TUGAS FISIKA INTI

SIFAT-SIFAT INTI ATOM

Disusun oleh:

Nama                        : Tiara Veronica

NPM                         : A1E014013

Semester                   : VI A

Dosen Pengampu     : Eko Risdianto,M.Cs

UNIVERSITAS BENGKULU

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

2017

INTI ATOM

A.  Struktur Atom

Untuk mengetahui distribusi muatan positif dan negatif dalam atom, maka Rutherford melakukan eksperimen hamburan partikel alpha. Adapun eksperimen tersebut adalah sebagai berikut, partikel alpha dilewatkan dan kolimator dan ditumbukkan pada suatu lapisan logam tipis. Sebagian partikel diteruskan dan sebagian dihamburkan (dibelokkan). Partikel alpha yang terhambur disebabkan oleh gaya elektrostatik antara muatan positif dari partikel alpha dengan muatan positif dan negatif dari atom penyusun lapisan logam tipis. Hamburan dengan sudut 900 disebabkan oleh proses hamburan tunggal dengan medan listrik yang kuat. Dan hasil eksperimen ini dapat disimpulkan bahwa muatan positif dan bagian terbesar dan massa atom terkonsentrasi pada bagian yang sangat kecil, yang kemudian dikenal dengan inti atom. Jumlah elektron yang mengimbangi muatan positif dan atom penyusun lapisan logam tipis diperkirakan terdistribusi mengelilingi dimensi atom. Gaya antara partikel alpha dengan muatan positif atom adalah

     dimana :

Z.e : muatan pada pusat atom

Zα.e : muatan partikel alpha

d : jarak antar keduanya

Rutherford menjelaskan bahwa jejak partikel alpha dalam medan inti adalah berbentuk hiperbola dengan inti sebagai fokus eksternalnya. Persamaan hamburan untuk menentukan jumlah partikel alpha yang terhambur telah diturunkan dan eksperimen tersebut.

Dimana :

n     = jumlah partikel alpha yang bertumbukan

t      = tebal lapisan logam

N    =jumlah inti tiap volume penghambur

M_α   = massa partikel alpha

v_α     = kecepatan awal partikel alpha

r      = jarak dan titik hambur

θ     = sudut hamburan

B.  Komposisi Inti Atom

Dan eksperimen Rutherford dapat dijelaskan tentang model inti, penentuan muatan inti dan ukuran inti atom. Karena muatan dalam inti merupakan kelipatan eksak dan muatan proton dan massa inti merupakan kelipatan eksak dan massa proton, maka dianggap bahwa semua inti tersusun dan proton. Jika ada inti bernomor massa A dan nomor atom Z, maka inti tersebut mengandung A proton dan (A-Z) elektron supaya muatan positifnya menjadi Z. Hipotesis proton-elektron ini memiliki kelemahan, yaitu elektron yang terdapat di dalam inti harus memiliki panjang gelombang de Brogue (λ= h/mv) yang tidak boleh lebih besar daripada ukuran inti (10^-12cm). Pada kenyataannya, elektron dengan panjang gelombang de Broglie mi memiliki energi kinetik yang lebih besar daripada partikel beta yang dipancarkan dan inti atom. Oleh karena itu hipotesis proton-elektron menimbulkan keraguan bahwa elektron bebas merupakan partikel penyusun inti atom.

Pada tahun 1932, J. Chadwick menemukan neutron, yaitu partikel yang memiliki muatan nol atau netral dan massanya mendekati massa proton. Karena hipotesis elektronproton tidak dapat menjelaskan beberapa sifat inti, maka segera ditinggalkan sesudah penemuan neutron ditinggalkan sesudah penemuan neutron. Sejak saat itu mulai dipercaya bahwa inti terdiri dan neutron. Jumlah proton dalam inti disebut sebagai nomor atom (Z). Jumlah neutron dalam inti disebut sebagai jumlah neutron (N). Jumlah dan banyaknya proton dan neutron disebut sebagai nomor massa (A). A=Z+N                                                                                     (1-3)

Simbol yang digunakan untuk menunjukkan jenis inti adalah simbol kimia dan unsur tersebut dengan nomor atom di tulis sebagai subscrip kiri dan nomor massa sebagai superscrip, misalnyamemiliki nomor atom 2 dan nomor massa 4.

C. Sifat-Sifat Inti Atom

a.    Sifat Inti Tak Bergantung Waktu

1.    Massa

Massa inti atom sangat kecil jika dinyatakan dengan satuan massa biasa, yaitu kurang dari 10.21 gram. Oleh karena itu harus dinyatakan dengan satuan yang berbeda. Satuan yang diakui secara universal adalah didasarkan pada massa atom ¹²C yang berada dalam keadaan netral dan tingkat energi dasar. Satuan yang dimaksud adalah sma (satuan massa atom) atau amu (atomic mass unit).

Dari kesetaraan massa dan energi (E = mc²), maka 1 sma setara dengan energi sebesar 1,492232 x 10^-10 joule. Dalam sistem atom, energi pada umumnya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV). Satu elektron volt didefinisikan sebagai energi yang diperoleh satu elektron yang bermuatan 1,6x10^-19 coulomb setelah menempuh beda potensial sebesar 1 volt, atau

Massa dari berbagai elemen atom diketahui lebih besar dan berat atom. Sebagai contoh isotop oksigen ¹⁶O terdapat 8 proton, 8 neutron dan 8 elektron; jumlah massanya sama dengan 16,132 amu, sedangkan berat atomnya sebesar 15,99491 amu. Isotop oksigen ¹⁶O lebih ringan 0,13709 amu dan elemen penyusun. Perbedaan antara total massa proton, neutron dan elektron secara individu dengan massa atom disebut mass defect. Persamaan untuk mass defect adalah

 dimana, Z : nomor atom M_H : massa atom hidrogen M_N : massa neutron A-Z : nomor neutron M : berat atom.

Jika berat atom pada persamaan di atas diganti dengan massa inti, maka massa atom hidrogen harus diganti massa proton.

1.    Jari-jari

Semua eksperimen yang dilakukan untuk menentukan radius inti menunjukkan bahwa perkiraan secara kasar untuk radius inti adalah

dimana, r₀ : konstanta yang tidak tergantung pada A (sekitar 1, 1 sampai dengan 1,6 fm) dan A : nomor massa

Ø  Ada dua cara untuk menentukan r₀:

a.       Cara nuklir

Dengan cara ini diukur jari-jari gaya inti (nuclear force radius) yang didefinisikan sebagai jarak dari pusat inti ke jarak jangkauan gaya inti. Jangkauan gaya inti lebih panjang sedikit dari ukuran inti. Cara-cara yang masuk dalam kategori ini:

·         Hamburan partikel alfa dengan hasil r_o = 1,414 F =1,414 x 10^-13 cm

·         Peluruhan alfa dengan hasil r_o = 1,48 F = 1,48 x 10^-13 cm

·         Hamburan neutron cepat dengan hasil r_o = 1,37 F = 1,37 x 10^-13 cm

b.      Cara elektromagnetik

Jari-jari yang diukur ialah jari-jari muatan inti. Percobaan yang termasuk kategori ini:

·         hamburan elektron dengan hasil 𝑟₀=1,26 𝐹

·         Mesonik atom dengan hasil 𝑟₀=1,2 𝐹

·         Inti cermin (₁H_{3 3}He₃) dengan hasil 𝑟₀=(1,28 ±0,05) 𝐹

·         Hamburan proton dengan hasil 𝑟₀ = (1,25 ±0,05) 𝐹

·         Pergeseran isotropik dengan hasil 𝑟₀=1,20 𝐹

                            r₀= 1,37 x 10^-13­cm

Dengan demikian volume inti sebanding dengan massa inti, sehingga semua inti memiliki densitas yang hampir sama. Bentuk inti atom tidak selalu bulat (sferis) tetapi dapat berbentuk oblate (IA=IB < IC) atau prolate (IA<IB = IC) seperti bola rugby. Inti yang memiliki jumlah proton genap dan neutron juga genap selalu berbentuk bulat (sferis). Inti dengan nomor massa (A) ganjil dapat berbentuk oblate atau prolate.

2.    Muatan

Model atom Rutherford dapat menjelaskan spektra sinar-X unsur-unsur yang diukur oleh Moseley(1913). Dari data Moseley diketahui bahwa muatan inti adalah Z.e dengan Z adalah nomor atom dan e=+1,602 x 10^-19 C.

3.    Momentum Sudut

Momentum sudut inti dapat diketahui dari hyperfine structure atau garis spektrum struktur atom, yang dapat diamati menggunakan spektrometer dengan resolusi tinggi. Nukleon dalam inti atom mempunyai spin ½. karena gerakannya di dalam inti atom maka proton dan neutron juga mempunyai momentum sudut orbital.

Momentum sudut total atau spin inti I merupakan jumlah vektor dari momentum sudut orbital L dan momentum sudut spin S setiap nukleon.

4.    Momen Magnetik

Momen magnetik adalah Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom, ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut. Di dalam inti atom nukleon-nukleon mengalami gerak orbital. Proton maupun neutron mempunyai momen magnetik yaitu M_p dan M_n.

Hubungan antara momen magnetik proton M_p dengan momentum sudut orbital proton L_P memenuhi:

Komponen momen magnetik proton dalam arah sumbu z memenuhi:

Dengan L_p = m_lℏ.

Nilai momen magnetik sudut orbit proton dalam arah sumbu z dapat dinyatakan:

Dengan µ_N dikenal sebagai magneton nuklir.

Hubungan antara momen magnetik spin proton M_sp dengan momentum sudut spin proton S_p memenuhi:

Nilai momen magnetik sudut spin proton dalam arah sumbu z :

Dengan cara yang sama hubungan antara momen magnetik sudut spin dan momen sudut spin untuk neutron memenuhi:

Selanjutnya nilai momen magnetik sudut spin neutron dalam arah sumbu z:

5.    Momen Listrik

Momen kuadrupol inti pertama kali dideteksi oleh Schuler dan Schmidt (1935) pada saat mereka menjelaskan   hyperfine stuktur  ¹⁵¹Eu dan ¹⁵³Eu. Adanya momen kuadrupol inti menunjukkan distribusi muatan inti tidak simetris bola, melainkan sedikit berdeviasi. Konsep multipol listrik  dapat diterangkan dengan teori potensial elektrostatis.

Gambar 1 Multipol Listrik

Pada umumnya multipol listrik dapat dinyatakan dengan 2. Berdasarkan angka 2 tersebut maka untuk :

l = 0 ; 2⁰ = 1 ; monopol

l = 1 ; 2¹ = 2 ; dipol

l = 2 ; 2²  = 4 ; kuadrupol

l = 3 ; 2³ = 8 ; oktupol

l = 4 ; 2⁴ = 16 ; hexadecapol

b.    Sifat Inti Bergantung Waktu

1.    Peluruhan Radioaktif

Peluruhan radiokatif adalah peristiwa hilangnya energi dari inti atom yang tidak stabil dengan memancarkan radiasi dan partikel‐partikel pengion. Peluruhan, atau hilangnya energi, ini akan menghasilkan jenis atom lain yang stabil. Atom baru yang dihasilkan ini dinamakan inti anak (daughter nuclide), sedangkan atom yang meluruh dinamakan inti ibu (parent nuclide). Sebagai contoh, atom karbon‐14 (ibu) akan memancarkan radiasi dan berubah menjadi atom nitrogen‐14 (anak). Peristiwa peluruhan merupakan peristiwa yang acak di tingkat atom, sehingga sangat sulit untuk memrakirakan kapan suatu atom tertentu akan meluruh. Yang bias kita lakukan adalah meperkirakan rerata peluruhan dari banyak atom yang sama.

Satuan SI untuk peluruhan radiokatif adalah becquerel (Bq). Satu Bq didefinisikan sebagai satu perubahan (atau peluruhan) per detik. Karena suatu sampel bahan radioaktif berisi banyak atom, satu Bq adalah ukuran aktivitas yang sangat kecil; sehingga jumlah dalam orde TBq (terabecquerel) atau GBq (gigabecquerel) banyak dipergunakan. Satuan radioaktivitas yang lain adalah curie (Ci), yang pada awalnya didefinisikan sebagai aktivitas satu gram radium murni, isotop Ra‐226. Sekarang ini satu Ci didefinisikan sebagai aktivitas sebarang radionuklida yang meluruh dengan laju disintegrasi sebesar 3.7 × 1010 Bq. Ditinjau dari jenis dan besar energinya, radiasi radiokatif dibedakan menjadi tiga macam (yang dinamakan sesuai dengan urutan alphabet Yunani), yaitu radiasi alfa, beta, dan gamma. Peluruhan alfa hanya terjadi pada unsur‐unsur berat saja (dengan nomor atom ≥ 52), sedangkan dua jenis peluruhan yang lain bisa terjadi pada semua unsur.

Gambar 2. Peluruhan Radioaktif

Ø Peluruhan alpha terjadi ketika suatu inti memancarkan partikel alfa (inti helium yang terdiri dari dua proton dan dua neutron). Hasil peluruhan ini adalah unsur baru dengan nomor atom yang lebih kecil.

Ø  Peluruhan beta, diatur oleh gaya lemah, dan dihasilkan oleh transformasi neutron menjadi proton, ataupun proton menjadi neutron. Transformasi neutron menjadi proton akan diikuti oleh emisi satu elektron dan satu antineutrino, manakala transformasi proton menjadi neutron diikuti oleh emisi satu positron dan satu neutrino. Emisi elektron ataupun emisi positron disebut sebagai partikel beta. Peluruhan beta dapat meningkatkan maupun menurunkan nomor atom inti sebesar satu.

Ø Peluruhan gama, dihasilkan oleh perubahan pada aras energi inti ke keadaan yang lebih rendah, menyebabkan emisi radiasi elektromagnetik. Hal ini dapat terjadi setelah emisi partikel alfa ataupun beta dari peluruhan radioaktif.

Jenis-jenis peluruhan radioaktif lainnya yang lebih jarang meliputi pelepasan neutron dan proton dari inti, emisi lebih dari satu partikel beta, ataupun peluruhan yang mengakibatkan produksi elektron berkecepatan tinggi yang bukan sinar beta, dan produksi foton berenergi tinggi yang bukan sinar gama. Tiap-tiap isotop radioaktif mempunyai karakteristik periode waktu peluruhan (waktu paruh) yang merupakan lamanya waktu yang diperlukan oleh setengah jumlah sampel untuk meluruh habis. Proses peluruhan bersifat eksponensial, sehingga setelah dua waktu paruh, hanya akan tersisa 25% isotop.

2.    Reaksi Inti

             Reaksi inti sangat berbeda dengan reaksi kimia, karena pada dasarnya reaksi inti ini terjadi karena tumbukan (penembakan) inti sasaran (target) dengan suatu proyektil (peluru). Secara skematik reaksi inti dapat digambarkan:

Pada reaksi inti ini terjadi perubahan unsur karena ditumbuk zarah nuklir atau zarah radioaktif yang dapat dinyatakan oleh persamaan reaksi:

Atau A (a, b) B

dengan A adalah unsur semula, B adalah unsur yang terjadi, a dan b adalah zarah yang ditumbukkan dan yang terpental, dan Q adalah energi panas yang mungkin timbul dalam reaksi inti tersebut. Apabila b = a, dan B = A, maka pada reaksi tersebut adalah hamburan. Misalnya:

dengan p adalah proton. Dalam hal ini, hamburannya tidak elastis dengan energi kinetik proton yang terdisipasi untuk mengeksitasi inti Mg yang pada deeksitasinya mengeluarkan sinar gamma. Pada reaksi inti berlaku hukum: a. kekekalan momentum linier dan momentum sudut, b. kekekalan energi, c. kekekalan jumlah muatan (nomor atom), d. kekekalan jumlah nukleon (nomor massa). Dengan demikian, momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti-inti sebelum reaksi harus sama dengan momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti setelah reaksi.

Suatu reaksi inti bisa menghasilkan atau memerlukan energi. Besarnya energi Q bisa dihitung berdasarkan reaksi. Dalam perhitungan energi reaksi inti, semua massa inti dinyatakan dalam satuan sma (satuan massa atom). Menurut Einstein, energi total yang dimiliki suatu massa m adalah:

dengan c adalah kelajuan cahaya (3 × 108 m/s). Dari persamaan tersebut untuk 1 sma, energi yang dimiliki adalah 931,5 MeV. Dengan demikian, persamaan energi (berdasarkan hukum kekekalan energi) dapat dituliskan:

Atau

Dari persamaan (11.15), jika diperoleh nilai Q > 0, maka reaksinya disebut reaksi eksoterm, yaitu reaksi di mana terjadi pelepasan energi. Sebaliknya, jika Q < 0, maka reaksinya disebut reaksi endoterm, yaitu reaksi yang memerlukan energi. Persamaan tersebut menunjukkan bahwa pada prinsipnya, energi reaksi adalah sama dengan perubahan massa inti sebelum reaksi dan sesudah reaksi. Hal inilah yang dinyatakan Einstein sebagai kesetaraan massa-energi.