Kalium-40 (40K) merupakan isotop radioaktif alami utama dari unsur kalium yang memiliki waktu paruh sangat panjang, yaitu sekitar 1,248 miliar tahun. Isotop ini menyusun sekitar 117 ppm dari kalium alami, sehingga kalium alami bersifat radioaktif, meskipun tingkat radioaktivitasnya sangat lemah. Waktu paruh tersebut jauh lebih pendek dibandingkan usia Bumi, sehingga fraksi 40K pada awal sejarah Bumi jauh lebih besar daripada saat ini.
Kedua bentuk peluruhan melalui penangkapan elektron juga menghasilkan foton tambahan.[Catatan 2] Foton-foton ini dipancarkan ketika elektron dari kulit atom bagian luar berpindah mengisi kekosongan pada kulit bagian dalam yang ditinggalkan oleh elektron yang ditangkap oleh inti atom. Energi total peluruhan menuju argon adalah sekitar 1,51MeV.[8]
Peluruhan EC dari 40K menjelaskan melimpahnya argon (sekitar 1%) di atmosfer Bumi, serta mengapa 40Ar jauh lebih dominan dibandingkan isotop-isotop argon lainnya.
40K memiliki peran yang sangat penting dalam penanggalan kalium–argon (K–Ar). Argon merupakan gas mulia yang pada umumnya tidak bereaksi atau membentuk senyawa dengan unsur lain. Oleh karena itu, ketika suatu mineral terbentuk – baik dari batuan cair (magma) maupun dari zat-zat yang terlarut dalam air – mineral tersebut pada awalnya tidak mengandung argon, meskipun terdapat argon di lingkungan sekitarnya. Namun, apabila mineral tersebut mengandung sejumlah kecil kalium, maka peluruhan isotop 40K akan menghasilkan 40Ar yang baru terbentuk dan tetap terperangkap di dalam mineral tersebut. Karena laju perubahan 40K menjadi 40Ar telah diketahui, maka umur sejak mineral itu terbentuk dapat ditentukan dengan mengukur perbandingan jumlah atom 40K dan 40Ar yang terdapat di dalamnya.
Argon yang terdapat di atmosfer Bumi terdiri atas sekitar 99,6% 40Ar. Sebaliknya, argon yang terdapat di Matahari – dan kemungkinan juga pada materi awal yang membentuk planet-planet – sebagian besar berupa 36Ar, sedangkan 38Ar jumlahnya kurang dari 15%. Hal ini menunjukkan bahwa sebagian besar argon di atmosfer Bumi berasal dari peluruhan 40K menjadi 40Ar yang kemudian keluar dari batuan dan akhirnya terakumulasi di atmosfer.
Kontribusi terhadap radioaktivitas alami
Perkembangan aliran panas radiogenik mantel Bumi dari waktu ke waktu, dengan kontribusi dari 40K ditunjukkan dengan warna kuning.
Peluruhan 40K di mantel Bumi merupakan sumber panas radiogenik terbesar ketiga, setelah 232Th dan 238U. Hingga kini, jumlah sumber-sumber radiogenik di inti luar dan inti dalam Bumi, yang berada di bawah mantel, masih belum diketahui secara pasti. Namun, telah diusulkan bahwa radioaktivitas yang cukup besar di inti Bumi (1–2 TW) mungkin disebabkan oleh tingginya kandungan U, Th, dan K.[9][10]
40K merupakan sumber terbesar radioaktivitas alami pada hewan, termasuk manusia. Tubuh manusia dengan massa sekitar 70kg mengandung sekitar 140g (atau 126g[11]) kalium, sehingga mengandung sekitar 140 g × 0,0117% * (39,96/39,10) ≈ 16,7 mg40K.[12] Peluruhan isotop ini menghasilkan sekitar 3.850[13] hingga 4.300[14] peluruhan radioaktif per detik (becquerel) secara terus-menerus sepanjang hidup orang dewasa (dan jumlahnya lebih sedikit pada anak-anak karena kandungan kaliumnya lebih rendah).[Catatan 3][15]
Konsentrasi normal 40K di dalam tubuh manusia setara dengan sekitar 55Bq per kilogram, yang memberikan dosis efektif sekitar 0,2mSv per tahun ke seluruh tubuh. Ini merupakan sumber radiasi internal terbesar bagi manusia, diikuti oleh sekitar 0,12mSv per tahun yang berasal dari nuklida dalam rantai peluruhan uranium dan torium, serta sekitar 12μSv per tahun yang berasal dari 14C.[11]
Dosis ekuivalen pisang
40K is terkenal karena penggunaannya dalam konsep dosis ekuivalen pisang, yaitu satuan tidak resmi yang digunakan terutama dalam pendidikan untuk membandingkan dosis radiasi dengan jumlah radiasi yang diterima seseorang setelah memakan satu buah pisang. Apabila sebuah pisang dengan berat 120 gram mengandung 350mg kalium per 100 gram, maka pisang tersebut mengandung sekitar 420mg kalium. Jika tubuh manusia mengandung sekitar 126 gram kalium, dan kalium tersebut memberikan dosis efektif sebesar 200μSv per tahun (seperti dijelaskan sebelumnya), maka secara teoritis kalium dalam satu buah pisang akan menambah dosis sebesar (0,420/126)200≈0,67μSv per tahun. Perhitungan ini didasarkan pada asumsi bahwa seluruh radiasi yang dihasilkan oleh 40K diserap oleh tubuh. Asumsi tersebut sebagian besar benar karena sebagian besar radiasi yang dipancarkan berupa radiasi beta-minus yang memiliki daya tembus sangat pendek. Apabila waktu paruh biologis kalium dianggap 38 hari (nilai ini bergantung pada jumlah kalium yang dikonsumsi setiap hari), maka dosis efektif yang terakumulasi selama periode tersebut adalah (0,67)(38/365)/ln(2)⇔0,1μSv. Nilai sekitar 0,1μSv inilah yang disebut sebagai "dosis ekuivalen pisang". Dengan nilai tersebut, satu dosis ekuivalen pisang setara dengan sekitar 1% dari paparan radiasi harian rata-rata yang diterima oleh penduduk Amerika Serikat.[16] Namun, dalam kenyataannya, memakan satu buah pisang tidak benar-benar menambah dosis radiasi sebesar 0,1μSv, karena konsentrasi kalium di dalam tubuh diatur secara ketat oleh mekanisme fisiologis. Akibatnya, kadar kalium dalam tubuh tidak akan tetap meningkat selama berminggu-minggu setelah mengonsumsi sebuah pisang.
↑Disebut juga sinar gama karena dipancarkan akibat transisi yang terjadi pada inti atom
↑Disebut juga sinar-X karena dipancarkan sebagai akibat transisi elektron antar tingkat energi
↑Jumlah peluruhan radioaktif per detik dalam suatu massa 40K ditentukan oleh jumlah atom yang terdapat dalam massa tersebut, kemudian dibagi dengan umur rata-rata atom 40K dalam satuan detik. Jumlah atom dalam 1 gram 40K diperoleh dengan membagi konstanta Avogadro (6,022×1023mol−1) dengan berat atom40K (39,96g/mol), sehingga diperoleh sekitar 1,507×1022 per gram. Seperti halnya pada setiap proses peluruhan eksponensial, umur rata-rata suatu atom sama dengan waktu paruhnya yang dibagi dengan logaritma alami dari 2, atau sekitar 56,82×1015 detik.
↑Wang, Meng; Huang, W.J.; Kondev, F.G.; Audi, G.; Naimi, S. (2021). "The AME 2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references*". Chinese Physics C. 45 (3): 030003. doi:10.1088/1674-1137/abddaf.
↑Stukel, M.; etal. (KDK Collaboration) (2024). "Rare 40K Decay with Implications for Fundamental Physics and Geochronology". Physical Review Letters. 131 (5) 052503. arXiv:2211.10319. doi:10.1103/PhysRevLett.131.052503.
↑Hariasz, L.; etal. (KDK Collaboration) (2024). "Evidence for ground-state electron capture of 40K". Physical Review C. 108 (1) 014327. arXiv:2211.10343. doi:10.1103/PhysRevC.108.014327.
