Kumpulan Soal Fisika Positron Lengkap: Latih Pemahamanmu tentang Antimateri & Aplikasinya

A. Pilihan Ganda

1. Apa definisi paling tepat dari positron?
   • Partikel dasar bermuatan negatif
   • Inti atom yang tidak stabil
   • Antipartikel dari elektron
   • Jenis neutrino
   • Foton berenergi tinggi
   Jawaban: Antipartikel dari elektron
   Penjelasan: Positron adalah antipartikel dari elektron, yang berarti ia memiliki massa yang sama tetapi muatan listrik yang berlawanan.
2. Bagaimana hubungan antara positron dan elektron?
   • Memiliki massa dan muatan yang sama
   • Memiliki massa yang sama tetapi muatan yang berlawanan
   • Memiliki massa yang berbeda dan muatan yang sama
   • Memiliki massa yang berbeda dan muatan yang berlawanan
   • Positron adalah partikel subatomik yang lebih berat dari elektron
   Jawaban: Memiliki massa yang sama tetapi muatan yang berlawanan
   Penjelasan: Elektron dan positron adalah pasangan partikel-antipartikel, sehingga mereka memiliki massa yang identik tetapi muatan listrik yang berlawanan (elektron negatif, positron positif).
3. Berapakah muatan listrik sebuah positron?
   • -1e
   • 0
   • +1e
   • +2e
   • Bisa positif atau negatif
   Jawaban: +1e
   Penjelasan: Elektron memiliki muatan -1e, dan sebagai antipartikelnya, positron memiliki muatan +1e.
4. Apa notasi simbolik yang benar untuk positron?
   • e⁻
   • p⁺
   • n
   • e⁺
   • γ
   Jawaban: e⁺
   Penjelasan: Notasi standar untuk positron adalah e⁺.
5. Apa yang terjadi ketika sebuah elektron bertemu dengan sebuah positron?
   • Keduanya saling memantul
   • Positron menjadi elektron
   • Elektron menjadi positron
   • Keduanya saling memusnahkan dan menghasilkan energi (foton gamma)
   • Mereka membentuk atom hidrogen
   Jawaban: Keduanya saling memusnahkan dan menghasilkan energi (foton gamma)
   Penjelasan: Ketika sebuah elektron dan positron bertemu, mereka mengalami anihilasi, di mana massa mereka diubah menjadi energi dalam bentuk foton gamma.
6. Proses peluruhan radioaktif apa yang menghasilkan emisi positron?
   • Peluruhan alfa
   • Peluruhan beta minus
   • Peluruhan gamma
   • Peluruhan beta plus
   • Fisi nuklir
   Jawaban: Peluruhan beta plus
   Penjelasan: Peluruhan beta plus adalah proses di mana inti atom memancarkan positron.
7. Sumber energi yang dilepaskan saat anihilasi elektron-positron adalah…
   • Massa elektron bertambah
   • Massa positron berkurang
   • Massa diam elektron dan positron diubah menjadi energi
   • Keduanya membentuk partikel baru yang lebih berat
   • Hanya sebagian kecil massa yang diubah menjadi energi
   Jawaban: Massa diam elektron dan positron diubah menjadi energi
   Penjelasan: Energi yang dilepaskan saat anihilasi adalah hasil dari konversi massa diam kedua partikel menjadi energi, sesuai dengan E=mc².
8. Nama proses di mana sebuah foton berenergi tinggi diubah menjadi sebuah elektron dan sebuah positron adalah…
   • Anihilasi
   • Fisi nuklir
   • Fusi nuklir
   • Produksi pasangan
   • Peluruhan alfa
   Jawaban: Produksi pasangan
   Penjelasan: Produksi pasangan adalah proses di mana foton berenergi tinggi menciptakan pasangan elektron-positron.
9. Partikel apa yang paling sering dihasilkan dari anihilasi elektron-positron?
   • Foton inframerah
   • Foton sinar-X
   • Neutron
   • Foton gamma
   • Proton
   Jawaban: Foton gamma
   Penjelasan: Anihilasi elektron-positron biasanya menghasilkan dua foton gamma yang bergerak dalam arah berlawanan.
10. Aplikasi medis apa yang menggunakan positron untuk pencitraan?
    • MRI
    • X-ray
    • Ultrasound
    • PET scan
    • CT scan
    Jawaban: PET scan
    Penjelasan: PET (Positron Emission Tomography) scan adalah aplikasi medis yang memanfaatkan emisi positron dan anihilasi untuk pencitraan.
11. Bagaimana perubahan nomor atom (Z) dan nomor massa (A) pada inti yang mengalami peluruhan beta plus?
    • Nomor atom bertambah satu, nomor massa tetap
    • Nomor atom berkurang satu, nomor massa tetap
    • Nomor atom tetap, nomor massa berkurang empat
    • Nomor atom dan nomor massa tetap
    • Nomor atom dan nomor massa bertambah satu
    Jawaban: Nomor atom berkurang satu, nomor massa tetap
    Penjelasan: Dalam peluruhan beta plus, sebuah proton berubah menjadi neutron (Z-1) dan positron dipancarkan, sementara jumlah nukleon (A) tetap sama.
12. Partikel lain apa yang biasanya dipancarkan bersama positron dalam peluruhan beta plus?
    • Antineutrino elektron
    • Neutrino muon
    • Neutrino elektron
    • Antiproton
    • Neutron
    Jawaban: Neutrino elektron
    Penjelasan: Dalam peluruhan beta plus, positron selalu dipancarkan bersama dengan neutrino elektron (νe) untuk menjaga konservasi momentum dan jumlah lepton.
13. Berapakah energi minimum yang harus dimiliki sebuah foton untuk menghasilkan pasangan elektron-positron?
    • Kurang dari 0,511 MeV
    • Tepat 0,511 MeV
    • Sekitar 1,022 MeV
    • Lebih dari 2 MeV
    • Tidak ada ambang batas energi
    Jawaban: Sekitar 1,022 MeV
    Penjelasan: Energi minimum foton untuk produksi pasangan adalah energi massa diam dua partikel: 2 x 0,511 MeV = 1,022 MeV.
14. Produksi pasangan biasanya terjadi di dekat inti atom untuk memenuhi hukum konservasi…
    • Konservasi energi
    • Konservasi muatan
    • Konservasi nomor lepton
    • Konservasi momentum
    • Konservasi spin
    Jawaban: Konservasi momentum
    Penjelasan: Produksi pasangan memerlukan keberadaan medan eksternal (misalnya, inti atom) untuk menjaga konservasi momentum, karena foton tunggal tidak dapat menciptakan dua partikel bermassa yang memiliki momentum tanpa ada partikel lain yang menyerap momentum.
15. Perubahan apa yang terjadi pada nukleon dalam inti selama peluruhan beta plus?
    • Neutron menjadi proton
    • Elektron ditangkap oleh inti
    • Proton menjadi neutron
    • Foton diserap oleh inti
    • Inti terpecah menjadi dua bagian yang lebih kecil
    Jawaban: Proton menjadi neutron
    Penjelasan: Dalam peluruhan beta plus, sebuah proton di dalam inti diubah menjadi neutron, memancarkan positron dan neutrino.
16. Pernyataan yang benar mengenai muatan positron dan proton adalah…
    • Positron bermuatan positif, proton bermuatan negatif
    • Positron bermuatan positif, proton bermuatan positif
    • Positron bermuatan negatif, proton bermuatan positif
    • Keduanya tidak bermuatan
    • Positron dan proton adalah partikel yang identik
    Jawaban: Positron bermuatan positif, proton bermuatan positif
    Penjelasan: Positron dan proton memang keduanya bermuatan positif. Namun, positron adalah lepton ringan, sementara proton adalah baryon berat.
17. Mengapa elektron dan positron disebut sebagai pasangan partikel-antipartikel?
    • Mereka memiliki muatan listrik dan massa yang sama
    • Mereka memiliki muatan listrik berlawanan tetapi massa yang berbeda
    • Mereka memiliki muatan listrik berlawanan tetapi massa yang sama
    • Mereka adalah partikel elementer yang berbeda dari jenis yang sama
    • Positron adalah versi yang lebih berat dari elektron
    Jawaban: Mereka memiliki muatan listrik berlawanan tetapi massa yang sama
    Penjelasan: Ini adalah definisi inti dari pasangan partikel-antipartikel: sifat fundamental berlawanan (seperti muatan), tetapi massa identik.
18. Bagaimana perilaku positron di lingkungan yang banyak terdapat elektron?
    • Sangat stabil dan dapat ditemukan secara bebas
    • Tidak stabil dan akan mengalami anihilasi dengan elektron
    • Berubah menjadi proton setelah beberapa waktu
    • Bermigrasi ke inti atom
    • Berinteraksi hanya dengan neutron
    Jawaban: Tidak stabil dan akan mengalami anihilasi dengan elektron
    Penjelasan: Positron tidak stabil di lingkungan yang kaya elektron karena mereka akan segera anihilasi dengan elektron terdekat.
19. Tujuan utama penggunaan PET scan dalam diagnosis medis adalah…
    • Untuk mengambil gambar tulang dan jaringan keras
    • Untuk memancarkan sinar-X melalui tubuh
    • Untuk menghasilkan gambar 3D struktur internal tanpa informasi fungsional
    • Untuk menentukan tingkat metabolisme organ atau keberadaan tumor
    • Untuk mengukur tekanan darah di pembuluh
    Jawaban: Untuk menentukan tingkat metabolisme organ atau keberadaan tumor
    Penjelasan: PET scan memanfaatkan radiofarmaka pemancar positron yang terakumulasi di area dengan metabolisme tinggi (seperti tumor) untuk menunjukkan aktivitas fungsional.
20. Emisi positron dari inti adalah contoh dari interaksi fundamental yang dimediasi oleh…
    • Gaya gravitasi
    • Gaya elektromagnetik
    • Gaya nuklir kuat
    • Gaya lemah
    • Gaya sentripetal
    Jawaban: Peluruhan beta
    Penjelasan: Positron (dan elektron) terlibat dalam peluruhan beta, yang merupakan proses yang dimediasi oleh gaya lemah.

B. Isian Singkat

1. Jelaskan secara singkat apa itu positron dan bagaimana hubungannya dengan elektron.
   Jawaban: Positron adalah antipartikel dari elektron. Ia memiliki massa yang sama dengan elektron tetapi muatan listrik positif (+e), berlawanan dengan muatan negatif elektron (-e).
2. Sebutkan dua proses fisika di mana positron berperan penting.
   Jawaban: Dua proses fisika di mana positron berperan penting adalah:
   1. Peluruhan beta plus (emisi positron): Suatu jenis peluruhan radioaktif.
   2. Anihilasi elektron-positron: Ketika elektron dan positron bertemu dan saling memusnahkan menjadi energi.
   3. Produksi pasangan: Ketika foton berenergi tinggi berubah menjadi pasangan elektron-positron. (Cukup sebutkan dua)
3. Mengapa positron tidak stabil di lingkungan materi biasa?
   Jawaban: Positron tidak stabil di lingkungan materi biasa karena adanya elektron berlimpah. Ketika positron bertemu dengan elektron, keduanya akan segera mengalami anihilasi, mengubah massa mereka menjadi energi (foton gamma).
4. Jelaskan prinsip dasar dari PET scan yang menggunakan positron.
   Jawaban: Prinsip dasar PET scan adalah memanfaatkan emisi positron dari radiofarmaka yang disuntikkan ke dalam tubuh. Positron ini akan beranihilasi dengan elektron di jaringan tubuh, menghasilkan dua foton gamma yang bergerak berlawanan arah. Detektor PET kemudian menangkap foton-foton ini untuk merekonstruksi gambaran 3D dari distribusi radiofarmaka, menunjukkan aktivitas metabolik di organ atau jaringan.
5. Apa perbedaan utama antara produksi pasangan dan anihilasi pasangan?
   Jawaban: Perbedaan utama:
   – **Produksi Pasangan**: Proses di mana energi (dalam bentuk foton berenergi tinggi) diubah menjadi massa (elektron dan positron).
   – **Anihilasi Pasangan**: Proses di mana massa (elektron dan positron) diubah menjadi energi (dalam bentuk foton gamma).

C. Uraian

1. Jelaskan secara rinci proses peluruhan beta plus (emisi positron), termasuk perubahan nomor massa dan nomor atom inti, serta partikel-partikel yang terlibat dan konservasi hukum fisika yang berlaku.
   Pembahasan:
   Peluruhan beta plus (emisi positron) adalah jenis peluruhan radioaktif di mana sebuah proton di dalam inti atom diubah menjadi neutron, sambil memancarkan sebuah positron (partikel anti-elektron) dan sebuah neutrino elektron (νe). Secara matematis, dapat ditulis sebagai p → n + e⁺ + νe. Dalam inti atom, ini menyebabkan nomor atom (Z) berkurang satu, sedangkan nomor massa (A) tetap sama. Contoh: ¹¹C → ¹¹B + e⁺ + νe. Hukum fisika yang berlaku adalah:
   1. Konservasi Muatan: Muatan total sebelum dan sesudah peluruhan harus sama (proton bermuatan +1, neutron 0, positron +1, neutrino 0).
   2. Konservasi Nomor Massa: Nomor massa (jumlah nukleon) tidak berubah.
   3. Konservasi Nomor Atom: Nomor atom berubah sesuai dengan perubahan proton.
   4. Konservasi Jumlah Lepton: Jumlah lepton (elektron, positron, neutrino, antineutrino) harus tetap sama. Positron adalah antilepton, sedangkan neutrino elektron adalah lepton. Jadi 0 (sebelum) menjadi -1 (positron) + 1 (neutrino) = 0 (sesudah).
   5. Konservasi Energi dan Momentum: Energi dan momentum total sistem harus tetap terjaga.
2. Diskusikan fenomena anihilasi elektron-positron. Gambarkan prosesnya dan jelaskan mengapa energi yang dilepaskan sangat besar, termasuk perhitungan energi minimum yang dihasilkan.
   Pembahasan:
   Fenomena anihilasi elektron-positron terjadi ketika sebuah elektron (e⁻) dan positron (e⁺) bertemu. Karena mereka adalah partikel dan antipartikelnya, mereka akan saling memusnahkan (anihilasi) dan mengubah massa mereka sepenuhnya menjadi energi. Proses ini biasanya menghasilkan dua foton gamma (γ) yang bergerak dalam arah berlawanan (180° satu sama lain) untuk menjaga konservasi momentum. Persamaan reaksinya adalah e⁻ + e⁺ → 2γ. Energi yang dilepaskan sangat besar karena seluruh massa diam kedua partikel diubah menjadi energi, sesuai dengan persamaan Einstein E=mc². Massa diam elektron (dan positron) adalah sekitar 9,11 x 10⁻³¹ kg. Jadi, total massa yang dianihilasi adalah 2 x 9,11 x 10⁻³¹ kg = 1,822 x 10⁻³⁰ kg. Energi minimum yang dihasilkan adalah E = (1,822 x 10⁻³⁰ kg) x (3 x 10⁸ m/s)² ≈ 1,6398 x 10⁻¹³ J. Dalam satuan energi fisika partikel, ini setara dengan sekitar 1,022 MeV (0,511 MeV per partikel, sehingga 2 x 0,511 MeV). Energi ini terbagi rata antara dua foton gamma, masing-masing membawa energi sekitar 0,511 MeV.
3. Bagaimana PET scan (Positron Emission Tomography) bekerja untuk pencitraan medis? Jelaskan peran positron dalam proses ini dan mengapa teknik ini sangat berharga dalam diagnosis penyakit.
   Pembahasan:
   PET scan (Positron Emission Tomography) adalah teknik pencitraan medis yang menggunakan positron untuk menghasilkan gambaran fungsional organ atau jaringan tubuh. Prosesnya dimulai dengan menyuntikkan sejumlah kecil radiofarmaka (molekul yang dilabeli dengan isotop pemancar positron, seperti ¹⁸F-FDG) ke dalam tubuh pasien. Molekul ini akan terkonsentrasi di area dengan aktivitas metabolik tinggi (misalnya, tumor atau area otak yang aktif).

   Peran positron dalam proses ini adalah sebagai berikut:
   1. **Emisi Positron**: Isotop radioaktif dalam radiofarmaka meluruh melalui emisi beta plus, memancarkan positron.
   2. **Anihilasi**: Positron yang dipancarkan bergerak hanya beberapa milimeter dalam jaringan sebelum bertabrakan dengan elektron terdekat. Pertemuan ini menyebabkan anihilasi, menghasilkan dua foton gamma (masing-masing 0,511 MeV) yang bergerak hampir 180° satu sama lain.
   3. **Deteksi**: Detektor PET yang melingkari pasien mendeteksi pasangan foton gamma yang tiba secara bersamaan (koinsiden). Karena dua foton bergerak dalam arah berlawanan, garis lurus yang menghubungkan dua titik deteksi menunjukkan lokasi anihilasi.
   4. **Rekonstruksi Gambar**: Banyak kejadian anihilasi dideteksi, dan komputer menggunakan algoritma rekonstruksi untuk membangun gambaran 3D dari distribusi radiofarmaka dalam tubuh. Area dengan konsentrasi tinggi menunjukkan aktivitas metabolik yang tinggi.

   Teknik ini sangat berharga karena memberikan informasi fungsional, bukan hanya struktural, yang membantu dalam diagnosis kanker, penyakit jantung, dan gangguan neurologis (misalnya, Alzheimer).

4. Bandingkan dan kontraskan sifat-sifat fundamental elektron dan positron. Jelaskan mengapa mereka disebut sebagai partikel-antipartikel.
   Pembahasan:
   Elektron (e⁻) dan positron (e⁺) adalah partikel yang merupakan pasangan partikel-antipartikel. Mereka memiliki sifat-sifat yang identik dalam banyak hal, tetapi berlawanan dalam beberapa sifat fundamental:

   **Sifat-sifat yang Sama:**
   1. **Massa**: Keduanya memiliki massa diam yang sama, sekitar 9,11 x 10⁻³¹ kg (atau 0,511 MeV/c²).
   2. **Spin**: Keduanya adalah fermion dengan spin intrinsik ½.
   3. **Masa Hidup**: Keduanya stabil di ruang hampa.

   **Sifat-sifat yang Berlawanan:**
   1. **Muatan Listrik**: Elektron memiliki muatan listrik negatif elementer (-e), sedangkan positron memiliki muatan listrik positif elementer (+e). Muatannya adalah -1,602 x 10⁻¹⁹ C untuk elektron dan +1,602 x 10⁻¹⁹ C untuk positron.
   2. **Nomor Lepton**: Elektron memiliki nomor lepton +1, sedangkan positron, sebagai antipartikelnya, memiliki nomor lepton -1.

   Mereka disebut sebagai partikel-antipartikel karena:
   * Ketika mereka bertemu, mereka dapat saling memusnahkan (anihilasi) dan mengubah massa mereka menjadi energi, biasanya dalam bentuk foton gamma.
   * Mereka memiliki sifat-sifat kuantum yang berlawanan, seperti muatan listrik dan nomor lepton, tetapi memiliki massa dan spin yang identik.

5. Foton berenergi tinggi dapat mengalami produksi pasangan menjadi elektron dan positron. Jelaskan kondisi yang diperlukan agar produksi pasangan terjadi dan mengapa proses ini memerlukan foton dengan energi minimum tertentu.
   Pembahasan:
   Produksi pasangan (pair production) adalah proses di mana sebuah foton (partikel cahaya) berenergi tinggi berinteraksi dengan medan listrik kuat (misalnya, di dekat inti atom) dan diubah menjadi sepasang partikel-antipartikel, yaitu sebuah elektron (e⁻) dan sebuah positron (e⁺). Persamaan reaksinya adalah γ → e⁻ + e⁺.

   Kondisi yang diperlukan agar produksi pasangan terjadi adalah:
   1. **Energi Foton Minimum**: Foton harus memiliki energi yang cukup untuk menciptakan massa diam kedua partikel. Energi massa diam elektron adalah 0,511 MeV, dan positron juga 0,511 MeV. Jadi, energi foton minimum yang diperlukan adalah 2 x 0,511 MeV = 1,022 MeV. Jika energi foton kurang dari nilai ini, produksi pasangan tidak akan terjadi.
   2. **Kehadiran Medan Eksternal**: Proses ini tidak dapat terjadi di ruang hampa secara spontan karena akan melanggar hukum konservasi momentum. Foton tidak dapat secara spontan berubah menjadi elektron-positron karena tidak ada cara bagi momentum untuk dikonservasi. Oleh karena itu, produksi pasangan harus terjadi di dekat partikel bermuatan lain (seperti inti atom atau elektron), yang dapat menyerap sebagian momentum tumbukan dan bertindak sebagai “pihak ketiga” untuk memastikan konservasi momentum total sistem.

   Foton memerlukan energi minimum tertentu karena sebagian energi foton harus dikonversi menjadi massa diam partikel dan antipartikel yang baru terbentuk, sesuai dengan prinsip kesetaraan massa-energi Einstein (E=mc²). Sisa energi foton yang melebihi ambang batas ini akan berubah menjadi energi kinetik dari elektron dan positron yang terbentuk.

D. Menjodohkan