Tugas MakalahFisika Inti

TEORI MESON GAYA NUKLIR

Anggota KelompokIskandar (A1C3 07 011)Nursaleh (A1C3 07 068)Ariono (A1C3 07 049)Afiludin (A1C3 07 064)Rahman Saida (A1C3 07 028)La Asri (A1C3 07 050)Verlin Yandi G. (A1C3 07 082) Arini (A1C3 07 061)Andi Royani (A1C3 07 071)Muh. Ikhsan (A1C3 07 062)Aridal (A1C3 07 070)Irman (A1C3 07 076)Abd. Rahman (A1C3 06 045)

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS HALUOLEO

KENDARI

2010

TEORI MESON GAYA NUKLIR

Dalam ikatan kimia terlihat bahwa sebuah molekul saling mengikat dengan

pertukaran elektron antara atom komponennya. Apakah mungkin mekanisme yang serupa

bekerja dalam inti dengan nukleon komponen saling mengikat dengan pertukaran sejenis

partikel antara nukleon itu ? Pada tahun 1932 oleh Heisenberg yang mengusulkan

pendekatan bahwa elektron dan positron bolak balik antar nukleon. Sebuah netron

memancarkan elektron dan menjadi proton, sedangkan sebuah proton dapat menyerap

elektron menjadi sebuah neutron. Pendekatan ini tidak tepat karena ternyata gaya yang

dihasilkan dalam pertukaran elektron dan positron terlalu kecil untuk berperan dalam

struktur nuklir. Perhitungan berdasarkan data peluruhan beta menunjukkan bahwa gaya

yang timbul dari pertukaran elektron dan positron oleh nukleon terlalu kecil dengan faktor

1014 supaya berperan dalam struktur nuklir. Seorang fisikawan Jepang Hideki Yukawa

lebih berhasil dengan pengusulannya yang dianjurkan dalam tahun 1935 yang menyatakan

bahwa terdapat partikel dengan besar massa antara elektron dan nukleon yang

bertanggung jawab atas adanya gaya nuklir.

Sekarang partikel ini disebut pion. Pion dapat bermuatan (π+,π-) atau netral (π0), dan

merupakan anggota kelas partikel elementer yang secara kolektif disebut meson; kata pion

ialah singkatan dari nama asalnya π meson. Menurut teori meson semua nukleon

mengandung inti-inti identik dikitari oleh awan yang mengandung satu atau lebih meson.

Meson-meson mungkin netral atau membawa suatu muatan positif atau negatif.

Menurut teori Yukawa, setiap nukleon terus-menerus memancarkan dan menyerap

pion. Jika terdapat nukleon lain didekatnya, pion yang dipancarkan dapat menyebrang alih-

alih kembali ke nukleon induknya; transfer momentum yang menyertainya setara dengan

aksi gaya. Gaya nuklir saling tolak pada jangkauan sangat pendek dan saling tarik pada

jarak nukleon-nukleon yang agak jauh, karena jika tidak demikian maka nukleon dalam

inti akan menyatu dan salah satu kekuatan teori meson untuk gaya seperti ialah kedua

aspek itu tercakup. Tidak terdapat cara sederhana untuk menunjukkan yang pertama secara

formal, tetapi analogi yang kasar dapat mengurangi misteri konsep tersebut. Marilah kita

bayangkan dua orang anak yang saling menukar bola basket (gambar 2).

Gaya tolak yang timbul karena pertukaran partikel

Gaya tarik yang timbul karena pertukaran partikel

Gambar 2. Gaya tarik dan tolak keduanya dapat timbul dari pertukaranpartikel

Jika mereka saling melempar bola itu, anak itu bergerak mundur, dan ketika mereka

menangkap bola yang dilemparkan kepadanya, momentum mundurnya bertambah. Jadi

metode pertukaran bola basket ini menghasilkan efek yang sama sebagai gaya tolak antara

anak-anak itu. Jika anak-anak itu saling mengambil bola basket dari tangan anak lainnya,

hasilnya ialah gaya tarik timbul di antara mereka.

Suatu persoalan pokok timbul di sini, jika nukleon berkesinambungan memancarkan

dan menyerap pion, mengapa neutron dan proton tidak pernah didapatkan mempunyai

massa yang lain dari massa biasanya ? Jawabannya terletak pada prinsip ketaktentuan.

Hukum fisika hanya mengacu pada kuantitas terukur, dan prinsip ketaktentuan membatasi

ketepatan suatu kombinasi pengukuran yang dapat dilakukan. Pemancaran sebuah pion

oleh sebuah nukleon yang tidak berubah massa merupakan pelanggaran yang jelas terhadap

hukum kekekalan energi dapat terjadi asal saja nukleon itu menyerap kembali pion lain

yang dipancarkan oleh nukleon tetangga, sehingga secara prinsip tidak bisa ditentukan

apakah sebenarnya terjadi perubahan massa dari prinsip ketaktentuan dalam bentuk.

∆ E ∆ t ≥ћ2

Suatu kejadian dimana sejumlah energi ∆ E tak kekal tidak dilarang, asal saja selang waktu

kejadian itu tidak melebihi ћ2

∆ E . persyaratan ini dapat dipakai untuk memperkirakan

massa pion

Marilah kita anggap sebuah pion bergerak di antara nukleon-nukleon dengan kelajuan V

c (tentu saja sebenarnya V ¿ c); ini berarti pemancaran pion bermassa mπ

menyatakan penyimpanan energi sementara sebesar ∆ E∼m π c2 (energi kinetik pion

diabaikan; dan bahwa ∆ E ∆ t∼ћ . Gaya inti memiliki jangkauan maksimum r sekitar 1,7

fm dan waktu ∆ t yang diperlukan untuk menempuh jarak sejauh itu, yaitu:

∆ t= rv∼ r

c

Kita dapatkan :

∆ E ∆ t∼ћ

(mπc2 ¿ (rc

) ∼ћ

mπ ∼ћrc

sehingga menghasilkan mπ sebagai berikut :

mπ ∼1,05 X 10−34 J . s

(1,7 X 10−15 m) X ¿¿ ∼ 2,1 X 10−28kg

besaran itu kira-kira 230 kali massa-diam elektron me . Beberapa tahun setelah usul

Yukawa, partikel yang sifatnya telah diramalkannya betul-betul ditemukan. Massa diam

pion bermuatan adalah 273 me dan pion neutral ialah 264 me ,tidak jauh dari perkiraan di

atas.

Terdapat dua faktor yang menyebabkan ditemukannya pion bebas agak terlambat.

Pertama, harus terdapat energi yang cukup untuk diberikan pada nukleon, sehingga

pemancaran sebuah pion memenuhi kekekalan energi. Jadi sekurang-kurangnya energi

sebesar mπ c2 atau sekitar 140 MeV diiperlukan. Untuk menyediakan energi sebesar itu

untuk nukleon dalam suatu tumbukan, partikel yang datang harus berenergi kinetik jauh

lebih besar dari mπ c2 supaya momentum dan energinya kekal. Partikel dengan energi

kinetik beberapa ratus MeV diperlukan untuk menghasilkan pion bebas, dan partikel seperti

itu terdapat dalam alam hanya dalam arus difusi radiasi kosmik yang datang ke bumi. Jadi

penemuan pion harus menunggu perkembangan metoda yang cukup peka dan tepat dalam

penelitian interaksi sinar-kosmik. Baru-baru ini pemercepat (akselerator) mulai bekerja;

alat itu dapat menghasilkan energi partikel yang diperlukan, dan pion yang terjadi dengan

pertolongan alat itu dapat dipelajari langsung.

Penyebab kedua tertundanya penemuan eksperimental dari pion ialah

ketakmantapan; umur rata-rata pion bermuatan ialah 2,6 x 10−8 s dan pada pion netral ialah

8,4 x 10−17 s. untuk π0 demikian pendeknya sehingga keberadaannya baru didapatkan

secara meyakinkan dalam tahun 1950.

Walaupun teori meson gaya nuklir masih jauh dari keterangan lengkap mengenai

sifat nuklir seperti teori kuantum dari atom dapat menerangkan sifat atomik, tetapi teori itu

telah berhasil menerangkan beberapa hasil pengamatan yang cukup membingungkan orang.

Misalnya melalui analogi dengan momen magnetik elektron. Kita bisa mengharapkan

momen magnetik proton ialah e ћ/2 mp dan neutron yang tak bermuatan momen

magnetiknya 0. Kenyataannya momen magnetik proton ialah 2,8 (e ћ/2 mp) dan netron

ialah -1,9 (e ћ/2 mp). Kelihatannya cukup nalar untuk menerangkan penemuan ini dengan

menyatakan pion bermuatan terus-menerus dipancarkan dan diserap oleh nukleon sehingga

selalu berada disekitar nukleon itu. Karena pion yang dipancarkan proton ialah π0 dan π+¿¿

, momen magnetiknya akan lebih besar dibandingkan dengan tanpa pion, seperti hasil

pengamatan; dan karena pion yang dipancarkan netron ialah π0 dan π−¿ ¿, momen

magnetiknya harus bertanda berlawanan dengan proton, sesuai dengan pengamatan.

Meson yang lebih berat dari pion juga ditemukan, massanya ternyata seribu kali

lebih besar dari massa elektron. Kontribusi meson pada gaya nuklir menurut persamaan

11.4 terbatas pada jarak yang lebih pendek dari pada karakteristik pion.

Beberapa tahun sebelum hasil Yukawa, telah diusulkan terdapanya pertukaran

partikel sebagai mekanisme untuk interaksi yang berbeda yang merupakan penyebab dari

gaya elektromagnetik. Dalam kasus ini partikelnya ialah foton, dan karena foton tak

bermassa, jangkauan gayanya tidak terbatas seperti dalam persamaan 11.14. namun, lebih

besar jarak antara kedua muatan, lebih kecil energi foton yang dipertukarkan di antara

muatan itu (jadi, lebih kecil momentum foton lebih lemah gaya yang ditimbulkannya)

supaya prinsip ketaktentuan tidak terlanggar. Karena hal inilah gaya listrik mengecil

tterhadap jarak. Karena foton yang dipertukarkan antara muatan listrik dalam interaksi itu

tidak bisa dideteksi, foton itu disebut foton virtual; seperti dalam kasus pion, foton virtual

dapat menjadi foton real jika terdapat energi cukup untuk membebaskannya dari kendala

kekekalan energi. Idea foton sebagai pembawa gaya elektromagnetik sangat menarik dalam

anyak hal, satu-satunya yang jelas ialah untuk menerangkan mengapa gaya sepert itu

diteransmisikan (dijalankan) denga n kelajuan cahaya, bukan serentak. Seperti kemudain

dikembangkan dalam elektrodinamika kuantum dan kesimpulannya ternyata tepat cocok

dengan data dari gejala seperti fotolistrik dan efek Compton, produksi pasangan dan

pemusnahan, bremsstrahlung, dan pemancaran foton oleh atom tereksitasi.

Untuk menunjukkan bahwa jangkauan dari gaya nuklir tertarik dengan massa zarah

yang dipertukarkan yang terjadi diantara kedua proton. Asumsikan bahwa secara normal

meson π0 terkandung secara virtual (maya) dalam satu dari kedua proton. Massa objek ini

adalah Mp, massa proton. Sekarang anggaplah bahwa dari waktu ke waktu proses tersebut

mengalami disosiasi dalam sebuah meson π0 nyata (real) dan sebuah proton. Massa dari

objek ini menjadi Mp + mπ . Sesuai dengan ungkapan prinsip ketidakpastian Heisenberg,

maka jangka waktu disosiasi diperkenalkan jika tidak memakan waktu lebih besar dari t:

T .. /∆E …………………………………………(3.1)ℏ

Bertolak dari gambar 3.2 diperoleh :

∆E = (Mp + mπ)c2 – MpC2

∆E = mπC2 ………………………………………………………….(3.2)

Jarak terjauh yang dapat ditempuh meson dalam selang waktu tersebut adalah :

rmax ……..ct …………………………………………………………..(3,3)

dengan C adalah kecepatan cahaya. Dengan demikian :

rmax …..

ℏm