Kimia nuklir mengkaji sifat dan reaksi inti atom, mencakup radioaktivitas, transformasi nuklir, dan aplikasi praktis radionuklida. Nuklida dikarakterisasi oleh nomor atom Z (jumlah proton) dan nomor massa A (total nukleon). Nuklida dengan Z sama tetapi A berbeda adalah isotop. Stabilitas inti bergantung pada rasio neutron-terhadap-proton (N/Z). Untuk unsur ringan (Z ≤ 20), inti stabil memiliki N/Z ≈ 1. Saat Z meningkat, rasio N/Z stabil naik menjadi sekitar 1,5 untuk unsur berat karena neutron tambahan memberikan gaya tarik kuat tanpa meningkatkan tolakan Coulomb. Sabuk stabilitas pada plot N versus Z mendefinisikan daerah nuklida stabil.

Jenis Peluruhan Radioaktif

Inti tidak stabil mencapai stabilitas yang lebih besar melalui beberapa mode peluruhan. Peluruhan alfa (α) melibatkan emisi inti ⁴He²⁺, mengurangi A sebesar 4 dan Z sebesar 2. Peluruhan alfa paling umum untuk unsur berat (Z > 83) dan partikel α yang dipancarkan memiliki energi diskrit yang khas dari nuklida induk. Peluruhan beta-minus (β⁻) mengubah neutron menjadi proton dengan emisi elektron dan antineutrino: n → p + e⁻ + ν̅_e. Ini meningkatkan Z sebesar 1 sementara A tetap konstan. Peluruhan beta-plus (β⁺, emisi positron) mengubah proton menjadi neutron: p → n + e⁺ + ν_e. Tangkapan elektron (EC) adalah alternatif untuk peluruhan β⁺ di mana inti menangkap elektron kulit-dalam, mengubah proton menjadi neutron. Emisi gamma (γ) mengikuti proses peluruhan lainnya ketika inti anak terbentuk dalam keadaan tereksitasi; ia melepaskan energi berlebih sebagai foton energi-tinggi tanpa mengubah Z atau A.

Kinetika Peluruhan Radioaktif

Peluruhan radioaktif mengikuti kinetika orde-pertama. Laju peluruhan (aktivitas A) sebanding dengan jumlah atom radioaktif N: A = λN, di mana λ adalah konstanta peluruhan. Hukum laju terintegrasi adalah N = N₀e^{-λt}, dan waktu paruh t_{½} = ln2/λ = 0,693/λ. Waktu paruh berkisar dari fraksi detik hingga miliaran tahun. Waktu hidup rata-rata τ = 1/λ. Untuk serangkaian peluruhan radioaktif (rantai peluruhan), kesetimbangan sekuler tercapai ketika aktivitas induk berumur-panjang sama dengan aktivitas anaknya yang berumur-pendek. Penanggalan radiometrik menggunakan waktu paruh yang diketahui untuk menentukan usia material: penanggalan radiokarbon (¹⁴C, t½ = 5730 tahun) untuk material organik hingga ~50.000 tahun, dan penanggalan uranium-timbal (²³⁸U → ²⁰⁶Pb, t½ = 4,47 × 10⁹ tahun) untuk sampel geologis.

Fisi dan Fusi Nuklir

Fisi nuklir melibatkan pembelahan inti berat (mis., ²³⁵U atau ²³⁹Pu) menjadi dua inti yang lebih kecil, disertai pelepasan neutron dan energi. Fisi ²³⁵U dapat diinduksi oleh absorpsi neutron termal: ²³⁵U + n → ²³⁶U* → produk fisi + 2-3 n + ~200 MeV. Neutron yang dipancarkan dapat menginduksi fisi lebih lanjut, menciptakan reaksi berantai yang mandiri. Reaktor nuklir mengendalikan reaksi berantai ini menggunakan batang kendali (B, Cd, Hf) yang menyerap neutron dan moderator (H₂O, D₂O, grafit) yang memperlambat neutron ke energi termal. Fusi nuklir menggabungkan inti ringan menjadi yang lebih berat, melepaskan lebih banyak energi per nukleon. Fusi deuterium dan tritium: ²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 MeV adalah yang paling menjanjikan untuk produksi energi, tetapi mencapai suhu yang diperlukan (~100 juta K) dan kurungan tetap merupakan tantangan teknik yang berat.

Energi Ikat dan Model Inti

Massa inti selalu lebih kecil dari jumlah massa proton dan neutron penyusunnya. Cacat massa (Δm) ini sesuai dengan energi ikat nuklir melalui persamaan Einstein: E = Δmc². Energi ikat per nukleon memuncak pada sekitar 8,8 MeV untuk besi-56 (inti paling stabil), menurun untuk unsur yang lebih ringan dan lebih berat. Kurva ini menjelaskan mengapa energi dilepaskan dalam fisi (membelah inti berat) dan fusi (menggabungkan inti ringan). Model tetesan cairan memperlakukan inti sebagai fluida bermuatan tak-terkompresi dan mereproduksi tren umum energi ikat melalui rumus massa semi-empiris, memperhitungkan suku volume, permukaan, Coulomb, asimetri, dan pasangan. Model kulit menjelaskan bilangan ajaib (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) di mana inti memiliki stabilitas yang ditingkatkan karena kulit nukleon yang terisi.

Teknik Radiokimia

Radiokimia menggunakan metode sensitif berdasarkan deteksi radioaktivitas. Analisis pengenceran isotopik menambahkan jumlah isotop radioaktif yang diketahui ke sampel; setelah isolasi kimia, penurunan aktivitas spesifik mengungkapkan jumlah analit non-radioaktif yang awalnya ada. Analisis aktivasi neutron (NAA) adalah teknik analisis unsur yang sangat sensitif: sampel diiradiasi dengan neutron, menginduksi radioaktivitas pada unsur yang ada. Sinar gamma karakteristik yang dipancarkan oleh setiap radionuklida kemudian diukur, memberikan identifikasi kualitatif dan penentuan kuantitatif hingga 70 unsur pada tingkat bagian-per-miliar. Autoradiografi menggunakan film fotografi atau pelat pencitraan untuk memvisualisasikan distribusi radioaktivitas dalam sampel biologis atau geologis. Pemisahan radiokimia memanfaatkan perbedaan perilaku kimia antara unsur; pertukaran ion dan ekstraksi pelarut adalah metode umum untuk mengisolasi radionuklida tertentu dari campuran kompleks.

Aplikasi dalam Kedokteran, Penanggalan, dan Lingkungan

Radioisotop memiliki aplikasi transformatif. Dalam kedokteran, teknetium-99m (t½ = 6 jam, emisi γ pada 140 keV) digunakan dalam ~85% prosedur kedokteran nuklir diagnostik, termasuk pemindaian tulang, pencitraan jantung, dan pencitraan otak. Fluorin-18 (t½ = 110 menit, pemancar β⁺) adalah andalan tomografi emisi positron (PET), dimasukkan ke dalam FDG (fluorodeoksiglukosa) untuk pencitraan kanker. Iodin-131 (t½ = 8 hari, β⁻ dan γ) digunakan untuk terapi kanker tiroid. Kobalt-60 (pemancar γ, t½ = 5,27 tahun) digunakan dalam radioterapi untuk pengobatan kanker. Penanggalan radiokarbon artefak arkeologis dan sampel geologis bergantung pada laju produksi konstan ¹⁴C di atmosfer atas oleh neutron sinar kosmik. Pemantauan radioaktivitas lingkungan melacak jatuhan dari kecelakaan nuklir (Chernobyl, Fukushima), dan radionuklida seperti ¹³⁷Cs dan ⁹⁰Sr berfungsi sebagai pelacak untuk mempelajari arus laut, erosi tanah, dan proses transportasi atmosfer.