FISIKA DASAR ILMU KEDOKTERAN NUKLIR

Referat ke-1 (dr. Joko Wiyanto)

Dewasa ini penggunaan radiasi maupun radioisotop di bidang kedokteran sangat luas, sejalan dengan pesatnya perkembangan bioteknologi serta didukung pula oleh perkembangan instrumentasi nuklir dan produksi radioisotop umur pendek yang lebih menguntungkan ditinjau dari segi medik.

Atom dianggap sebagai blok bangunan dasar dari semua hal. Teori sederhana atom adalah satuan dasar materi yang terdiri atas inti atom serta awan elektron. Atom dikelompokkan berdasarkan jumlah proton dan neutron yang terdapat pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia dan jumlah neutron menentukan isotop unsur tersebut.

Energi pengikatan pada isotop tergantung pada jumlah nukleon dalam inti. Untuk memerangi efek kenaikan elektrostatik ketika jumlah dari proton meningkat, peningkatan jumlah neutron harus meningkat lebih cepat untuk memberikan kontribusi energi pengikat yang cukup untuk mengikat inti atom.

Energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu sumber radiasi dapat menyebabkan perubahan fisis, kimia dan biologi pada materi yang dilaluinya. Perubahan yang terjadi dapat dikendalikan dengan jalan memilih jenis radiasi serta mengatur dosis terserap sesuai dengan efek yang ingin dicapai. Selain itu, radiasi yang dipancarkan oleh suatu radioisotop lokasi dan distribusinya dapat dideteksi dari luar tubuh secara tepat, serta aktivitasnya dapat diukur secara akurat; sehingga penggunaan radioisotop sebagai perunut sangat bermanfaat dalam studi metabolisme serta teknik pelacakan berbagai organ tubuh tanpa harus melakukan pembedahan.

Radioisotop selain diproduksi dengan alat pemercepat partikel bermuatan, juga dapat diproduksi dengan reaktor nuklir. Generator radioisotop saat ini berperan besar dalam memproduksi radioisotop untuk kesehatan, terutama dalam bidang kedokteran nuklir. Produksi, pengembangan dan pemanfaatan generator Mo-99/Tc-99m merupakan dampak positif dalam aplikasi nuklir untuk kesehatan dan farmasi.

Sejarah

Radioaktivitas pertama kali diperkenalkan oleh ilmuwan Perancis Henri Becquerel pada tahun 1896. Dimana Henri Becquerel membungkus sebuah piring fotografi dengan kertas hitam dan menempatkan berbagai garam berpendar di atasnya dengan hasil semua negatif, sampai ia menggunakan garam uranium yang mampu membuat piring menjadi menghitam. Radiasi ini kemudian disebut dengan Becquerel Rays. Kemudian diketahui bahwa menghitamnya piring tidak ada hubungannya dengan fosforesensi, karena piring menghitam ketika mineral itu dalam gelap. Sudah jelas bahwa ada suatu bentuk radiasi yang bisa melewati kertas dan menyebabkan piring menjadi menghitam.

Pada awalnya, tampak bahwa radiasi baru ini mirip dengan sinar-X yang baru ditemukan. Penelitian lebih lanjut oleh Becquerel, Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie, Marie Curie dan kawan-kawan menemukan bahwa bentuk radioaktivitas secara signifikan lebih rumit. Rutherford adalah orang pertama yang menyadari bahwa semua peluruhan sesuai dengan rumus eksponensial matematika, Rutherford beserta muridnya Frederick Soddy adalah orang pertama menyadari bahwa banyak proses peluruhan mengakibatkan transmutasi satu elemen menjadi elemen yang lain. Selanjutnya, hukum perpindahan radioaktif Fajans dan Soddy dirumuskan untuk menggambarkan produk alpha dan peluruhan beta.

Menurut WHO dan IAEA tahun 1988 ilmu kedokteran nuklir adalah cabang ilmu kedokteran yang menggunakan sumber radiasi terbuka berasal dari disintegrasi inti radionuklida buatan, untuk mempelajari perubahan fisiologi, anatomi dan biokimia, sehingga dapat digunakan untuk tujuan diagnostik, terapi dan penelitian kedokteran.

Struktur Atom

Teori sederhana atom adalah suatu satuan dasar materi yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya dengan jari-jari atom sekitar 10^-10m sementara jari-jari inti sekitar 10^-14m dan memiliki gambaran seperti planet-planet yang mengorbit matahari. Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh adanya gaya elektromagnetik. Sekumpulan atom dapat berikatan satu sama lainnya dan membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif disebut sebagai ion.

Inti Atom

Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral terikat bersama pada pusat atom, proton dan neutron disebut juga sebagai nukleon. Nukleon terikat bersama oleh gaya tarik-menarik potensial yang disebut gaya residual. Pada jarak lebih kecil daripada 2,5 fm, gaya ini lebih kuat daripada gaya elektrostatik yang menyebabkan proton saling tolak menolak. Massa proton kira-kira sama dengan massa neutron dan masing-masing sekitar 2.000 kali massa elektron.

Awan Elektron

Elektron dalam suatu atom ditarik oleh proton melalui gaya elektromagnetik. Gaya ini mengikat elektron dalam potensi elektrostatik di sekitar inti. Energi luar diperlukan agar elektron dapat lepas dari atom. Semakin dekat suatu elektron dalam inti, semakin besar gaya atraksinya, sehingga elektron yang berada dekat dengan pusat atom memerlukan energi yang lebih besar untuk lepas dari inti atom.

Elektron dapat berubah keadaannya ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap sebuah foton. Selain dapat naik menuju tingkat energi yang lebih tinggi, suatu elektron dapat pula turun ke keadaan energi yang lebih rendah dengan memancarkan energi yang berlebih sebagai foton. Elektron yang terletak paling luar dari inti dapat ditransfer ataupun dibagi ke atom terdekat lainnya, dengan cara inilah atom dapat saling berikatan membentuk molekul.

Massa

Massa atom berasal dari proton dan neutron dimana jumlah keseluruhan dalam atom disebut sebagai nomor massa. Massa atom pada keadaan diam sering diekspresikan menggunakan satuan massa atom (u) yang juga disebut dalton (Da). Satuan ini didefinisikan sebagai seperdua belas massa atom karbon-12 netral yang kira-kira sebesar 1,66 × 10^-27 kg.

Para kimiawan biasanya menggunakan satuan mol untuk menyatakan jumlah atom. Satu mol didefinisikan sebagai jumlah atom yang terdapat pada 12 gram karbon-12. Jumlah ini adalah sekitar 6,022 × 10²³ yang dikenal pula dengan nama tetapan Avogadro. Dengan demikian suatu unsur dengan massa atom 1 u akan memiliki satu mol atom yang bermassa 0,001 kg. Sebagai contohnya karbon memiliki massa atom 12 u, sehingga satu mol karbon atom memiliki massa 0,012 kg.

Klasifikasi Inti

Nomor atom didefinisikan sebagai jumlah proton dalam inti dan diberi simbol Z. Dalam tabel periodik unsur-unsur kimia jumlah inti juga menentukan posisi suatu elemen. Bilangan massa didefinisikan sebagai jumlah proton ditambah dengan jumlah neutron dan diberi simbol A.

Dimungkinkan untuk inti dari elemen tertentu memiliki jumlah proton yang sama tetapi berbeda jumlah neutron dengan nomor atom yang sama tetapi berbeda bilangan massa, inti tersebut dinamakan sebagai isotop. Skema klasifikasi yang digunakan untuk mengidentifikasi perbedaan massa isotop ini didasarkan pada pendekatan dengan menggunakan huruf yang ditulis diatas sebelum simbol kimia untuk menunjukkan nomor massa dan dibawah sebelum simbol kimia untuk menandakan nomor atom dengan X adalah simbol kimia dari elemen.

Stabilitas Nuklir

Isotop yang stabil memiliki energi pengikatan per nukleon terletak antara 7 – 9 MeV, dimana energi pengikatan ini tergantung pada jumlah nukleon dalam inti. Untuk memerangi efek kenaikan elektrostatik tolakan ketika jumlah dari proton meningkat, peningkatan jumlah neutron harus meningkat lebih cepat untuk memberikan kontribusi energi pengikat  yang cukup untuk mengikat inti atom bersama-sama. Jumlah proton terhadap jumlah neutron untuk isotop stabil menghasilkan apa yang disebut kurva stabilitas nuklir.

Perhatikan bahwa jumlah proton sama dengan jumlah neutron untuk inti kecil dan jumlah neutron meningkat lebih cepat dari pada jumlah proton ketika ukuran inti semakin besar sehingga dapat menjaga stabilitas inti atom. Dengan kata lain neutron yang lebih banyak perlu berada di inti atom untuk berkontribusi memberi energi pengikatan yang digunakan untuk melawan elektrostatik tolakan antar proton.

Radioaktivitas

Radioaktivitas adalah kemampuan inti atom yang tak-stabil untuk memancarkan radiasi dan berubah menjadi inti stabil. Isotop yang tidak stabil berada di atas atau di bawah kurva stabilitas nuklir dan akan berusaha mencapai stabilitas dengan membelah diri menjadi fragmen dalam proses yang disebut fisi atau dengan memancarkan partikel dan/atau energi dalam bentuk radiasi. Inti atom yang tak stabil disebut radionuklida sedangkan materi yang mengandung radionuklida disebut zat radioaktif.¹⁰

Peluruhan Radioaktif

Peluruhan  ialah  perubahan  inti  atom yang  tidak stabil  menjadi  inti  atom yang  lain atau berubahnya suatu unsur radioaktif menjadi unsur yang lain. Peluruhan radioaktif adalah kumpulan beragam proses di mana sebuah inti atom yang tidak stabil memancarkan partikel radiasi. Peluruhan terjadi pada sebuah inti induk dan menghasilkan sebuah inti anak.

 Hukum Peluruhan

Secara nyata kita tidak dapat mengukur banyaknya inti radioaktif. Jumlah inti atom meluruh setiap saat (N) bergantung pada jumlah inti induk (N_o) untuk selang waktu peluruhan (t) dengan λ merupakan konstanta peluruhan yang nilainya berbeda untuk tiap unsur memenuhi persamaan.

Hukum peluruhan  radioaktif dimana jumlah radioaktif inti akan berkurang dengan waktu dalam mode eksponensial dengan laju penurunan peluruhan secara konstan. Hukum peluruhan ditampilkan dalam bentuk grafik dimana dapat kita lihat bahwa jumlah radioaktif inti menurun cepat pada awalnya dan kemudian lebih perlahan-lahan.

Waktu Paruh

Waktu paruh (t½) adalah waktu yang diperlukan oleh inti radioaktif untuk meluruh hingga aktivitasnya menjadi setengah aktivitas mula-mula. Peluruhan inti radioaktif (radionuklida) merupakan peristiwa statistik, oleh karena itu tidak bisa diperkirakan inti mana yang akan meluruh pada waktu berikutnya, tetapi untuk suatu kumpulan inti dapat diperkirakan terjadinya peluruhan.

Hubungan waktu paruh dengan konstanta peluruhan menunjukkan bahwa material dengan tingkat radioaktif yang tinggi akan cepat habis, sedang materi dengan tingkat radiasi rendah akan lama habisnya. Waktu paruh inti radioaktif sangat bervariasi dari mulai 10²⁴ tahun untuk inti yang hampir stabil dan sampai 10^-6 detik untuk yang sangat tidak stabil.

Bentuk Peluruhan Radioaktif

Setiap unsur mempunyai satu atau lebih isotop tidak stabil yang akan mengalami peluruhan radioaktif yang menyebabkan inti melepaskan partikel ataupun radiasi elektromagnetik. Radioaktivitas dapat terjadi ketika jari-jari inti sekitar 1fm.

Fisi Spontan

Fisi spontan adalah bentuk peluruhan radioaktif di mana inti atom membelah menjadi dua inti yang lebih kecil dan menghasilkan satu atau lebih neutron. Fisi spontan merupakan proses yang sangat merusak dan umumnya terjadi pada atom dengan nomor atom diatas 90, fragmen ini membentuk inti baru yang biasanya radioaktif.

Peluruhan Alfa

Terjadi ketika suatu inti memancarkan partikel alfa dengan hasil peluruhan berupa unsur baru dengan nomor atom yang lebih kecil.

Peluruhan Beta

Diatur oleh gaya lemah dan dihasilkan oleh transformasi neutron menjadi proton ataupun sebaliknya. Transformasi neutron menjadi proton akan diikuti oleh pancaran satu elektron dan satu anti neutrino, manakala transformasi proton menjadi neutron diikuti oleh pancaran satu positron dan satu neutrino. Pancaran elektron ataupun pancaran positron disebut sebagai partikel beta. Peluruhan beta dapat meningkatkan maupun menurunkan nomor atom inti sebesar satu. Dikenal 3 jenis peluruhan beta.

Pancaran Elektron

Inti atom yang memiliki kelebihan neutron berupaya mencapai stabilitas dengan mengubah neutron menjadi proton dengan pancaran elektron. Elektron ini disebut partikel beta minus yang  menunjukkan bahwa partikel bermuatan negatif.

Pancaran Positron

Positron adalah partikel beta positif, ketika jumlah proton dalam inti atom terlalu besar untuk mencapai stabilitas maka inti atom akan berupaya untuk mencapai stabilitas dengan mengubah proton menjadi neutron dengan pancaran elektron bermuatan positif.

Penangkapan Elektron

Peluruhan beta elektron dalam orbit tertarik ke inti yang tidak stabil dimana hal ini menggabungkan elektron dengan proton untuk membentuk neutron.

Peluruhan Gamma

Dihasilkan oleh perubahan tingkat energi inti atom ke tingkat yang lebih rendah dan menyebabkan pancaran radiasi elektromagnetik. Hal ini dapat terjadi setelah pancaran partikel alfa ataupun beta dari suatu peluruhan radioaktif.

Transisi Isomer

Transisi isomer adalah bentuk peluruhan radioaktif dimana sinar gamma dipancarkan oleh inti atom yang memiliki energi tinggi dalam keadaan tidak stabil yang mengalami penurunan energi. Bentuk peluruhan ini tidak merubah inti atom asal hanya menurunkan tingkat energi.

Dapat kita lihat inti atom dari ^99mTc dalam keadaan tereksitasi, yang memiliki kelebihan energi berusaha menjadi technetium dengan cara melepaskan kelebihan energi yang dimilikinya serta memancarkan sinar gamma.

Konversi Internal

Pada konversi internal kelebihan energi yang dimiliki inti atom diberikan kepada elektron.

Skema Peluruhan

Skema peluruhan secara luas digunakan untuk memberikan representasi visual dari peluruhan radioaktif,  dimana skema untuk peluruhan relatif lurus ke depan.

Unit Radioaktivitas

Unit metrik radioaktivitas dinamai Henri Becquerel untuk menghormati penemuan radioaktivitas dan disebut becquerel dengan simbol Bq. Becquerel didefinisikan sebagai jumlah zat radioaktif yang menimbulkan tingkat peluruhan 1 peluruhan per detik. Dalam pekerjaan diagnostik medis 1 Bq adalah jumlah radioaktivitas yang  kecil, oleh karena itu lebih sering digunakan unit ukuran kilobecquerel (kBq) dan megabecquerel (MBq).

Unit tradisional radioaktivitas dinamai Marie Curie dan disebut curie dengan simbol Ci. Curie didefinisikan sebagai jumlah zat radioaktif yang menimbulkan tingkat peluruhan 3,7 x 10¹⁰ peluruhan per detik yang merupakan jumlah radioaktivitas yang cukup besar. Oleh karena itu untuk pekerjaan diagnostik medis lebih sering digunakan unit ukuran millicurie (mCi).

Interaksi Radiasi Dengan Materi

Ketika radiasi nuklir mengenai materi ada tiga kemungkinan yang dapat terjadi yaitu radiasi akan dibelokkan, diserap atau diteruskan. Secara umum, interaksi radiasi dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu interaksi radiasi partikel bermuatan (alpha dan beta), radiasi partikel yang tidak bermuatan (neutron) dan yang terakhir adalah radiasi gelombang elektromagnetik/foton (radiasi gamma dan sinar-x). Karena ketiga jenis radiasi ini memiliki karakteristik yang berbeda maka interaksi yang terjadi pun akan berbeda.

Interaksi Radiasi Partikel Bermuatan

Ada tiga kemungkinan interaksi radiasi yang dapat terjadi ketika suatu partikel bermuatan mengenai materi yaitu ionisasi, eksitasi dan brehmstrahlung. Ketika menumbuk suatu materi, radiasi alpha yang memiliki massa dan muatan yang relatif besar cenderung melakukan proses ionisasi.

 Proses Ionisasi

Ketika partikel bermuatan melalui suatu materi, partikel tersebut akan berinteraksi dengan atom-atom penyusun materi dan menyebabkan beberapa elektron terlepas dari lintasannya karena adanya gaya tarik Coulomb. Proses terlepasnya elektron dari suatu atom disebut sebagai proses ionisasi. Setelah proses ionisasi, atom yang mula-mula netral menjadi bermuatan positif.

Setelah melakukan proses ionisasi energi radiasi yang datang akan mengalami pengurangan. Ini dikarenakan adanya transfer energi dari radiasi kepada elektron, sehingga elektron memiliki energi yang cukup besar untuk melepaskan diri dari atom. Jika energi radiasi akhir masih cukup banyak, proses ioniasasi dapat terjadi lagi terus-menerus hingga energi radiasi yang dimiliki habis. Elektron yang terlepas dari atom akan menjadi elektron bebas yang tidak memiliki energi kinetik dan bebas bergerak secara acak di dalam medium.

Proses Eksitasi

Sepintas proses eksitasi mirip dengan proses ionisasi, akan tetapi pada proses eksitasi elektron tidak sampai terlepas dari atom. Elektron hanya berpindah ke lintasan yang lebih luar dimana setelah terjadi proses eksitasi atom tersebut berubah menjadi atom yang tereksitasi.

Sebagaimana pada proses ionisasi, energi radiasi yang datang akan berkurang setelah melakukan proses eksitasi. Ini terjadi karena radiasi mentransfer sebagian atau seluruh energinya kepada elektron, sehingga elektron memiliki energi yang cukup untuk berpindah lintasan. Proses eksitasi juga dapat berlangsung berulang kali hingga energi radiasinya habis.

Atom yang berada dalam keadaan tereksitasi ini akan kembali ke keadaan dasarnya dengan melakukan transisi elektron. Salah satu elektron yang berada di lintasan luar akan berpindah mengisi kekosongan di lintasan yang lebih dalam sambil memancarkan radiasi sinar-x. Energi sinar-x yang dipancarkan dalam peristiwa ini setara dengan selisih energi antara lintasan sebelum dan sesudah transisi.

Proses Brehmstrahlung

Proses ini lebih dominan terjadi pada interaksi radiasi beta dan elektron karena massa dan muatan partikel beta relatif lebih kecil sehingga kurang diserap oleh materi dan daya tembusnya lebih tinggi dibandingkan partikel alpha.

Karena adanya gaya elektrostatik, radiasi beta atau elektron yang bergerak melewati inti akan dibelokkan. Perubahan arah gerak ini menyebabkan adanya perubahan momentum yang kemudian akan menghasilkan pancaran energi gelombang elektromagnetik (foton). Foton yang muncul pada proses ini disebut sebagai sinar-x brehmsstrahlung.

Berbeda dengan energi radiasi sinar-x yang hanya dipengaruhi oleh selisih tingkat energi lintasan, tingkat energi radiasi sinar-x brehmsstrahlung ini dipengaruhi oleh beberapa hal, yaitu energi radiasi yang mengenai atom, jumlah proton inti dan sudut pembelokannya.

Interaksi Radiasi Neutron

Neutron mempunyai massa yang hampir sama dengan proton dan tidak bermuatan serta memiliki besar ratusan kali dari elektron. Karena itulah mengapa neutron sangat sulit dihentikan dan memiliki daya jangkau yang besar. Ada 5 reaksi yang terjadi ketika sebuah neutron berinteraksi dengan inti yang dibahas dibawah ini.

 Tumbukan

Neutron merupakan partikel yang memiliki massa namun tidak bermuatan listrik, sehingga interaksi neutron dengan materi lebih banyak bersifat mekanik yakni tumbukan antara neutron dengan inti atom materi, baik secara elastik maupun tak elastik. Setiap tumbukan dengan materi akan menyerap energi neutron, sehingga setelah beberapa kali tumbukan energi yang dimiliki neutron akan habis dan proses tumbukan pun berhenti. Jika energi neutron sudah sangat rendah ada kemungkinan untuk terjadinya reaksi penangkapan neutron oleh inti atom bahan penyerap.

 Tumbukan elastik

Pada tumbukan elastik tidak ada energi yang ditransfer dari neutron kepada inti target. Pada tumbukan elastik berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik, meskipun biasanya akan ada energi kinetik yang diberikan neutron kepada inti target. Sebagian energi neutron yang diberikan kepada inti atom target menyebabkan inti atom target terpental sedangkan neutronnya akan dibelokkan atau dihamburkan.Tumbukan elastik terjadi bila atom yang ditumbuk neutron mempunyai massa yang sama atau setidaknya hampir sama dengan massa neutron, sehingga fraksi energi neutron yang terserap oleh atom tersebut cukup besar.

Tumbukan Tak Elastik

Pada tumbukan tak elastik neutron akan diserap oleh inti atom target yang kemudian membentuk inti atom majemuk. Inti majemuk ini kemudian akan memancarkan neutron dengan energi kinetik rendah dan meninggalkan inti atom dalam keadaan eksitasi. Agar dapat kembali ke keadaan semula inti atom akan mengeluarkan kelebihan energi yang dimilikinya dalam bentuk radiasi gamma. Jumlah energi kinetik neutron yang dihamburkan akan sama dengan jumlah energi kinetik neutron sebelum tumbukan.

 Penyerapan Neutron

Pada penyerapan neutron oleh suatu inti atom tidak ada neutron yang dihasilkan pada akhir proses, sebagai gantinya akan dihasilkan partikel bermuatan atau radiasi gamma. Jika inti atom yang dihasilkan adalah radioaktif, maka radiasi tambahan akan dihasilkan beberapa saat kemudian.

 Transmutasi

Transmutasi adalah perubahan suatu isotop menjadi isotop lain melalui reaksi nuklir. Bila energi neutron sudah sangat rendah (En < 0,025 eV) maka ada kemungkinan neutron tersebut akan ditangkap oleh inti atom bahan penyerap sehingga akan terbentuk inti atom baru karena terjadinya penambahan neutron. Inti atom yang terbentuk ini umumnya tidak stabil yang memancarkan radiasi. Selain oleh neutron, proses reaksi inti seperti ini juga dapat disebabkan oleh partikel bermuatan seperti proton, tetapi dengan energi yang sangat tinggi.

 Penangkapan Radiasi

Merupakan reaksi nuklir yang paling umum terjadi dimana sebuah neutron akan diserap oleh inti atom target yang kemudian membentuk inti atom majemuk dalam keadaan eksitasi. Inti majemuk ini kemudian akan memancarkan radiasi gamma dan kembali ke keadaan dasarnya. Pada reaksi ini inti atom yang dihasilkan merupakan isotop dari inti atom target dan ada kenaikan nomor massa sebesar satu.

Fisi

Reaksi fisi adalah proses reaksi nuklir yang terjadi karena inti atom terbelah menjadi partikel-partikel inti yang lebih ringan karena tertumbuk oleh partikel inti lain. Reaksi fisi merupakan reaksi nuklir eksotermis yang akan menghasilkan partikel inti yang lebih ringan, beberapa partikel neutron, gelombang elektromagnetik dalam bentuk radiasi sinar gamma dan sejumlah energi. Pada reaksi fisi yang berlangsung dalam reaktor, inti atom yang menyerap neutron akan menjadi sangat tidak stabil sehingga membelah menjadi dua inti baru sambil melepaskan sejumlah besar energi. Contoh reaksi fisi dalam reaktor adalah fisi uranium-235 yang sangat terkenal karena reaksi nuklir ini mendasari beroperasinya reaktor nuklir yang banyak beroperasi di Dunia.

Interaksi Radiasi Gelombang Elektromagnetik

Sinar gamma dan sinar-x termasuk ke dalam kelompok radiasi elektromagnetik. Tidak seperti gelombang radio dan cahaya tampak, sinar gamma dan sinar-x memiliki panjang gelombang yang lebih pendek sehingga memiliki energi yang jauh lebih tinggi. Sementara radiasi alpha dan beta memiliki daya jangkau maksimum yang terbatas, foton berinteraksi secara probabilistik sehingga daya jangkau maksimum sebuah foton bisa sangat bervariasi. Ada 3 mekanisme bagaimana sinar gamma dan sinar-x berinteraksi dengan materi, yaitu efek fotolistrik, hamburan compton dan produksi pasangan. Radiasi gamma memiliki bahaya eksternal karena radiasi ini memberikan energi lebih banyak dan daya tembus yang lebih jauh bila dibandingkan dengan radiasi alpha dan beta.

Efek Fotolistrik

Pada proses efek fotolistik, foton yang datang mengenai atom seolah-olah menumbuk salah satu elektron orbital dan memberikan seluruh energinya. Jika energi foton yang diberikan lebih besar dari energi ikat elektron, maka elektron tersebut dapat terlepas dari atom dan menghasilkan ion. Elektron yang terlepas (fotoelektron) dapat menyebabkan peristiwa ionisasi sekunder pada atom sekitarnya dengan cara yang mirip dengan yang dilakukan radiasi beta. Efek fotolistrik sangat mungkin terjadi jika foton memiliki energi yang rendah (kurang dari 0,5 MeV) dan materi memiliki massa besar.

Hamburan Compton

Peristiwa hamburan compton sebenarnya tidak berbeda jauh dengan efek fotolistrik. Akan tetapi, pada hamburan compton tidak semua energi foton diberikan kepada elektron melainkan hanya sebagian saja dimana sisa energi foton masih berupa foton yang dihamburkan. Foton yang dihamburkan ini akan terus berinteraksi dengan elektron lain sampai energinya habis dan fotoelektron akan menyebabkan proses ionisasi sekunder.

 Produksi Pasangan

Ketika berada di daerah medan inti sebuah atom, foton dapat mengalami konversi menjadi positron yang bermuatan positif dan elektorn yang bermuatan negatif. Dengan menggunakan persamaan konversi energi menjadi massa (E=mc²) elektron dan positron yang dihasilkan akan memiliki energi yang setara dengan 0,511 MeV.

Elektron yang dihasilkan akan berinteraksi dengan atom sekitar dan menyebabkan terjadinya ionisasi, sedangkan positron akan menemukan sebuah elektron bebas dan kedua partikel ini akan saling menghilangkan (interaksi positron) dan menghasilkan energi.

Interaksi Tidak Langsung

Dari tiga interaksi foton di atas, terlihat bahwa semua interaksi akan menghasilkan partikel bermuatan elektron atau positron yang berenergi tinggi. Elektron atau positron yang berenergi tersebut dalam pergerakannya akan mengionisasi atom-atom bahan yang dilaluinya sehingga dengan kata lain, foton juga dapat mengionisasi bahan tetapi secara tidak langsung.

Produksi Radioisotop

Dalam perkembangan farmasi modern, radioaktivitas memiliki dampak peningkatan di bidang aplikasi diagnostik (in vitro dan in vivo) serta dalam aplikasi terapeutik. Sebagian besar radioisotop yang ditemukan di alam memiliki waktu paruh relatif panjang, akibatnya untuk keperluan aplikasi medis umumnya memerlukan penggunaan radioisotop yang diproduksi secara buatan. Jenis radioisotop untuk pencitraan kedokteran nuklir harus memiliki karakteristik dosis radiasi serendah mungkin kepada pasien. Untuk alasan ini radioisotop umumnya memiliki waktu paruh pendek dan memancarkan hanya sinar gamma. Dari sudut pandang energi, energi sinar gamma tidak boleh begitu rendah karena radiasi akan diserap terlebih dahulu sebelum muncul dari tubuh pasien dan tidak terlalu tinggi sehingga sulit untuk dideteksi. Untuk alasan ini sebagian besar digunakan radioisotop yang  memancarkan sinar gamma energi menengah, yaitu antara 100 dan 200 keV. Metode produksi yang digunakan adalah fisi inti, penembakan inti dan generator radioisotop.

Fisi inti

Reaksi fisi menghasilkan radiasi sinar alfa, beta dan gamma yang sagat berbahaya bagi manusia. Ketika suatu inti tertentu menyerap neutron hal tersebut dapat mendorong untuk terjadinya proses disintegrasi. Uranium di reaktor nuklir berfungsi sebagai sumber neutron dimana neutron termal akan bereaksi dengan isotop stabil dan akan menembus target inti untuk memproduksi isotop yang kaya neutron. Proses fisi ini dikendalikan dalam sebuah reaktor nuklir.

Setelah penyerapan neutron, inti tersebut terpecah menjadi bagian yang lebih kecil dengan nomor atom antara 30 dan 65. Inti baru yang dihasilkan beberapa diantaranya bermanfaat dalam bidang kedokteran nuklir.

Penembakan Inti

Dalam metode ini radioisotop diproduksi dengan cara mempercepat partikel bermuatan  hingga memiliki energi yang sangat tinggi dan ditabrakan pada bahan target. Inti baru dapat terbentuk ketika partikel-partikel ini bertabrakan dengan inti dalam bahan target. Beberapa inti ini kemudian digunakan untuk keperluan dibidang kedokteran nuklir.

Jenis perangkat yang digunakan dalam metode produksi radioisotop ini disebut cyclotron. Cyclotron terdiri dari sebuah senjata ion untuk memproduksi partikel dan elektroda yang digunakan untuk mempercepat partikel hingga memiliki energi yang tinggi serta magnet untuk mengarahkan partikel menuju bahan target yang diatur dalam struktur melingkar.

Generator Radioisotop

Metode ini banyak digunakan untuk memproduksi radioisotop tertentu berumur pendek di rumah sakit. Pada generator menggunakan sumber radioisotop berumur panjang yang kemudian meluruh menjadi isotop berumur pendek. Sebagai contoh ⁹⁹Mo dengan waktu paruh sekitar 2,75 hari yang meluruh menjadi ^99mTc dengan waktu paruh 6 jam yang merupakan radioisotop yang paling banyak digunakan dalam kedokteran nuklir saat ini, dimana ⁹⁹Mo disebut isotop induk dan ^99mTc disebut isotop anak.

Generator terdiri dari kolom keramik dengan ⁹⁹Mo terserap di permukaannya. Sebuah larutan yang disebut elusi dilewatkan melalui kolom keramik yang akan bereaksi secara kimia dan menghasilkan ^99mTc dalam bentuk kimia yang cocok untuk digabungkan dengan farmasi untuk memproduksi radiofarmaka.

PENUTUP

Atom adalah satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta elektron yang bermuatan negatif, dimana inti atom sendiri terdiri dari campuran proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral.

Peluruhan radioaktif dapat terjadi ketika sebuah inti atom yang tidak stabil memancarkan partikel radiasi. Secara umum interaksi radiasi dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu interaksi radiasi partikel bermuatan, radiasi partikel yang tidak bermuatan dan yang terakhir adalah radiasi foton.

Untuk produksi radioisotop metode yang digunakan adalah fisi inti, penembakan inti dan generator radioisotop. Dimana dalam perkembangannya peluruhan radioaktif memiliki dampak peningkatan dibidang aplikasi diagnostik dan terapeutik.

DAFTAR PUSTAKA

1. Mould, Richard F. A century of x-rays and radioactivity in medicine : with emphasis on photographic records of the early years. Bristol Inst. of Physics Publ 1995, P. 12
2. Masjhur JS, Kedokteran Nuklir dan Kedokteran Nuklir Molekuler. Fakultas Kedokteran Universitas Padjadjaran 2013, Bandung. P. 3-4
3. Elgazzar AH. A Concise Guide to Nuclear Medicine. Springer 2011, Verlag Berlin Heidelberg. P 1-12
4. Cherry SR, Sorenson JA, Phelps ME. Physics in Nuclear Medicine, 4^th Saunders Elsevier 2012, Philadelphia. P. 7-85
5. Maher K. Basic Physics Of Nuclear Medicine. Wikibooks 2006. P. 4-41, 90-3
6. Stabin MG. Fundamentals of Nuclear Medicine Dosimetry. Springer 2008, Nashville. P. 1-5
7. Biersack HJ, Freeman LM. Clinical Nuclear Medicine. Springer 2007, Verlag Berlin Heidelberg. P 1-6
8. Lombardi MH. Radiation Safety in Nuclear Medicine, 2^nd Taylor & Francis Group 2007, Boca Raton. P. 6-16
9. Saha GB. Basics of PET Imaging Physics, Chemistry, and Regulations, 2^nd Springer Science 2010, New York Dordrecht Heidelberg London. P. 1-15
10. Saha GB. Fundamentals of Nuclear Pharmacy, 5^th Springer-Verlag 2004, Cleveland. P. 1-22
11. Powsner RA, Powsner ER. Essential Nuclear Medicine Physics, 2^nd Blackwell 2006, Massachusetts. P. 1-36
12. Bailey DL, Townsend DW, Valk PE, Maisey MN. Positron Emission Tomography Basic Sciences. Springer 2005, Verlag London. P. 13-25
13. Thrall Nuclear Medicine: The Requisites in Radiology 3^rd Ed. Mosby 2006, Philadelphia. P. 3-7
14. Schulthess V, Gustav K, Schmid, Daniel T. Molecular Anatomic Imaging: PET-CT and SPECT-CT Integrated Modality Imaging, 2^nd Lippincott Williams & Wilkins 2007, Switzerland. P. 4-8
15. Mettler FA, Guiberteau MJ. Essentials of Nuclear Medicine Imaging, 6^th Saunders Elsevier 2012, Philadelphia. P. 1-7
16. Piciu D, Chiricuta I. Nuclear Endocrinology. Springer 2012, Heidelberg Dordrecht London New York. P 4-9
17. infonuklir.com
18. Mettler FA, Upton AC. Medical Effects of Ionizing Radiation, 3^rd Saunders Elsevier 2008, Philadelphia. P. 1-8
19. Jadvar H, Parker JA. Clinical PET and PET/CT. Springer 2005, Verlag London Limited. P. 1-10
20. Christian PE, Waterstram KM. Nuclear Medicine and PET/CT Technology and Techniques, 6^th Mosby 2006. P 33-59
21. Zimmermann R. Nuclear Medicine Radioactivity for Diagnosis and Therapy. EDP Sciences 2007, Imprimé en France. P. 33-51
22. Martin BR. Nuclear and Particle Physics. John Wiley & Sons 2006, West Sussex England. P. 55-62
23. Hoppe RT, Phillips TL, Roach M. Textbook of Radiation Oncology, 3^rd Saunders Elsevier 2010, Philadelphia. P. 95-102