Radioterapi - Struktur Atom dan Interaksi Elektron

Partikel penyusun atom adalah: 

▪ Proton 

▪ Neutron 

▪ Elektron 

Proton dan neutron dikenal sebagai nukleon dan membentuk inti atom. Nomor atom Z Jumlah proton dan jumlah elektron dalam sebuah atom.

Nomor massa atom A adalah Jumlah nukleon (Z + N) dalam sebuah atom, dimana Z adalah jumlah proton (nomor atom) dalam sebuah atom, N adalah jumlah neutron dalam sebuah atom. Tidak ada hubungan dasar antara nomor massa atom A dan nomor atom Z dari sebuah inti, tetapi hubungan empiris:

Gram-atom atom didefinisikan sebagai jumlah gram suatu senyawa atom yang mengandung tepat satu nomor atom Avogadro, yaitu:

Nomor massa atom A dari semua unsur ditentukan sehingga dalam gram setiap unsur mengandung atom NA dengan tepat.

Gram-mol molekuler didefinisikan sebagai jumlah gram senyawa molekuler yang mengandung tepat satu jumlah molekul Avogadro. Massa molekul adalah jumlah dari massa atom yang menyusun molekul tersebut.

Massa atom M dinyatakan dalam satuan massa atom u

▪ 1 u sama dengan 1/12 massa atom karbon-12 atau 931,5 MeV / c2.

▪ Massa atom M lebih kecil dari jumlah massa individu partikel penyusun karena energi intrinsik yang terkait dengan pengikatan partikel (nukleon) di dalam inti.

Massa inti M didefinisikan sebagai massa atom dengan massa elektron orbital atom dikurangi, yaitu:

Energi pengikatan elektron orbital ke inti diabaikan.

    Model atom Rutherford didasarkan pada hasil eksperimen GeigerMarsden tahun 1909 dengan partikel alfa 5,5 MeV yang tersebar di lembaran emas tipis dengan ketebalan sekitar 10-6 m.

Pada saat eksperimen Geiger-Marsden, model atom Thomson adalah model atom yang berlaku. Model ini didasarkan pada asumsi bahwa muatan positif dan negatif (elektron) atom terdistribusi secara seragam di atas volume atom (“model puding plum”). Geiger dan Marsden menemukan bahwa lebih dari 99% partikel alfa yang terjadi pada lembaran emas tersebar pada sudut hamburan kurang dari 3o dan distribusi partikel alfa yang tersebar mengikuti bentuk Gaussian. Geiger dan Marsden juga menemukan bahwa kira-kira satu dari 104 partikel alfa tersebar dengan sudut hamburan melebihi 90o (probabilitas 10-4) Temuan ini bertentangan drastis dengan prediksi teoritis satu tahun 103500 yang dihasilkan dari model atom Thomson (probabilitas 10-3500).

    Ernest Rutherford menyimpulkan bahwa hasil aneh dari eksperimen Geiger-Marsden tidak mendukung model atom Thomson dan mengusulkan model atom yang diterima saat ini di mana:

▪ Massa dan muatan positif atom terkonsentrasi di inti yang berukuran 10-15 m.

▪ Elektron bermuatan negatif berputar di sekitar inti dalam awan bola di pinggiran atom Rutherford dengan radius orde 10-10 m.

    Berdasarkan model dan empat asumsi tambahannya, Rutherford menurunkan kinematika untuk hamburan partikel alfa pada inti emas menggunakan prinsip dasar mekanika klasik. Empat asumsi terkait dengan:

▪ Massa inti emas. 

▪ Hamburan partikel alfa. 

▪ Penetrasi inti. 

▪ Energi kinetik partikel alfa.

    Empat asumsi tersebut adalah:

▪ Massa inti emas >> massa partikel alfa.

▪ Hamburan partikel alfa pada elektron atom dapat diabaikan.

▪ Partikel alfa tidak menembus inti, artinya tidak ada reaksi nuklir yang terjadi.

▪ Partikel alfa dengan energi kinetik dengan orde beberapa MeV adalah non-relativistik dan hubungan klasik sederhana untuk energi kinetik EK dari partikel alfa adalah valid:

    Niels Bohr pada tahun 1913 menggabungkan konsep Rutherford tentang atom nuklir dengan gagasan Planck tentang sifat terkuantisasi dari proses radiasi dan mengembangkan model atom yang berhasil menangani struktur satu elektron, seperti atom hidrogen, helium terionisasi tunggal, dll.

Model atom Bohr didasarkan pada empat postulat:

▪ Postulat 1: Elektron berputar di sekitar inti Rutherford orbit yang diperbolehkan dan terdefinisi dengan baik (gerakan mirip planet).

▪ Postulat 2: Saat berada di orbit, elektron tidak kehilangan energinya meskipun terus-menerus dipercepat (tidak ada energi yang hilang dan elektron berada di orbit yang diizinkan).

▪ Postulat 3: Momentum sudut elektron dalam orbit yang diizinkan dikuantisasi (kuantisasi momentum sudut).

▪ Postulat 4: Sebuah atom memancarkan radiasi hanya jika sebuah elektron melakukan transisi dari satu orbit ke orbit lain (emisi energi selama transisi orbital) 

Model atom Bohr didasarkan pada empat postulat

ü  Postulat 1: Gerakan planet electron

ü  Elektron berputar di sekitar inti Rutherfordorbit yang diperbolehkan dan terdefinisi dengan baik.

ü  Gaya tarik Coulomb antaraelektron dan inti bermuatan positifdiimbangi dengan gaya sentrifugal.

ü  Postulat 2 : Tidak ada kehilangan energi saat elektron berada di orbit.

ü  Saat berada di orbit, elektron tidak kehilangan energinyameski terus-menerus dipercepat.

ü  Ini adalah pelanggaran langsung dari hukum dasaralam (hukum Larmor) yang menyatakan bahwa:“Setiap kali partikel bermuatan dipercepat ataubagian yang melambat dari energinya dipancarkan dalam bentukdari foton (bremsstrahlung) ”.

ü  Postulat 3 : Kuantisasi momentum sudut

ü  Momentum sudut I = m.vr electron dalam sebuahorbit yang diizinkan dikuantisasi dan diberikan sebagai,dimana n adalah bilangan bulat yang disebut prinsipalbilangan kuantum dan n = h / 2π

ü  Momentum sudut elektron serendah mungkindalam orbit yang diizinkan adalah.

ü  Semua momen sudut elektron orbital atom adalahkelipatan bilangan bulat dari          

ü  Postulat 4 : Emisi foton selama transisi atom.

ü  Sebuah atom memancarkan radiasi hanya jika sebuah elektronmelakukan transisi dari orbit awal yang diizinkandengan bilangan kuantum nsayake orbit terakhir denganbilangan kuantum nf.

ü  Energi foton yang dipancarkan sama denganperbedaan energi antara dua orbit atom.hν = E_i- E_f

Baik Rutherford dan Bohr menggunakan mekanika klasik di dalamnyapenemuan struktur atom dan kinematika darigerak elektronik, masing-masing.▪Rutherford memperkenalkan gagasan tentang inti atom yang mengandung paling banyakdari massa atom dan 5 kali lipat lebih kecil dariatom.▪Bohr memperkenalkan gagasan momentum sudut elektronikkuantisasi. Alam memberi Rutherford sebuah probe atom (secara alamiterjadi partikel alfa) yang hanya memiliki energi yang sesuai(beberapa MeV) untuk menyelidiki atom tanpa harus berurusan denganefek relativistik dan penetrasi nuklir.▪Nature disediakan Bohr dengan hidrogen satu-elektron atom didimana elektron dapat diperlakukan dengan klasikal sederhanahubungan.

Diagram tingkat energiuntuk atom hidrogen.n = 1keadaan dasar n> 1 keadaan bersemangat Jumlah gelombang yang dipancarkan foton :

Teori Bohr bekerja dengan baik untuk struktur satu elektron tetapi tidak berlakulangsung ke atom multi-elektron karena Coulomb repulsifinteraksi antara elektron atom.

▪Elektron menempati kulit yang diizinkan; Namun, jumlah elektronnyaper cangkang dibatasi hingga 2n² .

▪Diagram tingkat energi atom multi-elektron mirip dengan diagram satu-struktur elektron, kecuali elektron kulit dalam yang terikatenergi yang jauh lebih besar dari pada E.

 Douglas Hartree mengusulkan perkiraan yang memprediksi energitingkat dan jari-jari atom multi-elektron cukup baik meskipun demikian kesederhanaan yang melekat.▪Hartree berasumsi bahwa potensial yang terlihat oleh elektron atom tertentu adalah

dimana Zeff adalah atom efektifjumlah yang menyumbang potensiefek skrining orbitalelektron (Zeff < Z) Zeff untuk K-shell ( n = 1) elektron adalah Z - 2. Zeff untuk elektron kulit terluar kira-kira sama dengan n.

Sebagian besar massa atom terkonsentrasi di inti atomterdiri dari proton Z dan neutron AZ dimana Z adalah atomnyanomor dan A nomor massa atom (atom Rutherford-Bohrmodel).▪Proton dan neutron biasa disebut nukleon dan areterikat ke inti dengan gaya yang kuat. Berbeda dengan gaya elektrostatis dan gravitasi yang sedangberbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara duapartikel, gaya kuat antara dua partikel sangat pendekrange force , aktif hanya pada jarak orde beberapafemtometer.Radius r inti diperkirakan dari:,dimana r_o adalah konstanta jari-jari inti (1.4 fm). r = r_o. Jumlah massa dari masing-masing komponen inti itumengandung proton Z dan ( AZ ) neutron lebih besar dari massanukleus M. Perbedaan massa ini disebut cacat massa (defisit)dan energi yang setara :∆ m disebut energi ikat total E_Bdari inti.

Reaksi nuklir : massaA + a = B + b atau A (a, b) B Proyektil ( a ) membombardir target ( A )yang diubah menjadi inti ( B ) dan ( b ).Besaran fisik terpenting yang dilestarikan dalam areaksi nuklir adalah:

ü  Mengisi Nomor massa

ü  Momentum linier

ü  Energi massa

Energi ambang kinetik untuk reaksi nuklir adalah yang terkecilnilai energi kinetik proyektil di mana reaksi akan berlangsung.

Radioaktivitas adalah proses dimana inti yang tidak stabil (induk)membusuk menjadi konfigurasi nuklir baru  yang mungkin stabil atau tidak stabil.▪Jika putrinya tidak stabil, itu akan membusuk lebih jauh melalui rantaimeluruh sampai konfigurasi yang stabil tercapai. Henri Becquerel menemukan radioaktivitas pada tahun 1896 .▪Nama lain yang digunakan untuk peluruhan radioaktif adalah:

ü  Peluruhan nuklir

ü  Disintegrasi nuklir

ü  Transformasi nuklir

ü  Transmutasi nuklir

ü   Peluruhan radioaktif

Peluruhan radioaktif melibatkan transisi dari keadaan kuantumorang tua P ke keadaan kuantum putri D.

▪Perbedaan energi antara dua keadaan kuantum disebutenergi peluruhan Q

▪Energi peluruhan Q dipancarkan: dalam bentuk radiasi elektromagnetik (sinar gamma)atau dalam bentuk energi kinetik produk reaksi.

Semua proses radioaktif diatur oleh formalisme yang samaberdasarkan:

ü  Parameter karakteristik yang disebut konstanta peluruhan

ü  Aktivitas A(t) didefinisikan sebagai λ N ( t )dimana N ( t )adalah jumlah radioaktifinti pada waktu t.

A ( t ) = λ N

Aktivitas spesifik a adalah aktivitas induk per satuan massa.

Aktivitas mewakili jumlah total disintegrasi (peluruhan)inti induk per satuan waktu.▪Satuan SI untuk kegiatan adalah becquerel (1 Bq = 1 s -1 ).Baik becquerel dan hertz sama dengan s -1 namun hertz menyatakanfrekuensi gerakan periodik, sedangkan becquerel mengekspresikan aktivitas .Unit aktivitas yang lebih tua adalah curie .(1 Ci = 3,7 × 1010s-1), aslinyadidefinisikan sebagai aktivitas 1 g radium-226.Saat ini aktivitas 1 g radium-226 adalah 0,988 Ci.

Radioaktivasi nuklida terjadi jika nuklida induk P adalahdibombardir dengan neutron termal di reaktor nuklir danberubah menjadi nuklida anak radioaktif D yang meluruh menjadi acucu nuclide G. Contoh penting dari aktivasi nuklir adalah produksikobalt-60 radionuklida melalui penembakan stabil kobalt-59 dengan neutron termal.

ü  Untuk cobalt-59 penampang melintang σ adalah 37 b / atom

ü  Laju fluence reaktor tipikal berada pada urutan 10¹⁴. cm-2 ∙ s -1

Peluruhan radioaktif adalah proses dimana inti yang tidak stabil mencapai akonfigurasi yang lebih stabil.Ada empat mode utama peluruhan radioaktif :

ü  Peluruhan alfa

ü  Peluruhan beta

·         Beta plus pembusukan

·         Beta dikurangi peluruhan

·         Penangkapan electron

ü  Peluruhan gamma

·         Peluruhan gamma murni

·         Konversi internal

ü  Pembelahan spontan

Transformasi nuklir biasanya disertai dengan emisipartikel energik (partikel bermuatan, partikel netral, foton,neutrino)

ü  Peluruhan radioaktif

·         Peluruhan alfa

·         Beta plus pembusukan

·         Beta dikurangi peluruhan

·         Penangkapan electron

·         Peluruhan gamma murnifoton

·         Konversi internal elektron orbital

·         Pembelahan spontan

ü  Partikel yang dipancarkan

·         α Partikel

·         β +partikel (positron), neutrino

·         β - partikel (elektron), antineutrino

·         neutrino

·         elektron orbital

·         produk fisi

Dalam setiap transformasi inti sejumlah besaran fisik harusdilestarikan.Besaran fisik paling penting yang dilestarikan adalah: Energi tota, Momentum, Mengisi, Nomor atom, Nomor massa atom (jumlah nukleon).

Energi total partikel yang dilepaskan oleh proses transformasisama dengan penurunan bersih energi rihat atom netral,dari orang tua P ke anak perempuan D. peluruhan energi ( Q value) diberikan sebagai:

M (P), M (D), dan m adalah massa istirahat inti induk,putri dan partikel yang dipancarkan

Fisi spontan merupakan transformasi inti yang tinggiinti massa atom secara spontan membelah menjadi dua yang hampir samafragmen fisi. Dua hingga empat neutron dipancarkan selama fisi spontanproses. Fisi spontan mengikuti proses yang sama seperti fisi nuklirkecuali bahwa itu tidak mandiri, karena tidak menghasilkanlaju fluensi neutron diperlukan untuk mempertahankan "reaksi berantai".

Dalam praktiknya, fisi spontan hanya mungkin dilakukan secara energetiknuklida dengan massa atom di atas 230 u atau dengan. fisi spontan adalah proses yang bersaing untuk peluruhan alpha; itulebih tinggi A di atas uranium-238, yang lebih menonjol adalahfisi spontan dibandingkan dengan peluruhan alfa danlebih pendek adalah waktu paruh untuk fisi spontan.