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/
Top Related