BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

B. Rumusan Masalah

1. Bagaimanakah spin inti suatu atom?

2. Bagaimanakah momen magnetik inti suatu atom?

3. Bagaimanakah momen listrik inti suatu atom?

4. Bagaimanakah astrofisika nuklir terjadi pada matahari (bintang)?

C. Tujuan

1. Mengidentifikasi spin inti suatu atom

2. Mengidentifikasi momen magnetik inti suatu atom?

3. Mengidentifikasi momen listrik inti suatu atom?

4. Mengidentifikasi astrofisika nuklir terjadi pada matahari (bintang)?

BAB II

PEMBAHASAN

A. Spin Inti

1. Bilangan kuantum Magnetik

Sebelum membahas lebih jauh mengenai spin inti, berikut penjelasan

tentang kuantum magnetik spin yang berguna dalam memahami spin inti.

Bilangan kuantum magnetik spin disimbolkan dengan ms pada pembahasan

elektron. Sementara untuk inti disimbolkan dengan mI (di mana I adalah

bilangan kuantum spin inti). Bilangan kuantum magnetik spin berhubungan erat

dengan momentum sudut intrinsik. Momentum sudut intrinsik adalah

momentum sudut yang terdapat dalam partikel itu sendiri. Momentum sudut

intrinsik elektron tidak bergantung pada momentum sudut orbitalnya.

Dalam pembahasan elektron mengelilingi inti atom akan menghasilkan

medan magnetik. Medan magnetik ini akan berinteraksi dengan medan

magnetik akibat momentum sudut elektron. Pauli menyebutkan bahwa bilangan

kuantum yang berhubungan dengan momentum sudut intrinsik elektron ini

dengan nama bilangan kuantum magnetik spin yang memiliki nilai ms=+1/2

dan ms=-1/2.

Untuk menjelaskan lebih lanjut ide Pauli. Goudsmit dan Uhlenbeck

memisalkan elektron seperti bola pejal bermuatan. Momentum sudut intrinsik

elektron dianggapnya sebagai akibat puntiran elektron yang berputar terhadap

sumbunya (seperti rotasi bumi). Pada waktu elektron berpuntir berlawanan arah

gerak jarum jam, elektron mempunyai bilangan kuantum magnetik spin

ms=+1/2 dan ketika berpuntir searah jarum jam ms=-1/2.

Besarnya momentum sudut intrinsik atau spin (puntiran) elektron ini

diberikan oleh rumus S=ℏ√(s(s+1)) dengan s=1/2 (s dinamakan bilangan

kuantum spin). Proyeksi spin elektron ini pada sumbu z diberikan oleh SZ=ms

ℏ dengan ms menyatakan bilangan kuantum magnetik spin.

Selain elektron, partikel lain yang juga memiliki spin adalah proton dan

neutron.

Besar spin proton dan neutron sama dengan spin elektron, yaitu :

S=ℏ√(1/2(1/2+1))=√3/2ℏ Bilangan kuantum spin proton dan neutron adalah ½.

Hal ini karena harus memenuhi ketentuan seperti yang dinyatakan oleh Fermi-

Dirac. Fermi-Dirac menyatakan, Partikel elementer penyusun materi yang

berada pada kolom pertama, kedua dan ketiga (12 partikel) masuk dalam

kategori fermion, partikel-partikel tersebut mematuhi kaidah yang berlaku pada

statistika Fermi-Dirac (dikemukakan oleh Enrico Fermi dan Paul Dirac secara

terpisah) diantaranya adalah , memiliki spin kelipatan ½, mematuhi prinsip

eksklusi Pauli dan fungsi gelombangnya bersifat antisimetri. Sedangkan yang

berada pada kolom terakhir (4 partikel) masuk kategori boson. “Mereka” adalah

partikel elementer yang menjadi mediator (perantara) pada proses terjadinya

suatu interaksi dan mematuhi statistika Bose-Einstein (dikemukakan oleh

Satyendra Nath Bose dan Albert Einstein secara terpisah) diantaranya adalah

memiliki spin kelipatan bilangan bulat, tidak mematuhi prinsip eksklusi Pauli

dan fungsi gelombangnya bersifat simetris.

Bagian yang berwarna ungu adalah partikel yang masuk kategori quark.

Terdapat 6 jenis quark yaitu: up, down, charm, strange, top dan bottom. Murray

Gell-Mann memberi nama partikel tersebut dengan sebutan quark setelah ia

mendengar bunyi bebek (kwork kwork kwork) dan membaca buku karangan

James joyce yang berjudul Finnegans Wake yang didalamnya terdapat kata

quark. Di alam semesta, quark tidak ditemukan “seorang diri” melainkan berada

secara bersama dalam suatu partikel komposit bernama hadron. Salah satu jenis

partikel hadron adalah proton.

Photon mempunyai spin S=ℏ√(1(1+1) )=ℏ√2 dan bilangan kuantum spin

photon s=1.

2. Spin Inti

Proton dan netron mempunyai sudut intrinsik yang disebut spin. Spin S ini

berperilaku seperti momentum sudut, namun tidak tergantung pada gerak

orbital. Hal serupa juga dinyatakan dalam pembahasan tentang spin elektron.

Bahwa dalam usaha untuk menerangkan struktur halus garis spektral dan efek

Zeeman anomalous, S.A. Goudsmit dan G.E. Uhlenbeck pada tahun 1925

mengusulkan bahwa elektron memiliki momentum sudut intrinsik yang bebas

dari momentum sudut orbitalnya dan berkaitan dengan momentum sudut itu

terdapat momen magnetik.

Apa yang ada dalam pikiran Goudsmit dan Uhlenbeck ialah suatu

gambaran klasik dari elektron sebagai bola yang bermuatan yang berpusing

pada sumbunya. Hal ini tentunya berlaku pada permasalahan inti atom. Proton

dan netron pun secara gambaran klasik berpusing pada sumbunya sehingga

memiliki sudut intrinsik yang disebut spin.

Spin inti SI berhubungan dengan bilangan kuantum spin inti I sebagai

S_I=ℏ√(I(I+1)) Bilangan kuantum spin inti I digunakan untuk memerikan

momentum sudut spin inti SI. Harga yang diperbolehkan untuk bilangan

kuantum spin proton dan neutron adalah I=1/2 seperti halnya pada spin

elektron. Persyaratan ini datang dari teori Dirac dan dapat juga diperoleh secara

empiris dari data spektral. Dalam penurunan rumusnya Dirac menyatakan

bahwa sebuah partikel yang mempunyai massa dan muatan seperti elektron

(maupun proton dan neutron) harus memiliki momentum sudut intrinsik dan

momen magnetik seperti yang diusulkan Goudsmit dan Uhlenbeck.

Jika I=1/2 S_I=ℏ√(I(I+1))=ℏ√(1/2(1/2+1))=√3/2 ℏ Momentum sudut spin

inti Kuantisasi ruang spin inti diperikan oleh bilangan kuantum magnetik spin

ms. Seperti halnya momentum sudut orbital boleh memiliki orientasi 2l+1

dalam medan magnetik dari +l hingga –l, vektor momentum sudut spin inti

dapat meiliki 2I+1=2 orientasi yang diberi spesifikasi oleh mI=+1/2 dan mI=-

1/2.

Komponen Sz momentum sudut spin inti sepanjang arah medan magnetik

dalam arah z ditentukan oleh bilangan kuantum magnetik spin, sehingga

S_Z=m_I ℏ=±1/2 . ℏ

Gambar 1. Partikel selain berputar pada orbit juga berputar pada porosnya.

Keterangan:

Suatu partikel bermuatan bermassa tertentu yang bergerak melingkar dengan

kecepatan tertentu mempunyai momentum angular.

Momentum angular merupakan besaran vektor dengan besar ℓħ dan arah tegak

lurus terhadap arah gerakan.

Partikel selain berputar pada orbit juga berputar pada porosnya (spin) sehingga

memiliki momentum angular spin, yaitu spin up (+1/2ħ) dan spin down ( -

1/2ħ).

Inti dibagi 4 klasifikasi berdasarkan jumlah proton-neutronnya, yaitu inti

genap-genap, genap-ganjil, ganjil-genap, dan ganjil-ganjil.

Beberapa Hasil Pengukuran Spin Inti

Tabel 1 Hasil Pengukuran spin inti

Nukleon dengan A genap atau ganjil jumlah momentum angularnya genap.

Namun, momentum angular spinnya merupakan bilangan bulat jika A genap

dan bilangan setengahan bila A ganjil.

Harga total momentum angular spin inti sangat kecil karena pengaruh gaya

antar bukleon-nukleon yang berkecenderungan membentuk pasangan nukleon

stabil

B. Momen Magnetik Inti

Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik

yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi denganmomentum sudut suatu

objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah

berperilaku seperti ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ),

dengan elektron, proton, dan neutron semuanya memiliki spin ½ ħ, atau "spin-½".

Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain memiliki spin juga

memiliki momentum sudut orbital, manakala inti atom memiliki momentum sudut

pula oleh karena spin nuklirnya sendiri.

Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen

magnetik) ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini.

Namun, kontribusi yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh karena elektron

mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang dapat ditemukan

pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama

lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang

satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling

menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa

atom berjumlah elektron genap.

Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron

yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifatferomagnetik. Orbital-

orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan

keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling

berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik

atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat

menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang

bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun

acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik

tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan

magnet.

Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak

oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti

xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara

signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama.

Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang

penting dalam pencitraan resonansi magnetik.

Di dalam inti atom nukleon dapat dianggap menjalani gerak orbital. Untuk

proton, hubungan antara momen magnetik Mp dengan momentum sudut orbital

proton Lp memenuhi M_lp=(e/ 〖2m〗_p ) L_p Komponen momen magnetik

proton dalam arah sumbu z memenuhi : M_lpz=(e/ 〖 2m 〗 _p ) L_pz Dengan

L_pz= m_1 ℏ. Nilai skalar besaran momen magnetik sudut orbital proton dalam

arah sumbu z dapat dinyatakan : M_lpz=(eℏ/〖2m〗_p ) m_l=m_l μ_N Dengan

μ_N  adalah magneton nuklir. Karena selain menjalani gerak orbital proton juga

mengalami gerak spin, maka hubungan antara momen magnetik spin proton Msp

dengan momentum sudut spin proton Sp memenuhi : M_sp=g_s (e/〖2m〗_p )

S_p Selanjutnya nilai skalar momen magnetik sudut spin proton dalam arah

sumbu z : M_spz=g_s (eℏ/〖2m〗_p ) m_s=〖g_s m〗_s μ_N Dengan cara yang

sama hubungan antara momen magnetik sudut spin dan momentum sudut spin

untuk neutron memenuhi : M_sn=g_s (e/〖2m〗_n ) S_n Selanjutnya nilai skalar

momen magnetik sudut spin neutron dalam arah sumbu M_snz=g_s

(eℏ/ 〖 2m 〗 _n ) m_s= 〖 g_s m 〗 _s μ_N Dengan g_s  adalah tetapan

giromagnetik, yang nilainya bergantung pada jenis nukleon.

Untuk proton memiliki g_s=+5,5855, yang menunjukkan bahwa M_sp

sejajar dan searah (paralel) dengan S_p. Sedangkan untuk neutron memiliki g_s=-

3,82633. Hal ini berarti bahwa M_sn sejajar tetapi berlawanan (anti-paralel) arah

dengan S_n. Untuk inti atom hubungan antara momen magnetik nuklir dengan

spin nuklir memenuhi :M_l=g_s μ_N IMomen magnetik nuklir dalam arah sumbu

z M_lz=g_l μ_N I_z=g_l μ_N m_l ℏDengan g_l  adalah tetapan giromagnetik

nuklir,   I_z  adalah m_l ℏ,m_l  adalah bilangan kuantum spin nuklir.

Keterangan:

a. Suatu partikel bermuatan yang bergerak di dalam atom atau inti dapat

menimbulkan sifat listrik dan medan magnet.

b. Massa proton = 1836 x massa elektron sehingga harga momen magnetik

proton adalah1/1836 x Bohr Magneton dan digunakan sebagai satuan momen

magnetik inti, disebut Nuklir Magneton (NM).

c. μ(spin elektron) = 9,2838.10-21erg per gauss

d. 1 NM = 1/1836 Bohr Magneton(BM) = 5,05 x 10-24 erg gauss-1

e. Inti tertentu mempunyai momentum angular yang dinyatakan dengan bilangan

spin inti(I). Bila berada di daerah medan magnet, maka Ia kan mengambil

orientasi sebanyak 2I+ 1 relatif terhadap medan magnet.

C. Momen Listrik Inti

Sebuah quadrupole atau kuadrapol adalah salah satu dari urutan konfigurasi-

untuk biaya misalnya-listrik atau arus, atau gravitasi massa yang bisa eksis dalam

bentuk yang ideal, tetapi biasanya hanya bagian dari ekspansi multipole dari

struktur yang lebih kompleks mencerminkan berbagai perintah kompleksitas.

Momen kuadrupol inti pertama kali dideteksi oleh Schuler dan Schmidt pada

tahun 1935 pada saat mereka menjelaskan hyperfine structure splitting

〖Eu〗^151  dan 〖Eu〗^153. Muatan di titik (x,y,z)adalah q, sehingga momen

dipol listrik didefinisikan sebagai berikut :

P_x=∑_i▒〖q_i x_i 〗P_y=∑_i▒〖q_i y_i 〗

P_z=∑_i▒〖q_i z_i 〗

Momen kuadrupol listrik merupakan tensor dengan enam komponen sebagai

berikut :

P_xx=∑_i▒〖q_i x_i^2 〗

P_yy=∑_i▒〖q_i y_i^2 〗

P_zz=∑_i▒〖q_i z_i^2 〗

P_xy=∑_i▒〖q_i x_i y_i 〗

P_xz=∑_i▒〖q_i x_i z_i 〗

P_yz=∑_i▒〖q_i y_i z_i 〗

Untuk distribusi muatan di dalam inti kontinu dan uniform maka momen dipol

listrik inti dapat dinyatakan :

P_x=∫▒ρ(r ⃗ )  xdτ

P_y=∫▒ρ(r ⃗ )  ydτ

P_z=∫▒ρ(r ⃗ )  zdτ

Demikian pula momen koadrupol listrik inti dapat dinyatakan :

P_xx=∫▒ρ(r ⃗ )  x^2 dτ

P_yy=∫▒ρ(r ⃗ )  y^2 dτ

P_zz=∫▒ρ(r ⃗ )  z^2 dτ

P_xy=∫▒ρ(r ⃗ )  xydτ

P_yz=∫▒ρ(r ⃗ )  yzdτ

P_xz=∫▒ρ(r ⃗ )  xzdτ

Pada umunya inti-inti yang berbeentuk tidak bulat (lonjong) hanya mempunyai

momen kuadrupol saja. Momen kuadrupol listrik sebuah inti atom memenuhi :

Q=4/5 ŋ〖ZR〗^2

ŋ=(b-a)/R

R=(b+a)/2

Dengan a dan b masing-masing meyatakan setengah sumbu panjang dan setengah

sumbu pendek ellipsoid.

Sebuah distribusi umum muatan listrik dapat dicirikan oleh muatan bersih,

dengan momen dipol nya, saat quadrupole dan momen orde tinggi. Sebuah

kuadrapol dasar dapat direpresentasikan sebagai dua dipol antiparalel berorientasi

Salah satu penggunaan yang paling umum dari kuadrupol listrik dalam

karakterisasi inti. Inti memiliki muatan, tapi tidak momen dipol karena semua

positif. Tetapi jika inti tidak bola simetris, itu akan memiliki momen quadrupole.

Quadrupole dan ketertiban multipol tinggi tidak penting untuk karakteristik bahan

dielektrik. Bidang Dipole jauh lebih kecil dari bidang biaya terisolasi, tetapi dalam

dielektrik mana tidak ada biaya gratis, efek dipol yang dominan. Tidak ada

keadaan seperti mendukung efek quadrupole, karena mereka harus timbul dari

jumlah molekul yang sama sebagai efek dipol. Scott mengatakan bahwa efek

quadrupole makroskopik lebih kecil dari efek dipol sekitar rasio dimensi atom

dengan jarak pengamatan eksperimental.

Contoh paling sederhana dari sebuah quadrupole listrik terdiri dari bolak

muatan positif dan negatif, diatur di sudut-sudut persegi.

Monopole saat ini (hanya total biaya) dari pengaturan ini adalah nol. Demikian

pula, momen dipol adalah nol, tanpa melihat asal koordinat yang telah dipilih.

Tapi saat quadrupole penataan dalam diagram tidak dapat dikurangi menjadi nol,

terlepas dari mana kita menempatkan asal koordinat.

D. Astrofisika Nuklir

Kenapa Matahari dan bintang dapat

bersinar? Dari mana energinya?

Penelitian pada akhir abad ke-19 dan

awal abad ke-20 mengenai hakikat atom

dan radioaktivitas menyimpulkan bahwa

reaksi nuklirlah yang membangkitkan

energi Matahari. Kita telah mengetahui

bahwa Hidrogen yang jumlahnya

berlimpah di dalam Matahari dapat

melangsungkan reaksi nuklir hingga

milyaran tahun. Seperti bagaimanakah

reaksi nuklir ini? Reaksi fusi dapat

terjadi dalam kondisi yang teramat

ekstrim, dan telah diperkirakan bahwa inti Matahari cukup ekstrim untuk dapat

melangsungkan reaksi tersebut.

Sebagaimana kita ketahui, suhu pada inti Matahari berkisar 15 juta Kelvin.

Dalam teori dinamika gas, suhu suatu gas menyatakan energi kinetik yang

terkandung dalam gas tersebut, akibat gerakan-gerakan atom dari gas tersebut.

Suhu yang amat tinggi dalam suatu gas menyatakan gerakan atom yang amat luar

biasa. Tekanan yang amat tinggi juga dapat menyatakan kerapatan dari gas

tersebut. Semakin rapat suatu gas, semakin dekat jarak antar nukleus atom satu

sama lain.

Untuk memicu adanya reaksi fusi, dua buah atom harus dapat mengatasi gaya

tolak antara keduanya. Inti atom memiliki muatan positif yang saling tolak-

menolak apabila bertemu muatan sejenis. Akibatnya, dua buah atom Hidrogen

yang dipertemukan akan saling menolak. Gaya tolak ini akan semakin besar

Gambar 2. Agar dapat terjadi reaksi fusi sebuah nukleus harus memiliki energi yang lebih besar daripada potensial penghalang pada jarak kritis 10-15 meter, agar gaya nuklir kuat dapat mengalahkan gaya listrik

apabila jaraknya semakin dekat. Namun apabila jarak antara dua atom ini sangat

dekat maka gaya tarik yang disebut gaya nuklir kuat dapat mengatasi gaya tolak-

menolak antara kedua nukleus, mengikat kedua inti Hidrogen dan membentuk

Helium. Berapa jarak minimal yang harus dicapai dua atom Hidrogen agar dapat

melebur menjadi Helium?

Dengan berbekal pengetahuan fisika nuklir, Fritz Houtermans mencoba

menjawab pertanyaan ini. Ia lahir di Zoppod, sebuah kota kecil di dekat Danzig di

Jerman Baltik (kini bernama Gdansk dan berada di Polandia). Pada tahun 1920an

ia bekerja sebagai peneliti di Gottingen, Jerman, dan bekerjasama dengan peneliti

Inggris bernama Robert d’Escourt Atkinson untuk menjelaskan reaksi nuklir

dalam Matahari. Bersama-sama, mereka menghitung bahwa jarak minimal yang

harus dicapai kedua atom adalah 10-15 meter atau satu per satu trilyun milimeter(!)

Mereka yakin bahwa kerapatan gas di pusat Matahari sangat tinggi sehingga jarak

antar atom akan sangat dekat, dan terlebih lagi energi kinetiknya akan sangat

tinggi sehingga gerakan mereka akan sangat cepat. Besar kemungkinan akan ada

atom-atom yang dapat mencapai jarak sekecil ini dan memicu reaksi nuklir. Hasil

perhitungan mereka dipublikasikan dalam jurnal ilmiah Zeitschrift für Physik pada

tahun 1929. Begitu senangnya Houtermans dengan hasil perhitungan mereka,

sehingga sorenya ia membanggakan hasil penemuannya pada gadis yang

dikencaninya. Malam itu, bintang-bintang bersinar terang dan pacarnya berkata,

“cantik sekali ya sinar bintang-bintang itu?” Houtermans menjawab, “Sejak

kemarin aku sudah tahu apa yang menyebabkan mereka bersinar.” Charlotte

Riefenstahl, gadis itu, dengan terkagum-kagum kemudian menikahinya.

Houtermans boleh berbangga diri, namun masih ada masalah dengan

temuannya mengenai jarak minimal yang dapat memicu reaksi fusi. Pada jarak

kritis ini, besarnya energi potensial yang ditimbulkan kedua atom adalah sekitar

1000 kilo elektron Volt. Apabila sebuah atom yang telah mencapai jarak kritis ini

tidak memiliki energi yang lebih besar daripada energi ini, maka peleburan tidak

akan terjadi. Jadi ada semacam “dinding” potensial yang harus ditembus sebuah

atom Hidrogen apabila ia ingin melebur dengan atom Hidrogen lain. Namun,

setiap atom Hidrogen rata-rata hanya memiliki energi sebesar 1 keV, 1000 kali

lebih kecil daripada energi kritis yang harus ditembus. Menurut statistik, sebagian

kecil partikel memiliki energi yang sama atau bahkan jauh lebih besar daripada

energi kritis ini. Akan tetapi, jumlah partikel yang berenergi tinggi ini sangatlah

kecil sehingga reaksi nuklir yang terjadi tidak akan cukup besar untuk dapat

berlangsung selama milyaran tahun. Bagaimanakah kita menjawab problem ini?

Teori Kuantum menyelamatkan problem ini dengan menawarkan cara

pandang yang berbeda dalam fisika. Apabila fisika abad ke-18 begitu

deterministik dengan mengatakan bahwa posisi sebuah partikel dapat kita ketahui

dari waktu-ke-waktu, maka teori kuantum mengatakan bahwa kita hanya dapat

mengetahui peluang menemukan sebuah partikel pada lokasi tertentu. Pada skala

kecil dalam dunia partikel, posisi sebuah partikel sama sekali tidak pasti. Ia dapat

berada di mana saja dan yang dapat kita tentukan hanyalah kebolehjadian bahwa

ia akan berada di suatu lokasi. Dengan berbekal cara pandang ini, fisikawan

kelahiran Ukraina, George Gamow, menyelesaikan problem halangan potensial

ini melalui fenomena yang disebutnya “efek terowongan kuantum.” Melalui

perspektif fisika kuantum, kita dapat menghitung peluang untuk dapat

menemukan sebuah partikel berada di dalam jarak kritis tersebut, dan dengan

demikian dapat melebur dan memulai reaksi nuklir. Peluang ini semakin

meningkat dengan semakin tingginya energi partikel tersebut, dan dengan

membandingkannya dengan distribusi energi suatu kumpulan partikel, dapat

dihitung rentang energi di mana reaksi nuklir paling mungkin terjadi. Perubahan

cara pandang ini memungkinkan kita menyelesaikan problem pembangkitan

energi di dalam bintang. Gamow, fisikawan Uni Soviet yang kemudian melarikan

diri ke Amerika Serikat, memikirkan efek terowongan untuk menjelaskan

fenomena peluruhan dalam perspektif fisika kuantum. Namun kemudian diketahui

bahwa efek terowongan ini juga berlaku secara umum dan dapat digunakan pula

untuk menjelaskan fenomena sebaliknya yaitu bergabungnya inti-inti atom.

Pekerjaan Houtermans tentang reaksi nuklir

dalam bintang kemudian dilanjutkan oleh Hans Bethe.

Lahir di Straßburg, Jerman (kemudian menjadi

Strasbourg dan masuk ke wilayah Perancis) pada tahun

1906, Bethe memperoleh gelar Doktornya dari

Universitas Muenchen, Jerman, di bawah bimbingan

Arnold Sommerfeld. Setelah bekerja di Cambridge dan

di Roma bersama Enrico Fermi, Bethe mengajar di

Universitas Tübingen hingga tahun 1933. Saat itu Partai

Nazi berkuasa dan Bethe dipecat dari pekerjaannya

karena ibunya orang Yahudi. Bethe pindah ke Inggris

dan pada tahun 1935 pindah ke Amerika Serikat.

Bersama banyak fisikawan nuklir lainnya, Bethe

kemudian bekerja mengembangkan bom atom di Laboratorium Los Alamos, dan

memimpin Divisi Teoritis.

Bidang kerja Bethe mengenai fisika nuklir memungkinkannya

mengidentifikasi jalur-jalur reaksi fusi yang memungkinkan terciptanya inti

Helium yang stabil. Atom sebuah unsur memiliki bermacam-macam jenis yang

disebut isotop. Yang membedakan isotop sebuah unsur dengan yang lain adalah

jumlah neutron yang terkandung di dalam nukleusnya. Hidrogen netral atau

Protium, misalnya, memiliki 1 proton dan 1 elektron. Deuterium, salah satu isotop

Hidrogen, memiliki tambahan 1 neutron dan relatif stabil. Helium-3 dan Helium-4

adalah dua dari 8 isotop atom Helium yang stabil, masing-masing memiliki 1 dan

2 neutron pada intinya. Houtermans mengharapkan bahwa reaksi fusi dalam

bintang terjadi melalui penggabungan dua inti Hidrogen netral menjadi Diproton,

isotop Helium yang sangat ringan dan tak stabil. Dua buah neutron dibutuhkan

untuk menciptakan isotop Helium yang stabil, namun pada saat Houtermans dan

Atkinson menulis makalah mereka pada tahun 1929, keberadaan neutron masih

merupakan hipotesis. Akibatnya perhitungan Houtermans belumlah lengkap.

Pada saat Bethe melanjutkan pekerjaan Houtermans, gambaran kita

mengenai dunia atom sudah lebih lengkap. Dua buah atom Hidrogen netral dapat

melebur terlebih dahulu untuk membentuk Deuterium. Selanjutnya, Bethe melihat

Gambar 3. Hans Bethe pindah ke Amerika Serikat pada tahun 1935 dan kemudian memimpin Divisi Teoritis di Laboratorium Los Alamos

Deuterium ini dapat menangkap 1 atom Hidrogen netral lain untuk membentuk

Helium-3 yang relatif cukup stabil. Dua buah Helium-3 ini kemudian dapat

melebur untuk membentuk Helium-4 yang lebih stabil dan nonradioaktif. Sebagai

produk samping, dua buah atom Hidrogen akan dilepaskan. Reaksi ini kemudian

dikenal dengan Reaksi Proton-Proton atau Reaksi PP, karena semuanya berawal

dari dua buah Proton yang melebur.

Gambar 4. Reaksi Proton-Proton. Dua buah atom Hidrogen akan membentuk

Deuterium,selanjutnya Deuterium ini akan menangkap Hidrogen netral untuk membentuk

Helium-3, dan Helium3 akan menangkap Helium-3 lain untuk menghasilkan Helium-4.

Dua buah atom Hidrogen netral akan dilepaskan sebagai produk samping.

Reaksi Proton-Proton masih dapat dilanjutkan menjadi Reaksi PP-II.

Helium-3 dan Helium-4 dapat melebur untuk membentuk Berilium-7 yang dapat

menangkap sebuah elektron untuk menjadi Litium-7 yang stabil. Selanjutnya

Litium-7 dapat menangkap sebuah atom Hidrogen dan berubah menjadi 2 buah

atom Helium-4. Ini terjadi bila suhu inti berkisar antara 14 hingga 23 Juta Kelvin.

Pada suhu inti di atas 23 Kelvin, terjadi reaksi PP-III: Berilium-7 akan menangkap

Hidrogen netral dan berubah menjadi Boron-8. Karena Boron-8 tak stabil, ia akan

meluruh menjadi Berilium-8, yang pada gilirannya akan meluruh menjadi 2 buah

atom Helium.

Selain Reaksi PP, Bethe juga mengusulkan rute lain untuk menciptakan

rute lain yang menggunakan atom Karbon sebagai pemicu yang berfungsi

menangkap atom Hidrogen. Bila di dalam inti Matahari terdapat Karbon-12, maka

setiap inti Karbon-12 akan dapat menangkap Hidrogen untuk membentuk inti

atom-atom yang lebih berat, yaitu berturut-turut Nitrogen dan Oksigen. Nitrogen-

15 (lihat gambar) tidak stabil sifatnya dan akan melebur kembali menjadi Karbon-

12 dan akan kembali menangkap sebuah atom Hidrogen untuk memulai siklus ini

kembali ke awal. Karena reaksi rantai ini membentuk sebuah siklus, maka

rangkaian reaksi ini dinamakan Siklus atau Daur Karbon.

Gambar 5. Daur Karbon yang diusulkan Bethe dan Carl von Weizsäcker

Pada awalnya dua reaksi nuklir ini masih bersifat spekulasi. Fisikawan-

fisikawan lain kemudian memeriksa perhitungan-perhitungan Bethe dan

memastikan bahwa reaksi ini dapat terjadi apabila kondisinya tepat.

Pada tahun 1940an jelaslah bahwa reaksi-reaksi inti ini memang benar-

benar terjadi di dalam “tungku” Matahari. Pengamatan spektrum matahari lagi-

lagi menjadi kunci karena kelimpahan unsur-unsur kimia yang dihasilkan dari

reaksi-reaksi ini dapat dikonfirmasi melalui spektroskopi Matahari. Atas jasa-jasa

Bethe mengidentifikasi produksi energi bintang-bintang, ia diganjar Hadiah Nobel

pada tahun 1967.

Setelah melihat bentuk Reaksi PP maupun Siklus

Karbon, kita mungkin dapat melihat bahwa reaksi ini

pada intinya mengubah Hidrogen menjadi Helium.

Perlahan tapi pasti, Hidrogen berubah bentuk menjadi

Helium dan dapat habis. Pada akhirnya, apabila sebuah

bintang tak dapat lagi membakar Hidrogen menjadi

Helium, maka cara lain untuk membangkitkan energi

yang dapat mengimbangi tekanan gravitasi harus terjadi. Apabila tidak ada, maka

bintang tak akan sanggup menahan tekanan gravitasi dan akan runtuh. Apakah

masih ada cara lain?

Dua buah atom Helium-4 dapat bergabung untuk

membentuk Berilium-8, yang pada gilirannya dapat

menangkap sebuah atom Helium-4 lain untuk menjadi

Karbon-12. Reaksi ini sangat penting perannya karena

merupakan satu-satunya reaksi nuklir yang dapat

menciptakan unsur Karbon dalam jumlah signifikan di

jagad raya ini. Namun banyak problem yang menghambat reaksi ini dapat terjadi.

Reaksi ini hanya dapat terjadi pada suhu yang ekstrim tinggi, yaitu pada suhu 100

Juta Kelvin. Syarat lain untuk dapat terjadi adalah apabila terdapat atom Helium-4

dalam jumlah besar. Masalah berikutnya adalah Berilium-8 merupakan atom yang

sangat tak stabil dan hanya mampu bertahan dalam waktu kurang dari 10 -18 detik

atau hanya satu per milyar milyar detik, amat sangat singkat! Hampir tak mungkin

Berilium-8—sebelum peluruhannya —dapat menangkap Helium-4 terdekat untuk

berubah menjadi Karbon-12. Bahkan bila ini dapat terjadi pun, masih ada

rintangan lain yang harus dihadapi.

Gambar 6. Hans Bethe dan Siklus Karbon. Foto ini diambil di Universitas Cornell pada tahun 1996, saat Bethe berusia 90 tahun. Kredit foto: Michael Okoniewski

Gambar 7. Reaksi Triple Alpha yang diciptakan oleh Fred Hoyle

Massa gabungan Helium-4 dengan Berilium-8 lebih

besar daripada massa Karbon-12, jadi apabila kedua atom

dapat bergabung sekalipun, akan ada kelebihan massa yang

harus dibuang. Tentu saja kelebihan massa ini akan diubah

menjadi energi melalui persamaan E = mc2, namun semakin

besar perbedaan massanya maka waktu reaksinya akan

semakin lama dan Berilium-8, yang waktu peluruhannya

sangat cepat, tidak punya waktu untuk menunggu reaksi ini

selesai. Karbon-12 harus terbentuk dengan segera karena

usia Berilium-8 teramat sangat pendek.

Karbon adalah unsur paling berlimpah di alam semesta setelah Hidrogen,

Helium, dan Oksigen. George Gamow dan mahasiswa bimbingannya, Ralph

Alpher, menemukan bahwa dalam waktu beberapa menit sesudah big bang terjadi,

alam semesta terdiri atas 75% Hidrogen dan 25% Helium, namun unsur-unsur

yang lebih berat dari itu tidak tercipta karena alam semesta keburu mendingin

sebelum terjadi reaksi fusi yang memungkinkan terjadinya pembentukan unsur-

unsur berat. Namun kenyataannya, di Bumi ini kita menemukan unsur-unsur

berat, mulai dari Hidrogen, Helium, Litium, hingga Uranium, Plutonium, dan

seterusnya. Di Bumi kita, elemen-elemen berat seperti Silikon, Aluminium, Besi,

adalah unsur-unsur paling berlimpah. Tubuh manusia mengandung 18.5% Karbon

dan kita mengetahui Karbon adalah unsur yang selalu hadir dalam hampir segala

bentuk kehidupan. Menjawab pertanyaan mengenai asal-usul unsur berat ini sama

Gambar 8. Fred Hoyle (1915--2001), astrofisikawan Inggris yang sangat kontroversial.

artinya dengan menjawab sebagian pertanyaan mengenai asal-usul kehidupan,

sebuah pertanyaan yang terus-menerus ditanyakan peradaban manusia.

Sumber :

http://firdausayunitapuspitasari.blogspot.co.id/2013/11/sifat-sifat-inti-atom.html

http://rihartadi.blogspot.co.id/2011/06/struktur-inti-atom.html

Sulistyani. (____). Inti Atom dan Penyusunnya. (____): (_____) (pdf) dapat

dilihat pada alamat http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/pendidikan/sulistyani-

msi/2-inti-atom-dan-penyusunnya.pdf

http://langitselatan.com/2010/10/19/begini-cara-kerja-bintang-bagian-3-reaksi-

nuklir-di-dalam-bintang/