Isotop, radioaktivitas & kimia inti

Sederhana · Fase A–C · SD kelas 1–6 (IPAS)

Sebagian besar atom di sekitar kita tidak pernah berubah. Namun ada atom yang inti atomnya tidak stabil: sedikit demi sedikit intinya pecah sambil memancarkan energi yang disebut radiasi. Atom seperti ini disebut radioaktif.

Radiasi terdengar menakutkan, padahal banyak manfaatnya bila dipakai dengan aman:

• Dokter memakai zat radioaktif untuk melihat bagian dalam tubuh dan mengobati kanker.
• Ilmuwan menghitung umur fosil dan benda purba dengan karbon radioaktif (karbon-14).
• Matahari bersinar karena inti-inti atom kecil di dalamnya bergabung (fusi) dan melepaskan energi sangat besar.

Tempat yang menyimpan bahan radioaktif diberi tanda khusus berbentuk baling-baling berwarna hitam dan kuning. Jangan mendekati atau menyentuh benda bertanda itu.

Standar · Fase D · SMP kelas 7–9 (IPA)

Isotop adalah atom-atom unsur yang sama (jumlah protonnya sama) tetapi jumlah neutronnya berbeda. Isotop ditulis dengan nomor massa di kiri atas dan nomor atom di kiri bawah, misalnya ¹²₆C, ¹³₆C, dan ¹⁴₆C. Sifat kimianya hampir sama karena jumlah elektronnya sama. Persentase setiap isotop dalam sampel alami disebut kelimpahan isotop; misalnya sekitar 99% atom karbon di alam adalah karbon-12.

Sebagian isotop stabil (isotop-stabil), sebagian radioaktif (radioisotop). Inti radioaktif meluruh dan memancarkan tiga jenis radiasi utama:

• Alfa (α): inti helium; dapat dihentikan selembar kertas atau kulit.
• Beta (β): elektron berkecepatan tinggi; dapat dihentikan lempeng aluminium beberapa milimeter.
• Gamma (γ): gelombang elektromagnetik berenergi tinggi; perlu timbal atau beton tebal.

Waktu paruh adalah waktu agar separuh inti radioaktif meluruh. Setelah satu waktu paruh tersisa ½, setelah dua waktu paruh ¼, dan seterusnya. Waktu paruh karbon-14 sekitar 5700 tahun, iodin-131 sekitar 8 hari.

Pemakaian radioisotop: diagnosis dan terapi di rumah sakit, pemeriksaan las pipa (radiografi), sterilisasi alat medis, pemuliaan tanaman, dan penanggalan. Di Indonesia, BRIN mengoperasikan reaktor riset serbaguna G.A. Siwabessy di Serpong untuk riset dan produksi radioisotop. Jelajahi semua isotop dengan penjelajah isotop.

Lanjutan · Fase E–F · SMA kelas 10–12 (Kimia)

Kestabilan inti ditentukan perbandingan neutron terhadap proton (N/Z). Untuk inti ringan N/Z ≈ 1; untuk inti berat stabil ≈ 1,5. Inti di luar "pita kestabilan" meluruh ke arah pita itu, dan semua inti dengan Z ≥ 83 radioaktif.

Jenis peluruhan dan persamaannya (nomor massa A dan nomor atom Z harus setara di kedua ruas):

• Alfa: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He (A turun 4, Z turun 2). Lihat reaksinya.
• Beta minus: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e (neutron → proton). Lihat reaksinya.
• Beta plus dan penangkapan elektron: proton → neutron, Z turun 1 (inti kaya proton).
• Gamma: inti tereksitasi melepas energi tanpa mengubah A dan Z.

Jumlah inti tersisa: N = N₀ (½)^(t/t½). Penanggalan radiokarbon: makhluk hidup terus menyerap ¹⁴C; setelah mati jumlahnya berkurang. Bila tersisa ¼, umurnya sekitar 2 × 5700 = 11 400 tahun. Deret peluruhan ²³⁸U berakhir di ²⁰⁶Pb yang stabil setelah beberapa peluruhan α dan β.

Fisi: ²³⁵U menyerap neutron lalu terbelah dan melepas 2–3 neutron baru, yang dapat memicu reaksi berantai; reaktor mengendalikannya dengan batang kendali. Fusi menggabungkan inti ringan (deuterium dan tritium menjadi helium) dan menyalakan bintang. Transmutasi buatan menghasilkan semua unsur setelah uranium. Uji peluruhan di lab Waktu paruh.

Mendalam · Perguruan tinggi · Kimia dasar dan lanjut

Peluruhan radioaktif mengikuti kinetika orde satu: −dN/dt = λN, N = N₀e^(−λt), t½ = ln 2/λ. Aktivitas A = λN diukur dalam becquerel (1 Bq = 1 peluruhan per detik). Waktu paruh tidak dipengaruhi suhu, tekanan, atau ikatan kimia (kecuali sedikit untuk penangkapan elektron).

Energi ikat inti berasal dari defek massa: E = Δm·c², dengan 1 u setara 931,5 MeV. Energi ikat per nukleon mencapai puncak sekitar 8,8 MeV di sekitar besi dan nikel; karena itu inti berat melepaskan energi bila terbelah dan inti ringan bila bergabung. Model tetes cairan (rumus massa semi-empiris) menjelaskan tren ini, sedangkan bilangan ajaib 2, 8, 20, 28, 50, 82, dan 126 menunjukkan struktur kulit inti.

Kimia radiasi dan dosimetri: dosis serap dalam gray (Gy, J/kg), dosis ekuivalen dalam sievert (Sv) dengan faktor bobot radiasi (α jauh lebih merusak di dalam tubuh). Radiofarmaka menggabungkan kimia koordinasi dan kimia inti, misalnya ⁹⁹ᵐTc (waktu paruh sekitar 6 jam) yang dikompleksasi ligan untuk pencitraan organ, dan ¹⁸F-fluorodeoksiglukosa untuk PET.

Isotop stabil juga penting: rasio δ¹³C dan δ¹⁸O merekam iklim purba dan asal pangan, efek isotop kinetik (ikatan C–D lebih lambat putus daripada C–H) membuktikan mekanisme reaksi, dan analisis aktivasi neutron menentukan unsur jejak tanpa merusak sampel. Data massa, waktu paruh, dan mode peluruhan seluruh nuklida di Alchemist berasal dari IAEA Atomic Mass Data Center melalui PubChem.