Kumpulan Materi Fisika Inti

7/15/2019 Kumpulan Materi Fisika Inti

http://slidepdf.com/reader/full/kumpulan-materi-fisika-inti 1/110

KUMPULAN MATERI

DISKUSI :

FISIKA INTI

PROGRAM STUDI FISIKA

PPs UNIVERSITAS NEGERI GORONTALO

TAHUN 2011



SUSUNAN INTI ATOM

1

BAHASAN



HIPOTESIS PROTON- ELEKTRON

Istilah atom pertama kali muncul pada tahun 1808 ketika seorang ilmuwan yang

bernama John Dalton menyatakan bahwa materi tersusun atas partikel – partikel kecilyang tidak dapat dibagi-bagi yang dinamakan atom . Teori atom Dalton ini hanya bertahan

hingga tahun 1896 , karena pada tahun tersebut para ilmuwan lainnya sudah menemukan

partikel-partikel sub atomik yang menyusun atom.

Pada tahun 1897 ditemukanlah adanya elektron dalam atom oleh Joseph John

Thomson melalui percobaannya yang menggunakan tabung sinar katoda yang ditemukan

olah William Crookers.

J.J. Thomson meneliti lebih lanjut tentang sinar katode dan dapat dipastikan bahwa

sinar katode merupakan partikel, sebab dapat memutar baling-baling yang diletakkan diantarakatode dan anode. Percobaan J.J. Thomson menghasilkan informasi bahwa sinar katoda

memiliki sifat-sifat :

1. Sinar katoda dihasilkan akibat adanya aliran listrik bertekanan tinggi yang melewati

plat logam.

2. Sinar katoda berjalan lurus menuju anoda.

3. Sinar katoda menimbulkan efek fluoresens (pendar) sehingga keberadaannya

terdeteksi.

4. Sinar katoda bermuatan negatif sehingga dapat dibelokkan oleh medan listrik dan

medan magnet.

5. Sinar katoda yang dihasilkan tidak tergantung dari bahan pembuat plat logam.



Dari hasil percobaan ini, Thomson menyatakan bahwa sinar katode merupakan

partikel penyusun atom (partikel sub atom) yang bermuatan negatif dan selanjutnya disebut

elektron.

Atom merupakan partikel yang bersifat netral, oleh karena elektron bermuatan

negatif, maka harus ada partikel lain yang bermuatan positif untuk menetralkan muatan

negatif elektron tersebut. Dari penemuannya tersebut, Thomson memperbaiki kelemahan dari

teori atom Dalton dan mengemukakan teori atomnya yang dikenal sebagai Teori Atom

Thomson yang menyatakan bahwa:

“Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dan didalamya tersebar muatan

negatif elektron”

Model atom Thomson ini disebut juga model ”plum-pudding” (roti kismis).



HAMBURAN RUTHERFORD

Pada tahun 1910 Ernest Rutherford bersama kedua orang asistennya Hans Geiger dan

Ernest Marsden, melakukan serangkaian percobaan untuk mengetahui lebih banyak tentang

susunan atom.

Ernest Rutherford melakukan penelitian dengan menggunakan sinar alfa untuk

menembak plat tipis emas (0,01sampai0,001mm). Detektor yang digunakan berupa plat seng

sulfida (ZnS) yang berpendar apabila sinar alfa mengenainya.

Hasil yang diperoleh adalah bahwa sebagian besar sinar alfa diteruskan atau dapat

menembus plat tipis emas. Sinar alfa dalam jumlah yang sedikit juga dibelokkan dan

dipantulkan. Hasil penelitian yang menunjukkan bahwa sebagian besar sinar alfa

diteruskan memberikan kesimpulan bahwa sebagian besar atom merupakan ruang kosong.

Sedangkan sebagian kecil sinar alfa yang dipantulkan juga memberikan kesimpulan bahwa

dalam atom Terdapat benda pejal dan bermuatan besar. Adanya benda pejal yang bermuatan

besar didasarkan pada kenyataan bahwa sinar alfa yang bermuatan 4 sma dapat dipantulkan

apabila mengenai plat tipis emas.

Hal ini berarti massa benda pejal dalam atom emas jauh lebih besar daripada massa

sinar alfa. Selanjutnya Rutherford menyebut benda pejal tersebut sebagai inti atom yang

merupakan pusat massa atom.

Penelitiannya juga menunjukkan bahwa sinar alfa dibelokkan kearah kutub negatif

apabila dimasukkan kedalam medan listrik. Hal ini berarti sinar alfa menolak sesuatu

yang bermuatan positif dalam atom emas dan lebih mendekati sesuatu dengan muatan yang

berlawanan. Rutherford selanjutnya menyimpulkan bahwa inti atom bermuatan positif.

Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherfordmengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang menyatakan



bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif, dikelilingi oleh

elektron yang bermuatan negatif.

Model atom Rutherford dapat digambarkan sebagai beriukut:

HIPOTESIS PROTON- NEUTRON

Rutherford menduga bahwa didalam inti atom terdapat partikel netral yang berfungsi

mengikat partikel-partikel positif agar tidak saling tolak menolak.

Eugene Goldstein pada tahun 1886 melakukan percobaan dan menemukan partikel

baru yang disebut sebagai sinar kanal atau sinar positif. PeralatanGoldstein tersusun atas:

Elektroda negatif (katoda) yangmenutup rapat tabung sinar katoda sehingga ruang

dibelakang katoda gelap Tabung katoda dilubangi dan diisi dengan gas hidrogen bertekanan

rendah Radiasi yang keluar dari lubang tabung katoda akibat aliran listrik bertegangan tinggi

menyebabkan gas yang berada dibelakang katoda berpijar. Radiasi tersebut disebut radiasi

sinar kanal atau sinar positif

Sinar kanal secara mendetail dihasilkan dari tahapan berikut yakni ketika sinar katoda

menjalar dari katoda ke anoda maka sinar katoda ini menumbuk gas hidrogen yang berada di

dalam tabung sehingga elektron gas hidrogen terlepas dan membentuk ion positif. Ion

hidrogen yang bermuatan positif selanjutnya bergerak menuju kutub negatif (katoda) dengan

sebagian ion hidrogen lolos dari lubang katoda . Berkas sinar yang bermuatan positif

disebut sinar kanal atau sinar positif.



Penelitian selanjutnya mendapatkan hasil bahwa gas hidrogen menghasilkan sinar

kanal dengan muatan dan massa terkecil. Ion hidogen ini selanjutnya disebut sebagai proton.

Beberapa kesimpulan yang dapat diambil adalah bahwa sinar kanal merupakan

partikel dasar yang bermuatan positif dan berada dalam inti atom dan massa proton sama

dengan massa ion hidrogen dan berharga 1sma.

Rutherford berikutnya menembak gas nitrogen dengan sinar alfa untuk membuktikan

bahwa proton berada didalam atom dan ternyata proton juga dihasilkan dari proses tersebut.

Reaksi yang terjadi adalah :

PENEMUAN NEUTRON

Penelitian yang dilakukan Rutherford selain sukses mendapatkan beberapa hasil yang

memuaskan juga mendapatkan kejanggalan yaitu massa inti atom unsur selalu lebih besar

daripada massa proton didalam inti atom. Rutherford menduga bahwa terdapat partikel laindidalam inti atom yang tidak bermuatan karena atom bermuatan positif disebabkan adanya

proton yang bermuatan positif. Adanya partikel lain didalam inti atom yang tidak bermuatan

dibuktikan oleh James Chadwick pada tahun 1932. Chadwick melakukan penelitian dengan

menembak logam berilium menggunakan sinar alfa.Hasil penelitian menunjukkan bahwa

suatu partikel yang tak bermuatan dilepaskan ketika logam berilium ditembak dengan sinar

alfa dan partikel ini disebut sebagai netron. Reaksi yang terjadi ketika logam berilium

ditembak dengan sinar alfa adalah :

Neutron tak bermuatan dan bermassa 1sma (pembulatan).

Dari beberapa penemuan partikel sub atomik tersebut maka para ahli

berkesimpulan bahwa :

Atom dibangun oleh tiga partikel yaitu elektron , proton dan netron. Elektron adalah

partikel yang bermuatan listrik negatif dan diberi lambang



dengan huruf (e), memiliki muatan sebesar -1.6 × 10-19

Coulomb, tanda negatif pada

angka (-) untuk menunjukkan bahwa elektron bermuatan negatif. Elektron memiliki massa

sebesar 9.10 ×10-31

Kg.

Proton merupakan partikel dasar kedua, yang terletak di dalam inti atom dan

bermuatan positif. Muatan proton sama dengan muatan elektron sebesar 1.6 × 10-19 Coulomb

bertanda positif. Dengan adanya besar muatan yang sama dengan elektron, namun berbeda

dalam muatannya menyebabkan setiap atom bersifat netral. Berdasarkan hasil perhitungan

diketahui massa sebuah proton adalah1.673 ×10-27 Kg. Hal ini mengindikasikan bahwa

massa proton lebih besar sekitar 1800 kali massa sebuah elektron. Netron, merupakan

partikel dasar yang ketiga, dan terletak di inti atom bersama-sama dengan proton. Netron

tidakbermuatanlistrik, namun netron memiliki massa yaitu 1.675 ×10-27 Kg, massa ini setara

denganmassa proton.

Untuk lebih memperjelas lagi tentang kedudukan partikel dasar dalam sebuah atom,

kita ambil contoh jika sebuah unsur memilik 6 proton, 6 elektron dan 6 netron maka di

dalam inti atom akan terdapat 6 proton dan 6 netron yang dikeliling 6 elektron lihat Gambar

berikut :

Penulisan lambang atom mencerminkan adanya proton, elektron netron seperti

dibawah ini. Secara umum penulisan tanda atom adalah :

dimana X adalah nama usur, A : nomor massa merupakan jumlah proton dan

netron dan Z :nomor atom merupakan jumlah proton atau jumlah elektron.



TRANSMUTASI INTI

Transmutasi inti atau transmutasi nuklir adalah perubahan suatu unsur kimia atau

isotop menjadi unsur kimia atau isotop lain melalui reaksi nuklir. Di alam berlangsung

transmutasi nuklir natural yang terjadi pada unsur radio aktif yang secara spontan meluruh

selama kurun waktu bertahun-tahun dan akhirnya berubah menjadi unsur yang lebih setabil.

Transmutasi nuklir buatan dapat dilakukan dengan menggunakan reaktor fisi, reaktor fusi

atau alat pemercepat partikel (particle accelerator). Transmutasi nuklir buatan dilakukan

dengan tujuan mengubah unsur kimia atau radioisotop dengan tujuan tertentu. Limbah

radioaktif yang dihasilkan dari reaktor nuklir yang mempunyai umur sangat panjang dapat

saja ditransmutasikan menjadi radio isotop yang lebih stabil dan memancarkan radioaktivitas

dengan umur yang lebih pendek.

Reaksi fisi dan reaksi fusi sebenarnya juga dapat digolongkan sebagai transmutasi inti

, karena dalam kedua reaksi nuklir tersebut terjadi perubahan inti atom yang dapatmenyebabkan perubahan unsur kimia atau isotop.

Salah satu contoh transmutasi nuklir buatan yang menunjukkan bahwa suatu unsur

kimia dapat diubah menjadi unsur kimia baru lainnya dibuktikan oleh Lord Rutherford

padatahun 1919, yaitu dengan cara membombardir unsur nitrogen dengan sinar alfa yang

menghasilkan unsur oksigen dan partReaksi dari transmutasi ini dapat ditulis sebagai:

Berbagai transmutasi nuklir terjadi dalam sebuah reaktor nuklir , dari transmutasi nuklir

tersebut ada beberapa transmutasi yang disengaja dan diperhitungkan kejadiannya untuk

tujuan tertentu misalnya untuk mengubah bahan yang tidak dapat membelah menjadi bahan

fisil , atau mengubah radioisotop berumur sangat panjang menjadi radio isotop yang lebih

pendek umurnya atau bahkan menjadi unsur stabil yang tidak memancarkan radioaktif.

Bahan yang dapat diubah menjadi bahan fisil disebut sebagai bahan fertil. Reaksi nuklir

transmutasi tersebut diantaranya adalah sebagai berikut : Transmutasi bahan fertil (thorium-

232 dan uranium-238) menjadi bahan fisil (U-233 dan Pu-239):

Transmutasi limbah radioaktif berumur panjang dari kelompok aktinida minor yaitu

amerisium-241 ( ) menjadibahanfisil kurium-243( )agar dapat berfisi di dalam

reaktor nuklir dari pada meluruh sebagai limbah nuklir :



Contoh transmutasi nuklir lain yang digunakan untuk mengubah bahan-bahan produk reaksi

fisi nuklir (atau produk fisi) radioaktif berumur sangat panjang menjadi unsur stabil yang

tidak memancarkan radioaktif adalah transmutasi teknesium-99 ( ) dengan umur paruh

2,13 x 105 tahun dan yodium-129( ) dengan umur paruh 1,6 x107 tahun.

Transmutasi nuklir natural terjadi pada unsur berat, yang melakukan transmutasi dengan

memancarkan radioaktif untuk menuju ke unsur ringan yang lebih stabil. Contoh daritransmutasi nuklir natural adalah peluruhan uranium-238 menuju unsur timbal(Pb).



SIFAT- SIFAT INTI ATOM

2

BAHASAN



ISOTOP

Isotop adalah bentuk dari unsur yang nukleusnya memiliki nomor atom yang

sama - jumlah proton di nukleus - tetapi dengan massa atom yang berbeda karena

mereka memiliki jumlah neutron yang berbeda.

Kata isotop, berarti di tempat yang sama, berasal dari fakta bahwa seluruh isotopdari sebuah unsur terletak di tempat yang sama dalam tabel periodik.

Secara bersama, isotop-isotop dari unsur-unsur membentuk suatu set nuklida.

Sebuah nuklida adalah satu jenis tertentu nukleus atom, atau lebih umum sebuahaglomerasi proton dan neutron. Lebih tepat lagi untuk mengatakan bahwa sebuah

unsur seperti fluorine terdiri dari satu nuklida stabil dan bukan dia memiliki satu isotop

stabil.

Dalam nomenklatur ilmiah, isotop (nuklida) dispesifikasikan berdasarkan namaunsur tertentu oleh sebuah "hyphen" dan jumlah nukleon (proton dan neutron) dalam

nukleus atom (misal, helium-3, karbon-12, karbon-14, besi-57, uranium-238). Dalambentuk simbolik, jumlah nukleon ditandakan sebagai sebuah prefik naik-ke-atas

terhadap simbol kimia (misal, 3He, 12C, 14C, 57Fe, 238U).

Isotop yang berbeda dari suatu unsur tertentu yang sama memiliki nomor atom

tetapi nomor massa yang berbeda karena mereka memiliki jumlah neutron yangberbeda. Sifat kimia dari isotop yang berbeda dari suatu elemen adalah identik, tetapi

mereka sering akan memiliki perbedaan besar dalam stabilitas nuklir. Untuk isotop

stabil dari unsur cahaya, jumlah neutron akan hampir sama dengan jumlah proton,tetapi tumbuh kelebihan neutron adalah karakteristik dari elemen berat stabil. Unsur

timah (Sn) memiliki isotop yang paling stabil dengan 10, rata-rata menjadi sekitar 2,6per elemen isotop stabil.

Informasi tentang isotop dari setiap elemen dan kelimpahan mereka dapat

ditemukan dengan pergi ke tabel periodik dan memilih elemen. Kemudian mengambil

link ke data nuklir.

Hal ini penting untuk dicatat bahwa tiga isotop hidrogen dalam perubahanmassal dengan faktor tiga, tapi sifat kimia mereka hampir identik. Perbedaan kecil

dalam frekuensi spektral hidrogen dan deuterium berasal dari sumber dasarnya

mekanik, perubahan kecil dalam " massa berkurang "terkait dengan elektron yang



mengorbit. Tetapi untuk tujuan praktis perilaku kimia dari isotop elemen apapun

adalah identik.

Kontributor dominan interaksi antara atom dan lingkungan adalah gayaelektromagnetik . Seharusnya tidak mengherankan bahwa neutron tambahan atau dua

inti hampir tidak berpengaruh pada interaksi dengan dunia. Pemeriksaan dari modelskala atom membuat jelas bahwa inti sangat kecil dibandingkan ot ukuran atom. Jari-

jari nuklir karbon-12 adalah 2,7 x 10 -15 m sedangkan ukuran dari atom dari tabel

periodik adalah sekitar 0,9 x 10 m -10, sekitar 33.000 kali lebih besar!

SPEKTROMETER MASSA

Prinsip dasar

Apabila ada sebuah benda sedang bergerak lurus dan diberikan gaya luar ke arah

samping maka benda itu tidak akan bergerak lurus, melainkan ia akan bergerak membelok ke arah samping karena adanya gaya luar tersebut.

Misalkan anda sedang menghadapi sebuah bola meriam yang sedang melewati

anda dan anda mau membelokkannya pada saat tepat lewat di depan anda. Dan alat yang anda punya hanyalah sebuah selang penyemprot air yang dihubungkan dengan

sebuah pompa jet. Sejujurnya, apa yang anda lakukan itu tidak akan berpengaruhbanyak. Karena bola meriam itu sangat berat dan ia tidak akan membelok dari jalur

lurusnya.

Tapi coba kita pikir lagi, anda mencoba membelokan sebuah bola tenis yang

sedang bergerak dengan kecepatan yang sama dengan bola meriam tersebut denganmenggunakan selang penyemprot air yang sama. Karena bola tenis ini sangat ringan,

maka ia akan membelok dengan amat sangat.

Berapa besar penyimpangan yang akan terjadi karena gaya luar itu, tergantungpada massa benda tersebut (dalam hal ini bola). Apabila kecepatan bola dan besarnya

gaya luar itu diketahui、anda bisa menghitung massa bola tersebut jika sudah

diketahui bagaimana pola pembelokan yang terjadi pada bola tersebut. Semakin kecil

pembelokan yang terjadi, berarti semakin berat massa bola tersebut.(Perhitungan yangsebenarnya tidaklah terlalu sulit) Prinsip diatas tersebut dapat juga diterapkan pada

benda atau partikel seukuran atom.

Garis besar tentang apa yang terjadi dalam alat spektrometer massa

Atom dapat dibelokkan dalam sebuah medan magnet (dengan anggapan atomtersebut diubah menjadi ion terlebih dahulu). Karena partikel-partikel bermuatan

listrik dibelokkan dalam medan magnet dan partikel-partikel yang tidak bermuatan

(netral) tidak dibelokkan.

Urutannya adalah sebagai berikut:



Tahap pertama : Ionisasi

Atom di-ionisasi dengan ‘mengambil’ satu atau lebih elektron dari atom tersebut

supaya terbentuk ion positif. Ini juga berlaku untuk unsur-unsur yang biasanyamembentuk ion-ion negatif (sebagai contoh, klor) atau unsur-unsur yang tidak pernah

membentuk ion (sebagai contoh, argon). spektrometer massa ini selalu bekerja hanyadengan ion positif.

Tahap kedua : Percepatan

Ion-ion tersebut dipercepat supaya semuanya mempunyai energi kinetik yang

sama.

Tahap ketiga : Pembelokan

Ion-ion tersebut dibelokkan dengan menggunakan medan magnet, pembelokanyang terjadi tergantung pada massa ion tersebut. Semakin ringan massanya, akan

semakin dibelokan. Besarnya pembelokannya juga tergantung pada besar muatan

positif ion tersebut. Dengan kata lain, semakin banyak elektron yang ‘diambil’ padatahap 1, semakin besar muatan ion tersebut, pembelokan yang terjadi akan semakin

besar.

Tahap keempat : Pendeteksian

Sinar-sinar ion yang melintas dalam mesin tersebut dideteksi dengan secaraelektrik.

Diagram lengkap dari spektrometer massa:



MASSA INTI

Inti atom

Energi pengikatan yang diperlukan oleh nukleon untuk lolos dari inti padaberbagai isotop.

Inti atom terdiri dari proton dan neutron yang terikat bersama pada pusat atom.

Secara kolektif, proton dan neutron tersebut disebut sebagai nukleon (partikel

penyusun inti). Jari-jari inti diperkirakan sama dengan fm, dengan A adalah jumlah

nukleon. Hal ini sangatlah kecil dibandingkan dengan jari-jari atom. Nukleon-nukleontersebut terikat bersama oleh gaya tarik-menarik potensial yang disebut gaya kuat

residual. Pada jarak lebih kecil daripada 2,5 fm, gaya ini lebih kuat daripada gayaelektrostatik yang menyebabkan proton saling tolak menolak.

Atom dari unsur kimia yang sama memiliki jumlah proton yang sama, disebut

nomor atom. Suatu unsur dapat memiliki jumlah neutron yang bervariasi. Variasi inidisebut sebagai isotop. Jumlah proton dan neutron suatu atom akan menentukan

nuklida atom tersebut, sedangkan jumlah neutron relatif terhadap jumlah proton akan

menentukan stabilitas inti atom, dengan isotop unsur tertentu akan menjalankanpeluruhan radioaktif.

Neutron dan proton adalah dua jenis fermion yang berbeda. Asas pengecualian

Pauli melarang adanya keberadaan fermion yang identik (seperti misalnya protonberganda) menduduki suatu keadaan fisik kuantum yang sama pada waktu yang sama.

Oleh karena itu, setiap proton dalam inti atom harusnya menduduki keadaan kuantum

yang berbeda dengan aras energinya masing-masing. Asas Pauli ini juga berlaku untuk neutron. Pelarangan ini tidak berlaku bagi proton dan neutron yang menduduki

keadaan kuantum yang sama.

Untuk atom dengan nomor atom yang rendah, inti atom yang memiliki jumlah

proton lebih banyak daripada neutron berpotensi jatuh ke keadaan energi yang lebihrendah melalui peluruhan radioaktif yang menyebabkan jumlah proton dan neutron



seimbang. Oleh karena itu, atom dengan jumlah proton dan neutron yang berimbang

lebih stabil dan cenderung tidak meluruh. Namun, dengan meningkatnya nomor atom,gaya tolak-menolak antar proton membuat inti atom memerlukan proporsi neutron

yang lebih tinggi lagi untuk menjaga stabilitasnya. Pada inti yang paling berat, rasioneutron per proton yang diperlukan untuk menjaga stabilitasnya akan meningkat

menjadi 1,5.

Gambaran proses fusi nuklir yang menghasilkan inti deuterium (terdiri dari satu

proton dan satu neutron). Satu positron (e+) dipancarkan bersamaan dengan neutrinoelektron.

Jumlah proton dan neutron pada inti atom dapat diubah, walaupun hal ini

memerlukan energi yang sangat tinggi oleh karena gaya atraksinya yang kuat. Fusi

nuklir terjadi ketika banyak partikel atom bergabung membentuk inti yang lebih berat.Sebagai contoh, pada inti Matahari, proton memerlukan energi sekitar 3–10 keV untuk

mengatasi gaya tolak-menolak antar sesamanya dan bergabung menjadi satu inti. Fisinuklir merupakan kebalikan dari proses fusi. Pada fisi nulir, inti dipecah menjadi dua

inti yang lebih kecil. Hal ini biasanya terjadi melalui peluruhan radioaktif. Inti atom juga

dapat diubah melalui penembakan partikel subatom berenergi tinggi. Apabila hal inimengubah jumlah proton dalam inti, atom tersebut akan berubah unsurnya.

Jika massa inti setelah terjadinya reaksi fusi lebih kecil daripada jumlah massa

partikel awal penyusunnya, maka perbedaan ini disebabkan oleh pelepasan pancaran

energi (misalnya sinar gamma), sebagaimana yang ditemukan pada rumus kesetaraanmassa-energi Einstein, E = mc2, dengan m adalah massa yang hilang dan c adalah

kecepatan cahaya. Defisit ini merupakan bagian dari energi pengikatan inti yang baru.

Fusi dua inti yang menghasilkan inti yang lebih besar dengan nomor atom lebih

rendah daripada besi dan nikel (jumlah total nukleon sama dengan 60) biasanya

bersifat eksotermik, yang berarti bahwa proses ini melepaskan energi. Adalah prosespelepasan energi inilah yang membuat fusi nuklir pada bintang dapat dipertahankan.

Untuk inti yang lebih berat, energi pengikatan per nukleon dalam inti mulai menurun.

Ini berarti bahwa proses fusi akan bersifat endotermik.



PELURUHAN INTI

Neutron dan proton yang menyusun inti atom, terlihat seperti halnya partikel-

partikel lain, diatur oleh beberapa interaksi. Gaya nuklir kuat, yang tidak teramati padaskala makroskopik, merupakan gaya terkuat pada skala subatomik. Hukum Coulomb

atau gaya elektrostatik juga mempunyai peranan yang berarti pada ukuran ini. Gayanuklir lemah sedikit berpengaruh pada interaksi ini. Gaya gravitasi tidak berpengaruh

pada proses nuklir.

Interaksi gaya-gaya ini pada inti atom terjadi dengan kompleksitas yang tinggi.

Ada sifat yang dimiliki susunan partikel di dalam inti atom, jika mereka sedikit saja

bergeser dari posisinya, mereka dapat jatuh ke susunan energi yang lebih rendah.Mungkin bisa sedikit digambarkan dengan menara pasir yang kita buat di pantai: ketika

gesekan yang terjadi antar pasir mampu menopang ketinggian menara, sebuahgangguan yang berasal dari luar dapat melepaskan gaya gravitasi dan membuat tower

itu runtuh.

Peluruhan membutuhkan energi aktivasi tertentu. Pada kasus menara pasir,

energi ini datang dari luar sistem, bisa dalam bentuk ditendang atau digeser tangan.

Pada kasus peluruhan inti atom, energi aktivasi sudah tersedia dari dalam. Partikelmekanika kuantum tidak pernah dalam keadaan diam, mereka terus bergerak secara

acak. Gerakan teratur pada partikel ini dapat membuat inti seketika tidak stabil. Hasilperubahan akan memengaruhi susunan inti atom; sehingga hal ini termasuk dalam

reaksi nuklir, berlawanan dengan reaksi kimia yang hanya melibatkan perubahan

susunan elektron diluar inti atom.

(Beberapa reaksi nuklir melibatkan sumber energi yang berasal dari luar, dalambentuk "tumbukkan" dengan partikel luar misalnya. Akan tetapi, reaksi semacam ini

tidak dipertimbangkan sebagai peluruhan. Reaksi seperti ini biasanya akan dimasukan

dalam fisi nuklir/fusi nuklir.

MODEL PELURUHAN



Kita asumsikan permasalahan peluruhan ini dengan model kotak, dimana kotak

sebelah kiri merupakan kotak untuk inti mula-mula dengan jumlah 100 inti dan kotak

sebelah kanan merupakan kotak untuk inti yang telah meluruh.

Diantara kedua kotak tersebut terdapat batas pemisah, dimana terdapat celah

kecil sebagai jalan inti untuk meluruh. Asumsikan kembali bahwa celah kecil tersebut

hanya akan terlewati oleh satu inti per satuan waktu atau dipengaruhi oleh nilai

peluang inti yang tidak sbatil (kotak kiri) menjadi inti stabil (kotak kanan).

Sehingga ketika jumlah inti di kotak kanan mendekati jumlah inti di kotak kiri,

maka inti terseut mengalami kestabilan. Jika waktu untuk meluruh diperpanjang, maka

inti akan mengalami peluruhan total.

Analogi grafik fungsi Eksponensial Turun untuk Peluruhan Inti

Jika inti mula-mula berjumlah 100 inti maka inti yang akn meluruh sekitar 50

inti untuk waktu maksimum sekitar 100 sekon. Karena peluruhan inti menggunakan



sembarang inti tidak stabil, maka disetiap sekon aka nada lebih dari satu nilai

peluruhan inti (ditandai dengan titik-titik kuning pada grafik). Jumlah nilai peluruhan

inti tersebut tergantung pada masukan jumlah inti peluruhan yang akan dicoba setiap

satu sekon. Dalam permasalahan ini jumlah inti yang akan dicoba akan divariasi. Jumlahyang akan dicoba tersebut didefinisikan sebagai Ntrial 10, 20, 50, 100 dan 200.

Formulasi Numerik

Dalam peluruhan inti, kita mengenal yang namanya aktivitas. Aktivitas sebuah

sapel inti radioaktif adalah laju peluruhan inti atom pembentuknya, jika N menyatakan

banyaknya inti dalam sampel pada suatu saat, maka aktivitas R adalah sebagai berikut :

……………… (1)

Tanda minus dipakai supaya R menjadi kuantitas positif karena tentu saja

secara intrinsik berharga negative. Pengukuran eksperimental aktivitas sampel

radioaktif menunjukkan bahwa aktifitas menurun secara eksponensial terhadap waktu.

Jika pengukuran eksperimental kita dapat menyatakan informasi empiris mengenai

perubahan aktivitas terhadap waktu dalam bentuk :

Hukum Aktivitas

R – R0 exp (-t) …………………. (2)

dengan disebut konstanta peluruhan yang mempunyai harga berbeda untuk

setiap radioisotope. Hubungan antara konstanta peluruhan dan umur paro adalah

ketika t = T1/2, maka aktivitas R telah menurun menjadi ½ R0 jadi :

R = R0 exp (-t)

½ R0 = R0 exp (-T1/2)

exp (-T1/2) = 2

T1/2 = ln 2

Sehingga ;

= …………………. (3)

Dari permasalahan peluruhan inti dengan model kotak, kita asumsikan laju

perubahan di ruang kiri akan dinyatakan dengan ;



………………….. (4)

Dimana adalah peluang partikel inti pindah dari kotak kiri ke kotak kanan

dan adalah waktu rata-rata inti meluruh.

Dalam permasalah peluruhani inti, tujuan untuk mensimulasikan peluruhan inti

dari tidak stabil menjadi inti stabil. Dalam mensimulasikan kita memerlukan proses

random, dimana proses random merupakan proses acak yang didefinisikan oleh

METLAB dengan intruksi :

R = rand (n)

Pada penyelesaian peluruhan inti ini, kita menggunakan bilangan random 0 < r <

1, sehingga kita dapat definisikan pada program simulasi dengan r = round (rand).

Setiap hasil simulsi yang telah dijalankan dengan variasi Ntrial, maka akan

mendapatkan nilai Nrata berkisar ½ dari jumlah inti tidak stabil yang belum meluruh

dengan t max = 100 s. Karena yang digunakan adalah bilangan ranom, maka setiap Ntrial

dicoba kembali untuk disimulasikan dengan nilai yang sama akan menghasilkan nilai

Nrata yang berbeda, begitu seterusnya. Akan tetapi jika waktu peluruhan semakin lama,

maka inti yang meluruh lebih dari ½ inti yang belum meluruh. Semakin lama lagi waktu

yang digunakan maka Nrata akan memiliki nilai yang berkisar dengan nilai nol atau inti

tersebut telah meluruh total atau mungkin inti suatu unsur tertentu akan berubah jika

inti tersebut meluruh menjadi inti unsur lain.



RADIOAKTIVITAS ALAM

3



RADIOAKTIVITAS

Peristiwa pemancaran sinar-sinar radioaktif dari sebuah inti atom yang tidak

mantap secara spontan disebut radioaktivitas. Proses perubahan ini disebut peluruhan

dan inti atom yang takstabil disebut radionuklida. Materi yang mengandung radionuklida

disebut zat radioaktif. Gejala radiokativitas sangat berperan dalam pengembangan

Fisika nuklir.

Radioaktivitas ditemukan oleh ahli fisika Prancis bernama H. Becquerel pada

tahun 1896. Becquerel menamakan radiasi dengan uranium. Dia menemukan bahwa

bila garam Uranium bersentuhan dengan lempengan fotografik terjadi penghitaman

sama seperti pada sinar-X. Dua tahun setelah itu, Marie Curie meneliti radiasi uranium

dengan menggunakan alat yang dibuat oleh Pierre Curie, yaitu pengukur listrik piezo

(lempengan kristal yang biasanya digunakan untuk pengukuran arus listrik lemah), dan

Marie Curie berhasil membuktikan bahwa kekuatan radiasi uranium sebanding dengan

jumlah kadar uranium yang dikandung dalam campuran senyawa uranium. Disamping

itu, Marie Curie juga menemukan bahwa peristiwa peluruhan tersebut tidak dipengaruhi

oleh suhu atau tekanan, dan radiasi uranium dipancarkan secara spontan dan terus

menerus tanpa bisa dikendalikan. Marie Curie juga meneliti campuran senyawa lain, dan

menemukan bahwa campuran senyawa thorium juga memancarkan radiasi yang sama

dengan campuran senyawa uranium,dan sifat pemancaran radiasi seperti ini diberi

nama radioaktivitas.

Pada tahun 1898, ia menemukan unsur baru yang sifatnya mirip dengan bismut.

Unsur baru ini dinamakan polonium diambil dari nama negara asal Marie Curie, yaitu

Polandia. Setelah itu H. Becquerel dan Marie Curie melanjutkan penelitiannya dengan

menganalisis pitch blend (bijih uranium). Mereka berpendapat bahwa di dalam pitch

blend terdapat unsur yang radioaktivitasnya lebih kuat daripada uranium atau polonium.

Pada tahun yang sama mereka mengumumkan bahwa ada unsur radioaktif yang

sifatnya mirip dengan barium. Unsur baru ini dinamakan radium (Ra), yang artinya benda

yang memancarkan radiasi.

Ada tiga aspek radioaktivitas yang luar biasa jika dipandang dari segi fisika klasik:

1. Bila inti mengalami peluruhan alfa dan beta, bilangan atomik Z berubah dan

menjadi unsur yang berbeda. Jadi unsur tidak tetap.

2. Energi yang dikeluarkan selama peluruhan radioktif timbul dari inti individual

tanpa eksitasi eksternal, bukan seperti radiasi atomik. Bagaimana hal ini terjadi



setelah Einstein mengusulkan kesetaraan massa dan energi, barulah teka-teki ini

dapat dipahami.

3. Peluruhan radioaktif adalah proses statistik yang memenuhi teori kemungkinan,

tidak ada hubungan sebab akibat, yang terkait dalam peluruhan inti, hanya

kemungkinan persatuan waktu. Fisika klasik tidak dapat menjelaskan prilaku

seperti itu, walaupun hal ini dapat masuk dengan baik dalam kerangka fisika

kuantum.

Berdasarkan sumbernya, radioaktivitas dibedakan atas radioaktivitas alam dan

radioaktivitas buatan. Radioaktivitas Alam adalah unsur-unsur radioaktif yang ditemukan

di alam sebagai bahan tambang, yaitu Uranium (U), Aktinium (At), dan Thorium (Th).

Radioaktivitas Buatan adalah zat-zat radioaktif yang diproduksi dengan sengaja dalam

reaktor atom, antara lain Neptunium (Np), Polonium (Po), Radium (Ra). Radioaktivitas

buatan banyak digunakan di berbagai bidang.

PELURUHAN RADIOAKTIF

Mengapa Inti Atom Meluruh?

Jika jumlah proton lebih besar dari jumlah netron (N < P), maka gaya elektrostatis

akan lebih besar dari gaya inti, hal ini akan menyebabkan inti atom berada dalam

keadan tidak stabil. Jika jumlah netron yang lebih besar dari jumlah protonnya (N > P)

akan membuat inti berada dalam keadaan stabil. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa

inti atam paling berat yang stabil adalah Bismuth yaitu yang mempunyai 83

proton dan 126 netron. Inti atom yang mempunyai jumlah proton lebih besar dari 83

akan berada dalam keadaan tidak stabil. Inti yang tidak stabil ini akan berusaha menjadi

inti stabil dengan cara melepaskan partikel bisa berupa proton murni , partikel

helium yang memiliki 2 proton atau partikel lainnya. Inti atom yang tidak stabil

ini memiliki sifat dapat melakukan radiasi spontan atau mampu melakukan aktivitas

radiasi sehingga dinamakan inti radioaktif. Unsur yang inti atomnya mampu melakukan

aktivitas radiasi spontan berupa pemancaran sinar-sinar radioaktif dinamakan unsur

(zat) radioaktif. Pemancaran sinar-sinar radioaktif (berupa partikel atau gelombang

elektromagnetik) secara spontan oleh inti-inti berat yang tidak stabil menjadi inti-inti

yang stabil disebut Radioaktivitas. Inti yang memancarkan sinar radioaktif disebut inti



induk dan inti baru yang terjadi disebut inti anak. Ditinjau dari perbandingan gaya-gaya

penyusun inti, inti atom yang tidak stabil akan memiliki gaya elektrostatis yang lebih

besar dari gaya inti (gaya pengikat). Pada awalnya tampak bentuk radiasi yang baru

ditemukan ini mirip dengan penemuan sinar-X. Akan tetapi, penelitian selanjutnya yang

dilakukan oleh Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie, Ernest Rutherford dan ilmuwan

lainnya menemukan bahwa radiaktivitas jauh lebih rumit ketimbang sinar-X. Beragam

jenis peluruhan bisa terjadi. contoh, ditemukan bahwa medan listrik atau medan

magnet dapat memecah emisi radiasi menjadi tiga sinar. Demi memudahkan

penamaan, sinar-sinar tersebut diberi nama sesuai dengan alfabet yunani yakni alpha,

beta, dan gamma, nama-nama tersebut masih bertahan hingga kini. Kemudian dari arah

gaya elektromagnet, diketahui bahwa sinar alfa mengandung muatan positif, sinar beta

bermuatan negatif, dan sinar gamma bermuatan netral. Dari besarnya arah pantulan,

juga diketahui bahwa partikel alfa jauh lebih berat ketimbang partikel beta. Dengan

melewatkan sinar alfa melalui membran gelas tipis dan menjebaknya dalam sebuah

tabung lampu neon membuat para peneliti dapat mempelajari spektrum emisi dari gas

yang dihasilkan, dan membuktikan bahwa partikel alfa kenyataannya adalah sebuah inti

atom helium. Percobaan lainnya menunjukkan kemiripan antara radiasi beta dengan

sinar katoda serta kemiripan radiasi gamma dengan sinar-X.

Peluruhan Alpha (α)

Peluruhan alpha adalah bentuk radiasi partikel dengan kemampuan mengionisasi

atom sangat tinggi dan daya tembusnya rendah. Pertikel alpha terdiri atas dua buah

proton dan dua buah netron yang terikat menjadi suatu atom dengan inti yang sangat

stabil, dengan notasi atom atau Partikel α diradiasikan oleh inti atom

radioaktif seperti uranium atau radium dalam suatu proses yang disebut dengan

peluruhan alpha. Sering terjadi inti atom yang selesai meradiasikan partikel alpha akanberada dalam eksitasi dan akan memancarkan sinar gamma untuk membuang energi



yang lebih. Setelah partikel alpha diradiasikan , massa inti atom akan turun kira-kira

sebesar 4 sma, karena kehilangan 4 partikel. Nomor atom akan berkurang 2, karena

hilangnya 2 proton sehingga akan terbentuk inti atom baru yang dinamakan inti anak.

Pada peluruhan α berlaku :

1. Hukum kekekalan nomor massa : nomor massa (A) berukuran 4 dan

2. Hukum kekekalan nomor atom : nomor atom (Z) berkurang 2

Dalam peluruhan α berlaku persamaan peluruhan

contoh :

Reaksi peluruhan alpha dapat ditulis sebagai

Peluruhan Beta Plus dan Beta Min ( ß+ dan ß - )

peluruhan Beta adalah merupakan radiasi partikel beta (elektron atau positron)

dengan kemampuan ionisasi lebih rendah dari partikel α. Radiasi beta dapat berupa

pemancaran sebuah elektron disebut peluruhan beta minus(ß- ), dan pemancaran

positron disebut sebagai peluruhan

beta plus (ß+ ). Peluruhan beta minus

(ß- ) disertai dengan pembebasan

sebuah neutrino (v) dan dinyatakan

dengan persamaan peluruhan.

Elektron yang dipancarkan dalam peluruhan ini

bukanlah elektron orbital (elektron yang

bergerak mengelilingi inti) melainkan elektron

yang ditimbulkan oleh inti atom itu sendiri dari

energi yang tersedia di dalam inti. Hadirnya

elektron (ß- ) dan (ß+ ) di dalam inti melalui proses



1. sebuah netron memancarkan positron dan sebuah neutrino (v )

2. sebuah proton memancarkan sebuah netron dan sebuah neutrino :

Spesifikasi peluruhan beta plus adalah adanya pemberian energi dalam proses

"penciptaan” massa, karena massa netron (sebagai inti anak) ditambah massa

positron dan neutrino lebih besar daripada massa proton (sebagai inti

induk).Sebagai contoh :

(beta minus)

(beta plus)

Peluruhan Gamm a ( γ)

• Peluruhan gamma dapat terjadi pada peluruhan alpha dan beta ketika inti akhir

masih berada pada keadaan eksitasinya.

• Peluruhan gamma adalah peristiwa pemancaran sinar gamma (foton) yang terjadi

ketika suatu inti yang berada dalam keadaan tereksitasi kembali ke keadaan

dasar ( ground state).

• Energi sinar gamma yang dipancarkan sama dengan perbedaan energi antara

dua tingkat energi dikurangi dengan energi kinetik inti yang terpental

Salah satu sifat unik dari inti atom adalah kemampuannya bertransformasi seacara

spontan dari satu inti dengan nilai Z dan N tertentu ke inti yang lain. Ada tiga jenis

radiasi yaitu radiasi α,β dan γ.



Partikel- partikel α adalah atom helium yang terionisasi rangkap yaitu atom-atom

helium tanpa kedua elektron. Jadi suatu partikel α bermuatan dua kali muatan

inti atom hidrogen dan diberi simbol

Sinar-sinar β terdiri dari elektron-elektron biasa dengan massa sama dengan dari

massa suatu proton. Partikel β membawa suatu muatan negatif dan massanya

dapat diabaikan dan diberi simbol

Sinar-sianr γ adalah gelombang -gelombang elektromagnetik yang mempunyai

frekuensi lebih tinggi dari sinar x dan tidak bermuatan.

TETAPAN PELURUHAN

Jika peluang untuk meluruh disebut tetapan paluruhan (lambang λ ), maka aktivitas

bahan bergantung pada banyak inti radioaktif dalam bahan ( N ) dan λ. Secara

matematis ditulisλ=A/N

A = λ N

Aktivitas Radiasi juga didefinisikan sebagai laju berkurangnya inti yang belum meluruh

terhadap waktu.

A = -dN/dt

Sehingga

λ N = -dN/dt



Kenyataan kita tidak dapat mengukur banyaknya inti yang meluruh, yang dapat diukur

adalah aktivitas radiasi (A), maka kita kalikan kedua ruas dengan λ dan didapat :

Kenyataan kita tidak dapat mengukur banyaknya inti yang meluruh, yang dapat diukur

adalah aktivitas radiasi (A), maka kita kalikan kedua ruas dengan λ dan didapat :

Keterangan :

No = Banyaknya inti awal yang belum meluruh, t= 0 s

N(t) = Banyaknya inti yang belum meluruh, t= t s

A0 = Aktivitas radiasi awal , t = 0 s

A(t) = Aktivitas radiasi setelah t = t s

λ = tetapan peluruhan

T = waktu peluruhan dari t = 0 s sampai t =t s

Karena inti mengalami peluruhan, suatu saat mengalami sisa inti yang belum

meluruh tinggal separo dari banyaknya inti semula.Waktu yang diperlukan suatu inti

sehingga banyaknya inti yang tersisa tinggal separo dari inti mula-mula disebut waktu

paro atau waktu paruh, dilambangkan T1/2

TRANSFORM ASI RADIOAKTIF BERURUTAN

Berbagai cara transformasi radioaktif ditentukan oleh dua faktor yaitu

1. Ketidakstabilan inti. Yaitu apakah rasio netron terhadap proton terlalu tinggi atau

terlalu rendah.

Secara elektrostatis proton-ptoton dalam inti atom akan saling tolak dengan gaya

tolak menolak Coulomb (gaya elektrostatis) yang akan makin besar jika jarak dua buah

proton makin dekat. Fakta menunjukkan bahwa proton-proton bersatu di dalam inti

atom pada jarak yang sangat dekat ( sekitar 2x 10-15 m ), di mana secara elektrostatis

proton-proton tidak mungkin bersatu. Hal ini menimbulkan dua pertanyaan penting yaitu:

Bagaimana proton-proton dapat saling berikatan di dalam inti atom? Bagaimana pula

netron terikat dalam kumpulan tersebut? Berapakah besarnya energi yang mengikat

partikel-partikel tersebut? Selain gaya elektrostatis antara partikel penyusun inti bekerja



pula gaya Gravitasi, namun besarnya sangat kecil karena massa partikelnya juga sangat

kecil. Sehingga dapat dipastikan bahwa gaya Gravitasi bukan faktor dominan dalam

mengikat partikel-partikel inti. 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 daripada 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 netron akan menjadi satu.

5. Gaya inti antara dua partikel tidak tergantung pada jenis partikelnya. Artinya gaya

inti terjadi pada proton-proton, proton-netron, dan netron-netron. Ilustrasi yang

paling mendekati untuk menggambarkan gaya inti adalah menggunakan dua

buah bola yang dihubungkan permanen sebuah pegas, Berdasarkan pemikiran

jangkauan gaya inti sekitar 10-15 m maka dapat diperkirakan energi diam partikel

yang dipertukarkan adalah Energi inilah yang dinamakan

Energi ikat inti.

Bagaimana zat radioktif terjadi? Di atas telah dijelaskan tentang gaya inti yang terjadi

pada inti atom. Dengan demikian di dalam inti atom sekurang-kurangnya terdapat tiga

gaya yang penting yaitu Gaya elektroststis, Gaya Gravitasi dan Gaya Inti. Karena nilai

gaya gravitasi sangat kecil maka pengaruhnya relatif kecil sehingga dapat

dikesampingkan. Secara garis besar inti atom akan berada dalam dua keadaan dasar

yaitu Keadaan Stabil dan Keadaan Tidak Stabil yang ditentukan oleh komposisi partikel

penyusun inti. Keadaan stabil di capai apabila jumlah proton (Z) lebih sedikit atau sama

banyak dengan jkumlah netron. Keadaan ini memungkinkan gaya inti lebih besar

dibandingkan dengan gaya elektrostatis. Keadaan tidak stabil dicapai apabila jumlah

proton (Z) lebih besar dari jumlah netron (N). Hal ini akan menyebabkan gaya

elektrostatis jauh lebih besar di bandingkan dengan gaya inti. Mengapa gaya

elektrostatis pada keadaan Z > N lebih besar? Karena gaya elektrostatis memiliki



jangkauan yang lebih luas dibandingkan dengan gaya inti, sehingga dapat pada partikel

proton yang berdekatan dan berseberangan sekalipun. Inti atom seperti inilah yang akan

melakukan aktivitas radiasi secara spontan sampai tercapai keadaan stabil. Keadaan

inti dengan jumlah proton (Z) lebih besar dari jumlah netron (N) akan menghasilkan zat

radioaktif. Gambar berikut menunjukkan karakteristik gaya inti dan gaya elektroststis di

dalam inti atom.

Suatu zat (unsur) akan menjadi radioaktif jika memimilik inti atom yang tidak

stabil. Suatu inti atom berada dalam keadaan tidak stabil jika jumlah proton jauh

lebih besar dari jumlah netron. Pada keadaan inilah gaya elektrostatis jauh lebih

besar dari gaya inti sehingga ikatan atom-atom menjadi lemah dan inti berada

dalam keadaan tidak stabil.

Garis Kestab ilan Inti Atom

Hingga saat ini telah diketahui 1500 inti

atom (nuklida), 1100 nuklida

diantaranya merupakan inti tidak stabil.

Grafik berikut ini menunjukkan distribusi

kestabilan inti atom berdasarkan jumlah

neutron dan protonnya.Grafik kestabilan

inti memetakan jumlah netron dan

proton dari inti atom. Inti stabil terletak

pada garis N =Z atau N/Z = 1. Atom-

atom yang terletak pada garis ini

memiliki jumlah proton = jumlah netron.

Atom-atom yang berada pada garis ini

merupakan inti stabil. Namun demikian



kebanyakan inti atom tidak memiliki jumlah netron (N) = jumlah proton (Z) tetapi tetap

dalam keadaan stabil sehingga titik-titik yang menunjukkan inti stabil terlihat berada di

atas garis kestabilan.

Grafik kestabilan inti menunjukkan bahwa

umlah netron menjadi lebih besar dari

umlah proton begitu nomor atom Z

meningkat.

Bila jumlah proton dalam sebuah inti terus meningkat, maka pada suatu titik

keseimbangan gaya elektrostatis dan gaya inti tidak dapat dipertahankan lagi

sekalipun jumlah netron terus meningkat. Inti stabil dengan jumlah proton paling

banyak adalah (Z = 83, dan N = 126). Semua inti atom dengan Z > 83 akanakan berad

2. Hubungan massa – energi antara inti atom induk (parent nucleus), inti atom

anakan (daughter nucleus) serta partikel yang dipancarkan

KESETIMBANGAN RADIOAKTIF

1. Kesetimbangan Transien (Transient Equilibrium)

1 < 2 : umur rerata unsur induk daripada unsur anak luruh. 2 < 1 : setelah

waktu tertentu, unsur anak (daughter ) akan meluruh dengan laju peluruhannya

sendiri.

2. Kesetimbangan Sekuler/Permanen (Permanent or Secular Equilibrium)

Berdasarkan peluruhan berturutan :

maka persamaan di atas tereduksi menjadi :

Sebab : 2 - 1 2 , dan e-1

t 1

3. Kesetimbangan Secular

Persamaan kesetimbangan sekuler menjadi ;

Yang berarti jumlah N2 atau keberadaan inti anak konstan. Unsur anak luruh

disebut dalam keadaan “ kesetimbangan permanen/sekuler” dengan unsur

induk. Apabila umur paro unsur anak sangat lama, maka jumlahnya hampir

konstan, yaitu N10 = N1, sehingga :

Dalam keadaan kesetimbangan secular, maka berlaku : Artinya, karena 1 sangat

kecil, maka produk 1N1 0.Untuk peluruhan berturutan juga berlaku :

4. Cara Menentukan Half Life



- Umur paro pendek (Short Half-Lives): dalam orde menit, jam, hari, dan bulan) y ln

N, dan ln No = a (konstan)dy/dt = = slope garis lurus

- Umur paro sangat lama/panjang (Very Long Half-Lives) : dapat diaplikasikan

untuk umur paro sampai dengan 1010 tahun.

Secara eksperimen, jumlah peluruhan per unit waktu, dapat ditentukan sebagai

berikut:

Apabila dua buah isotop telah mencapai kesetimbangan secular, maka :

- Umur paro dari unsur campuran ( A Mixture of Activities) Dalam investigasi

peluruhan karakteristik beberapa radioisotop, dijumpai plot aktivitas versus

waktu pada kertas semi-logaritmik bukan berupa garis lurus.

Cara menentukan umur paro yang berbeda-beda :

- Plot hasil eksperimen laju pencacahan sebagai fungsi waktu pada kerta semi

logaritmik (bulatan tebal)

- Pada harga waktu yang besar (dekat ujung kurva), akan diperoleh garis lurus.

Tarik garis lurus melalui titik-titik tersebut dan perpanjangannya sampai t = 0.

Garis ini menyatakan peluruhan isotop yang half life-nya paling lama.

- Kurangkan hasil eksperimen dengan akivitas yang tertinggi, kemudian diplot dan

tarik garis lurus.

- Lakukan cara yang sama, untuk isotop yang terakhir.

DERET RADIOAKTIF

• Unsur radioaktif bisa berubah menjadi unsur radioaktif baru dan seterusnya

sampai dihasilkan unsur yang stabil, dan membentuk suatu deret radioaktif.

• Unsur-unsur dengan Z > 83 bersifat radioaktif yang digolongkan dalam 4 deret

yaitu:

• Uranium : 4n + 2

• Aktinium : 4n + 3

• Torium : 4n

• Neptunium : 4n + 1

Sebagai contoh inti induk uranium ( mengalami peluruhan berantai hingga

mencapai inti stabil . Selisih nomor massa inti induk A = 238 dan nomor massa



inti stabil A’ = 206 adalah 32, dan selisih nomor atomnya 10. Ini menunjukkan pola

radiasi sinar radioaktif yang dihasilkan adalah 4n + 2, dengan adalah bilangan bulat.

Dengan demikian akan diperoleh empat deret peluruhan yang paling mungkin mengikuti

aturan 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3. Dari Pola radiasi ini diketahui 4 buah deret radioaktif

yang terkenal, yaitu adanya deret radioaktif di alam memungkinkan lingkungan hidup

kita secara konstan dilengkapi unsur-unsur radioaktif yang seharusnya sudah musnah,

seperti yang memiliki waktu paruh 1600 tahun. Jika dibandinghkan dengan

umur bumi 5,0 x 109 tahun seharusnya sudah musnah. Tetapi karena adanya deret

Uranium dengan waktu paruh 4,47 x 109 tahun yang hampir sama dengan umur

bumi, dalam beberapa langkah peluruhan menghasilkan unsur maka sampai

saat ini masih ditemui di alam.

SATUAN RADIOAKTIF

Satuan internasional (SI) untuk pengukuran peluruhan radioaktif adalah

becquerel (Bq). Jika sebuah material radioaktif menghasilkan 1 buah kejadian peluruhan

tiap 1 detik, maka dikatakan material tersebut mempunyai aktivitas 1 Bq. Karenabiasanya sebuah sampel material radiaktif mengandung banyak atom,1 becquerel akan

tampak sebagai tingkat aktivitas yang rendah; satuan yang biasa digunakan adalah

dalam orde gigabecquerels.



PELURUHAN ALFA ( )

4



PELURUHAN ALFA

Peluruhan alfa dominan terjadi pada inti-inti tidak stabil yang relatif berat (nomor atom lebih

besar dari 80). Dalam peluruhan ini akan dipancarkan partikel alfa (α) yaitu suatu partikel

yang terdiri atas dua proton dan dua neutron, yang berarti mempunyai massa 4 sma dan

muatan 2 muatan elementer positif. Partikel α secara simbolik dinyatakan dengan simbol

2He4.

Radionuklida yang mengalami peluruhan akan kehilangan dua proton dan dua neutron

serta membentuk nuklida baru. Peristiwa peluruhan α ini dapat dituliskan secara simbolik

melalui reaksi inti sebagai berikut:

Contoh peluruhan partikel Alfa yang terjadi di alam adalah:

Sifat Radiasi Alfa

a. Daya ionisasi partikel alfa sangat besar, kurang lebih 100 kali daya ionisasi partikel β

dan 10.000 kali daya ionisasi sinar γ.

b. b. Jarak jangkauan (tembus)nya sangat pendek, hanya beberapa mm udara,

bergantung pada energinya.

c. Partikel α akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau medan listrik.

d. Kecepatan partikel α bervariasi antara 1/100 hingga 1/10 kecepatan cahaya.

A. Interaksi Zarah Alfa Dengan Materi

Interaksinya akan menimbulkan tiga efek yaitu:

1. Ionisasi : peristiwa tertariknya positron oleh elektron

2. Eksistasi :peristiwa terganggunya struktur atom materi

3. Absorbsi : peristiwa terserapnya zarah radiasi oleh materi



IONISASI

Ionisasi bisa terjadi pada saat radiasi berinteraksi dengan atom materi yang dilewatinya.

Radiasi yang dapat menyebabkan terjadinya ionisasi disebut radiasi pengion. Termasuk

dalam katagori radiasi pengion ini adalah partikel alpha, partikel beta, sinar gamma, sinar-X

dan neutron. Pada saat menembus materi, radiasi pengion dapat menumbuk elektron orbit

sehingga elektron terlepas dari atom. Akibatnya timbul pasangan ion positif dan ion negatif.

Menurut sifat kejadiannya, ionisasi dikelompokkan ke dalam ionisasi-langsung dan ionisasi-

tak-langsung. Ionisasi-langsung terjadi jika radiasi menyebabkan ionisasi pada saat itu juga

ketika berinteraksi dengan atom materi, dan proses ini bisa disebabkan oleh partikel

bermuatan listrik seperti alpha dan beta. Berbeda dengan yang terjadi pada interaksi part ikel

bermuatan, interaksi radiasi yang berupa gelombang elektromagnetik (sinar gamma atau

sinar-X) ataupun partikel yang tidak bermuatan listrik (neutron) tidak secara langsung

menimbulkan ionisasi. Partikel yang dihasilkan dalam interaksi yang pertama ini kemudian

menyebabkan terjadinya ionisasi. Proses seperti ini dikenal sebagai ionisasi-tak-langsung.

EKSISTASI

Apabila radiasi yang berinteraksi dengan atom tidak cukup energinya untuk menghasilkan

ionisasi langsung, maka dapat mengakibatkan suatu elektron orbit tertentu berpindah ke

tingkat energi yang lebih tinggi, atau ke keadaan tereksitasi. Energi eksitasi tersebut akan

dilepaskan kembali dalam bentuk radiasi elektromagnetis, pada saat elektron tersebut kembali

ke orbit dengan tingkat energi yang lebih rendah.



ABSORBSI

Radiasi pengion yang mengenai medium akan menyerahkan energinya kepada medium.

Dalam hal ini medium menyerap radiasi. Untuk mengetahui banyaknya radiasi yang terserap

oleh suatu medium digunakan satuan dosis radiasi terserap atau Radiation Absorbed Dose

yang disingkat Rad. Jadi dosis absorbsi merupakan ukuran banyaknya energi yang diberikan

oleh radiasi pengion kepada medium.

Dosis absorbsi sebesar 1 Rad sama dengan energi yang diberikan kepada medium sebesar

0,01 Joule/kg. Bila dikaitkan dengan radiasi paparan maka akan diperoleh hubungan antara

Rontgen (R) dan Rad sebagai berikut : Kalau 1 R = 0,00869 Joule/kg. udara, maka 1 R akan

memberikan dosis absorbsi sebesar 0,00869/0,01 Rad atau sama dengan 0,869 Rad. Jadi 1 R

= 0,869 Rad.

Bila medium yang dikenai radiasi adalah jaringan kulit manusia, harga 1 R = 0,0096

Joule/kg. jaringan, sehingga 1 R akan memberikan dosis absorbsi pada jaringan kulit sebesar

0,0096/0,01 Rad = 0,96. Jadi dosis serap untuk jaringan kulit dengan paparan radiasi sebesar

1 R = 0,96 Rad.

Kedua harga konversi dari Rontgen ke Rad tersebut diatas tidak begitu besar perbedaannya,

sehingga dalam beberapa hal dianggap sama. Untuk keperluan praktis dan agar lebih mudah

mengingatnya seringkali dianggap bahwa 1 R = 1 Rad.

Dalam satuan SI, satuan dosis radiasi serap disebut dengan Gray yang disingkat Gy. Dalam

hal ini 1 Gy sama dengan energi yang diberikan kepada medium sebesar 1 Joule/kg. Dengan

demikian maka : 1 Gy = 100 Rad. Sedangkan hubungan antara Rontgen dengan Gray adalah

: 1 R = 0,00869 Gy

Dibandingkan dengan radiasi yang lain, partikel α secara fisik maupun elektrik relatif besar. Selama melintas di dalam bahan penyerap, partikel α ini sangat mempengaruhi

elektron-elektron orbit dari atom-atom bahan penyerap karena, adanya gaya Coulomb.

Oleh karena itu, radiasi α sangat mudah diserap di dalam materi atau daya tembusnya

sangat pendek. Radiasi α yang mempunyai energi 3,5 MeV hanya dapat menembus 20 mm

udara atau hanya dapat menembus 0,03 mm jaringan tubuh.

lnteraksi radiasi α dengan materi yang dominan adalah proses ionisasi dan eksitasi. lnteraksi

lainnya dengan probabilitas jauh lebih kecil adalah reaksi inti, yaitu perubahan inti atom



materi yang dilaluinya menjadi inti atom yang lain, biasanya berubah menjadi inti atom

yang tidak stabil.

1. Proses Ionisasi

Ketika radiasi α (bermuatan positif) melalui materi maka terdapat beberapa elektron

(bermuatan negatif) yang akan terlepas dari orbitnya.

Energi radiasi setelah melakukan sebuah proses ionisasi (E0) akan lebih kecil dibandingkan

dengan energi mula-mula (Ei), berkurang sebesar energy yang dibutuhkan untuk

melangsungkan proses ionisasi. Setelah terjadi ionisasi maka atomnya akan bermuatan positif

dan disebut sebagai ion positif. Setelah melalui beberapa kali (beribu-ribu) proses ionisasi,

maka energi radiasinya akan habis.

2. Proses Eksitasi

Proses ini mirip dengan proses ionisasi, perbedaannya dalam proses eksitasi,

elektron tidak sampai lepas dari atomnya hanya berpindah ke lintasan yang lebih luar.

Proses eksitasi ini selalu diikuti oleh proses de-eksitasi yaitu proses transisi

elektron dari kulit yang lebih luar ke kulit yang lebih dalam dengan memancarkanradiasi sinar-X karakteristik.



B. Spectrum Zarah Alfa

Deret Balmer ditandai oleh elektron transisi dari n ≥ 3 ke n, dimana n = 2 mengacu pada

bilangan kuantum radial atau bilangan kuantum utama dari elektron. Transisi yang dinamai

secara berurutan oleh huruf Yunani: n = 3 ke n = 2 disebut H-α, 4-2 adalah H-β, 5-2 adalah

H-γ, dan 6-2 adalah H-δ. Sebagai garis spektrum pertama yang dikaitkan dengan seri ini

terletak di bagian terlihat dari spektrum elektromagnetik , garis-garis ini secara historis

disebut sebagai "H-alpha", "H-beta", "H-gamma" dan seterusnya, di mana H adalah elemen

hidrogen.

Transisi

dari n 3 → 2

4 →

2

5 →

2

6 →

27 → 2 8 → 2 9 → 2 →2

Nama H-α H-β H-γ H-δ H-ε H-ζ H-η

Panjang

gelombang

(nm) 2

656.3 486.1 434.1 410.2 397.0 388.9 383.5 364.6

warna merah cyan biru violet ultraviolet ultraviolet ultraviolet ultraviolet

Merah akrab H-alpha garis spektrum gas hidrogen, yang merupakan transisi dari n = 3 shell

ke shell Balmer seri n = 2, adalah salah satu warna mencolok alam semesta. Ini menyumbang

garis merah cerah untuk spektrum emisi nebula atau ionisasi, seperti Nebula Orion , yang

sering H II daerah ditemukan di daerah membentuk bintang.



C.

Tingkat-Tingkat Energi IntiStruktur kulit atom didapatkan dari suatu deret pendekatan yang berurutan. Pertama kita

asumsikan bahwa tingkat-tingkat energi untuk suatu inti bermuatan Ze telah terisi penuh oleh

elektron-elektron Z dan seolah-olah tidak terjadi interaksi satu dengan yang lain. Kemudian

dibuat koreksi untuk menghitung efek-efek interaksi yang terjadi. Efek utama, yang

menghasilkan pendekatan pertama terhadap tingkat-tingkat kulit, memunculkan suatu

keadaan bahwa secara rata-rata elektron bergerak independen di dalam medan Coulomb inti.

Jika pendekatan yang sama digunakan untuk mengembangkan gambaran kulit inti, potensial

yang berbeda harus digunakan untuk merepresentasikan gaya-gaya inti. Salah satu

pendekatannya adalah dengan megasumsikan bahwa nukleon-nukleon bergerak di dalam

suatu rata-rata potensial osilator harmonik.

Setelah dihitung dengan mekanika kuantum, maka tingkat-tingkat energinya diberikan oleh:



D. Teori Peluruhan Alfa

Peluruhan alfa merupakan salah satu peristiwa efek trobosan (tunneling

effect), seperti dibahas dalam mekanika kuantum.

Diasumsikan dua netron dan dua proton yang berada dalam inti membentuk

partikel alfa. Dua proton dan dua netron ini bergerak terus di dalam inti, yang kadang-

kadang bergabung dan terkadang berpisah. Di dalam inti partikel alfa terikat oleh



gaya inti yang sangat kuat. Tetapi jika partikel alfa inti bergerak lebih jauh dari jari-

jari inti ia akan segera merasakan tolakan gaya Coulomb.

Gambar 5.1 Potensial Inti dan Proses Efek Trobosan Oleh Partikel Alfa

Tinggi potensial halang dalam inti berat sekitar 30 MeV sampai 40 MeV,

sementara partikel alfa hanya memiliki energi sekitar 4 sampai 8 MeV. Jadi, secara

klasik partikel alfa tidak akan mengkin menerobos potensial Coulomb yang begitu

besar.

Namun, dalam mekanika kuantum, penerobosan seperti itu diijinkan. Terdapat

peluang partikel alfa untuk menerobos “dinding yang begitu tebal dan kuat”

Probabilitas persatuan waktu λ .bagi partikel alfa untuk muncul adalah

probabilitas menerobos potensial halang dikalikan banyaknya partikel alfa menumbuk

penghalang per det ik dalam usahanya untuk keluar. Jika partkel alfa bergerak dengan

laju ν di dalam sebuah inti berjari-jari R, maka selang waktu yang dibutuhkan untuk

menumbuk penghalang bolak-balik dalam inti sebesar 2R/v . Inti berat nilai R sekitar

6 fm, maka partikel alfa menumbuk dinding inti berat sebesar 1022 kali per detik.

Taksiran kasar probabiltas peluruhan alfa, berdasarkan mekanika kuantum

adalah

Dengan , VB merupakan tinggi maksimum

penghalang atau merupakan energi Coulomb partikel alfa pada permukaan inti atom,

yang besarnya . Jika



persamaan diatas dihitung, maka akan didapatkan nilai antara 105/s hingga 10

-21/s,

lumayan sama dengan hasil eksperimen.

Berdasarkan data eksperimen, usia paro peluruhan alfa ada ketergantungan

dengan energi artikel alfa. Semakin besar energi partikel alfa, waktu paro nya semakin

cepat dan sebaliknya.

Tabel 5.1 Hubungan Energi Kinatik Alfa Dengan Waktu Paro



PELURUHAN BETA ( β)

5BAHASAN



PELURUHAN BETA ()

PENDAHULUAN

Peluruhan beta terjadi pada inti tidak stabil yang relatif ringan. Dalam peluruhan ini

akan dipancarkan partikel beta yang mungkin bermuatan negatif (ß-) atau bermuatan positif (ß

+). Pada peluruhan beta, yang paling utama adalah sebuah netron meluruh menjadi sebuah

proton dan sebuah elektron :

Ketika proses peluruhan ini pertama kali dipelajari, partikel yang dipancarkan disebut

partikel beta, kemudian baru diketahui bahwa partikel itu adalah elektron. Elektron yang

dipancarkan pada peluruhan beta bukanlah elektron kulit atom dan juga bukan elektron yang

semula berada dalam inti. Tetapi elektron ini diciptakan oleh inti dari energi yang ada. Jika

ada beda energi diam sekurang-kurangnya me c2 maka penciptaan elektron sangat mungkin

terjadi. Partikel ß- identik dengan elektron sedangkan partikel ß+ identik dengan elektron

yang bermuatan positif (positron).

A. Sifat-sifat zarah beta

a. Daya ionisasinya di udara 1/100 kali dari partikel alfa.

Ionisasi spesifik (Is) partikel beta di udara bervariasi dari 60 sampai 7.000 pasangan

ion per cm. Ionisasi spesifik bernilai besar untuk partikel beta berenergi rendah, selanjutnya

berkurang secara cepat untuk energi yang makin besar, hingga mencapai minimum pada

energi sekitar 1 MeV. Ionisasi spesifik ini berlahan-lahan naik untuk energi lebih besar dari 1

MeV. Persamaan ionisasi spesifik ditulis:

b. Jarak jangkauannya lebih jauh daripada partikel alfa , di udara dapat beberapa cm.

Perumusan matematis yang menunjukkan hubungan antara jangkauan d dan energi t (MeV)

adalah sebagai berikut:

Contoh :

Berapakah jangkauan linier partikel beta (dalam cm) dengan energi maksimum 2,86 MeV yang

dipancarkan dari inti yang melewati aluminum56

25 Mn.

Jawab :



c. Kecepatan partikel ß berkisar antara 1/100 hingga 99/100 kecepatan cahaya.

d. Karena sangat ringan, maka partikel ß mudah sekali dihamburkan jika melewati medium.

e. Partikel ß akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau medan listrik.

B. Teori Peluruhan Beta

Dalam peluruhan sinar beta, terdapat 3 jenis proses dalam peluruhan sinar beta

tersebut, yakni, (i) Peluruhan inti akibat emisi elektron, disimbolkan sebagai β- , (ii)

Peluruhan inti akibat emisi positron, disimbolkan sebagai β+ , dan yang terakhir (iii)Penangkapan electron inti oleh inti yang disebut dengan penangkapan electron. Semua 3 jenis

proses yang termasuk dalam proses peluruhan beta sering disebut dengan perubahan isobar

karena semua proses tersebut tidak membuat perubahan dalam nomor massa A, yakni

perubahan nomor massa sama dengan nol. Tetapi selalu terjadi peristiwa yang mengakibatkan

perubahan dalam muatan inti. Karena sebuah inti selalu terdiri dari neutron dan proton, makakonservasi perubahan listrik yang dibutuhkan dapat diambil dari proses emisi β- , sebuah

neutron yang ada pada inti dikonversikan menjadi sebuah proton. Ketika inti radioaktif

mengalami peluruhan beta, maka anak inti memiliki jumlah yang sama dengan nukleon

seperti inti sebelumnya.

Pada diagram N-Z, peluruhan ß-terjadi bila nuklida tidak stabil berada di atas kurva

kestabilan sedangkan peluruhan ß+ terjadi bila nuklidanya berada di bawah kurva kestabilan.

(1). Peluruhan ß-

Dalam proses peluruhan ß - terjadi perubahan neutron menjadi proton di dalam inti

atom sehingga proses peluruhan ini dapat dituliskan sebagai berikut:

n p + e- Q = + 0,78 Mev



tγ

oe N N tγ

oe A A

(2). Peluruhan ß+

Dalam proses peluruhan ß + terjadi perubahan proton menjadi neutron di dalam inti

atom sehingga proses peluruhan ini dapat dituliskan sebagai berikut :

n p + e+

Q = - 1,80 Mev

(3). Tangkapan elektron ( Electron Capture)

Salah satu proses peluruhan inti adalah tangkapan elektron (Electron capture, EC). Proses

reaksinya adalah p Di sini sebuah proton menagkap elektron dari orbitnya beralih menjadi

sebuah netron ditambah sebuah neutrino. Elektron yang ditangkap ini adalah elektron

terdalam sebuah atom, dan proses ini dicirikan dengan kulit asal elektronnya: tangkapan kulit

K, kulit L, dan seterusnya. Tangkapan elektron ini tidak terjadi pada proton bebas, tetapi

hanya proton yang ada di dalam inti.

Persamaan peluruhan ini dapat di tuliskan sebagai berikut : p + e

- n Q EC = - 0,78 Mev

Selanjutnya ada beberapa point yang perlu diketahui dalam peristiwa peluruhan Beta

yaitu :

(1) Peluruhan dari keadaan tereksitasi adalah mengikuti hukum eksponensial :

atau

No : Ao ; adalah banyaknya inti yang belum meluruh ; besar aktivitas radiasi

mula-mula yaitu pada t = 0 s Nt ; At adalah sisa inti setelah meluruh ; besar aktivitas radiasi setelah

peluruhan selama t = t s

γ : adalah konstanta peluruhan (s-1)

t ; adalah lamanya peristiwa peluruhan

(2) Konstanta peluruhan melibatkan perhitungan dari sebuah momen dipol listrik , muatan

bergerak dalam atom dapat menghasilkan radiasi elektromagnetik.

(3) Konstanta peluruhan tergantung pada energi yang tersedia untuk proses radiasi

(4) Transisi dapat diklasifikasikan menurut tingkat energi terlarang . konstanta peluruhan

lebih kecil dari orde ( r/ λ)2.

(5) Pada aturan seleksi menentukan "tingkat terlarang " suatu radiasi melibatkan momentum

sudut dan paritas menyatakan ciri khas keadaan akhir dari sistem.

Perlu diketahui massa proton dan neutron berbeda , perkiraan Bethe tentang waktu hidup

dari neutron bebas adalah sekitar 15 menit .



C. Neutrino

Dari eksperimen yang telah dilakukan berkaitan dengan peluruhan beta ini, yaitu:

1. Spin intrinsik proton , netron dan elektron masing-masing bernilai ½. Jika terjadi

peluruhan netron (spin ½), gabungan spin proton dan elektron hasil peluruhan bisa

sejajar (spin total = 1) atau berlawanan (spin total 0), dan tidak ada kemungkinan

spin totalnya ½. Oleh karena itu, proses peluruhan ini tampaknya melanggar hukum

kekekalan momentum sudut dan energi .

2. Persoalan energi beta. Dari pengukuran elektron yang dipancarkan didapatkan

bahwa spektrum energinya kontinyu dari 0 hingga nilai maksimum K e(max) .

Menurut perhitungan dalam peluruhan netron, nilai . Q = ( mn-m p-me) c2 = 0,782

Mev . Persoalan distribusi energi

yang kontinyu ini (karena adanya beberapa energi yang hilang), dicoba dipecahkan

oleh para fisikawan eksperimen sebelum tahun 1930, tapi semuanya tidak berhasil.

Gambar : Grafik Distribusi Energi Partikel Beta

Pemecahan terhadap fenomena yang tampak melanggar hukum kekekalan

momentum sudut dan energi ini ditemukan oleh Wolfgang Pauli. Ia mengusulkan bahwa ada

partikel ketiga yang dipancarkan pada peluruhan beta ini. Partikel ketiga ini bermuatan

elektrik nol dan memiliki spin ½. Hilangnya energi ini tidak lain adalah energi yang diambil

partikel ini. Partikel ini tidak tidak bermassa, tidak terlihat dan bergerak dengan kecepatan

cahaya. Empat tahun kemudian, Enrico Fermi menamakan partikel ini, neutrino ( artinya

“little neutral one”). Tahun 1956 Reines dan Cowan menemukan neutrino dalam eksperimen

di dalam reaktor nuklir (Reines meraih hadiah nobel fisika tahun 1995). Neutrino



dilambangkan ν . Neutrino ini juga memiliki anti partikel yang dinamakan antineutrino (ν).

Dengan demikian proses peluruhan beta secara lengkap adalah:

(1) Peluruhan Beta Negatif (ß-)

Apabila terjadi pada suatu inti atom dengan Z proton dan N neuton mengalami peluruhan beta negatif maka reaksinya adalah :

Contoh :

(2) peluruhan Beta Positif / Positron (ß+ )

Apabila terjadi pada suatu inti atom dengan Z proton dan N neuton mengalami peluruhan

beta negatif maka reaksinya adalah :

Contoh :

(3) tangkapan tangkapan elektron ( EC) :

Persamaan reaksinya :

Contohnya :

K40

19 + e- Ar

40

18 + ν



D. SPEKTRUM ZARAH BETA ( )

Spektrum energi zarah ß (elektron dan positron) bersifat kontinu, seperti ditampilkan

pada Gambar 1, yang berarti bahwa besarnya energi mempunyai rentang dari harga terkecil

tertentu sampai harga terbesar tertentu. Hal ini pertama kali ditemukan oleh Chadwick pada

tahun 1914.

Pada tahun 1927, C.D. Ellis dan W.A. Wooster memasukkan RaE (Bi-210) ke dalam

pengukur panas, dan mengukur energi semua radiasi yang mengandung partikel ß yang

dipancarkan. Hasilnya menunjukkan bahwa besarnya energi 1 inti atom RaE yang

dipancarkan rata-rata sebesar 350 ± 40 keV. Besarnya energi ini lebih kecil dari nilai

maksimum spektrum energi partikel ß yang dipancarkan oleh RaE, yaitu sebesar 1050

keV, tetapi hampir sama dengan nilai rata-rata spektrum

yaitu 390 ± 40 keV. Dengan kenyataan ini, dapat disimpulkan bahwa partikel ß

yang dipancarkan mempunyai spektrum energi yang kontinu.

Gambar-1

Energi radiasi ß (Q ) adalah energi gerak dari elektron dan neutrino.

Q = Ee + E ν (1)

Ee dan Eν dari masing-masing partikel ß tidak selalu sama, dan seperti

ditampilkan pada Gambar 1, Ee akan mencapai maksimum pada waktu Eν = 0.

Peluruhan beta terjadi pada sebuah inti atom. Pada saat pemancaran e- , sebuah inti

atom dengan Z proton dan N netron meluruh ke inti atom lain dengan Z + 1 proton

dan N – 1 netron.

Nilai Q dari peluruhan ini, dihitung dengan mengurangi massa-massa elektron (Zme )



Massa elektron saling menghapuskan dalam perhitungan Q. Energi yang dilepas

dalam peluruhan ini sebagai energi kinetik antineutrino, energi kinetik elektrondan sejumlah kecil energi kinetik inti. Elektron memiliki energi kinetik

maksimum jika energi antineutrino hampir nol.

Sedangkan dalam pemancaran,proton inti berubah menjadi netron. Reaksinya e+

dapat digambarkan

Nilai Q pada proses ini

Sedang untuk tangkapan elektron, reaksinya

Dan nilai Q-nya

Contoh :

Berapakah energi maksimum elektron yang teremisi dari peluruhan e - di dalam H

Jawab :

Reaksi peluruhan :

Energi kinetik inti He bisa diabaikan karena terlalu kecil sehingga Ee terjadi pada saat

E ν = 0, maka K e = 0,0186 MeV .



PELURUHAN GAMMA ( γ)

6

BAHASAN



PELURUHAN GAMMA

Menyusul peluruhan alfa dan beta, inti akhir dapat berada pada suatu keadaan eksitasi.

Seperti halnya atom, inti akhir itu akan mencapai keadaan dasar setelah memancarkan satuatau lebih foton, yang dikenal dengan sinar gamma inti . Energi tiap foton adalah beda antara

energi antara keadaan asal dan akhir inti, dikurangi pula dengan sejumlah koreksi kecil bagi

energi pental inti. Energi-energi ini khasnya berada dalam rentang 100 keV hingga beberapa

MeV. Inti dapat pula dieksitasikan dari keadaan dasar ke duatu keadaan eksitasi dengan

menyerap foton dengan energi yang tepat, dalam proses serupa dengan penyerapan resonans

oleh keadaan-keadaan atom.

Gambar di atas memperlihatkan suatu diagram tingkat energi yang khas dari keadaan

eksitasi inti dan beberapa transisi sinar gamma yang dapat dipancarkan. Usia-paruh khas bagi

tingkat eksitasi inti adalah 10-9 hingga 10-12s, dengan umur yang relative pendik terhadap

peluruhan gamma. Adakalanya perhitungan terinci menghasilkan nilai usia paruh yang sangat

lama, beberapa jam atau bahkan hari. Keadaan inti yang bersifat seperti ini dikenal dengan

keadaan isomeric atau isomer.

Kajian pemancaran sinar gamma inti merupakan alat penting bagi para fisikawan inti.

Energi sinar gamma dapat diukur dengan ketelitian yang tinggi, yang memberikan suatu cara

ampuh bagi kita untuk menyimpulkan energi berbagai keadaan eksitasi inti.

Dalam menghitung energi partikel alfa dan beta yang dipancarkan pada peluruhan

radioaktif, kita telah menganggap bahwa sinar gamma dipancarkan. Jika ada sinar gamma

yang dipancarkan, maka energi yang tersecia (nilai Q) harus dibagi bersama antara partikel

dan sinar gamma.

-

-

1

2 3

1,088 MeV

0

0,412 MeV



A. INTERAKSI SINAR GAMMA DENGAN MATERI

Tiga cara utama sinar-x dan sinar gamma dapat kehilangan energinya ketika melewati

materi, yaitu :

1. Efek fotolistrik. Foton datang mentransfer seluruh energinya pada electron atomic

material penyerap

2. Hamburan Compton. Foton datang memberikan sebagian energinya pada electron atomik;

foton baru yang muncul memiliki frekuensi lebih rendah.

3. Produksi pasangan. Foton datang yang berenergi sekurang-kurangnya 1,02 MeV (karena

m0c2 untuk electron ialah 0,51 MeV) dapat melakukan materialisasi menjadi pasangan

electron-positron ketika melewati dekat inti; kehadiran inti diperlukan supaya kekelan

momentum dipenuhi.

Dalam semua kasus itu energi foton ditransfer pada electron yang diikuti dengan

kehilangan energi terutama disebabkan oleh proses eksitasi atau ionisasi atom dalam

penyerap. Pada energi foton yang rendah efek fotolistrik merupakan mekanisme utama dari

kehilangan energy. Pentingnya efek fotolistrik berkurang dan bertambahnya energy, diganti

oleh hamburan Compton. Lebih beras nomor atomic penyerapna, lebih tinggi pula energy

ketika efek fotolistrik memegang peranan penting. Dalam unsur ringan, hamburan Compton

berperan utama pada energy foton beberapa puluh keV, sedangkan pada unsur berat peranan

utamanya baru terlihat pada energy hampir 1 MeV.

Produksi pasangan peluangnya lebih meningkatt lebih besar energinya dari energy

ambang 1,02 MeV. Lebih besar nomor atomic penyerapnya, lebih rendah energi ketika

produksi pasangan mengambil alih mekanisme utama dari kehilangan energi oleh sinar

gamma. Dalam unsur terberat energy persilangan ini ialah sekitar 4 MeV. Jadi sinar gamma



dalam daerah energy yang bisa terjadi dalam peluruhan radioaktif berinteraksi dengan materi

terutama melalui hamburan Compton.

B. EFEK FOTOLISTRIK

Dalam eksperimennya, Hertz memperhatikan bahwa latu pada celah transmitter terjdi

bila cahaya ultra-ungu diarahkan pada salah satu bola logamnya. Ia tidak melanjutkan

percobaan tersebut, tetapi ahli fisika lainnya meneruskan eksperimen tersebut. Mereka

menemukan bahwa penyebabnya adalah electron yang terpancar bila frekuensi cahaya cukup

tinggi. Gejala ini dikenal dengan efek fotolistrik. Ini merupakan salah satu ironi sejarah

bahwa kerja yang sama untuk menampilkan cahaya itu terdiri dari gelombang

elektromagnetik, juga dijelaskan bahwa petunjuk sebelumnya bukanlah merupakan cerita

keseluruhan.

Gambar di atas memberikan ilustrasi jenis alat yang dipakai dalam eksperimen serupa

itu. Tabung yang divakumkan berisi dua electrode yang dihubungkan dengan rangkaian

eksternal, dengan dua keeping logam yang permukaannya mengalami iradasi yang dipakai

sebagai anode. Sebagian daeri fotoelektron yang muncul dari permukaan mengalami radiasi

mempunyai energy yang cukup untuk mencapai katode walaupun muatannya negative, dan

electron srupa itu membentuk arus yang dapat diukur oleh ammeter dalam rangkaian itu.

Ketika potensial perintang V ditambah, lebih sedikit electron yang mencapai katode dan

arusnya menurun. Akhirnya, ketika V sama dengan atau melebihi suatu harga Vo yang

besarnya dalam orde beberapa volt, tidak ada electron yang mencapai katode dan arusnya

terhenti.



Terdapatnya efek fotolistrik tidak mengherankan, kita ingat bahwa gelombang cahaya

membawa energy, dan sebagian energy yang diserap oleh logam dapat terkonsentrasi pada

electron tertentu dan muncul kembali sebagai energy kinetik. Jika kita memaksa data yang

ada lebih teliti, kita akan mendapatkan bahwa efek fotolistrik tidak dapat ditafsirkan

sedemikian sederhana.

Salah satu sifat khususnya menimbulkan pertanyaan pengamat ialah distribusi energy

electron yang dipancarkan (yang disebut fotoelektron), ternyata tak bergantung dari intensitas

cahaya. Berkas cahaya yang menghasilkan fotoelektron lebih banyak daripada berkas yang

lemah berfrekuensi sama, tetapi electron rata-rata sama saja. Dan juga dalam batas ketelitian

eksperimen (10-9s) tidak terdapat kelambatan waktu antara datangnya cahaya pada

permukaan logam dan terpancarnya electron. Pengamatan serupa itu t idak dapat dimengerti

dengan memaknai teori elektromagnetik cahaya.

Menurut teori gelombang cahaya, sebuah atom akan menyerap energy dari gelombang

electromagnet datang yang sebanding dengan luasnya yang menghadap ke gelombang

datang. Dan sebagai tanggapan terhadap medan elektrik gelombang, electron atom akan

bergetar, hingga tercapai cukup energy untuk melepaskan sebuah electron dari ikatan dengan

atomnya. Penambahan kecemerlangan sumber cahaya memperbesar laju penyerapan energy,

karena medan elektriknya bertambah, sehingga laju pemancaran electron juga akan

bertambah, yang sesuai dengan hasil pengamatan percobaan. Tetapi, penyerapan ini terjadi

pada semua panjang gelombang, sehingga keberadaan panjang gelombang pancung sama

sekali bertentang dengan gambaran gelombang cahaya. Panjang gelombang yang lebih besar

daripada c pun, teori gelombang mengatakan bahw seharusnya masing mungkin bagi suatu

gelombang electromagnet memberikan energy yang cukup guna melepaskan electron.

Cahaya yang jatuh di permukaan zat natrium, pada gambar di atas memiliki dengan

arus fotolistrik terdeteksi jika energy elektromagnetik 10-6 W/m2, terserap oleh permukaan.

Sekitar 1019 atom terdapat pada lapisan natrium setebal 1 atom yang luasnya 1 m2, sehingga

jika kita anggap cahya datang diserap pada lapisan teratas daeri atom-atom natrium, masing-

masing atom akan menerima energy rata-rata dengan kelajuan 10-25 W. Pada laju ini 1,6 x 106

s – sekitar dua minggu diperlukan oleh sebuah atom untuk mengumpulkan energy sekitar 1

eV energy yang biasa dimiliki fotoelektron, dan jika kita memasukkan beberapa elektronvolt

yang diperlukan untuk menarik elekstron ke luar dari permukaan natrium, waktu yang

diperlukan menjadi sekitar 2 bulan. Dalam waktu maksimum yang diperbolehkan 10 -9 s, teori



elektromagnetik menyatakan bahwa atom natrium rata-rata hanya mengumpulkan 10-15

eV

untuk diberikan pada satu elektronnya.

Sama anehnya bila dipandang dari teori gelombang ialah fakta bahwa energy

fotoelektron bergantung pada frekuensi cahaya yang dipakai, sebagaimana yang dapat dilihat

pada gambar di bawah ini.

Pada frekuensi di bawah frekuensi kritis yang merupakan karakteristik dari logam,

tidak terdapat electron apapun yang dipancarkan. Di atas frekuensi ambang ini fotoelektron

mempunyai selang energy dari 0 sampai suatu harga maksimum tertentu, dengan harga

maksimum ini bertambah secara linear terhadap frekuensi. Frekuensi yang lebih tinggi

menghasilkan energy fotoelektron maksimum yang lebih tinggi pula. Jadi cahaya biru yang

lemah menimbulkan electron dengan energy lebih tinggi daripada yang ditimbulkan oleh

cahaya merah yang kuat, walaupun cahaya merah menghasilkan jumlah yang lebih besar.

Gambar di bawah ini merupakan plot energy fotoelektron maksimum K maks terhadap

frekuensi dari cahaya yang datang untuk beberapa eksperimen. Jelaslah bahwa hubungan

antara K maks dan frekuensi mengandung tetapan pembanding yang dapat dinyatakan dalam

bentuk

K maks = h ( - 0) = h - h0……………….. (1)



Disini 0 menyatakan frekuensi ambang, di bawah frekuensi tersebut tidak terdapat

pancaran foto dan h menyatakan tetapan. Penting untuk diperhatikan harga h adalah 6,626 x

1034

Js selalu sama, walaupun 0 berubah untuk logam yang berlainan.

Menurut Einstein, tiga suku dalam persamaan (1) dapat ditafsirkan sebagai berikut

K maks = energy fotoelektron maksimum

h = isi energy dari masing-masing kuantum cahaya datang

h0 = energy minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah electron dari

permukaan logam yang disinari

Harus ada energy minimum yang diperlukan oleh electron untuk melepaskan diri dari

permukaan logam, jika tidak demikian, tentu electron akan terlepas walaupun tidak ada

cahaya yang datang (gambar 3). Energy h0 merupakan karakteristik dari permukaan itu yang

disebut fungsi kerja. Jadi persamaan (1) menyatakan bahwa

Energy kuantum = energy electron maksimum + fungsi kerja permukaan

Ada beberapa alsan yang memungkinkan mengapa tidak semua fotoelektron

mempunyai energy yang sama sekalipun frekuensi cayaha yang digunakan. Misalnya, tidak

semua energy foton h bisa diberikan pada sebuah electron, dan suatu electron mungkin akan

hilang dari energy awalnya dalam interaksinya dengan electron lainnya di dalam logam

sebelum ia lenyap dari permukaan.

Gambar 3



C. HAMBURAN COMPTON

Menurut teori kuantum cahaya, foton berlaku sebagai partikel, hanya foton tidak

mempunyai massa diam. Jika hal ini benar maka harus bisa dianalisis tumbukan antara foton

dengan electron, misalnya, dengan cara yang sama seperti tumbukan bola billiard dianalisis

dalam mekanika pendahuluan.

Gambar 4 menunjukkan bagaimana tumbukan serupa itu digambarkan, dengan foton

sinar-x menumbuk electron (yang mula-mula dalam keadaan dian terhadap sistem koordinat

laboratorium) dan kemudian mengalami hamburan dari arahnya semula sedangkan

electronnya menerima impuls dan mulai bergerak.

Gambar 4Dalam tumbukan ini foton dapat dipandang sebagai partikel yang kehilangan seumlah

energy yang besarnya sama dengan energy kinetic K yang diterima oleh electron, walaupun

sebenarnya kita mengamati dua foton yang berbeda. Jika foton semula mempunyai frekuensi

, maka foton hambur mempunyai frekuensi yang lebih rendah ’, sehingga

Kehilangan energy foton = energy yang diterima electron

h - h’ = K ……… (2)

Momentum partikel tak bermassa berkaitan dengan energy menurut rumus E = pc.

Karena energy foton ialah hv, momentumnya adalah

…………………. (3)

Momentum, tidak seperti energy, merupakan kuantitas vector yang mempunyai arah

dan besaran, dan dalam tumbukan momentum harus kekal dalam masing-masing sumbu dari

kedua sumbu yang saling tegak lurus. (Bila lebih dari dua benda yang bertumbukan, tentu

saja momentum harus kekal pada masing-masing sumbu dari ketiga sumbu yang saling tegak

lurus). Arah yang dipilih di sini ialah arah foton semula dan satu lagi tegak lurus pada bidangyang mengandung electron dan foton hambur.



Momentum foton semula ialah hv/c, momentum foton hambur ialah hv’/c, dan

momentum electron awal sector akhir ialah, berurutan 0 dan p. Dalam arah foton semula

Momentum awal = momentum akhir

= …………………. (4)

Dan tegak lurus pada arah ini

Momentum awal = momentum akhir

0 = ……………………(5)

Sudut menyatakan sudut antara arah mula-mula dan arah foton hambur, dan ialah

sudut antara arah foton mula dan arah electron yang tertumbuk. Dari persamaan (2), (4), dan

(5) kita mendapatkan rumus yang menghubungkan beda panjang gelombang antara foton

mula dan foton hambur dengan sudut antara arah masing-masing, kedua besaran itu

merupakan kuantitas yang dapat diukur.

Langkah awalnya ialah mengalikan persamaan (4) dan (5) dengan c dan

menuliskannya kembali sebagai berikut.

pc cos = hv – hv’ cos

pc sin = hv’ sin

Dengan mengkuadratkan masing-masing persamaan ini dan menambahkannya, sudut

dapat dieliminasi, tinggi

p2c2 = (hv)2 (hv’) cos +(hv’)2………………………. (6)

kemudian kita samakan kedua rumus untuk energy total partikel

E = K + m0c2

E =

=

= K + 2m0c2 K

Karena K = hv – hv’, maka

p2c2 = (hv)2 – 2 (hv)(hv’) + (hv’)2 + 2m0c2 (hv-hv’) …………………………… (7)

substitusikan harga untuk p2c

2ini dalam persamaan (6), akhirnya kita mendapatkan :

2m0c2 (hv-hv’) = 2 (hv) (hv’) (1 – cos )…………………………………………(8)

Hubungan ini akan lebih sederhana jika dinyatakan dalam panjang gelombang sebagai

pengganti frekuensi. Bagi persamaan (8) dengan 2h2c

2 ,



dan karena v/c = 1/ dan v/c’ = 1/ ’ ,

…………………… (9)

Persamaan (9) merupakan persamaan yang diturunkan oleh Arthur H. Compton pada awal

tahun 1920, dan gejala yang diperikannya yang pertama kali diamatinya, dikenal sebagai efek

Compton. Gejala ini menunjukkan bukti kuat yang mendukung teori kuantum radiasi.

Persamaan (9) memberikn perubahan panjang gelombang yang diharapkan terjadi

untuk foton yang terhambur dengan sudut oleh partikel yang bermassa diam m0; dan

perbedaan ini tidak bergantung dari panjang gelombang foton datang . Kuantitas

………………. (10)

disebut panjang gelombang Compton dari partikel penghambur; Untuk electron besarnya

c = 2,426 x 10-12

m, dengan 2,246 pm (1 pm = 1 picometer = 10-12

m). Dalam c persamaan

(9) menjadi

…………… (11)

Dari persamaan (11) dapat dilihat bahwa perubahan panjang gelombang terbesar yang dapat

terjadi ialah pada = 180o, ketika itu perubahan panjang gelombang menjadi dua kali

panjang gelombang Compton c. Karena panjang gelombang Compton untuk electron ialah

c = 2,426 pm, dan lebih kecil lagi untuk partikel lain karena massanya lebih besar, maka

perubahan panjang gelombang maksimum dalam efek Compton adalah 4,852 pm. Perubahan

sebesar itu atau lebih kecil lagi hanya bisa teramati untuk sinar-x karena pergeseran panjang

gelombang cahaya tampak kurang dari 0,01 persen dari panjang gelombang awal sedangkan

untuk sinar-x dengan = 0,1 nm, bearan itu menjadi beberapa persen.

Demonstrasi eksperimental efek Compton dapat dilakukan secara langsung. Pada

gambar 5 di bawah ini, seberkas sinar-x dengan panjang gelombang tunggal yang diketahui

diarahkan pada target (sasaran), dan panjang gelombang sinar-x hambur juga ditentukn untuk

berbagai sudut .



Gambar 5

Hasilnya ditunjukkan pada gambar 6; hasil ini menunjukkan pergeseran gelombang seperti

yang diramalkan pada persamaan (9), tetapi pada masing-masing sudut sinar-x hambur

termasuk juga sinar-x dengan panjang gelombang awal. Hal ini tidak terlalu sukar untuk

dimengerti. Dalam penurunan persamaan (9) dianggap bahwa partikel hambur dapat bergerak

bebas, suatu anggapan yang nalar, karena banyak electron dalam materi terikat lemah pada

atom induknya.

Gambar 6

Namun, ada electron lainnya yang terikat kuat dan jika electron ini ditumbuk oleh sebuah

foton, seluruh atom bergerak, bukan hanya electron tunggalnya. Dalam kejadian ini seperti

besar m0 yang dipakai dalam persamaan (9) ialah massa seluruh atom yang besarnya

beberapa puluh kali besar dari massa elekron, sehingga hasil pergeseran Comptonnya

sedemikian kecil sehingga tidak terdeteksi.



PRODUKSI PASANGAN

Foton dapat menyerahkan seluruh atau sebagian energy h pada sebuah electron.

Mungkin juga terjadi foton menjelma menjadi sebuah electron dan positron (electron positif),

suatu proses perubahan energy elektromagnetik menjadi energy diam. Pada peristiwa iniseluruh energy foton hilang dan terdapat dua partikel yang massanya sama dengan electron

dengan massa electron, tetapi memiliki muatan positif. Proses ini merupakan contoh

penciptaan energy massa. Elektronnya tidak ada sebelum foton menumbuk atom.

Di sini tidak ada hukum kekekalan yang dilanggar bila pasangan electron positron

tercipta dekat inti atomic.

Gambar 7

Jumlah muatan electron (q = -e) dan positron (q = +e) adalah nol, seperti juga

muatan, energy total, termasuk energy massa dari electron dan positron sama dengan energyfoton; dan momentum linear kekal dengan pertolongan inti yang mengambil cukup banyak

momentum foton supaya proses itu terjadi, tetap karena massa relative sangat besar, inti

hanya menyerap bagian energy foton yang dapat diabaikan. (Energi dan momentum linear

tidak dapat keduanya kekal jika produksi pasangan terjadi dalam ruang hampa, sehingga

proses ini tidak terjadi disini.

Energy diam moc2

dari electron atau positron ialah 0,51 MeV; jadi produksi pasangan

memerlukan energy foton sekurang-kurangnya 1,02 MeV. Setiap tambahan energy fotonakan menjadi energy kinetic electron dan positron. Panjang gelombang foton maksimum

bersesuaian dengan itu ialah 1,2 pm. Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang

sebesar itu disebut sinar gamma dan didapatkan di alam sebagai pancaran dari inti radioaktif

dan dalam sinar kosmik.

Kebalikan produksi pasangan terjadi bila positron berdekatan dengan electron dan

keduanya saling mendekati di bawah pengaruh gaya tarik-menarik dari muatan yang

berlawanan. Kedua partikel tersebut musnah pada saat yang sama dan massa yang musnah

tersebut terjadi energy foton dan sinar gamma tercipta :



e+ + e- +

Massa total positron dan electron setara dengan 1,02 MeV, dn foton berenergi h = 0,51 MeV

ditambah dengan setengah kali energy partikel relative terhadap pusat massanya. Arah

penjalaran foton adalah sedemikian sehingga kekekalan energy dan momentum linear terpenuhi, dan tak ada inti atau partikel lain diperlukan supaya peristiwa tersebut terjadi.

D. PENGUKURAN ENERGI GAMMA

Spektrometer Gamma-A Ray, atau (GRS), adalah alat untuk mengukur distribusi (atau

spektrum -lihat gambar ) dari intensitas radiasi gamma versus energi setiap foton . Sinar

Gamma merupakan radiasi elektromagnetik di pendek panjang gelombang , atau tinggi-

frekuensi , akhir elektromagnetik (EM) spektrum, yang berkisar dari sinar gamma (pendek)

radio (panjang). Studi dan analisis spektrum sinar gamma untuk penggunaan ilmiah dan

teknis disebut spektroskopi gamma, dan sinar gamma spektrometer adalah instrumen yang

mengamati dan mengumpulkan data tersebut. Karena energi dari masing-masing foton radiasi

EM sebanding dengan frekuensinya, sinar gamma memiliki energi yang cukup bahwa mereka

biasanya diamati dengan menghitung foton individu.

Atom inti memiliki struktur tingkat energi agak analog tingkat energi atom, sehingga

mereka dapat memancarkan (atau menyerap) foton energi tertentu, seperti halnya atom

lakukan, tapi pada energi yang ribuan sampai jutaan kali lebih tinggi daripada yang biasanya

dipelajari dalam spektroskopi optik. (Perhatikan bahwa panjang gelombang pendek energi

tinggi akhir, dari rentang energi spektroskopi atom (beberapa eV untuk beberapa ratus keV ),

umumnya disebut sinar X , tumpang tindih dengan ujung agak rendah kisaran sinar gamma

nuklir (~ 10 MeV untuk ~ 10 keV) sehingga terminologi yang digunakan untuk membedakan

sinar X dari sinar gamma dapat sewenang-wenang atau ambigu di wilayah tumpang tindih)

Seperti dengan atom., tingkat energi tertentu dari inti merupakan karakteristik dari setiap

spesies, sehingga foton energi dari sinar gamma yang dipancarkan, yang sesuai dengan

perbedaan energi inti, dapat digunakan untuk mengidentifikasi elemen tertentu dan isotop.

Membedakan antara gamma-sinar energi yang sedikit berbeda adalah suatu pertimbangan

penting dalam analisis spektra kompleks, dan kemampuan dari GRS untuk melakukannya

adalah dicirikan oleh instrumen resolusi spektral , atau keakuratan yang energi dari foton

masing-masing diukur. Semi-konduktor detektor, berdasarkan didinginkan germanium atau

silikon unsur mendeteksi, telah tak ternilai untuk aplikasi tersebut. Karena tingkat energi

spektrum inti biasanya mati di atas sekitar 10 MeV, sinar gamma instrumen mencari untuk



energi masih lebih tinggi umumnya hanya mengamati spektrum kontinum, sehingga resolusi

spektral moderat sintilasi (sering natrium iodida (NaI) atau iodida cesium, ( CSI)

spektrometer), sering cukup untuk aplikasi tersebut.

Sejumlah investigasi telah dilakukan untuk mengamati spektrum sinar gamma dari

Sun dan lain sumber astronomi , baik galaksi dan ekstra-galaksi. Para X-ray/Low-Energy

percobaan Gamma-ray Drive (A-4) pada HEAO 1 , Burst dan Percobaan Spektrometri

Transient (BATSE) dan OSSI (scintillation Percobaan Spektrometer Berorientasi) pada

CGRO , C1 germanium (Ge) gamma -ray instrumen di HEAO 3 , dan Ge spektrometer sinar

gamma (SPI) pada ESA INTEGRAL misi adalah contoh dari spektrometer kosmis, sementara

GRS pada SMM dan pencitraan Ge spektrometer pada satelit RHESSI telah dibuka untuk

pengamatan matahari.

Spektrometer sinar gamma telah banyak digunakan untuk analisis unsur dan isotop

tubuh pengap di Tata Surya , terutama Bulan dan Mars . Permukaan ini dikenakan pemboman

terus-menerus energi tinggi sinar kosmik, yang membangkitkan inti di dalamnya untuk

memancarkan sinar gamma karakteristik yang dapat dideteksi dari orbit. Jadi instrumen yang

mengorbit dapat pada prinsipnya peta distribusi permukaan elemen untuk seluruh planet.

Contohnya meliputi pemetaan 20 elemen diamati dalam eksplorasi Mars, asteroid Eros dan

Bulan . [1] Mereka biasanya berhubungan dengan detektor neutron yang dapat mencari air

dan es di tanah dengan mengukur neutron . Mereka mampu mengukur kelimpahan dan

distribusi dari sekitar 20 elemen utama dari tabel periodik, termasuk silikon , oksigen , besi ,

magnesium , potasium , aluminium , kalsium , belerang, dan karbon. Mengetahui apa elemen

berada pada atau dekat permukaan akan memberikan informasi rinci tentang bagaimana

tubuh planet telah berubah dari waktu ke waktu. Untuk menentukan susunan unsur dari

permukaan Mars, Mars percobaan menggunakan sinar gamma spektrometer dan dua detektor

neutron.

GRS data suplai instrumen pada distribusi dan kelimpahan unsur-unsur kimia,

sebanyak Lunar Prospector melakukan misi di bulan. Dalam hal ini, unsur kimia torium

dipetakan, dengan konsentrasi yang lebih tinggi ditunjukkan dengan warna kuning / oranye /

merah pada gambar di sisi kiri muncul di kanan.

Beberapa konstruksi counter sintilasi dapat digunakan sebagai spektrometer sinar

gamma. Energi foton gamma adalah dilihat dari intensitas dari flash dari sintilator , sejumlah

rendah energi foton yang dihasilkan oleh energi tinggi tunggal satu. Pendekatan lain

bergantung pada menggunakan detektor Germanium - kristal dari hyperpure germanium yang

menghasilkan pulsa sebanding dengan energi foton yang ditangkap, sedangkan lebih sensitif,



itu harus didinginkan ke suhu yang rendah, membutuhkan besar kriogenik aparat.

Laboratorium spektrometer genggam dan banyak gamma karena itu jenis sintilator, sebagian

besar dengan talium - doped natrium iodida , thallium-doped cesium iodida , atau, baru-baru,

serium doped bromida lantanum . Spektrometer untuk misi ruang angkasa sebaliknya

cenderung menjadi jenis germanium.

Bila terkena sinar kosmik (partikel bermuatan dalam ruang yang berasal dari bintang-

bintang, termasuk matahari kita), unsur-unsur kimia dalam tanah dan batuan memancarkan

tanda tangan unik diidentifikasi energi dalam bentuk sinar gamma. Spektrometer sinar

gamma melihat signature ini, atau energi, berasal dari elemen hadir dalam tanah target.

Dengan mengukur sinar gamma yang berasal dari tubuh sasaran, adalah mungkin

untuk menghitung kelimpahan dari berbagai unsur dan bagaimana mereka didistribusikan di

seluruh permukaan planet. Sinar gamma, yang dipancarkan dari inti dari atom , muncul

setajam garis emisi pada output spektrum instrumen. Sementara energi diwakili dalam

menentukan emisi yang unsur-unsur yang hadir, intensitas spektrum mengungkapkan

konsentrasi elemen. Spektrometer diharapkan untuk menambahkan signifikan terhadap

pemahaman tumbuh dari asal dan evolusi planet seperti Mars dan proses membentuk mereka

hari ini dan di masa lalu.

Masuk sinar kosmis - beberapa dari partikel energi tertinggi-bertabrakan dengan inti

atom dalam tanah. Ketika inti yang memukul dengan energi seperti, neutron dilepaskan, yang

tersebar dan berbenturan dengan inti lain. Inti mendapatkan "bersemangat" dalam proses, dan

memancarkan sinar gamma untuk melepaskan energi ekstra sehingga mereka dapat kembali

ke keadaan normal mereka beristirahat. Beberapa elemen seperti kalium, uranium , dan

thorium secara alami radioaktif dan mengeluarkan sinar gamma karena mereka peluruhan ,

tetapi semua elemen bisa senang dengan tabrakan dengan sinar kosmik untuk menghasilkan

sinar gamma. Para Hend dan Spektrometer Neutron pada GRS langsung mendeteksi neutron

tersebar, dan sensor gamma mendeteksi sinar gamma.



Dengan mengukur neutron, adalah mungkin untuk menghitung kelimpahan hidrogen,

sehingga menyimpulkan keberadaan air. Para detektor neutron sensitif terhadap konsentrasi

hidrogen dalam meter atas permukaan. Ketika sinar kosmik menghantam permukaan Mars,

neutron dan gamma-sinar keluar dari tanah. energi tertentu yang dihasilkan oleh hidrogen.

Karena hidrogen paling mungkin hadir dalam bentuk air es, spektrometer dapat mengukur

langsung jumlah es tanah permanen dan bagaimana perubahan dengan musim. Seperti sekop

virtual "menggali" permukaan, spektrometer akan memungkinkan para ilmuwan untuk

mengintip ke bawah permukaan yang dangkal ini Mars dan mengukur keberadaan hidrogen.

GRS akan memasok data yang sama dengan yang dari Lunar Prospector sukses misi,

yang mengatakan kepada kami berapa banyak hidrogen, dan dengan demikian air,

kemungkinan di Bulan. Spektrometer sinar gamma digunakan pada pesawat ruang angkasa

Odyssey terdiri dari empat komponen utama: sensor gamma kepala, spektrometer neutron,

detektor neutron energi tinggi, dan perakitan elektronik pusat. Kepala sensor dipisahkan dari

sisa pesawat ruang angkasa dengan ledakan 6,2 meter (20 kaki), yang diperpanjang setelah

Odyssey memasuki orbit pemetaan di Mars. Manuver ini dilakukan untuk meminimalkan

gangguan dari sinar gamma yang berasal dari pesawat ruang angkasa itu sendiri. Kegiatan

spektrometer awal, abadi antara 15 dan 40 hari, dilakukan sebuah kalibrasi instrumen

sebelum boom dikerahkan. Setelah sekitar 100 hari misi pemetaan, boom ditempatkan dan

tetap dalam posisi ini selama misi. Dua detektor neutron-neutron dan spektrometer neutron

energi tinggi detektor-sudah terpasang pada struktur pesawat ruang angkasa utama dan

dioperasikan terus-menerus sepanjang misi pemetaan.

Pada bulan Juli 2003, di sebuah konferensi di California, penemuan sejumlah besar air

di daerah yang luas Mars diumumkan. Mars memiliki cukup hanya es di bawah permukaan

untuk mengisi Danau Michigan dua kali. Dalam kedua belahan , dari 55 derajat lintang ke

kutub, Mars memiliki kepadatan tinggi es di bawah permukaan. Dekat dengan khatulistiwa,

hanya ada 2 sampai 10% air dalam tanah. Para ilmuwan percaya bahwa banyak air ini



terkunci dalam struktur kimia dari mineral. Tanah Liat dan sulfat mengandung air dalam

struktur mereka. Penelitian sebelumnya dengan spectroscopes inframerah telah memberikan

bukti sejumlah kecil air secara fisik kimia atau terikat. Para pendarat Viking terdeteksi tingkat

rendah air kimia terikat di tanah Mars. Hal ini diyakini bahwa meskipun permukaan atas

hanya berisi persen atau lebih dari air, es mungkin terletak hanya beberapa meter lebih dalam.

Beberapa daerah, Saudi Terra , Amazonis segi empat , dan segi empat Elysium mengandung

sejumlah besar air. Analisis data menunjukkan bahwa belahan bumi selatan mungkin

memiliki struktur berlapis. Kedua kutub menunjukkan terkubur es, tapi kutub utara telah

tidak dekat dengan itu karena ditutupi oleh karbon dioksida musiman (es kering). Ketika

pengukuran dikumpulkan, saat itu musim dingin di kutub utara. Instrumen kapal Mars

Odyssey hanya mampu mempelajari meteran atas atau lebih dari tanah. Perkiraan jumlah

total air yang mungkin terkubur di kisaran tanah sampai lapisan global 0,5 sampai 1,5 km

dalam.

Para pendarat Phoenix mengkonfirmasi temuan sebelumnya dari Mars Odyssey

dengan menemukan es beberapa inci di bawah permukaan dan es tersebut setidaknya 8 inci.

Ketika es terkena atmosfer Mars perlahan sublimates. Bahkan, beberapa es itu terungkap oleh

roket pendaratan pesawat itu.

Tak perlu dikatakan, penemuan Mars Odyssey air luas begitu banyak di Mars

menimbulkan harapan penemuan bentuk kehidupan masa lampau atau sekarang. Juga,

kolonis masa sekarang dapat yakin bahwa mereka dapat menemukan jumlah yang cukup air

untuk mendirikan sebuah peradaban.

E. KONVERSI ENERGI DALAM

Dalam proses konversi internal, fungsi gelombang dari sebuah elektron dalam kulit

menembus inti (yaitu ada kemungkinan terbatas elektron dalam sebuah s orbital atom yang

ditemukan dalam nukleus) dan ketika hal ini terjadi, pasangan elektron mungkin ke

bersemangat negara dan mengambil energi dari transisi nuklir secara langsung, tanpa

perantara sinar gamma yang diproduksi pertama.

Sebagai proses kuantum elektromagnetik, proses menyampaikan energi untuk

elektron dapat dilihat sebagai terjadi melalui suatu foton maya , tetapi dalam arti bahwa foton

yang terlibat dapat dianggap sebagai "sinar gamma virtual", yang tidak pernah muncul

kecuali sebagai fitur dari sebuah persamaan, daripada partikel secara langsung terukur.

Energi kinetik dari elektron yang dipancarkan adalah sama dengan energi transisi dalam

nukleus, dikurangi dengan energi ikat elektron.



Elektron konversi yang paling internal yang berasal dari kulit K (kedudukan 1s , lihat

elektron shell ), karena ini dua elektron memiliki probabilitas tertinggi yang ditemukan di

dalam nukleus. Lubang ini akan diisi dengan elektron dari salah satu kerang yang lebih tinggi

dan kemudian suatu karakteristik x-ray atau elektron Auger akan dipancarkan.

Internal konversi disukai ketika celah energi antara tingkat nuklir adalah kecil, dan

juga modus utama dari de-eksitasi untuk 0 + 0 + → (yaitu E0) transisi (yaitu, di mana inti

bersemangat mampu membebaskan diri dari energi tanpa mengubah momen listrik dan

magnetik dalam cara tertentu) dengan energi yang cukup untuk pembusukan oleh produksi

pasangan., but the multi-polarity rules for nonzero initial and final spin states do not

necessarily forbid the emission of a gamma ray in such a case. Ini adalah modus utama dari

de-eksitasi setiap kali keadaan awal dan akhir spin adalah sama, tetapi polaritas multi-aturan

untuk kedudukan awal dan akhir spin bukan nol tidak selalu melarang emisi sinar gamma

dalam kasus seperti itu.

Kecenderungan ke arah konversi internal dapat ditentukan oleh koefisien konversi

internal , yang secara empiris ditentukan oleh rasio emisi elektron tereksitasi dengan emisi

gamma yang dipancarkan keluar.

Kompetisi ini diukur dalam bentuk koefisien konversi internal yang didefinisikan

sebagai α = e / γ dimana e adalah elektron tingkat konversi dan γ adalah tingkat emisi sinar

gamma diamati dari inti peluruhan . Misalnya, dalam peluruhan dari sebuah keadaan

tereksitasi dari inti dari 125 I , 7% dari meluruh memancarkan energi sebagai sinar gamma,

sementara 93% melepaskan energi sebagai elektron konversi. Oleh karena itu, keadaan

tereksitasi dari

125 I memiliki koefisien konversi internal dari α = 13,6. Koefisien konversi internal diamati

untuk meningkatkan untuk meningkatkan nomor atom (Z) dan mengurangi energi sinar

gamma. Sebagai salah satu contoh, koefisien IC dihitung secara eksplisit untuk 55 Fe , 67 Ga

, 99m Tc , 111 Dalam , 113m In, 115m In, 123 saya, saya 125, 193m Pt , 201 Tl dan 203 Pb

oleh Howell (1992) menggunakan Metode Monte Carlo (untuk 55 Fe koefisien IC adalah

nol).

Energi dari sinar gamma yang dipancarkan dianggap sebagai ukuran yang tepat dari

perbedaan energi antara keadaan tereksitasi dari inti yang meluruh. Namun, hal ini tidak

benar dalam kasus elektron konversi. Energi dari sebuah elektron konversi diberikan sebagai



E = (E i - E f) - E B di mana E i dan E f adalah energi inti di negara-negara yang awal dan

akhir, masing-masing, sedangkan E B adalah energi ikat elektron.

Proses konversi internal juga tidak menjadi bingung dengan yang serupa efek

fotolistrik , yang juga mungkin terjadi dengan radiasi gamma yang terkait emisi elektron, di

mana sebuah foton gamma yang dipancarkan dari insiden inti berinteraksi dengan elektron,

mengusir elektron dari atom. Jadi, gamma efek fotolistrik emisi elektron juga dapat

menyebabkan kecepatan tinggi elektron akan dipancarkan dari atom radioaktif tanpa

peluruhan beta . Namun, dalam konversi internal, inti t idak memancarkan sinar gamma , dan

karenanya tidak membutuhkan perubahan momentum sudut atau saat listrik.

Juga, elektron dari efek fotolistrik menunjukkan gamma menyebar dalam energi,

tergantung pada seberapa banyak energi telah diberikan ke elektron dikeluarkan oleh sinar

gamma yang berinteraksi dengan itu-jumlah yang bervariasi tergantung pada sudut hamburan

foton gamma dari elektron (lihat hamburan Compton ). Selanjutnya, sinar gamma yang

dipancarkan masih dalam proses fotolistrik, tapi satu yang memiliki sebagian kecil dari

energi dari sinar gamma yang meninggalkan nukleus. Sebaliknya, dalam konversi internal,

seperti telah disebutkan, tidak ada sinar gamma yang dipancarkan sama sekali dan energi

elektron tetap pada nilai tunggal yang khas.

Elektron Auger , yang juga dapat diproduksi setelah konversi internal, muncul dari

suatu mekanisme yang berbeda dari konversi internal, tetapi analog untuk itu. Elektron

konversi internal timbul ketika sebuah medan dipol listrik yang intens di dalam nukleus

mempercepat elektron yang menembus inti, untuk menghapusnya dari atom. Elektron Auger

yang sama muncul ketika sebuah medan listrik yang dihasilkan dalam sebuah atom awan

elektron karena kehilangan elektron lain, dan bidang ini lagi menginduksi percepatan dan

penghapusan lain dari atom atom orbital elektron. Seperti elektron konversi internal, elektron

Auger juga muncul di puncak energi yang tajam.

Pada proses menangkap elektron (EC) juga melibatkan sebuah elektron shell dalam ,

yang dalam hal ini akan disimpan dalam inti (mengubah nomor atom) dan meninggalkan

atom (bukan inti) dalam keadaan tereksitasi. Atom dapat bersantai sinar-X dan emisi / atau

dengan emisi elektron Auger. Inti tidak stabil biasanya dapat pembusukan melalui kedua IC

dan proses EC.



F. TEORI PELURUHAN GAMMA

Peluruhan gamma adalah sebuah proses radioaktif di mana inti atom kehilangan

energi dengan memancarkan sinar gamma (aliran foton energi tinggi). Ketika sebuah elemen

mengalami peluruhan gamma nomor atom dan nomor massa tidak berubah. Peluruhan

gamma adalah satu dari tiga jenis utama dari peluruhan radioaktif. Dua lainnya adalah alpha

dan beta. Dalam peluruhan gamma, partikel yang dikenal sebagai sinar gamma yang

dipancarkan. Sinar gamma sebenarnya adalah foton energy tinggi, partikel analog gelombang

elektromagnetik.

Kita bisa mulai dengan mengatakan bahwa zat radioaktif sangat tidak stabil. Dengan

demikian, mereka berusaha untuk mencapai stabilitas dan dalam proses, menjalani apa yang

dikenal sebagai peluruhan radioaktif. Anda dapat memikirkan suatu zat radioaktif terdiri dari

inti yang sangat stabil (terdiri dari proton dan neutron). Sebenarnya inti ini yang mengalami

peluruhan radioaktif.

Ketika meluruh setiap inti tidak stabil, ia kehilangan sejumlah besar energi. Energi ini

bisa datang dalam bentuk baik partikel alfa (inti Helium), partikel beta (elektron atau

positron), atau partikel gamma (juga dikenal sebagai sinar gamma). Ketika sebuah partikel

gamma yang dipancarkan, maka peluruhan ini dikenal sebagai peluruhan gamma.

Sementara alfa dan beta meluruh terjadi karena ada neutron terlalu banyak

dibandingkan dengan proton atau proton terlalu banyak dibandingkan dengan neutron di

dalam inti (ini adalah mengapa inti tidak stabil), peluruhan gamma hanya terjadi karena inti

ini dalam daerah yang sanga kuat gerakannya, karenanya harus dalam keadaan yang sedikit

kuat gerakannya.

Ketika inti ini melompat ke keadaan kurang energik, ia melepaskan energi yang tidak

diinginkan dalam bentuk gelombang elektromagnetik yang, seperti yang dinyatakan

sebelumnya, adalah sinar gamma. Di antara semua tiga partikel yang dipancarkan dalam

proses peluruhan radioaktif, partikel-partikel gamma yang paling menembus. Sementara

partikel alfa dapat dihentikan dengan selembar kertas dan partikel beta, oleh plat aluminium,

partikel gamma hanya dapat dihentikan oleh bahan padat yang tebal seperti timah.

Karena kemampuan penetrasi yang tinggi dari partikel nya yang dipancarkan,

peluruhan gamma dianggap sebagai ancaman terbesar di antara ketiga sinar radioaktif

tersebut. Zat radioaktif di laboratorium disimpan di dalam lemari Timbal-disegel. Beberapa

bahkan memiliki kamar Timbal dan disegel di laboratorium. Desain ini dibuat khusus untuk

tujuan mencegah sinar gamma dapat melewatinya.



Sinar gamma yang menyerang sel-sel manusia dapat mengeluarkan elektron dari atom

yang terdiri dari sel-sel karena properti ionisasi sinar '. Hal ini dapat meninggalkan atom

dengan muatan positif, menyebabkan itu untuk berinteraksi dengan atom lain di sampingnya

dan kemudian merusak sel.



BAHASAN

REAKSI NUKLIR

7



REAKSI NUKLIR

Reaksi nuklir adalah sebuah proses di mana dua nuklei atau partikel nuklir

bertubrukan, untuk memproduksi hasil yang berbeda dari produk awal. Pada prinsipnya

sebuah reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel yang bertubrukan, tetapi kejadian

tersebut sangat jarang. Bila partikel-partikel tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah

(kecuali mungkin dalam level energi), proses ini disebut tabrakan dan bukan sebuah reaksi.

Dikenal dua reaksi nuklir, yaitu reaksi fusi nuklir dan reaksi fisi nuklir. Reaksi fusi

nuklir adalah reaksi peleburan dua atau lebih inti atom menjadi atom baru dan menghasilkan

energi, juga dikenal sebagai reaksi yang bersih. Reaksi fisi nuklir adalah reaksi pembelahan

inti atom akibat tubrukan inti atom lainnya, dan menghasilkan energi dan atom baru yang bermassa lebih kecil, serta radiasi elektromagnetik. Reaksi fusi juga menghasilkan radiasi

sinar alfa, beta dan gamma yang sagat berbahaya bagi manusia.

Contoh reaksi fusi nuklir adalah reaksi yang terjadi di hampir semua inti bintang di

alam semesta. Senjata bom hidrogen juga memanfaatkan prinsip reaksi fusi tak terkendali.

Contoh reaksi fisi adalah ledakan senjata nuklir dan pembangkit listrik tenaga nuklir.

Unsur yang sering digunakan dalam reaksi fisi nuklir adalah Plutonium dan Uranium

(terutama Plutonium-239, Uranium-235), sedangkan dalam reaksi fusi nuklir adalah Lithium

dan Hidrogen (terutama Lithium-6, Deuterium, Tritium).

1. ENERGETIKA DARI REAKSI NUKLIR

Untuk menghitung energi yang dihasilkan, perubahan massa isotop sebelum dan

sesudah reaksi nuklir diperhitungkan. Jumlah massa yang hilang, dikalikan dengan kuadrat

kecepatan cahaya; hasilnya sama dengan energi yang dilepaskan dalam reaksi itu.

massa isotop Lithium-6 : 6,015122795

massa isotop Deuterium : 2,0141017778

massa isotop Helium-4 : 4,00260325415

Lithium-6 + Deuterium → Helium-4 + Helium-4

6,015122795 + 2,0141017778 → 4,00260325415 + 4,00260325415

8,0292245728 → 8,0052065083



Massa yang hilang: 8,0292245728 - 8,0052065083 = 0,0240180645 u (0,3%

(dibulatkan)

E = mc2

E = mc2

= 1u x c2

= 1,660538782×10−27 kg x (299.792.458 m/s)2

= 149241782981582746,248171448×10−27 Kg m2/s2

= 149241782981582746,248171448×10−27 J

= 931494003,23310656815183435498209 ev

= 931,49 Mev (dibulatkan)

Jadi, massa 1u = 931,49 Mev

E = mc2

= 1 Kg x c2

= 1 kg x (299.792.458 m/s)2

= 89875517873681764 Kg m2/s

2

= 89875517873681764 J

= 89,875 PJ (dibulatkan)

Jadi, massa 1 Kg = 89,875 PJ

Jadi energi yang dapat dihasilkan = 89,875 PJ/kg = 21,48 Mt TNT/kg

=149,3 pJ/u = 931,49 MeV/u

E = 0,0240180645 u x 931,49 MeV

E = 22,372586901105 MeV (dengan keakuratan 1%)

E = 22,4 Mev (dibulatkan)

Jadi, persamaan reaksinya:

6Li + D ->

4He (11.2 MeV) +

4He (11.2 MeV)

6

Li + D -> 24

He + 22,4 MeV



massanya hilang sebanyak 0,3 % (dibulatkan dari 0,2991330517938 %)

0,3 % x 21,48 Mt TNT/kg = 64 Kt/kg (dibulatkan)

jadi, Jumlah energi yang bisa dihasilkan (dengan 100 % efisien )

melalui reaksi fusi nuklir berbahan materi:

Lithium-6 + Deuterium = 64 Kt/kg (dibulatkan)

Berikut adalah jumlah energi nuklir yang bisa dihasilkan per kg materi:

Fisi nuklir:

Uranium-233: 17,8 Kt/kg = 17800 Ton TNT/kg

Uranium-235: 17,6 Kt/kg = 17600 Ton TNT/kg

Plutonium-239: 17,3 Kt/kg = 17300 Ton TNT/kg

Fusi nuklir:

Deuterium + Deuterium: 82,2 Kt/kg = 82200 Ton TNT/kgTritium + Deuterium: 80,4 Kt/kg = 80400 Ton TNT/kg

Lithium-6 + Deuterium: 64,0 Kt/kg = 64000 Ton TNT/kg

ENERGI REAKSI NUKLIR

- Reaksi nuklir seperti halnya reaksi kimia biasa selalu disertai dengan pengeluaran dan

penyerapan energi (Q).

- Nilai Q positif ( memerlukan energi) merupakan reaksi endoergik dan nilai Q negatif (

membebaskan energi) merupakan reaksi eksoergik

- Energi yang menyertai reaksi nuklir diberiken per inti yang mengalami transformasi

Cara Menentukan Q reaksi nuklir

1. Melalui pengukuran energi partikel penembak dan energi partikel atau photon yang

dibebaskan.

Untuk reaksi :

7

Li +

1

H + Q1 2

4

He + Q2



Q reaksi = Q 2 – Q 1

2. Melalui perhitungan massa dari produk dan reaktan (s.m.a). Di mana, Q reaksi = (massa

reaktan-massa produk) x 931 MeV

. Energi kinetik partikel merupakan energi yang harus disediakan partikel supaya reaksi

nuklir berlangsung, disebut juga energi ambang reaksi (Ekp)

. E kp = (1 + m/M)Q,

m =massa partkl dan M=massa target

Jadi nilai E kp > Q

2. PENAMPANG REAKSI NUKLIR

Penampang nuklir dari sebuah inti adalah probabilitas bahwa sebuah reaksi nuklir

yang melibatkan inti tersebut dapat terjadi. Penampang ini semacam luas efektif yang

dihadangkan inti sasaran pada proyektil.Tinjau sebuah partikel yang ditembakkan ke

sebidang lembaran tipis bahan tertentu dengan luas A yang mengandung n inti atom. Secara

statistik atom-atom dalam lembaran terdistribusi secara merata di seluruh bidang. Misalnyaluas penampang efektif masing-masing inti adalah σ = πr

2, dimana r dapat dianggap sebagai

jari-jari atom, maka probabilitas terjadinya reaksi adalah sebesar (nπr 2) / A. Radius nuklir

tipikal berada dalam orde sekitar 10−12cm. Dengan demikian kita dapat mengharapkan

bahwa penampang nuklir untuk sebuah reaksi berada dalam orde πr 2 atau sekitar 10−24 cm2.

Orde ini digunakan oleh para fisikawan inti sebagai satuan pengukuran penampang nuklir,

dan dikenal sebagai satu barn (b). Jadi 1barn = 10 − 24cm2 = 10 − 28m2.

Penampang (cross section) adalah nilai kemungkinan (probabilitas) terjadinya sebuah

reaksi nuklir misalnya reaksi pembelahan inti. Seluruh rekayasa nuklir yang berkaitan dengan

reaktor pembelahan adalah upaya untuk memperbesar penampang dari reaksi pembelahan

tersebut.

Perhitungan tampang lintang reaksi nuklir secara teori berdasar model reaksi nuklir telah

digunakan untuk evaluasi data nuklir, yang mana parameter model reaksi nuklir harus dipilih

dan disesuaikan dengan data-data eksperimen. Tampang lintang reaksi-reaksi neutron

terhitung hampir berkorelasi satu sama lain karena kompetisinya sedemikian sehingga



parameter-parameter di dalam formula model tidak dapat ditentukan untuk hanya jenis

tunggal tampang lintang reaksi.

Penampang Lintang

Merupakan kebolehjadian sebuah partikel penembak akan menghasilkan suatu reaksi

nuklir

Satuan dari penampang lintang :barn (1 barn = 10-24 cm2 ).

Penampang lintang merupakan fungsi dari: inti target, macam dan energi penembak.

Pada target tipis, maka R i = I n x

– R = Jumlah total dari proses-proses tertentu yang terjadi dalam target per satuan waktu

– I = Jumlah pertikel penembak per satuan waktu

– n = Jumlah inti target per senti meter kubik

– X = Tebal target dalam senti meter

= Penampang lintang untuk proses tertentu dinyatakan dalam senti meter kuadrat

Tampang Lintang

- Tampang lintang (): Kebolehjadian berlangsungnya reaksi nuklir, dengan dimensi: cm2

- Suatu reaksi nuklir mempunyai fluks n per cm2 per detik, mengandung c inti atom per

cm3dan jangkauan (jarak tembus) dx cm, maka mengikuti persamaan diferensial:

-dn = n c dx

-dn/n =

c dx

ln (nx/no)= - c x

atau nx = no exp (- c x)

nx= intensitas radiasi nuklir setelah menembus sasaran

no= intensitas radiasi nuklir sebelum menembus sasaran

c = jumlah inti per cm3 materi



= tampang lintang reaksi nuklir

x = tebal sasaran

Banyaknya radiasi nuklir yang berinteraksi dengan inti atom materi sasaran adalah:

no - nx = no (1- exp (- c x))Jari-jari inti nuklida berat = 10-12cm, maka luas tampang geometri inti berat = 10-24 cm2 (=1

barn). Setiap reaksi nuklir mempunyai penampang lintang reaksi tersendiri yang tergantung

pada: jenis partikel, jenis nuklida dan energi radiasi

3. RESONANSI DAN MODEL INTI MAJEMUK

a. Resonansi

Setiap inti atom memiliki tingkat energi alamiah yang telah berhasil diketahui setelah

penelitian panjang para ahli fisika. Tingkat energi ini sangat berbeda antara satu atom dan

atom yang lain, namun dalam beberapa kejadian yang sangat jarang dapat diamati adanya

resonansi di antara beberapa inti atom. Ketika resonansi tersebut terjadi, gerakan inti atom

saling selaras seperti halnya pada contoh ayunan dan biola. Hal yang penting dari kejadian ini

adalah resonansi mendorong reaksi nuklir yang mempengaruhi inti atom.

Ketika menyelidiki bagaimana karbon dibuat oleh raksasa merah, Edwin Salpeter

menyarankan adanya resonansi antara inti atom helium dan berilium yang mendorong reaksi

tersebut. Resonansi ini, menurutnya, membuat atom-atom helium lebih mudah berfusi

menjadi berilium, dan ini menyebabkan reaksi di raksasa merah. Namun, penelitian

selanjutnya gagal untuk mendukung gagasan ini

Hoyle mengembangkan gagasan Salpeter lebih lanjut, dengan memperkenalkan

gagasan "resonansi ganda". Hoyle menyebutkan harus terdapat dua resonansi: satu yang

menyebabkan dua helium berfusi menjadi berilium, dan satu lagi menyebabkan helium ketiga

bergabung dengan formasi yang tidak stabil ini. Sungguh-sungguh terjadi resonansi ganda

pada raksasa merah. Tepat pada saat dua atom helium beresonansi untuk bergabung, atom berilium muncul dalam satu per-juta-miliar detik yang diperlukan untuk menghasilkan

karbon. George Greenstein menjelaskan mengapa resonansi ganda merupakan mekanisme

yang luar biasa yaitu:

“Terdapat tiga struktur yang sama sekali terpisah dalam cerita ini-helium, berilium dan

karbon dan dua resonansi yang sama sekali terpisah. Sulit untuk melihat mengapa inti-inti

atom ini harus bekerja sama dengan mulus.Reaktor nuklir lain tidak berlangsung dengan

serangkaian kebetulan yang luar biasaIni seperti menemukan resonansi yang dalam dan rumit

antara mobil, sepeda, dan truk. Mengapa struktur yang sama sekali berbeda dapat bersatu



dengan begitu sempurna? Keberadaan kita, dan seluruh bentuk kehidupan di alam semesta,

bergantung pada proses ini.”

Pada tahun-tahun berikutnya, ditemukan bahwa unsur lain seperti oksigen juga

terbentuk dari resonansi yang begitu mengagumkan. Temuan penganut materialis tulen Fred

Hoyle atas "transaksi luar biasa" ini memaksanya untuk mengakui dalam bukunya Galaxies,

Nuclei and Quasar, bahwa resonansi ganda seperti itu pastilah hasil rancangan dan bukan

kebetulan. Dalam makalah lain, dia menulis:

Jika Anda ingin menghasilkan karbon dan oksigen dalam jumlah yang hampir sama dengan

cara sintesis-inti bintang, ini adalah dua tingkat yang harus Anda tetapkan, dan penetapan

Anda harus tepat pada tingkat di mana tingkat ini ditemukan. Penafsiran yang masuk akal

atas fakta ini menyarankan bahwa kecerdasan super telah mempermalukan para ahli fisika,

juga ahli kimia dan biologi, dan bahwa tidak ada kekuatan buta yang layak disebutkan di

alam. Angka yang dihitung dari fakta itu begitu menyesakkan saya sehingga hampir tidak

mungkin mengeluarkan kesimpulan ini.

b. Model Inti Majemuk

Banyak reaksi nuklir sebenarnya berkaitan dengan dua langkah terpisah.Pertama

partikel datang menumbuk inti target dan keduanya bergabung untuk membentuk inti baru

yang disebut inti majemuk yang nomor atomik dan nomor massanya merupakan penjumlahan

dari nomor atomik partikel-partikel semula dan penjumlahan nomor-nomor massanya. lnti

majemuk tidak memiliki “ingatan" bagaimana terbentuknya, karena nukleonnya tercampur

tidak tergantung pada asalnya dan energi yang membawanya menjadi keadaan tersebut oleh

partikel-partikel datang dibagi bagi diantara nukleon-nukleon tersebut. Jadi suatu inti

majemuk tertentu dapat terbentuk melalui berbagai cara.



Tabel 5-1 menunjukkan enam reaksi yang menghasilkan inti majemuk N*, tanda bintang

menyatakan keadaan eksitasi ; inti majemuk biasanya tereksitasi dengan jumlah energi ikat

partikel-partikel yang datang. Inti N13

7 dan C11

6 adalah radioaktif beta dengan umur paro

yang sangat pendek sehingga tak memungkinkan penelitian terinci dan reaksinya untuk

membentuk *N14

7 , namun tidak ada kesangsian bahwa reaksi tersebut dapat terjadi.

lnti majemuk mempunyai umur paro dalam orde 10-16, waiaupun cukup pendek untuk

benar-benar mengamati inti sepérti itu, namun relatif besar terhadap waktu 10-21

yang

diperlukan untuk sebuah partikel nuklir dengan energi beberapa MeV melewati sebuah inti.

Suatu inti majemuk tertentu dapat meluruh melalui satu cara atau lebih, tergantung

pada energi eksitasinya. Jadi *N147 dengan energi eksitasinya , misa 12 MeV dapat meluluh

melalui contoh reaksi, atau hanya memancarkan

satu dua sinar gama yang berenergi total 12 MeV, tetapi tidak bisa meluruh denganmemancarkan triton ( H

3

1) atau helium -3 ( He

3

2 ), karena inti tersebut tidak memiliki cukup

energi untuk membebaskan partikel seperti itu.

Pembentukan dan peluruhan inti majemuk mempunyai tafsiran yang sangat menarik

berdasarkan model nuklir tetes cairan . Menurut model ini , inti tereksitasi memiliki

keserupaan dengan tetes cairan panas dengan energi ikat partikel yang dipancarkan

bersesuaian dengan kalor penguapan molekul cairan. Tetes cairan seperti itu Dada akhirnya

akan menguapkan sebuah atau lebih molekulnya sehingga mendinginkanya. Proses

penguapan terjadi jika fluktuasi acak dalam distribusi energi dalam tetesan menyebabkan

molekul tertentu atau sekelompok nukleon teretentu dalam sesaat ternyata bisa memiliki

fraksi yang cukup besar dari energi cukup untuk melepaskan diri. Inti majemuk

mempertahankan keadaan eksitasinya sampai suatu nukleon tertentu atau sekelompok

nukleon tertentu dalam sesaat ternyata bisa memiliki fraksi yang cukup besar dari energi

eksitasi untuk melepaskan diri dari inti tersebut.



GAYA NUKLIR

DAN

MODEL INTI

8

BAHASAN



A. GAYA NUKLIR

Gaya nuklir (atau interaksi nukleon-nukleon atau gaya kuat residual) adalah gaya

antara dua atau lebih nukleon. Gaya ini bertanggung jawab atas ikatan proton dan neutron

menjadi inti atom. Gaya ini dapat dipahami sebagai pertukaran meson ringan virtual, seperti

pion. Kadang-kadang gaya nuklir disebut sebagai gaya kuat residual, dibandingkan dengan

interaksi kuat lainnya yang saat ini dipahami sebagai akibat kromodinamika kuantum (

quantum chromodynamics, atau biasa disingkat QCD). Peristilahan ini muncul pada

dasawarsa 1970-an saat QCD sedang dikembangkan. Sebelum masa itu gaya kuat nuklir

merujuk pada potensial internukleon. Setelah model quark diverifikasi, interaksi kuat

diartikan sebagai QCD.Karena nukleon tidak punya muatan warna, gaya nuklir tidak

langsung melibatkan pembawa gaya QCD, yaitu gluon. Namun, seperti atom yang bermuatan

netral (yang terdiri dari partikel bermuatan listrik yang saling menetralkan) saling menarik

satu sama lain melalui efek orde kedua dari polarisasi listrik, maka analoginya nukleon yang

bermuatan warna netral dapat menarik satu sama lain melalui sejenis polarisasi yang

membolehkan efek yang dihantarkan gluon dibawa dari satu nukleon berwarna netral ke

nukleon lainnya, lewat meson virtual yang menghantarkan gaya tersebut yang juga disatukan

oleh gluon virtual. Sifat yang mirip dengan gaya van der Waals inilah yang menyebabkan

timbulnya istilah 'residual' pada istilah "gaya kuat residual". Gagasan dasarnya adalahmeskipun nukleon berwarna netral, seperti atom juga bermuatan netral, di dalam kedua kasus

efek polarisasi yang ada antara dua partikel netral memungkinkan efek muatan "residual"

untuk mengakibatkan gaya tarik-menarik antara dua partikel tidak bermuatan, meskipun jauh

lebih lemah dan tidak langsung dibandingkan gaya dasar yang beraksi di dalam partikel

tersebut.

ENERGI IKAT INTI

Einstein memberikan teori berupa teori relativitas berhubungan dengan reaksi inti pada suatu

atom dengan bunyi pernyataannya adalah, "Energi ikatan inti adalah energi yang dibutukan

untuk memisahkan nukleus menjadi komponen - komponennya (Neutron dan Proton)."

Persamaan Energi Ikat Inti oleh Einstein:

∆E = ∆m c2

Dengan:

∆E = Energi ikat inti (J)

∆m = Cacat massa / Perubahan massa atom (kg)



c = Kecepatan Cahaya

Perlu kita ketahui bahwa massa proton adalah 1,007825 sma, massa neutron adalah 1,008665

sma, dan massa elektron adalah 5,4859 x 10-4 sma. Dan 1 kg adalah 6,022 x 1026 sma.

Energi ikat inti juga dapat dinyatakan dalam satuan MeV (Mega elektron volt) dengan

mengganti persamaan menjadi:

∆E = ∆m x 931

Dan 1 MeV setara dengan 1,602 x 10-3

J.

GAYA - GAYA INTI

Gaya inti merupakan gaya tarik menarik antar nuekleon dan merupakan gaya terkuat di

bandingkan gaya grafitasi dan gaya eletrostatis. Hal ini yang menyebabkan nuekleon-

nuekleon tetap terikat dalam inti atom walaupun terjadi gaya tolak menolak antara proton dan

neutron. Karakteristik gaya inti ini antara :

1. Gaya inti merupakan gaya tarik menarik , lebih besar dari gaya coulom dalam inti

atom.

2. Gaya inti bekerja pada kisaran jarak yang sangat pendek, nuklida-nuklida berinteraksi

hanya dengan nuklida terdekatnya.3. gaya inti bekerja di antara dua proton,dua neutron atau antara proton dan neutron.

Untuk mengamati gaya inti maka di adakan pemisahan-pemisahan:

1. Gaya inti dapat di nyatakan dengan suatu interaksi antara dua benda.

2. Interaksi tersebut dapat di nyatakan dengan suatu potensial.

3. Pengaruh relativitas dapat di abaikan.

1. Gaya Nuklir Kuat atau Gaya Inti Kuat (strong nuclear force)

Gaya nuklir kuat atau gaya inti kuat adalah gaya yang menjaga inti tetap utuh, yang

merupakan gaya yang paling dahsyat menurut hukum-hukum fisika. Gaya ini menjaga proton

dan neutron dalam inti atom tetap di tempatnya. Gaya ini sangat kuat sehingga nyaris

menyebabkan proton dan neutron dalam inti atom saling berikatan. Jarak gaya nuklir kuat

sangat pendek, bahkan tidak dapat dirasakan pada jarak lebih dari garis tengah inti atom

sehingga sepanjang itulah ukuran garis tengan inti atom. Kekuatan ikatan tersebut

disesuaikan dengan sangat teliti. Kemampuan gaya nuklir kuat lebih kuat dari pada gayaelektromagnetik (sekitar seratus kali) dan gaya gravitasi. Intensitas gaya ini pun telah diatur



secara spesifik oleh Rabbul ‘Izzati agar proton dan neutron tetap berada pada jarak tertentu.

Dengan kata lain akan terjadi tabrakan ataupun saling bertolakan antar proton yang

bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan jika besar gaya tersebut tidak sesuai

dengan yang dibutuhkan untuk membentuk inti atom. Dan tentunya alam raya ini pun tidak

akan terbentuk sempurna seperti sekarang ini jika porsi yang diberikan gaya nuklir kuat tidak

sesuai untuk membentuk inti atom.

2. Gaya Nuklir Lemah atau Gaya Inti Lemah (weak nuclear force)

Gaya nuklir lemah atau sering disebut juga interaksi inti lemah adalah gaya yang bertanggung

jawab atas keseimbangan antara proton dan neutron dalam inti atom ketika terjadi proses

peluruhan radioaktif saat inti atom yang tidak stabil membelah (fisi) menjadi dua atau lebihsehingga tidak tiba-tiba terurai atau memancarkan radisi yang berbahaya. Dinamakan

interaksi lemah karena kemampuan gaya ini lebih lemah dari pada gaya nuklir kuat dan

keelektromagnetan serta lebih kuat dari pada gaya gravitasi sekitar 1025 kali. Interaksi inti

lemah juga menjadi pendorong proses peluruhan beta. Yaitu proses yang terjadi apabila

sebuah neutron terasing secara tiba-tiba (menurut sains manusia dan secara sistematis serta

sempurna menurut Maha Luasanya Ilmu Allah Rabbul ‘Izzati) memancarkan sebuah elektron

yang dahulu dikenal sebagai sinar beta bersama antineutrino elektron yang kemudian beralih

bentuk menjadi proton. Walaupun banyak elektron yang terjaga karena antineutrino elektron

yang menyeimbangkan neraca. Hal ini boleh dan bisa terjadi dalam aturan kuantum.

3. Gaya Elektromagnetik (electromagnetic force)

Gaya elektromagnetik adalah gaya yang diakibatkan oleh medan elektromagnetik terhadap

partikel-partikel yang bermuatan listrik. Gaya inilah yang Gaya inilah yang membuat

partikel-partikel yang bermuatan listrik berlawanan saling tarik-menarik dan partikel-partikel bermuatan sama akan saling tolak-tolak menolak. Sehingga menjaga elektron-elektron dan

proton-proton tetap bersama dalam sebuah atom serta menjaga atom-atom tetap bersama

dalam sebuah molekul. Perubahan kekuatan sekecil apa pun pada gaya ini dapat

menyebabkan atom tidak terbentuk dikarenakan elektron-elektron terlepas jauh dari inti atom

atau sebaliknya. Dan konsekwensinya alam raya ini pun tidak akan terbentuk.



4. Gaya Gravitasi (gravity)

Gravitasi adalah gaya tarik-menarik yang terjadi antara semua partikel yang mempunyai

massa dialam semesta. Fisika modern mendeskripsikan gravitasi menggunakan Teori

Relativitas Umum dari Einstein (Teori yang melihat gravitasi bukan sebagai gaya, tetapi lebih

sebagai manifestasi dari kelengkungan ruang dan waktu), namun hukum gravitasi universal

Newton yang lebih sederhana merupakan paparan yang cukup akurat dalam kebanyakan

kasus. Gaya inilah yang menyebabkan galaksi-galaksi, planet-planet dan bintang-bintang

yang berada di alam semesta ini tetap pada orbitnya masing-masing. Perubahan sekecil

apapun pada gaya ini dapat menyebabkan benda-benda langit menjadi saling bertabrakan atau

keluar dari orbitnya masing-masing.

B. MODEL INTI

Meskipun rincian kekuatan nuklir masih belum sepenuhnya dipahami, beberapa model nuklir

dengan parameter disesuaikan telah diusulkan, dan telah membantu kita memahami berbagai

fitur data eksperimen nuklir dan mekanisme yang bertanggung jawab mengikat energi inti.

Model-model yang akan kita akan membahas adalah :

(1) model tetesan cair, yang menyumbang energi ikat nuklir;

(2) model independen-partikel, yang menyumbang lebih rinci pada aspek membangun

struktur inti, termasuk perbedaan besar dalam stabilitas antara inti dengan Z dan A yang sama

nilai, dan (3) model kolektif.

1.Model tetesan cairan

Model tetesan cairan , yang diusulkan oleh CF von Weizsächer pada tahun 1935,

memperlakukan nukleon seolah-olah mereka adalah molekul dalam setetes cair. nukleon

berinteraksi kuat dengan satu sama lain dan sering mengalami tabrakan saat mereka goncang

sekitar dalam inti.Gerak bergoyang ini analog dengan gerakan molekul molukel akibat

pemanasan dalam setetes cairan.

Tiga efek besar mempengaruhi energi ikat inti dalam model tetes cairan :

Efek volume. Sebelumnya kami menunjukkan bahwa energi ikat per nukleon

adalah kira-kira konstan, ini menunjukkan bahwa gaya nuklir jenuh (Gambar

13.10). Oleh karena itu, energi ikat inti total sebanding dengan A dan volume

nuklir. Kontribusi terhadap energi ikat dari efek volume C1A, di mana C adalah

konstana disesuaikan .



Efek permukaan. Karena nukleon di permukaan tetesan tetangga lebih sedikit

dibandingkan di pedalaman, nukleon permukaan mengurangi energi ikat dengan

jumlah yang sebanding dengan jumlah permukaan inti. Karena jumlah nukleon

permukaan adalah sebanding dengan luas permukaan inti adalah 4 r 2 dan r 2 ≈ A2/3

. Istilah luas permukaan dapat dinyatakan dengan C2 A2/3

, dimana C2 adalah

konstan .

Efek tolakan Coulomb. Setiap proton menolak setiap proton pada inti. Energi

potensial yang sesuai per pasang dari partikel berinteraksi adalah ke2 / r, di mana k

adalah konstanta Coulomb. Total energi Coulomb merupakan Usaha yang

diperlukan untuk menyusun Z proton dari tak terhingga pada lingkup volume V.

Energi ini adalah proporsional dengan jumlah pasangan proton Z (Z -1) / 2 dan

terbalik sebanding terbalik dengan jari-jari nuklir. Akibatnya, penurunan energi

yang hasil dari efek Coulomb adalah C3Z (Z 1) / A1/3

, di mana C3 adalah

konstanta. Dengan demikian kita mendapatkan energi yang mengika sebagai

jumlah :

Persamaan ini sering disebut sebagai persamaan rumus energi Weizsächer semiempirical,

karena memiliki beberapa justifikasi teoritis tetapi berisi empat konstanta yang disesuaikan

agar sesuai dengan ungkapan ini dengan data eksperimen. untuk

inti dengan A ≥ 15, konstanta memiliki nilai :

C1 15.7MeV C2 17.8MeV

C3 0.71MeV C4 23.6MeV

Persamaan tersebut , bersama-sama dengan konstanta ini, dikenal cocok mengikat-nuklir dan

memiliki nilai energi yang sangat baik. Namun, model tetesan –cairan tidak

memperhitungkan untuk beberapa rincian halus struktur nuklir, seperti aturan stabilitas

tertentu dan momentum sudut. Di sisi lain, itu tidak memberikan ciri-ciri kualitatif dari fisi

nuklir, yang ditunjukkan secara skematik pada Gambar berikut :



Tahapan menuju fisi nuklir sesuai model inti tetes cairan

2. Model Partikel Independen

Model partikel independen , yang sering disebut model kulit, dikembangkan secara

independen oleh Maria Goeppert-Mayer (1906-1972, Fisikawan Jerman- Amerika) dan Hans

Jensen (1907-1973, fisikawan Jerman), yang berbagi hadiah Nobel pada tahun 1963 untuk

prestasi ini. Model shell didasarkan pada asumsi bahwa setiap nukleon bergerak dalam

keadaan yang didefinisikan dengan baik orbital dalam inti di bidang rata yang dihasilkan oleh

nukleon lainnya. Model ini mirip dengan model kulit atom kecuali untuk karakter istilah

kekuatan. Dalam model kulit, nukleon-nukleon ada pada kedudukan di energi terkuantisasi ,

dan ada beberapa tabrakan antara nukleon. Jelas, asumsi model ini sangat berbeda dari yang

dibuat dalam model tetes cairan . Setiap kedudukan orbit terkuantisasi untuk proton atau

neutron analog dengan salah satu dari orbital kedudukan dari sebuah elektron dalam

subkulit atom, dengan pengecualian bahwa urutan keadaan nuklir dalam energi lebih erat

dimodelkan oleh bentuk bola baik potensial dari dengan potensi Coulomb yang sesuai untuk

atom elektron atom . Untuk menyatakan terkuantisasi diduduki oleh nukleon dapat

digambarkan oleh satu set nomor kuantum. Karena kedua proton dan neutron memiliki spin,

kita dapat menerapkan prinsip eksklusi Pauli untuk menggambarkan kedudukan

diperbolehkan. Artinya, setiap kedudukan orbital dapat berisi hanya dua proton (atau duaneutron) yang memiliki spin berlawanan :



3. Model kolektif

Sebuah model ketiga dari struktur nuklir, yang dikenal sebagai model kolektif,

menggabungkan beberapa fitur dari model tetes cairan dan model partikel mandiri .

Inti dianggap memiliki beberapa ekstra nukleon bergerak dalam orbit terkuantisasi di

samping inti diisi nukleon. Para nukleon tambahan yang tunduk pada bidang yang dihasilkan

oleh inti, seperti dalam skema partikel independen . Deformasi dapat diatur di inti sebagai

hasil dari interaksi yang kuat antara inti dan nukleon ekstra, sehingga memulai getaran dan

gerakan rotasi, seperti dalam model tetes –cairan . Model kolektif telah sangat berhasil dalam

menjelaskan banyak fenomena nuklir .



FISI NUKLIR

9

BAHASAN



1. PENEMUAN FISI NUKLIR

Penemuan fisi nuklir oleh Otto Hahn dan F.Strasmann, pada Januari 1939, menandai

dimulainya era nuklir. Penemuan Otto Hahn dan F. Strasmann merupakan puncak dari

penemuan sebelumnya, oleh Enrico Fermi di Italia, Joliot-Curie dan Savitch di Prancis. Baik

E. Fermi maupun Joliot-Curie pada mulanya berharap membuat unsur Transuranium Z ( 92)

dari interaksi U-235 dengan netron. Hasil yang didapatkan bukannya unsur-unsur dengan Z

( 92), melainkan unsur Lanthanium dengan Z= 57, sedangkan Otto Hahn dan F. Strasmann

mendapatkan Ba dengan Z= 56, dan Krypton dengan Z=36. ini adalah fisi nuklir, yang

ditunjukkan oleh pembelahan inti uranium (Z=92) kedalam dua fragmen yang massanya

relatif sama.

Keajaiban reaksi fisi adalah, bersama fisi dibebaskan energi yang sangat hebat, dan beberapa

netron. Fenomena ini kemudian dikembangkan menjadi senjata pemusnah masal (bom

nuklir), dan untuk peningkatan kesejahteraan maanusia melalui misi reaktor nuklir.

Setelah Otto Hahn dan F. Strasmann mengumunkan penemuannya, Lise Meitner dan O. R.

Frisch mengembangkan teori tentang proses fisi nuklir. Meitner menyatakan bahwa, bila inti

yang menangkap netron tereksitasi dan mengalami distorsi hingga suatu tingkat yang dapatmengatasi energi permukaan, maka akan terjadi pembelahan inti kedalam dua fragmen yang

massanya sebanding. Sebagian inti yang tereksitasi dapat mengalami deeksitasi dengan cara

peluruhan .

Pecahan-pecahan pembelahan berbeda-beda dalam nomor massa antara 75 dan 160, akan

tetapi reaksi pembelahan khas adalah

235

92 U + 1

0 n 236

92 U 95

38 Sr + 139

54 Xe + 2 1

0 n

Ada beberapa ciri penting tentang reaksi ini :

1. Inti 236U terjadi untuk selama kurang dari 10 -12 s, sehingga proses pembelahan dapat

dianggap sebagai sesaat

2. Karena nisbah neutron terhadap proton dari 235U lebih besar dari nisbahnya pada nuklida

mantap dalam daerah massa A = 125 pecahan belahan-inti mempunyai turah neutron dan

terletak diatas lengkungan kemantapan.pecahan-pecahan ini, dengan demikian, mereras

beta dalam sederatan langkah sampai nuklida mantap dengan nomor massa yang samaterbentuk. Inti

236U pecah dalam banyak cara yang berlainan, dan setiap pecahan



membentuk suatu deret dari tiga atau empat nuklida pecahan membentuk suatu deret dari

tiga atau empat nuklida radioktif, sehingga lebih dari 200 nuklida radioaktif yang

berlainan dihasilkan dari pembelahan inti. Sebagian besar daripadanya tidak muncul

secara alami di muka bumi.

3. Proses pembelahan inti, yang memerlukan neutron untuk memulai, melepaskan (secara

rerata) 2,5 neutron per pembelahan. Adalah kenyataan ini yang cepat menarik para

ilmuwan, karena itu berarti bahwa suatu rantai reaksi inti yang dapat berlangsung terus

dengan sendirinya menjadi mungkin jika neutron ekstra yang dilepaskan didalam suatu

pembelahan-inti dapat dibuat untuk memulai peristiwa pembelahan-inti tambahan.

Cacah rerata neutron yang dilepaskan didalam peristiwa pembelahan inti yang akan

meneruskan untuk memulai peristiwa pembelahan-inti yang lain dinamakan faktor pengali f.

Pemeliharaan suatu reaksi rantai mensyaratkan bahwa f lebih besar dari atau sama dengan 1.

Karena secara rerata 2,5 neutron dilepas pada setiap peristiwa belah-inti yang lain. Ini

menguntungkan, karena terdapat proses-proses yang bersaing menyingkirkan neutron dari

daerah reaksi.

2. PENAMPANG FISI

Reaksi fisi adalah suatu reaksi pembelahan, yang disebabkan oleh neutron yang secara umum

dapat ditulis sebagai:

X + n ——> X1 + X2 + (2 - 3) n + E.

Beberapa hal yang perlu diketahui dalam jenis reaksi tersebut adalah:

1) X disebut inti bahan fisil (fisile material), yang secara populer disebut "bahan bakar"

karena dalam reaksi ini dibebaskan sejumlah energi. Hanya beberapa inti dapat

bereaksi fisi yaitu 238U, 235U, 233U dan 239Pu di mana kedua unsur terakhir

merupakan unsur buatan manusia karena tidak terdapat di alam sebagai hasil dari

reaksi inti-inti 232Th dan dan 238U dengan neutron.

2) Keboleh jadian suatu inti berfisi dinyatakan dengan sf (fission microscopic cross

section = penampang fisi mikroskopik), di mana besaran tersebut tergantung dari

energi neutron yang bereaksi dengan suatu inti-tertentu. Sebagai contoh dapat

disebutkan bahwa nilai sf 238U besar pada energi neutron rendah (termal) tetapi kecil

pada energi tinggi. Sebaliknya nilai sf 238U kecil pada saat neutron berenergi besar.

Untuk 239Pu dan 233U mempunyai sf besar pada energi tinggi, oleh karena itu bahan

ini digunakan sebagai bahan bakar pada reaktor cepat.



3) Dari reaksi dihasilkan dua inti baru sebaga hasil fisi, X1 dan X2 yang berupa inti-inti

yang tidak stabil. Untuk menjadi stabil inti-inti tersebut meluruh (decay) dengan

mengeluarkan sinar-sinar maupun partikel.

4) Adanya neutron-neutron baru yang dihasilkan dari reaksi inti tersebut dapat

melanjutkan reaksi fisi hingga mungkin terjadi reaksi berantai, dan pada keadaan

tertentu bila tidak dikendalikan maka reaksi berantai tersebut dapat menjadi suatu

ledakan. Reaksi nuklir yang tidak terkendali merupakan prinsip kerja bom nuklir.

Neutron yang dihasilkan oleh fisi mempunyai energi yang tinggi, ± 2 MeV, jika fisii

diharapkan terjadi pada En rendah (energi termal 0,025 eV), maka neutron yang baru

lahir tersebut harus diturunkan energinya dahulu dengan jalan hamburan-hamburan.

Di dalarn reaktor neutron mempunyai kemungkinan-kemungkinan untuk:

a. diserap tanpa menimbulkan fisi

b. diserap mengakibatkan fisi

c. hilang dari sistim

d. hamburan

Jadi penurunan energi neutron berkompetisi dengan kemungkinankemungkinan yang lain,

dan untuk dapat menghitung masing-masing kemungkinan perlu diselidiki mekanisme reaksi

masing-masing.

3. PEMBEBASAN ENERGI PADA FISI

Reaksi fisi mengeluarkan energi total E, sebesar 200 MeV. Dengan menggunakan data

konversi satuan dan data fisika, dapat dihitung bahwa bila semua inti-inti 1 gram uranium

melakukan fisi maka kalor yang dikeluarkan setara dengan kalor yang dihasilkan oleh

pembakaran 1 ton batu bara. Jelas dari gambaran tersebut bahwa, kalor yang dikeluarkan dari

reaksi inti sangat besar.

Telah dijelaskan bahwa reaktor yang lazim dipakai saat ini bekerja atas dasar reaksi fisi

(pemecahan) inti atom. Sebagai bahan bakar umumnya digunakan Uranium 235U yang

kandungannya telah diperkaya. Uranium alam mempunyai kandungan 235U hanya sekitar 0,7

persen, selebihnya adalah 238U.

Untuk memecah inti isotop Uranium digunakan neutron lambat ('thermalneutron'). Uraniumyang menangkap neutron segera menjadi tidak stabil. Inti Uranium yang tidak stabil hanya



dapat bertahan selama kurang lebih sepertriliun detik (10-12 detik) sebelum mengalami

proses fisi menjadi inti-inti X1 dan X2 serta sekitar dua sampai t iga neutron yang siap untuk

memecah inti 235U lainnya. Kemudian ketiga neutron tadi diserap oleh inti-inti isotop

Uranium lain, tiga proses yang sama akan terjadi dengan produksi akhir sekitar sembilan

neutron. Proses berulang-ulang ini dinamakan reaksi berantai ('chain reaction') yang

merupakan prinsip kerja reaktor. Pada setiap proses pemecahan tadi, inti atom akan

melepaskan energi yang sesuai dengan hilangnya jumlah massa inti-inti di akhir proses rumus

E=mc2. Jadi jumlah energi yang dihasilkan akan sebanding dengan banyak proses yang

terjadi dan sebanding dengan jumlah neutron yang dihasilkan.

Beberapa contoh reaksi fisi dan energi yang dihasilkan dapat di lihat di bawah ini :

n + U-235 -> Ba-144 + Kr-90 + 2n + 179.6 MeV

n + U-235 -> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 173.3 MeV

n + U-235 -> Zr-94 + Te-139 + 3n + 172.9 MeV

n + U-235 -> Zr-94 + La-139 + 3n + 199.3 MeV

Untuk mengendalikan atau mengatur reaksi berantai dalam reaktor nuklir digunakan bahan

yang dapat menyerap neutron misalnya Boron dan Cadmium, yang bertujuan untuk mengatur

populasi neutron. Dengan mengatur populasi neutron ini dapat ditentukan tingkat daya raktor,

bahkan reaksi dapat dihentikan sama sekali (tingkat daya mencapai t itik 0) pada saat semua

neutron terserap oleh bahan penyerap. Perangkat pengatur populasi neutron pada reaktor ini

disebut batang kendali. Jika batang kendali disisipkan penuh diantara elemen bakar, maka



batang kendali akan menyerap neutron secara maksimum sehingga reaksi berantai akan

dihentikan dan daya serap batang kendali akan berkurang bila batang kendali ditarik

menjauhi elemen bakar.

4. TEORI FISI NUKLIR Fisi Nuklir, yaitu memisahkan nukleus dari suatu atom menjadi dua bagian yang lebih kecil

dengan sebuah neutron. Biasanya metode ini menggunakan isotop-isotop uranium seperti U-

235 atau U-233 atau dapat pula menggunakan Plutonium-239.

Reaksi fisi merupakan reaksi pembelahan nuklida menjadi dua atau lebih nuklida yang

baru .

Misalnya untuk fisi uranium dituliskan sebagai : U(n,f) hasil-hasil fisi

dimana A2 = 236 - A1- ν dan Z2 = 92 – Z1

Untuk hasil fisi berupa : energi kinetik netron dan hasil fisi , energi sinar gamma , dan

berupa energi peluruhan beta.

n X X nU Z

A

Z

A

2

2

1

1235

92

Mo Nb Zr 9742

9741

9740

BaCs Xe I Te 37

56

37

55

37

54

37

53

37

52



PEMBANGKIT

ENERGI NUKLIR

10BAHASAN



PEMBANGKIT ENERGI NUKLIR

1. Fisi Nuklir Sebagai sumber Energi

Nuklir merupakan istilah yang berhubungan dengan inti atom yang tersusun atas dua

buah partikel fundamental, yaitu proton dan neutron. Di dalam inti atom terdapat tiga buah

interaksi fundamental yang berperan penting, yaitu gaya nuklir kuat dan gaya

elektromagnetik serta pada jangka waktu yang panjang terdapat gaya nuklir lemah. Gaya

nuklir kuat merupakan interaksi antara partikel quark dan gluon yang dibahas dalam teori

quantum chromodynamics (QCD) sedangkan gaya nuklir lemah adalah interaksi yang terjadi

dalam skala inti atom seperti peluruhan beta yang dibahas dalam elecroweak theory

Energi nuklir dihasilkan di dalam inti atom melalui dua buah jenis reaksi nuklir, yaitu

reaksi fusi dan reaksi fisi. Reaksi fusi adalah suatu reaksi yang menggabungkan beberapa

partikel atomik menjadi sebuah partikel atomik yang lebih berat. Reaksi fusi dapat

menghasilkan energi yang sangat besar seperti yang terjadi pada bintang. Salah satu reaksi

contoh reaksi fusi adalah penggabungan partikel deuterium (D atau2H) dan tritium (T atau

3H) (Gambar 1.a). Langkah pertama, deuterium dan tritium dipercepat dengan arah yang

saling mendekati pada suhu termonuklir. Penggabungan antara dua buah partikel tersebut

membentuk helium-5 (5He) yang tidak stabil sehingga mengakibatkan peluruhan. Dalam

proses peluruhan ini, sebuah neutron dan partikel helium-4 (4He) terhambur disertai dengan

energi yang sangat besar, yaitu 14,1 MeV untuk penghamburan neutron dan 3,5 MeV untuk

penghamburan helium-4. Sampai saat ini, reaksi fusi belum dapat dirancang oleh manusia

karena membutuhkan suhu yang sangat tinggi. Hal ini menyebabkan pemanfaatan reaksi fusi

sebagai sumber energi listrik belum dapat direalisasikan.



Reaksi nuklir lain yang sudah dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik

adalah reaksi fisi. Reaksi fisi merupakan kebalikan dari reaksi fusi, yaitu reaksi yang

membelah suatu partikel atomik menjadi menjadi beberapa partikel atomik lainnya dan

sejumlah energi. Salah satu contoh dari reaksi fisi adalah reaksi fisi pada partikel uranium-

235 (235U) yang ditumbuk oleh sebuah neutron yang bergerak pelan (Gambar 1.b). Proses

penyerapan neutron oleh uranium-235 mengakibatkan terbentuknya partikel uranium-236

(236U) yang tidak stabil sehingga terbelah menjadi partikel krypton-92 (92Kr), barium-141

(141Br), dan beberapa neutron bebas serta sejumlah energi. Reaksi fisi dapat berlangsung

secara terus menerus yang biasa disebut dengan reaksi rantai. Dalam reaksi rantai, neutron

yang telah terhambur dari reaksi fisi dapat mengakibatkan terjadinya reaksi fisi lain sama

baiknya dengan reaksi fisi sebelumnya. Energi yang dihasilkan dari reaksi ini dapat

dikonversi menjadi energi listrik pada sebuah pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN).

Tiga hal menarik yang terjadi pada proses reaksi fisi adalah sebagai berikut:

Peluang sebuah atom U-235 menangkap sebuah neutron bernilai sangat tinggi. Dalam

sebuah reaktor yang bekerja (dikenal dengan keadaan kritis), sebuah neutron yang

terhambur dari setiap reaksi fisi dapat menyebabkan terjadinya reaksi fisi yang

lainnya.

Proses penyerapan dan penghamburan neutron terjadi dengan sangat cepat pada orde

pikosekon (1×10-12

sekon)

Jumlah energi yang dihasilkan berupa panas dan radiasi gamma luar biasa besar pada

sebuah reaksi fisi yang terjadi. Dalam reaksi ini terbentuk beberapa produk fisi dan

neutron dengan massa total yang lebih ringan dari partikel U-235 pada awal reaksi.

Perbedaan massa ini diubah menjadi energi dengan nilai yang dirumuskan dalam E =

mc2. Dalam satu kali peluruhan atom U-235 bisa dihasilkan energi sebesar 200 MeV

(1 eV = 1,6.10-19 joule). U-235 dapat bekerja dalam sebuah sampel uranium yang

diperkaya menjadi 2 sampai 3 persen. Pada senjata nuklir, komposisi U-235 mencapai

90 persen atau lebih dari sebuah sampel uranium.



Pembangkit Listri Tenaga Nulir

Energi yang dihasilkan dari reaksi fisi nuklir terkendali di dalam reaktor nuklir dapat

dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik. Instalasi pembangkitan energi listrik semacam ini

dikenal sebagai pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN).

skema pembangkit listrik tenaga nuklir

Salah satu bentuk reaktor nuklir adalah reaktor air bertekanan (pressurized water

reactor/PWR) yang skemanya ditunjukkan dalam gambar. Energi yang dihasilkan di dalam

reaktor nuklir berupa kalor atau panas yang dihasilkan oleh batang-batang bahan bakar. Kalor

atau panas dialirkan keluar dari teras reaktor bersama air menuju alat penukar panas (heat

exchanger). Di sini uap panas dipisahkan dari air dan dialirkan menuju turbin untuk

menggerakkan turbin menghasilkan listrik, sedangkan air didinginkan dan dipompa kembali

menuju reaktor. Uap air dingin yang mengalir keluar setelah melewati turbin dipompa

kembali ke dalam reaktor.

Untuk menjaga agar air di dalam reaktor (yang berada pada suhu 300 derajat celcius)

tidak mendidih (air mendidih pada suhu 100 derajat celcius dan tekanan 1 atm), air dijaga

dalam tekanan tinggi sebesar 160 atm. Tidak heran jika reaktor ini dinamakan reaktor air

bertekanan.

2. Reaksi Rantai

Dalam reaksi yang sebenarnya tidak hanya ada satu uranium saja. Terdapat banyak

sekali uranium pada suatu bahan. Jika netron cepat tidak dikendalikan, netron hasil

pembelahan fisi sebelumnya akan menumbuk uranium berikutnya sehingga menghasilkan

reaksi fisi serupa. Dalam reaksi ini dihasilkan netron yang semakin banyak sehingga reaksi

akan terus berantai. Reaksi demikian dinamakan reaksi berantai. Energi yang dihasilkan

sangat besar.



Dalam bom nuklir, netron cepat ini sengaja tidak dikendalikan sehingga

menghasilkan ledakan yang sangat dasyat. Namun, pada reaktor nuklir (PLTN), netron cepat

dikendalikan, sehingga tidak terlalu banyak netron yang terlibat dalam reaksi inti.



Reaksi rantai proton-proton

Reaksi rantai proton-proton atau reaksi rantai pp adalah salah satu dari dua reaksi fusi

yang mengubah hidrogen menjadi helium di dalam inti bintang, reaksi lainnya adalah siklus

CNO. Reaksi rantai proton-proton terutama terjadi di dalam bintang-bintang seukuran

Matahari atau lebih kecil.

Umumnya fusi proton-proton hanya dapat terjadi pada temperatur yang sangat tinggi

untuk membuat proton-proton memiliki cukup energi kinetik dalam mengatasi tolakan

Coulomb. Temperatur yang tinggi ini adalah sebab reaksi seperti ini disebut sebagai reaksitermonuklir. Teori bahwa reaksi proton-proton adalah dasar bagi Matahari dan bintang-

bintang lain bersinar diajukan oleh Arthur Eddington pada 1920-an, tetapi masalah timbul

karena temperatur Matahari didapati masih terlalu kecil untuk mengatasi penghalang gaya

Coulomb. Setelah berkembangnya mekanika kuantum, ditemukan bahwa efek terowongan

dalam fungsi gelombang proton-proton tersebut memungkinkan reaksi fusi terjadi pada

temperatur yang lebih rendah. Setiap rangkaian reaksi pp memakan waktu rata-rata 109 tahun

pada kondisi suhu inti Matahari. Karena lambatnya reaksi ini maka Matahari masih bersinar;

jika lebih cepat, Matahari sudah sejak lama menghabiskan hidrogennya.



Reaksi proton-proton merupakan reaksi berantai yang melibatkan tumbukan enam

proton dengan hasil akhir satu inti helium, dua proton, dua positron, dua neutrino, dan energi.

Dinamai reaksi proton-proton karena reaksi pertama dalam rangkaian reaksi rantai tersebut

melibatkan dua proton.

3. Reaktor Fisi

Energi yang dihasilkan dalam reaksi fisi nuklir dapat dimanfaatkan untuk keperluan

yang berguna. Untuk itu, reaksi fisi harus berlangsung secara terkendali di dalam sebuah

reaktor nuklir. Sebuah reaktor nuklir paling tidak memiliki empat komponen dasar, yaitu

elemen bahan bakar, moderator neutron, batang kendali, dan perisai beton. bakar, moderator

neutron, batang kendali, dan perisai beton.

skema reaktor nuklir

Elemen bahan bakar menyediakan sumber inti atom yang akan mengalami fusi nuklir.

Bahan yang biasa digunakan sebagai bahan bakar adalah uranium U. elemen bahan bakar

dapat berbentuk batang yang ditempatkan di dalam teras reaktor.Neutron-neutron yang

dihasilkan dalam fisi uranium berada dalam kelajuan yang cukup tinggi. Adapun, neutron

yang memungkinkan terjadinya fisi nuklir adalah neutron lambat sehingga diperlukan

material yang dapat memperlambat kelajuan neutron ini. Fungsi ini dijalankan oleh

moderator neutron yang umumnya berupa air. Jadi, di dalam teras reaktor terdapat air sebagai

moderator yang berfungsi memperlambat kelajuan neutron karena neutron akan kehilangan

sebagian energinya saat bertumbukan dengan molekul-molekul air.

Fungsi pengendalian jumlah neutron yang dapat menghasilkan fisi nuklir dalam reaksi

berantai dilakukan oleh batang-batang kendali. Agar reaksi berantai yang terjadi terkendali

dimana hanya satu neutron saja yang diserap untuk memicu fisi nuklir berikutnya, digunakan

bahan yang dapat menyerap neutron-neutron di dalam teras reaktor. Bahan seperti boron ataukadmium sering digunakan sebagai batang kendali karena efektif dalam menyerap neutron.



Batang kendali didesain sedemikian rupa agar secara otomatis dapat keluar-masuk

teras reaktor. Jika jumlah neutron di dalam teras reaktor melebihi jumlah yang diizinkan

(kondisi kritis), maka batang kendali dimasukkan ke dalam teras reaktor untuk menyerap

sebagian neutron agar tercapai kondisi kritis. Batang kendali akan dikeluarkan dari teras

reaktor jika jumlah neutron di bawah kondisi kritis (kekurangan neutron), untuk

mengembalikan kondisi ke kondisi kritis yang diizinkan.

Radiasi yang dihasilkan dalam proses pembelahan inti atom atau fisi nuklir dapat

membahayakan lingkungan di sekitar reaktor. Diperlukan sebuah pelindung di sekeliling

reaktor nuklir agar radiasi dari zat radioaktif di dalam reaktor tidak menyebar ke lingkungan

di sekitar reaktor. Fungsi ini dilakukan oleh perisai beton yang dibuat mengelilingi teras

reaktor. Beton diketahui sangat efektif menyerap sinar hasil radiasi zat radioaktif sehingga

digunakan sebagai bahan perisai.

4. Ukuran Kritis

Ukuran kritis( Critical Size) adalah Dimensi fisik minimum teras reaktor atau perangkat

yang dapat membuat kekritisan untuk suatu susunan geometri dan komposisi bahan tertentu.

Berdasarkan kenyataan ini diperkenalkanlah ukuran kriris sistem uranium-moderator,

ukuran ketika jumlah neutron yang dihasilkan dalam reaksi fisi mengimbangi jumlah neutron

yang hilang karena kebocoran atau tertangkap oleh inti berat lain. Ukuran kritis bergantung

pada komposisi isotop uranium serta bahan moderator baik bentuk dan susunan bahan-

bahannya) dan adanya bahan-bahan lain yang dapat menyebabkan terjadinya tangkapan

neutron tambahan yang tak diinginkan.

Bila ukuran sistem uranium-moderator lebih kecil daripada ukuran kritis [subkritis], maka

neutron yang hilang akan lebih banyak daripada yang dihasilkan oleh fisi. Dalam hal ini,

reaksi fisi berantai tak akan berlangsung lama. Sebaliknya , ukuran Sistem yang sama ataulebih besar daripada ukuran kritis ( super kritis) akan mempertahankan reaksi fisi

berlangsung lama .



Jika k <1, rata-rata, neutron terlalu sedikit menginduksi fisi lebih lanjut dan

sehingga reaksi berantai berhenti. Ini disebut keadaan subkritis .

jika k = 1, rata-rata, setidaknya salah satu neutron dilepaskan dari fisi inti masing-

masing menginduksi fisi inti lain. rantai reaksi akan berlangsung mandiri dan

menghasilkan energi pada tingkat yang stabil. ini disebut kondisi kritis.

Jika k> 1, rata-rata, neutron lebih menginduksi fisi lebih jauh dari yang

diserap atau hilang. Tingkat di mana proses menghasilkan energi akan

tumbuh secara eksponensial, reaksi ini berakhir hanya ketika fisil sumber daya

sistem telah habis. Ini disebut keadaan superkritis .

5. Reaksi Termonuklir

Sudah sejak lama orang memikirkan dari mana asal energi matahari yang begitu panas

dan setiap hari dipancarkan ke bumi, namun sampai saat ini belum juga habis sumber energi

tersebut. Sampai dengan pertengahan abad ke 19, pada saat orang belum mengenal reaksi

nuklir, orang masih menganggap bahwa energi matahari berasal dari bola api besar yang

sangat panas. Kalau benar bahwa matahari berasal dari bola api besar, lantas timbul pertanyaan apa yang menjadi bahan bakar bola api tersebut? Para ilmuwan pada saat itu



belum bisa menjawab dengan tepat. Mungkinkah kayu, batubara, minyak atau bahan bakar

lainnya yang terdapat di matahari yang dibakar berdasarkan reaksi kimia biasa sehingga

timbul bola api besar tersebut? Kalau benar bahan-bahan tersebut dibakar untuk

menghasilkan energi matahari, maka berdasarkan perhitungan reaksi kimia, energi yang

dihasilkan hanya dapat bertahan beberapa ribu tahun saja. Setelah itu matahari akan padam.

Padahal matahari telah memancarkan energinya sejak ratusan juta bahkan orde milyard tahun

yang lalu. Dengan demikian maka anggapan bahwa sumber energi matahari tersebut berasal

dari kayu, batubara, minyak atau bahan bakar lainnya adalah tidak benar. Para ahli astronomi

dan juga astrofisika pada saat ini telah memperkirakan bahwa unsur-unsur kimia yang ada di

bumi juga terdapat di matahari. Akan tetapi sebagian besar unsur kimia yang terdapat di

matahari tersebut, sekitar 80% berupa gas Hidrogen. Sedangkan unsur kedua yang banyak

terdapat di matahari adalah gas Helium, kurang lebih sebanyak 19 % dari seluruh massa

matahari. Sisanya yang 1 % terdiri atas unsur-unsur Oksigen, Magnesium, Nitrogen, Silikon,

Karbon, Belerang, Besi, Sodium, Kalsium, Nikel serta beberapa unsur lainnya. Unsur-unsur

kimia tersebut bercampur menjadi satu dalam bentuk gas sub atomik yang terdiri atas inti

atom, elektron, proton, neutron dan positron. Gas sub atomik tersebut memancarkan energi

yang amat sangat panas yang disebut "plasma". Energi matahari dipancarkan ke bumi dalam

berbagai macam bentuk gelombang elektromagnetis, mulai dari gelombang radio yang

panjang maupun yang pendek, gelombang sinar infra merah, gelombang sinar tampak,

gelombang sinar ultra ungu dan gelombang sinar -x. Secara visual yang dapat ditangkap oleh

indera mata adalah sinar tampak, sedangkan sinar infra merah terasa sebagai panas. Bentuk

gelombang elektromagnetis lainnya hanya dapat ditangkap dengan bantuan peralatan khusus,

seperti detektor nuklir berikut piranti lainnya. Pada saat matahari mengalami plage yang

mengeluarkan energi amat sangat panas, kemudian diikuti terjadinya flare yaitu semburan

partikel sub atomik keluar dari matahari menuju ke ruang angkasa, maka pada sistem

matahari diperkirakan telah terjadi suatu reaksi thermonuklir yang sangat dahsyat. Keadaan

ini diduga pertama kali pada tahun 1939 oleh seorang ahli fisika Amerika keturunan Jerman

bernama Hans Bethe. Menurut Bethe, energi matahari yang amat sangat panas tersebut

disebabkan oleh karena terjadi reaksi fusi atau penggabungan inti ringan menjadi inti yang

lebih berat. Reaksi thermonuklir yang berupa reaksi fusi tersebut adalah penggabungan 4 inti

Hidrogen menjadi inti Helium, berdasarkan persamaan reaksi inti berikut ini:



(H1 + H1 -> H2 + Beta+ + v + 0,42 MeV) x 2

(H1 + H2 -> He3 + Gamma + 5,5 MeV) x 2

He3 + He3 -> He4 + 2H1 + 12,8 MeV

---------------------------------------- +

H1 -> He4 + 2Beta+ + 2Gamma + 2v + 24,64 MeV

Menurut Bethe, reaksi inti yang serupa reaksi fusi tersebut di atas, dapat

menghasilkan energi panas yang amat sangat dahsyat. Selain dari itu, karena sebagian besar

massa matahari tersebut tersusun oleh gas Hidrogen (80%) dan gas Helium (19%), maka

masih ada kemungkinan terjadinya reaksi fusi lain berdasarkan reaksi rantai proton-proton

sebagai berikut:

H1 + H1 -> H2 + Beta+ + v

H1 + H2 -> He3 + Gamma

He3 + He4 -> Be7 + Gamma

Be7 + Beta+ -> Li7 + Gamma + v

------------------------------------ +

Li7 + H1 -> He4 + He4

Terbentuknya gas Helium berdasarkan reaksi thermonuklir tersebut di atas juga

menghasilkan energi yang amat sangat panas. Kemungkinan lain, gas Helium juga dapat

terbentuk melalui reaksi nuklir berikut ini :

Be7 + H1 -> B8 + Gamma

B8 -> Be8 + Beta+ + v

Be8 -> He4 + He4

Walaupun reaksi inti tersebut di atas sudah dapat menghasilkan energi yang amat

sangat panas, ternyata masih ada kemungkinan lain untuk terjadinya reaksi thermonuklir

matahari yang menghasilkan energi yang jauh lebih dahsyat dan lebih panas lagi. Reaksi

thermonuklir tersebut akan mengikuti reaksi inti rantai Karbon - Nitrogen sebagai berikut :

C12 + H1 -> N13 + Gamma

N13 -> C13 + Beta+ + v

C13 + H1 -> N14 + Gamma



N14 + H1 -> O15 + Gamma

O15 -> N15 + Beta+ + v

N15 + H1 -> C12 + He4

Reaksi ratai Karbon - Nitrogen tersebut di atas, menghasilkan panas yang jauh lebih

panas dari pada reaksi rantai Proton - Proton maupun reaksi fusi Hidrogen menjadi Helium.

Reaksi-reaksi thermonuklir tersebut di atas dapat terjadi di matahari dan juga di bintang-

bintang yang tersebar di jagat raya ini. Reaksi thermonuklir sejauh ini dianggap sebagai

sumber energi matahari maupun energi bintang. Bintang yang bersinar lebih terang dari pada

matahari kita yang berarti pula bahwa suhunya jauh lebih panas, maka reaksi thermonuklir

yang terjadi pada bintang tersebut pada umumnya akan mengikuti reaksi rantai Karbon -

Nitrogen.

6. Partikel Elementer

Sifat – sifat atom dapat dipelajari cukup menggunakan tiga partikel penyusunnya,

yaitu proton, netron serta elektron. Saat itu dipercaya hanya ketiga partikel inilah yang

merupakan partikel terkecil penyusun materi. Namun demikian pandangan seperti ini menjadi

berubah ketika pada peluruhan b terlibat partikel lainnya yaitu positron, neutrino dan

antineutrino. Partikel – partikel ini menambah panjang daftar partikel elementer.

Pada pembahasan tentang gaya ikat inti telah dikemukakan bahwa inti atom terdiri

atas proton yang bermuatan listrik positif dan netron yang tidak bermuatan listrik. Nukleon

ini dapat bersatu di dalam inti atom karena adanya gaya ikat inti atau interaksi kuat. Hideki

Yukawa mengemukakan hipotesanya bahwa gaya ikat inti terjadi karena ada partikel yang

bertanggungjawab yaitu meson. Nama aslinya adalah mesotron berasal dari kata Yunani yang

artinya pertengahan (middle) karena diprediksi massa partikel ini antara massa elektron dan

massa proton.

Pada saat itu akselerator yang sudah dibuat belum ada yang mampu menghasilkan

partikel dengan energi yang cukup untuk membuktikan hipotesa Yukawa. Satu – satunya cara

membuktikan keberadaan meson adalah dengan mengamati partikel – partikel yang

dihasilkan oleh sinar kosmis ketika menumbuk atmosfir bumi. Hipotesa meson diakui

keberadaannya ketika teramati ada partikel dari sinar kosmis dengan massa sekitar 100

MeV/c2, sangat dekat dengan perkiraan Yukawa tetapi dengan jejak yang panjang di dalam

zat mampat. Menurut hipotesa meson memiliki jangkau yang pendek di dalam zat mampat



karena partikel ini berinteraksi sangat kuat dengan inti. Barulah tahun 1947 C. F. Powell dan

grupnya melaporkan keberadaan dua buah meson, meson berat dengan massa~ 150 MeV

meluruh menjadi meson ringan ~ 100 MeV. Meson berat adalah meson yang diprediksi oleh

Yukawa dan sekarang dinamakan p meson (pion) dan meson ringan dinamakan muon yang

nama aslinya adalah m-meson. Partikel – partikel ini melengkapi partikel elementer yang

telah disebutkan di muka. Perlu kiranya ditambahkan di sini bahwa interaksi elektromagnetik

memerlukan partikel elementer photon.

Jumlah partikel baru diketemukan bertambah pesat dengan tersedianya akselerator.

Partikel yang semula dikira elementer ternyata tersusun atas partikel – partikel yang lebih sub

elementer. Reaksi antara nucleon dapat menghasilkan partikel baru yang jumlahnya ratusan

jenis dan diyakini semuanya tersusun atas partikel subfundamental yang dinamakan quark .

Antara dua buah massa yang teripsah terdapat gaya interaksi gravitasi. Menurut

perhitungan Fisika Teori dipercaya bahwa interaksi gravitasi melibatkan partikel yang

dinamakan graviton walaupun partikel ini sampai sekarang belum dapat dibuktikan

kebenarannya melalui pengamatan. Dengan demikian graviton juga dapat dimasukkan

sebagai partikel elementer.

Klasifikasi Partikel

Semua partikel Fisika dipengaruhi oleh empat buah gaya yaitu :

a. Gaya kuat, yang bertanggung jawab pada ikatan inti.

b. Gaya elektromagnetik, dengan kekuatan sekitar 1/100 gaya kuat.

c. Gaya lemah, misalnya pada peluruhan b, kira – kira 10-13 gaya kuat

d. Gaya gravitasi, kekuatannya sekitar 10-38

gaya kuat.

Berdasarkan jenis interaksinya, partikel dapat dikelompokkan menjadi sebagai berikut:

Tabel Kelompok partikel berdasarkan jenis interaksi

Interaksi

lemah

Interaksi

elektromagnetik

Interaksi

kuat

e e p



m m K

n p p

p K n

K p L

p n

n L

L

Kumpulan Materi Fisika Inti

Documents

Transcript of Kumpulan Materi Fisika Inti