fisika inti

Bab 8

Fisika Inti dan Radioaktivitas

8.1   Pendahuluan

Sejauh  ini  inti  atom  dapat  dianggap    sebagai  partikel  yang  memiliki  massa  dan  bermuatan  positif.

Sifat utama dari atom, molekul dan zat padat semuanya dapat dilihat dari perilaku elektron atomnya.

Struktur  elektron  suatu  atom  sudah  dipahami    sebelum  komposisi  inti  atom  diketahui,  karena  gaya

yang mengikat inti bersama jauh lebih kuat daripada gaya listrik yang mengikat elektron sehingga inti

atom lebih sulit dipahami untuk mengetahui apa yang ada didalamnya.

Perubahan struktur  elektron suatu atom yang  terjadi ketika ikatan kimiawi pecah menyangkut energi

yang  besarnya  beberapa  elektron  volt  (eV)  tetapi  perubahan  struktur  inti  menyangkut  energi  yang

besarnya MeV, sejuta kali lebih besar.

Satuan massa atom

(sma = u)

Massa suatu atom mengacu pada suatu atom netral, bukan pada intinya saja. Jadi yang termasuk dalam

massa suatu atom adalah massa inti, massa elektron orbital, dan energi ikatnya.

1 sma adalah massa

atom karbon karbon 12

1

12

1 sma = 1 u = 1,6604 x 10

kg

931,48 MeV     (E = m c

)

–27

2

Isotop

Atom – atom yang memiliki nomor atom (Z) yang sama

1

2

3

H

H

H

Contoh :

1

1

1

Isoton

Atom – atom yang memiliki jumlah massa yang sama

14

13

N

C

Contoh :

7

6

Isobar

Atom – atom yang memiliki nomor massa yang sama

N

C

14

14

Contoh ;

7

6

Muatan dan Massa penyusun atom

Atom bersifat  netral.  Elektron  bergerak  mengelilingi inti atom  dengan  kecepatan  tertentu.  Inti  atom

nukleon

terdiri dari proton dan neutron yang dikenal dengan nama

(unsur penyusun inti).

Elektron  ditemukan oleh   J.J Thomson   sedangkan muatannya oleh   R.A  Milikan.  Proton  ditemukan

oleh  Goldstein  dan neutron ditemukan oleh  James Chadwick  (teman Rutherford) yang meraih Nobel

tahun 1935.

Nama    simbol    Massa (kg)  Massa (sma)    Muatan (C)

Elektron  -e    9,11 x 10

– 1,6 x 10

–  31

–  19

Proton     p    1,6725 x 10

1.0073      + 1,6 x 10

–  27

–  19

Neutron    n    1,6748 x 1 0

1.0087               0

–  27

simbol unsur/nuklida

X

A

Z

X = nama unsur

A = nomor massa = jumlah proton dan neutron

Z = nomor atom = jumlah proton

8.1.1   Kestabilan Inti

Tidak  setiap  gabungan  neutron  dan  proton

Jumlah neutron

membentuk  inti  yang  stabil.  Pada  umumnya  inti

Inti tak stabil

ringan     (A < 20) mengandung jumlah neutron dan

Inti stabil

50

proton  yang  hampir  sama,  sedangkan  inti  berat

40

proporsi neutron bertambah besar.

Jumlah  neutron  cenderung  lebih  banyak

30

dibandingkan  dengan  jumlah  proton,  ini  karena

20

gaya  tolak  antar  proton  akan  menjadi  besar  untuk

10

inti  yang  mengandung  10  proton  atau  lebih

dibandingkan  dengan  gaya  tarik  (gaya  inti)  antar

Jumlah proton

10  20

30

40

50

nukleon untuk mencapai kestabilan inti.

11

11

B

C

lebih stabil dibandingkan dengan

5

6

Titik – titik yang menggambarkan isotop stabil menentukan suatu daerah kestabilan yang agak sempit.

1

N

Untuk  bilangan –  bilangan  massa  yang  rendah didapatkan

.  Perbandingan  ini  akan  bertambah

Z

besar  dan  akan  kira  –  kira  mencapai  1,6  untuk  bilangan  massa  yang  besar.  Kestabilan  inti  dapat

dipahami berdasarkan sifat alam gaya tarik nuklir dan gaya tolak Coulomb. Sebuah inti dengan terlalu

banyak  neutron  akan menjadi tidak  stabil  sebab tidak  cukup bagi mereka  untuk dipasangkan dengan

proton –  proton. Sebaliknya inti dengan terlalu banyak proton  akan menghasilkan terlalu banyak gaya

tolak  dibandingkan dengan gaya tarik nuklir untuk menjadi stabil. Tidak ada inti dengan nomor massa

yang lebih besar dari 209 yang stabil.

Gaya  inti    (nuklir)  memiliki  jangkauan  yang  terbatas  dan  terjadi  hanya  antar  nukleon  tetangganya.

Gaya  tolak  Coulomb  dari  proton  menjangkau  seluruh  proton  dalam  inti,  maka  terdapat  batas

kemampuan  neutron  untuk  mencegah  terpecahnya  inti  atom.  Batas  ini  dinyatakan  dengan  isotop

209

Bi

Bismuth

. Semua inti atom dengan Z > 83 dan A > 20 9 bertransformasi spontan menjadi inti lebih

83

4

He

ringan melalui pemancaran sebuah atau lebih partikel alfa yang merupakan inti

.

2

Peluruhan alfa

Peluruhan  alfa  terjadi  karena  di  dalam  inti  terlalu  banyak  nukleon,  sehingga

untuk membentuk kestabilan inti atom, dua proton dan dua neutron dilepaskan

dari inti induk dan sinar alfa yang sama dengan inti Helium dipancarkan keluar.

Peluruhan alfa

X

Y

He

A

A

2

4

+

Z

Z

2

2

Karena partikel alfa  terdiri dua  proton  dan  dua  neutron  peluruhan  alfa mereduksi  Z  dan  N  dari  inti

induk.  Jika  inti  anak  yang  dihasilkan  memiliki  rasio  neutron/proton  yang  terlalu  besar  atau  terlalu

kecil, inti itu dapat meluruh lagi ke konfigurasi yang lebih memadai.

Peluruhan beta

Untuk mencapai kestabilan inti karena kandungan neutron terlalu banyak maka

sebuah  neutron  berubah  menjadi  proton  disertai  pelepasan  sinar  yang

bermuatan  negatif  yang  dikenal  dengan  sinar  beta.  Dalam  peluruhan  beta

negatif,  neutron  bertransformasi  menjadi  proton  dan  elektron.  Elektron  yang

meninggalkan inti teramati sebagai partikel beta.

1

1

0

Peluruhan beta

n

p

e

+

0

1

1

Peluruhan gamma

Setelah inti meluruh menjadi inti baru biasanya terdapat energi kelebihan pada

tereksitasi

ikatan  intinya  sehingga  seringkali  disebut  inti  dalam  keadaan

.  Inti

yang  kelebihan  energinya  ini  biasanya  akan  melepaskan  energinya  dalam

bentuk  sinar  gamma  yang  dikenal  dengan  peluruhan  gamma,  sinarnya  ini

adalah  foton  dan  termasuk  ke  dalam  gelombang  elektromagnetik  yang

mempunyai energi yang sangat besar melebihi sinar X.

Peluruhan gamma

+

A

*

A

0

X

X

Z

Z

0

Selain  peluruhan  di  atas  sebagai  cara  suatu  inti  atom  membentuk  kestabilan  dikenal  juga

peristiwa sebagai berikut :

Dalam  pemancaran  positron  proton  bertransformasi  menjadi  neutron  dan  positron  (positif

elektron)

Pemancaran positron

p

n

e

1

1

0

+

1

0

1

Suatu  proses  yang  berlawanan  dengan  pemancaran  positron  adalah  penangkapan  elektron

kulit  terdalam  oleh  inti  atom.  Elektron  yang  diserap  oleh  proton  bertransformasi  menjadi

neutron.

1

0

1

Penangkapan elektron

p

e

n

+

1

1

0

8.1.2  Ukuran dan bentuk inti atom

Dari  eksperimen  Rutherford  didapatkan  bahwa  inti  atom  mempunyai  ukuran  berhingga.    Dengan

eksperimen  untuk  menentukan  inti atom  ternyata  didapatkan  bahwa  volume sebuah  inti berbanding

lurus dengan banyaknya nukleon yang dikandungnya.

V

R

A

3

4

3

1

R

R

A

R

Jari –  jari inti

1,2 x 1 0

m = 1,2 fm = 1,2 fermi

– 15

3

o

o

1

R

1

,

2

A

fermi

3

8.1.3

Energi ikat dan Gaya inti

Energi  ikat  sebuah  inti adalah energi yang diperlukan untuk memecahkan sebuah inti menjadi proton

dan neutron.

A

X

unsur

Z

2

Energi ikat =

zm

A

z

m

m

c

p

n

= massa defect  x  931 MeV

energi ikat inti dibagi dengan jumlah nukelonnya

Energi ikat per nukleon adalah

. Semakin besar energi

56

Fe

ikat pernukleonnya  maka inti akan  semakin stabil. Inti

yaitu isotop besi mempunyai energi ikat

26

pernukleon sebesar 8,8 MeV/nukleon adalah inti yang paling stabil.

fissi  nuklir

Pembelahan  inti  berat  yang  disebut

melibatkan  ratusan  juta  kali  energi  per  atom  lebih

besar dibandingkan pembakaran batu bara atau minyak.

fusi  nuklir

Penggabungan  dua  buah  inti  ringan  yang  menghasilkan  inti  sedang

juga  menimbulkan

energi ikat pernukleon dalam inti berkurang juga sangat efektif untuk memperoleh energi. Reaksi fusi

merupakan sumber energi utama dari matahari dan bintang.

Gaya inti adalah gaya terkuat  yang dikenal dan berjangkauan pendek yang mengikat nukleon  sampai

berjarak 3 fm. Gaya inti ini 10 0 kali lebih kuat daripada gaya tolak listrik antar proton. Interaksi antara

proton –  proton, proton –  neutron, neutron – neutron adalah identik.

Teori Meson Gaya Nuklir

Dalam ikatan kimia terlihat bahwa sebuah molekul saling mengikat dengan pertukaran elektron antara

atom  komponennya.  Apakah  mungkin  mekanisme  yang  serupa  bekerja  dalam  inti  dengan  nukleon

komponen saling mengikat dengan pertukaran sejenis partikel antara nukleon itu ?

Pendekatan pertama dilakukan oleh Heisenberg yang mengusulkan bahwa elektron dan positron bolak

balik  antar  nukleon.  Sebuah  netron  memancarkan  elektron  dan  menjadi  proton  dan  proton  dapat

menyerap  elektron  dan  menjadi  neutron.  Pendekatan  ini  tidak  tepat  karena  ternyata  gaya  yang

dihasilkan dalam pertukaran elektron dan positron terlalu kecil untuk berperan dalam struktur nuklir.

Hideki Yukawa

Pendekatan

(1935)  menyatakan bahwa terdapat partikel pion (

,

,

) dengan besar

–

+

o

massa antara elektron dan nukleon yang bertanggung jawan atas adanya gaya nuklir. Partikel ini adalah

meson

anggota  kelas  patikel  elementer  yang  secara  kolektif  disebut

.  Pion  adalah  singkatan  dari

meson.

8.2

Radioaktivitas

Penemuan Radioaktivitas

Tahun  1895  Roentgen  mendeteksi  sinar  X  dengan  fluoresensi  yang  ditimbulkannya  dalam  bahan

tertentu.  Ketika  Henry  Becquerel  (ahli  fluoresensi  dan  fosforesensi)  mempelajari  hal  kebalikannya

(1896)  secara  tidak  sengaja  menemukan  bahwa  garam  uranium  dapat  menghitamkan  pelat  foto

walaupun  tidak  diberi  sinar  terlebih  dahulu.  Jadi  bahan  itu  memancarkan  sinar  dengan  sendirinya.

Beberapa  waktu  kemudian  Marie  Curie  dari  Polandia  menemukan  unsur  lain  yang  juga  bahan

radioaktif yakni Polonium dan Radium yang ternyata 1000 x lebih aktif dari uranium.

Rutherford  membedakan  tiga  komponen  dalam  radiasi

x  x  x  x  x

partikel  alfa

partikel  beta

sinar

radionuklide  yaitu

,

dan

gamma

seperti pada gambar.

x  x  x  x  x

B

radium

x  x  x

Aktifitas radioaktif

Laju perubahan inti atom pembentuknya.

dN

A

N

kejadian/s = Becqurel

dt

1 becquerel = 1 Bq = kejadian/s

1 curie = 1 ci = 3,7 x 10

Bq

10

1 curie hampir sama dengan aktivitas 1 gram Radium (ditemukan Marie curie)

Contoh peluruhan radioaktif

238

234

238

234

U

Th

atau

U

Th

234

234

234

234

Th

Pa

Th

Pa

atau

Dari  hasil  pengukuran  aktivitas  radioaktif  menunjukkan  bahwa  aktivitas  radioaktif  menurun  secara

eksponensial terhadap waktu

A

A

e

t

o

= konstanta peluruhan (peluang terjadinya peluruhan)

dN

N

dt

dN

dt

N

N

t

dN

o

dt

N

N

0

ln

N

ln

N

t

o

N

ln

t

N

o

N

N

e

t

o

A = aktivitas radioaktif  (Bq)

N = jumlah inti sisa yang belum meluruh (inti)

N

= jumlah inti mula –  mula (inti)

o

Waktu Paruh = T = T½

Waktu  yang  dibutuhkan  suatu  bahan  radioaktif  sehingga  aktifitas  atau  jumlah  inti/partikel  menjadi

setengah dari semula.

t

A

A

e

o

T

1

A

A

e

o

o

2

T

e

1

2

ln

2

0

,

693

T

sehingga

t

t

A

A

N

N

1

1

T

dan

T

o

o

2

2

Penentuan Umur Radiometrik

Dengan  menggunakan  metode  peluruhan  radioaktif  memungkinkan  penentuan  umur  batuan  dan

benda yang mempunyai asal biologis. Karena peluruhan  radioaktif  berlangsung dengan laju tetap dan

tak  bergantung kondisi  luar maka  rasio antara  jumlah  nuklide  dan  nuklide  anak  stabil  dalam  benda

yang diselidiki akan menunjukkan umurnya.

Sinar  kosmik  merupakan  inti  atomik  berenergi  tinggi    terutama  terdiri  dari  proton  yang  bergerak

menembus  galaksi  kita  kira  –   kira  10

diantaranya  sampai  ke  bumi  tiap  detik.  Ketika  memasuki

18

atmosfer  bumi  menumbuk  inti  atom  sehingga  menimbulkan  hujan  partikel  sekunder.  Diantaranya

neutron  yang  dapat  bereaksi  terhadap  inti  hidrogen  dalam  atmosfer  dan  membentuk  radiokarbon

dengan pemancaran proton.

14

1

14

1

N

n

C

H

+

+

7

0

6

1

14

C

Sesaat setelah dihasilkan atom

menempel pada molekul oksigen  dan membentuk  CO

radioaktif.

2

6

Tanaman  hijau  mengambil  CO

supaya  tetap  hidup  sehingga  setiap  tanaman  mengandung  karbon

2

radioaktif.  Binatang makan  tanaman  sehingga  binatangpun menjadi  radioaktif.  Setelah mati  binatang

tidak menyerap radiokarbon dan radiokarbon yang dikandungnya terus meluruh menjadi

N.  Setelah

14

5600  tahun benda ini memiliki setengah jumlah radiokarbon asal. Dengan mengetahui radiokarbonnya

umur suatu benda dapat ditentukan.

Kebanyakan  batuan  purba  umurnya  ditentukan  dari  yang  didapatkan  pada  tanaman  hijau  dan

dipercaya berumur 3,8 bilyun tahun yang lalu.

Deret Radioaktif

Kebanyakan  unsur radioaktif  yang  ada di alam  adalah anggota  dari  empat deret radioaktif. Penyebab

terdapat empat deret adalah peluruhan alfa mereduksi nomor massa sebuah inti dengan 4.

A = 4n

A = 4n +  1

1.

Deret Thorium

2.          Deret Neptunium

N

N

Np

237

148

148

Th

Pa

232

233

144

144

U

233

Ra

228

140

140

Ac

228

Th

229

138

138

Th

228

Ra

225

Ra

224

Ac

136

225

136

Ra

Fr

220

221

134

134

At

Po

217

216

132

132

Bi

Pb

213

212

130

130

Bi

212

Po

Tl

213

209

Po

212

128

128

Tl

208

Pb

209

126

126

Pb

Bi

208

209

124

124

122

Z

122

Z

80  82  84  86  88  90  92

80  82  84  86  88  90  92

A = 4n + 2      4

A = 4n + 3

3.   Deret Uranium

.          Deret Actinium

N

N

148

U

148

238

Th

234

144

144

U

235

Pa

234

140

140

U

Tl

234

231

Th

Pa

230

231

138

138

Ac

227

Ra

226

136

136

Th

227

Fr

Rn

223

222

134

134

Ra

Po

223

218

132

132

Rn

219

Pb

214

130

130

Bi

Po

214

215

128

128

Po

214

Tl

210

Pb

211

Bi

211

126

126

Pb

210

Po

211

Tl

207

124

Bi

124

210

Pb

207

Pb

206

122

122

Z

Z

80  82  84  86  88  90  92

80  82  84  86  88  90  92