fisika modern

64
Struktur Inti Atom Massa Atom 99,9 % terdapat dalam inti yang terdiri dari proton (muatan = e +) massa energi 938,28 Mev dan netron (muatan =0) massa energi 929,57 Mev sedangkan elektron berada di kulit atom. Nomor massa ( A ) Proton ( Z ) Netron A - Z Sifat kimia dari atom lebih banyak ditentukan oleh Z bukan A. Sifat kimiawinya identik jika Z nya sama.

Upload: ana-walters

Post on 29-Dec-2015

29 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Fisika Dasar 3 STT Migas Balikpapanby Tenes Widoyo

TRANSCRIPT

Page 1: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Massa Atom 99,9 % terdapat dalam inti yang

terdiri dari proton (muatan = e +) massa

energi 938,28 Mev dan netron (muatan =0)

massa energi 929,57 Mev sedangkan

elektron berada di kulit atom.

Nomor massa ( A )

Proton ( Z )

Netron A - Z Sifat kimia dari atom lebih banyak ditentukan oleh Z

bukan A. Sifat kimiawinya identik jika Z nya sama.

Page 2: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Atom yang memiliki Z sama tetapi A berbeda

disebut Isotop (isotope)

Contoh .

Hidrogen

Deuteriumon

Tritium

Soal.

Tuliskan minimal 4 isotop yang lainnya

Page 3: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Soal.

Tuliskan minimal 4 isotop yang lainnya

Carbon

Uranium

Oksigen

Helium

dll

Page 4: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Kerapatan inti atom tergantung netron dan proton

dapat dituiskan

Maka jari-jari atom akan sebanding dengan akar

pangkat sepertiga nomor massa

Ro = 1,2 10 -15 meter = 1,2 fm

Page 5: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Soal Latihan (oleh-oleh S1 sem3 reg Adan B)

1. Hitunglah jari-jari inti dari karbon (A=12),

Germanium (A=70), Bismuth (A=209)

2. Hitunglah kerapatan inti atom karbon dan

massa total inti atom karbon (A=12).

Massa diam elektron (me) = 9,1 10-31 kg

Massa diam proton (mp) = 1,67 10-27 kg

Page 6: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Jawab1. Carbon R= 1,2 fm. (A)1/3 = 1,2 .(12)1/3 = 2,7 fm

Germanium R= 1,2 fm.(A)1/3 = 1,2 .(70)1/3 = 4,9 fm

Bismuth R= 1,2 fm. (A)1/3 = 1,2 .(209)1/3 = 7,1 fm

2. kerapatan inti atom karbon dan massa total inti atom

karbon (A=12).

Page 7: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Energi total inti atom hidrogen

Secara umum dituliskan

m(atom) = m(inti atom) + Z m (elektron) +energi ikat elektron total

Binding energy (energi ikat)

Page 8: Fisika Modern

Strukrur Inti Aatom

Contoh

Deuterium memiliki massa atom = 2,014102 u,

massa atom hidrogen (mp)= 1,007825 u,

massa netron(mn )1,008665 u. Berapakah

energi total ikat inti atom deuterium?

Jawab.

B = (1,008665 u + 1,007825 u - 2,014102 u )

= 0,002388 u = 0,002388 u . 931,5 Mev/u.

B = 2,224 Mev

Page 9: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Soal..

Hitunglah energi ikat total ( B ) dari

a.

b.

Page 10: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Jawab.

P = 26

N = 56 – 26 = 30

mFe= 55,8447 uB = (30 .1,008665 u + 26 . 1,007825 u - 55,8447 u)

= 30,25995 + 26,20345- 55,8447

= 56,4634- 55,8447

= 0,6187u

= 0,6187 u . 931,5 Mev/u.

= 576,31905 Mev

Page 11: Fisika Modern

Struktur Inti Atom

Jawab.

P = 92

N = 238 – 92 = 146

mU= 238,02891uB =(146. 1,008665 u + 92 . 1,007825 u - 238,02891 u)

= (147,26509 + 92,7199 - 238,02891) u

= 1,95608 . 931,5 Mev/u.

= 1822,08852 Mev

= 1822,08852 .1,6 10-13 Joule

= 2,915 10-10 Joule

= 0,2915 nJ = 291,5 pJ

Page 12: Fisika Modern

Gaya Inti Atom

1. Lebih besar dibanding gaya elektromagnet, grafitasi,

dan gaya lain disebut juga strong force

2. Jangkauan sangat pendek 10-15 m = 1 fm

penambahan nukleon kerapatan inti tidak berubah

energi ikat per nukleon tetap

3. Tidak tergantung jenis nukleon gaya inti n-p = n-n =

p – p

4. Selang waktu hadirnya energi

5. Jarak tempuh yang dicapai partikel x = c ∆t

6. Energi diam yang diperlukan partikel mc2 = 200 Mev

(jangkauan 1 fm)

Page 13: Fisika Modern

Radioaktif

Suatu zat radioaktif (radioactive substance) didefinisikan sebagai sesuatu

zat yang memiliki sifat untukmengemisikan radiasi secara spontan.

Page 14: Fisika Modern

Radioaktif

Semua inti atom stabil N = Z berat N > Z dan

tidak ada inti stabil dengan A=5 atau 8 .

Contoh Helium stabil

Page 15: Fisika Modern

Radioaktif

Peluruhan radioaktif

Peluruhan alfa

Peluruhan beta

Peluruhan gamma

Page 16: Fisika Modern

Peluruhan Radioaktif

Satuan peluruhan 1curie = 3,7 1010 peluruhan

per detik

Biasanya dinyatakan dalam mCi, atau μCi

Orde peluruhan 1023 untuk cuplikan 1 Ci

memiliki probabilitas 10-13

Aktifitas peluruhan α = λ N

N = jumlah inti radioaktif

λ = probabilitas peluruhan

Tanda minus menunjukan N menurun terhadap

bertambahnya waktu. –dN/dt

Page 17: Fisika Modern

Peluruhan Radioaktif

Aktifitas peluruhanpeluruhan per satuan waktu

Maka

ln N = - λt + c

Page 18: Fisika Modern

Peluruhan Radioaktif

Aktifitas peluruhan

Meluruhkan separoh

maka λt ½ = ln 2

Waktu paruh

Page 19: Fisika Modern

Radioaktif

Latihan soal hal 363

λ. = 0,693/T = 2,97 10-6 s-1

Probabilitas tiap detik 2,97 10-6

N = m/M 6,02 1023 = 3,04 1015

Ao = λ.N =9,03 109 peluruhan/detik = 0,244 Ci

A = Ao e-λt =1,5 109 peluruhan/detik

Page 20: Fisika Modern

Hukum kekekalan Peluruhan

1. Kekekalan Energi = X akan meluruh menjadi X’ yang lebih

ringan mNX C2 = mNX’ C2 + mN x C2 + Q (Q=kelebihan

energi) (X’ +x = massa diam mN massa inti)

2. Kekekalan momentum linear Px’ + Px = 0

3. Kekekalan momentum sudut (momentum sudut spin s dan

momentum sudut orbital L ) L= r. P ( sX = sx’ + sx +Lz )

4. Kekekalan muatan elektrik = muatan elektrik sebelum dan

sesudah peluruhan tetap dilihat nomer atom.

5. Kekekalan nomor massa jumlah nomor massa A tidak berubah

dalam peluruhan dilihat nomer massa

Page 21: Fisika Modern

Peluruhan Alfa

Energi yang terbebaskan energi kinetik α dan partikel

anak X’ Q = m (X) - m (X’) - mα c2

Q= KX’ + K α

Momentum liniernya PX’ = P α

Maka hasil energi kinetik α

K α = (A-4) Q/A

Soal

Hitunglah …

Page 22: Fisika Modern

Peluruhan Alfa

Soal

1. Hitunglah Energi kinetik peluruhan alfa yang

dipancarkan oleh atom Ra meluruh menjadi Rn

Ra =226,025406

Rn = 222,017574

α. = 4,002603

Page 23: Fisika Modern

Peluruhan Alfa

Soal1. Hitunglah Energi kinetik peluruhan alfa yang

dipancarkan oleh atom Ra

Jawab.

Ra Rn + α

Ra =226,025406

Rn = 222,017574

α. = 4,002603

Q = 226,025406 - 222,017574 - 4,002603 = 4,871 Mev

K α. = (A-4).Q/A = 4,785 Mev

Page 24: Fisika Modern

Latihan Soal

Latihan soal

Hitunglah energi kinetik partikel alfa yang

dipancarkan dalam peluruhan alfa dari 226Ra!

Jawab

Q = m Ra – m Rn – m α

Q = (226,025406 – 222,017574 – 4,002604) u

= 0,005226 X 931,5 Mev

= 4,87 Mev

Kα = (A-4)Q/A (226-4) 4,87/226 = 4,783 Mev

Page 25: Fisika Modern

Peluruhan Beta

Untuk peluruhan betta moner massa tetap Energi

yang terbebaskan n p +e + v

Peluruhan dapat terjadi dalam inti atom Z dan N

meluruh ke inti atom lain Z + 1 dan N-1

Sehingga Q = ( m AX) - m AX’) c2

Page 26: Fisika Modern

Latihan Soal

Latihan soal

Inti 23Ne meluruh ke inti 23Na dengan

memancarkan beta negatif. Hitunglah energi

kinetik maksimum elektron yang dipancarkan?

Jawab

Q = m Ne – m Na

Q = (22,994466 – 22,989770) 931,5 Mev

= 4, 374 Mev

Page 27: Fisika Modern

Peluruhan Gamma

E = E awal- Eakhir 100 keV – MeV

Usia paruh eksitasi inti 10-9 sampai 10-12 sekon.

Page 28: Fisika Modern

Latihan Soal

Latihan soalInti 12N meluruh beta ke suatu keadaan eksitasi dari 12C

yang sudah itu meluruh ke keadaan dasarnya dengan

memancarkan sinar gamma 4,43 Mev . Hitunglah energi

kinetik maksimum partikel beta yang dipancarkan?

Jawab

Massa C dalam keadaan tereksitasi

m C = (12,00000 + 4,43/931,5 ) = 12,004756 u

Q = (m N - m C – 2me ) 931,5 Mev

Q = (12,08613 – 12,004756 – 2 X 0,000549 ) 931,5 Mev

= 74,77 Mev

Page 29: Fisika Modern

Rarioaktifitas Alam

Sebagian besar unsur radioaktif alam memiliki waktu paruh

dalam orde hari atau tahun << umur bumi +- 4,5 109 th

sedikit unsur yang teramati meluruh dengan orde waktu

paruh = umur bumi. Sbg latar belakang natural radioactivity.

Proses radioaktif mengubah A jadi A-4 (peluruhan alfa) A

tetap peluruhan beta dan gamma.

Page 30: Fisika Modern

Sinar X

Panjang gelombang sinar X +- 0,01 s/d 10 nm.

Energinnya +- 100 eV s/d 100 keV dan reaksi

terhadap materi dan inti atom

Page 31: Fisika Modern

Sinar X

Pembuatan sinar X

Tabung hampa udara ( vakum ) ada filamen panas, katode, dan

anode ( logam target ). Elektron dari filamen panas secara emisi

termionik, dipercepat ke anode ( target ) V oltase tinggi (kV.)

Elektron berenergi tinggi menumbuk target logam, sinar x akan

dipancarkan oleh target.

Page 32: Fisika Modern

Sinar X

1. Jika potensial antara anode dengan katode

dinaikkan daya tembus sinar x lebih besar dan

panjang gelombang lebih kecil. energi kinetik

elektron meningkat.

2. Jika filamen panas diperbesar maka katode

dibuat lebih panas elektron yang dikeluarkan

lebih banyak sinar x mempunyai intensitas

lebih tinggi..

Page 33: Fisika Modern

Sinar X

Sifat-sifat sinar x1. Sinar x merambat menurut garis lurus

2. Sinar x dapat menghitamkan pelat pemotret

3. Daya tembus sinar x bergantung jenis bahan kayu

beberapa cm, pelat aluminium setebal 1 cm, besi,

tembaga, dan khususnya timah hitam setebal beberapa

mm bahkan tidak ditembus sama sekali

4. Sinar x tidak dapat terlihat oleh mata manusia .

5. Sinar x dapat dipancarkan ketika sinar katode

menumbuk zat padat.

Page 34: Fisika Modern

Sinar X

kegunaan sinar x

a. Dalam bidang kedokteran, sinar x digunakan untuk

membantu dokter diagnosis suatu penyakit atau

kelainan dari bagian dalam tubuh

b. Dalam bidang industri, sinar x digunakan untuk

menemukan cacat pada las atau keretakan logam

c. Dalam bidang pengetahuan, misalnya fisika seperti

mempelajari pola-pola difraksi pada kristal zat padat

Page 35: Fisika Modern

Sinar X

Bahaya sinar x

Energi yang dimiliki sangat tinggi, sehingga sinar x

memiliki efek yang besar pada jaringan hidup sinar x

dosis tinggi dapat menyebabkan kanker dan cacat lahir

Page 36: Fisika Modern

Reaksi Fisi Nuklir

Reaksi pembelahan

Pembelahan uranium sekali pembelahan menghasilkan

energi 200 Mev

Baik U238 maupun U235 dapat dibelah dengan netron

cepat hanya U235 yang dapat dibelah dengan netron

lambat membelah menjadi > 100 macam isotop selain

kripton dan barium. Jumlah Atom berkisar 34 sampai 58

Selain melepas netron juga beta dengan penambahan

energi 15 Mev.

Page 37: Fisika Modern

Reaksi fisi

Page 39: Fisika Modern

Reaksi Fisi Nuklir

Reaksi pembelahan fisi uranium berlangsung berantai jika

lambat dan dapat dikendalikan dalam reaktor. Jika

berlangsung cepat tak terkendali menjadi Bom nuklir.

Contoh

Pada suatu reaktor pembangkit listrik 3000 Mwatt. Berapa

kali terjadi reaksi fisi?

Jawab

3000 Mwatt setiap detik energinya 3000 Mjoule.

Sekali fisi 200 MeV.

Page 40: Fisika Modern

Reaksi Fisi Nuklir

200 Mev 2 108 x 1,6 10-19 = 3,2 10-11 J

Jika 3 109 Joule = 0,94 1020 reaksi pembelahan

Setiap atom uranium U235 massa 235 x 1,6 10-27 kg =

3,9 10-25 kg

Banyaknya 0,94 1020 x 3,9 10-25 kg = 37 mg

Page 41: Fisika Modern

Berikutjumlah energi nuklir yang bisa dihasilkan per kg materi:

Fisi nuklir:

Uranium-233: 17,8 Kt/kg = 17800 Ton TNT/kg

Uranium-235: 17,6 Kt/kg = 17600 Ton TNT/kg

Plutonium-239: 17,3 Kt/kg = 17300 Ton TNT/kg

Fusi nuklir:

Deuterium + Deuterium: 82,2 Kt/kg = 82200 Ton TNT/kg

Tritium + Deuterium: 80,4 Kt/kg = 80400 Ton TNT/kg

Lithium-6 + Deuterium: 64,0 Kt/kg = 64000 Ton TNT/kg

Page 42: Fisika Modern

Dahsyatnya Bom Nuklir

foto diambil tertanggal 3 Juli 1970 oleh seorang tentara Perancis Fangataufa. Code bom ini Canopus, kekuatan 914 kt. Bom ini dihasilkan oleh Perancis (CMIIW)

Oleh

Page 43: Fisika Modern

Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

Page 44: Fisika Modern

operasi Upshot-Knothole, di Nevada Proving Ground antara Maret 17 and Juni 4, 1953, mengetes bom jenis beru yang menggunakan teori

fission dan fusion. Rumah dalam gambar terletak 3500 kaki dari pusatledakan, kameranya sendiri dilindungi lapisan setebal 2 inchi, hanya

butuh 2,6 detik saja dari awal bom tersebut meldak sampai ledakannyamenghancurkan rumah tersebut Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

Page 45: Fisika Modern

1 Juli 1946, di Pulau Marshall, ledakan berbentuk jamur/cendawan diSamudra Pasifik Utara, ledakan pertama dari 2 ledakan dalam operasi

Crossroads. Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

Page 46: Fisika Modern

uji coba bom Bravo yang terburuk dalam sejarah US karena bencanayang disebabkan oleh radiasinya. Kesalahan tersebut terjadi karena US

salah menganalisa keadaan cuaca sehingga terjadi bencana radiasitersebut.

Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

Page 47: Fisika Modern

bom Trinity adalah ujicoba bom atom 1 oleh US, 16 Juli 1945, dilakukan35 miles tenggara Socorro, New Mexico, sekarang White Sands Missile

Range. Saudaranya, The Fat Man yang menggunakan konsep dan design serupa, adalah bom yang dijatuhkan di Nagasaki. Kekuatan bom ini

“hanya” 20 kiloton dan merupakan bom pertama yang memulai ZamanAtom atau Atomic Age. Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

Page 48: Fisika Modern

bom BADGER adalah bom berkekuatan 23 kiloton, ditembakkan padaApril 18, 1953 di Nevada Test Site, bom ini merupakan bagian dari

Operation Upshot-Knothole. Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

Page 49: Fisika Modern

bom atom Hiroshima dan Nagasaki oleh US bom pertamaLittle Boy 6 Agustus 1945, bom kedua “The Fat Man”

Nagasaki 9 Agustus 1945. kematian 200.000 jiwa.

Oleh

Page 50: Fisika Modern

Hasil ledakan bom nuklir di Hiroshima

Dahsyatnya Bom Nuklir

Page 51: Fisika Modern

The Fat Man 5 ton dan tinggi 10,6 kaki. ( Nagasaki )

Oleh

Page 52: Fisika Modern

Little Boy 4-5 ton dan tinggi 9 kaki (Hirosima )

Oleh

Page 53: Fisika Modern

diambil 1 milisekon setelah ledakan bom, duri runcing dibawah ledakan , suhunya 20.000 Kelvin, 3,5 kali panas

permukaan matahariOleh

Page 55: Fisika Modern

Tanggal/Waktu Miniatur Dimensi Pengguna Komentar

terkini 14:37, 8 November 2009 781×804 (121 KB) Fastfission (fix fonts, metadata)

23:59, 25 Juli 2006 781×804 (127 KB) Fastfission (convert text to outlines..)

20:20, 25 Juli 2006 781×804 (120 KB) Fastfission

(A simple graphic showing

comparative nuclear fireball

diameters for a number of different

tests and warheads. From largest to

smallest, the sizes are: *w:Tsar

Bomba — 50 Mt — 2.3 km

*w:Castle Bravo — 15 Mt — 1.42

km *w:W59 warhea)

Page 56: Fisika Modern

Reaksi Fusi

Reaksi penggabungan dua inti ringan menjadi inti berat.

Page 57: Fisika Modern

Reaksi Fusi

Contohnya adalah penggabung 2 deutron energi yang

dibebaskan 3,2 MeV atau 0,8 Mev per nukleon.

Page 58: Fisika Modern

Reaksi Fusi

Gaya elektrostatik antara 2 deutron yag jari-jari +- 1,3 fm

jarak antara keduanya = 3 fm maka energinya +- 0,5 Mev.

memerlukan energi kinetik (K = 0,5 Mev ) untuk

memicu reaksi fusi. Dapat dilakukan dengan

mempercepat deutron(K) atau membuat panas (Q). • orde arus deutron dari akselerator mikro ampere daya total 4 watt per nuleon. •Memanaskan dengan energi 5 1012 joule memerlukan suhu 109 K .

Page 59: Fisika Modern

Reaksi Fusi

Reaksi fusi pada Matahari

Energi yang terbebaskan

Q = (mi - mf) c2

= ( 4 mp – mHe) 931,5 Mev

= (4 1,007825 – 4,002603) 931,5 Mev

= 26,7 Mev

Page 60: Fisika Modern

Reaksi Fusi

Daya matahari sampai bumi 1,4 103 W/m2 jarak rata-rata

bumi dan matahari 1,5 1011 m. Maka energi matahari akan

tersebar keseluruh permukaan berupa selimut bola ( 28

1022 m2 maka energinya akan 4 1026 Watt

Page 61: Fisika Modern

Lithium-6 + Deuterium -> Helium-4 + Helium-4

6Li + D -> 4He + 4He 6Li + D -> 2 4He

isotop helium-4 ( partikel alfa ) ditulis dg simbol α

Jadi, bisa juga ditulis:6Li + D -> α + α

atau:6Li(D,α)α (bentuk yang dipadatkan)

Contoh Reaksi Fusi

Page 62: Fisika Modern

massa isotop Lithium-6 : 6,015122795

massa isotop Deuterium : 2,0141017778

massa isotop Helium-4 : 4,00260325415

Lithium-6 + Deuterium Helium-4 + Helium-4

6,015122795 + 2,0141017778 4,00260325415 + 4,00260325415

8,0292245728 8,0052065083

Massa yang hilang: 8,0292245728 - 8,0052065083 = 0,0240180645 u

(0,3%) (dibulatkan)

E = mc2

E = mc2

= 1u x c2

= 1,660538782×10−27 kg x (299.792.458 m/s)2

= 149241782981582746,248171448×10−27 Kg m2/s2

= 149241782981582746,248171448×10−27 J

= 931494003,23310656815183435498209 ev

= 931,49 Mev

(dibulatkan) Jadi, massa 1u = 931,49 Mev

Page 63: Fisika Modern

Reaksi Fusi

Energi kinetik yang dibutuhkan ini setara dengan temperatur sekitar 20-30 juta derajat

Page 64: Fisika Modern

Fisika Dasar III

Oleh

Tenes Widoyo MPd

Daftar Pustaka

1. Fisika Holliday & Resnick Jilid I

2. Baequni , Fisika Modern/ struktur muatan

3. Fisika Modern Kenneth Krane4. Phisics international edition James S Walker5. Sears Zemansky Fisika untuk Universitas 3

Disampaikan pada mata kuliah fisika dasar III STT Migas Balikpapan

Tahun pembelajaran 2012/2013 semester gasal.