Kit Magnet dan Listrik SMP

Dubsmash vers. malaysia

dubsmash Banana

Gaya Nuklir

GAYA NUKLIR

6.1   Pendahuluan

Seperti yang disebutkan pada bagian awal, dua masalah utama dari fisika nuklir adalah yang pertama adalah untuk memahami  gaya aksi alami nukleus dan yang kedua untuk menjelaskan sifat-sifat sebuah inti kompleks (sistem inti banyak) dalam bagian dari gaya nuklir. Masalah-masalah ini, meskipun nyatanya berhubungan,  pada dasarnya berbeda, untuk umumnya, jika gaya nuklir diketahui dengaan jelas, masih tetaap ada masalah pada hubungan dengan sebuah sistem partikel banyak. Hal ini di bahas pada fisika klasik.

Informasi lebih banyak tentang gaya antara dua inti dapat diperoleh dari sistem dua nukleon paling sederhana, deuteron, dan dari proton-proton sebaik hamburan neutron-proton. Di sisi lain, hamburan neutron-neutron tidak dapat diselidiki dengan fluks neutron yang tersedia saat ini. Interpretasi dari percobaan seperti yang dibahas pada apendiks A, menyokong aspek jarak pendek dari bagian dominan dari gaya nuklir. Jarak sekitar 2 F dan sebuah potensial menarik dari aproksimasi 30 Mev  telah ditemukan. Jika gaya direpresentasikan dengan oleh sebuah interaksi potensial.

Interaksi dua nukleon dapat berwujud interaksi proton-proton, neutron-neutron dan proton-neutron. Pada interaksi proton-neutron pada keadaan terikat dihasilkan inti baru yang disebut deuteron. Deuteron merupakan sistem yang hanya memiliki satu keadaan terikat. Deuteron tak memiliki keadaan tereksitasi.

Dalam inti terjadi interaksi antar nukleon-nukleon penyusunnya. Jika nukleon-nukleon tersebut adalah proton-proton yang didekatkan, secara elektrostatis proton-proton dalam inti atom akan berusaha saling menjauhkan diri karena adanya pengaruh gaya tolak menolak Coulomb (gaya elektrostatis) yang akan makin besar jika jarak proton-proton makin dekat. Fakta lain menunjukkan bahwa proton-proton seolah-olah menyatu dan terikat bersama dengan sangat kuat pada jarak yang sangat dekat (sekitar 1,4 fm), yang mana secara elektrostatis proton-proton tidak mungkin menyatu. Apapun yang mengikat proton-proton tersebut menjadi sebuah inti, menurut para fisikawan ada gaya yang sangat kuat dan jauh lebih besar dibanding gaya tolak elektrostatik yang menentangnya. Gaya tersebut dinamakan “gaya inti” (gaya kuat).

Gaya inti dinamakan gaya kuat (strong force) karena gaya ini merupakan gaya paling kuat dari semua gaya yang diketahui. Gaya inti (strong force) memiliki jangkauan sangat pendek, yaitu hanya sejauh ukuran inti (sekitar 1,4 fm). Pada jarak lebih dari 1,4 fm gaya ini akan melemah dan akhirnya menjadi nol. Sehingga ketika kedua proton terpisah agak jauh, yang ada hanya gaya tolakan elektrostatik Coulomb, sementara gaya nuklirnya bernilai nol. Untuk itu para ahli fisika mengusulkan teori tentang gaya inti, yaitu gaya tarik menarik antara partikel penyusun inti dengan sifat-sifat :

1.     Gaya inti tidak disebabkan oleh muatan partikel atau bukan merupakan gaya listrik.

2.     Gaya harus sangat kuat atau harus jauh lebih besar dari pada gaya elektrostatis

3.     Gaya inti merupakan gaya dekat artinya gaya ini hanya bekerja jika kedua partikel dalam inti cukup dekat (berada pada jarak tertentu sekitar 10^-15 m). Jika gaya inti bekerja juga sampai jarak yang jauh, maka seluruh partikel di jagad raya akan berkumpul menjadi satu, sesuatu yang belum pernah terjadi.

4.     Gaya inti tidak bekerja pada jarak yang sangat dekat sekali, karena pada keadaan ini akan berubah menjadi gaya tolak. Jika gaya inti bekerja juga pada jarak yang sangat dekat, maka semua neutron akan menjadi satu.

5.     Gaya inti antara dua partikel tidak tergantung pada jenis partikelnya. Artinya gaya inti terjadi pada proton-proton, proton-neutron, dan neutron-neutron.

Model yang berhasil menjelaskan asal usul gaya berjangkauan pendek ini adalah model gaya tukar (exchange force) atau dalam interaksinya proton dan neutron mengalami proses pertukaran meson (-meson) di antara mereka. Pertukaran meson  diusulkan oleh Yukawa pada tahun 1935 yang dikenal sebagai Teori Medan Meson.

6.2   Teori Meson Gaya Nuklir

Bagaimana sebuah molekul saling mengikat dengan pertukaran elektron antara atom komponennya. Apakah mungkin mekanisme yang serupa itu bekerja di dalam inti dengan nukleon komppone saling ikat dengan pertukaran sejenis partikel tertentu antara nukleon itu?

Pendekatan pertama untuk menjawab pertanyaan tersebut dilakukan dalam tahun 1932 oleh Heisenberg yang mengusulkan bahwa elektron dan positron bolak-balik antara nukleon-nukleon. Sebuah neutron, misalnya, dapat memancarkan elektron dan menjadi sebuah proton, sedangkan sebuah proton dapat menyerap elektron menjadi sebuah neutron. Namun perhitungan berdasarkan data peluruhan beta menunjukkan bahawa gaya yang timbul ari pertukaran elektron dan postron oleh nukleon terlalu kecil dengan faktor 10¹⁴ , supaya berperan dalam struktur nuklir

6.2.1          Pion

Seorang fisikawan Jepang Hideki Yukawa lebih berhasil dengan pengusulannya yang dianjurkan dalam tahun 1935 yang menyatakan bahwa terdapat partikel dengan besar massa antara elektron dan nukleon yang bertanggung jawab atas adanya gaya nuklir. Sekarang partikel ini disebut pion. Pion dapat bermuatan ( ) atau netral (), dan merupakan anggota kelas partikel elementer yang secara kolektif disebut meson; kata pion ialah singkatan dari nama asalanya  meson.

6.2.2          Pertukaran pion menimbulkan gaya antara neuklon

Menurut teori Yukawa, setiap nukleon terus menerus memancarkan dan meyerap pion. Jika terdapat nukleon lain didekatnya, pion yang dipancarakan dapat menyeberang alih-alaih kembali ke nukeon induknya; transfer momentun yang mentertainya setara dengan aksi gaya.

Gaya nuklir saling-tolak pada jangakauan sangat pendek dan saling-tarik pada jarak nukleon-nukleon yang agak jauh, karena jika tidak demikian nukleon dalam inti akan menyatu, dan salah satu kekuatan teori meson untuk gaya seperti itu ialah kedua aspek itu tercakup. Tidak terdapat cara sederhana untuk menunjukkan yang pertama secara formal, tetapi analogi yang kasar dapat mengurangi materi konsep tersebut. Marilah kita bayangkan dua orang anak saling menukar bola basket (gambar 6.2). jika mereka saling melempar bola itu, anak itu bergerak mundur, dan ketika mereka menangkap bola yang dilemparkan kepadanya, momentum mundurnya bertambah. Jadi metode pertukaran bola basket ini menhasilkan efek yang sama sebagai gaya tolak antara anak-anak itu. Jika anak-anak itu saling mengambil bola basket dari tangan anak lainnya, hasilnya adlah gaya tarik timbul diantara mereka.

(a)                                                                       (b)

Gambar 6.1(a) gaya tolak yang timbul karena pertukaran energi (b) gaya tarik yang timbul karena pertukaran energi

6.2.3          Prinsip ketaktentuan mengizinkan energi tidak kekal sementara

Suatu persoalan pokok timbul disini. Jika nukleon berkesinambuangan memancarkan dan menyerap pion, mengapa neutron dan proton tidak pernah didapatkan mempunyai massa yang lain dari massa biasanya? Jawabanya terletak pada prinsip ketaktentuan. Hukum fisika hanya mengacu pada kuantitas terukur, dan prinsip ketaktentuan membatasi ketepatan suatu kombinasi pengukuran yang dapat dilakukan. Pemacaran sebuah pion oleh sebuah nukleon yang tidak berubah massa merupakan pelanggaran yang jelas terhadap hukum kekekalan energi dapat terjadi asal saja nukleon itu menyerap kembali pion lain yang dipancarkan oleh nukleon tetangga, sehingga secara prinsip tidak bisa ditentukan apakah sebenarnya terjadi perubahan massa.

Dari prinsip ketaktentuan dalam bentuk

 ................................... (6.1)

              Suatu kejadian dimana sejumlah energi  tak kekal tidak dilarang, asal saja selang waktu kejadian itu tidak melebihi ħ/. Persyaratan ini dapat dipakai untuk memperkirakan massa pion.

6.2.4          Perkiraan massa pion

              Marilah kita anggap sebuah pion bergerak diantara nuleon-nukleon dengan kelajuan v; ini berarti pemancaran pion bermassa m, menyatakan penyimpangan energi sementara sebesar  (energi kinetik pion diabaikan; dan bahwa . Gaya nuklir memiliki jangkauan maksimum r sekitar 1,7 fm, dan waktu  yang diperlukan untuk menempuh jarak sejauh itu (Gambar 6.2).

 ................................... (6.2)

Kita dapatkan

                                                     

                                          

 ................................... (6.3)

Gambar 6.2 Prinsip ketaktentuan mengizinkan penciptaan, transfer, dan pemusnahan pion terjadi tanpa melanggar hukum kekelan energi asal saja urutan terjadinya cukup. Disini pion positif yang dipancarkan oleh proton diserap oleh neutron; hasilnya proton menjadi neutron dan neutron menjadi proton.

Sehingga menghasilkan  sebagai berikut:

              Besaran itu kira-kira 230 kali massa diam elektron m_e. Selang tahun setelah usul Yukawa, partikel yang sifatnya telah di ramalkanya betul-betul di temukan. Massa diam poin bermuatan  ialah 273 m_e dan poin netral ialah 264 m_e, tidak jauh dari perkiraan di atas.

Terdapat dua faktor yang menyebabkan di temukanya poin bebas agak terlambat.  Pertama, harus terdapat energi yang cukup untuk di berikan pada nukleon, sehingga pemancaran sebuah pion memenuhi kekekalan energi.  Jadi sekurang-kurangnya energi sebesar _e , atau sekitar 140 MeV di perlukan. Untuk menyediakan energi sebesar itu untuk nukleon dalam suatu tumbukan, partikel yang datang harus berenergi kinetik jauh lebih besar dari c² supaya momentum dan energinya kekal. Partikel dengan energi kinetik bebera[pa ratus MeV di perlukan untuk menghasilkan pion bebas, dan partikel seperti itu terdapat dalam alam hanya dalam arus difusi radiasi kosmik yang datang ke bumi. Jadi penemuan pion harus menunggu perkembangan metode yang cukup peka dan tepat dalam penelitian interaksi sinar kosmik.

Penyebab kedua tertundanya penemuan eksperimental dari pion ialah ketakmantapan umur rata-rata pion bermuatan ialah 2,6 x 10^-8 s dan pada pion netral ialah 8,4 x 10^-17 s. Umur ⁰ demikian pendeknya sehingga keberadanya baru di dapatkan secara meyakinkan dalam tahun 1950. Modus peluruhan ⁺ , ^- , dan ⁰ .

Walaupun teori messon gaya nuklir masih jauh dari keterangan lengkap mengenai sifat nuklir seperti teori kuantum dari atom dapat menerangkan sifat atomik, tetapi teori itu telah berhasil menerangkan beberapa hasil pengamatan yang cukup membingunkan orang. Misalnya, melalui analogi dengan momen magnetik elktron kita bisa mengharapkan momen magnetik proton ialah eħ/2m_p dan neutron yang tak bermuatan momen magnetiknya 0. Kenyataanya momen magnetik proton adalah2,8 (eħ/2m_p) dan neutron ialah -1,9 eħ/2m_p ). Kelihatanya cukup nalar untuk menerangkan penemuan ini dengan menyatakan pion bermuatan terus menerus di pancarkan dan di serap oleh nukleon sehingga selalu berada di sekitar nukleon itu. Karena pion yang di pancarkan proton ialah ⁺ dan ^- , momen magnetiknya harus bertanda berlawanan dengan proton.

Meson yang lebih berat dari pion juga di temukan, massanya ternyata seribu kali lebih besar dari massa elektron. Kontribusi meson pada gaya nuklir menurut persamaan 6.4 di atas terbatas pada jarak yang lebih pendek dari pada karakteristik pion.

DAFTAR PUSTAKA

Beiser, Arthur. 1999. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga

Wiyatmo, Yusman. 2006. Fisika Nuklir dalam Telaah Semi-Klasik dan Kuantum. Yogyakarta: Pustaka Pelajar.