotop radioaktif pada tanggal 14 Juli 2006 menunjukkan aktivitas 40.000 dps. Berapa dps aktivitas radioaktif tersebut pada tanggal 25 Agustus 2006 pada jam yang sama?

4. Suatu mineral uranium tersusun dari 0,790 gram U-238 dan 0,205 gram Pb-206 yang berasal dari peluruhan U-238. Bila waktu paruh U-238 adalah 4,5 × 109 tahun, tentukan umur mineral tersebut!

5. Manuskrip kuno bila diukur aktivitas C-14nya 150 cpm. Bila aktivitas C-14 dalam makhluk hidup = 180 cpm dan waktu paruh C-14 adalah 5770 tahun, perkirakan umur manuskrip tersebut!