Sains notesnota, bab 8
Keradioaktifan
Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM), pageshalaman 230-254
What this chapter coversMatlamat bab ini
- Saya boleh memerihalkan sejarah penemuan keradioaktifan: sinar-X (Roentgen), keradioaktifan (Becquerel) dan radium dan polonium (Marie dan Pierre Curie) (8.1.1)
- Saya boleh menerangkan maksud bahan radioaktif dan keradioaktifan (pereputan radioaktif), serta memberi contoh bahan radioaktif (8.1.2)
- Saya boleh menyatakan unit keradioaktifan, iaitu becquerel (Bq) dan curie (Ci) (8.1.2)
- Saya boleh menerangkan konsep separuh hayat dan menyelesaikan masalah separuh hayat menggunakan jadual dan graf (8.1.2)
- Saya boleh melakar struktur atom dan menyatakan ciri atom menurut Teori Atom Dalton (8.2.1)
- Saya boleh menerangkan pembentukan ion positif (kation) dan ion negatif (anion) (8.2.2)
- Saya boleh memerihalkan sinaran mengion dan sinaran tidak mengion serta memberi contohnya (8.3.1)
- Saya boleh membezakan sinar alfa, sinar beta dan sinar gama dari segi sifat, cas, kuasa pengionan, kuasa penembusan dan pesongan (8.3.2)
- Saya boleh menjelaskan sumber sinaran mengion semula jadi dan buatan manusia serta dos sinaran latar belakang (8.3.3)
- Saya boleh menyelesaikan masalah risiko terdedah kepada sinaran mengion dan tindakan supaya dos tidak melebihi tahap selamat (8.3.4)
- Saya boleh berkomunikasi tentang kegunaan sinaran radioaktif dalam arkeologi, perindustrian, pertanian, perubatan, pengawetan makanan dan pertahanan (8.4.1)
- Saya boleh menjelaskan langkah mengendalikan bahan radioaktif dan sisa radioaktif dengan selamat dan sempurna (8.4.2)
8.1Sejarah penemuan keradioaktifan
| Tahun | Tokoh | Penemuan |
|---|---|---|
| 1895 | Wilhelm Conrad Roentgen (ahli fizik Jerman) | Menemui sinar-X secara tidak sengaja semasa mengambil gambar foto tangan isterinya. Menerima Hadiah Nobel pertama dalam bidang Fizik pada tahun 1901. |
| 1896 | Antoine Henri Becquerel (ahli fizik Perancis) | Menemui keradioaktifan. Sebatian uranium menghasilkan pancaran yang menghitamkan plat fotografi walaupun dalam keadaan gelap. Pancaran itu dikesan berdasarkan ciri pengionan. Hadiah Nobel Fizik 1903. |
| 1897 | Marie dan Pierre Curie (pasangan suami isteri dari Poland) | Mengesan pancaran radioaktif melalui kuasa pengionannya, bukan melalui kesan fotografi. Daripada bijih uranium yang dikenali sebagai picblend, mereka mengekstrak dua elemen radioaktif, iaitu polonium dan radium. |
Pancaran gama daripada radium kemudian digunakan untuk merawat penyakit kanser. Marie Curie meninggal dunia semasa berumur 67 tahun kerana menghidap penyakit yang disebabkan oleh pendedahan kepada pancaran gama yang berlebihan.
Marie Curie ialah wanita tunggal yang pernah menerima dua Hadiah Nobel: Fizik (1903) dan Kimia (1911). Anak perempuannya, Irene Joliot-Curie, menerima Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1935.
Keradioaktifan dan pereputan radioaktif
Keradioaktifan ialah proses pereputan secara rawak dan spontan bagi nukleus yang tidak stabil dengan memancarkan sinaran radioaktif. Sinaran radioaktif terdiri daripada zarah alfa (α), zarah beta (β) dan sinar gama (γ).
Pereputan radioaktif ialah proses rawak dan spontan, iaitu nukleus yang tidak stabil memancarkan sinaran radioaktif sehingga nukleus itu menjadi lebih stabil. Contoh unsur radioaktif: karbon-14 (C-14), radon-222 (Rn-222), torium-234 (Th-234) dan uranium-238 (U-238).
Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM), Rajah 8.2, m.s. 234
Pereputan alfa
Uranium-238 (92p, 146n) memancarkan nukleus helium (2p, 2n) dan menjadi torium-234 (90p, 144n).
Uranium-238 (92p, 146n) memancarkan nukleus helium (2p, 2n) dan menjadi torium-234 (90p, 144n).
Pereputan beta
Torium-234 (90p, 144n) memancarkan elektron dan menjadi protaktinium-234 (91p, 143n).
Torium-234 (90p, 144n) memancarkan elektron dan menjadi protaktinium-234 (91p, 143n).
Pereputan gama
Kobalt-60* (27p, 33n) yang tidak stabil memancarkan sinar gama dan menjadi kobalt-60 yang lebih stabil (27p, 33n).
Kobalt-60* (27p, 33n) yang tidak stabil memancarkan sinar gama dan menjadi kobalt-60 yang lebih stabil (27p, 33n).
Pereputan radioaktif adalah rawak: kita tidak dapat meramal bila sesuatu nukleus tertentu akan mereput. Ia juga spontan: haba, tekanan atau bahan kimia tidak memulakannya.
Unit keradioaktifan
Keradioaktifan (keaktifan) ialah kadar pereputan nukleus yang tidak stabil.
| Unit | Nilai |
|---|---|
| Curie (Ci), unit pertama yang diperkenalkan | 1 Ci = 3.7 × 1010 pereputan/s = 3.7 × 1010 Bq |
| Becquerel (Bq), unit S.I. | 1 Bq = 1 pereputan/s |
1 Ci lebih kurang sama dengan bilangan pereputan sesaat dalam 1 g radium-226, bahan yang dikaji oleh Marie dan Pierre Curie. Maka 1 Bq = 1 ÷ (3.7 × 1010) Ci.
Separuh hayat
Separuh hayat, T½, ialah tempoh masa yang diambil untuk bilangan nukleus yang belum mereput berkurang menjadi setengah daripada nilai asalnya. Unit S.I. separuh hayat ialah saat (s).
Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM), Rajah 8.3, m.s. 235
Contoh 1: jisim yang tinggal (buku teks m.s. 235)
Pa-234 mereput menjadi U-234 dengan separuh hayat 5.2 jam. Jisim asal 80 g. Cari jisim selepas 20.8 jam.Bilangan separuh hayat = 20.8 ÷ 5.2 = 4.
80 g → 40 g → 20 g → 10 g → 5 g. Jisim yang tinggal = 5 g.
Contoh 2: membaca separuh hayat daripada graf (buku teks m.s. 236)
Keaktifan asal bahan P ialah 800 Bq. Keaktifan pada separuh hayat = ½ × 800 = 400 Bq. Pada graf, 400 Bq sepadan dengan masa 40 s. Maka separuh hayat P ialah 40 s. Semak: 400 Bq pada 40 s, 200 Bq pada 80 s, 100 Bq pada 120 s.
Contoh 3: data dalam jadual (buku teks m.s. 236 dan 237)
Keaktifan bahan Q: 120 Bq (0 minit), 80 Bq (5 minit), 56 Bq (10 minit), 40 Bq (15 minit), 28 Bq (20 minit), 20 Bq (25 minit). Lukis graf keaktifan melawan masa, lalu baca separuh hayat.Keaktifan asal = 120 Bq, jadi ½ × 120 = 60 Bq. Pada lengkung graf, 60 Bq sepadan dengan masa kira-kira 9 minit, iaitu separuh hayat Q. (Semak: 60 Bq terletak antara 80 Bq pada 5 minit dengan 56 Bq pada 10 minit.)
Untuk membaca separuh hayat daripada graf, ambil keaktifan asal pada masa 0, bahagikan dua, kemudian baca masa pada paksi mengufuk. Jangan bermula daripada nilai di tengah graf.
Suatu sampel mempunyai keaktifan 240 Bq. Separuh hayatnya 10 minit. Berapakah keaktifannya selepas 30 minit?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
30 ÷ 10 = 3 separuh hayat. 240 → 120 → 60 → 30. Keaktifan = 30 Bq.
8.2Atom dan nukleus
Perkataan atom berasal daripada ‘atomos’ yang bermaksud tidak boleh dibahagi. Pada tahun 1808, John Dalton memperkenalkan Teori Atom Dalton: atom ialah zarah terkecil yang tidak boleh dibahagi lagi. Perkembangan sains kemudian menemui zarah yang lebih kecil, iaitu proton, elektron dan neutron.
Struktur atom
| Zarah subatom | Cas | Kedudukan |
|---|---|---|
| Proton (p) | Positif (+) | Dalam nukleus |
| Neutron (n) | Neutral (tiada cas) | Dalam nukleus |
| Elektron (e) | Negatif (−) | Bergerak mengelilingi nukleus |
Apabila bilangan proton sama dengan bilangan elektron, atom itu neutral.
Pembentukan ion positif dan ion negatif
Ion ialah zarah bercas yang terbentuk apabila atom menderma atau menerima elektron. Bilangan proton tidak berubah.
| Ion | Cara pembentukan | Contoh |
|---|---|---|
| Ion positif (kation) | Atom menderma elektron | Na (11p, 12n, 11e) menderma 1 e− → Na+ (11p, 12n, 10e); cas +1 |
| Ion negatif (anion) | Atom menerima elektron | Cl (17p, 18n, 17e) menerima 1 e− → Cl− (17p, 18n, 18e); cas −1 (ion klorida) |
Cas ion = bilangan proton − bilangan elektron. Mg dengan 12 proton dan 10 elektron: 12 − 10 = +2, iaitu Mg2+. F dengan 9 proton dan 10 elektron: 9 − 10 = −1, iaitu F−.
Hanya bilangan elektron yang berubah apabila ion terbentuk. Bilangan proton dan neutron kekal sama.
Suatu zarah mempunyai 9 proton dan 10 elektron. Adakah zarah itu ion positif atau ion negatif? Berapakah casnya?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Ion negatif kerana bilangan elektron lebih banyak daripada bilangan proton. Cas = 9 − 10 = −1 (ion fluorida, F−).
8.3Sinaran mengion dan sinaran tidak mengion
Apabila suatu sinaran melintasi udara dan menghasilkan ion positif dan ion negatif, sinaran itu ialah sinaran mengion. Sinaran tidak mengion tidak menghasilkan ion.
Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM), Rajah 8.8, m.s. 240
| Sinaran tidak mengion | Sinaran mengion |
|---|---|
| Gelombang frekuensi sangat rendah, gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, cahaya nampak | Ultraungu, sinar-X, sinar gama (dalam spektrum elektromagnet); juga zarah alfa dan zarah beta |
Sinar alfa, sinar beta dan sinar gama
| Sinar alfa, α | Sinar beta, β | Sinar gama, γ | |
|---|---|---|---|
| Sifat asal | Nukleus helium | Elektron yang berhalaju tinggi | Gelombang elektromagnet |
| Cas zarah | Positif | Negatif | Neutral |
| Kuasa pengionan | Tinggi | Sederhana | Rendah |
| Kuasa penembusan | Rendah (dihalang oleh kertas) | Sederhana (dihalang oleh aluminium 3 mm) | Tinggi (dihalang oleh plumbum 10 cm) |
| Pesongan oleh medan elektrik | Ke plat negatif | Ke plat positif | Tidak dipesongkan |
| Pesongan oleh medan magnet | Ke atas | Ke bawah | Lurus |
Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 3 (KSSM), Jadual 8.4, m.s. 241
Dua kuasa itu berlawanan susunan: makin tinggi kuasa pengionan, makin rendah kuasa penembusan. Alfa: paling mengion, paling kurang menembusi. Gama: paling kurang mengion, paling menembusi.
Zarah alfa dan zarah beta dipesongkan ke arah plat yang bercas berlawanan. Alfa (positif) ke plat negatif; beta (negatif) ke plat positif. Gama neutral, jadi lurus.
Sumber sinaran mengion dalam alam sekitar
| Semula jadi | Buatan manusia |
|---|---|
| Sinaran kosmik, sinaran latar belakang | Kemalangan nuklear, ujian nuklear, penggunaan radioisotop untuk perubatan, sinaran latar belakang |
Sinaran kosmik ialah sinaran bertenaga tinggi yang dihasilkan di luar Sistem Suria atau dari galaksi yang lain (sinaran kosmik galaktik). Sinaran latar belakang terdiri daripada pelbagai jenis sinaran mengion dalam alam sekitar, daripada sumber semula jadi dan sumber buatan manusia: sinaran kosmik, keradioaktifan persekitaran daripada bahan radioaktif semula jadi, sisa radioaktif daripada kemalangan dan ujian nuklear, serta radioisotop daripada kegunaan perubatan.
Dos sinaran latar belakang
Sinaran mengion yang diserap oleh badan merosakkan sel badan. Kesan biologinya diukur dalam kuantiti yang dikenali sebagai dos. Dos 1 Sv bersamaan 1 joule tenaga sinaran mengion yang diserap oleh 1 kilogram tisu hidup. Unit yang lazim digunakan untuk dos sinaran latar belakang ialah mikrosievert/jam (μSv/j), diukur dengan alat pembilang Geiger.
Dos sinaran latar belakang yang kurang daripada 0.2 μSv/j ialah aras normal atau aras selamat. Aras selamat juga ditulis < 0.0002 mSv/j, < 1 752 μSv/tahun atau < 1.752 mSv/tahun.
| Sumber (buku teks Rajah 8.11) | Anggaran dos |
|---|---|
| TV atau komputer | 0.01 mSv/j |
| Penerbangan (sinaran kosmik) | 0.003 mSv/j |
| Angkasa lepas (sinaran kosmik) | 0.35 mSv/tahun |
| Altitud tinggi (sinaran kosmik) | 0.3 – 0.5 mSv/tahun |
| Alam sekitar (sinaran latar belakang) | 0.4 – 1.0 mSv/tahun |
| Makanan (sinaran radioaktif) | 0.1 – 0.5 mSv/tahun |
| Bangunan (sinaran radioaktif) | 1.5 mSv/tahun |
| Gambar foto sinar-X | 5.5 mSv/ujian perubatan |
Contoh: dos daripada televisyen (serupa dengan soalan 6, Praktis Formatif 8.3, m.s. 246)
Dos sinaran televisyen = 0.01 mSv/j. Seorang murid menonton televisyen 2 jam sehari selama 5 hari.Jumlah masa = 2 × 5 = 10 j. Dos = 0.01 × 10 = 0.1 mSv.
Risiko terdedah kepada sinaran mengion semula jadi
Risiko kesihatan bergantung pada dos yang diterima. Langkah supaya dos tidak melebihi tahap selamat:
| Sumber dos sinaran mengion | Tindakan yang perlu diambil |
|---|---|
| Sinaran latar belakang (ultraungu) | Gunakan alat perlindungan yang sesuai, seperti kaca mata dengan filem anti-ultraungu dan payung anti-ultraungu |
| Gambar foto sinar-X | Dibuat mengikut preskripsi doktor |
| Televisyen | Pastikan jarak antara televisyen dengan penonton sekurang-kurangnya 2 m |
| Makanan yang dicemari bahan radioaktif | Jangan makan makanan atau ikan dari kawasan atau laut yang dicemari |
| Sinaran kosmik | Waktu bekerja juruterbang di udara dihadkan untuk tempoh tertentu |
Sinaran kosmik kebanyakannya diserap oleh atmosfera, jadi dos di permukaan Bumi kurang daripada 0.2 μSv/j. Makin tinggi dari permukaan Bumi, makin kuat sinaran kosmik. Itulah sebab juruterbang, pramugara dan pramugari terdedah kepada dos yang melebihi tahap selamat dan waktu kerja mereka di udara dihadkan.
8.4Kegunaan sinaran radioaktif
| Bidang | Kegunaan |
|---|---|
| Arkeologi atau geokronologi | Pentarikhan karbon-14: organisme hidup menyerap karbon dioksida yang mengandungi C-12 stabil dan C-14 radioaktif, jadi peratus C-14 dalam tisu tidak berubah. Selepas organisma mati, C-14 mereput dengan memancarkan sinar beta (T½ = 5 700 tahun). Keaktifan C-14 menentukan usia tulang dinosaur atau bahan purba. |
| Perindustrian | Kawalan ketebalan kepingan logam: kepingan dilalukan antara sumber sinar beta dengan alat pengesan. Jika alat pengesan mengesan terlalu banyak sinar beta, kepingan logam terlalu nipis. |
| Pertanian | Fosforus-32 (P-32) menentukan kadar penyerapan baja fosfat dalam tumbuhan. Sinaran radioaktif membunuh kumbang, mengawal populasi serangga perosak secara pemandulan, memilih jenis baja fosfat yang terbaik dan mengubah ciri tumbuhan. |
| Perubatan | Sinar gama daripada Cs-137 atau Co-60 membunuh sel kanser; Na-24 menentukan tempat bekuan darah; Tc-99 merawat tumor otak; Co-60 membasmi kuman; I-131 merawat kelenjar tiroid. |
| Pengawetan makanan | Sinar gama membunuh bakteria dalam makanan, contohnya buah-buahan. Logo Radura melabel makanan yang diawet dengan sinaran radioaktif. |
| Pertahanan | Bom nuklear: sinaran radioaktif dalam letupan memusnahkan hampir semua hidupan dan kesannya wujud untuk beberapa generasi. |
Contoh: pentarikhan karbon-14
Suatu fosil mempunyai satu perempat daripada keaktifan C-14 organisma hidup. Satu perempat = 2 separuh hayat (1 → ½ → ¼).Usia = 2 × 5 700 = 11 400 tahun.
Mengendalikan bahan radioaktif dan sisa radioaktif dengan selamat dan sempurna
- Menyimpan sumber radioaktif atau sisa radioaktif di dalam kotak berdinding plumbum yang tebal.
- Bahan radioaktif diadang dengan kepingan plumbum yang tebal.
- Tangan robotik digunakan untuk mengendalikan bahan radioaktif dengan selamat.
- Memakai pakaian perlindungan yang sesuai.
- Mengesan dos sinaran yang diserap ke dalam badan dengan alat pengesan seperti lencana sinaran.
- Pembuangan sisa radioaktif dilakukan dengan selamat dan sempurna.
Plumbum digunakan kerana sinar gama menembusi kebanyakan bahan. Kelemahannya, plumbum berat, jadi pakaian perlindungan daripada plumbum sukar dipakai lama.
Unsur buatan yang pertama, fosforus-30 (P-30), dicipta oleh Irene Joliot-Curie, anak perempuan Marie Curie. Sejak tahun 1934, banyak unsur radioaktif buatan telah dihasilkan oleh ahli sains. Kita bersyukur atas kepentingan keradioaktifan untuk kesejahteraan hidup manusia dan menggunakannya dengan bertanggungjawab.
Rumusan
| Ingat | Fakta penting |
|---|---|
| Penemuan | Roentgen: sinar-X (1895); Becquerel: keradioaktifan (1896); Marie dan Pierre Curie: polonium dan radium (1897) |
| Keradioaktifan | Pereputan rawak dan spontan nukleus yang tidak stabil; memancarkan α, β atau γ |
| Unit | Bq (1 pereputan/s) dan Ci (3.7 × 1010 Bq) |
| Separuh hayat | Masa untuk nukleus yang belum mereput (atau keaktifan) menjadi setengah |
| Ion | Menderma elektron: ion positif; menerima elektron: ion negatif |
| Kuasa pengionan | α > β > γ; kuasa penembusan γ > β > α |
| Aras selamat | Dos sinaran latar belakang kurang daripada 0.2 μSv/j |