Konsep Dasar Nuklir

BAB I

KONSEP  DASAR  NUKLIR

1.1.  Pendahuluan (Introduction)

Sebuah studi dari pusat fisika inti sekitar dua masalah utama. Pertama, orang berharap untuk memahami sifat-sifat gaya yang memegang inti bersama-sama. Kedua, salah satu mencoba untuk menggambarkan perilaku sistem banyak partikel, seperti inti. Masalah-masalah terkait, karena sifat dari suatu sistem banyak partikel untuk sebagian besar ditentukan oleh gaya yang mengikat partikel bersama-sama. Tetapi aspek lain dari sistem seperti yang terjadi hanya karena banyak partikel yang berinteraksi.

Gambar 1.1 Inti Atom

(Laila, 2015).

Fisikawan dapat mendiskusikan sistem banyak-partikel hanya dalam perkiraan tertentu, yang ditentukan oleh fakta eksperimental tertentu mereka ingin menjelaskan. Sebagai contoh, seringkali cukup untuk membahas perilaku sejumlah gas dari segi hukum gas (hukum Boyle, hukum Charle), tetapi hal ini menghilangkan rincian gerak molekul yang salah satu dibutukan untuk menggambarkan dalam memahami konduktivitas panas dari gas. Dalam kasus inti, deskripsi perkiraan disebut model. Sebagian besar pembahasan dalam buku ini didasarkan pada model tersebut, masing-masing satu hanya cocok untuk berbagai situasi eksperimental terbatas.

Meskipun sejarah perkembangan fisika inti tidak akan diikuti, beberapa penyorotan yang disajikan pada Tabel 1-1.

Tabel 1-1 Beberapa Penyorotan dalam Perkembangan Fisika Inti

Discovery of radioactivity (Becquerel)	1896
Rutherford’s atomic model	1911
Discovery of isotopes (J.J. Thomson)	1912
Induced nuclear transmutation (Rutherford)	1919
Application of quantum mechanics to radioactivity
Alpha decay (Gamow, Gurney, and Condon)	1928
Beta decay (Fermi)	1934
Discovery of neutron (Chadwick)	1932
n-p hypothesis (Heisenberg)	1932
Discovery of positron (Anderson)	1932
Role of mesons in nuclear forces (Yukawa)	1935
Discovery of µ meson (Anderson and Neddermeyer)	1936
Discovery of π meson (Powell)	1946
Nonconservation of parity in beta decay (Lee and Yang)	1956

Becquerel (1896) umumnya dikreditkan dengan penemuan radioaktivitas. Ini terjadi ketika ia melihat penghitaman piring yang disengaja fotografi berdekatan dengan mineral tertentu. Pierre dan Marie Curie (1898) berhasil memisahkan kimia dari bahan radioaktif (radium) pada bijih. Pemahaman terbesar radioaktivitas dicapai oleh Rutherford dan kolaborator. Mereka mengusulkan radioaktivitas yang harus menghasilkan perubahan dalam spesies kimia (1903) dan diselidiki secara rinci sifat radiasi. Tiga jenis radiasi yang ditemukan, yang disebut alpha, beta dan gamma. Setelah itu menunjukkan bahwa radiasi alpha terdiri dari atom helium ionezed, panggung didirikan untuk interpretasi Rutherford dari alpha-partikel eksperimen hamburan Geiger dan Marsden (1909). Rutherford (1911) menunjukkan bahwa eksperimen hamburan dapat dijelaskan hanya dengan asumsi atom terdiri dari inti, besar bermuatan positif, diameter (»10^-12cm) jauh lebih kecil dari diameter atom (»10^-8cm), dikelilingi oleh elektron . (Dalam atom netral, jumlah elektron sama dengan jumlah muatan positif yang dibawa oleh nukleus.) Model konsisten pertama dari gerakan elektron atom itu dilakukan oleh Bohr (1913).

Rincian dari konstitusi inti menjadi jelas sekali neutron telah ditemukan oleh Chadwick (1932), yang mengarah ke hipotesis Heisenberg (1932) bahwa inti terdiri dari proton dan neutron. Pada saat itu juga, coba membuat untuk memahami gaya inti. Eksperimental, kekuatan itu ditemukan untuk menjadi jauh lebih kuat daripada kekuatan yang kemudian dikenal, seperti gaya listrik atau gravitasi, dan juga memiliki jangkauan jauh lebih pendek. Mengambil saran dari Heisenberg bahwa gaya inti disebabkan oleh pertukaran partikel antara konstituen inti, Yukawa (1935) menunjukkan bahwa jika partikel dipertukarkan cukup berat dalam fitur utama dari gaya dapat dijelaskan. Partikel-partikel ini, sekarang disebut meson, kemudian ditemukan di radiasi kosmik.

Saat ini masalah utama fisika inti, disebutkan di awal bagian ini, diselesaikan secara garis besar, meskipun tidak secara rinci. Kita tahu apa sifat-sifat gaya inti memiliki – ternyata menjadi kekuatan yang sangat rumit. Kami juga telah belajar bagaimana berhubungan fitur penting dari model inti untuk gaya. Namun masalah teoritis masih banyak terbuka. Eksperimental, aspek tak terduga inti ditemukan sebagai alat penelitian menjadi lebih teruji (Meyerhof, 1967).

Dari pekerjaan Rutherford, Bohr dan pengikutnya, diketahui bahwa muatan positif atom terkurung dalam suatu daerah yang sangat kecil di pusat atom, bahwa ini atom memiliki muatan +Ze, dan bahwa seluruh massa atom (99,9 persen) berasal dari inti atom. Juga diketahui bahwa massa dari inti atom hampir mendekati kelipatan bulat massa hydrogen, atom teringan; pembacaan  Secara sekilas mendukung pengamatan ini, kita menyebut pengali bulat A ini sebagai nomor massa. Oleh karena itu, kita menganngap bahwa inti atom hydrogen tersusun dari muatan satuan muatan positif mendasar. Satuan medasar ini adalah proton, dengan massa sama dengan massa atom hydrogen tanpa massa electron dan energy ikat, dan bermuatan +e (Kenneth, 1992).

Beberapa istilah:

Ø Atom terdiri atas inti (nucleus, jamak: nuclei) dan elektron disekitar inti.

Ø Sebutan nuklir (nuclear) menunjukkan sesuatu yang berhubngan dengan / melibatkan inti (inti atom). Sementara, sebutan inti bisa seperti inti atom itu sendiri atau sesuatu yang berhubungan dengan inti atom. Contoh:

1)   Reaksi nuklir atau reaksi inti: reaksi yang melibatkan inti atom.

2)   Energi nuklir: energi yang dihasilkan pada reaksi nuklir.

3)   Bom nuklir: bom yang memanfaatkan reaksi inti.

4)   Fisika nuklir atau fisika inti: fisika mengenai inti atom.

Ø Nuklida (nuklide) yaitu sebutan untuk inti ato suatu unsur (element). Contoh: nuklida hidrogen, nuklida aluminium, nuklida emas, nuklida yodium, nuklida fosfor dan sebagainya (Fachruddin, 2010).

1.2.   Sifat Dasar Inti (Basic Nuclear Properties)

Inti  memiliki waktu tertentu-tak gayut pada sifat seperti massa, ukuran, muatan, momentum sudut intrinsik (sering disebut inti spin), dan waktu tertentu sifat tergantung seperti peluruhan radioaktif dan transmutasi buatan (reaksi inti). Inti juga memiliki keadaan tereksitasi, yang energinya biasanya diperlakukan di bawah kelas pertama sifat-sifat, tetapi pembusukan adalah salah satu jenis peluruhan radioaktif.

a.    Massa dan Muatan Nuklir (Nuclear Mass and Charge)

1.    Massa Nuklir

Ø Satuan yang tepat digunakan untuk massa atom adalah u, seperti massa berikut.

a)    1 u = 1660559 x 10^-27 kg

b)   Berdasarkan pada definisi itu massa dari sebuah atom C_-12 adalah sama dengan 12 u

Ø Massa juga dapat ditulis dalam MeV/c²

a)    Dari E_g = mc²

b)   1 u = 931.494 MeV/c²

2.    Muatan Nuklir

Ø Elektron mempunyai sebuah muatan negatif, -e (e = 1.60217733 x 10^-19 C)

Ø Proton mempunyai sebuah muatan positif, +e

·      Dengan demikian, muatan dari sebuah inti sama dengan Ze

Ø Neutron tidak bermuatan

·      Membuat ini sulit untuk dideteksi

b.    Ukuran Nuklir (Nuclear Size)

Model rinci pertama dari atom, melampaui teori kinetik (bola padat) model, diusulkan oleh J.J. Thomson (1900 ca.) setelah penemuan elektron atom. Elektron diasumsikan mengapung di antara muatan positif besar dimensi atom (»10^-8cm). Menurut model ini setiap partikel kecepatan tinggi bisa menembus benda padat hanya dengan proses difusi. Di sisi lain, hamburan percobaan partikel alpha oleh foil emas (Geiger dan Marsden, 1909) menunjukkan jumlah yang jauh lebih besar dari hamburan kembali dari proses difusi akan memungkinkan. Rutherford menyadari bahwa ini tersirat keberadaan inti atom yang sangat kecil (<< 10-8cm), mengerahkan listrik sederhana (coulumb) berlaku pada partikel alpha. Dia menyimpulkan hukum hamburan pengukuran. Kemudian menunjukkan bahwa hukum ini tidak dipatuhi jika:

1.    Energi kinetik alpha-partikel terlalu tinggi.

2.    Nomor atom dari penghamburan terlalu rendah.

Ø Pertama, penyebaran eksperimen yang diselidiki oleh Rutherford

Ø Dia menemukan suatu gambaran bagaimana menutup partikel alfa untuk menuju ke inti sebelum diputar oleh gaya Coulomb.

Ø Energi Kinetik dari patikel harus diubah menjadi energi potensial

mv² = k_e  = k_e   or d =

Untuk emas: d = 3,2 x 10^-14 m, untuk perak: d = 2 x 10^-14 m

Panjang kekecilan demikian adalah sering terungkap di femtometer, dimana 1 fm = 10^-15 m (juga dinamakan fermi).

Ø Sejak dulu beberapa eksperimen dari Rutherford disimpulkan sebagai berikut.

·      Inti berbentuk seperti bola

·      Jari-jarinya rata-rata adalah r = r_o

·      R_o = 1,2 x 10^-15

(Meyerhof, 1967).

Berikut pernyataan tentang ukuran inti yang dikemukakan dalam diktat Fisika atom dan inti karangan Universitas Gorontalo menyatakan bahwa:

o   Ukuran inti pertama kali diselidiki oleh Rutherford pada percobaan hamburan.

o   Diperoleh pernyataan seberapa dekat partikel  alfa bergerak mendekati inti sebelum berbalik arah karena gaya tolah coulomb.

o   EK partikel diubah menjadi EP.

Gambar 2. Perubahan Energi Kinetik Partikel menjadi Energi Potensial.

Dimana :

o   Sejak eksperimen yang dilakukan oleh Rutherford, banyak eksperimen lain yang menyimpulkan sebagai berikut :

·         Kebanyakan inti hampir bulat

·         Jari-jari reratanya

(Anonim, 2013)

Pada umumnya jari-jari inti berorde mendekati 10^-15 m untuk membatasi partikel dalam daerah sekacil ini, menurut prinsip ketidakpastian partikel itu harus memiliki momentum ΔP  1,1 x 10^-20 kg.m/s. Untuk elektron dengan momentum sebesar ini akan bersesuaian dengan elektron berenergi mendekati 20 MeV. Kenyataan yang teramati pada elektron yang terpancar pada peluruhan beta besar energinya hanya mendekati 2-3 MeV (Dwijananti, 2012).

c.     Momentum Sudut Intrinsik dari Inti (Intrinsic Angular Momentum of a Nucleus)

Momentum sudut inti adalah kuantitas penting karena, seperti akan kita lihat, membatasi struktur inti yang kompleks dan mempengaruhi semua sifat inti dinamik. Hanya beberapa rincian dari momentum sudut dari suatu sistem dari partikel akan dibahas dalam bagian ini.

Hal ini ditemukan secara eksperimental dan dimasukkan dalam hukum mekanika kuantum bahwa neutron dan proton memiliki momentum sudut intrinsik 1/2 ℏ, seperti elektron. (ℏ adalah h konstanta Planck dibagi dengan 2π.) Karena momentum sudut adalah sebuah vektor, momentum sudut total inti adalah penjumlahan vektor momentum sudut dari konstituennya. Kami menemukan, eksperimen, bahwa inti kompleks memiliki momentum sudut sama dengan  Iℏ, di mana

Untuk inti-A genap: I adalah bilangan bulat (termasuk nol)
Untuk inti-A ganjil: I adalah bilangan bulat (termasuk nol) ditambah satu-setengah
Misalnya, inti deuterium H² memiliki I = 1 dan inti dari Li⁷ memiliki I = 3/2.

Menurut hukum mekanik kuantum penambahan momentum sudut, setiap sistem partikel P dapat memiliki momentum sudut (sekitar pusat massa) sama dengan sebuah integer ´ ℏ jika P genap, dan integer ditambah setengah ´ ℏ jika P adalah ganjil. Hal ini berlaku untuk elektron atom serta konstituen inti. Oleh karena itu, jika inti H² yang terdiri dari dua proton ditambah satu elektron (untuk memberikan Z = 1), kita akan mengharapkan I = 1/2 atau 3/2. Jika, di sisi lain, terdiri dari satu proton dan satu neutron, kami berharap I = 0 atau 1. Nilai yang terakhir ini sesuai dengan percobaan. Alasan yang sama diberikan kepada inti lainnya menunjukkan bahwa inti tidak dapat terdiri dari proton dan elektron, tetapi harus terdiri dari proton dan neutron.

Kami belum menunjukkan bagaimana I diukur. Kedua atom dan molekul spektrum yang sedikit dipengaruhi oleh efek magnetik karena momentum sudut inti, dan nilai I sering dapat disimpulkan. Transmutasi inti juga sangat dipengaruhi oleh momentum sudut dari sistem awal dan akhir karena harus memenuhi hukum kekekalan momentum sudut. Hal ini memungkinkan penentuan I dalam kasus-kasus tertentu (Meyerhof, 1967).

d.    Sifat Dinamis dari Inti (Dynamic Properties of Nuclei)

Inti, seperti atom, bisa dalam keadaan tereksitasi dari energi yang pasti. Transisi antara keadaan tereksitasi terjadi dengan emisi radiasi elektromagnetik (sinar gamma) benar-benar analog dengan emisi cahaya dari atom. Perbedaan utama bahwa, sementara keadaan atom yang dipisahkan oleh energi dari urutan sebuah elektron volt, pemisahan antara keadaan inti sekitar 104-106 ev. Sama seperti belajar spektrum atom memungkinkan rekonstruksi tingkat energi atom, yang pada gilirannya telah menyebabkan model atom, belajar sinar gamma spektrum mengarah ke keadaan energi inti dan model inti.

Inti  juga dapat berubah menjadi satu sama lain. Beberapa transformasi terjadi secara spontan oleh emisi elektron positif atau negatif (sinar beta) atau partikel alpha. Transformasi lainnya dapat disebabkan oleh pemboman nuklir. Dalam semua kasus jumlah total nukleon adalah kekal. Selain itu, terdapat konservasi keseluruhan massa dan energi, kekekalan momentum linier, dan konservasi momentum sudut. Tidak ada kontradiksi untuk undang-undang konservasi telah ditemukan. Mereka memainkan peran penting dalam sebagian besar aspek fisika inti.

e.     Nomenklatur (Nomenclature)

Seperti halnya dalam bidang khusus, nomenklatur tertentu telah dikembangkan berdasarkan kenyamanan dan tradisi. Istilah penting diberikan di bawah ini.

Nuklida: Sebuah spesies inti tertentu, dengan jumlah proton Z dan neutron diberikan nomor N.

Isotop: nuklida dari Z sama dan berbeda N.

Isotones: nuklida N yang sama dan berbeda Z.

Isobars: nuklida dari nomor massa yang sama A (A = Z + N).

Isomer: nuklida dalam keadaan tereksitasi dengan terukur paruh.

Nukleon: Neutron atau proton.

Meson: Partikel massa antara massa elektron (m₀) dan massa proton (M_N). Yang paling terkenal adalah meson π (» 270 m₀), yang memainkan peran penting dalam kekuatan inti, dan meson μ (207 m0) yang penting dalam fenomena sinar kosmik.

Positron: bermuatan positif elektron massa m₀.

Foton: Kuantum radiasi elektromagnetik, biasanya terlihat sebagai cahaya, sinar x, atau sinar gamma.

Sebuah nuklida yang diberikan ditentukan oleh simbol seperti Li⁷, ₃Li⁷, atau ₃Li⁷₄. Huruf-huruf menunjukkan elemen. Superskrip yang memberikan nomor massa A. Subskrip kiri memberikan nomor atom Z, subskrip kanan jumlah neutron N. Dengan konvensi baru-baru ini nomor massa sering diberikan sebagai superskrip kiri, membuat simbol Li⁷, ₃Li⁷ , atau ₃Li⁷₄ (Meyerhof, 1967).

PENUTUP

1.    Kesimpulan

Berdasarkan uraian pada makalah ini dapat disimpulkan bahwa:

a.       Permasalahan dalam fisika inti meliputi dua masalah utama, yaitu sifat permasalahan tentang harapan untuk memahami sifat gaya yang memegang gaya inti bersama-sama, dan percobaan untuk mengetahui perilaku sistem banyak partikel.

b.      Satuan yang biasa digunakan untuk menyatakan massa atom adalah u, dan biasanya massa atom ditulis MeV/c^2. Sedangkan untuk muatan nuklir elektron mempunyai sebuah muatan negatif, -e (e = 1.60217733 x 10^-19 C), proton mempunyai sebuah muatan positif, +e, sedangkan neutron tidak bermuatan.

c.       Berdasarkan pengamatan yang dilakukan Rutherford kemudian diketahui bahwa inti atom berukuran sangat kecil (<< 10-8cm), sehingga dicetus hukum hamburan pengukuran yang menyatakan bahwa energi kinetik alpha-partikel terlalu tinggi, sedangkan nomor atom dari penghamburan terlalu rendah.

d.      Secara eksperimental dan dimasukkan dalam hukum mekanika kuantum bahwa neutron dan proton memiliki momentum sudut intrinsik 1/2 ℏ, seperti elektron. Dimana ℏ adalah h konstanta Planck dibagi dengan 2π.

e.       Beberapa transformasi terjadi secara spontan oleh emisi elektron positif atau negatif (sinar beta) atau partikel alpha. Transformasi lainnya dapat disebabkan oleh pemboman nuklir. Dalam semua kasus jumlah total nukleon adalah kekal.

f.       Nomenklatur dikembangkan berdasarkan kenyamanan dan tradisi. Istilah penting fisika inti diantaranya, nuklida: sebuah spesies inti tertentu, dengan jumlah proton Z dan neutron diberikan nomor N.

3.1.   Saran

Saran yang dapat kami sampaikan adalah agar mengaplikasikan semua materi yang dapat diaplikasikan pada makalah ini dan merawat makalah ini dengan baik.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2013. Fisika Atom dan Inti. Gorontalo. Universitas Gorontalo.

Dwijananti, Pratiwi. 2012. Diktat Mata Kuliah Fisika Inti. Semarang. Universitas Negeri Semarang.

Fachruddin, Imam. 2010. Mengenal Fisika Nuklir. Jakarta. Universitas Indonesia.

Krane, Kenneth. 2001. Fisika Modern. Jakarta. Erlangga.

Laila. 2015. Konsep Dasar Inti. https://lailasafitriphysics.wordpress. com/2012/09/20/konsep-dasar-inti. Diakses tanggal 13 September 2015 pada Pukul 10.55 WITA.

Meyerhof. 1967. Element of Nuclear Physics. Mc. Graw-Hill. USA.