SPHY6076 Pendahuluan Kedokteran Nuklir�Sub-bab: Peluruhan Inti dan Radioaktivitas
Elin Yusibani
1
Last Modified: Januari 2025
Referensi:
2
Pada seminar yang diselenggarakan oleh IAEA dan WHO pada tahun 1988 di Winna (Austria), yaitu Seminar on Training in Nuclear Medicine in Developing Countries, telah dirumuskan definisi Ilmu Kedokteran Nuklir sebagai berikut:
Nuclear Medicine is defined as a specialist which uses the nuclear properties of matter to investigate physiology and anatomy, diagnoses disease, and treat with unsealed sources of radionuclide.
3
Rontgen pada tahun 1895 menemukan sinar X
Henry Becquerel pada tahun 1896 di paris
Pierre dan Marie Curie selang beberapa waktu dari Becquerel melakukan ekstraksi uranium dari bahan tambang Pitcblende, menemukan dua unsur lain yang bersifat radioaktif (Polonium dan Radium).
Penemuan Sinar Radioaktif
4
+
+
+
-
Ke elektrometer yang mengukur arus ionisasi
Bahan radioaktif disebar pada keping
Kamar ionisasi Pierre-Curie untuk mengukur intensitas radioaktif
Ion-ion
Alat ini terdiri dari dua keping logam sejajar yang terpisah satu dengan lainnya yang ditempatkan pada kotak logam yang dibumikan (kamar ionisasi). Keping bawah dihubungkan dengan baterai.
Bahan radioaktif disebar pada keping bawah, keping bawah akan meradiasikan sinar dan dapat mengionisasi molekul udara di dalam kamar. Pergerakan ion akan menyebabkan arus yang akan diukur oleh elektrometer pada keping atas. Besarnya arus menunjukkan besarnya radioaktifitas bahan yang disebar di bawah pelat.
5
R
Menuju amplifier
Silinder metal
Jendela tipis
kawat
Gas
Pencacah Geiger Muller
Pencacah Geiger muller menggunakan tegangan yang cukup tinggi (200 V). Radiasi pengion yang masuk ke dalam tabung akan mengionisasi molekul gas yang ada di dalam tabung (cacahan 108-109). Pasangan ion tersebut akan diteruskan menjadi sebuah sinyal. Partikel bermuatan seperti α dan β dapat melakukan ionisasi secara langsung, sedangkan foton (gamma) melakukan ionisasi secara tidak langsung.
- (katoda)
+ (anoda)
Ion-ion yang terbentuk akan saling ditarik oleh kutub masing-masing sehingga akan menimbulkan turun tegangan dan terbaca sebagai cacahan (arus)
Sifat-sifat sinar radioaktif
6
Ernest Rutherford pada tahun 1899 menempatkan Radium di dasar sebuah kotak kecil dari bahan timbal. Dengan pengaruh medan magnet yang kuat berkas sinar Radium dipisahkan dalam tiga komponen.
γ
α
β
Komponen yang tidak dibelokkan adalah sinar gamma, yang dibelokkan ke arah kanan adalah sinar alfa (positive) sedangkan ke arah kiri adalah sinar beta (negative).
7
+
-
+
-
+
-
Sinar alfa
Sinar beta
Sinar gamma
Sebuah sinar radioaktif yang dilewatkan diantara dua keping paralel yang bermuatan listrik.
Sinar yang bermuatan positif (alfa) akan menuju pelat negatif (katoda), dan sebaliknya (beta) .
Sedangkan sinar yang tidak bermuatan akan diteruskan tanpa dibelokkan.
Sinar beta dibelokkan oleh medan magnet ataupun medan magnet dengan sangat kuat, artinya partikel beta memiliki massa yang kecil dibandingkan alfa.
8
Dengan ketebalan tertentu (x), ternyata intensitas (I) sinar radioaktif menjadi berkurang apabila melewati bahan.
μ adalah Koefisien atenuasi linear dan harganya tergantung dari energi foton sinar gamma dan sifat material penyerap.
HVL (Half Value Layer) adalah kondisi dimana bahan material tersebut menyerap sebagian intesitas yang masuk I=1/2 Io.
Alfa
Beta
Gamma
Kertas Al, 3mm Pb, 3cm
9
Peluruhan radioaktive secara alami terdiri dari unsur utama Uranium dan Thorium. Hal ini terjadi dikarenakan waktu paruh kedua unsur tersebut yang cukup panjang, yakni hampir seumur dengan umur bumi.
Selain peristiwa radioaktive secara alami, kita juga dapat melakukan radioaktive buatan di dalam labolatorium melalui sebuah reaksi inti. Pertama kali dilakukan oleh Irene Curie dan Pierre Joliot di tahun 1934, dimana mereka menembakkan partikel alfa yang berasal dari unsur radioaktive alamiah polonium pada aluminium dan menghasilkan isotop Po-30 dan positron (waktu paruh 2,5 min).
Dimana λ adalah konstanta peluruhan, dN/dt adalah probabilitas peluruhan per waktu.
N (t) adalah jumlah peluruhan akhir, No adalah jumlah unsur awal
HUKUM PELURUHAN RADIOAKTIVE
10
Apabila jumlah unsur menjadi setengah (t1/2) dari jumlah awal, kita dapatkan
Definisikan waktu hidup (lifetime) adalah τ, dimana
Definisikan aktivitas (A) dimana
A adalah jumlah peluruhan perwaktu (peluruhan/t)
11
Contoh Soal
Waktu paruh Au-198 adalah 2,7 hari. Berapakah aktivitas 1 mikrogram Au-198 setelah usia cuplikan satu minggu
Petunjuk cari
12
Contoh Soal
Waktu paruh Au-198 adalah 2,7 hari. Berapakah aktivitas 1 mikrogram Au-198 setelah usia cuplikan satu minggu
Jumlah atom mula-mula adalah, No
Aktivitas selama satu minggu
13
Contoh Soal
Suatu cuplikan gas CO2 dari atmosfer diisikan ke dalam sebuah bejana bervolume 200 cm3 hingga bertekanan 2 x 104 Pa pada suhu 295 K. Hitung aktifitas awal C-14
Petunjuk cari
14
Jawab
Tentukan jumlah mol gas CO2 yang terdapat dalam bejana (dari atmosfer)
fraksi atom C-14 dalam molekul CO2 adalah sebanyak 10-12
Aktifitas yang dihasilkan sebagai aktifitas awal (Ao)
Konstanta peluruhan (λ) didapat dari definisi waktu hidup (lifetime)
15
Radionuklida (nuklida radioaktif, radioisotop atau isotop radioaktif) adalah suatu isotop memancarkan zat radioaktif atau memiliki energi nuklir yang berlebih, sehingga membuat nuklida tersebut tidak stabil.
Radionuklida dapat memancarkan radiasi seperti partikel alfa, partikel beta, atau sinar gamma.
Radionuklida
Oleh Nuledo - https://www.nuledo.com/en/our-products/, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=62815544
Nuklida amerisium-241 buatan, pemancar Partikel alfa, dimasukkan ke dalam chamber untuk visualisasi
Radionuklida dapat terbentuk secara alamiah ataupun sengaja dibuat oleh manusia dengan menggunakan reaktor nuklir, akselerator partikel, atau generator radionuklida.
16
Radionuklida di alam terbagi dalam tiga kategori, yaitu radionuklida primordial, radionuklida sekunder, dan radionuklida kosmogenik.
RadioNuklida primordial atau isotop primordial adalah nuklida yang ditemukan di bumi yang telah ada saat sejak sebelum bumi ini terbentuk. Nuklida ini masih ada karena memiliki waktu paruh yang sangat lama, sehingga belum sepenuhnya meluruh. Radionuklida primordial diproduksi dalam nukleosintesis bintang dan ledakan supernova bersama dengan nuklida stabil.
Radionuklida sekunder adalah isotop radiogenik yang berasal dari peluruhan radionuklida primordial. Radionuklida sekunder memiliki waktu paruh yang lebih pendek dibanding dengan radionuklida primordial. Radionuklida ini muncul dalam rantai peluruhan isotop primordial thorium-232, uranium-238, dan uranium-235. Contohnya yaitu termasuk isotop alami polonium dan radium.
Nuklida kosmogenik atau Isotop kosmogenik adalah isotop yang dihasilkan oleh interaksi sinar kosmik dengan inti atom. Nuklida kosmogenik diproduksi di meteorit dan bahan luar angkasa lainnya yang berada di atmosfer bumi. Contohnya karbon-14 yang dihasilkan oleh reaksi 14N (n,p) 14C dan terbentuk di atmosfer akibat dari sinar kosmik.
17
Tipe peluruhan
Terdapat tiga jenis tipe peluruhan yaitu peluruhan alfa (α), beta (β) dan gamma (γ). Di dalam peluruhan alfa dan beta, inti atom yang tidak stabil akan meluruhkan alfa dan beta untuk mencapai kestabilan menjadi inti atom lain. Di dalam peluruhan gamma, peluruhan terjadi tanpa merubah jenis inti atom.
Radioaktivitas Alam
Di bumi terdapat aktivitas radioaktive alam yang berlangsung cukup lama yakni
Nama Deret | Tipe | Unsur stabil | Waktu paruh |
Thorium-232 | 4n | Pb-208 | 1,39x10E10 thn |
Neptunium-232 | 4n+1 | Bi-209 | 2,14x10E6 thn |
Uranium-238 | 4n+2 | Pb-208 | 4,5x10E9 thn |
Actinium (U-235) | 4n+3 | Pb-207 | 1,39x10E8 thn |
18
19
20
Selain terbentuk secara alami, radionuklida juga dapat terbentuk secara sintetis atau buatan dengan menggunakan reaktor nuklir, akselerator partikel, atau generator radionuklida. Contohnya yaitu technetium-95 dan promethium-146. Banyak diantaranya ditemukan di perakitan bahan bakar bekas (nuklir).
Dalam proses pembentukan radionuklida, reaktor nuklir adalah yang paling cocok digunakan untuk memproduksi radioisotop kaya neutron, contohnya molibdenum-99.
Sedangkan siklotron paling cocok digunakan untuk memproduksi radioisotop kaya proton, contohnya fluor-18.
21
Bidang pengobatan
Penggunaan kobalt-60 (Co-60) pada mesin teleterapi (radioterapi sinar eksternal), menghasilkan pancaran sinar gamma yang diarahkan ke tubuh pasien untuk menghilangkan sel-sel kanker atau tumor.
Radioaktif yodium-131 (I-131) yang digunakan dalam kanker tiroid dan hipertiroidisme akibat hormon tiroksin yang terlalu banyak.
Teknesium-99m (Tc-99m) adalah isotop yang biasa digunakan dalam sejumlah pemindaian pencitraan diagnostik medis. Salah satu alasannya yaitu karena memiliki waktu paruh yang sangat cocok atau ideal bagi penyelidikan penyakit dalam tubuh manusia. Apabila waktu paruh terlalu kecil, maka radioisotop terlalu sulit untuk dideteksi (setelah disuntikkan, tidak lama kemudian akan hilang kereaktifannya).
Sedangkan apabila radioisotop yang disuntikkan memiliki waktu paruh yang besar, maka akan berbahaya bagi tubuh. Teknesium-99m dapat mendeteksi berbagai kondisi termasuk cedera, infeksi, tumor, penyakit jantung, kelainan tiroid, kondisi ginjal, mendeteksi stroke, dan penyakit demensi. Sifat radioaktif teknesium-99m juga dapat digunakan untuk mengidentifikasi kelenjar getah bening utama yang mengeringkan kanker, seperti kanker payudara atau melanoma.
22
Bahan-bahan bertanda radioaktif untuk pengobatan dikenal sebagai radiofarmaka dapat diberikan melalui suntikan intravena, mulut, maupun inhalasi. Radiofarmaka yang dimasukkan ke dalam tubuh dapat dilacak keberadaannya di dalam organ atau jaringan menggunakan detektor pemancar gamma dan luar tubuh.
Pemanfaatan teknologi nuklir ini tergolong baru di bidang kedokteran, namun penggunaan isotop radioaktif dalam bidang biologi dan kedokteran sebenarnya telah dimulai pada tahun 1901 oleh Henri Danlos. Danlos menggunakan isotope radium dalam pengobatan penyakit tuberculosis kulit. Pada tahun 1920-an, George de Hevesy mempelopori penerapan teknik perunut dengan menggunakan radioisotop alamiah dalam bidang biologi dan kedokteran. Sejak itulah pemanfaatan radioisotop buatan mulai dikenal dan berkembang dalam bidang biologi dan kedokteran.
Radioisotop buatan yang banyak dipakai sejak awal perkembangan kedokteran nuklir adalah 131I. Dewasa ini radioisotop tersebut masih digunakan untuk keperluan diagnostik di beberapa negara berkembang karena harganya yang murah, namun di Amerika Serikat FDA melarang penggunaan produk ini untuk tujuan diagnostik penyakit kelenjar tiroid karena sudah digantikan oleh 123I ataupun 99mTc MAG-3 yang digunakan untuk pemeriksaan fungsi ginjal.
23
Pada tahun 1960-an diperkenalkan radionuklida 99mTc yang memiliki sifat-sifat yang ideal dari segi proteksi radiasi dan pencitraan menggunakan teknik kedokteran nuklir. 99mTc dapat diperoleh secara mudah menggunakan sistem generator. Saat ini, 99mTc merupakan radionuklida yang paling banyak digunakan dalam kedokteran nuklir di seluruh dunia.
Periode perkembangan ilmu kedokteran nuklir selanjutnya ditandai dengan munculnya radioanuklida Tl-201 pada tahun 1970-an yang merupakan analog Kalium. TI-201 digunakan untuk pemeriksaan perfusi otot jantung. Pada tahun 1980-an sebuah alat yang disebut Positron Emission Tomografi (PET) berhasil diciptakan. Kamera PET dapat mendeteksi radionuklida yang disuntikkan ke dalam aliran darah pasien. Diantara radionuklida yang sering digunakan adalah 18F-flurodeoxyglucose (FDG).