1

I.

Pendahuluan

Fisika dapat dibagi dengan dua bagian utama: (a) fisika makroskopik yang berhubungan dengan fenomena terlihat dengan mata telanjang dan (b) fisika makroskopik yang berhubungan dengan studi fisika atom dan fisika inti. Hukum yang mengatur fisika maroskopik telah di pahami dengan baik jauh sebelum awal. Pemahaman umum fenomena skala atom, bagaimanapun, telah di kembangkan sejak 1913, untuk memperluas prediksi yang pasti dapat dibuat tentang banyak hasil percobaan. Belum benar di bidang fisika inti. Permulaan fisika inti berlangsung dengan penemuan radioaktif oleh H. Becquerel pada 1896, tetapi pada 1911, ketika E. Rutherford mengajukan hipotesis inti-atom, bahwa sebuah studi yang signifikan dimulai. Sejak 1911 banyak ilmuwan menyelidiki banyak aspek inti. Hasilnya, meskipun mendorong, masih jauh dari sempurna. Aspek inti telah dipelajari begitu banyak dan secara kompleks terkait bahwa itu adalah tugas berat bahkan daftar mereka dalam urutan. Sebuah divisi dewan penelitian fisika inti mungkin dibuat kedalam topik berikut. i) ii) Mempelajari bentuk, berat dan konstituen nukleus. Perumusan hukum yang mengatur jenis-jenis radiasi yang diberikan oleh nuklei yang berbeda dalam keadaan yang berbeda dan interaksi radiasi ini dengan materi. iii) iv) Mempelajari susunan konstituen didalam nukleus. Mempelajari gaya inti yang memegang komponen nukleus bersama. Pembagian ini adalah buatan. Topik ini saling berhubungan dan tumpang tindih sampai batas yang tidak mungkin untuk menyelidiki satupun secara mandiri. Untuk alasan ini kita dapat mempelajari topik ini dalam urutan yang tampaknya nyaman dan alami untuk di ikuti. Dalam urutan untuk mengikuti pelajaran eksperimen dan aspek teoritis fisika inti, ini penting untuk dikenak dengan peralatan deteksi radiasi yang digunakan di eksperimen yang berbeda dan struktur matematika perlu dipelajari

untuk mengerti dan membangun teori. Disamping pengetahuan matematika dasar, yang akan sering kita gunakan, ini penting untuk mengerti prinsip dasar dari mekanika gelombang (atau mekanika kuantum) dan kerelatifannya. Hukum klasik mekanika harus dimodifikasi dalam urutan untuk mengerti kelakuan partikel di domain mikroskop, yang melibatkan massa kecil dan kecepatan tinggi. Ketika berurusan dengan massa kecil, gunakan untuk membuat mekanika gelombang, yang memprediksi kelakuan dari partikel ini dalam hal probabilitas. Masih penyempuurnaan lain, koreksi relativistik, penting ketika partikel ini memiliki kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Postulat dasar dan outline mekanika gelombang sampai batas dibutuhkan di mata kuliah ini diringkas dalam Appendix A, kettika hasil teori khusus relativitas dinyatakan dalam Appendix B. Ini diharapkan siswa mengenal dengan topic ini. Detector radiasi umumnya digunakan dalam kerja eksperimen di fisika inti akan didiskusikan secara detail di Bab 3. Tujuan bab ini ajan mendiskusikan secara detail keadaan yang menyebabkan pembentukan mode nukleus proton-neutron.

II.

Inti atom terbukti

Pada tahun 1808, Dalton mengemukakan teori atomnya yang tidak

sepenuhnya benar. Namun, batu loncatan dalam penyelidikan ini medan yang sangat luas dari atom. Sehingga akhir 1897 atom telah dianggap menjadi unit terpisah, tetapi penemuan elektron oleh J.J Thompson pada waktu itu menimbulkan spekulasi bahwa atom dapat terdiri dari muatan positif dan muatan negatif. Karena atom secara keseluruhan adalah netral, itu dapat diasumsikan untuk mengandung banyak muatan positif sebanyak muatan negatif. Massa elektron yang ditemukan sangat kecil. Ini jelas, oleh karena itu, proton, partikel bermuatan positif, merupakan bagian utama dari massa atom. Sesuai dengan model atom Thomson, elektron dan proton membentuk sepasang netral, seluruh atom menjadi campuran dari pasangan tersebut. Atom itu terdiri dari proton dan elektron masih dikonfirmasi lebih lanjut oleh penemuan radioaktif oleh Becquerel

3

pada 1896. Becquerel mengamati partikel bermuatan positif dan negatif yang diberikan oleh atom. Model atom Thompson tetap tidak berlaku untuk sangat lama. Konflik muncul pada 1909, ketika H. Geiger dan E. Marsden melakukan percobaan pada hamburan partikel alfa dengan foil logam tipis. (partikel alfa memiliki massa empat unit massa atom dan unit dua muatan positif.) Disamping model Thompson. Telah dikalkulasikan bahwa partikel alfa akan tersebar melalui sudut kecil. Geiger dan Marsden menemukan bahwa partikel alfa yang terbanyak menembus foil dan mengalami defleksi yang sangat kecil, tetapi dalam salah satu dari sekitar 10.000 peristiwa, partikel tersebar di arah mundur. Tidak ada cara yang jelas untuk menjelaskan kejadian langka ini. Partikel alfa, yang memiliki massa kira-kira 7.300 kali massa elektron, tidak bisa bertabrakan dengan partikel cahaya dan memantul. Selain itu, karena foil sangat tipis, defleksi besar tidak bisa menghasilkan dari beberapa tabrakan alfa-elektron. Yang paling sesuai dan penjelasan memuaskan telah diberikan oleh Rutherford pada 1911 dan itu menyebabkan konsep inti atom. Dia berasumsi bahwa sebagian besar massa dan muatan positif atom telah terkonsentrasi dalam volume yang sangat kecil yang disebut nukleus, dimana sisa ruang dalam atom itu hampir kosong. Ini menjadi mungkin, jadi, untuk menjelaskan penghamburan partikel alfa dengan sudut besar. Hasil percobaan hamburan yang sama oleh Rutherford dan rekannya menunjukkan bahwa jari-jari nukleus adalah 10-13 sampai 10-12 cm dibandingkan dengan 10-8 cm untuk jari-jari atom. Meskipun teori nukleus ini tidak lengkap dengan cara apapun, itu memiliki konsekuensi yang jauh dari jangkauannya. III. Model inti proton-elektron

Sebelum penemuan neutron oleh J. Chadwick pada 1932, secara umum diasumsikan bahwa nukleus telah tersusun proton dan diperlukan jumlah elektron untuk memberikan muatan dan massa yang tepat. Atom telah diduga terdiri dari nukleus, dengan proton A dan elektron A Z, dengan muatan positif, Z, dan nukleus telah diasumsikan untuk dikelilingi oleh elekttron Z untuk membentuk

atom netral. Teroi atom ini terlihat lebih menjanjikan daripada lainnya karena emisi diamati partikel alfa dan partikel beta (perpindahan elektron yang cepat) yang seharusnya diemisikan dari nukleus. Model atom proton elektron ini tidak bertahan karena gagal untuk dijelaskan fakta - fakta percobaan baru yang kemudian datang ke dalam keberadaan. Beberapanya telah didiskusikan. A. Momentum sudut inti Penemuan momentum sudut terkait dengan inti dibuka area baru percobaan. Karena pengembangan spektroskopi resolusi tinggi, sudah ditemukan garis spektral yang tampak menjadi singlet sebenarnya sangat kompleks. Resolusi buruk spektroskopi, contohnya, ditunjukkan transisi 3P3S dalam sodium sebagai singlet. Kekuatan menyelesaikan moderat spektroskopis, menunjukkan sifat doublet transisi ditemukan karena elekrton yang berputar. Ini merupakan garis D sodium yang terkenal dank arena transisi 3P1/2 1/23S1/2. Pelajaran lebih lanjut tentang garis spektrum dengan spektroskopi resolusi tinggi mengungkapkan banyak level baru, yang dekat satu sama lain. Level ini memiliki perbedaan energi ~ 10-5 transisi utama. Spektrum tipe ini disebut struktur hyperfine dan dapat dikaitkandengan (i) adanya isotope dalam elemen (ii) momentum sudut inti. Mari kita mempertimbangkan efek isotope (elemen-elemen memiliki jumlah atomic yang sama, Z, tetapi jumlah massa berbeda, A) jika elemen yang diberikan tidak memiliki isotope, kemudian rumus untuk jumlah gelombang transisi dalam hydrogen seperti atom diberikan oleh (1.1) Dimana adalah panjang gelombang terkait dengan hasil trannsisi dari loncatan elektron dari level awal, , adalah konstanta Rydberg diberikan oleh (1.2) , sampai level akhir,

5

Dimana

adalah konstanta Rydberg jika inti diasumsikan

memiliki massa tak terbatas, m adalah massa elektron, dan M adalah massa inti. Jika elemen yang diberikan memiliki dua isotop atau lebih, kemudian akan berbeda untuk setiap isotope. Contohnya, mempertimbangkan kasus elemen memiliki dua isotop stabil seperti lithium: A=6 dan 7 dan Z=3. Ini akan menghasilkan dua konstanta

(1.3) Untuk dua isotope. Dari persamaan (1.3) kita dapatkan

(1.4a)

(1.4b) kecil, dan m sangat kecil dibandingkan dengan atau , oleh karena itu,

juga sangat kecil. Hasil ini dalam dua transisi sesuai dengan panjang gelombang merupakan nilai lainnya yang sangat kecil. Garis singlet,

karenanya, menjadi doublet yang dekat karena adanya dua isotope. Efek isootop dalam garis spektral telah diamati dalam banyak elemen-elemen dengan membantu spektroskopi resolusi tinggi. Garis spektral struktur hyperline tidak dapat dijelaskan dalam semua kasus oleh efek isotope. Banyak elemen memiliki isotope tunggal juga menunjukkan struktur isotope, contoh yang Bismuth. Pertentangan ini telah di selesaikan dengan mengasumsikan bahwa inti, seperti elektron, memiliki momentum sudut. Besarnya momentum sudut inti, menurut mekanika gelombang, diberikan oleh , dimana (1.5)

h merupakan konstanta Planck, dan I, integer atau setengah integer, merupakan inti berputar. Nama inti berputar untuk I sebenarnya keliru, karena total

momentum sudut inti seharusnya menjadi penjumlahan vector momentum sudut orbital dan momentum sudut berputar partikel didalam inti. I merupakan nomor inti kuantum khas, dan nilai maksimum komponen momentum sudut dalam berbagai arah adalah Ih. Perbedaan nuklei serta perbedaan isotop elemen yang sama dapat memiliki perbedaan nilai untuk I. seperti atom, nuklei juga dapat ada di dalam keadaan kuantum. Vektor momentum sudut inti juga menunjukkan ruang kuantisasi, yaitu, ketika inti dengan putaran I diletakkan di luar medan magnet, dapat mengambil perbedaan orientasi (2I+1). Orientasi-orientasi yang sedemikian rupa sehingga vektor momentum sudut di proyeksikan pada arah medan magnet memiliki satu dari nilai berikut (dalam unit h) I, I-1, I-2, I-3, , - (I-2), - (I-1), -I (1.6)

Vektor momentum sudut inti I menambah momentum vektor sebesar sudut J dari elektron dalam atom, untuk memberikan hasil momentum vektor sudut, F; F=J+I (1.7)

Gambar 1.1 (a) Vektor F

(ingat bahwa semua vektor ditunjukkan pada huruf tebal.) Jika nilai I dan J diketahui, kemudian kita dapat menemukan semua kemungkinan nilai F yang dihasilkan dari kombinasi J dan I (Gambar 1a) dan kemudian kita dapat memprediksi jumlah kemungkinan transisi antara keadaann berbeda. (Seleksi aturan untuk F adalah sama dengan yang untuk J, yaitu J=0, 1 di izinkan, 00 tidak di izinkan.) Dalam kenyataannya prosedur kebalikan di adopsi. Dengan menghitung jumlah garis, yang akan sama dengan 2I+1 jika I