Hamburan Neutron

Hamburan Neutron – Neutron dan proton adalah partikel-partikel subatomik pembentuk inti atom. Neutron maupun proton masih tersusun atas partikel-partikel lain. Cabang fisika yang mempelajari struktur proton dan neutron ini dikenal sebagi fisika partikel.

Tahun 1920-an, James Chadwick melakukan serangkaian eksperimen dalam upayanya untuk menemukan neutron yang eksistensinya telah diprediksi oleh Ernest Rutherford. Tahun 1930 Walter Bothe dan Herbert Becker mengamati bahwa jika Berilium dibombardir dengan partikel alfa akan dihasilkan radiasi yang memiliki daya tembus yang cukup besar. Frederic Joliot dan Curie (1932) kemudian menemukan bahwa radiasi tersebut mampu melontarkan proton berkecepatan tinggi dari material yang mengandung Hidrogen seperti parafin atau air. Joliot dan Curie menduga bahwa radiasi tersebut merupakan sinar gamma dengan frekuensi yang sangat besar dan proses terlontarnya proton dari material analog dengan efek Compton. Namun teori Joliot-Curie ini dibantah oleh Chadwick. Melalui serangkaian eksperimen yang ekstensif, Chadwick pada tahun 1932 mengemukakan bahwa radiasi yang diamati Bothe-Becker serta Joliot-Curie adalah neutron. Penemuan Chadwick ini  menghantarkannya memperoleh hadiah Nobel fisika tahun 1935. Peralatan yang digunakan Chadwick untuk eksperimen pencarian neutron ditunjukan pada gambar berikut.

Peralatan eksperimen neutron Chadwick

Peralatan eksperimen neutron Chadwick

Empat tahun setelah ditemukannya, terbukti bahwa neutron dapat didifraksikan (Bragg diffracted) oleh kristal-kristal zat padat. Setelah diciptakannya reaktor fisi nuklir pertama tahun 1942 oleh Enrico Fermi dkk., penggunaan neutron untuk mempelajari sifat-sifat zat mampat (condensed matter) lebih aktif dilakukan. Clifford. G. Shull dan Bertram Brockhouse merupakan dua dari sekian banyak ilmuwan yang mempelopori penggunaan neutron untuk penelitian sifat-sifat bahan. Keduanya berbagi hadiah Nobel fisika tahun 1994. “Catatan” mengenai alasan mengapa mereka memperoleh hadiah Nobel adalah, untuk Shull: “for the development of the neutron diffraction technique”, atau secara sederhana dapat dikatakan bahwa Shull telah membantu menjawab pertanyaan “where the atoms are”. Sedangkan untuk Brockhouse: “for the development of neutron spectroscopy”, atau dikatakan bahwa Brockhouse telah membantu menjawab pertanyaan “what the atoms do”.

Untuk keperluan aplikasi neutron pada ilmu bahan (materials sciences), tidak diperlukan pengetahuan mengenai struktur neutron. Namun, cukup fahami saja karakteristik neutron bila berinteraksi dengan materi lain seperti elektron, inti atom, potensial listrik, dan medan magnet.

Neutron memiliki sifat-sifat yang menjadikannya sebagai “probe” yang ideal untuk menginvestigasi karakteristik bahan/material. Sifat-sifat tersebut adalah:

  1. Netral (muatan listrik q = 0). Konsensekuensinya: neutron memiliki daya tembus yang besar, tidak merusak materi yang dikenainya, dan dapat digunakan pada sampel-sampel dengan kondisi lingkungan yang “keras” (severe environments)
  2. Neutron memiliki panjang gelombang (teorema dualisme partikel-gelombangde Broglie). Panjang gelombang neutron (termal) berorde sama dengan jarak antar atom. Konsenkuensinya: neutron dapat digunakan untuk menentukan struktur kristal dan jarak antar bidang-bidang atom
  3. Karena netral, maka neutron hanya berinterkasi dengan inti atom dan tidak terhalang oleh elektron-elektron atom. Dengan kata lain neutron dapat “melihat” inti atom. Konsekuensinya: neutron sensitif terhadap atom-atom ringan, mampu membedakan isotop-isotop suatu atom, dan dapat membedakan struktur molekul kompleks (menggunakan teknik variasi kontras)
  4. Energi neutron termal berorde relatif sama dengan energi-energi eksitasi elementer pada zat padat. Konsekuensinya: neutron dapat digunakan untuk mempelajari dinamika atom/kisi – lattice dynamics (phonon) maupun dinamika molekul – molecular dynamics
  5. Neutron memiliki momen magnetik. Konsekuensinya: neutron dapat digunakan untuk mempelajari struktur magnetik mikroskopik dan fluktuasi magnetik
  6. Neutron memiliki spin. Konsekuensinya: berkas neutron dapat dipolarisir sehingga dapat digunakan untuk mempelajari struktur magnetik kompleks maupun dinamika magnetik (magnon)

Neutron tidak dapat ditemukan dalam keadaan bebas di alam dalam waktu lama karena waktu paruhnya yang sangat singkat. Neutron dihasilkan antara lain melalui reaksi spontan dari unsur-unsur radioisotop seperti Radium-Berilium (Ra-Be), Plutonium-Berilium (Pu-Be), dll.

Pancaran Sinar-x Sudut Kecil (SAXS) dan Pancaran Neutron Sudut Kecil (SANS) digunakan untuk menkarakterisasi periodik, quasiperiodik dan struktur acak pada material yang selalu barmanfaat dalam studi untuk semua material, karena metode-metode karakterisasi tersebut dapat memberikan imformasi suatu sampel bervolume melebihi ukuran microstruktur yang sebanding dengan microskop electron dan dapat mengidentifikasi morfologi sampel. Akan tetapi, data eksperimen dapat saja mengalami kegagalan dan keberhasilan.

Pancaran sudut kecil (SAS) digunakan untuk memperlajari dan dapat membedakan antara perbedaan mekanisme fase pemisahannya (spinodal versus nucleation), dan evaluasi panjang periodenya, kekosongannya, korelasi kerenggangan acak, daerah permukaan internal, orientasi, perubahan bentuk, efek keletihan dan kerusakan grownt.

Keunggulan neutron dalam menembus bahan (material) hingga kedalaman yang tinggi, adanya faktor kontras akibat perbedaan interaksi antara neutron dengan setiap inti atom, serta interaksi spin neutron dengan momen magnet

Metode hamburan neutron ini memiliki kemampuan luar biasa untuk digunakan dalam karakterisasi bahan pada bidang yang luas, seperti transportasi, energi, elektronika, kesehatan, industri baja dan logam bahkan bidang kebudayaan. Namun, metode ini tidak banyak diketahui dan dipahami dikalangan akademisi, sekalipun fasilitas atau laboratorium hamburan neutron yang berada di Kawasan Nuklir BATAN Serpong, memanfaatkan berkas neutron yang dihasilkan dari Reaktor Serba Guna G. A. Siwabessy (RSG-GAS), merupakan satu-satunya fasilitas hamburan neutron terbesar dan terlengkap di kawasan Asia Tenggara. Keterbatasan informasi dan pengetahuan dalam aplikasi, akses masuk ke dalam laboratorium serta mekanisme penggunaan fasilitas hamburan neutron menjadi penyebab kurang maksimalnya pendayagunaan fasilitas nuklir yang dimiliki BATAN.

Teknik berkas neutron dan difraksi sinar-X adalah dua dari sekian banyak teknik yang digunakan untuk karakterisasi material. Aplikasi kedua teknik tersebut merupakan komplemen satu sama lain, meliputi spektrum yang cukup lebar baik dari jenis dan dimensi material, maupun pada skala waktu, energi eksitasi dan transfer momentum dari proses-proses fisika, kimia maupun biologi yang terjadi pada material.

“Teknik berkas neutron, difraksi sinar-X dan teknik analisis nuklir dapat membantu memecahkan permasalahan yang ada di bidang industri, lingkungan dan kesehatan. melalui proses reaksi nuklir antara neutron dengan uranium yang berlangsung di teras reaktor akan menghasilkan populasi (hamburan) neutron sebanyak 10pangkat4 neutron/cm/detik. Dengan jumlah populasi tersebut, neutron sangat aktif digunakan untuk karakterisasi struktur unsur logam dan menganalisis unsur lingkungan dengan akurasi lebih tinggi dibandingkan dengan metode lainnya.

Demikianlah informasi Hamburan Neutron dari admin artikelind.com, semoga bermanfaat. [Ai]

Hamburan Neutron | Admin | 4.5