BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perkembangan ilmu Fisika dalam kajian sehari hari sangat kental dengan nuansa

makroskopis dan mikroskopis. Lebih mudah untuk menganalisa kejadian dari sudut

makroskopis daripada mikroskopis. Secara mikroskopis, studi tentang atom telah

mengalami perkembangan dari model atom Dalton sampai dengan model atom modern.

Setiap model atom memiliki kekurangan dan kelebihan masing-masing yang sesuai dengan

pemikran penemunya. Hal ini merupakan suatu tahap sains yang sangat hebat dalam

sejarah Fisika.

Hingga saat ini, dalam perkembangan selanjutnya, teori atom dikaji dengan

menggambarkan pendekatan teori atom mekanika kuantum. Perkembangan muktahir di

bidang mekanika kuantum dimulai dari teori Max Planck yang mengemukakan kuanta-

kuanta energi dilanjutkan oleh Louis de Broglie tentang dualisme partikel, kemudian oleh

Werner Heisenberg tentang prinsip ketidakpastian dan yang terakhir saat ini adalah Erwin

Schrodinger tentang persamaan gelombang.

Mekanika kuantum ini dapat menerangkan kelemahan teori atom yang sudah ada

tentang garis-garis terpisah yang sedikit berbeda panjang gelombangnya dan memperbaiki

model atom Bohr dalam hal bentuk lintasan elektron dari yang berupa lingkaran dengan

jarijari tertentu menjadi orbital dengan bentuk ruang tiga dimensi yang tertentu.

Teori kuantum dari Max Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang

dipancarkan oleh benda mampat. Radiasi inilah yang menunjukan sifat partikel dari

gelombang. Radiasi yang dipancarkan setiap benda terjadi secara tidak kontinyu

(discontinue) dipancarkan dalam satuan kecil yang disebut kuanta (energi kuantum).

Penemuan-penemuan dan teori-teori baru pasti akan terus bermunculan hingga kini, jadi

perlu menjadi perhatian kita bersama demi mengetahui rahasia yang terselubung daam

suatu atom. Berdasarkan hal-hal di atas, maka penulis menyusun makalah yang berjudul

“Inti Atom”.

Inti Atom 1

1.2 Rumusan Masalah

1. Bagaimanakah konsep dasar tentang atom?

2. Bagaimanakah perkembangan tentang teori atom?

3. Bagaimanakah model proton-elektron dari inti atom?

4. Bagaimanakah penemuan tentang neutron?

5. Bagaimanakah model proton-neutron dari inti atom?

1.3 Tujuan Penulisan

Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut.

1. Untuk menjelaskan tentang konsep dasar tentang atom.

2. Untuk menjelaskan perkembangan tentang teori atom.

3. Untuk menjelaskan model proton-elektron dari inti atom.

4. Untuk menjelaskan penemuan tentang neutron.

5. Untuk menjelaskan model proton-neutron dari inti atom.

1.4 Manfaat Penulisan

Adapun manfaat dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut.

1. Pembaca mengetahui tentang tentang konsep dasar tentang atom.

2. Pembaca mengetahui tentang perkembangan tentang teori atom.

3. Pembaca mengetahui tentang model proton-elektron dari inti atom.

4. Pembaca mengetahui tentang penemuan tentang neutron.

5. Pembaca mengetahui tentang model proton-neutron dari inti atom.

1.5 Metode Penulisan

Dalam proses penyusunan makalah ini, penulis menggunakan metode penulisan

kajian pustaka, yaitu dengan mengambil dan menggabungkan informasi dari berbagai

sumber-sumber pustaka yang mendukung dan erat kaitannya dengan pokok bahasan dalam

makalah yang penulis susun dan disertai dengan pendapat kritis dari penulis tentang kajian

materi yang akan dibahas.

Inti Atom 2

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Konsep Dasar Atom

Konsep dasar tentang atom sebenarnya sudah lama dikenal orang. Konsep tersebut

antara lain berasal dari pemikiran orang Yunani kuno yang dipelopori oleh Democritus

yang hidup pada akhir abad ke-4 dan awal abad ke-5 Sebelum Masehi. Menurut teori yang

dikemukakannya, suatu benda dapat dibagi menjadi bagian-bagian yang sangat kecil yang

akhirnya tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani

yaitu “atomos” yang berarti “tidak dapat dibagi”.

Disebutkan bahwa alasan ini berasal dari observasi di mana butiran pasir dapat

bersama-sama membentuk sebuah pantai. Dalam analoginya, pasir adalah atom, dan pantai

adalah senyawa. Analogi ini kemudian dapat dihubungkan dengan pengertian Democritus

terhadap atom yang tidak bisa dibagi lagi: walaupun sebuah pantai dapat dibagi ke dalam

butiran-butiran pasirnya, butiran pasir ini tidak dapat dibagi. Democritus juga beralasan

bahwa atom sepenuhnya padat, dan tidak memiliki struktur internal. Dia juga berpikir

harus ada ruang kosong antar atom untuk memberikan ruang untuk pergerakannya (seperti

pergerakan dalam air dan udara, atau fleksibilitas benda padat). Sebagai tambahan,

Democritus juga menjelaskan bahwa untuk menjelaskan perbedaan sifat dari material yang

berbeda, atom dibedakan ke dalam bentuk, massa dan ukurannya.

Komposisi jumlah proton dan neutron di dalam inti atom sangat mempengaruhi

kestabilan inti atom tersebut. Inti atom dikatakan stabil bila komposisi jumlah proton dan

neutronnya sudah “seimbang” serta tingkat energinya sudah berada pada keadaan dasar.

Jumlah proton dan neutron maupun tingkat energi dari inti-inti yang stabil tidak akan

mengalami perubahan selama tidak ada gangguan dari luar. Sebaliknya, inti atom

dikatakan tidak stabil bila komposisi jumlah proton dan neutronnya “tidak seimbang” atau

tingkat energinya tidak berada pada keadaan dasar. Perlu dicatat bahwa komposisi proton

dan neutron yang “seimbang” atau “tidak seimbang” di atas tidak berarti mempunyai

jumlah yang sama ataupun tidak sama. Setiap inti atom mempunyai “kesetimbangan” yang

berbeda.

Ukuran inti atom jauh lebih kecil dari ukuran atom itu sendiri, dan hampir sebagian

besar tersusun dari proton dan neutron, hampir sama sekali tidak ada sumbangan dari

elektron. Jumlah netron dalam inti atom menentukan isotop elemen tersebut. Isotop suatu

Inti Atom 3

atom ditentukan oleh jumlah neutron di dalam intinya. Isotop yang berbeda dari satu unsur

yang sama mempunyai sifat kimia yang sangat mirip karena reaksi kimia hampir

tergantung seluruhnya pada jumlah elektron yang dimiliki sebuah atom. Isotop-isotop dari

sampel dari unsur tertentu dapat dipisahkan dengan menggunakan sentrifugasi atau

spektometer massa. Jumlah proton dan netron menentukan tipe dari nukleus atau inti atom.

Proton dan neutron hampir memiliki massa yang sama, dan kombinasi jumlah, jumlah

massa, rata-rata sama dengan massa atomik sebuah atom. Kombinasi massa dari elektron

sangat kecil secara perbandingan terhadap massa nukleus, di karenakan berat dari proton

dan neutron hampir 2000 kali massa elektron.

Jumlah proton dan netron dalam inti atom saling berhubungan; biasanya dalam

jumlah yang sama, dalam nukleus besar ada beberapa netron lebih. Kedua jumlah tersebut

menentukan jenis nukleus. Proton dan netron memiliki masa yang hampir sama, dan

jumlah dari kedua masa tersebut disebut nomor massa, dan beratnya hampir sama dengan

massa atom (tiap isotop memiliki masa yang unik). Masa dari elektron sangat kecil dan

tidak menyumbang banyak kepada masa atom.

2.2 Perkembangan Teori Atom

Pada tahun 1808, Dalton mengemukakan pendapatnya tentang atom. Teori atom

Dalton didasarkan pada dua hukum, yaitu hukum kekekalan massa (hukum Lavoisier) dan

hukum susunan tetap (hukum Prouts). Lavosier mennyatakan bahwa “Massa total zat-zat

sebelum reaksi akan selalu sama dengan massa total zat-zat hasil reaksi”. Sedangkan

Prouts menyatakan bahwa “Perbandingan massa unsur-unsur dalam suatu senyawa selalu

tetap”.mengutarakan teori atomnya yang mana tidak dapat dibuktikan sepenuhnya benar.

Adapun teori atom yang dikemukakan oleh John Dalton (1766-1844) adalah

sebagai berikut.

atom merupakan partikel kecil yang tidak dapat dibagi lagi.

atom suatu unsur yang tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain.

dua atom atau lebih yang berasal dari unsur-unsur yang berlainan dapat

membentuk molekul.

atom-atom suatu unsur semuanya serupa.

pada suatu reaksi kimia, atom-atom berpisah tetapi kemudian bergabung lagi

dengan susunan yang berbeda dari semula. Tapi massa keseluruhan tetap dan

atom-atom bergabung menurut perbandingan tertentu.

Inti Atom 4

Atom adalah partikel terkecil dan tidak dapat dibagi lagi.

bila 2 macam atom berbentuk 2 macam senyawa atau lebih maka perbandingan

atom-atom yang sama dalam kedua senyawa itu sederhana.

Hipotesa Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti pada

tolak peluru. Seperti gambar berikut ini.

Kelebihan dari model atom Dalton adalah sebagai berikut.

Mulai membangkitkan minat terhadap penelitian mengenai model atom

Kelemahan dari model atom Dalton adalah sebagai berikut.

Teori atom Dalton tidak dapat menerangkan suatu larutan dapat menghantarkan

arus listrik. Bagaimana mungkin bola pejal dapat menghantarkan arus listrik,

padahal listrik adalah elektron yang bergerak. Berarti ada partikel lain yang

dapat menghantarkan arus listrik.

Berdasarkan penemuan tabung katode yang lebih baik oleh William Crookers,

maka J.J. Thomson (1856 –1940) meneliti lebih lanjut tentang sinar katode dan dapat

dipastikan bahwa sinar katode merupakan partikel, sebab dapat memutar baling-baling

yang diletakkan diantara katode dan anode. Dari hasil percobaan ini, Thomson menyatakan

bahwa sinar katode merupakan partikel penyusun atom (partikel subatom) yang bermuatan

negatif dan selanjutnya disebut elektron.

Atom merupakan partikel yang bersifat netral, oleh karena elektron bermuatan

negatif, maka harus ada partikel lain yang bermuatan positifuntuk menetrallkan muatan

negatif elektron tersebut. Dari penemuannya tersebut, Thomson memperbaiki kelemahan

dari teori atom Dalton dan mengemukakan teori atomnya yang dikenal sebagai Teori Atom

Thomson. Yang menyatakan bahwa:

“Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dan didalamya tersebar

muatan negatif elektron”

Model atom mini dapat digambarkan sebagai jambu biji yang sudah dikelupas

kulitnya. biji jambu menggambarkan elektron yang tersebar merata dalam bola

daging jambu yang pejal, yang pada model atom Thomson dianalogikan sebagai

bola positif yang pejal. Model atom Thomson dapat digambarkan sebagai

berikut.

Inti Atom 5

Kelebihan dari model atom Thomson adalah sebagai berikut.

Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti

atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.

Kelemahan dari model atom Thomson adalah sebagai berikut.

Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif

dalam bola atom tersebut.

Eksperimen Rutherford pada tahun 1910 dikenal dengan percobaan hamburan

partikel alfa. Partikel alfa yang berasal dari ion He bermuatan positif dari sumber radioaktif

ditembbakkan melalui lempeng/lembaran emas (Au foil) yang sangat tipis. Layar fluresen

ditempatkan di belakang Au foil yang sangat tipis. Layar ini ditempatkan di belakang Au

foil untuk mendeteksi hamburan (scattering) partikel alfa. Partikel alfa adalah partikel

bermuatan positif. Oleh karena itu, pantulan partikel alfa dengan sudut pantul lebih besar

dari 90 hanya mungkin disebabkan adanya tumbukan antara partikel alfa dengan suatu

partikel yang memiliki kerapatan sangat tinggi dan bermuatan sejenis (positif). Akibatnya,

partikel alfa yang menuju kepada partikel itu akan dibelokkan arahnya karena adanya

penolakan muatan yang sama. Gejala ini menurut Rutherford, akibat adanya suatu partikel

yang merupakan inti dari lempeng tipis logam yang dijadikan target. Berikut merupakan

gambaran eksperimen yang dilakukan oleh Rutherford.

Gejala lain yang diamati adalah hanya sebagian kecil dari partikel alfa yang

dipantulkan, umumnya partikel alfa diteruskan. Gejala ini menurutnya, menunjukkan

bahwa bagian terbesar dari atom-atom logam dijadikan tabir merupakan ruang kosong.

Selanjutnya Ernest Rutherford mengemukakan teori atomnya yaitu sebagai berikut.

Inti Atom 6

atom terdiri dari sebuah inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positip.

inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatip

susunan inti dan elektron-elektron atom adalah seperti susunan tata surya .

partikel-partikel penyusun inti atom adalah proton dan netron. Proton bermuatan

positip dan netron tidak bermuatan (netral).

jumlah muatan listrik proton sama dengan jumlah muatan listrik elektron, hanya

jenisnya yang berlawanan.

dalam tiap atom, jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga jumlah

muatan positip sama dengan jumlah muatan negatif. Dengan demikian, atom

bersifat netral.

gaya elektrostatik antara inti dan elektron menghasilkan gaya sentripetal

sehingga elektron terus bergerak mengelilingi inti.

Besar gaya coulomb: Fc = k×e2

r2

Besar gaya sentripetal: Fs = m×v2

r2

Sehingga diperoleh: v = √ k×e2

m×r

Dengan m = massa elektron, e =muatan elektron,

r = jari-jari lintasan, v =kecepatan elektron mengorbit.

Kelebihan model atom Rutherford adalah sebagai berikut.

Membuat hipotesa bahwa atom tersusun dari inti atom dan elektron yang

mengelilingi inti.

Kelemahan model atom Rutherford adalah sebagai berikut.

Model atom Rutherford tidak dapat menerangkan energi yang dilepaskan dalam

bentuk cahaya, sebab pada setiap kali perputaran elektron dengan percepatan

tetap, elektron kehilangan energi dan akhirnya tertarik ke inti. Perilaku seperti

ini menimbulkan gerakan berbentuk spiral, dan berakhir dengan jatuhnya

elektron ke inti. Pada kenyataanya, atom bersifat mantap dan stabil.

Oleh karena jari-jari semakin kecil maka periode juga makin kecil dan frekuensi

semakin membesar secara kontinu. Hal ini bertentangan dengan spektrum gas

hidrogen yang menghasilkan spektrum garis atau diskrit.

Inti Atom 7

Pada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki

kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen.

Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati

daerah disekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen melibatkan gabungan

antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Planck, diungkapkan dengan

empat postulat, sebagai berikut.

Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu elektron

dalam atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner

(menetap) elektron dan merupakan lintasan melingkar disekeliling inti.

Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap sehingga

tidak ada energi dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.

Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan stasioner

lain. Pada peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat, besarnya sesuai dengan

persamaan Planck, ΔE = hv.

Lintasan stasioner yang dibolehkan memilki besaran dengan sifat-sifat tertentu,

terutama sifat yang disebut momentum sudut. Besarnya momentum sudut

merupakan kelipatan dari

h2π

atau

nh2 π

, dengan n adalah bilangan bulat dan h

tetapan Planck.

Menurut model atom Bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasan-

lintasan tertentu yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Tingkat energi paling

rendah adalah kulit elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar

nomor kulitnya dan semakin tinggi tingkat energinya. Berikut merupakan gambaran

tingkat energi menurut Bohr.

Kelebihan dari model atom Bohr adalah sebagai berikut.

Inti Atom 8

Atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron.

Kelemahan dari model atom Bohr adalah sebagai berikut.

Model atom ini adalah tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack

Model atom mekanika kuantum dikembangkan oleh Erwin Schrodinger

(1926).Sebelum Erwin Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg

mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian

yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara

seksama pada saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan

elektron pada jarak tertentu dari inti atom”.

Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan elektron

disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin Schrodinger.

Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi gelombang

untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron dalam tiga dimensi.

Model atom dengan orbital lintasan elektron ini disebut model atom modern atau

model atom mekanika kuantum yang berlaku sampai saat ini, seperti terlihat pada gambar

berikut ini.

Model atom mutakhir atau model

atom mekanika gelombang.

Awan elektron disekitar inti menunjukan tempat kebolehjadian elektron. Orbital

menggambarkan tingkat energi elektron. Orbital-orbital dengan tingkat energi yang sama

atau hampir sama akan membentuk sub kulit. Beberapa sub kulit bergabung membentuk

kulit. Dengan demikian, kulit terdiri dari beberapa sub kulit dan subkulit terdiri dari

beberapa orbital. Walaupun posisi kulitnya sama tetapi posisi orbitalnya belum tentu sama.

Ciri khas model atom mekanika gelombang adalah sebagai berikut.

Gerakan elektron memiliki sifat gelombang, sehingga lintasannya (orbitnya)

tidak stasioner seperti model Bohr, tetapi mengikuti penyelesaian kuadrat fungsi

gelombang yang disebut orbital (bentuk tiga dimensi darikebolehjadian paling

besar ditemukannya elektron dengan keadaan tertentu dalam suatu atom)

Inti Atom 9

Bentuk dan ukuran orbital bergantung pada harga dari ketiga bilangan

kuantumnya. (Elektron yang menempati orbital dinyatakan dalam bilangan

kuantum tersebut)

Posisi elektron sejauh 0,529 Amstrong dari inti H menurut Bohr bukannya

sesuatu yang pasti, tetapi bolehjadi merupakan peluang terbesar ditemukannya

elektron.

Kelemahan model atom modern adalah sebagai berikut.

Persamaan gelombang Schrodinger hanya dapat diterapkan secara eksak untuk

partikel dalam kotak dan atom dengan elektron tunggal

2. 3 Model Proton-Elektron dari Inti Atom

Sebelum penemuan neutron oleh J. Chadwick pada tahun 1932, masih berlaku

asumsi yang diyakini secara umum bahwa inti atom disusun oleh proton dan elektron.

Sebuah atom tersusun atas A prorton dan A-Z elektron.

Model proton elektron tidak dapat bertahan lama karena tidak mampu menjelaskan

beberapa fakta ekperimental baru yang bisa dipercaya keakuratannya. Berikut diantara

beberapa fakta ekperimental yang mengguncang model inti atom tersebut.

a. Momentum Anguler Inti Atom

Penemuan momentum anguler disebabkan karena adanya dukungan teknologi yaitu

perkembangan spectroscopes dengan resolusi yang sangat tinggi. Studi lebih lanjut

terhadap garis-spektral dengan spectroscopes resolusi tinggi mengungkapkan banyak level

baru, dimana level tersebut sangat dekat satu sama lain. Tipe spektrum ini dinamakan

struktur hyperfine dan struktur ini diduga terbentuk karena (i) keberadaan isotop alam

suatu unsur) dan (ii) momentum anguler nuklir.

Jika ditinjau efek dari isotop (unsur yang memiliki nomor atom yang sama, tetapi

nomor massanya berbeda). Jika diberikan unsur yang tidak memiliki isotop, maka

persamaan untuk panjang gelombang pada transisi atom Hidrogen diberikan oleh:

v = 1λ=RM ( 1

n f2− 1

n i2

.)dimana RM adalah konstanta Rydberg yang diberikan oleh

RM=M

M+mR∞

, yang

nilainya adalah R∞ = 1 , 097 × 10−3 A−1∘

.

Inti Atom 10

Jika ada isotop nilai R-nya berbeda misalkan unsur Litium dengna A = 6 dan 7 dan

Z = 3 sehingga memiliki R berbeda dan bergantung pada massa inti dan massa elektron.

RM1=

M1

M 1+mR∞

RM 2=

M 2

M 2+mR∞

Untuk kedua isotop secara berturut-turut, maka diperoleh:

RM1−RM2

=m (M 1−M 2 )

(M 1+m ) (M 2+m )R∞

ΔR= mΔMM 1 M2

R∞

Jika ΔM bernilai kecil dan m sangat kecil jika dibandingkan dengan M1 dan M2,

jadi ΔR juga sangat kecil. Hal ini menghasilkan dua transisi yang sesuai dengan panjang

gelombang λ1 dan λ2. Perbedaan λ1 dan λ2 juga bernilai sangat kecil. Garis lurus tunggal,

maka dari itu menjadi garis ganda yang dekat karena adanya dua isotop. Pengaruh dari

isotop pada garis spektrum telah diamati dalam berbagai unsur dengan bantuan

spektroskop beresolusi tinggi.

Struktur yang sangat halus dari garis-garis spectrum tidak bisa dijelaskan dalam

semua kasus yang disebabkan oleh pengaruh isotop. Ditemukan bahwa ada unsur yang

tidak memiliki isotop tetapi memiliki struktur hyperfine atau dengan kata lain kehadiran

hyperfine tidak dioengaruhi oleh isotop sehingga dugaan isotop berkontribusi terhadap

pembentukan struktur hyperfine ini dinyatakan gagal.

Struktur hyperfine dari garis spektral tidak dapat dijelaskan dalam semua kasus

yang disebabkan oleh efek isotopik. Besarnya momentum anguler nuklir diberikan oleh

persamaan:

[ I ( I+1 ) ]1

2 ℏ , dimana ℏ= h

2 π

h adalah konstanta Planck dan I adalah bilangan bulat atau setengah bilangan bulat

yang menyatakan spin nuklir. Nama spin nuklir untuk I adalah nama khas bilangan

kuantum, dan nilai maksimum dari komponen momentum anguler dalam arah apapun

adalah Ih. Inti yang berbeda baik isotop berbeda dari unsur yang berbeda dapat memiliki

nilai I yang berbeda. Vektor momentum anguler nuklir juga dapat terkuantisasi ruang.

Ketika sebuah inti atom dengan spin I ditempatkan dalam sebuah medan magnetik

eksternal, nukleus (2I + 1) orientasi yang berbeda. Nilai orientasi ini adalah salah satu dari

Inti Atom 11

J

I

F

nilai (dalam satuan h) yang dimiliki oleh vector momentum angular yang diproyeksikan

searah medan maknet seperti berikut

I, I-1, I-2, I-3,………………-(I-2),- (I-1), -I

Vektor momentum anguler nuklir I ditambahkan dengan vektor momentum J dari

elektron dalam sebuah atom akan menghasilkan vektor momentum anguler F yang

diberikan oleh persamaan:

F=J+ I

Jika nilai I dan J diketahui kita bisa memperoleh semua nilai yang mungkin dari F

yang berasal dari kombinasi J dan I (gambar 1a) dan selanjutnya kita dapat memprediksi

jumlah transisi yang mungkin diantara kondisi yang berbeda-beda. Dalam praktek nyata

prosedur sebaliknya yang dipakai. Dengan menghitung jumlah garis, yang akan sama

dengan 2I + 1 jika I<J dan sama dengan 2J jika J<1 dan dengan mengetahui nilai dari J.

Gambar 1a (Vektor F)

Mungkin dapat diprediksi nilai spin inti, I. Selain metode untuk untuk menghitung

garis struktur hyperfine, metode lain dikembangkan untuk menemukan I. Hasilnya adalah

hubungan tertutup antara I dan nomor massa dari inti atom. Hubungan itu

mengimplikasikan hukum dibawah ini:

Inti Atom 12

Inti atom dengan nomor massa ganjil memiliki spin nuklir setengah dari bilangan

ganjil dan untuk inti atom dengan nomor massa genap memiliki spin nuklir nol

atau bilangan bulat.

Untuk nomor massa ganjil: I = 1

2,

32

,5

2,

72

, . .. .. ,

Untuk nomor massa genap: I = 0 , 1 , 2 , 3,4 , . .. . .,

Hasil eksperimen yang diberikan di atas mengarah kepada satu dari kelemahan

hipotesis proton electron. Perhatikan kasus, sebagai contoh 7N14 yang memiliki nomor

massa A = 14 dan nomor atom Z = 7. Sesuai dengan hipotesis proton electron, inti dari 7N14

akan memiliki 14 proton dan 7 elektron dari total 21 partikel. Karena electron dan proton

masing-masing memiliki spin ½, inti 7N14 seharusnya memiliki spin pecahan ganjil, tetapi

secara eksperimental ditemukan memiliki spin bulat (I = 1). Spin yang diprediksi oleh

hipotesis model inti proton-elektron pada akhirnya bertentangan dengan hukum yang sudah

dinyatakan sebelumnya. Ada banyak isotop yang lain yang menunjukan kontradiksi seperti

ini. Beberapa isotop seperti Cd (Z = 8) and pb (Z = 82) memiliki nomor massa ganjil dan

sesuai dengan aturan di atas inti ini seharusnya memiliki spin bulat atau nol; tetapi secara

eksperimen inti ini memiliki spin pecahan ganjil.

b. Momen Magnetik

Momentum sudut (spin) inti dapat ditentukan dalam arah tertentu di samping

dengan analisis struktur hyperfine dari spektrum garis dan spin beberapa bahan isotop.

Hasilnya bahwa spin semua inti dengan massa atom ganjil adalah kelipatan ½ h/2

sehingga inti yang bernomor genap memiliki spin 0 atau kelipatan ganjil dari h/2 dan

biasanya spin inti disimbulkan dengan I, sebuah momen magnetik dihubungkan dengan

spin inti seperti spin elektron, karena inti juga bermuatan listrik dan rotasi partikel

bermuatan membangkitkan momen magnetik. Partikel bermuatan jika dia bergerak maka

akan mengahsilkan momen magnet.

Besar momen magnet elektron dinyatakan dengan magneton Bohr yaitu:

μB=eh

4 πme c= eh

2me c=0 ,927 x 10−20 erg

gauss

Dimana e adalah energi elektron

me adalah massa elektron

e adalah kecepatan cahaya

Nilai 0 ,927 x10−20 erg

gauss ini disebut magneton Bhor atau momen magnetik

elektron, jika teori yang sama menghasilkan ini diterima berlaku untuk proton, seharusnya

proton yang bermassa 1836 kali massa elektron akan memiliki momen magnetik sebesar

momen magnet elektron atau

μN=eh

4 πmp c=

μB

1836=5 ,05 x10−24 erg

gauss

Inti Atom 13

Dimana mp adalah massa proton, μN adalah magneton nuklir dan nilai ini disebut

momen magnetik nuklir. Jika elektron berada di dalam inti, maka dia memiliki momen

magnet yang besarnya sama dengan magneton Bohr. Tetapi pada hasil eksperimen, momen

magnet inti jauh lebih kecil dari magneton Bohr, sehingga dipandang dari konsep momen

magnet, maka elektron yang berada dalam inti diragukan.

Momen magnetik dari inti atom diberikan oleh persamaan:

μI=gI √I ( I+1 )e ℏ

2 mpc

dimana gI adalah faktor g nuklir. Rasio dari momen magnetik nuklir dalam hal ini adalah

magneton nuklir terhadap momentum anguler nuklir dinamakan rasio gyromagnetik

dengan persamaan matematis yaitu:

γ I=gI Ih

e2 mp c

Ih=gI

e2 mp c

Jika momen magnet inti diberikan medan magnet maka akan berubah memiliki

sejumlah energi:

U=−g1mIeh

4 πmp cH

Dari eksperimen diperoleh nilai rata-rata momen magnet sebesar:

⟨μ1⟩mI=I=g1 Ieh

4 mp cH

Ketika inti atom diberi medan maka dihasilkan struktur hyperfine, kemudian

dilakukan pemisahan sturktur hiperfine dan menghasilkan panjang gelombang, Δλ

=1/100000.

c. Mekanika Gelombang

Dari sudut pandang mekanika gelombang, panjang gelombang sebuah elektron

diberikan oleh persamaan de Broglie, yaitu:

λ= hp= h

me v

dimana p, me, dan v berturut-turut adalah momentum, massa elektron, dan kecepatan

elektron.

Inti Atom 14

Secara logika, jika elektron berada dalam inti, dia akan memilki dimensi yang lebih

kecil atau akan sama dengan dimensi inti. Dimensi inti = 2R, maka elektron juga harus

memiliki dimensi 2R atau sama dengan 1,2 x 10-12 cm. Tetapi dalam eksperimen mekanika

gelombang dieroleh tidak sama. Berdasarkan hubungan dimensi ketidakpastian adalah:

Δx Δp ≥ h

Di mana Δx dan Δp adalah ketidakpastian posisi dan momentum pada elektron. Karena

jari-jari untuk inti yang tipis dengan nomor massa 200 adalah 0,6 x 10-12 cm. Momentum

elektronnya adalah:

Δp ~

hΔx

=6 .6×10−27 erg sec1.2×10−12 c

=5. 5×10−15erg sec

cm

Dari beberapa dugaan, di peroleh energi elektron E dengan menggunakan hubungan:

E2=p2 c2+m02 c4

Di mana m0c2 adalah massa energi pada elektron. Diasumsikan bahwa momentum p tidak

lebih besar dari Δp.

E2 = (5.5 x 10-15)2 (3 x 10-10)2 + (9.1 x 10-28)2 (3 x 1010)

=[ (16 .5×10−5 )2+(6 .6×10−13 ) ] erg2

¿ [ (2 . 7×10−8)+(6 .5×10−13 ) ] erg2

Sehingga energi elektron yang berada dalam inti dengan asumsi momentum tidak lebih

dari Δp adalah

E = (1 . 65×10−4 ) erg = 1 .65×10−4 erg

1 .6×10−12 erg/ev=10 .5×107 ev

E = 105 Mev

Namun, seharusnya dari hasil percobaan yang didapat, energi elektron berada pada 2-3

Mev. Sehingga konsep ini masih diragukan karena tidak sesuai dengan percobaan.

Dari keseluruhan konsep-konsep ini membuktikan bahwa elektron harus keluar

dari inti, atau tidak ada dalam inti, sehingga hipotesis proton-elektron tersebut gagal.

Kesimpulan yang dapat ditarik dari pemaparan di atas adalah bahwa ketiga

argument di atas yaitu momentum anguler inti, momen magnetik, dan mekanika

gelombang menyatakan bahwa model proton-elektro tidak benar. Elektron harus eksis

hanya pada bagian luar inti atom. Sanggahan terakhir terhadap hipotesis proton elektron

datang dari penemuan neutron oleh Chadwick. Hal ini penting karena penemuan neutron

merupakan point penting menuju penemuan neutron yang lebih mendetail lagi, karena

penemuan ini memimpin kemunculan model inti atom dari poton-neutron.

Inti Atom 15

2.4 Penemuan Neutron

Indikasi pertama tentang keberadaan neutron ditemukan oleh Rutherford pada

tahun 1920. Menurut pendapat Rutherford, neutron disusun oleh sebuah poton dan sebuah

elektron dalam kombinasi tertutup. Rangkaian eksperimen yang memimpin menuju

penemuan neutron dilakukan oleh Chadwick pada tahun 1932.

Lebih lanjut, ditunjukkan oleh W. Bothe dan H. Becker pada tahun 1930 bahwa

beberapa unsur-unsur memancarkan cahaya seperti unsure beryllium dan boron, ketika

ditembakkan dengan partikel alfa yang berasal darisumber radioaktif alam seperti

polonium, memancarkan radiasi dengan daya tembus yang besar terhadap suatu bahan.

Lebih lanjut observasi terhadap radiasi ini, diperoleh bahwa:

dapat menembus material berupa lapisan yang tebal.

tidak mengalami ionisasi

radiasi tidak dipengaruhi oleh medan listrik dan medan magnet.

tidak meninggalkan bekas dalam cloud chamber (kamar kabut)

memiliki energi foton yang tinggi.

Jika partikel alpha dari polonium, misalnya yang memiliki energi kinetik K yang

sama dengan 5,3 Mev, akan memunculkan persamaan reaksi berikut.

4 Be9+(2 He4+K3)→(6 C13)¿→6 C13+hv

Dari reaksi diatas dapat dijelaskan bahwa penembakan partikel alpha terhadap

bereluim akan menghasilkan 6 C13

dan melepskan energi sebesar hv.

Energi tersebut dapat dihitung dengan formula:

E=Δmc2

Energi yang dilepas dari partikel anak 6 C13

diperkirakan 2 MeV maka energi

maksimum dari reaksi tersebut adalah 14 MeV. Untuk menentukan energi radiasinya dapat

dilakukan dengan formula:

Inti Atom 16

ΣE sebelm=ΣE sesudah

MBe C2+KnC+mαC2+Kα=M c C2+KC+hv

(MBe+Mα−Mc)C2+Kα−Kc=hv

(9 , 01505+4 , 00387−13 ,00748 )X 931 , 4 MeV +5,3 MeV−2 MeV=hv(10 , 7 MeV )+5,3 MeV−2 MeV=hv14 MeV=hv

Energi tersebut tidak sesuai dengan yang dimiliki proton sehingga ia beranggapan

ada sesuatu yang bukan proton. Jadi dapat disimpulkan bahwa hasil dari peluruhan dari

unsur radioaktif alam yang memiliki energi tinggi akan memancarkan sinar gamma bukan

radiasi sinar α. Sehingga eksperimen Bhote dan Becker gagal.

Apabila radiasi yang tidak diketahui diasumsikan sebagai sebuah foton yang

memiliki energi tinggi, kemudian bertumbukan dapat diperlakukan sama seperti tumbukan

Compton antara sebuah foton dan sebuah inti. Jika pada mulanya foton memiliki energi

sebesar hυ , maka energi hυ'yaitu energi hamburan yang dimiliki oleh foton setelah

mengalami tumbukan dengan inti yang bermassa m adalah:

hυ ' = hυ

1+hυ

mc2(1−cos φ )

Dimana, φ adalah sudut antara hamburan foton dengan arah mula-mula dari foton

tersebut. Oleh karena itu, energi yang dimiliki oleh inti setelah hamburan diberikan oleh

persamaan:

hυ−hυ' = hυ(1− 1

1+hυ

mc2(1−cosφ ) )

Nilai maksimum energi partikel hasil akan diperolah apabila sudut hamburan adalah

cos φ=180∘ sehingga cos φ=−1 , dan

hυ−hυ ' = hυ ( 2

2+mc2

hυ )

Inti Atom 17

Hipotesis Tentang Neutron. Untuk menentukan massa neutron dapat diperoleh dengan

menggabungkan konsep hukum kekekalan energi kinetik dan hukum kekekalan

momentum.

Hukum kekekalan energi kinetik:

12

m1 u2 = 12

m1 u12 + 1

2m2u2

2

. .. .. . .. .. . . (1 )

Hukum kekekalan momentum:

m1 u = m1 u1 + m2u2 . .. .. . .. .. . . (2 )

Dengan mengeliminasi u1 dari kedua persamaan, maka diperoleh:

u2 =2m1

m1+m2

u. .. .. . .. .. (3 )

Kita gunakan persamaan (3) untuk kasus hidrogren dan nitrogen, maka akan diperoleh

kecepatan maksimum up dan uN berturut-turut adalah:

up =2 m

m+1u

. .. .. . .. .. (4 )

dan

uN = 2mm+14

u. .. .. . .. .. (5 )

dimana m adalah massa neutron, massa proton dan neutron diambil berturut-turut adalah 1

amu dan 14 amu. Dengan membagi persamaan (4) dengan persamaan (5), maka diperoleh:

m+14m+1

=up

uN

=3,3×109cm

s

4,7×108cms , jadi m= 1 , 15 amu

2.5 Model Proton-Neutron dari Inti Atom

Model proton-elektron yang menggambarkan inti atom masih belum dapat

menjelaskan tentang fakta-fakta eksperimental yang ditemukan. Masalah utama muncul

karena asumsi bahwa ada elektron yang muncul di dalam inti atom. Sebelumnya,

penemuan neutron, tidak ada alternatif yang dapat menjelaskan untuk menghitung muatan

Z dari inti atom dengan nomor massa A, kecuali mrnggabungkan A-Z elektron di dalam

inti atom untuk menetralkan muatan A-Z proton. Hal ini menghasilkan muatan positif Z

pada inti atom. Bagaimanapun, penemuan neutron mengubah keseluruhan gambaran

tentang atom.

Inti Atom 18

Heisenberg mengusulkan bahwa partikel baru yaitu neutron adalah unsur pokok

dari semua material. Menurut pendapatnya, semua inti atom tersusun atas proton dan

neutron, dengan tidak ada elektron yang berada pada inti atom. Massa neutron hampir

sama dengan massa proton dan muatannya adalah nol. Selain itu, massa dari inti atom akan

selalu sebanding dengan jumlah massa dari proton dan neuron yang berada di dalam inti

atom dan muatannya akan sama dengan muatan total dari proton. Munculnya nama

nukleon diperoleh dari nama proton dan neutron. Oleh karena itu, jika terdapat A nukleon

di dalam inti atom dan kemudian terdapat Z proton, maka akan terdapat A-Z neutron.

Meskipun neutron tidak memiliki muatan, dia memiliki momen magnetik yang bernilai

negatif, yang mengakibatkan bilangan kuantum spin dan vektor momen magnetiknya

memiliki arah yang berlawanan.

Model proton-elektron dapat menjelaskan semua kesulitan yang tidak dapat

dijelaskan oleh model proton-elektron. Pertama, oleh karena di dalam inti atom hanya ada

A partikel, setiap partikel memiliki blangan spin nuklir sebesar 1

2 , prediksi teoritik ini

sejalan dengan hasil eksperimen. Inti atom dengan nomor massa yang ganjil memiliki spin

nuklir 1

2dari bilangan ganjil. Sedangkan untuk nomor massa genap memiliki spin nuklir

bilagan bulat. Contohnya pada kasus 7 N14, maka sesuai dengan model proron –neutron

jumlah nukleon adalah 14, 7 proton, dan 7 neutron. Unsur 7 N14 memiliki spin nuklir bulat

positif yang sesuai dengan hasil eksperimen yaitu I = 1. Kedua, sesuai dengan model

proton-neutron, bahwa tidak ada elektron yang terdapat di dalam inti atom, oleh karena itu

tidak diharapkan momen magnetik dari inti atom akan menjadi magneton Bhor. Hal ini

disetujui karena sesuai dengan nilai eksperimental dariμI . Terakhir, sejak massa neutron

pendekatannya sama dengan massa proton, hal ini mungkin untuk neutron berada pada inti

atom, sesuai dengan prinsip ketidakpastian.

Ada satu pertanyaan penting yang masih belum bisa dijawab. Proton, dengan

muatan positif, menolak satu sama lain dan mereka mencoba untuk mengganggu inti atom.

Hal ini diasumsikan bahwa beberapa tipe gaya nuklir memegang proton, hal ini juga

berlaku sama terhadap neutron. Sebuah inti atom (nuklir) terdiri dari proton dan neutron

yang saling terikat sangat kuat. Gaya elektromagnet yang menyebabkan semacam arus

(muatan), mencegah proton membentuk ikatan tanpa neutron (gaya elektromagnetik

tersebut akan menghancurkan inti nuklir semacam itu yang dinamakan ikatan tanpa

Inti Atom 19

neutron). Ketika neutron dan proton berada dalam jarak yang sangat dekat, mereka ditahan

oleh gaya nuklir kuat. Gaya nuklir kuat ini sangat kuat bila dibandingkan dengan gaya

gravitasi atau dengan gaya elektromagnet, akan tetapi karena gaya nuklir kuat ini hanya

bekerja dalam jarak yang sangat pendek (berlawanan dengan gaya gravitasi dan

elektromagnet yang mempunyai jangkauan tak terhingga) kita tidak dapat merasakannya

dalam kehidupan sehari hari.

BAB III

PENUTUP

3.1 Simpulan

1. Menurut teori yang dikemukakan oleh Democritus, suatu benda dapat dibagi menjadi

bagian-bagian yang sangat kecil yang akhirnya tidak dapat dibagi lagi yang disebut

atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani yaitu “atomos” yang berarti “tidak dapat

dibagi”.

2. Teori atom mengalamai perkembangan yang sangat pesat dimulai dari Dalton,

Thomson, Rutherford, Bohr, hingga model atom modern.

3. Model proton elektron meyakini secara umum bahwa inti atom disusun oleh proton

dan elektron. Sebuah atom tersusun atas A prorton dan A-Z elektron. Model proton

elektron tidak dapat bertahan lama karena tidak mampu menjelaskan beberapa fakta

ekperimental baru yang bisa dipercaya keakuratannya.

4. Indikasi pertama tentang keberadaan neutron ditemukan oleh Rutherford yaitu bahwa

neutron disusun oleh sebuah poton dan sebuah elektron dalam kombinasi tertutup.

Rangkaian eksperimen yang memimpin menuju penemuan neutron dilakukan oleh

Chadwick pada tahun 1932.

5. Model proton-elektron dapat menjelaskan semua kesulitan yang tidak dapat dijelaskan

oleh model proton-elektron sehingga dapat diterima oleh para pakar Fisika. Teori ini

pada intinya neutron adalah unsur pokok dari semua material. Semua inti atom

Inti Atom 20

tersusun atas proton dan neutron, dengan tidak ada elektron yang berada pada inti

atom.

3.2 Saran

1. Ilmu dan teknologi tentang atom hendaknya dimanfaatkan dengan sebaik-baiknya

untuk menunjang kehidupan manusia di dunia ini.

2. Kita sebagai penerus di bidang Fisika jangan pernah sampai melupakan perjuangan

para Fisikawan terdahulu tentang atom, lokal meskipun sekarang sudah memasuki

zaman global.

3. Ilmu dan teknologi dimanfaatkan untuk kesejahteraan manusia, bukan untuk saling

menghancurkan.

Inti Atom 21