Fisika Umum (MA 301)Topik hari ini

Fisika Atom & Inti

Fisika Atom

Model Awal AtomModel atom J.J. Thomson Bola bermuatan positifMuatan-muatan negatif (elektron) yang sama banyak-nya menempel pada bola tersebutModel watermelon

Uji EksperimentalHarapan:Sebagian besar terhambur dengan sudut kecil Tidak terjadi hamburan yang terpantul

Hasil:Terhambur dengan sudut kecil dan besarTerjadi hamburan yang terpantul!!!

Uji EksperimentalBerkas partikel alfaLapisan tipis emas

Model AtomModel Rutherford

Model Planet Berdasarkan hasil eksperimen lapisan emas tipis yang ditumbuk berkas alfa Muatan positif terkonsentrasi di pusat atom, dinamakan nukleusElectron mengorbit nukleus seperti planet mengorbit matahari

Kelemahan Model RutherfordAtom mengemisi radiasi elektromagnetik dengan frekuensi karakteristik tertentu Model Rutherford tidak bisa menjelaskan fenomena ini

Elektron Rutherford mengalami percepatan sentripetal sehingga meradiasikan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang samaIni berarti elektron akan kehilangan energi Radius elektron mengelilingi nukleus akan semakin mengecil Elektron akhirnya akan jatuh ke nukleus dengan lintasan spiralTidak terjadi!!!

Spektrum EmisiGas bertekanan rendah diberikan beda potensial (dieksitasi) Gas akan mengemisikan cahaya karakteristiknyaKetika cahaya hasil emisi dilewatkan pada spektrometer, deretan garis cahaya tampak teramati Setiap garis memiliki panjang gelombang dan warna yang berbeda Deretan garis ini dinamakan spektrum emisi

Spektrum Emisi HidrogenJ. J. Balmer memformulaskan spektrum garis Hidrogen

RH adalah konstanta Rydberg RH = 1.0973732 x 107 m-1n integer, n = 1, 2, 3, Garis spektral berkaitan dengan nilai n tertentuDikenal dengan Deret Balmer Contoh garis spektraln = 3, = 656.3 nmn = 4, = 486.1 nm

Teori Bohr Tentang AtomPada tahun 1913 Bohr memberikan penjelasan tentang spektrum atomModel atom yang diajukan menjelaskan mengapa atom stabil

Asumsi Bohr tentang AtomElektron bergerak melingkar mengelilingi inti karena pengaruh gaya Coulomb Gaya Coulomb menghasilkan percepatan senntripetal Hanya orbit elektron tertentu yang stabil Pada orbit-orbit ini atom tidak mengemisikan energi dalam bentuk radiasi elektromagneti Sehingga energi atom tetap dan mekanika klasik dapat digunakan untuk menjelaskan gerak elektron Radiasi diemisikan oleh atom apabila loncat dari keadaan yang energinya lebih tinggi ke keadaan yang energinya lebih rendahProses loncat tidak dapat dijelaskan secara klasik

Asumsi Bohr LanjutanTentang elektron yang loncat:Frekuensi yang diemisikan dalam proses loncat berkaitan dengan perubahan energi atomSecara umum, frekuensi yang diemisikan tidak sama dengan frekuensi elektron mengorbit

Ukuran Relatif AtomDiameter orbit elektron dalam model atom Bohr ditentukan oleh muatan listrik yang terdapat pada inti atomTinjau atom hidrogen, jika muatan listrik positif pada inti dibuat dua kalinya, maka gaya yang dialami elektron menjadi duakalinya, sehingga elektron akan tertarik dan orbitnya akan mengecil menjadi setengah kali orbit semula. Tapi, ini tidak terjadi.Penambahan muatan positif di inti mengakibatkan adanya penggandengan elektron lain untuk berada di orbit yang pertama. Penambahan elektron ini membuat atom menjadi netral.Atom yang sekarang bukan lagi Hidrogen, melainkan HeliumPenambahan proton selanjutnya dalam inti, akan menarik elektron kedalam orbit yang lebih dekat dengan inti, dan selanjutnya, akan ada lagi penggandengan elektron lain (ketiga) untuk mengorbit diorbit ke dua, penambahan elektron ini membuat atom menjadi netral. Atom yang sekarang bukan lagi Helium, melainkan Lithium

Jika proses penambahan proton dalam inti berlanjut terus, maka akan dihasilkan berbagai jenis unsurKetika muatan inti bertambah terus, elektron baru terus ditambahkan pada orbit terluar, orbit yang dalam akan mengalami penyusutan karena semakin kuatnya gaya tarik oleh intiIni berarti, unsur yang berat tidak selalu memiliki diameter yang lebih besar dari pada unsur yang ringanContoh, diameter atom uranium sekitar tiga kali diameter atom hidrogen, padahal massa uranium lebih besar 238 kali dari massa hidrogenTiap unsur memiliki orbit elektron yang berbeda-beda, artinya jari-jari orbit atom sodium akan sama untuk atom-atom sodium yang lain dan tentu saja berbeda untuk unsur yang lain

Ukuran Relatif Atom

Gelombang de BroglieSalahsatu postulat Bohr adalah momentum sudut elektron adalah terkuantisasi, tapi tidak ada penjelasan mengapa pembatasan tersebut terjadide Broglie mengasumsikan bahwa elektron orbit akan stabil hanya jika kelilingnya sama dengan bilangan integer kali panjang gelombang

Gelombang de Broglie dalam Atom HidrogenDalam contoh ini, tiga panjang gelombang bersesuaian dengan keliling orbitSecara umum, keliling harus sama dengan bilangan integer kali panjang gelombang

tapi , sehingga

Mekanika KuantumDualisme cahaya, sebagai partikel dan sebagai gelombangErwin Schrodinger memformulasikan persamaan matematis yang menjelaskan bagaimana gaya luar mempengaruhi gelombang (mirip Hk. Newon)Probabilistik

Prinsip Korespondensi Bohr Prinsip Korrespondensi Bohr menyatakan bahwa mekanika kuantum cocok dengan fisika klasik ketika perbedaan energi antara tingkat-tingkat terkuantisasi sangat kecil Serupa dengan Mekanika Newton yang merupakan kasus khusus dari Mekanika Relativistik ketika v

Sifat AtomSemua atom tersusun atas inti dan elektron yang mengorbit intiNomor atom , Z, menyatakan jumlah proton dalam inti, pada atom netral, jumlah elektron sama dengan jumlah protonNomor neutron , N, menyatakan jumlah neutron dalam intiNomor massa , A, menyatakan jumlah nukleon dalam intiA = Z + NNukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun intiNomor massa tidak sama dengan massa

Notasi

Contoh:

Nomor massa 27Nomor atom 13Terdiri dari 13 proton, 14 (27 13) neutron dan 13 elektron (atom netral) Dimana X adalah simbol kimia dari unsur

Fisika Inti

Fisika Inti; Sejarah1896 Lahirnya fisika intiBecquerel menemukan radioaktivitas dalam uranium Rutherford menunjukkan tiga tipe radiasiAlfa (Inti He)Beta (elektron)Gama (foton berenergi tinggi)1911 Rutherford, Geiger dan Marsden melakukan eksperimen hamburan Memperoleh informasi tentang muatan intiGaya Nuklir merupakan gaya jenis baru1919 Rutherford dan coworkers mengamati reaksi inti pertama kali 1932 Cockcroft dan Walton pertamakali menggunakan pemercepat proton untuk menghasilkan reaksi inti1932 Chadwick menemukan neutron1933 Curie menemukan radioaktif buatan1938 Hahn dan Strassman menemukan fisi nuklir1942 Fermi membuat reaktor fisi inti yang pertama yang dapat dikontrol

AtomMari kita lihat ada apa di dalamnya!

Inti AtomBermuatan Positif, Apakah hanya ada Proton dalam Inti?Th 1930, W Bothe dan Becker menembaki berilium dg partikel alpha ternyata ada pancaran radiasi netral yang bisa memukul keluar proton dg energi 5.7 MeV.

Kayanya sinar gamma neh tapi energi sinar gamm~55 MeV (ga mungkin). Jadi radiasi netral itu apa sebenarnya?

1932 Chadwick mennyatakan pancaran radiasi netral = pancaran partikel neutral yang disebut (neutron) yang massanya~massa proton

Sifat-sifat neutronMeluruh jika diluar inti, =15,5 menitmn=1,0086654u=1,6748.10-27 kg, mn>mpSpin Bermuatan netral so, inti atom terdiri dari proton dan neutron

Sifat IntiSemua inti tersusun atas proton dan neutronPengecualian inti atom hidrogenNomor atom , Z, menyatakan jumlah proton dalam intiNomor neutron , N, menyatakan jumlah neutron dalam intiNomor massa , A, menyatakan jumlah nukleon dalam intiA = Z + NNukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun intiNomor massa tidak sama dengan massa

Notation

Contoh:

Nomor massa 27Nomor atom 13Terdiri dari 13 proton dan14 (27 13) neutron Dimana X adalah simbol kimia dari unsur

Muatan dan massaMuatan:Elektron mempunyai muatan negatif tunggal, -e (e = 1.60217733 x 10-19 C)Proton mempunyai muatan positif tunggal, +e Sehingga, muatan dari inti adalah ZeNeutron tidak bermuatanMembuatnya sulit dideteksi Massa:Menggunakan atomic mass units, u, untuk menyatakan massa1 u = 1.660559 x 10-27 kgBerdasarkan definisi bahwa massa satu C-12 adalah tepat 12 uMassa juga dapat dinyatakan dalam MeV/c2Dari ER = m c21 u = 931.494 MeV/c2

Ringkasan Massa

Ukuran IntiDiselidiki pertama kali oleh Rutherford pada percobaan hamburanDiperoleh pernyataan seberapa dekat partikel alfa bergerak mendekati inti sebelum berbalik arah karena gaya tolak CoulombEK partikel diubah menjadi EPatauUntuk emas: d = 3.2 x 10-14 m, dan untuk perak: d = 2 x 10-14 m Biasa dinyatakan dalam femtometers dimana 1 fm = 10-15 m (juga dinamakan satu fermi)

Ukuran IntiSejak eksperimen yang dilakukan oleh Rutherford, banyak eksperimen lain yang menyimpulkan sebagai berikutKebanyakan inti hampir bulatJejari reratanya

ro = 1.2 x 10-15 m

Kerapatan IntiVolume dari inti (asumsinya bola) sebanding dengan jumlah total nukleonIni memberikan bahwa semua inti memiliki kerapatan yang sama rr = Ro A1/3 dimana Ro = 1.2 fm ratom ~ 103 kg/m3 rnucleus ~ 1017 kg/m3

Energi IkatEnergi total dari sistem terikat (inti) adalah lebih kecil dari energi kombinasi penyusun nukleonPerbedaan energi ini dinamakan energi ikat inti Dapat juga dinyatakan sebagai sejumlah energi yang diperlukan untuk memecah inti menjadi proton dan neutronEnergi ikat per nukleon

Kesetabilan IntiTerdapat gaya tolak elektrostatis yang sangat besar antar sesama proton dalam intiGaya ini dapat menyebabkan inti hancur

Inti tetap stabil karena adanya gaya yang lain, gaya berjangkauan pendek, dinamakan gaya inti (atau kuat) Gaya ini merupakan gaya tarik yang bekerja pada semua partikel intiGaya tarik inti lebih kuat dari pada gaya tolak Coulomb pada jarak dekat dalam inti

Grafik Kesetabilan Inti Inti ringan stabil jika N = Z

Inti berat sangat stabil ketika N > ZSemakin besar jumlah proton, gaya tolak Coulomb semakin besar akibatnya diperlukan lebih banyak nukleon agar inti tetap stabil

Tidak ada inti stabil ketika Z > 83

IsotopInti dari berbagai atom dapat memiliki jumlah proton yang sama

Meskipun memiliki jumlah neutron yang bervariasiIsotope adalah sebuah unsur yang memiliki Z sama tetapi nilai N dan A berbeda

Contoh:

Radioaktivtas

Radioaktivtas; Sejarah1896: Becquerel secara tak sengaja menemukan kristal uranil mengemisikan radiasi pada plat fotoe.

1898: Marie and Pierre Curie menemukan polonium (Z=84) dan radium (Z = 88), Dua unsur baru radioaktif

1903: Becquerel and the Curies menerima Nobel prize fisika dalam hal mempelajari radioaktivitas.

1911: Marie Curie menerima Nobel prize (kedua) kimia untuk penemuan polonium dan radium.

1938: Hahn (1944 Nobel prize) and Strassmann menemukan fissi inti - Lisa Meitner memerankan peranan penting

1938: Enrico Fermi menerima Nobel prize fisika dalam hal memproduksi unsur radioaktif baru melalui irradiation neutron, dan bekerja dengan reaksi inti

RadioaktivtasRadioaktivitas adalah emisi radiasi secara spontan Eksperimen menunjukkan bahwa radioaktivitas merupakan hasil peluruhan atau desintegrasi inti yang tidak stabilTiga jenis radiasi yang dapat diemisikanPartikel Alpha Merupakan inti 4He Partikel Beta Partikel dapat berupa elektron atau positronSebuah positron adalah antipartikel dari elektronSama seperti elektron kecuai muatannya +eSinar GammaMerupakan fotonn energi tinggi

Perbedaan Jenis Radiasi Jenis Radiasi Muatan/Massa alfa = Inti He (2p + 2n) +2q/4mp beta = elektron atau positron q/me atau +q/me gama = foton berenergi tinggi tidak bermuatan

Partikel tidak dapat melalui kertas Partikel tidak dapat melalui aluminiumPartikel tidak dapat melalui timahKemampuan Daya Tembus

Bahaya Radioaktif Diluar TubuhDiluar Tubuh, dan lebih berbahaya karena dapat menembus kulit dan masuk ke organ tubuh Radiasi akan mengionisasi atom dalam sel hidup ini dapat merusak sel dan menyebabkan kanker atau leukaemia

GammaGammaBeta

Didalam tubuh, radiasi lebih berbahaya karena tidak punya cukup energi untuk keluar dari tubuh dan memiliki daya ionisasi paling besar untuk merusak sel dan kurang berbahaya dibanding karena memiliki energi yang cukup untuk keluar dari tubuhGammaBetaAlphaBahaya Radioaktif Didalam Tubuh

Proses Radiasi: Peluruhan AlphaInti Induk meluruh menjadi inti anak plus sebuah partikel alpha Terjadi karena inti terlalu besar, peluruhan alfa dapat mereduksi ukuran intiEnergi disintegrasi Q muncul sebagai energi kinetik (= energi ikat negatif)Partikel a paling ringan membawa energi kinetik paling besarMengapa? Kekekalan momentum!SebelumaSesudahindukanakdimana mHe = 4.002603 u

Proses Radiasi: Peluruhan b (Emissi e )Inti Induk meluruh menjadi inti anak plus elektron dan anti-neutrinoAnti-neutrino adalah partikel ke 3 yang menjelaskan range energi kinetik elektron Jika atom (Z) memiliki massa lebih besar dari pada atom tetangganya (Z+1), maka peluruhan b mungkin terjadiNeutron bebas dapat meluruh menjadi sebuah proton.t1/2 = 10.8 menit, Q = 939.57 (938.28 + 0.511) = 0.78 MeV

Proses Radiasi : Peluruhan b untuk Carbon Dating Peluruhan b dari 14C digunakan untuk menentukan umur suatu bahan organik14C 14N + e + neKetika organisme hidup, sinar cosmic menghasilkan 14C di atmosfir yang memberikan nilai perbandingan 14C/12C konstan dalam gas CO214C / 12C = 1.21012 dalam orgenisme hidupKetika organisme tsb meninggal, 14C tidak lagi diabsorpsi, akibatnya nilai perbandinagn 14C/12C menurun terhadap waktuWaktu paruh t1/2 dari 14C = 5760 tahunPengukuran umur dari bahan dengan mencari aktivitas per satuan massa dari 14C Sangat efektif untuk 1,000 sampai 25,000 tahun lalu

Proses Radiasi: Peluruhan b+ (Emisi Positron)Inti Induk meluruh menjadi inti anak plus positron dan neutrino.Proton bebas tidak dapat meluruh menjadi sebuah neutron melalui emisi positronNeutron bebas meluruh menjad sebuah protonProton terikat dalam inti kadang-kadang dapat mengemisikan sebuah positron karena efek energi ikat inti

Proses Radiasi: Penangkapan ElektronInti induk menangkap elektron dari orbitalnya sendiri dan mengubah sebuah proton inti menjadi sebuah neutronJika atom (Z) memiliki massa yang lebih besar dari tetangganya, maka penangkapan elektron memungkinkan terjadi Catatan: Jika perbedaan massa antara atom (Z) dan tetangganya (Z1) lebih besar dari 2me, maka peluruhan positron juga mungkin terjadi

Proses Radiasi: Peluruhan GamaDalam peluruhan gama, sebuah keadaan tereksitasi inti meluruh ke sebuah keadaa yang energinya lebih rendah melalui emisi fotonTransisi inti seperti ini analog dengan transisi atom, tetapi dengan energi foton yang lebih tinggi l = 1240 eV nm / Mev = 103 nm.Emisi sinar g biasanya mengikuti peluruhan beta atau alfa (lihat gambar)Waktu hidup rata-ratanya sangat singkat t = hbar / DE = 1010 s

Proses Radiasi: Radioaktif AlamTiga deret inti radioaktif terjadi secara alami Dimuali dengan isotop radioaktif (U, Th) dan berakhir pada isotop Pb.Deret keempat dimualai dengan sebuah unsur yang tidak ditemukan di alam (237Np).Isotop radioaktif lain yang meluruh secara alami 14C, 40K

Deret Peluruhan 232ThDeret dimulai dari 232ThProsesnya melalui peluruhan alfa dan betaBerakhir pada isotop stabil 208Pb

Kurva Peluruhan Kurva Peluruhan memenuhi persamaan

Waktu paruh juga merupakan parameter yang penting Waktu paruh definisikan sebagai waktu yang dibutuhkan inti sehingga jumlahnya menjadi separuhnya

What fraction of a radioactive sample has decayed after two half-lives have elapsed?

(a) 1/4(b) 1/2(c) 3/4 (d) not enough information to sayQUICK QUIZ(c). At the end of the first half-life interval, half of the original sample has decayed and half remains. During the second half-life interval, half of the remaining portion of the sample decays. The total fraction of the sample that has decayed during the two half-lives is:

Karakteristik Sinar-X Ketika sebuah logam ditembaki oleh elektron elektron berenergi tinggi, sinar-x diemisikan

Spektrum sinar-x terdiri dari spektrum kontinu yang lebar dan deretan garis tajamGaris-garis yang muncul bergantung pada logamGaris-garis tersebut dinamakan karakteristik sinar-x

Penjelasan Karakteristik Sinar-XTinjauan struktur atom lebih detil dapat digunakan untuk menjelaskan karakteristik sinar-x

Elektron penembak menumbuk elektron dalam logam target yang berada di kulit dalamJika energinya cukup, elektron akan dipindahkan dari atom targetKekosongan yang tercipta akibat elektron yang hilang diisi oleh elektron yang berasal dari tingkat energi lebih tinggiProses transisi yang terjadi disertai emisi foton yang energinya sama dengan perbedaan dua tingkat enrgi tersebut

Reaksi IntiStruktur inti dapat berubah oleh penembakan dengan partikel yang energetikPerubahannya dinamakan reaksi intiSama seperti paluruhan inti, nomor atom dan nomor massa harus sama dikedua ruas persamaan

Which of the following are possible reactions?Problem (a) and (b). Reactions (a) and (b) both conserve total charge and total mass number as required. Reaction (c) violates conservation of mass number with the sum of the mass numbers being 240 before reaction and being only 223 after reaction.

Nilai QEnergi juga harus kekal dalam reaksi intiEnergi yang dibutuhkan untuk menyeimbangkan sebuah reaksi inti dinamakan nilai Q dari reaksi

Reaksi exothermic Terjadi pengurangan massa dalam reaksiTerjadi pelepasan energi Q is positiveReaksi endothermic Terjadi peningkatan massa dalam reaksi Energi dibutuhkan, dalam bentuk energi kinetik partikel penumbuk Q is negative

Energi AmbangAgar momentum dan energi kekal, patikel penumbuk harus memiliki energi kinetik minimum, dinamakan aanergi ambang

m : massa partikel penumbuk M : Massa partikel targetJika energi partikel penumbuk kurang dari ini, reaksi tidak dapat terjadi

Energi Inti

Fisi:Neutron menumbuk inti 235U untuk membentuk keadaan tereksitasi yang meluruh menjadi dua inti yang lebih ringan (plus neutrons) plus ENERGY! Contoh: 235U + n 92Kr + 142Ba + 2n + 180 MeV (238U tidak berfisi!)235U tidak akan berfisi tanpa ditumbuk oleh neutron.

Fisi: Reaksi BerantaiMenggunakan neutron dari proses fisi untuk menginisiasi proses fisi yang lain!1942: Fermi membuat reaktor fisi inti yang pertama yang dapat dikontrol

Untuk bom nuklir, memerlukan lebih dari satu neutron dari peristiwa fisi pertama yang menyebabkan peristiwa kedua (1 g U dapat melepaskan energi sama dengan sekitar 20000 ton TNT)

Untuk Pembangkit daya nuklir, memerlukan kurang dari satu neutron yang menyebabkan peristiwa kedua

In the first atomic bomb, the energy released was equivalent to about 30 kilotons of TNT, where a ton of TNT releases an energy of 4.0 109 J. The amount of mass converted into energy in this event is nearest to: (a) 1 g, (b) 1 mg, (c) 1 g, (d) 1 kg, (e) 20 kilotonsQUICK QUIZ(c). The total energy released was E = (30 103 ton)(4.0 109 J/ton) = 1.2 1014 J. The mass equivalent of this quantity of energy is:

Reaktor NuklirSebuah reaktor nuklir adalah sebuah sistem yang didisain untuk terjadinya reaksi berantai yang terkendali

Konstanta Reproduksi K, didefinisikan sebagai jumlah rata-rata neutron dari tiap peristiwa fisi yang akan menyebabkan peristiwa fisi lainNilai maksimum K dari uranium fisi adalah 2.5Dalam kenyataan, K lebih kecil dari nilai iniReaksi yang terkendali memiliki nilai K = 1

Desain Dasar Reaktor Elemen bahan bakar terdiri atas uraniumMaterial moderator (air dan grafit) digunakan untuk memperlambat neutronBatang kendali digunakan untuk mengabsorpsi neutronKetika K = 1, reaktor dikatakan kritisReaksi berantai terkendaliKetika K < 1, reaktor dikatakan subkritisReaksi berhentiKetika K > 1, reaktor dikatakan superkritisTerjadi rekasi yang berjalan sendiri

Energi Termonuklir (Fusi Inti)Reaksi eksotermik dasar dalam bintang (merupakan sumber dari hampir semua energi dalam semesta) adalah fusi inti hidrogen menjadi inti heliumTerjadi dua deretan proses: Siklus proton-proton,merupakan tumbukan langsung proton-proton menghasilkan inti lebih berat yang diikuit dengan tumbukan antara inti-inti itu sehingga menghasilkan inti heliumSiklus karbon,merupakan sederetan proses dimana inti karbon menyerap proton berturut-turut sampai akhirnya inti itu memancarkan partikel alfa dan kembali menjadi inti karbon lagi

Energi Termonuklir (Fusi Inti) lanjutanReaksi fusi yang dapat berlangsung sendiri hanya dapat terjadi pada kondisi temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, agar inti yang ikut dalam proses tsb mempunyai energi cukup untuk berreaksi walaupun dicegah oleh gaya tolak listrik, dan reaksinya terjadi cukup kerap untuk mengimbangi pelepasan energi ke sekelilingnya.

Energi yang dilepas ketika terjadi fusi inti ringan menjadi inti berat disebut energi termonuklir