Ionisasi dan Eksitasi: Fisika Atom

Ionisasi dan Eksitasi

• Ionisasi adalah proses pelepasan elektron dari atom/molekul akibat serapan energi radiasi.
• Atom yang kehilangan elektron menjadi ion positif (kation), elektron yang terlepas menjadi elektron bebas.
• Eksitasi adalah proses peningkatan tingkat energi elektron dalam atom/molekul tanpa melepasnya.
• Elektron yang tereksitasi akan kembali ke keadaan dasar dan memancarkan energi sebagai cahaya (fotoluminesensi) atau panas.

Jenis Radiasi

• Radiasi pengion memiliki energi yang cukup untuk mengionisasi atom, yaitu melepaskan elektron dan membentuk ion.
• Radiasi pengion langsung: radiasi bermuatan listrik yang langsung mengionisasi atom/molekul.
• Radiasi pengion tidak langsung: radiasi tidak bermuatan yang menghasilkan partikel bermuatan sekunder yang menyebabkan ionisasi.
• Radiasi korpuskuler terdiri dari partikel kecil berkecepatan tinggi yang membawa energi, memiliki massa, dan mungkin bermuatan listrik.
• Radiasi elektromagnetik: gelombang energi tanpa medium, tidak bermassa atau bermuatan, muncul dari perubahan energi dalam atom.

Efek Radiasi

• Efek fotolistrik terjadi saat foton (sinar-X/gamma) menabrak elektron di kulit dalam atom, energinya diserap, dan elektron terlepas (elektron foto).
• Foton yang berinteraksi dengan elektron luar (kulit valensi) mentransfer sebagian energi ke elektron, lalu memantul dengan energi lebih rendah.
• Produksi pasangan terjadi saat foton berenergi tinggi (minimal 1,022 MeV) berinteraksi dengan medan listrik kuat di dekat inti atom, menghasilkan elektron (e⁻) dan positron (e⁺).

Interaksi Partikel dengan Jaringan Biologis

• Interaksi radiasi dan jaringan biologis penting dalam radiologi diagnostik dan radioterapi.
• Elektron, partikel alfa, dan neutron berinteraksi dengan cara yang berbeda, tergantung energi dan jenis partikel.
• Elektron adalah partikel ringan bermuatan negatif yang berinteraksi secara bertahap dengan jaringan biologis.
• Interaksi elektron menyebabkan ionisasi dan eksitasi molekul jaringan, serta menghasilkan radikal bebas.
• Dosis elektron tersebar merata di jaringan, cocok untuk radioterapi permukaan.
• Semakin tinggi energi partikel radiasi, semakin dalam penetrasinya dan efisiensi ionisasinya bervariasi.
• Jenis interaksi (photoelectric, Compton, pair production) bergantung pada energi.
• Radioterapi energi tinggi digunakan untuk tumor dalam, energi rendah untuk radiografi/terapi permukaan.

Partikel Alfa dan Neutron

• Partikel alfa terdiri dari 2 proton dan 2 neutron, bermuatan positif, masif, berenergi tinggi, dan memiliki penetrasi pendek.
• Partikel alfa menyebabkan kerusakan biologis besar, digunakan dalam terapi radiasi internal, dan berbahaya jika masuk ke tubuh.
• Neutron tidak bermuatan, bermassa mendekati proton, dapat menembus jauh ke dalam jaringan, dan berinteraksi dengan inti atom.
• Interaksi neutron menghasilkan reaksi nuklir sekunder (pelepasan proton/gamma) dan partikel bermuatan sekunder, menimbulkan ionisasi.
• Neutron memiliki kerusakan biologis tinggi, efektif dalam terapi neutron untuk kanker, tetapi sulit dikendalikan dan memerlukan perlindungan radiasi khusus.

Perbandingan Efek Biologis Partikel

• Elektron: Negatif, massa rendah, penetrasi sedang, LET rendah-sedang, efektif secara umum.
• Partikel Alfa: Positif, massa tinggi, penetrasi rendah, LET sangat tinggi, sangat merusak (lokal).
• Neutron: Netral, massa tinggi, penetrasi sangat tinggi, LET tinggi-tidak langsung, sangat efektif tetapi kompleks.

Interaksi Partikel dengan Sel

• Ionisasi: melepaskan elektron dari atom, eksitasi menaikkan energi elektron tanpa melepaskannya.
• Kerusakan DNA (mutasi/kematian sel), radikal bebas (stres oksidatif), kematian sel langsung (nekrosis), dan efek jangka panjang (kanker/kerusakan organ).

Efek Radiasi Pada Sel

• Partikel alfa (+2): berat, LET tinggi, Sangat merusak jika di dalam tubuh.
• Partikel beta (-1/+1): ringan, sedang, merusak jaringan kulit.
• Neutron (0): sedang, aktifkan inti.
• Proton (+1): sedang, terkendali.
• Partikel radiasi alfa, beta, neutron, dan proton bisa berinteraksi dengan jaringan melalui proses ionisasi dan eksitasi.

Interaksi Partikel dengan Elektron

• Interaksi partikel radiasi (alfa, beta, proton, neutron) dengan elektron dalam atom menghasilkan ionisasi atau eksitasi, yang merupakan awal mula efek biologis radiasi.
• Ionisasi: Partikel menabrak elektron, elektron lepas dari atom, ini adalah mekanisme utama kerusakan yang bisa menyebabkan kerusakan DNA atau struktur sel lainnya.
• Eksitasi: Elektron tidak lepas, tapi hanya meloncat ke tingkat energi lebih tinggi.
• Bisa balik lagi ke posisi awal sambil memancarkan energi
• Partikel alfa (α, +2 muatan) : Sangat kuat menyebabkan mudah ionisasi menyebabkan efek biologis lokal kuat.
• Partikel beta (β/β*,-1/+1 muatan): Sebabkan radiasi sekunder
• Proton (p+, +1 muatan): Ionisasi kuat tapi lebih dalam dari alfa, Bragg Peak
• Neutron (n, 0 muatan): Menumbuk atom lain untuk menghasilkan partikel bermuatan
• Hasil Interaksi dengan Elektron Bisa Memicu: Radikal bebas bisa merusak DNA, dan kerusakan kimia jangka panjang
• Pancaran sinar sekunder dari proses bremsstrahlung (untuk partikel beta).
• Kerusakan sel bisa terjadi seperti kanker atau mutasi

Bremsstrahlung

• Interaksi khusus: Bremsstrahlung (Radiasi Pengereman), terjadi saat elektron (partikel beta) melambat karena tarik-menarik dengan inti atom dan atau elektron:
• Elektron dibelokkan menyebabkan kehilangan energi menyebabkan memancarkan sinar-X yang mana intensitasnya semakin tinggi jika energi partikel beta tinggi

RBE (Relative Biological Effectiveness)

• RBE adalah rasio efektivitas suatu jenis radiasi dibandingkan dengan radiasi standar (sinar-X/gamma) dalam menghasilkan efek biologis yang sama.
• RBE menjawab pertanyaan: "Seberapa kuat efek biologis radiasi ini dibanding sinar-X?".
• Rumus RBE: Dosis radiasi standar (Gy) / Dosis radiasi uji (Gy).
• Faktor yang Mempengaruhi RBE = Jenis radiasi, Jenis jaringan biologis, Jenis efek biologis yang diukur, Dosis dan laju dosis

Nilai dan Kegunaan RBE

• Nilai RBE Umum Berdasarkan Jenis Radiasi (Sinar-X atau gamma (1),Elektron(1), Neutron cepat (5–10), Partikel beta (1–1,5), Partikel alfa(10–20))
• RBE penting untuk proteksi radiasi, radioterapi dan perhitungan dosis biologis yang lebih realistis
• RBE berguna untuk memahami bahaya biologis dan untuk memilih radiasi yang tepat dalam pengobatan maupun proteksi

LET atau Linear Energy Transfer

• LET (Linear Energy Transfer) adalah jumlah energi yang ditransfer oleh radiasi ke materi per satuan panjang lintasan yang dilaluinya
• Digunakan untuk mengukur seberapa padat energi yang ditinggalkan radiasi saat melewati jaringan
• Satuan: Kev/µm
• Partikel alfa: punya LET tinggi (20–200 keV/μm)
• Sinar-X atau gamma: punya LET rendah (0,2–3 keV/μm)
• Terdapat hubungan antara LET dan RBE
• RBE maksimal biasanya pada LET sekitar 100 keV/um, setelah itu justru menurun karena terlalu padat

Hubungan LET dengan Efek Biologis

• LET Rendah (X-ray, gamma): Ionisasi tersebar menyebabkan bisa diperbaiki dan Cocok buat imaging (diagnostik) dan Penetrasi jauh, tapi efek ringan.
• LET Tinggi (alfa, ion berat): Ionisasi padat dan lokal menyebabkan Kerusakan berat, sulit diperbaiki, cocok buat terapi (misal kanker) dan Penetrasi pendek, tapi efek biologis besar
• LET adalah ukuran seberapa banyak energi yang ditinggalkan radiasi per satuan panjang lintasannya.