I. Model Atom Bohr dan Konsep Orbital

II. Radioaktivitas sebagai Fenomena Alam

Inti Atom dan Makna Praktisnya bagi Kesejahteraan

BAB II

Departemen Kimia FMIPA

Institut Pertanian Bogor

I. Model Atom Bohr & Konsep Orbital

Niels Bohr menyatakan bahwa elektron bergerak mengelilingi inti (mengorbit) pada lintasan yang memiliki tingkat energi yang tetap

Elektron hanya ditemukan pada tingkat energi tertentu (kulit)

Energi dari satu elektron terkuantisasi

Model Planetarium dari Atom

Energi yang terkuantisasi dapat dianalogikan dengan rak buku yang terdiri dari beberapa ambalan: “buku dapat berada pada satu ambalan maupun pada ambalan lain, namun buku tersebut tidak dapat berada di antara ambalan”

elektron

inti

Bukti Energi Terkuantisasi

Bohr menyadari bahwa tiap unsur dapat menghasilkan beberapa cahaya dengan energi (frekuensi) berbeda

Ketika tegangan listrik dialirkan pada gas dalam tabung tertutup, terlihat deret garis dengan warna tertentu.

Garis ini adalah spektrum emisi. Untuk gas hidrogen terdapat tiga garis 434 nm, 486 nm, dan 656 nm.

Energi foton diserap. Energi potensial elektron bertambah, elektron bergerak menjauhi inti

Energi potensialrendah

Energi potensial

tinggi

inti inti

Elektron kehilangan energi potensial, elektron bergerak mendekati inti. Energi foton dilepaskan.

elektron

Spektrum Garis Emisi

Kulit dan Subkulit

Belakangan diketahui bahwa elektron menempati orbital atom atau awan probabilitas di antara kulit (tingkat energi tertentu)

Orbital-orbital (subkulit) tersebut diberi simbol s, p, d, dan f (sharp, principal, diffuse, dan fine).

Orbital s

Awan probabilitas Orbital atom

Posisi Elektron dalam Orbital

Orbital adalah daerah dalam ruang dengan kemungkinan besar elektron dapat ditemukan

Analogi untuk elektron pada orbital p adalah seperti lalat yang terperangkap di dalam dua botol yang ujungnya bertemu

Kulit dan Orbital

Kulit pertama mempunyai 1 orbital: 1s Kulit kedua mempunyai 2 jenis orbital: 2s dan 2p Kulit ketiga mempunyai 3 jenis orbital: 3s, 3p, and 3d

Pengisian Orbital oleh Elektron

Jumlah maksimum elektron yang mengisi orbital tergantung pada jenis orbital: Orbital s diisi maksimum 2 electron

Orbital p diisi maksimum 6 electron

Orbital d diisi maksimum 10 electron

Orbital f diisi maksimum 14 electron

Inti Atom

Inti atom bermuatan positif dengan jumlah yang sama dengan muatan negatif dari elektron. Muatan listrik satu elektron adalah -1.60 x 10-19 Coulomb, sementara muatan listrik satu proton adalah +1.60 x 10-19 Coulomb.

Muatan positif tersebut dikenal sebagai proton Proton 2000 kali lebih besar dari elektron Jumlah proton dalam inti atom sama dengan

jumlah elektron yang mengelilingi inti, sehingga muatan atom menjadi netral. Contohnya atom oksigen memiliki 8 elektron dan 8 proton.

Inti Atom

Unsur-unsur diidentifikasi berdasarkan nomor atomnya, yaitu jumlah proton yang dimiliki atom tertentu.

Pada tabel berkala unsur-unsur disusun berdasarkan kenaikan nomor atom. Contohnya hidrogen dengan jumlah proton satu, memiliki

nomor atom 1.

Helium, memiliki muatan dua kali lebih besar dari hidrogen, namun massanya empat kali lebih besar.

Inti Atom

Adanya penambahan massa diakibatkan oleh neutron yang memiliki massa hampir sama dengan proton, namun tidak bermuatan.

Tidak ada jumlah tetap untuk neutron dalam inti.

Inti Atom

Tidak ada jumlah tetap untuk neutron dalam inti. Contohnya besi dengan nomor atom 26, umumnya memiliki

jumlah neutron 30. Namun sejumlah kecil besi memiliki jumlah neutron 29.

Atom-atom dari unsur yang sama namun memiliki jumlah neutron berbeda disebut sebagai isotop.

Nukleon terdiri atas proton dan neutron

II. Radioaktivitas sebagai Fenomena Alam

Tiga bentuk utama radiasi: partikel α, partikel β, dan sinar γ

Istilah Radioaktivitas digunakan untuk menjelaskan kecenderungan suatu unsur untuk melepaskan radiasi sebagai akibat dari perubahan yang terjadi pada inti atom

Pada inti atom berukuran kecil, nukleon saling berdekatan, gaya tarik-menarik kuat stabilPada inti atom yang besar, nukleon cukup berjauhan, gaya tarik-menarik lemah tidak stabil

Nukleon berdekatan Nukleon berjauhan

Neutron dekat proton stabil, neutron menyendiri tidak stabil dan meluruh membentuk proton dengan melepaskan elektron

Peningkatan jumlah proton melabilkan inti atom. Inti atom akan melepaskan fragmen tertentu, seperti partikel alfa

Unsur radioaktif dapat diubah menjadi unsur lain

Radioaktivitas terjadi secara alami di alam

Energi yang dilepaskan oleh unsur radiaktif di permukaan bumi memanaskan air yang terpancar dalam bentuk geyser dan sumber air panas lainnya.

Energi radioaktivitas juga menjadi “bahan bakar” gunung berapi

Bahaya radiasi dinyatakan dalam REM, dosis radiasi yang mematikan dimulai dari 500 REM (persentase kematian sebesar 50 % bila terpapar dalam waktu singkat)

Radiasi yang dihasilkan oleh aktvitivas radioaktif dapat membahayakan mahluk hidup

Pada terapi radiasi, seorang pasien dapat menerima dosis sebesar 200 REM setiap hari dalam waktu satu minggu

Biasanya radiasi yang diterima melalui sumber alami maupun pengobatan kurang dari 1 REM (sering dinyatakan dalam milirem; 1/1000 REM)

Diagnosa sinar X memiliki dosis 5 sampai 30 milirem

Tubuh manusia merupakan sumber alami radiasi

Terdapat 20 Kg kalium dalam tubuh manusia, 20 miligramnya merupakan radioaktif isotop kalium-40 yang melepaskan sinar beta

Sebanyak 60000 atom kalium-40 melepaskan sinyal radioaktif tiap satu kali detak jantung

Namun, sumber utama radiasi alami adalah radon-222 (terdapat dalam rokok).

Isotop radioaktif digunakan untuk pelacak, agar aktivitas radioaktifnya dapat ditelusuri

Pupuk dengan isotop radiaoaktif diberikan pada akar tanaman

Radioaktivitas terdeteksi pada daun

• Isotop radioaktif juga digunakan sebagai pencitraan medis, untuk mendeteksi kelainan pada tubuh

Kelenjar tiroid, menyerap isotop radioaktif iodin-131

Isotop KegunaanKalsium-47 Mempelajari pembentukan tulang

pada mamalia

Kalifornium-252

Menginspeksi peledak dalam tas penumpang pesawat

Hidrogen-3 Untuk ilmu pengetahuan dan mempelajari metabolisme obat untuk memastikan keamanan obat

Iodin-131 Diagnosa dan pengobatan keenjar tiroid

Iridium-192 Tes kebocoran pipa

Talium-201 Kardiologi dan deteksi tumor

Senon-133 Mempelajari ventilasi paru-paru dan aliran darah

Penanggalan isotopik untuk menduga umur bahan

Sinar kosmik menyebabkan perubahan pada unsur-unsur di lapisan atas atmosfer menghasilkan proton dan neutron

Proton dihentikan oleh tumbukan dengan unsur lain di lapisan atas atmosfer

Neutron, tak bermuatan dan tidak berinteraksi dengan materi, akan bertumbukan dengan inti atom di lapisan bawah atmosfer.

Isotop karbon-14 bersifat radioaktif, kelimpahan 1/1000000 dari total karbon di atmosfer.

Karbon-12 dan karbon-14 memiliki sifat kimia sama, keduanya membentuk CO2

Tanaman menyerap karbon-14dimakan oleh hewan dan mahluk hidup lain semuanya memiliki karbon-14

Karbon-14 memiliki waktu paruh 5730 tahun (dalam 5730 tahun, setengah karbon-14 akan meluruh, sisanya akan meluruh 5730 tahun kemudian)

Aktivitas radioaktif dari fosil digunakan untuk menentukan umur fosil tersebut disebut penanggalan karbon-14

William F. Libby mengembangkan penanggalan karbon-14

Penanggalan karbon- 14 dapat menduga umur fosil sampai dengan 50000 tahun ke belakang 22920 tahun lalu 17190 tahun lalu

11460 tahun lalu 5730 tahun lalu sekarang

Fisi dan fusi nuklir

Fisi nuklir adalah pembelahan inti atom (ditemukan oleh Otto Hahn dan Fritz Strassmann tahun 1938)

Pada inti terdapat dua gaya: gaya tarik-menarik yang kuat antar nukleon (biasanya paling dominan), dan gaya tolak-menolak listrik antar proton

Energi (kinetik) yang dilepaskan dari reaksi fisi satu inti uranium-235 setara dengan tujuh kali energi yang dilepaskan oleh ledakan satu molekul TNT

• Neutron yang dihasilkan dari reaksi fisi uranium-235 dapat memicu reaksi fisi berikutnya reaksi berantai

Reaksi fisi hanya terjadi pada uranium-235 (0.7 % dari total bijih uranium) yang radioaktif. Bila neutron diserap oleh uranium-238 yang tidak radioaktif atau oleh unsur lainnya, maka reaksi berantai akan berhenti.

• Unsur radioaktif memiliki massa kritis. Massa radioaktif > massa kritis ledakan– Pengaruh geometri, nisbah luas permukaan terhadap massa lebih

besar pada unsur radioaktif yang dipotong kecil-kecil dibandingkan dalam bentuk bongkah besar

– Contoh, bila dua potong kecil uranium-235 yang massanya lebih kecil dari massa kritis (disebut subkritis) digabung, menghasilkan nisbah luas permukaan terhadap massa lebih kecil menimbulkan ledakan, contohnya bom fisi nuklir Hiroshima, Jepang 1945.

Peledak digunakan untuk mendorong bongkah subkritis memasuki selongsong agar kedua subkritis bertumbukan Radioaktif sumber neutron

Bongkah subkritis uranium

Reaktor fisi nuklir mengubah energi nuklir (inti) menjadi energi listrik

Bahan bakar: uranium-238 ditambah 3% uranium-235 (komposisi yang tidak menimbulkan ledakan)

Fisi nuklir memiliki beberapa kelemahan: Menghasilkan limbah radioaktif Penggunaan sumber uranium-235 yang besar,

sementara kelimpahannya sedikit Massa radioaktif tidak boleh melebihi massa kritis

• Fusi nuklir, yaitu penggabungan inti-inti atom. Dapat mengatasi kelemahan fisi nuklir– Energi dihasilkan saat atom-atom kecil bergabung

(fusi)Massa yang hilang diubah menjadi energi

• Agar reaksi fusi terjadi, inti harus bergerak dengan kecepatan tinggi saat tumbukan terjadi untuk mengatasi gaya tolakan listriknya.

• Kecepatan tinggi = suhu tinggi (= suhu pada inti matahari)• Fusi termonuklir, adalah reaksi fusi yang berlangsung

pada suhu tinggi• Suhu saat bom atom meledak = 4-5 kali suhu matahari

bom termonuklir dikembangkan bom hidrogen (hasil reaksi fusi) diledakkan tahun 1952

• Reaksi fusi tidak tergantung pada massa kritis

• Untuk mengatasi kelemahan reaksi fusi yang membutuhkan energi tinggi (dapat melelehkan wadah reaksi) dengan menggunakan sinar laser

Pelet isotop hidrogen

Fusi dengan sinar laser. Pelet hidrogen dijatuhkan secara berkala ke dalam alat yang dilengkapi beberapa sinar laser yang disusun bersilang

Ruang pelet di Laboratorium Lawrence Livermore menggunakan sepuluh sinar laser. Sumber laser: Nova (sumber sinar laser paling kuat di dunia)

Sinar laser yang disusun sedemikian rupa dapat melelehkan materi yang 20 kali lebih berat dari timbal, Pb. Energi yang dihasilkan ratusan kali lebih besar dari energi total kesepuluh sinar laser yang digunakan