Radioaktivitas: Sinar Alfa, Beta, Gamma — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa membedakan sinar alfa, beta, dan gamma dari komposisi, daya tembus, dan daya pengionannya, serta menjelaskan pembelokannya di medan magnet.

Marie Curie menyimpan sampel radium di saku jasnya sekembalinya dari laboratorium — dan beberapa minggu kemudian kulitnya melepuis. Henri Becquerel membawa tabung radium di kantong rompi, dan perutnya terbakar. Keduanya tidak tahu bahwa sinar yang keluar dari inti tak stabil itu datang dalam tiga jenis berbeda: alfa, beta, gamma — masing-masing menembus benda berbeda dalam, masing-masing mengionkan sel berbeda kuat. Tiga sinar itu lahir dari tiga mekanisme peluruhan inti yang berbeda. Geser slider ketebalan penghalang di bawah, dan saksikan ketiganya melemah pada laju yang sangat berbeda.

Geser slider ketebalan penghalang dan amati tiga kurva pelemahan sinar alfa, beta, gamma yang berbeda curam.

Tiga jenis peluruhan, tiga jenis sinar

Saat inti tak stabil meluruh menuju konfigurasi yang lebih stabil, ia memancarkan partikel atau foton. Tiga jenis sinar yang dipancarkan — alfa, beta, gamma — masing-masing lahir dari mekanisme peluruhan yang berbeda, dan karenanya punya komposisi serta sifat yang sangat berbeda.

Sinar alfa ( $\alpha$ ) adalah inti helium ${}^{4}_{2}\text{He}$ (dua proton, dua neutron) yang dipancarkan saat inti berat meluruh. Sinar beta ( $\beta$ ) adalah elektron (beta minus, $\beta^{-}$ ) atau positron (beta plus, $\beta^{+}$ ) kecepatan tinggi yang dipancarkan saat neutron berubah menjadi proton (atau sebaliknya). Sinar gamma ( $\gamma$ ) adalah foton energi tinggi (gelombang elektromagnetik) yang dipancarkan saat inti tereksitasi kembali ke tingkat dasar.

Sifat	Alfa ( $\alpha$ )	Beta ( $\beta$ )	Gamma ( $\gamma$ )
Komposisi	Inti ${}^{4}_{2}\text{He}$	Elektron/positron	Foton EM
Muatan	$+2e$	$\pm e$	0 (netral)
Massa	4 smu	~1/1836 smu	Tak bermassa
Kecepatan	~5% c	~90% c	$c$ (cepat rambat cahaya)

Bayangkan tiga peluru berbeda: alfa seperti bola bowling berat yang lambat — menumbuk apa pun di depannya dan berhenti di halangan pertama (kertas sekalipun), tapi merusak hebat di titik tumbukan. Beta seperti peluru kecil yang gesit — menembus beberapa penghalang sebelum berhenti. Gamma seperti sorot senter tak bermassa — bisa menembus dinding tebal walau meredup sepanjang jalan.

Daya tembus vs daya pengionan

Karena muatan dan massanya yang berbeda, ketiga sinar mempunyai daya tembus (seberapa jauh menembus materi) dan daya pengionan (seberapa kuat mengionkan atom yang dilalui) yang berbanding terbalik. Sinar alfa paling berat dan bermuatan besar, sehingga paling kuat mengionkan atom yang dilewatinya — tetapi justru karena itu ia cepat kehilangan energi dan berhenti dalam jarak sangat pendek.

$\text{Daya pengionan} \propto \frac{q^2}{v^2}, \qquad \text{jangkauan} \propto \frac{1}{\text{daya pengionan}}$

Arti tiap simbol: $q$ = muatan partikel, $v$ = kelajuannya. Makin besar muatan dan makin lambat partikel, makin kuat ia menarik/mendorong elektron atom medium yang dilalui (mengionkan), tetapi makin cepat energinya habis dan makin pendek jangkauannya.

Alfa paling kuat mengionkan (paling berbahaya bila masuk ke dalam tubuh) tetapi paling lemah menembus — selembar kertas atau beberapa cm udara cukup menghentikannya. Beta menengah di keduanya. Gamma paling lemah mengionkan tetapi paling kuat menembus — butuh beberapa cm timbal atau beton tebal untuk meredamnya.

Grafik di bawah menampilkan jangkauan ketiga sinar di udara. Geser slider untuk melihat perbedaan skala yang dramatis.

Kurva pelemahan eksponensial dan bahan penahan

Untuk sinar gamma (dan beta pada tingkat tertentu), pelemahan oleh materi mengikuti hukum eksponensial: tiap lapisan bahan yang sama tebalnya mengurangi intensitas dengan pecahan yang sama. Inilah dasar pemilihan bahan pelindung radiasi.

$I(x) = I_0 \, e^{-\mu x}$

Arti tiap simbol: $I(x)$ = intensitas tersisa setelah bahan setebal $x$ , $I_0$ = intensitas mula-mula, $\mu$ = koefisien pelemahan linier (tergantung bahan dan jenis sinar), $x$ = ketebalan bahan. Untuk sinar gamma pada timbal $\mu$ besar (pelemahan cepat), pada beton $\mu$ kecil.

Grafik di bawah membandingkan daya tembus ketiga sinar secara kuantitatif terhadap ketebalan penghalang, dengan menyoroti hubungan timbal balik dengan daya pengionan.

Pembelokan di medan magnet

Karena alfa bermuatan positif, beta (minus) bermuatan negatif, dan gamma tak bermuatan, ketiganya berperilaku berbeda saat melewati medan magnet. Gaya Lorentz $\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}$ membengkokkan lintasan partikel bermuatan — alfa dan beta ke arah berlawanan, gamma lurus terus.

Grafik di bawah mengilustrasikan simpangan horizontal partikel saat melewati medan magnet seragam. Alfa dan beta dibelokkan ke arah berlawanan; gamma tak terpengaruh.

Walaupun fisika inti tidak masuk cakupan resmi TKA Fisika (kelistrikan TKA terbatas statis + arus searah), radioaktivitas dan jenis sinar adalah materi wajib ujian sekolah kelas 12 dan sering muncul di olimpiade. Tip soal lazim: (1) pasangkan jenis sinar dengan bahan penah yang tepat; (2) urutkan ketiga sinar berdasarkan daya tembus atau daya pengionan; (3) prediksi arah pembelokan di medan magnet. Jebakan klasik: menganggap alfa paling berbahaya karena paling kuat mengionkan — padahal dari luar tubuh alfa paling aman karena selembar kertas menghentikannya; bahaya utama alfa bila sumber tertelan/dihirup.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. (a) Urutkan ketiga sinar (alfa, beta, gamma) dari daya tembus paling lemah ke paling kuat. (b) Sebuah sumber memancarkan sinar yang berhenti total setelah menembus selembar kertas. Jenis sinar apakah itu? (c) Bila sumber yang sama dibawa melewati medan magnet kuat, apakah sinar itu akan dibelokkan? Jelaskan.

Daya tembus berbanding terbalik dengan daya pengionan. Alfa paling kuat mengionkan sehingga paling lemah menembus (berhenti di kertas/udara). Gamma paling lemah mengionkan sehingga paling kuat menembus (butuh timbal tebal). Urutan daya tembus dari lemah ke kuat: alfa < beta < gamma.

Sinar yang berhenti total setelah selembar kertas adalah sinar alfa. Alfa (inti ${}^{4}_{2}\text{He}$ ) paling berat dan paling bermuatan, sehingga paling cepat kehilangan energi di materi — beberapa cm udara atau selembar kertas sudah cukup menghentikannya.

Alfa bermuatan $+2e$ (positif), jadi ia akan dibelokkan oleh medan magnet — ke satu arah tertentu sesuai kaidah tangan kanan pada gaya Lorentz $\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}$ . Arah belokan alfa berlawanan dengan beta minus (yang bermuatan negatif). Sebaliknya, sinar gamma yang netral tak akan dibelokkan.

Jebakan: menganggap alfa paling berbahaya secara umum karena paling kuat mengionkan. Yang benar: alfa paling berbahaya bila tertelan/dihirup (kontak langsung dengan sel dalam), tetapi paling aman dari luar tubuh karena selembar kertas atau kulit sudah menghentikannya. Bahaya radiasi bergantung pada jalur paparan, bukan hanya daya pengionan.

Jebakan: menyamakan beta minus (elektron) dengan beta plus (positron) sebagai sinar yang sama. Yang benar: keduanya disebut sinar beta, tetapi muatannya berlawanan — $\beta^{-}$ bermuatan negatif (elektron), $\beta^{+}$ bermuatan positif (positron). Akibatnya, keduanya dibelokkan ke arah berlawanan di medan magnet.

Jebakan: mengira sinar gamma dibelokkan oleh medan magnet seperti alfa dan beta. Yang benar: gamma tak bermuatan (foton netral), sehingga gaya Lorentz $\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}$ tidak bekerja padanya — gamma lurus terus. Inilah cara paling cepat membedakan sumber gamma dari sumber bermuatan di laboratorium.

Tiga sinar radioaktif: alfa (inti ${}^{4}_{2}\text{He}$ , $+2e$ ), beta (elektron/positron, $\pm e$ ), gamma (foton EM, netral).
Daya pengionan: alfa > beta > gamma; daya tembus: gamma > beta > alfa (berbanding terbalik).
Alfa dihentikan kertas/udara, beta oleh aluminium, gamma oleh timbal tebal.
Pembelokan medan magnet: alfa ke satu arah, beta minus ke arah berlawanan, gamma tak dibelokkan (netral).
Alfa paling berbahaya bila tertelan (daya pengionan tinggi), paling aman dari luar (daya tembus rendah).