CHATIEF KUNJAYA

KK ASTRONOMI, ITB

Radio Aktivitas dan Reaksi Inti

TPOA, Kunjaya 2014

Reaksi Inti di Dalam Bintang

Matahari dan bintang-bintang umumnyamembangkitkan energi sendiri dengan reaksi intiHidrogen menjadi Helium.

Reaksi ini meupakan reaksi inti ringan menjadi intiyang lebih berat, sehingga tergolong reaksi fusi

Selain reaksi fusi, ada juga reaksi fisi yang memecahinti berat menjadi inti yang lebih ringan.

Salah satu reaksi fisi di alam semesta adalahterurainya besi menjadi helium saat ledakansupernova.

TPOA, Kunjaya 2014

Reaksi Inti di Bumi

Contoh reaksi fusi di Bumi yang pernah dibuatmanusia adalah Bom Hidrogen

Contoh reaksi fisi yang pernah dibuat manusiaadalah ledakan bom atom di Hiroshima danNagasaki di penghujung perang dunia kedua

Reaksi fusi sudah dimanfaatkan manusia untuktujuan damai yaitu pada pembangkit listrik tenaganuklir (PLTN)

TPOA, Kunjaya 2014

Rangkaian reaksi Hidrogen

Reaksi penggabungan H menjadi He merupakanrangkaian reaksi yang cukup kompleks danmembutuhkan temperatur yang sangat tinggi, diatas10 juta K.

Hal ini disebabkan dua inti H yang bermuatanpositif akan saling tolak karena gaya elektrostatik, sehingga dibutuhkan kecepatan yang sangat tinggiuntuk membuat kedua inti cukup dekat sehinggadapat diikat oleh gaya kuat inti (strong force)

Gaya kuat inti bekerja pada jarak 10-15 m

TPOA, Kunjaya 2014

Tahapan Reaksi Inti H Menjadi He

1H1 + 1H

1→1D2 + e+ + ν

1D2 + 1H

1 → 2He3 + γ

2He3 + 2He3 → 2He4 + 21H1

Secara neto reaksinya menjadi :

41H1 → He4 + 2e+ + + γ

Reaksi ini disebut reaksi proton-proton yang eksoterm (menghasilkan energi)

TPOA, Kunjaya 2014

TPOA, Kunjaya 2014

Energi Reaksi

Jika dibandingkan, massa empat proton lebih beratdari massa satu Helium,

Massa 4 proton : 4 × 1,0079 sma = 4,0316 sma

Massa 1 inti helium : 4,0026 sma

Massa yang hilang 0,029 sma, 0,7% massa 4 proton

Massa yang hilang ini berubah menjadi energi sesuaidengan persamaan Einstein:

2mcE

TPOA, Kunjaya 2014

Energi Radiasi Matahari

Energi dari massa yang hilang inilah yang merambatkeluar dari dalam bintang dan Matahari dandipancarkan dari permukaannya secara radiasi

Pancaran radiasi Matahari yang stabil selama berjuta-juta tahun menunjukkan bahwa laju pembangkitanenergi di pusatnya konstan dan sama dengan lajupemancaran dari permukaannya.

Dengan demikian dapat diperkirakan bahwa laju reaksiinti di pusat Matahari juga konstan.

Helium akan terakumulasi di pusat Matahari semakinbanyak seiring dengan semakin tuanya Matahari

TPOA, Kunjaya 2014

Reaksi inti siklus CNO

TPOA, Kunjaya 2014

Reaksi H menjadi He dapat dipercepat oleh unsur-unsur karbon, nitrogen dan oksigen bila unsur-unsuritu ada di dalam bintang.

CNO berfungsi sebagai katalis

Dibutuhkan temperatur yang lebih tinggidibandingkan dengan siklus proton-proton

Bintang-bintang generasi pertama yang bahanbakunya tidak mengandung unsur berat, evolusinyalebih lambat dibandingkan dengan generasiberikutnya yang lingkungannya sudah mengandungunsur berat

Siklus CNO

TPOA, Kunjaya 2014

6C12 + 1H1 → 7N

13 + γ

7N13 → 6C13 + e+ + ν

6C13 + 1H1 → 7N

14 + γ

7N14 + 1H

1 → 8O15 + γ

8O15 → 7N15 + e+ + γ

7N15 + 1H

1 → 6C12 + 2He4

Netto :

41H1 → He4 + 2e+ + + γ

Sama dengan siklus PP, tapi lebih cepat

Reaksi Triple Alpha

TPOA, Kunjaya 2014

Pada bintang yang bermassa besar, temperatur di intinya bisa mencapai ratusan derajat

Temperatur dan tekanan yang sangat tinggi itumenyebabkan He bisa bereaksi menjadi karbon

2He4 + 2He4 → 4Be8

4Be8 + 2He4 → 6C12 + γ

Pada temperatur yang lebih tinggi lagi bisa terbentukoksigen:

6C12 + 2He4 → 8O16 + γ

Pembentukan Unsur Lebih Berat

TPOA, Kunjaya 2014

Pada bintang yang bermassa sangat besar, dapatdibentuk unsur-unsur yang lebih berat lagi.

Mengingat bahwa pada awal alam semesta, atom yang pertama terbentuk adalah H, dan unsur-unsuryang lebih berat dibuat di inti bintang, dapatdisimpulkan bahwa atom-atom C, N, O dan unsurberat lain yang ada di dalam tubuh kita zamandahulu pernah berada di dalam inti bintang.

Kehilangan Massa Matahari

TPOA, Kunjaya 2014

Radiasi Matahari relatif stabil selama berjuta tahun, oleh karena itu, hukum kekekalan energimengharuskan laju penciptaan energi di pusatMatahari harus sama dengan luminositas total.

Hal itu membuat kita dapat menghitung kehilanganmassa Matahari, jika bisa mengukur kuat cahayaMatahari di Bumi, bahkan dapat digunakan jugauntuk menghitung kala hidup Matahari.

Fluks energi Matahari di sekitar Bumi menurutpengukuran para ahli adalah f ≈ 1380 joule/(m2dt)

Kehilangan Massa Matahari

TPOA, Kunjaya 2014

Dengan d adalah jarak rata-rata Bumi-Matahari ≈ 150 juta km

Luminositas ini sama dengan laju penciptaan energi di pusat Matahari

Maka laju kehilangan massa Matahari dapat dihitungdari rumus kesetaraan massa – energi Einstein:

fdL2

4

Luminositas Matahari dapat dihitung dari:

2mcE

Kala Hidup Matahari

TPOA, Kunjaya 2014

Dari jumlah massa yang hilang dapat diketahuijumlah Hidrogen yang berubah menjadi Helium.

Akhir riwayat Matahari adalah apabila 10% H sudahberubah menjadi He.

Kala hidup Matahari dapat dihitung dari waktu yang dibutuhkan untuk mengubah 10% massa Mataharimenjadi Helium

Contoh Soal

TPOA, Kunjaya 2014

Dari pengukuran fluks energi Matahari di Bumi, danrumus kesetaraan massa - energi Einsten danperkiraan bahwa Matahari berada di akhir riwayathidupnya ketika massa helium yang terkumpul di pusatnya 10% dari massa matahari, para astronomdapat memperkirakan kala hidup matahari. Berapakahusia matahari ketika riwayatnya berakhir, dihitungsejak kelahirannya?

Jawab

TPOA, Kunjaya 2014

Fluks energi radiasi matahari di sekitar Bumi f = 1380 joule/(m2dt), maka luminositas Matahari :

Lʘ = 4πd2f=3,9×1026 joule/detik

Energi ini berasal massa yang hilang dari reaksi fusi, jadi massa yang hilang dapat dihitung denganmenggunakan persamaan Einstein :

E=mc2

diperoleh massa yang hilang tiap detik 4,3 juta ton atau 1,37 × 1017 kg/tahun.

Massa matahari Mʘ = 1,99 × 1030 kg. Sepuluh persendari Massa ini 1,99 × 1029 kg.

Jawab

TPOA, Kunjaya 2014

Atau 10 milyar tahun

tahun1001,1kg/tahun1037,1

kg1039,1 10

17

27

Prosentase massa yang hilang dari reaksi hidrogenmenjadi helium adalah 0,7%, maka banyaknya massayang berubah menjadi energi selama hidup Matahariadalah :

0,7% × 1,99 × 1029 kg = 1,39 × 1027 kg

Massa sejumlah itu dihabiskan dalam waktu :

Sinar Kosmik

TPOA, Kunjaya 2014

Sinar Kosmik adalah artikel subatomik yang datangdari angkasa

Ditemukan mula2 dari berkas cahaya pada film meskipun shutter kamera dalam keadaan tertutup, maka dipastikan bukan gelombang cahaya

Semakin tinggi tempat semakin sering terjadiinsiden sinar kosmik

Sinar kosmik merupakan partikel bermuatan yang terbentuk di atmosfir atas sebagai akibat tumbukanpartikel dari luar Tata Surya dengan partikelatmosfer

Sinar Kosmik

TPOA, Kunjaya 2014

Partikel subatomik sinar kosmik itu berumur pendekyang sifat2nya berbeda dari partikel2 dasar yang dikenal

Maka orang menduga bahwa partikel sinar kosmikadalah pecahan dari inti atom.

Kedatangan sinar kosmik yang tak menentumenyulitkan penelitiannya

Kemudian ahli fisika mencoba membuat sinarkosmik buatan dengan cara mempercepat gerakproton lalu menumbukkan dengan proton lain, lalumendeteksi pecahannya.

TPOA, Kunjaya 2014

TPOA, Kunjaya 2014

TPOA, Kunjaya 2014