Fisika nuklir dan radiasi pengion: inti dan isotop, energi ikat, peluruhan alfa, beta, dan gamma, waktu paruh dan aktivitas, fisi dan fusi, dosis dan efek biologis, detektor asap ionisasi, dan batas keselamatan

Sebuah rumah sakit mengganti sistem alarm kebakaran lamanya. Kontraktor melepas 48 detektor asap lama, dan sebagian berlabel lambang radiasi dengan tulisan Am-241. Pekerja menumpuknya di kardus bersama sisa kabel, dan seorang teknisi muda membongkar satu detektor untuk melihat "bagian radioaktifnya". Pada minggu yang sama, unit radiologi meminta lubang pipa AC baru di dinding ruang sinar-X, dan petugas laundry bertanya apakah linen pasien kedokteran nuklir boleh dicuci bersama linen lain. Semua pertanyaan itu menyangkut radiasi pengion: asal, daya tembus, lama bertahan, dan dosisnya. Bab ini memberi dasar fisikanya dan garis wewenang yang tegas: teknisi tidak menangani sumber radioaktif atau peralatan radiologi.

Batas pembahasan

Isotop pada tingkat kimia ada di Bab 2 · Kimia tentang struktur atom, matematika peluruhan di Bab 9 · Satuan & Matematika tentang eksponen, spektrum di Bab 21 tentang radiasi elektromagnetik, foton dan efek Compton di Bab 29 tentang cahaya sebagai partikel, efek terowongan di Bab 31 tentang fungsi gelombang, dan sinar-X dari atom di Bab 32 tentang spektrum. Ultraviolet untuk disinfeksi ada di Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi tentang disinfektan dan Bab 10 · Biologi & Mikrobiologi tentang UV ruang, prinsip detektor asap di Bab 20 · Bangunan & Fasilitas tentang detektor kebakaran, radiografi dan petugas proteksi radiasi di Bab 18 · Material tentang uji tak merusak, dan sterilisasi radiasi di Bab 22 · Biologi & Mikrobiologi tentang sterilisasi. Bab ini tidak memberi izin bekerja dengan sumber radiasi.

Inti atom: nukleon, isotop, notasi, dan ukuran

Inti tersusun atas proton bermuatan $+e$ dan neutron tak bermuatan yang massanya hampir sama, dengan ukuran sekitar seperseratus ribu atom hidrogen. Nukleon (nucleon) adalah sebutan bersama untuk proton dan neutron di dalam inti atom. Nomor massa memenuhi $A = Z + N$, dengan $Z$ jumlah proton dan $N$ jumlah neutron, dan inti ditulis ${}^{A}_{Z}\text{X}$, misalnya ${}^{241}_{95}\text{Am}$. Isotop satu unsur bersifat kimia sama karena sifat kimia ditentukan elektron luar.

Gaya nuklir kuat (strong nuclear force) adalah gaya tarik berjangkauan pendek yang mengikat nukleon yang bertetangga di dalam inti. Tolakan listrik antarproton berjangkauan panjang, sehingga inti dengan Z lebih dari 15 memerlukan lebih banyak neutron daripada proton, dan semua inti dengan Z lebih dari 82 meluruh. Jari-jari inti mengikuti

$r = r_0 A^{1/3}$

dengan $r$ dalam femtometer ($1\ \text{fm} = 10^{-15}$ m) dan $r_0 \approx 1{,}2$ fm; inti Fe-56 berjari-jari sekitar 4,6 fm dan berkerapatan $2{,}3 \times 10^{17}$ kg/m³. Massa inti dinyatakan dalam satuan massa atom, $1\ \text{u} = 1{,}66054 \times 10^{-27}$ kg, dan inti helium-4 disebut juga partikel alfa.

Cacat massa dan energi ikat

Cacat massa (mass defect) adalah selisih antara jumlah massa proton dan neutron penyusun inti dan massa inti utuhnya. Energi ikat (binding energy) adalah energi yang diperlukan untuk memecah inti menjadi proton dan neutron penyusunnya, sama dengan energi yang dilepas ketika inti terbentuk.

$\Delta m = Z m_p + (A - Z)\,m_n - m_\text{inti} \qquad E_b = (\Delta m)\,c^2$

dengan $m_p$, $m_n$, dan $m_\text{inti}$ massa proton, neutron, dan inti, serta $c$ kecepatan cahaya; 1 u setara 931,5 MeV/$c^2$. Deuteron memerlukan 2,24 MeV untuk dipecah, sedangkan elektron atom hidrogen hanya sekitar 10 eV. Energi ikat per nukleon $E_b/A$ umumnya 6 sampai 10 MeV: naik pada A kecil, memuncak dekat Fe-56 (8,790 MeV), lalu turun perlahan, misalnya 7,570 MeV pada U-238, karena tolakan listrik makin dominan. Karena itu pembelahan inti berat dan penggabungan inti ringan sama-sama melepas energi.

Peluruhan radioaktif: alfa, beta, dan gamma

Radioaktivitas (radioactivity) adalah pancaran radiasi secara spontan dari inti atom. Alfa adalah inti helium, beta adalah elektron atau positron (elektron bermuatan positif), dan gamma adalah foton berenergi tinggi.

Tanda $^{*}$ menandai inti tereksitasi, $\bar{\nu}$ antineutrino, dan $\nu$ neutrino; contohnya antara lain U-238 menjadi Th-234 (alfa), Th-234 menjadi Pa-234 (beta minus), dan Al-26 menjadi Mg-26 (beta plus). Peluruhan alfa (alpha decay) adalah peluruhan ketika inti memancarkan dua proton dan dua neutron sebagai satu inti helium. Peluruhan beta (beta decay) adalah peluruhan ketika satu nukleon di dalam inti berubah jenis sambil memancarkan elektron atau positron yang tercipta saat peluruhan. Peluruhan gamma (gamma decay) adalah turunnya inti dari keadaan tereksitasi ke tingkat energi lebih rendah dengan memancarkan foton tanpa mengubah jenis inti.

Energi peluruhan berorde MeV, jauh di atas energi reaksi kimia. Teori peluruhan beta diajukan Enrico Fermi pada 1934 dan dibuktikan Chien-Shiung Wu, sedangkan peluruhan alfa adalah efek terowongan kuantum yang dibahas di Bab 31 tentang efek terowongan. Gamma berasal dari inti, sedangkan sinar-X dari transisi atom, seperti dibahas di Bab 32 tentang sinar-X.

Hukum peluruhan, waktu paruh, dan aktivitas

Laju peluruhan sebanding dengan jumlah inti yang belum meluruh, sehingga jumlahnya turun eksponensial:

$N = N_0 e^{-\lambda t} \qquad \lambda = \frac{0{,}693}{T_{1/2}} \qquad A = \lambda N = A_0 e^{-\lambda t}$

dengan $N_0$ dan $N$ jumlah inti awal dan setelah waktu $t$, $\lambda$ tetapan peluruhan (s⁻¹), $T_{1/2}$ waktu paruh, serta $A_0$ dan $A$ aktivitas awal dan setelah waktu $t$. Waktu paruh (half-life) adalah waktu sampai separuh inti semula telah meluruh. Setelah $n$ waktu paruh tersisa $N_0/2^n$. Aktivitas (activity) adalah besar laju peluruhan suatu bahan radioaktif. Satuan SI-nya becquerel, yaitu satu peluruhan per detik; curie berasal dari aktivitas 1 g radium-226, dan $1\ \text{Ci} = 3{,}70 \times 10^{10}$ Bq.

Penanggalan radiokarbon memanfaatkan C-14 berkelimpahan 1,3 per triliun karbon yang berhenti diganti ketika organisme mati; metodenya dipakai sampai sekitar 50.000 tahun, dan C-14 memberi sekitar 250 Bq per kilogram karbon hidup.

Fisi, reaksi berantai, dan fusi

Fisi (fission) adalah pembelahan satu inti berat menjadi dua inti yang lebih ringan. Fisi uranium ditemukan lewat kerja Hahn, Strassmann, Meitner, dan Frisch. Satu fisi U-235 melepas rata-rata sekitar 200 MeV serta dua atau tiga neutron. Reaksi berantai (chain reaction) adalah rangkaian fisi ketika neutron dari satu fisi memicu fisi inti lain. Reaksi ini dapat terkendali di reaktor, dengan air sebagai pelambat neutron dan batang kadmium sebagai penyerapnya, atau tidak terkendali seperti pada bom.

Fusi nuklir (nuclear fusion) adalah penggabungan inti-inti ringan menjadi inti yang lebih berat. Rantai proton-proton di Matahari, yang diajukan Hans Bethe pada 1938, melepas sekitar 26 MeV untuk setiap inti helium, dan reaksi deuterium-tritium melepas 17,6 MeV tetapi memerlukan suhu sekitar $10^7$ K. Bagi teknisi keduanya latar saja; sumber di gedung adalah sumber terbungkus kecil, radiofarmaka, dan pesawat sinar-X.

Daya tembus dan pelindung: waktu, jarak, dan perisai

Radiasi pengion (ionizing radiation) adalah pancaran yang cukup berenergi untuk melepaskan elektron dari molekul, seperti partikel alfa dan beta, sinar gamma, sinar-X, dan ultraviolet berenergi tinggi. Radiasi nonpengion, seperti cahaya dan gelombang mikro, terutama memanaskan bahan. Daya tembus dan penghalangnya berbeda menurut jenis radiasi:

Daya pengionnya berurutan terbalik: alfa kira-kira 10 kali lebih mengionkan daripada beta dan 20 kali daripada gamma. Karena itu sumber alfa umumnya tidak berbahaya di luar tubuh, tetapi sangat berbahaya bila tertelan atau terhirup. Paparan dikurangi dengan membatasi waktu, menjauh, dan memasang perisai bahan padat bernomor atom tinggi seperti timbal. Laju dosis sumber titik turun dengan kuadrat jarak, seperti juga dicatat Bab 18 · Material tentang radiografi.

Dosis radiasi dan efek biologis

Gray (gray, Gy) adalah satuan SI dosis serap, yaitu satu joule energi radiasi yang diserap setiap kilogram jaringan. Efektivitas biologis relatif (relative biological effectiveness, RBE) adalah bilangan yang menyatakan besar kerusakan jaringan oleh suatu jenis radiasi dibanding sinar-X atau gamma pada energi serap yang sama. Sievert (sievert, Sv) adalah satuan SI dosis yang memperhitungkan energi serap sekaligus efek biologis jenis radiasinya.

$D = \frac{E}{m} \qquad H = D \times \text{RBE} \qquad 1\ \text{Sv} = 100\ \text{rem} \qquad 1\ \text{rad} = 0{,}01\ \text{Gy}$

dengan $D$ dosis serap (Gy), $E$ energi terserap (J), $m$ massa jaringan (kg), dan $H$ dosis (Sv). RBE sinar-X, gamma, dan beta di atas 32 keV adalah 1, neutron cepat 10, dan alfa 10 sampai 20. Peraturan memakai istilah faktor bobot radiasi untuk peran serupa.

Radiasi merusak DNA secara langsung atau lewat radikal hidroksil dari air; sel yang gagal memperbaikinya dapat dorman, mati terprogram, atau membelah tak terkendali menjadi tumor, dan sel yang cepat membelah paling peka.

Paparan latar rata-rata dunia 2,8 mSv per tahun, terbesar dari radon (1,2 mSv), dan dosis efektif rontgen dada 0,02 mSv, mamografi 0,40 mSv, CT kepala 2,0 mSv, serta CT perut 10 mSv. Angka itu bukan pengukuran di Indonesia. Paparan tidak terasa dan hanya diketahui dari pencacah Geiger, pencacah sintilasi, atau dosimeter perorangan.

Radiasi pengion di pekerjaan teknisi

Detektor asap ionisasi. Bab 20 · Bangunan & Fasilitas tentang detektor kebakaran menjelaskan prinsipnya dan mencatat bahwa sumbernya foil americium-241 beraktivitas rendah. Am-241 adalah pemancar alfa yang dipakai dalam jumlah sangat kecil; alfanya mengionkan udara di antara dua elektrode sehingga arus kecil mengalir, dan asap menghambat ion sehingga arus turun dan alarm berbunyi. Selama ruang ionisasinya utuh, alfa berhenti di dalam detektor; bahaya muncul bila foil terbuka, tergores, terbakar, atau hancur sehingga serpihannya terhirup atau tertelan. Detektor tua hampir sama aktifnya dengan yang baru (Contoh 3). Karena itu detektor dilepas utuh tanpa dibuka, dibor, atau dibakar, dimasukkan ke wadah berlabel, dicatat jumlah dan lokasinya, lalu diserahkan lewat jalur pemasok atau pemegang izin sesuai aturan BAPETEN, sejalan dengan Bab 20 · Bangunan & Fasilitas tentang detektor kebakaran.

Ruang sinar-X dan CT. Tabung sinar-X menembakkan elektron yang dipercepat ke sasaran logam, seperti dibahas di Bab 32 tentang sinar-X; tanpa tegangan tabung tidak ada sinar-X, dan dinding ruangnya tidak menjadi radioaktif. Bahaya bagi teknisi adalah pesawat yang dapat dinyalakan dan perisai yang dirusak, misalnya dinding atau pintu berlapis timbal yang dibor untuk pipa AC. Pekerjaan di ruang ini memakai izin kerja menurut Bab 2 · Keselamatan tentang izin kerja dan persetujuan petugas proteksi radiasi seperti didefinisikan Bab 18 · Material tentang radiografi.

Kedokteran nuklir. Sumbernya radiofarmaka di tubuh pasien: sekitar 80 persen radiofarmaka memakai Tc-99m, pemancar gamma 0,142 MeV, dan PET memakai pemancar positron yang menghasilkan dua foton 0,511 MeV. Linen, sampah, dan tumpahan dari unit ini mengikuti prosedur tertulis unit itu.

Sterilisasi dan barang konsumen. Sinar gamma, sinar-X, dan berkas elektron mensterilkan barang terkemas, seperti dibahas di Bab 22 · Biologi & Mikrobiologi tentang sterilisasi, dan barang yang disinari tidak menjadi radioaktif. Barang konsumen yang mengandung bahan radioaktif antara lain tanda keluar berpendar bertritium, jarum instrumen pesawat lama bercat radium, glasir keramik merah-oranye berisi uranium, dan pupuk dengan aktivitas di atas 3.000 Bq/kg. Tanda keluar bertritium meredup separuh setiap 12,32 tahun dan tidak boleh dipecahkan.

Aturan Indonesia dan batas wewenang teknisi

Pemanfaatan sumber radiasi pengion di Indonesia diawasi BAPETEN, seperti dicatat Bab 18 · Material tentang radiografi. Peraturan Pemerintah Nomor 45 Tahun 2023 tentang Keselamatan Radiasi Pengion dan Keamanan Zat Radioaktif ditetapkan 25 September 2023 dan menggantikan PP Nomor 33 Tahun 2007. Nilai batas dosis (dose limit) adalah dosis terbesar yang diizinkan, yang dapat diterima pekerja radiasi dan anggota masyarakat dalam jangka waktu tertentu tanpa menimbulkan efek genetik dan somatik yang berarti.

Makalah di repositori BRIN dan jurnal BATAN menyebut nilai batas dosis pekerja radiasi 20 mSv per tahun dirata-rata lima tahun, paling tinggi 50 mSv dalam satu tahun, dan 1 mSv per tahun untuk anggota masyarakat. Makalah itu merujuk nomor peraturan BAPETEN yang berbeda-beda, sehingga angka yang berlaku sesudah PP 45/2023 belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 21 Oktober 2026. Bagi teknisi yang bukan pekerja radiasi, pegangannya batas anggota masyarakat dan larangan memasuki area radiasi tanpa izin.

Berita Negara 2013 nomor 1550 memasukkan detektor asap ke daftar barang konsumen dan mewajibkan izin Kepala BAPETEN untuk impor, ekspor, dan pengalihannya; Berita Negara 2016 nomor 788 mewajibkan izin produksi barang konsumen, termasuk detektor asap.

Peraturan BAPETEN 2013 tentang persyaratan keselamatan radiasi menyebut batas laju dosis 1 µSv per jam pada 10 cm dari permukaan barang konsumen, sertifikat sumber terbungkus untuk detektor ionisasi, dan penyimpanan di BATAN bila barang tidak dapat dikembalikan ke negara asal. Peraturan BAPETEN Nomor 3 Tahun 2024 mengatur pembatasan impor dan ekspor barang konsumen. Per 21 Oktober 2026, status berlaku peraturan ini dan jalur resmi pengembalian detektor bekas belum dapat dipastikan; periksa ke JDIH BAPETEN.

Selain melepas detektor utuh seperti di atas, teknisi tidak membuka, memindahkan, menyimpan, membuang, atau mengukur sumber radioaktif untuk keputusan keselamatan, dan tidak merawat atau menguji pesawat sinar-X, CT, kedokteran nuklir, atau radioterapi; pekerjaan itu milik petugas proteksi radiasi, pemegang izin, dan pabrik. Teknisi merawat utilitas di sekitarnya hanya dengan izin kerja dan arahan petugas proteksi radiasi.

Contoh kerja

Angka dalam kasus pembuka, contoh, dan soal latihan di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: inti americium-241. Dengan $Z = 95$ dan $A = 241$, jumlah neutronnya $N = 146$. Jari-jarinya $r = 1{,}2 \times 241^{1/3} = 1{,}2 \times 6{,}22 = 7{,}5$ fm, sekitar 1,6 kali inti Fe-56. Peluruhan alfanya ${}^{241}_{95}\text{Am} \to {}^{237}_{93}\text{Np} + {}^{4}_{2}\text{He}$, sehingga Z turun 2 menjadi neptunium dan A turun 4.

Contoh 2: sumber detektor. Misalkan sumber Am-241 sebuah detektor beraktivitas 37 kBq, yaitu $3{,}7 \times 10^{4}/3{,}70 \times 10^{10} = 1{,}0 \times 10^{-6}$ Ci; nilai sebenarnya diambil dari label dan dokumen pabrik. Dengan $\lambda = 0{,}693/(432{,}2 \times 3{,}16 \times 10^{7}\ \text{s}) = 5{,}07 \times 10^{-11}$ s⁻¹, jumlah intinya $N = A/\lambda = 7{,}29 \times 10^{14}$, dan massanya $7{,}29 \times 10^{14} \times 241/(6{,}022 \times 10^{23}) = 2{,}9 \times 10^{-7}$ g.

Contoh 3: detektor tua. Setelah 25 tahun terpasang, sisa aktivitasnya $(1/2)^{25/432{,}2} = 0{,}961$, yaitu 35,5 kBq. Turun ke seperseribu memerlukan $\log_2 1.000 = 9{,}97$ waktu paruh, sekitar 4.300 tahun, sehingga detektor bekas tetap barang bersumber radioaktif.

Contoh 4: Tc-99m. Pemindaian tulang memakai 10 mCi Tc-99m, yaitu $10 \times 3{,}7 \times 10^{7} = 3{,}7 \times 10^{8}$ Bq atau 370 MBq. Setelah 24 jam atau empat waktu paruh tersisa $370/2^{4} = 23$ MBq (6,25 persen), dan setelah 48 jam $370/2^{8} = 1{,}4$ MBq.

Contoh 5: dosis serap dan dosis setara. Orang 50 kg menyerap 1,00 J di seluruh tubuh, sehingga $D = 1{,}00/50{,}0 = 0{,}0200$ Gy atau 2,00 rad. Untuk gamma (RBE 1), $H = 0{,}020$ Sv atau 2 rem; untuk alfa (RBE 20), $H = 0{,}40$ Sv atau 40 rem. Dosis 20 mSv setara $20/2{,}8 = 7{,}1$ tahun paparan latar rata-rata dunia atau seribu kali rontgen dada.

Contoh 6: perisai dan jarak. Lapisan timbal 0,170 mm menyerap separuh gamma Tc-99m; untuk menyisakan seperseribu diperlukan $0{,}170 \times 9{,}97 = 1{,}69$ mm timbal. Menjauh dari 0,5 m ke 2 m dari sumber titik memberi faktor $(0{,}5/2)^{2} = 1/16$, sehingga gabungannya menurunkan laju dosis sekitar 16.000 kali.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada petugas proteksi radiasi, pemegang izin, atau K3 fasilitas bila:

1. Ada permintaan membuka, mengebor, memotong, membakar, atau menghancurkan detektor asap ionisasi atau benda lain berlambang radiasi.
2. Detektor ionisasi atau barang bersumber radioaktif pecah, terbakar, atau hilang dari hitungan saat pembongkaran.
3. Ada rencana membuang detektor ionisasi bekas bersama sampah biasa, besi tua, atau limbah elektronik, atau menyimpannya tanpa label dan catatan.
4. Pekerjaan di ruang sinar-X, CT, kedokteran nuklir, radioterapi, atau gudang sumber belum berizin kerja tertulis dan disetujui petugas proteksi radiasi, atau lampu peringatan radiasi menyala.
5. Pekerjaan akan mengebor, memotong, atau membongkar dinding, pintu, kaca, atau panel berlapis timbal di ruang radiasi.
6. Ditemukan wadah, kapsul, atau benda asing berlambang radiasi di gudang, besi tua, atau lokasi proyek; jangan disentuh.
7. Ada permintaan menangani linen, sampah, atau tumpahan unit kedokteran nuklir di luar prosedur tertulis unit itu.
8. Ada permintaan menyatakan ruang atau barang "aman radiasi" tanpa pelatihan dan wewenang.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Dasarnya ada di Bab 2 · Kimia tentang isotop, Bab 9 · Satuan & Matematika tentang peluruhan eksponensial, Bab 21 tentang spektrum, Bab 29 tentang foton, Bab 31 tentang efek terowongan, dan Bab 32 tentang sinar-X. Penerapannya ada di Bab 20 · Bangunan & Fasilitas tentang detektor asap, Bab 18 · Material tentang radiografi, Bab 22 · Biologi & Mikrobiologi tentang sterilisasi, Bab 4 · Biologi & Mikrobiologi dan Bab 10 · Biologi & Mikrobiologi tentang ultraviolet, dan Bab 2 · Keselamatan tentang izin kerja. Klaim produk berlabel kuantum dibahas di Bab 35 tentang tafsir mekanika kuantum.

Latihan dan pembahasan

Referensi