Bab 10 - KERADIOAKTIFAN Modul Fizik SPM Bahasa Melayu

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

BAB 5 KERADIOAKTIFAN 5.1 Nukleus sesuatu atom Komposisi nukleus suatu atom  Nukleus suatu atom terdiri daripada nukleonnukleon.  Nukleon terdiri daripada proton yang bercas positif dan neutron tidak bercas. + + + +

Nukleon

Nilai cas (C)

Jenis cas

Jisim relatif

Proton

+1.6 x 10-19

Positif

1

Jisim sebenar (kg) 1.67 x 10-27

Neutron

0

Neutral

1

1.67 x 10-27

Model atom Rutherford-Bohr     

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 neutron yang terdapat di dalam nukleus atom unsur itu. Nombor nukleon wakili oleh simbol A. Nombor nukleon, A juga dikenali sebagai nombor jisim. Maka, Bilangan neutron, N = nombor nukleon, A – nombor proton, Z



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 simbol nuklid berikut: Nombor nukleon A Simbol kimia ZX Nombor proton



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



Sub-sub atom seperti proton, neutron dan elektron juga boleh ditulis dalam bentuk simbol nuklid. Simbol nuklid bagi proton ialah 11p , simbol nuklid bagi neutron ialah 01n dan



simbol nuklid bagi elektron ialah 

0 -1 e

.

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

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

1

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Tentukan nombor nukleon, nombor proton dan bilangan neutron bagi nuklid-nuklid berikut: Nombor Nombor Bilangan Unsur Simbol unsur nukleon, A proton, Z neutron, N 1 Hidrogen 1H





Karbon

12 6C

Oksigen

16 8O

Helium

4 2 He

Uranium

238 92 U

Radium

226 88 Ra

Thorium

232 90 Th

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 yang berlainan. Unsur hidrogen mempunyai tiga jenis isotop yang wujud secara semula jadi iaitu protium (hidrogen), deutrium dan tritium. Nama isotop

Simbol isotop

Struktur nukleus

Nombor nukleon, A

Nombor proton, Z

Protium (hidrogen)

1 1H

+

1

1

Deuterium

2 1H

2

1

Tritium

3 1H

3

1

+

+

Nombor neutron, N



Isotop-isotop bagi suatu unsur yang sama menunjukkan sifat kimia yang sama kerana bilangan proton dan bilangan elektron yang dimiliki oleh atom neutral adalah sama.



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

Contoh : Simbol nuklid bagi satu nukleus Protactinium-231diberikan seperti yang berikut: 231 91 Pa Tentukan bilangan proton dan bilangan neutron di dalam nukleus tersebut. Penyelesaian:

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

2

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

5.2 Pereputan radioaktif 

Keradioaktifan Keradioaktifan ialah proses pereputan nukleus yang tidak stabil dengan memancarkan sinaran radioaktif untuk menjadi nukleus yang lebih stabil secara spontan dan rawak.



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



Proses pereputan radioaktif dikatakan berlaku secara rawak kerana sinaran yang dipancarkan tidak berlaku pada selang masa yang sekata dan tidak boleh diramal ia berlaku.



Isotop-isotop yang mempunyai nukleus yang tidak stabil dikenali sebagai radioisotop.



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



Isotop stabil Karbon-12

Simbol 12 6C

Radioisotop Karbon-14

Natrium-23

23 11 Na

Natrium-24

Kobalt-59

59 27 Co

Kobalt-60

Plumbum-207

207 82 Pb

Plumbum-210

Simbol

Tiga jenis sinaran radioaktif yang boleh dikeluarkan oleh nukleus yang tidak stabil semasa reputan radioaktif ialah: (a) Zarah alfa () Zarah alfa ialah nukleus helium ( 42 He ) dan bercas positif (b) Zarah beta () Zarah beta ialah elektron ( -01 e ) 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 kita mengesan sinaran radioaktif dengan menggunakan pengesan sinaran radioaktif tertentu seperti pembilang bunga api, kebuk awan dan tiub Geiger-Müller.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

3

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

(a) Kesan pengionan  Sinaran radioaktif seperti zarah alfa (), zarah beta () dan sinar gama () boleh mengionkan molekul-molekul udara di sekelilingnya ketika bergerak merentasi molekul-molekul udara. 

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



Contoh kesan pengionan oleh zarah alfa,  terhadap molekul udara:

+ Elektron

–

Elektron

Zarah  Proton Neutron

Proton Neutron



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



Sinar gama () mempunyai kuasa pengionan yang paling rendah kerana sinar gama () tidak mempunyai jisim dan merupakan gelombang elektromagnet yang membawa 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 kuasa pengionan, semakin rendah kuasa penembusan sesuatu sinaran.



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



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



Sinar gama () mempunyai kuasa penembusan paling tinggi tidak dapat dihalang sepenuhnya tetapi keamatannya boleh dikurangkan dengan menggunakan kepingan plumbum atau dinding konkrit yang cukup tebal.

Zarah alfa () Zarah beta ()

Sinar gama () Kertas aluminium Plumbum

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

4

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

(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 zarah beta () yang bercas negatif akan dipesongkan ke arah plat positif.



Sinar gama () tidak dipengaruhi oleh medan elektrik kerana ia merupakan gelombang elektromagnet dan tidak bercas. (–)  Sumber bahan radioaktif

 

 

(+) Pemesongan zarah beta () lebih ketara daripada pemesongan zarah alfa (). Ini kerana jisim zarah beta () adalah jauh lebih kecil daripada jisim zarah alfa (). Inersia zarah beta () yang lebih kecil menyebabkan zarah beta () lebih mudah dipesongkan.

(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 kerana membawa cas yang berlainan.



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



Sinar gama () tidak dipesongkan oleh medan magnet kerana tidak membawa sebarang cas. 

 





Arah medan magnet masuk ke arah kertas





Arah medan magnet keluar dari arah kertas

Arah pesongan sinaran ditentukan dengan menggunakan Petua Tangan Kiri Fleming.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

5

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Ciri-ciri sinaran radioaktif Ciri-ciri Sifat semulajadi

Zarah alfa ()

Zarah beta ()

Sinar gama ()

– 1

Simbol Cas Kuasa pengionan

Kuasa penembusan Julat pancaran di udara Kesan medan elektrik Kesan medan magnet Halaju



Nukleus helium

Elekron

atau  Positif (+2e) Menghasilkan banyak ion udara (Tinggi)

atau  Negatif (-1e) Bilangan ion yang terhasil kurang daripada zarah . (Sederhana)

Lemah Beberapa centimeter Terpesong ke arah plat negatif Terpesong dengan magnitud kecil 0.1 c

Sederhana Beberapa meter

4 2 He

Sinaran elektromagnet 

0 -1 e

Terpesong ke arah plat positif Terpesong dengan magnitud besar  0.3 – 0.9 c

Tidak bercas Bilangan ion kurang daripada zarah  dan zarah . (Lemah) Tinggi Beberapa ratus meter Tidak terpesong Tidak terpesong 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 pada permukaan plat fotograf.  Unsur argentum akan menghitamkan plat fotograf apabila sinaran menembusinya.  Plat fotograf digunakan sebagai lencana khas yang dipakai oleh pekerja semasa mengendalikan bahan radioaktif di makmal dan reaktor nuklear kerana alat ini boleh menunjukkan dos sinaran yang terdedah kepada seseorang pekerja.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

6

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5 (2) Elektroskop bercas  Elektroskop bercas ialah alat yang paling sesuai untuk mengesan zarah alfa () kerana kuasa pengionan yang tinggi berbanding dengan zarah beta () dan sinar gama ().  Apabila satu sumber alfa dibawa mendekati ceper sebuah elektroskop yang bercas positif, didapati pencapahan kerajang emas akan berkurang.  Ini kerana zarah alfa mengionkan molekulmolekul udara di sepanjang lintasannya dan menghasilkan pasangan-pasangan ion.  Ion-ion negatif yang terhasil akan tertarik kepada ceper elektroskop yang bercas positif itu dan menyahcaskannya. Maka, kerajang emas menguncup. (3) Pembilang bunga api  Pembilang bunga api sesuai digunakan untuk mengesan zarah alfa () kerana mempunyai kuasa pengionan yang tinggi.  Apabila sumber alfa didekatkan dengan kasa dawai, bunga api dilihat dan bunyi percikan didengari.  Ini kerana zarah alfa mengionkan molekulmolekul udara di ruang antara kasa dawai dengan dawai halus. Ion positif dan ion negatif tertarik kepada terminal masing-masing yang bertentangan cas.  Pengionan sekunder terjadi apabila ion-ion berlanggar dengan molekul-molekul udara yang lain menyebabkan bunga api terhasil.  Bilangan bunga yang terhasil memberikan satu sukatan keamatan sinar itu.

Tahun 2013

   +

+

+

+

+

–

–

–

–

–

Pengionan molekul udara

+ + +

+ + + + + + + + + +

Sumber radioaktif

Kerajang emas menguncup

+ + +

+ +

Sumber alfa

– 3 kV

Kasa dawai

+ Bunga api

Dawai halus

(4) Tiub Geiger-Müller  Tiub Geiger-Müller boleh digunakan untuk mengesan zarah alfa, zarah beta dan sinar Sumber radioaktif Tiub GM gama.  Apabila satu sinar radioaktif memasuki tiub GM sinaran itu mengionkan molekul-molekul gas neon di dalamnya.  Ion positif dipecutkan ke katod manakala ionion negatif dipecutkan ke anod.  Perlanggaran ion-ion dengan atom-atom neon yang lain menyebabkan pengionan sekunder berlaku. Katod  Pergerakan ion-ion ke elektrod masing-masing menghasilkan satu denyutan arus yang kecil.  Denyutan ini akan diperkuatkan oleh satu Mica amplifier dan dibilang oleh sebuah pembilang. Gas neon  Pembilang akan merekodkan bilangan Anod denyutan arus dalam satu selang masa tertentu. Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

Pembilang

450 V

Pembilang

7

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5 (5) Kebuk awan  Kebuk awan boleh mengesan ketiga-tiga jenis sinaran radioaktif.  Apabila sinar radioaktif melalui ruang di bahagian atas ia mengionkan molekul-molekul udara di sepanjang lintasannya.  Wap yang tepu lampau mengkondensasi pada ion-ion itu untuk membentuk titisan-titisan air yang halus dan kelihatan sebagai runut-runut putih.  Cahaya disinarkan disisi kebuk itu supaya runut-runut putih itu dapat diperhatikan.  Rupa bentuk runut yang terhasil bagi ketigatiga sinaran radioaktif adalah berbeza.

Tahun 2013

Kepingan felt Ruang tepu dengan wap alkohol

Sumber alfa

Ais kering

Span

Pandangan atas: Runut yang dihasilkan dalam kebuk awan (a) Runut dihasilkan oleh zarah alfa



 Sumber alfa ()

(b) Runut dihasilkan oleh zarah beta



 Sumber beta ()

(c) Runut dihasilkan oleh sinar gama



Sumber gama () 

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

Kuasa pengionan zarah alfa yang tinggi menghasilkan banyak pasangan ion, maka runut kelihatan padat. Jisim zarah alfa yang besar menyebabkan ia tidak terpesong oleh molekul udara dalam lintasannya, maka kelihatan lurus. Kuasa pengionan yang sederhana menyebabkan runut kelihatan kurang padat. Jisim yang kecil menyebabkan ia dipesongkan oleh molekulmolekul udara dalam lintasannya dan kelihatan tidak lurus. Kuasa pengionan sinar gama yang sangat rendah menghasilkan sedikit pasangan ion menyebabkan runut kelihatan pendek dan berselerak. Sinar gama tidak mempunyai jisim.

8

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

 

Tahun 2013

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, 42 He .

2p

Z–2

Z mereput

N

2n

N–2

Zarah alfa ()

Atom X

Atom Y Z = nombor proton

N = nombor neutron



Dalam proses reputan ini, satu zarah alfa (nukleus helium 42 He dengan 2 proton dan 2 neutron dipancarkan. Maka atom baru Y yang terbentuk mempunyai nombor proton, Z yang berkurang sebanyak 2 unit dan nombor nukleon, A yang berkurang sebanyak 4 unit.



Perubahan dalam nombor nukleon dan nombor proton boleh diwakili oleh persamaan berikut:

A A 4 4 Z X Z2Y  2 He 

Contoh-contoh persamaan reputan alfa: (i) 92 U 90Th 2 He 238

234

4

(ii) 88 Ra 86 Rn 2 He 226

222

4

Lengkapkan persamaan-persamaan di bawah: (a)

234 90Th 

(c)

212 84 Po

(e)

4 Ra + 2 He

(b)

 208 82 Pb +

(d)

4  218 84 Po + 2 He

(f)

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

226 88 Ra



4 Rn + 2 He

4  222 80 Hg + 2 He

234 210 90Th  78 Pt

+

4 2 He

9

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

(2) Reputan beta ()  Reputan beta berlaku apabila suatu unsur radioaktif mereput dengan memancarkan satu zarah beta () iaitu elektron yang berhalaju tinggi.

Z N

–

Z+1 mereput

N–1 Zarah beta ()

Atom X

Atom Y Z = nombor proton

N = nombor neutron



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



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



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



Perubahan dalam nombor nukleon dan nombor proton boleh diwakili oleh persamaan berikut: A A 0 Z XZ 1Y  -1e



Contoh-contoh persamaan reputan beta :

(i)

234 234 0 90Th 91 Pa -1e

(ii)

234 234 0 91Pa 92 U -1e

Lengkapkan persamaan-persamaan di bawah:

(a)

210 82 Pb 

Bi  -1e

(b)

 -01e

(d)

0

24 11Na

(c)



(e)

232 208 90Th 82 Pb 

4 2 He



Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

24 11Na 



Mg  -1e 0

239 92 U

 -01e

0 -1 e

10

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

(3) Reputan gama ()  Dalam proses reputan gama, tenaga dibebaskan dalam bentuk sinaran elektromagnet. 

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



Pada ketika proton-proton dan neutron-neutron dalam nukleus itu menyusun semula untuk menjadi lebih stabil, tenaga lebihan padanya akan dikeluarkan sebagai sinaran elektromagnet berfrekuensi amat tinggi yang dinamakan sinar gama.



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

A A Z X Z X   (Sinar gama) 

Contoh persamaan reputan gama :

(a)

60 60 27 Co27 Co  

(c)

238 234 4 92 U 90Th 2 He  

214 214 0 82 Pb 83 Bi -1e

(b)



Lengkapkan persamaan-persamaan berikut:

(a)

137 56 Ba 

(c)

192 77 Ir





(b)

152 66 Dy  

 -01e  

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 asal mereput menjadi satu nukleus yang stabil.



Berikut ialah satu contoh siri reputan:

    238 234 234 234 210 206     92 U 90Th 91Pa  92 U  .... 84 Po  82 Pb

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

11

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

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

Nombor nukleon, A

Nombor proton, Z

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 keaktifan unsur 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 dengan menggunakan tiub Geiger-Müller dan pembilang.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

12

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5 

Tahun 2013

Konsep separuh hayat boleh digambarkan seperti berikut: No

T1

1 No 2

2 



2T 1

2   

1 No 4

Unsur-unsur radioaktif yang berlainan mempunyai separuh hayat yang berbeza. Unsur radioaktif Uranium-238 Karbon-14 Radium-226 Kobalt-60 Fosforus-32 Iodin-131 Natrium-24 Protactinium-234 Radon-220 Polonium-214



Separuh hayat 4 500 juta tahun 5 730 tahun 1 620 tahun 5.3 tahun 15 hari 8 hari 15 jam 72 saat 56 saat 0.164 saat

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

Keaktifan/Bilangan per saat Ao

No

1 Ao 2 1 Ao 4

1 No 2 1 No 4

T1

2T 1

2

2

Masa/ saat

T1

2T 1

2

2

Masa/ saat

Contoh penyelesaian masalah: (1) Satu sampel radioaktif mempunyai separuh hayat 20 minit. Berapa pecahan daripada bilangan atom asal yang belum mereput selepas 1 jam?

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

13

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

(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 iodin131 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 34567 8

Masa/jam

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

14

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

5.3 Kegunaan radioisotop   

Radioisotop ialah isotop dengan nukleus yang tidak stabil. Radioisotop akan mereput dengan memancarkan zarah alfa, zarah beta atau sinaran gama. Sinaran radioaktif yang dikeluarkan membolehkan radioisotop tertentu digunakan dengan 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 sel kanser.  Sinar gama dipancarkan daripada lubang seni pada bongkah plumbum supaya satu alur sinar yang halus dan ditujukan tepat kepada sel kanser untuk mengelak kerosakan kepada tisu-tisu yang sihat.  Isotop fosforus-32 dan strontium-90 mengeluarkan zarah beta dapat merawat kanser kulit. Sinar gama dipancarkan kepada sel kanser Penyurihan radioaktif  Pewarna yang mengandungi radioisotop seperti barium-138 disuntik ke dalam badan pesakit untuk mengesan tumor pada kepala.  Radioisotop natrium-24 disunti ke dalam badan pesakit untuk mengesan tempat pembekuan darah.  Radioisotop iodine-131 digunakan untuk memeriksa keadaan kelenjar tiroid. Surihan tiroid Penstrilan  Sinar gama daripada Cobalt-60 digunakan untuk membasmikan bakteria dalam proses penstrilan alatalat perubatan seperti termometer, alat bedah, jarum suntikan, picagari dan sebagainya.

Peralatan perubatan yang didedahkan dengan sinar gama Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

15

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

Bidang pertanian Pengawalan serangga perosak  Sinar gama digunakan untuk membunuh kumbang dan serangga perosak dalam bidang pertanian.  Dos sinar gama yang kecil digunakan untuk menjadikan serangga perosak itu mandul dan pembiakannya dapat dikawal. Lalat buah Mengkaji kadar penyerapan baja tumbuhan  Radioisotop seperti fosforus-32 dan nitrogen-15 dicampurkan ke dalam baja.  Selepas baja itu disiram, kadar penyerapan dan jumlah yang diserap oleh tumbuhan dapat ditentukan dengan mengesan kuantiti radioisotop yang terkandung dalam daun dan batangnya menggunakan pembilang Geiger Muller.

Penentuan kadar penyerapan baja

Bidang perindustrian Penyemak aras pengisian tin dan Sumber radioaktif bungkusan  Di kilang menbuat makanan, tin-tin atau bungkusan-bungkusan yang telah diisi akan diangkut di atas satu tali sawat yang melalui satu punca sinar beta dan alat pengesan seperti tiub GM.  Jika terdapat bungkusan atau tin yang kurang penuh, tiub GM akan member satu bacaan yang lebih Pembilang meter tinggi daripada nilai bacaan piawai. Mengesan kebocoran paip di bawah tanah  Radioisotop yang mempunyai setengah hayat pendek seperti natrium-24 dimasukkan ke dalam saluran paip air atau gas yang disyaki bocor.  Alat pengesan seperti tiub GM kemudian digerakkan di atas permukaan tanah di sepanjang paip itu.  Tempat di mana tiub GM menunjukkan bacaan yang paling tinggi berbanding tempat lain adalah tempat kemungkinan besar kebocoran berlaku. Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

Pembilang Pengesan

Paip bawah tanah

16

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5 Mengesan ketebalan bahan  Keseragaman ketebalan sesuatu bahan seperti kertas, kepingan aluminium boleh disemak dengan melalukan bahan-bahan itu di antara satu punca beta dan sebuah alat pengesan tiub GM.  Bacaan alat pengesan itu akan berkurang jika ketebalan kepingan bahan itu bertambah.

Tahun 2013

Pengesan

Kepingan bahan

Pengelek

Sumber beta

Pengawetan makanan  Sinar gama boleh digunakan untuk membunuh mikroorganisma seperti bakteria dan spora kulat yang terperangkap dalam makanan supaya tempoh penyimpanan makanan dalam bungkusan dan tin dapat dilanjutkan.  Kaedah ini adalah mudah, selamat dan tidak mengubah nilai zat makanan itu.  Buah-buahan dan makanan dalam tin biasa 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 atom lain dengan jisim satu atom karbon-12 telah digunakan.



Isotop karbon-12 digunakan sebagai rujukan kerana ia terkandung dalam banyak sebatian 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 dengan

1 daripada jisim atom 12

karbon-12, iaitu: 1 u.j.a. =

1  jisim satu atom isotop karbon-12 12

1 u.j.a. =

1  1.993  10-26 kg 12

1 u.j.a. = 1.66  10-27 kg

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

17

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5



Tahun 2013

Tenaga nuklear Dalam suatu tindak balas nuklear atau reputan radioaktif, didapati jumlah jisim nukleus atom baru dan zarah yang terhasil adalah sentiasa kurang daripada jisim nukleus atom asal.



Kehilangan atau penyusutan jisim ini telah bertukar menjadi tenaga. Tenaga dalam bentuk haba telah dibebaskan semasa tindak balas nuklear atau pereputan berlaku.



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



Hubungan antara jisim dengan tenaga telah dirumuskan dalam persamaan Einstein iaitu:

E = mc2 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-222 dengan memancarkan zarah alfa. Hitungkan : (i) Kehilangan jisim atau cacat jisim, m. (ii) Tenaga yang dibebaskan. 226 88 Ra

Jisim atom

226 88 Ra

 

= 226.54 u.j.a

222 86 Rn



Jisim atom

4 2 He

222 86 Rn

= 222.018 u.j.a

4 Jisim zarah 2 He = 4.003 u.j.a

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

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

18

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

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

Pembelahan nukleus ialah satu tindak balas di mana satu nukleus yang berjisim besar dipecahkan kepada dua atau lebih nukleus yang baru yang lebih ringan dan lebih stabil. Apabila proses ini berlaku terdapat penyusutan jisim dan jisim yang telah hilang itu berubah kepada tenaga haba yang besar. Contoh proses pembelahan nukleus ialah pembelahan radioisotop Uranium-235.

Nukleus tak stabil     

Apabila satu nukleus uranium-235 dibedil oleh satu neutron, satu nukleus baru yang 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: 235 92 U

 01n  

236 92 U

 

141 56 Ba



92 36 Kr

 3 01 n  tenaga

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 tenaga dihasilkan.  Rajah di bawah menunjukkan satu contoh tindak balas berantai.

Neutron

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

19

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5 

Tahun 2013

Tenaga haba yang dibebaskan semasa tindak balas berantai boleh digunakan untuk: (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 untuk membentuk satu atom yang lebih besar di samping membebaskan tenaga haba yang besar. Pelakuran nukleus hanya berlaku pada keadaan suhu yang amat tinggi. Contoh proses pelakuran nukleus ditunjukkan dalam persamaan berikut: 2 1H

 

 31H   42 He  01n  tenaga

Nukleus deuterium dan tritium yang berhalaju tinggi berlanggar lalu bercantum pada suhu yang sangat tinggi. Satu nukleus helium-4 yang lebih besar terbentuk dan satu neutron dibebaskan seperti dalam rajah di bawah.

Tenaga



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

Contoh penyelesaian masalah (2): Persamaan berikut menunjukkan proses pelakuran isotop hidrogen: 2 2  32 He  01n  tenaga 1H  1H  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 8 -1 Halaju cahaya, c = 3.0  10 ms

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

(b) Tenaga yang dibebaskan dalam proses pelakuran itu.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

20

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

   

Tahun 2013

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 pelakuran nukleus sukar dikawal dan memerlukan suhu yang amat tinggi. Di dalam reaktor nuklear, tindak balas berantai yang terkawal berlaku dan tenaga haba dibebaskan pada kadar yang tetap. Air panas Menyerap tenaga haba daripada tindak balas berantai untuk menghasilkan stim

Rod pengawal Boron Mengawal kadar tindak balas dengan menyerap neutron yang berlebihan

Stim dialirkan untuk memutarkan turbin

Rod Uranium Menghasilkan tenaga nuklear melalui proses pembelahan nukleus

Air sejuk dialirkan untuk dididihkan

Teras grafit Mengawal kadar tindak balas dengan memperlahankan neutron yang terhasil

Dinding konkrit tebal Melindungi alam sekitar daripada sinaran radioaktif

Rajah reaktor nuklear        

Dalam reaktor nuklear, proses pembelahan nukleus uranium-235 membebaskan tenaga haba yang banyak. Tenaga haba kemudian memanaskan air. Air panas itu dialirkan ke luar reaktor untuk mendidihkan air sejuk menjadi stim. Stim memutarkan turbin dan seterusnya memutarkan dinamo di dalam penjana elektrik untuk menghasilkan tenaga elektrik. Selain daripada menjana elektrik, tenaga nuklear juga digunakan dalam kapal laut, kapal selam, sumber tenaga satelit dan digunakan untuk pengekstrakan minyak daripada tanah dan pembersihan minyak. Kos penjanaan tenaga elektrik daripada tenaga nuklear lebih murah daripada pembakaran bahan api fosil. Penjanaan tenaga elektrik daripada tenaga nuklear tidak mengeluarkan bahan pencemar seperti gas karbon dioksida. Kemalangan nuklear yang mengakibatkan kematian adalah pada tahap yang rendah. Walau bagaimanapun, kos pembinaan reaktor nuklear adalah tinggi dan memerlukan teknologi dan kepakaran yang termaju.

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

21

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Tahun 2013

5.5 Kepentingan pengurusan bahan radioaktif Kesan negatif bahan radioaktif  

Tenaga nuklear boleh menjadi suatu ancaman yang serius terhadap keselamatan dan kesihatan orang ramai kerana sinaran radioaktif boleh terbocor jika berlakunya 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 plumbum setebal beberapa sentimeter. 2. Reaktor nuklear mesti dilindungi dengan menggunakan dinding plumbum yang tebal dan dikelilingi oleh dinding konkrit beberapa meter tebalnya. 3. Label “sumber radioaktif” pada bekas yang mengandungi bahan radioaktif perlu dicatatkan dengan kelas menggunakan simbol radioaktif. 4. Sumber radioaktif yang kuat hendaklah dikendalikan dengan menggunakan alat kawalan jauh melalui skrin kaca berplumbum. 5. Sumber radioaktif yang lemah boleh dikendalikan dengan menggunakan penyepit. 6. Pakaian pelindungan dan sarung tangan harus digunakan semasa bekerja dengan bahan radioaktif. 7. Lencana filem perlu dipakai untuk memantau dos sinaran yang diterima oleh pekerja. 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 proses pereputan radioaktif. Sisa ini masih mampu mengeluarkan sinaran radioaktif.  Sisa-sisa ini wujud dalam bentuk pepejal, cecair atau gas yang mempunyai separuh 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 begitu berbahaya 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 tinggi dan 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 keaktifan yang 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. Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

22

Modul Pengajaran Fizik Tingkatan 5

Cikgu Khairul Anuar, SMK Seri Mahkota, Kuantan.

Tahun 2013

23