bab 5 keradioaktifan

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5 Tahun 2014

1

BAB 5 KERADIOAKTIFAN

5.1 Nukleus sesuatu atom

Komposisi nukleus suatu atom

Model atom Rutherford-Bohr

Nukleus suatu atom terdiri daripada nukleon-nukleon.

Nukleon terdiri daripada proton yang bercas positifdan neutron tidak bercas.

Nukleon Nilai cas

(C) Jenis cas

Jisim relatif

Jisim sebenar

(kg) Proton +1.6 x 10-19 Positif 1 1.67 x 10-27

Neutron 0 Neutral 1 1.67 x 10-27

Nombor proton dan nombor nukleon Nombor proton suatu unsur ialah bilangan proton yang terdapat di dalam nukleus

atom unsur itu. Nombor proton diwakili oleh simbol Z. Nombor proton, Z juga dikenali sebagai nombor atom.

Nombor nukleon suatu unsur ialah jumlah bilangan proton dan bilangan neutronyang terdapat di dalam nukleus atom unsur itu. Nombor nukleon wakili olehsimbol A.

Nombor nukleon, A juga dikenali sebagai nombor jisim. Maka,

Definisi nuklid Nuklid ialah suatu spesies nukleus atom yang mempunyai bilangan proton dan

bilangan neutron yang tertentu.

Simbol bagi suatu nuklid tertentu boleh dinyatakan dengan menggunakan simbolnuklid berikut:

XAZ

X ialah simbol kimia bagi suatu unsur. Contohnya H ialah simbol bagi hidrogendan C ialah simbol bagi karbon.

Sub-sub atom seperti proton, neutron dan elektron juga boleh ditulis dalambentuk simbol nuklid.

Simbol nuklid bagi proton ialah p11 , simbol nuklid bagi neutron ialah n1

0 dan

simbol nuklid bagi elektron ialah e01- .

Bagi suatu atom yang neutral, bilangan proton adalah sama dengan bilanganelektron. Maka bilangan elektron yang mengelilingi nukleus bagi suatu atomneutral sama dengan nilai nombor proton, Z.

+ + +

+

Bilangan neutron, N = nombor nukleon, A – nombor proton, Z

Nombor nukleon Nombor proton

Simbol kimia


2

Tentukan nombor nukleon, nombor proton dan bilangan neutron bagi nuklid-nuklid berikut:

Unsur Simbol unsur Nombor

nukleon, A Nombor proton, Z

Bilangan neutron, N

Hidrogen H11

Karbon C126

Oksigen O168

Helium He42

Uranium U23892

Radium Ra22688

Thorium Th23290

Definisi Isotop Isotop adalah nuklid-nuklid (nukleus-nukleus atom) bagi suatu unsur yang sama

yang mempunyai bilangan proton, Z yang sama, tetapi nombor nukleon, A yangberlainan.

Unsur hidrogen mempunyai tiga jenis isotop yang wujud secara semula jadi iaituprotium (hidrogen), deutrium dan tritium.

Nama isotop

Simbol isotop

Struktur nukleus

Nombor nukleon, A

Nombor proton, Z

Nombor neutron, N

Protium (hidrogen)

H11

1 1

Deuterium H21 2 1

Tritium H31

3 1

Isotop-isotop bagi suatu unsur yang sama menunjukkan sifat kimia yang samakerana bilangan proton dan bilangan elektron yang dimiliki oleh atom neutraladalah sama.

Bagaimanapun, isotop-isotop bagi suatu unsur yang sama menunjukkan sifatfizik yang berlainan disebabkan oleh jisim yang berlainan.

Contoh : Simbol nuklid bagi satu nukleus Protactinium-231diberikan seperti yang berikut:

Pa23191

Tentukan bilangan proton dan bilangan neutron di dalam nukleus tersebut. Penyelesaian:

+

+

+


3

5.2 Pereputan radioaktif

Keradioaktifan Keradioaktifan ialah proses pereputan nukleus yang tidak stabil dengan

memancarkan sinaran radioaktif untuk menjadi nukleus yang lebih stabil secaraspontan dan rawak.

Proses pereputan radioaktif berlaku secara spontan kerana ia tidak dikawal danberlaku dengan sendiri serta tidak dipengaruhi oleh keadaan fizikal seperti suhudan tekanan.

Proses pereputan radioaktif dikatakan berlaku secara rawak kerana sinaran yangdipancarkan tidak berlaku pada selang masa yang sekata dan tidak boleh diramalia berlaku.

Isotop-isotop yang mempunyai nukleus yang tidak stabil dikenali sebagairadioisotop.

Jadual berikut menunjukkan contoh-contoh isotop stabil dan radioisotopnya.Lengkapkan jadual ini dengan simbol nuklid bagi setiap radioisotop.

Isotop stabil Simbol Radioisotop SimbolKarbon-12 C12

6 Karbon-14

Natrium-23 Na2311

Natrium-24

Kobalt-59 Co5927

Kobalt-60

Plumbum-207 Pb20782

Plumbum-210

Tiga jenis sinaran radioaktif yang boleh dikeluarkan oleh nukleus yang tidakstabil semasa reputan radioaktif ialah:(a) Zarah alfa ()

Zarah alfa ialah nukleus helium ( He42 ) dan bercas positif

(b) Zarah beta () Zarah beta ialah elektron ( e0

1- ) yang bergerak dengan laju dan bercas negatif

(c) Sinar gama () Sinar gama ialah gelombang elektromagnet yang berfrekuensi tinggi dan tidak bercas.

Perbandingan ciri-ciri bagi tiga jenis sinaran radioaktif Perbandingan tiga jenis sinaran radioaktif boleh dibuat dengan membincangkan

sifat semulajadi mereka iaitu dari segi:(a) Kesan pengionan(b) Kuasa penembusan(c) Pemesongan oleh medan elektrik(d) Pemesongan oleh medan magnet(e) Julat pancaran di dalam udara

Perbezaan sifat-sifat semulajadi sinaran radioaktif ini membolehkan kitamengesan sinaran radioaktif dengan menggunakan pengesan sinaran radioaktiftertentu seperti pembilang bunga api, kebuk awan dan tiub Geiger-Müller.


4

(a) Kesan pengionan Sinaran radioaktif seperti zarah alfa (), zarah beta () dan sinar gama () boleh

mengionkan molekul-molekul udara di sekelilingnya ketika bergerak merentasimolekul-molekul udara.

Kuasa pengionan ialah keupayaan sesuatu sinaran radioaktif menyesarkanelektron daripada molekul udara bagi menghasilkan satu pasangan ion.

Contoh kesan pengionan oleh zarah alfa, terhadap molekul udara:

Zarah alfa () mempunyai kuasa pengionan yan paling tinggi kerana iamempunyai jisim yang paling besar berbanding zarah beta () dan sinar gama ().

Sinar gama () mempunyai kuasa pengionan yang paling rendah kerana sinargama () tidak mempunyai jisim dan merupakan gelombang elektromagnet yangmembawa tenaga yang tinggi.

(b) Kuasa penembusan Kuasa penembusan sinaran radioaktif merujuk kepada keupayaan sinaran itu

untuk melepasi dan menembusi sesuatu halangan.

Kuasa penembusan dipengaruhi oleh kuasa pengionan. Semakin tinggi kuasapengionan, semakin rendah kuasa penembusan sesuatu sinaran.

Zarah alfa () boleh dihentikan dengan menggunakan sehelai kertas sahajakerana kuasa penembusan zarah alfa yang sangat rendah.

Zarah beta () pula boleh dihalang dengan menggunakan kepingan logam nipisseperti aluminium setebal 3 mm.

Sinar gama () mempunyai kuasa penembusan paling tinggi tidak dapat dihalangsepenuhnya tetapi keamatannya boleh dikurangkan dengan menggunakankepingan plumbum atau dinding konkrit yang cukup tebal.

Elektron

Proton Neutron

Zarah

Neutron

Elektron

Proton

+ –

Zarah alfa ()

Zarah beta ()

Sinar gama ()

Kertas aluminium Plumbum


5

(c) Pemesongan oleh medan elektrik Apabila suatu sinaran melalui suatu medan elektrik, lintasan sinaran radioaktif

tersebut boleh mengalami perubahan arah.

Zarah alfa () yang bercas positif akan dipesongkan ke arah plat negatif dan zarahbeta () yang bercas negatif akan dipesongkan ke arah plat positif.

Sinar gama () tidak dipengaruhi oleh medan elektrik kerana ia merupakangelombang elektromagnet dan tidak bercas.

Pemesongan zarah beta () lebih ketara daripada pemesongan zarah alfa (). Inikerana jisim zarah beta () adalah jauh lebih kecil daripada jisim zarah alfa ().

Inersia zarah beta () yang lebih kecil menyebabkan zarah beta () lebih mudahdipesongkan.

(d) Pemesongan oleh medan magnet Cas yang dibawa oleh suatu sinaran radioaktif menyebabkan sinaran tersebut

terpesong di dalam suatu medan magnet.

Zarah alfa () dan zarah beta () dipesongkan pada arah yang berbeza keranamembawa cas yang berlainan.

Zarah beta () mengalami pemesongan yang lebih ketara kerana jisim relatif yangkecil berbanding zarah alfa ().

Sinar gama () tidak dipesongkan oleh medan magnet kerana tidak membawasebarang cas.

Arah pesongan sinaran ditentukan dengan menggunakan Petua Tangan KiriFleming.

Arah medan magnet masuk ke arah kertas

Arah medan magnet keluar dari arah kertas

( – )

( + )

Sumber bahan radioaktif


6

Ciri-ciri sinaran radioaktif

Ciri-ciri Zarah alfa () Zarah beta () Sinar gama () Sifat semulajadi

Nukleus helium Elekron Sinaran

elektromagnet

Simbol He42 atau e0

1- atau

Cas Positif(+2e)

Negatif (-1e)

Tidak bercas

Kuasa pengionan Menghasilkan banyak ion udara

(Tinggi)

Bilangan ion yang terhasil kurang

daripada zarah . (Sederhana)

Bilangan ion kurang daripada

zarah dan zarah .

(Lemah) Kuasa penembusan Lemah Sederhana Tinggi

Julat pancaran di udara

Beberapa centimeter

Beberapa meter Beberapa ratus meter

Kesan medan elektrik

Terpesong ke arah plat negatif

Terpesong ke arah plat positif

Tidak terpesong

Kesan medan magnet

Terpesong dengan magnitud kecil

Terpesong dengan magnitud besar

Tidak terpesong

Halaju 0.1 c 0.3 – 0.9 c Halaju cahaya, c

Alat pengesan sinaran radioaktif Sifat-sifat sinaran radioaktif yang membolehkannya dikesan ialah:

(a) Sinaran radioaktif boleh menghitamkan filem atau plat fotograf.(b) Sinaran radioaktif boleh mengionkan atom-atom udara.

(1) Filem atau plat fotograf Filem atau plat fotograf boleh mengesan

ketiga-tiga jenis sinaran radioaktif. Argentum bromide yang peka kepada cahaya

dan sinaran radioaktif disalutkan padapermukaan plat fotograf.

Unsur argentum akan menghitamkan platfotograf apabila sinaran menembusinya.

Plat fotograf digunakan sebagai lencana khasyang dipakai oleh pekerja semasamengendalikan bahan radioaktif di makmal danreaktor nuklear kerana alat ini bolehmenunjukkan dos sinaran yang terdedahkepada seseorang pekerja.

– 1


7

(2) Elektroskop bercas Elektroskop bercas ialah alat yang paling

sesuai untuk mengesan zarah alfa () keranakuasa pengionan yang tinggi berbandingdengan zarah beta () dan sinar gama ().

Apabila satu sumber alfa dibawa mendekaticeper sebuah elektroskop yang bercas positif,didapati pencapahan kerajang emas akanberkurang.

Ini kerana zarah alfa mengionkan molekul-molekul udara di sepanjang lintasannya danmenghasilkan pasangan-pasangan ion.

Ion-ion negatif yang terhasil akan tertarikkepada ceper elektroskop yang bercas positifitu dan menyahcaskannya. Maka, kerajangemas menguncup.

(3) Pembilang bunga api Pembilang bunga api sesuai digunakan untuk

mengesan zarah alfa () kerana mempunyaikuasa pengionan yang tinggi.

Apabila sumber alfa didekatkan dengan kasadawai, bunga api dilihat dan bunyi percikandidengari.

Ini kerana zarah alfa mengionkan molekul-molekul udara di ruang antara kasa dawaidengan dawai halus. Ion positif dan ion negatiftertarik kepada terminal masing-masing yangbertentangan cas.

Pengionan sekunder terjadi apabila ion-ionberlanggar dengan molekul-molekul udara yanglain menyebabkan bunga api terhasil.

Bilangan bunga yang terhasil memberikan satusukatan keamatan sinar itu.

(4) Tiub Geiger-Müller Tiub Geiger-Müller boleh digunakan untuk

mengesan zarah alfa, zarah beta dan sinargama.

Apabila satu sinar radioaktif memasuki tiub GMsinaran itu mengionkan molekul-molekul gasneon di dalamnya.

Ion positif dipecutkan ke katod manakala ion-ion negatif dipecutkan ke anod.

Perlanggaran ion-ion dengan atom-atom neonyang lain menyebabkan pengionan sekunderberlaku.

Pergerakan ion-ion ke elektrod masing-masingmenghasilkan satu denyutan arus yang kecil.

Denyutan ini akan diperkuatkan oleh satuamplifier dan dibilang oleh sebuah pembilang.

Pembilang akan merekodkan bilangandenyutan arus dalam satu selang masatertentu.

+

+ + + + + +

+

+

+

++

+

+

+

+

+

+ +

Sumber radioaktif

Kerajang emas menguncup

Pengionan molekul udara

+ + + +

– – – – –

Kasa dawai

Bunga api

Sumber alfa

Dawai halus

3 kV–

+

Sumber radioaktif Tiub GM

Pembilang

Katod

Gas neonPembilang

Mica

450 V

Anod


8

(5) Kebuk awan Kebuk awan boleh mengesan ketiga-tiga jenis

sinaran radioaktif. Apabila sinar radioaktif melalui ruang di

bahagian atas ia mengionkan molekul-molekuludara di sepanjang lintasannya.

Wap yang tepu lampau mengkondensasi padaion-ion itu untuk membentuk titisan-titisan airyang halus dan kelihatan sebagai runut-runutputih.

Cahaya disinarkan disisi kebuk itu supayarunut-runut putih itu dapat diperhatikan.

Rupa bentuk runut yang terhasil bagi ketiga-tiga sinaran radioaktif adalah berbeza.

Pandangan atas: Runut yang dihasilkan dalam

kebuk awan

(a) Runut dihasilkan oleh zarah alfa Kuasa pengionan zarah alfayang tinggi menghasilkanbanyak pasangan ion, makarunut kelihatan padat.

Jisim zarah alfa yang besarmenyebabkan ia tidakterpesong oleh molekuludara dalam lintasannya,maka kelihatan lurus.

(b) Runut dihasilkan oleh zarah beta Kuasa pengionan yangsederhana menyebabkanrunut kelihatan kurangpadat.

Jisim yang kecilmenyebabkan iadipesongkan oleh molekul-molekul udara dalamlintasannya dan kelihatantidak lurus.

(c) Runut dihasilkan oleh sinar gama Kuasa pengionan sinargama yang sangat rendahmenghasilkan sedikitpasangan ionmenyebabkan runutkelihatan pendek danberselerak.

Sinar gama tidakmempunyai jisim.

Ruang tepu dengan wap alkohol

Ais kering

Span

Sumber alfa

Kepingan felt

Sumber alfa ()

Sumber beta ()

Sumber gama ()


9

Reputan radioaktif Reputan radioaktif ialah proses di mana nukleus yang tidak stabil berubah

menjadi nukleus yang lebih stabil dengan memancarkan sinaran radioaktif. Terdapat tiga jenis reputan radioaktif iaitu reputan alfa, reputan beta dan reputan

gama.

(1) Reputan alfa () Reputan alfa berlaku apabila suatu unsur radioaktif mereput dengan

memancarkan satu zarah alfa () iaitu nukleus helium, He42 .

Z = nombor proton N = nombor neutron

Dalam proses reputan ini, satu zarah alfa (nukleus helium He42 dengan 2

proton dan 2 neutron dipancarkan. Maka atom baru Y yang terbentukmempunyai nombor proton, Z yang berkurang sebanyak 2 unit dan nombornukleon, A yang berkurang sebanyak 4 unit.

Perubahan dalam nombor nukleon dan nombor proton boleh diwakili olehpersamaan berikut:

HeYX 42

4A2Z

AZ

Contoh-contoh persamaan reputan alfa:

(i) HeThU 42

23490

23892 (ii) HeRnRa 4

222286

22688

Lengkapkan persamaan-persamaan di bawah:

(a) Th23490 Ra + He4

2 (b) Ra22688 Rn + He4

2

(c) Po21284 Pb208

82 + (d) Hg22280 + He4

2

(e) Po21884 + He4

2 (f) Th23490 Pt210

78 + He42

Z

N

Z – 2

N – 2

2p

2n

Zarah alfa ()

mereput

Atom X Atom Y


10

(2) Reputan beta () Reputan beta berlaku apabila suatu unsur radioaktif mereput dengan

memancarkan satu zarah beta () iaitu elektron yang berhalaju tinggi.

Z = nombor proton N = nombor neutron

Dalam proses reputan beta, satu daripada neutron-neutron dalam nukleus ituakan bertukar menjadi satu proton dan elektron.

Proton yang terhasil itu kekal di dalam nukleus, manakala elektron yangterhasil dipancarkan sebagai zarah beta berhalaju tinggi.

Atom Y yang terbentuk mempunyai nombor proton, Z yang bertambahsebanyak 1 unit dan nombor nukleon, A tidak berubah.

Perubahan dalam nombor nukleon dan nombor proton boleh diwakili olehpersamaan berikut:

eYX 01-

A1Z

AZ

Contoh-contoh persamaan reputan beta :

(i) ePaTh 01-

23491

23490 (ii) eUPa 0

1-23492

23491

Lengkapkan persamaan-persamaan di bawah:

(a) Pb21082 Bi e0

1- (b) Na2411 Mg e0

1-

(c) Na2411 e0

1- (d) U23992 e0

1-

(e) PbTh 20882

23290 He4

2 e01-

Z

N mereput

Atom X

Zarah beta ()

– Z + 1

N – 1

Atom Y


11

(3) Reputan gama () Dalam proses reputan gama, tenaga dibebaskan dalam bentuk sinaran

elektromagnet.

Selepas pengeluaran zarah alfa dan zarah beta, sesetengah nukleus masihberada dalam keadaan bertenaga yang lebih tinggi daripada biasa.

Pada ketika proton-proton dan neutron-neutron dalam nukleus itu menyusunsemula untuk menjadi lebih stabil, tenaga lebihan padanya akan dikeluarkansebagai sinaran elektromagnet berfrekuensi amat tinggi yang dinamakan sinargama.

Pemancaran sinar gama tidak mengubah nombor proton dan nombor nukleonsesuatu atom seperti persamaan berikut:

XX AZ

AZ (Sinar gama)

Contoh persamaan reputan gama :

(a) CoCo 6027

6027 (b) eBiPb 0

1-214

83214

82

(c) HeThU 42

23490

23892

Lengkapkan persamaan-persamaan berikut:

(a) Ba13756 (b) Dy152

66

(c) Ir19277 e0

1-

Siri reputan Sesetengah nukleus tidak menjadi stabil walaupun ia telah melalui proses

reputan. Ini kerana nukleus baru yang terhasil masih tidak stabil.

Oleh yang demikian, satu siri reputan akan berlaku sehingga nukleus asalmereput menjadi satu nukleus yang stabil.

Berikut ialah satu contoh siri reputan:

PbPoUPaThU 20682

21084

23492

23491

23490

23892 ....


12

Berikut ialah siri reputan radioaktif uranium-238 ke Radium-226 yang lebih stabil.

Berdasarkan rajah siri reputan radioaktif di atas,

(i) Tuliskan persamaan reputan uranium-238 ke Torium-234.

(ii) Tentukan bilangan zarah alfa dan bilangan zarah beta yang terhasil daripada siri reputan radioaktif tersebut.

Bilangan zarah alfa = ......................... Bilangan zarah beta =...........................

Separuh hayat Separuh hayat suatu unsur radioaktif ditakrifkan sebagai masa yang diambil

untuk separuh daripada nukleus unsur asal mereput menjadi nukleus unsur baru.

Separuh hayat juga boleh ditakrifkan sebagai masa yang diambil untuk keaktifanunsur itu berkurang menjadi separuh daripada keaktifan asalnya.

Keaktifan suatu unsur radioaktif biasanya diukur dalam unit ‘bilangan per saat’.Bilangan per saat merujuk kepada bilangan reputan yang berlaku dalam satu saat.

Keaktifan atau kadar reputan suatu unsur radioaktif itu dapat ditentukan denganmenggunakan tiub Geiger-Müller dan pembilang.

Nombor nukleon, A

Nombor proton, Z


13

Konsep separuh hayat boleh digambarkan seperti berikut:

Unsur-unsur radioaktif yang berlainan mempunyai separuh hayat yang berbeza.

Unsur radioaktif Separuh hayat Uranium-238 4 500 juta tahun

Karbon-14 5 730 tahun Radium-226 1 620 tahun

Kobalt-60 5.3 tahunFosforus-32 15 hari

Iodin-131 8 hariNatrium-24 15 jam

Protactinium-234 72 saatRadon-220 56 saat

Polonium-214 0.164 saat

Nilai separuh hayat boleh ditentukan daripada graf lengkung keaktifan melawanmasa atau graf bilangan atom, N radioaktif melawan masa.

Contoh penyelesaian masalah: (1) Satu sampel radioaktif mempunyai separuh hayat 20 minit. Berapa pecahan

daripada bilangan atom asal yang belum mereput selepas 1 jam?

No

2

1T

2

12T2

1No

4

1No

Masa/ saat

Keaktifan/Bilangan per saat

Ao

21

Ao

41

Ao

21T

212T

21

No

41

No

N

Masa/ saat

No

21T

212T


14

(2) Separuh hayat satu bahan radioaktif ialah 10 hari. Berapakah peratus atom radioaktif asal yang telah mereput selepas 30 hari.

(3) Jika masa yang diambil untuk keaktifan suatu sampel bahan radioaktif mereput dari 960 kepada 120 bilangan per minit ialah 168 saat, berapakah separuh hayat bahan radioaktif itu?

(4) Satu sampel iodin-131 didapati mempunyai keaktifan 800 bilangan per saat. Berapakah keaktifan sampel iodin-131 selepas 16 hari jika separuh hayat iodin-131 ialah 8 hari?

(5) Fosforus-32 mempunyai separuh hayat 15 hari. Berapa lamakah masa yang diambil untuk 75% daripada atom-atom satu sampel fosforus-32 mereput?

(6) Tentukan separuh hayat sampel radioaktif daripada graf susutan keaktifan melawan masa berikut:

Keaktifan/Bilangan per saat

800

600

400

200

1 2 3 4 5 6 7 8 Masa/jam


15

5.3 Kegunaan radioisotop

Radioisotop ialah isotop dengan nukleus yang tidak stabil. Radioisotop akanmereput dengan memancarkan zarah alfa, zarah beta atau sinaran gama.

Sinaran radioaktif yang dikeluarkan membolehkan radioisotop tertentu digunakandengan meluas dalam bidang perubatan, pertanian dan perindustrian.

Antara ciri-ciri sinaran radioaktif ialah Sinar radioaktif boleh dikesan menggunakan pengesan tertentu. Sinar radioaktif mempunyai kuasa penembusan tertentu. Sinar radioaktif mempunyai kuasa pengionan tertentu. Sinar radioaktif boleh membunuh sel.

Bidang perubatan Rawatan kanser/Radioterapi Sinar gama daripada Cobalt-60

digunakan untuk membunuh selkanser.

Sinar gama dipancarkan daripadalubang seni pada bongkah plumbumsupaya satu alur sinar yang halusdan ditujukan tepat kepada sel kanseruntuk mengelak kerosakan kepadatisu-tisu yang sihat.

Isotop fosforus-32 dan strontium-90mengeluarkan zarah beta dapatmerawat kanser kulit.

Sinar gama dipancarkan kepada sel kanser

Penyurihan radioaktif Pewarna yang mengandungi

radioisotop seperti barium-138disuntik ke dalam badan pesakituntuk mengesan tumor pada kepala.

Radioisotop natrium-24 disunti kedalam badan pesakit untuk mengesantempat pembekuan darah.

Radioisotop iodine-131 digunakanuntuk memeriksa keadaan kelenjartiroid.

Surihan tiroid Penstrilan Sinar gama daripada Cobalt-60

digunakan untuk membasmikanbakteria dalam proses penstrilan alat-alat perubatan seperti termometer,alat bedah, jarum suntikan, picagaridan sebagainya.

Peralatan perubatan yang didedahkan dengan sinar gama


16

Bidang pertanian Pengawalan serangga perosak Sinar gama digunakan untuk

membunuh kumbang dan seranggaperosak dalam bidang pertanian.

Dos sinar gama yang kecil digunakanuntuk menjadikan serangga perosakitu mandul dan pembiakannya dapatdikawal.

Lalat buah Mengkaji kadar penyerapan baja tumbuhan Radioisotop seperti fosforus-32 dan

nitrogen-15 dicampurkan ke dalambaja.

Selepas baja itu disiram, kadarpenyerapan dan jumlah yang diserapoleh tumbuhan dapat ditentukandengan mengesan kuantitiradioisotop yang terkandung dalamdaun dan batangnya menggunakanpembilang Geiger Muller.

Penentuan kadar penyerapan baja

Bidang perindustrian Penyemak aras pengisian tin dan bungkusan Di kilang menbuat makanan, tin-tin

atau bungkusan-bungkusan yangtelah diisi akan diangkut di atas satutali sawat yang melalui satu puncasinar beta dan alat pengesan sepertitiub GM.

Jika terdapat bungkusan atau tinyang kurang penuh, tiub GM akanmember satu bacaan yang lebihtinggi daripada nilai bacaan piawai.

Mengesan kebocoran paip di bawah tanah Radioisotop yang mempunyai

setengah hayat pendek sepertinatrium-24 dimasukkan ke dalamsaluran paip air atau gas yang disyakibocor.

Alat pengesan seperti tiub GMkemudian digerakkan di ataspermukaan tanah di sepanjang paipitu.

Tempat di mana tiub GMmenunjukkan bacaan yang palingtinggi berbanding tempat lain adalahtempat kemungkinan besarkebocoran berlaku.

Pembilang

Paip bawah tanah

Pengesan

Sumber radioaktif

Pembilang meter


17

Mengesan ketebalan bahan Keseragaman ketebalan sesuatu

bahan seperti kertas, kepinganaluminium boleh disemak denganmelalukan bahan-bahan itu di antarasatu punca beta dan sebuah alatpengesan tiub GM.

Bacaan alat pengesan itu akanberkurang jika ketebalan kepinganbahan itu bertambah.

Pengawetan makanan Sinar gama boleh digunakan untuk

membunuh mikroorganisma sepertibakteria dan spora kulat yangterperangkap dalam makanan supayatempoh penyimpanan makanandalam bungkusan dan tin dapatdilanjutkan.

Kaedah ini adalah mudah, selamatdan tidak mengubah nilai zatmakanan itu.

Buah-buahan dan makanan dalam tinbiasa menggunakan kaedah ini.

5.4 Tenaga Nuklear

Unit Jisim Atom (u.j.a.) Jisim satu atom adalah sangat kecil dan sukar diukur dalam unit ukuran jisim

biasa seperti gram atau kilogram.

Maka, satu unit yang menggunakan perbandingan (relatif) di antara jisim atomlain dengan jisim satu atom karbon-12 telah digunakan.

Isotop karbon-12 digunakan sebagai rujukan kerana ia terkandung dalam banyaksebatian yang ditemui di Bumi.

Unit untuk pengukuran jisim atom ini dinamakan unit jisim atom (u.j.a).

Jisim satu atom karbon-12 = 1.993 10-26 kg.

1 u.j.a. ditakrifkan sebagai jisim yang sama dengan12

1daripada jisim atom

karbon-12, iaitu:

1 u.j.a. = 12

1 jisim satu atom isotop karbon-12

1 u.j.a. = 12

1 1.993 10-26 kg

1 u.j.a. = 1.66 10-27 kg

Sumber beta

Pengesan

Kepingan bahan Pengelek


18

Tenaga nuklear Dalam suatu tindak balas nuklear atau reputan radioaktif, didapati jumlah jisim

nukleus atom baru dan zarah yang terhasil adalah sentiasa kurang daripada jisimnukleus atom asal.

Kehilangan atau penyusutan jisim ini telah bertukar menjadi tenaga. Tenagadalam bentuk haba telah dibebaskan semasa tindak balas nuklear atau pereputanberlaku.

Albert Einstein, seorang ahli fizik yang terkemuka telah mengemukakan satuprinsip yang mengaitkan hubungan antara jisim dengan tenaga, iaitu PrinsipKeabadian Jisim-Tenaga Einstein yang menyatakan bahawa jisim dan tenagaboleh saling bertukar antara satu sama lain.

Hubungan antara jisim dengan tenaga telah dirumuskan dalam persamaanEinstein iaitu:

Dengan:

E = jumlah tenaga yang dibebaskan akibat penyusutan jisim (dalam unit Joule) m = jisim yang telah menyusut yang disebut cacat jisim (dalam unit kg) c = halaju cahaya iaitu 3.0 108 ms-1

Contoh penyelesaian masalah (1):Persamaan di bawah menunjukkan isotop radium-226 mereput menjadi radon-222dengan memancarkan zarah alfa. Hitungkan :(i) Kehilangan jisim atau cacat jisim, m.(ii) Tenaga yang dibebaskan.

HeRnRa 42

22286

22688

Penyelesaian: (i) Kehilangan jisim, m

= Jumlah jisim awal – jumlah jisim akhir = 226.54 u.j.a – (222.018 u.j.a + 4.003 u.j.a) = 0.033 u.j.a

(ii) 1 u.j.a. = 1.66 10-27 kg Maka, m = 0.033 1.66 10-27 kg m = 5.5 10-29 kg

Tenaga yang dibebaskan, E = mc2

= 5.5 10-29 (3.0 108)2

= 4.95 10-12 J

Jisim atom Ra22688 = 226.54 u.j.a Jisim atom Rn222

86 = 222.018 u.j.a

Jisim zarah He42 = 4.003 u.j.a

E = mc2


19

Proses-proses penghasilan tenaga nuklear (a) Pembelahan Nukleus (Nuclear fission)

Pembelahan nukleus ialah satu tindak balas di mana satu nukleus yang berjisimbesar dipecahkan kepada dua atau lebih nukleus yang baru yang lebih ringan danlebih stabil.

Apabila proses ini berlaku terdapat penyusutan jisim dan jisim yang telah hilang ituberubah kepada tenaga haba yang besar.

Contoh proses pembelahan nukleus ialah pembelahan radioisotop Uranium-235.

Apabila satu nukleus uranium-235 dibedil oleh satu neutron, satu nukleus baruyang tidak stabil, seperti uranium-236 terhasil.

Pembelahan nukleus terus berlaku supaya menghasilkan nukleus yang lebih stabil. Nukleus-nukleus barium-141 dan kripton-92 yang lebih stabil serta tiga neutron

baru dihasilkan. Jisim yang telah hilang berubah kepada tenaga haba mengikut persamaan E= mc2. Tindak balas di atas ditunjukkan dalam persamaan berikut:

tenaga n3KrBaUnU 10

9236

14156

23692

10

23592

Tindak balas berantai (Chain reaction) Proses pembelahan satu nukleus uranium menghasilkan tiga neutron yang baru. Jika tiga neutron yang dibebaskan itu membedil pada nukleus uranium-235 yang

lain, proses pembelahan nukleus akan berulang, maka semakin besar tenagadihasilkan.

Rajah di bawah menunjukkan satu contoh tindak balas berantai.

Nukleus tak stabil

Neutron


20

Tenaga haba yang dibebaskan semasa tindak balas berantai boleh digunakanuntuk:(a) Menjana tenaga elektrik (tindak balas secara terkawal dalam sebuah reaktor

nuklear) (b) Membuat bom atom (tindak balas berantai tidak terkawal).

(b) Proses pelakuran nukleus (Nuclear fussion)

Pelakuran nukleus berlaku apabila dua atom yang ringan bercantum untukmembentuk satu atom yang lebih besar di samping membebaskan tenaga habayang besar.

Pelakuran nukleus hanya berlaku pada keadaan suhu yang amat tinggi. Contoh proses pelakuran nukleus ditunjukkan dalam persamaan berikut:

tenaga nHeHH 10

42

31

21

Nukleus deuterium dan tritium yang berhalaju tinggi berlanggar lalu bercantumpada suhu yang sangat tinggi.

Satu nukleus helium-4 yang lebih besar terbentuk dan satu neutron dibebaskanseperti dalam rajah di bawah.

Tenaga haba yang dibekalkan daripada matahari merupakan haba yang dibebaskanakibat proses pelakuran nukleus yang berlaku di permukaan matahari.

Contoh penyelesaian masalah (2): Persamaan berikut menunjukkan proses pelakuran isotop hidrogen:

tenaga nHeHH 10

32

21

21 Maklumat berikut mengenai zarah-zarah yang terlibat dalam persamaan di atas: Jisim deuterium = 2.015 u.j.a Jisim helium-3 = 3.017 u.j.a Jisim neutron = 1.009 u.j.a 1 u.j.a = 1.66 10-27 kg Halaju cahaya, c = 3.0 108 ms-1

Berdasarkan maklumat yang diberikan, hitungkan: (a) Kehilangan jisim.

(b) Tenaga yang dibebaskan dalam proses pelakuran itu.

Tenaga


21

Penjanaan tenaga elektrik daripada tenaga nuklear Kegunaan tenaga nuklear yang utama ialah dalam penjanaan tenaga elektrik di

stesen janakuasa yang menggunakan reaktor nuklear. Terdapat dua proses yang boleh menghasilkan tenaga nuklear iaitu pembelahan

nukleus dan pelakuran nukleus. Walau bagaimanapun, hanya proses pembelahan nukleus digunakan untuk

menghasilkan tenaga nuklear di dalam reaktor nuklear kerana proses pelakurannukleus sukar dikawal dan memerlukan suhu yang amat tinggi.

Di dalam reaktor nuklear, tindak balas berantai yang terkawal berlaku dan tenagahaba dibebaskan pada kadar yang tetap.

Rajah reaktor nuklear

Dalam reaktor nuklear, proses pembelahan nukleus uranium-235 membebaskantenaga haba yang banyak.

Tenaga haba kemudian memanaskan air. Air panas itu dialirkan ke luar reaktoruntuk mendidihkan air sejuk menjadi stim.

Stim memutarkan turbin dan seterusnya memutarkan dinamo di dalam penjanaelektrik untuk menghasilkan tenaga elektrik.

Selain daripada menjana elektrik, tenaga nuklear juga digunakan dalam kapal laut,kapal selam, sumber tenaga satelit dan digunakan untuk pengekstrakan minyakdaripada tanah dan pembersihan minyak.

Kos penjanaan tenaga elektrik daripada tenaga nuklear lebih murah daripadapembakaran bahan api fosil.

Penjanaan tenaga elektrik daripada tenaga nuklear tidak mengeluarkan bahanpencemar seperti gas karbon dioksida.

Kemalangan nuklear yang mengakibatkan kematian adalah pada tahap yangrendah.

Walau bagaimanapun, kos pembinaan reaktor nuklear adalah tinggi danmemerlukan teknologi dan kepakaran yang termaju.

Rod pengawal Boron Mengawal kadar tindak balas

dengan menyerap neutron yang berlebihan

Rod Uranium Menghasilkan tenaga nuklear melalui proses pembelahan

nukleus

Teras grafit Mengawal kadar tindak balas

dengan memperlahankan neutron yang terhasil Dinding konkrit tebal

Melindungi alam sekitar daripada sinaran radioaktif

Stim dialirkan untuk memutarkan turbin

Air sejuk dialirkan untuk dididihkan

Air panas Menyerap tenaga haba

daripada tindak balas berantai untuk menghasilkan stim


22

5.5 Kepentingan pengurusan bahan radioaktif

Kesan negatif bahan radioaktif

Tenaga nuklear boleh menjadi suatu ancaman yang serius terhadap keselamatandan kesihatan orang ramai kerana sinaran radioaktif boleh terbocor jikaberlakunya kemalangan dalam logi nuklear.

Sinaran nuklear yang terbocor akibat daripada kemalangan yang berlaku boleh :(1) Mencemarkan alam sekikar(2) Memusnahkan atau merosakan semua benda hidup(3) Menyebabkan masalah genetik seperti mutasi sel.

Langkah-langkah keselamatan semasa mengendalikan bahan radioaktif

1. Semua bahan radioaktif hendaklah disimpan di dalam bekas berdinding plumbumsetebal beberapa sentimeter.

2. Reaktor nuklear mesti dilindungi dengan menggunakan dinding plumbum yangtebal dan dikelilingi oleh dinding konkrit beberapa meter tebalnya.

3. Label “sumber radioaktif” pada bekas yang mengandungi bahanradioaktif perlu dicatatkan dengan kelas menggunakan simbolradioaktif.

4. Sumber radioaktif yang kuat hendaklah dikendalikan denganmenggunakan alat kawalan jauh melalui skrin kaca berplumbum.

5. Sumber radioaktif yang lemah boleh dikendalikan dengan menggunakanpenyepit.

6. Pakaian pelindungan dan sarung tangan harus digunakan semasa bekerja denganbahan radioaktif.

7. Lencana filem perlu dipakai untuk memantau dos sinaran yang diterima olehpekerja.

8. Sisa radioaktif hendaklah diuruskan mengikut kaedah yang telah ditetapkan.

Pengurusan sisa radioaktif Sisa radioaktif merupakan bahan pembuangan daripada sesuatu aktiviti industri

yang menggunakan bahan radioaktif yang ditinggalkan selepas sesuatu prosespereputan radioaktif. Sisa ini masih mampu mengeluarkan sinaran radioaktif.

Sisa-sisa ini wujud dalam bentuk pepejal, cecair atau gas yang mempunyaiseparuh hayat yang berbeza.

Pengurusan sisa radioaktif dikelaskan kepada 3 paras:1. Sisa radioaktif paras rendah

– Sumber hospital, makmal, kilang dan stesen jana kuasa nuklear. Tidak begituberbahaya dan mempunyai separuh hayat yang pendek. Dilupuskan dengan kaedah pembakaran dan ditanam.

2. Sisa radiaktif paras sederhana– Sumber stesen jana kuasa nuklear. Mempunyai keaktifan yang agak tinggidan separuh hayat yang panjang. Ia dikeraskan dalam blok kontrit atau bitumen sebelum dibuang. Sisa yang mempunyai separuh hayat melebihi 30 tahun ditanam di bawah tanah yang dalam.

3. Sisa radioaktif paras tinggi– Sumber stesen jana kuasa nuklear seperti rod uranium. Mempunyai keaktifanyang sangat tinggi dan separuh hayat yang sangat panjang. Sisa disimpan dalam bekas keluli tebal kemudian ditanam pada kedalaman 600 m dari permukaan bumi di kawasan yang bebas daripada kejadian gempa bumi.


23

bab 5 keradioaktifan

Documents