Pendahuluan Fisika Inti Oleh: Lailatul Nuraini, S.Pd, M.Pd
Biodata Email:
[email protected] No hp: 085 236 853 668 Terdapat 6 bab. Produk matakuliah berupa bahan ajar. Tugas mandiri 20%, tugas terstruktur 40% (dikumpulkan 2minggu sebelum ujian akhir) dan ujian 40% . Tidak ada uts dan uas. Hanya kuis. - membuat lembar penilaian tugas terstruktur.
* * Struktur dan sifat-sifat inti atom: susunan inti, ukuran
dan bentuk inti atom, momentum sudut dan momen magnet inti, gaya nuklir (interaksi antar nukleon dalam inti atom), kestabilan inti atom, energi ikat nuklir, rumus semi empirik Weiszacker. * Radioaktivitas: besaran-besaran dasar radioaktivitas, peluruhan beruntun, keseimbangan radioaktif, radioaktivitas buatan. * Jenis-jenis radiasi nuklir: peluruhan alpha, peluruhan beta, peluruhan gamma. * Reaksi nuklir: klasifikasi reaksi nuklir, mekanisme reaksi nuklir, kinematika reaksi nuklir, parameter reaksi nuklir. * Partikel elementer: interaksi lepton, muon, hadron, quark.
TEORI ATOM
• 1. Teori Atom Dalton • a. Atom merupakan bagian terkecil yg tidak dapat dibagi lagi ? Proton,neutron,elektron • b. Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain dengan reaksi nuklir bisa • c. Atom bergabung membentuk molekul : senyawa, unsur • d. Jumlah massa sebelum reaksi= jumlah massa sesudah reaksi (hk lavoisier) • e. Perbandingan massa unsur yang menyusun suatu zat adalah tetap Hukum perbandingan tetap (hk. Proust)
TEORI ATOM •
•
•
•
2. Teori Atom Thompson: sebuah atom terdiri atas muatan listrik positif yang tersebar merata di seluruh bagian atom. Muatan listrik positif ini dinetralkan oleh elektron yang tersebar merata di seluruh bagian atom. Pengujian menembakkan partikel alfa dilakukan oleh geiger dan marsden -- eksperimen hamburan rutherford. Jika thompson benar harunya seluruh partikel alpha diteruskan, tetapi dari hasil eksperimen sebagian besar diteruskan, ada yang dibelokkan dan bahkan ada yang dipantulkan 90-180 derajat. 3. Teori Atom Rutherford: inti atom bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron pada jari-jari tertentu. Muatan listrik positif pada inti atom jumlahnya sama dengan jumlah muatan negatif yang mengelilingi inti sehingga atom bersifat netral. Timbul gaya sentripetal antara elektron dan inti atom. 4. Teori Atom Bohr: model atom yang dibangun berdasarkan kulit orbital elektron
susunan inti, ukuran dan bentuk inti atom • • • • • • • • •
Struktur Inti Atom terdiri dari nukleus yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif. 𝐴 𝑍 𝑋 X= nama unsur A = nomor massa (jumlah p+n) Z= nomor atom (jumlah p) , A=Z+N ISOTOP: Nukleus yang memiliki nomor atom yang sama ISOTON: nukleus yang memiliki jumlah neutron sama ISOBAR: nukleus yang memiliki nomor massa sama. Dalam nukleus ringan, jumlah neutronnya kira-kira sama dengan jumlah proton. Apabila jumlah nukleon meningkat, bila nukleus stabil maka jumlah neutron menjadi lebih besar daripada jumlah proton. Kelebihan neutron terjadi karena adanya gaya coulomb repulsif proton menjaganya tetap terpisah jauh. Oleh karena itu, materi neutron menjadi lebih rapat ketimbang materi proton dan ketika jumlah nukleon bertambah, terdapat lebih banyak neutrn daripada proton di dalam suatu volume inti tertentu.
GAYA YANG BEKERJA PADA ATOM HIDROGEN • Gaya Sentripetal Fs =
𝑚𝑣 2 𝑟
• Gaya elektrostatik: Fe = • Fs = Fe , v=
𝑒 4πε0 𝑚𝑟
1 𝑒2 4πε0 𝑟 2
???
• Energi atom hidrogen • E=
1 K+V= m𝑣 2 2
-
𝑒2 4πε0 𝑟
=-
𝑒2 8πε0 𝑟
???
Nukleus sebagai sebuah bola • Volume nukleus berbanding lurus dengan jumlah 4 nukleon A yang berada di dalamnya. V=( π𝑟0 3)A 3
1 3
• R =𝑟0 𝐴 darimana? • Hasil Ekperimen, 𝑟0 bergaantung pada sifat inti yang akan diukur, 𝑟0 =1,4 fm • 𝐸𝑐 =
3 𝑘𝑍(𝑍−1)𝑒 2 5 𝑅
𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑍 ≫ 𝑚𝑎𝑘𝑎
• 𝑘𝑒 2 = 1,44 MeVfm
3 𝑘𝑍 2 𝑒 2 5 𝑅
ENERGI IKAT INTI • • • •
Energi Ikat Inti: (Zmp)𝑐 2 +(𝑁𝑚𝑛 ) 𝑐 2 - 𝑀𝑛𝑢𝑘 𝑐 2 𝑀𝑛𝑢𝑘 = 𝑀𝑎𝑡𝑜𝑚 − 𝑍𝑚𝑒 Misal 126 52𝑇𝑒 energi ikat inti nya?? Energi ikat inti per nukleon = E/A
LATIHAN SOAL 1. Tuliskan simbol isotop dari Mg dengan neutron 12, simbol isotop helium dg nomor massa 4, serta sebuah isotop dengan nomor massa 235 dan mengandung 143 neutron? 2. Untuk memisahkan atom hidrogen menjadi sebuah proton dan elektron diperlukan energi sebesar 1,36eV. Tentukan jari-jari orbit dan kecepatan elektron dalam atom hidrogen! 3. Hitunglah energi coulomb untuk 188O dan 175 71Lu ! 39 4. Hitunglah energi ikat inti 19 𝐾! 5. Tentukan jari-jari nukleus 16𝑂 𝑑𝑎𝑛 208𝑃𝑏 6. Berapakah energi yang dibutuhkan untuk melepaskan ikatan elektron yang cukup kuat dari 40 20𝐶𝑎?
POSTULAT BOHR • Postulat 1: atom hidrogen terdiri atas sebuah elektron yang bergerak dalam suatu lintasan edar berupa lingkaran mengelilingi inti atom, gerak elektron tersebut dipengaruhi oleh gaya tarik coulomb. • Postulat 2: orbit stasioner elektron dalam atom hidrogen yang memungkinkan momentum sudut elektron adl kelipatan bulat dari tetapan planck dibagi 2π. L = mvr = nђ , n=1,2,3... • Postulat 3: elektron dalam orbit stasioner tidak memancarkan energi elektromagnetik • Postulat 4: jika elektron melompat dari lintasan ke-i menuju lintasan ke-f, maka menghasilkan foton dg 𝐸𝑖 −𝐸𝑓 frekuensi v = ℎ
MODEL ATOM BOHR • • • • • •
Deret spektral meliputi: Deret Lyman Deret Balmer Deret Paschen Deret Bracket Deret Pfund
•
1 λ
=R
1 ( 2 𝑛𝑙
-
1 𝑛𝑢2
)
Gaya Ikat Inti Atom •
•
•
Telah diketahui bahwa inti atom terdiri atas proton dan neutron, padahal antara proton dan neutron adalah bermuatan positif dan netral. Menurut hukum Coulomb, hal tersebut akan menimbulkan gaya elektrostatis, yaitu berupa gaya tolak menolak. Akan tetapi mengapa proton-proton tersebut dapat menyatu di dalam inti atom. Sebenarnya dalam inti atom terdapat interaksi gaya gravitasi dan gaya elektrostatis, akan tetapi gaya gravitasi dapat diabaikan terhadap gaya elektrostatis. Jadi pasti ada gaya lain yang menyebabkan proton-proton dalam inti atom dapat menyatu. Gaya yang menyebabkan nulkeon bisa bersatu di dalam inti disebut gaya ikat inti. Gaya gravitasi menyebabkan gaya tarik-menarik antarmassa nukleon, yaitu proton dengan proton, proton dengan neutron, atau neutron dengan neutron, sedangkan gaya elektrostatis menyebabkan gaya tolak-menolak antara muatan proton dan proton. Gaya ikat inti lebih besar dibandingkan gaya gravitasi dan gaya elektrostatis. Gaya ikat inti bekerja antara proton dengan proton, proton dengan neutron, atau neutron dengan neutron. Gaya ikat inti bekerja pada jarak yang sangat dekat sampai dengan jarak pada diameter inti atom (10-15 m)
Kestabilan inti atom • Dalam pita kestabilan, ditemukan bahwa kestabilan suatu inti atom ditentukan oleh perbandingan jumlah neutron dan proton. Plot jumlah neutron terhadap jumlah proton dari semua isotop yang sudah dikenal, baik isotop stabil maupun isotop radioaktif disebut peta isotop. Sementara, pita kestabilan adalah Isotop-isotop stabil yang terletak dalam suatu daerah berbentuk pita.
Dalam kestabilan inti radioaktif, terdapat 3 jenis nuklida: • Nuklida ringan (Z ≤ 20) Nuklida ini mempunyai jumlah proton kurang dari 20. Nuklida ini tidak stabil jika perbandingan neutron dan protonnya = n : p = 1 : 1. Contohnya 5B10, 7N14, 10Ne20 • Nuklida sedang (Z antara 21-83) Nuklida ini mempunyai jumlah proton antara 20 sampai 83. Maka, inti beratnya dengan syarat 1 < n : p < 1,6 ; atau n : p < 1 serta n : p > 1,6. Contohnya 45Rh103 dan 83Bi209 • Nuklida berat (Z > 83) Nuklida ini dimulai pada unsur yang punya nomor atom (proton) dari 84 hingga seterusnya. Unsur dalam kategori nuklida berat seluruhnya tidak ada yang stabil sehingga radioaktif. Contohnya, seluruh deret aktinida dan sebagian deret lantanida bersifat nuklida berat
Letak nuklida dalam pita kestabilan • Suatu nuklida bisa memiliki proton > neutron, begitu juga sebaliknya. Nah, karena adanya grafik pita kestabilan, maka nuklida yang tidak stabil terbagi atas 3 jenis: 1) Nuklida-nuklida di atas pita kestabilan Syaratnya: nuklida-nuklidanya punya jumlah neutron (n) > proton (p). Karena jumlah neutron lebih besar, maka untuk mencapai kestabilan harus mengurangi jumlah neutronnya melalui: a) Memancarkan sinar beta Akibat memancarkan sinar beta, maka neutronnya berkurang dan protonnya bertambah. Contohnya: 0 𝑛—> 1p1 + -1e0 6C14 —> 7N14 + -1e0 [Unsur C memiliki proton 6 dan neutron (14-6) 8, maka neutron > proton] b) Melepaskan neutron Contohnya: 2He5 —> 2He4 + 0n1 2) Nuklida-nuklida di bawah pita kestabilan Syaratnya: nuklida-nuklidanya punya jumlah neutron (n) < proton (proton). Karena jumlah proton lebih banyak maka harus dikurangi dengan cara: a) Melepaskan positron Contohnya: 1p1 —> 0n1 + +1e0 6C10 –> 5B10 + +1e0 [Unsur C punya proton 6 dan neutron 4, maka proton > neutron]
b) Menangkap elektron Dalam hal ini, elektron orbital, yaitu dari kulit K, diserap oleh inti. Elektron tersebut bergabung dengan proton membentuk neutron. Kekurangan elektron pada kulit K kemudian diisi oleh elektron dari kulit luar. Nah, perpindahan elektron dari kulit luar ke kulit K disertai pemancaran enetrgi berupa sinar X. Contohnya: 1p1 + -1e0 —> 0n1 + 0X0 37Rb81 + -1e0 —> 36Kr81 + 0X0 4Be7 + -1e0 —> 3Li7 + 0X0 3) Nuklida-nuklida di tepi atas kanan pita kestabilan (Z > 83) Nuklida-nuklida ini menstabilkan unsurnya sendiri dengan memancarkan sinar alfa atau inti helium. Contohnya: 92U235 —> 90Th231 + 2He4 [Terlihat bahwa unsur uranium memiliki nomor atom 90, berarti Z > 83]
• Dalam kestabilan inti, terdapat suatu istilah “Bilangan Ajaib”. Bilangan ajaib adalah nuklida dengan jumlah proton atau neutron sebanyak 2,8,20,28,50, dan 82. Jadi, unsur-unsur bilangan ajaib pasti selalu stabil alias tidak radioaktif. Contoh: 1. 2He4 = proton 2 dan neutron 2 = termasuk bilangan ajaib 2. 8O16 = proton 8 dan neutron 8 = termasuk bilangan ajaib
--- MODEL KULIT
• 60% dari inti stabil mempunyai Z genap dan N genap. Inti ini disebut inti genap-genap. • Jika inti memiliki Z genap dan N ganjil disebut inti ―ganjil-genap‖ • Hanya 5 buah inti yang mempunyai z ganjil dan N ganjil disebut inti ―ganjil-ganjil‖ yaitu: 2H1, 6Li3, 12 Be5, 14N7, 180Ta73
MODEL-MODEL INTI • MODEL TETESAN CAIRAN: wieszacker menyebutkan bahwa sifat inti berhubungan dengan ukuran, massa dan energi ikat inti yang mirip dg tetesan cairan. Kerapatan tetesan cairan adalah konstan, ukurannya sebading dengan jumlah partikel atau molekul di dalam cairan, penguapan panas atau energi ikatnya berbanding lurus dengan massa atau jumlah partikel yang membentuk tetesan.
• Energi volume Ev adalah energi volume sebuah inti dan berbanding lurus dengan A. Ev = a1 A • Energi permukaan: Energi ini sangat penting untuk energi ringan karena sebagian besar dari nukleon berada pada permukaan. Karena sistem alamiah cenderung untuk berevolusi menjadi konfigurasi dengan energi potensial minimum, inti cenderung mengambil konfigurasi dengan energi ikat maksimum. Jadi inti harus menunjukkan efek tegangan permukaaan seperti tetesan-cairan dalam ruang tanpa gaya eksternal bentuknya harus seperti bola, karena bola memiliki luas permukaan minimum untuk suatu volume tertentu.
• Energi coulomb Gaya tolak listrik antara setiap pasang proton dalam inti memberi kontribusi dalam pengurangan energi ikat. Energi coulomb Ec sebuah inti sama dengan kerja yang harus dilakukan untuk membawa Z proton dari tak terhingga ke suatu tempat menjadi kumpulan berbentuk bola yang ukurannya sama dengan ukuran sebuah inti. Ket: energi coulomb negatif karena energy itu timbul dari efek yang menentang kemantapan inti.
• A genap, Z genap, N genap (-) • A gasal, Z gasal, N gasal (+) • A gasal, N genap, Z gasal dan N gasal, Z genap (0)
MODEL KULIT
• Model kulit inti: berasumsi bahwa nukleon bergerak di dlaam suatu rata-rata potensial osilator harmonik. V=1/2 k𝑅2 = 1/2mω2 𝑅2 • Momentum anguler orbital: I =
𝑙(𝑙 + 1)ђ
L= bilangan kuantum momentum anguler orbital nilainya= 0,1,2,3,... Nukleon memiliki spin tunggal s=1/2 (bil.kuantum spin), jika l>0 maka terbagi menjadi dua orbital. Total bilangan kuantum momentum anguler j adalah j=l+s atau j=l-s. I s = ½ [j(j+1)-l(l+1)-s(s+1)]ђ2
Momen magnetik inti • Jika suatu inti merupakan suatu untai tertutup melingkupi luasan A yang dialiri arus listrik i • Momentum magnetik: μ = i A • i=
𝑒 2π𝑟/𝑣
• μ =iA
𝑒𝑣 2π𝑟 𝑒𝑣 = 2π𝑟
=
π𝑟 2 =
𝑒𝑣𝑟 2
,
momentum sudut orbital L =mvr, maka: μ = 𝑒
𝑒𝑣𝑟 2
𝑒
μ = Lz , Lz= 𝑚𝑙 ђ maka μ = 𝑚𝑙 ђ, 𝑚𝑙 =bilangan kuantum 2𝑚 2𝑚 magnetik orbital. 𝑒ђ Untuk elektron β = = 0,92932.10−23 (besaran magneton bohr) 2𝑚
μ = β 𝑚𝑙 Untuk proton
𝑒ђ 2𝑚𝑝
= β = 5.050. 10−27 (magneton inti)
• MODEL GAS FERMI Diasumsikan bahwa inti terdiri dari gas dengan proton dan neutron bebas yang bergerak didalam ruang terbatas sebesar volume inti. Pada level terendah/terdekat dg inti memiliki tingkat energi fermi yang besar. • Energi fermi Ef=
𝑝2𝑓 2𝑚
• Besar volume untuk keadaan ruang momentum sebesar: V=
4π 𝑝3𝑓 3
• Model kolektif nukleus merupakan hasil penggabungan antara model tetes cairan dan model kulit nukleus. Dalam model kolektif nukleus susunan nukleon-nukleon penyusun nukleus berlapis-lapis, akan tetapi bila nukleus menerima tambahan energi dari luar maka energi itu akan didistribusikan merata ke seluruh nukleon penyusun nukleus tersebut
