makalah fisika inti

5/24/2018 Makalah Fisika Inti

1/18

KATA PENGANTAR

Segala puji atas kebesaran Sang Khalik yang telah menciptakan alam semesta dalam suatu

keteraturan hingga dari lisan terpetik berjuta rasa syukur kehadirat ALLAH SWT. Karena atas

limpahan Rahmat dan Karunia-Nyalah sehingga kami diberikan kesempatan dan kesehatan untuk

dapat menyelesaikan makalah Fisika inti ini dengan judul REAKSI INTI DAN SIFAT -SIFAT INTI

ATOM yang merupakan tugas kami dalam mata kuliah Pendahuluan Fisika Inti di semester empat

ini. Shalawat dan salam senantiasa tercurah kepada baginda Nabi Muhammad SAW, yang diutus ke

permukaan bumi ini menuntun manusia dari lembah kebiadaban menuju ke puncak peradaban seperti

sekarang ini.

Kami menyadari sepenuhnya, dalam penyusunan makalah ini tidak lepas dari tantangan dan

hambatan. Namun berkat usaha dan motivasi dari pihak-pihak langsung maupun tidak langsung yang

memperlancar jalannya penyusunan makalah ini sehingga makalah ini dapat kami susun seperti

sekarang ini. Olehnya itu, secara mendalam kami ucapkan banyak terima kasih atas bantuan dan

motivasi yang diberikan sehingga Penyusun dapat menyelesaikan makalah ini.

Akhirnya dengan segala kerendahan hati kami menyadari bahwa hanya kepada ALLAH

SWT jugalah kita menyerahkan segalanya. Semoga makalah ini dapat menjadi referensi dan tambahan

materi pembelajaran bagi kita semua, Aamiin Yaa Robb.

Malang, januari 2014

Penyusun


2/18

BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANGB. RUMUSAN MASALAH

Rumusan masalah pada makalah ini sebagai berikut:

1. Apa yang dimaksud dengan reaksi inti ?2. Apa saja yang termasuk dalam jenis-jenis reaksi inti?3. Apa yang dimaksud dengan sifat-sifat inti atom?

C. TUJUANTujuan dari makalah ini adalah sebagai berikut:

1. Untuk mengetahui pengertian reaksi inti2. Untuk mengetahui pengertian reaksi inti berantai3. Untuk mengetahui pengertian sifat-sifat inti atom?

BAB II

PEMBAHASAN

A. Reaksi IntiUnsur radioaktif, inti-intinya meluruh menjadi inti yang lain yang lebih stabil. Pada peristiwa

peluruhan radioaktif inti-inti berubah dengan sendirinya tanpa dipengaruhi atau berlangsung secara

alami. Tetapi sebenarnya perubahan inti-inti radioaktif juga dapat dilakukan dengan cara

menembakkan partikel-pertikel yang mempunyai energi cukup sehingga berlangsung reaksi pada

unsur yang ditembaki. Reaksi yang terjadi dinamakan reaksi nuklir. Jadi reaksi intiatau reaksi

nukliradalah proses yang terjadi apabila partikel-pertikel nuklir (nukleon atau inti atom) saling

mengadakan kontak.

Reaksi inti ditulis sebagai berikut:

atau disingkat :

X adalah inti awal, Y inti akhir, sedang a dan b masing-masing adalah partikel datang dan yang

dipancarkan.

Apabila suatu partikel ditembakkan pada inti X, maka ada beberapa kemungkinan yang terjadi,

yakni hamburan elastik, hamburan inelastik dan reaksi inti.

Para ahli banyak menggunakan reaksi inti ini untuk tujuan analisis kualitatif dan kuantitatif dalam

suatu penelitian, misalnya AAN (Aktivasi Neutron).

Dalam reaksi inti berlaku beberapa hukum kekekalan, antara lain:

1. Hukum kekekalam muatan

Z = tetap2. Hukum kekekalan massa dan energi


3/18

MA.C2+ ma.C

2+ Ka = MB.C2+ Mb.C2+ Kb + Kb

MA.C2+ ma.C

2= MB.C

2+ Mb.C

2+ Q

Dimana Q = energi reaksi

= KB + KbKa

(Energi kinetik)

Bila Q > 0 reaksi ekso energi

Q < 0 reaksi endo energy

3. Hukum kekekalan nomor massa

A = tetap

4. Hukum kekekalan momentum sudut inti

I = tetap

5. Hukum kekekalan paritas

= tetap

6. Hukum kekekalan momentum linier

P = tetap

Partikel yang digunakan untuk menembaki inti-inti radioaktif agar terjadi reaksi nuklir adalah

partikel , partikel , sinar , netron, proton dan deuteron. Pada peristiwa reaksi nuklir, inti yang

ditembaki akan berubah menjadi inti yang lain disertai pelepasan partikel lain dan energi. Besarnya

energi yang terbentuk pada peristiwa reaksi sama dengan selisih massa mula-mula dengan massa

akhir.Reaksi inti dapat digolongkan dengan beberapa cara, tergantung pada keadaan yaitu sebagai

berikut:

1. Klasifikasi reaksi inti menurut partikel penembak

Menurut klasifikasi ini dapat digolongkan dalam beberapa golongan, yakni:

a. Reaksi partikel bermuatan

Termasuk reaksi ini adalah reaksi p, d, , C12, O16.

b. Reaksi netron

Partikel yang ditembakkan adalah netron

c. Reaksi foto nuklir

Partikel yang ditembakkan adalah foton (sinar gamma)

d. Reaksi elektron

Partikel yang ditembakkan adalah elektron

2. Klasifikasi reaksi inti menurut energi partikel penembak

a. Untuk reaksi netron, energi netron penembak dapat digolongkan dalam empat golongan,yaitu:

Netron termik dengan energi datang ~ 1/40 eV

Netron epitermik dengan energi datang ~ 1 eV


4/18

Netron datang dengan energi datang ~ 1 keV

Netron cepat dengan energi datang 0,110 MeV

b. Untuk reaksi partikel bermuatan, partikel penembak digolongkan sebagai berikut:Partikel berenergi rendah : 0,110 MeV

Partikel berenergi tinggi : 10100 MeV

3. Reaksi Fisi

Reaksi fisi (reaksi pembelahan) yaitu reaksi yang terjadi pada inti berat dan akan meluruh atau

pecah menjadi inti-inti ringan secara berantai. Pada reaksi tersebut, inti atom menangkap netron

dan menghasilkan keadaan inti yang sangat labil dan dalam waktu yang singkat inti tersebut

akan membelah menjadi belahan inti utama disertai munculnya dua atau tiga netron-netron

baru.

Ukuran dari kedua pecahan hasil reaksi tidak tetap, dengan kemungkinan terbesar pecahan yang

satu memiliki nomor massa sekitar 90 dan yang lain sekitar 140. Energi yang dibebaskan dalam

fisi, sebagian besar akan berubah menjadi energi kinetik dari kedua pecahan itu yaitu sekitar 80

persen, sedangkan yang 20 persen muncul dalam bentuk peluruhan (beta dan gamma) serta

energi kinetik sejumlah netron yang terpancar pada proses fisi. Sebagai contoh pada peluruhan

Uranium yang sering terjadi adalah:

Salah satu contoh peluruhan Uranium yang ditampilkan dalam bentuk gambar.

Gambar 2.6. Salah satu contoh reaksi fisi peluruhan Uranium

Pada reaksi dengan penembakan neutron termal pada inti uranium (inti fisil) akan menghasilkan

inti baru dan disertai lepasnya dua neutron yang jika sudah diperlambat dalam moderator dapat

menyebabkan terjadi reaksi berikutnya, sehingga terjadilah reaksi berantai, seperti gambar

dibawah ini.


5/18

Gambar 2.7. Reaksi berantai Uranium 235

Pada gambar 14 menjelaskan bahawa sebuah neutron yang bergerak lambat memicu fisi atau

pembelahan sebuah inti uranium-235 dan beberapa neutron dipancarkan. Dalam uranium yang

telah diperkaya agar mengandung uranium-235 dengan perbandingan yang tinggi, neutron-

neutron ini segera menghantam inti-inti uranium-235 lainnya dan mengulangi proses tersebut.

Terjadilah proses fisi secara terus menerus, dengan melepaskan energi dalam jumlah yang

besar.

Energi total setiap kali fisi untuk satu neutron menembak satu kali adalah sekitar 200 MeV.

Jika suatu reaksi menghasilkan energi Q>0, reaksi tersebut dinamakan reaksi Eksotermik atau

Eksoergik, sedangkan jika Q C + D

A adalah partikel penembak


6/18

B adalah partikel sasaran

C dan D adalah partikel baru hasil reaksi, maka

Pada reaksi inti yang digunakan partikel penembak, maka energi partikel penembak harus

cukup besar agar reaksi dapat terjadi. Besarnya energi kinetik minimum dari partikel penembak

agar terjadi reaksi dinamakan Energi Ambang.

4. Reaksi Fusi

Reaksi fusi (penggabungan atau peleburan) yaitu reaksi antara inti-inti ringan disertai dengan

pelepasan energi, misalnya penggabungan proton menjadi detron. Reaksi fusi adalah reaksi

yang belum bisa dibuat karena diperlukan wadah yang tahan terhadap suhu mencapai ~107

oK.

Pada suhu tersebut atom-atom akan terionisasi membentuk keadaan yang dinamakan plasma.

Sebenarnya reaksi fusi merupakan sumber energi karena pada reaksi tersebut dihasilkan energi

yang besar sekali. Seperti reaksi yang terjadi pada matahari dan bintang-bintang.

Energi yang dihasilkan terbentuk melalui dua jenis reaksi, yaitu melalui daur proton-proton dan

daur carbon yang masing-masing menghasilkan energi sekitar 25 MeV dan 28 MeV.

a. Daur proton-proton

Gambar 2.8. Reaksi daur proton

b. Daur Carbon


7/18

Gambar 2.9. Reaksi daur carbon

B. Jenis-jenis Reaksi IntiSuatu cara untuk menyerdahanakan penamaan reaksi inti hanyalah dengan menyebutkan (a,b) pada

inti sasaran. Jadi, untuk reaksi

35

Cl (n,p)

35

S, disebut reaksi (n,p) pada

35

Cl.

Berdasarkan sifat-sifat dari a dan b maka reaksi-reaksi inti dibedakan ke dalam beberapa jenis

seperti diuraikan berikut ini.

1.1 Hamburan Elastispada penembakan inti, dimana hasilnya a = b dan X = Y, disebut peristiwa hamburan elasti. Partikel

penembak menumbuk inti sasaran, ia kehilangan sebagian energi kinetiknya, yang dialihkan paad inti

sasaran. Tidak terjadi perubahan energi potensial total, dan energi kinetiknya kekal.

Jumlah energi yang ditransfer ke inti sasaran dapat dihitung dengan rumus :


8/18

EmM)(m

2sinMm4

E2

2

M

dimana Emadalah energi kinetik awal dari partikel penembak dengan massa m, dan EMadalah energi

kinetik yang diterima oleh inti sasaran dengan massa M. Teta () adalah besar sudut penyimpangandari arah datang semula dengan arah setelah menumbuk inti sasaran.

Hamburan elastik digunakan dalam perlambatan neutron cepat oleh moderator di dalam reaktor

nuklir.

1.2 Hamburan InelastikSuatu proses penghamburan dianggap inelastik jika sebagian energi kinetik partikel misil digunakan

untuk menaikkan energi potensial inti asasaran,antara lain berupa eksitasi ketingkat energi yang

lebih tinggi. Dalam kasus ini energi kinetik sistem tidak kekal.

Contoh :

107Ag (n,n)

107mAg

IT107

Ag

44,3 detik

1.3 Reaksi Photonuklir

Reaksi-reaksi inti yang diinduksi oleh sinar-X atau photon berenergi tinggi (>1 MeV) dipandang

sebagai reaksi-reaksi photonuklir. Dalam reaksi ini a = dan b lebih sering adalah n atau p dan bila

menggunakan photon dengan energi sangat tinggi maka b kemungkinan besar adalah d, t atau atau bahkan campuran partikel-partikel.

1.4 Tangkapan RadiaktifBila partikel misil diserap oleh inti sasaran, inti sasaran tereksitasi yang kemudian memancarkan

radiasi satu atau lebih photon gamma (). Reaksi yang paling umum adalah (n, ), dimana hasilnya

adalah isotop dari inti sasaran yang massanya satu satuan massa lebih besar.

Contoh :23

Na (n, )24

Na,31

P (n, )32

P,179

Au (n, )180

Au

Selain reaksi (n, ) ada pula reaksi (p, ), tetapi disini inti hasilnya bukan isotop dari inti sasaran.

Contoh :19

F (p, )20

Ne,27

Al (p, )28

Si

Reaksi inti jenis lain meliputi reaksi (n,p), (p,n), (n, ), (,n), d,p), (d,n), (,t).

1.5 Reaksi inti spesialDalam reaksi-reaksi yang telah disebutkan terdahulu, perbedaan massa inti sasaran dengan inti hasil

hanya satu atau beberapa unit massa. Ada sejumlah reaksi inti yang mengakibatkan inti sasaran

tersobek-sobek atau terpecah menjadi dua bagian yang massanya lebih kurang sama. Masuk dalam

kelompok reaksi demikian adalah :


9/18

a. Penguapan (evaporation), yaitu bila berbagai nukleon dan atau gabungan nukleon sepertipartikel alpha meninggalkan inti sasaran. Contoh

27Al (d,p)

24Na.

b. Spalasi, yaitu reaksi yang sedikit lebih hebat dari evaporasi. Sejumlah besar nukleondilemparkan keluar dan hasilnya jauh lebih ringan dari inti sasaran. Contoh

63Cu (p,p3n9)

24Na.

c. Fisi, yaitu suatu proses dimana inti yang tereksitasi oleh neutron atau cara lain, membelahmenjadi dua bagian yang massanya seimbang. Contoh :

235U + n

236U

*

137Te +

97Zr + 2n

Probabilitas reaksi reaksi dapat pula dinyatakan sebagai probabilitas untuk menemukan partikel b

pada partikel datang a atauoI

I . Persamaan rumusnya adalah

A

N

oI

I

dimana = luas efektif dan N = jumlah inti atom.

C. SIFAT-SIFAT INTI ATOMJARI-JARI ATOMBerdasarkan perkembangan model atom yang telah dikemukakan oleh beberapa ahli,atom digambarkan sebagai partikel terkecil penyusun benda yang berbentuk bulat.Berikut adalah bentuk penggambaran atom

Gambar 3. Jari-jari atomJari-jari atom adalah jarak dari pusat inti ke elektron paling luar. Jari-jari atomditentukan dengan mengukur panjang ikatan (jarak antar inti) dalam senyawa. Jari-jariatom sangat kecil, diduga diameternya sekitar 10-10 m. Satuan yang biasa digunakanuntuk menyatakan jari-jari atom adalah angstrom (). Satu angstrom sama dengan 10 -10 m.Salah satu cara untuk mengukur ukuran inti adalah dengan menghamburkan partikelbermuatan, seperti partikel alfa pada hamburan Rutherford. Selama partikel alfa masihdi luar inti, rumus Rutherford tetap berlaku, begitu jarak terdekatnya lebih kecil daripadajari-jari inti, terjadi penyimpangan dari rumus Rutherford.Jari-jari atom berubah-ubah bergantung pada besarnya tarikan antara inti denganelektronnya. Makin besar tarikan, makin kecil jari-jari atomnya. Tarikan inti terhadapelektron dipengaruhi oleh jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung

elektron. Inti dengan jumlah proton yang lebih banyak mempunyai tarikan yang lebihbesar terhadap elektron-elektronnya. Penurunan jari-jari atom dari kiri ke kanan dalamperiode yang sama disebabkan bertambahnya jumlah proton di dalam inti atom,sedangkan jumlah orbitalnya sama.Dengan bertambahnya jumlah proton, tarikan inti terhadap elektron valensi makin kuatsehingga terjadi pengerutan volume atom. Akibatnya, jari-jari atom dari kiri ke kananmengecil. Kenaikan jari-jari atom dari atas ke bawah dalam golongan yang samadisebabkan bertambahnya jumlah bertambahnya orbital (lintasan) elektron.Bertambahnya orbital menyebabkan volume atom mengembang sehingga jari-jari atommeningkat.

Salah satu cara untuk mengukur ukuran inti adalah dengan menghamburkan partikelbermuatan, seperti partikel alfa pada hamburan Rutherford. Selama partikel alfa masih


10/18

di luar inti, rumus Rutherford tetap berlaku, begitu jarak terdekatnya lebih kecil daripadajari-jari inti, terjadi penyimpangan dari rumus Rutherford.

MUATAN INTI

Inti atom terdiri atas proton dan neutron yang terikat bersama pada pusat atom. Secarakolektif, proton dan neutron tersebut disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti).Diameter inti atom berkisar antara 1015 hingga 1014m. Jari-jari inti diperkirakansama dengan fm, dengan A adalah jumlah nukleon. Hal ini sangatlah kecildibandingkan dengan jari-jari atom. Nukleon-nukleon tersebut terikat bersama oleh gayatarik-menarik potensial yang disebut gaya kuat residual. Pada jarak lebih kecil daripada2,5 fm, gaya ini lebih kuat daripada gaya elektrostatik yang menyebabkan proton salingtolak menolak.Atom dari unsur kimia yang sama memiliki jumlah proton yang sama, disebut nomoratom. Suatu unsur dapat memiliki jumlah neutron yang bervariasi. Variasi ini disebutsebagai isotop. Jumlah proton dan neutron suatu atom akan menentukan nuklida atom

tersebut, sedangkan jumlah neutron relatif terhadap jumlah proton akan menentukanstabilitas inti atom, dengan isotop unsur tertentu akan menjalankan peluruhanradioaktif.Neutron dan proton adalah dua jenis fermion yang berbeda. Asas pengecualian Paulimelarang adanya keberadaan fermion yang identik(seperti misalnya proton berganda)menduduki suatu keadaan fisik kuantum yang sama pada waktu yang sama. Oleh karenaitu, setiap proton dalam inti atom harusnya menduduki keadaan kuantum yang berbedadengan aras energinya masing-masing. Asas Pauli ini juga berlaku untuk neutron.Pelarangan ini tidak berlaku bagi proton dan neutron yang menduduki keadaan kuantumyang sama.Untuk atom dengan nomor atom yang rendah, inti atom yang memiliki jumlah proton

lebih banyak daripada neutron berpotensi jatuh ke keadaan energi yang lebih rendahmelalui peluruhan radioaktif yang menyebabkan jumlah proton dan neutron seimbang.Oleh karena itu, atom dengan jumlah proton dan neutron yang berimbang lebih stabildan cenderung tidak meluruh. Namun, dengan meningkatnya nomor atom, gaya tolak-menolak antar proton membuat inti atom memerlukan proporsi neutron yang lebihtinggi lagi untuk menjaga stabilitasnya. Pada inti yang paling berat, rasio neutron perproton yang diperlukan untuk menjaga stabilitasnya akan meningkat menjadi 1,5.

Gambaran proses fusi nuklir yang menghasilkan inti deuterium (terdiri dari satu protondan satu neutron). Satupositron (e+) dipancarkan bersamaan dengan neutrino elektron.

Jumlah proton dan neutron pada inti atom dapat diubah, walaupun hal ini memerlukanenergi yang sangat tinggi oleh karena gaya atraksinya yang kuat. Fusi nuklir terjadi ketikabanyak partikel atom bergabung membentuk inti yang lebih berat. Sebagai contoh, padainti Matahari, proton memerlukan energi sekitar 310 MeV untuk mengatasi gaya tolak-menolak antar sesamanya dan bergabung menjadi satu inti. Fisi nuklir merupakankebalikan dari proses fusi. Pada fisi nuklir, inti dipecah menjadi dua inti yang lebih kecil.Hal ini biasanya terjadi melalui peluruhan radioaktif. Inti atom juga dapat diubahmelalui penembakan partikel subatom berenergi tinggi. Apabila hal ini mengubah jumlahproton dalam inti, atom tersebut akan berubah unsurnya.Jika massa inti setelah terjadinya reaksi fusi lebih kecil daripada jumlah massa partikel

awal penyusunnya, maka perbedaan ini disebabkan oleh pelepasan pancaran energi(misalnya sinar gamma), sebagaimana yang ditemukan pada rumus kesetaraan massa-


11/18

energi Einstein,E = mc2, dengan m adalah massa yang hilang dan c adalah kecepatancahaya. Defisit ini merupakan bagian dari energi pengikatan inti yang baru.Fusi dua inti yang menghasilkan inti yang lebih besar dengan nomor atom lebih rendahdaripadabesi dan nikel (jumlah total nukleon sama dengan 60) biasanya bersifateksotermik, yang berarti bahwa proses ini melepaskan energi. Proses pelepasan energi

inilah yang membuat fusi nuklir pada bintang dapat dipertahankan. Untuk inti yang lebihberat, energi pengikatan pernukleon dalam inti mulai menurun. Ini berarti bahwa prosesfusi akan bersifat endotermik

Pola Difraksi Hamburan NuklirPercobaan lain juga dapat digunakan untuk mengukur jari-jari inti.

Difraksi di sini sama dengan difraksi cahaya oleh celah bulat. adalah panjanggelombang radiasi terhambur dan d adalah diameter. Pada energi 420 MeV, elektronmemiliki panjang gelombang deBroglie 2,95 fm, dan pengamatan minimum pada sekitar440 untuk 16O dan 500 untuk 12C. Dari hasil itu bisa dihitung jari-jari 16O dan 12C

sebesar 2,6 fm dan 2,3 fm.Jika kerapatan materi inti diasumsikan konstan, maka volume suatu nukleus akanberbanding lurus dengan jumlah nukleon A yang berada di dalamnya. Untuk bentuksferisyang simetris, memiliki V=(4/3 r_0^3A), yang memberikan radius nuklir Rsebesar : R=r_0 A^(1/3). Nilai r_0 tergantung pada sifat inti yang akan di ukur. Untukukuran distribusi massa r_0=1,4 fm, sedangkan untuk ukuran distribusi muatan r_0=1,2 fm

Nukleus sebagai bola dengan distribusi muatan seragam Ze, nukleus akan memilikienergi elektrostatis sebesar :E_c=3/5 (kZ(Z-1) e^2)/R

E_c=3/5 (kZ^2 e^2)/RHamburanpartikelalfa, diperoleh :r_o=1,414 x10^(-13) cm

Peluruhanalfadenganhasil :r_o=1,48 x 10^(-13) cm

Hamburan neutron cepatdenganhasil :r_o=1,37 x 10^(-13) cm

Jenis inti dideskripsikan dengan jumlah total muatan positif dalam inti dan jumlah totalsatuan massa. Muatan inti netto sama dengan +Ze, dengan Z menyatakan nomor atomdan e adalah besar muatan elektron. Zarah dasar yang bermuatan listrik positif dalaminti adalah proton yang tidak lain merupakan inti atom hidrogen. Hal ini berarti bahwasuatu inti dengan nomor atom Z mengandung Z proton dan atom netral mengandung Z

elektron bermuatan negatif. Karena massa elektron sangat kecil di bandingkan denganmassa proton (m_p2000 m_e), sehingga massa elektron sering diabaikan. Nomormassa suatu inti ditunjukkan dengan lambang A. Besar nomor massa intitersebut merupakan kelipatan bulat terhadap perbandingan antara massa inti dansatuan massa dasar yang didefinisikan sedemikian rupa sehingga proton memiliki massahampir mendekati satu satuan. Sebelum tahun 1932 diyakini bahwa inti mengandung Aproton dan (A-Z) elektron inti. Dengan asumsi semacam ini massa inti kira-kira A kalimassa proton ( massa elektron di abaikan) dan muatan inti sebesar A (+e) + (A-Z)(-e) = +Ze. Model ini dikenal sebagai model proton-elektron. Model ini ternyata menimbulkanbeberapa kesukaran. Keberadaan elektron dalam inti tidak memuaskan karena beberapaalasan, antara lain :

Elektron-elektron inti harus terikat dengan proton-proton karena adanya gaya yangkuat, bahkan lebih besar daripada gaya Coulomb


12/18

Adanya elektron dalam inti tidak sesuai dengan asaz ketidakpastian. Eksperimenhamburan Rutherford menunjukkan bahwa ukuran inti kira-kira mempunyai orde 10-14m. Ketidakpastian posisi elektron dalam inti x10^(-14) m dan ketidakpastian

momentumnya p /x1,1x10^(-20)kgms^(-1). Momentum elektron itu

setidaknya harus memiliki nilai sebesar1,1x10^(-20)kgms^(-1) dan energi

kinetik elektron ( dengan mengabaikan energi diam elektron adalah sebesar 20 Mev)Kesukaran lain yang berkaitan dengan spin intrinsik inti. Berdasarkan pengukuran

efek momen magnetik nuklir pada transisi-transisi atomik diketahui bahwa protonmempunyai spin intrinsik , seperti spin elektron. Berdasarkan pengukuran spindeuterium di peroleh nilai 1.

Inti yang mengandung elektron-elektron tak berpasangan di perkirakan akanmempunyai momen dipol magnetik lebih besar daripada momen dipol yang teramati.Hasil pengamatan menunjukkan bahwa momen dipol magnetik inti deutrium kira kira1/2000 kali momen dipol magnetik elektron.

MASSA INTIProton adalah inti isotop hidrogen teringan bennuatan positif yang besamya samadengan muatan elektron. Neutron adalah partikel netral, tak bennuatan listrik denganmassa sama dengan massa proton. Karena tak bennuatan listrik maka tidak dapatmenimbulkan efek ionisasi secara langsung dan hanya dapat dideteksi dan diidentifikasisecara tidak langsung, kehadiran neutron dihipotesakan oleh Pauli baru teruji di tahun1932 oleh J. Chadwick yang mendemonstrasikan sifat-sifat dasarnya dalam beberapaeksperimen reaksi nuklir.Massa proton dan neutron dalam satuan massa atom ( sebesar 1/12 massa isotop ) adalah

Masa proton mp = 1,007 276 63 0,000 000 08 uEnergi rehat proton (mpc2) = 938,256 0,005 mev

Massa neutron mn = 1, 008, 665 4 0,000 000 4 uEnergi rehat neutron (mpc2) = 939,550 0,005 mev1 u = satuan massa atom = 931,5 MeV/c2 = 1,6605402 x 10-27 kg

Proton dan neutron mempunyai massa yang hampir sama, selisihnya tidak lebih besardari 1 %, keduanya mempunyai energi rehat kurang lebih 939 MeV. Karena protonbermuatan listrik, massanya dapat diukur langsung secara eksperimen dengan spektografmassa, sedang pengukuran massa neutron dilakukan secara tidak langsung. Massa intitidak sama dengaan Z kali massa proton ditambah N kali massa neutron, melainkan lebihkecil dari nilai tersebut.Karena mayoritas massa atom berasal dari proton dan neutron, jumlah keseluruhan

partikel ini dalam atom disebut sebagai nomor massa. Massa atom pada keadaan diamsering diekspresikan menggunakan satuan massa atom (u) yang juga disebut dalton (Da).Satuan ini didefinisikan sebagai seperduabelas massa atom karbon-12 netral, yang kira-kira sebesar 1,66 1027 kg. Hidrogen-1yang merupakan isotop teringan hidrogenmemiliki bobot atom 1,007825 u. Atom memiliki massa yang kira-kira sama dengannomor massanya dikalikan satuan massa atom. Atom stabil yang paling berat adalahtimbal-208, dengan massa sebesar 207,9766521 u.Para kimiawan biasanya menggunakan satuan mol untuk menyatakan jumlah atom. Satumol didefinisikan sebagai jumlah atom yang terdapat pada 12 gram persis karbon-12.Jumlah ini adalah sekitar 6,022 1023, yang dikenal pula dengan nama tetapanAvogadro. Dengan demikian suatu unsur dengan massa atom 1 u akan memiliki satu mol

atom yang bermassa 0,001 kg. Sebagai contohnya,Karbon memiliki massa atom 12 u,sehingga satu mol karbon atom memiliki massa 0,012 kg.


13/18

Menurut Prount (1815), massa spesifik atom memenuhi :M n M_HDengan M menyatakan massa spesifik atom, n adalah bilangan bulat, dan M_Hmassaatom hidrogen. Bilangan bulat n dikenal sebagai nomor massa A. Menurut Barkla (1911)dengan hamburan sinar X dapat ditunjukkan bahwa jumlah elektron atomik Z dan

jumlah muatan inti positif tidak sama dengan no massa A. Namun kehadiran elektrondaklam inti tidak sesuai dengan data eksperimen Heisenberg dalam mekanika kuantum,tak sesuai dengan dta eksperimen mengenai orde besar momen magnetik inti dan denganperilaku statistik yang teramati pada beberapa spesies inti.Penemuan neutron oleh Chandwick pada tahun 1932 menuntun Heisenberg (1932) untukmengajukan model bahwa proton dan neutron merupakan unsur-unsur fundamentalbagi semua inti. Menurut hipotesis neutron-proton massa sebuah atom memenuhi :MZM_H+NM_nDengan : Z = jumlah proton dalam inti atom (nomor atom)

N = jumlah neutron dalam inti atom (A-Z)Mn = massa neutron

Penemuan Thomson (1912) tentang sejumlah spesies atom dengan sifat-sifat kimia yangidentik namun memiliki massa berbeda di sebut isotop, mendorong perkembangan kearah penentuan massa atom atau inti secara lebih teliti. Fisika inti dirintis oleh Astonpada tahun 1917 di kenal sebagai spektroskopi massa.Menurut model proton-neutron, deuterium memiliki sebuah proton dan sebuah neutron.Masing-masing nukleon mampunyai spin intrinsik 1/2 , sehingga spin total yangmungkin adalah 0 (jika dua spin tersebut berlawanan arah) atau 1 (jika kedua spinsearah).Massa inti merupakan besaran yang penting dalam fisika inti. Spektroskopi massamerupakan teknik pertama dalam pengukuran massa inti yang memiliki ketelitian tinggi.Kerena massa inti bertambah secara teratur dengan penambahan satu proton atauneutron, maka dengan pengukuran massa-massa inti memungkinkan semua isotop stabildapat dipetakan.Spektrograf massa memiliki sumber ion yang mengahasilkan berkas atom atau molekulterionosasi. Uap dari bahan yang sedang diselidiki ditembaki dengan berkas elektronuntuk menghasilkan ion-ion. Ion-ion yang muncul dari sumber memiliki rentangkecepatan yang lebar, seperti yang diduga untuk distribusi termal dan terdiri ats berbagaimassa yang berbeda. Sumber ion menghasilkan berkas dengan distribusi kecepatantermal. Selektor kecepatan hanya melewatkan ion-ion dengan kecepatan tertentu danpemilihan momentum di lakukan oleh medan magnet homogen yang memungkikanidentifikasi massa secara individual.

Selektor kecepatan terdiri atas medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus.Medan listrik E akan melakukan gaya listrik qE yang memiliki kecenderungan untukmenbelokkan ion-ion ke atas. Medan magnet B akan melakukan gaya magnetik qvB kebawah. Jika besar kedua gaya ini sama maka ion-ion itu akan melewati selektor tanpapembelokan. Pada keadaan ini berlaku hubungan :qE=qvB atau v= E/BDengan v menyatakan kelajuan berkas elektron.

Bagian terakhir dari spektograf adalah selektor momentum. Instrumen ini padadasarnya merupakan medan magnet homogen yang akan membelokkan berkas elektronke dalam lintasan lingkaran dengan jari-jari r yang dapat ditentukan sebagai berikut :mv=qBr atau r= mv/qB

Karena q, v dan B dapat di tentukan secara khas, masing-masing massa m munculdengan r yang khusus. Seringkali medan magnet selektor kecepatan dan selektor


14/18

momentum dijadikan satu, sehingga diperoleh hubungan :m=qrB^2/EMassa acuan dalam ukuran massa atomik adalah (_6^12)C yang diambil secara tepat12.000.000 u. Untuk menentukan massa atom yang lain misalnya (_1^1)H, di perlukanpengubahan E dan B yang memungkinkan kalibrasi berlaku.

MOMENTUM SUDUT

Basic elements of the SternGerlach experiment.Dalam percobaan Stern-Gerlach, seberkas partikel dikirimkan melalui medan magnettidak homogen, dan kemudian defleksinya diamati. Hasilnya menunjukkan bahwapartikel tersebut memiliki momentum sudut intrinsik yang analog dengan momentumsudut sebuah objek klasik yang berputar seperti gasing (spinning). Namun nilaimomentum sudut ini hanya mengambil nilai-nilai tertentu yang terkuantisasi.Percobaan ini biasanya dilakukan dengan partikel yang netral atau atom. Ini

menghindarkan defleksi besar terhadap orbit sebuah partikel bermuatan yang bergerakmelalui medan magnet dan memungkinkan efek yang terjadi akibat spin mendominasi.Bila partikel tersebut diperlakukan sebagai dipol klasik yang berotasi, akan terjadi presesidalam medan magnet karena torsi yang dikerahkan oleh medan magnet terhadap dipoltersebut. Bila partikel tersebut bergerak melalui medan magnet homogen, torsi akibatmedan magnet yang dikenakan terhadap ujung-ujung dipol akan saling melenyapkan,dan lintasan partikel tersebut tidak terpengaruh. Namun bila medan magnet tersebuttidak homogen, gaya pada salah satu ujung dipol akan lebih besar daripada gayaterhadap ujung lain, sehingga ada gaya netto yang membelokkan lintasan partikel.Bila partikel tersebut merupakan objek berputar klasik, kita akan memperkirakandistribusi spin vektor momentum sudutnya acak dan kontinu. Tiap partikel akandibelokkan dengan gaya yang berbeda-beda, dan menghasilkan distribusi mulus di layardetektor. Namun pengamatan menunjukkan bahwa partikel yang melewati peralatanpercobaan Stern-Gerlach dibelokkan ke atas atau ke bawah dalam jarak tertentu. Hasilini menunjukkan momentum sudut spin terkuantisasi (hanya dapat mengambil nilai-nilai diskret), sehingga tidak ada distribusi kontinu dari momentum sudut yangmungkin.Bila percobaan ini dilakukan menggunakan partikel bermuatan seperti elektron, akanada gaya Lorentz yang cenderung membengkokkan lintasan dalam bentuk lingkaran.Gaya ini dapat dilenyapkan menggunakan medan listrik dengan kekuatan yang sesuai,dengan orientasi tegak lurus terhadap arah partikel bermuatan tersebut.

Putar nilai untuk fermionElektron adalah partikel dengan spin-12. Partikel seperti ini hanya memiliki dua nilaimomentum sudut yang diukur sepanjang sembarang sumbu, +/2atau /2. Bila nilaiini naik karena partikel berotasi layaknya planet, masing-masing partikel haruslahberotasi sangat cepat yang tidak mungkin. Bahkan bila jari-jari elektron sebesar14 nm(jari-jari elektron klasik), permukaannya haruslah berotasi dengan kecepatan 2.31011m/s. Kecepatan rotasi permukaan ini akan melebihi laju cahaya 2.998108 m/s, dankarena itu tidak mungkin.Momentum sudut spin ini merupakan fenomena mekanika kuantum murni. Karenanilainya selalu sama, nilai ini dianggap sebagai sifat intrinsik elektron, dan karena itu

disebut sebagai "momentum sudut intrinsik" (untuk membedakannya denganmomentum sudut orbital, yang dapat bervariasi dan tergantung kepada kehadiran


15/18

partikel lain).Untuk elektron ada dua nilai yang mungkin buat momentum sudut spin yang diukursepanjang sebuah sumbu. Hal ini juga berlaku untuk proton dan neutron, yangmerupakan partikel komposit yang terdiri atas tiga kuark(yang masing-masingnyamerupakan partikel spin-12). Partikel lain memiliki nilai-nilai spin yang mungkin.

Untuk memerikan percobaan menggunakan partikel spin +12 secara matematis, lebihmudah menggunakan notasi bra-ket dari Dirac. Bila partikel melewati peranti Stern-Gerlach, mereka "diamati". Aksi pengamatan ini dalam mekanika kuantum setara denganpengukuran. Peranti pengukuran ini adalah detektor, dan dalam hal ini kita dapatmengamati salah satu dari dua nilai yang mungkin, yaitu spin atas dan spin bawah. Inidideskripsikan oleh bilangan kuantum momentum sudut j, yang dapat bernilai salahsatu, +/2 ata /2. Pengamatan (pengukuran) ini berkorespondensi dengan operatorJz. Dalam persamaan matematika,|=C_1 |_(j=/2) + C_2 |_(j=-/2) Konstanta c1 dan c2 adalah bilangan kompleks. Kuadrat dari nilai mutlaknya, (|c1|2 dan|c2|2) menentukan probabilitas menemukan salah satu dari dua nilai j yang mungkin

dalamm keadaan . Konstanta ini juga harus dinormalisasi agar probabilitas menemukansalah satu nilai ini adalah 1. Namun, informasi ini tidak cukup untuk menentukan nilai c1dan c2, karena keduanya mungkin saja bilangan kompleks. Karena itu pengukuran hanyamenghasilkan nilai mutlak nilai konstanta.Momentum sudut total atau spin inti (I) merupakan jumlah vektor dari momentumsudut orbital L dan momentum sudut spin S setiap nukleon :I =_(k=1)^AL_k+_(k=1)^AS_kDengan L_k dan S_kmasing masing adalah momentum sudut orbital dan momentumsudut spin dari nukleon ke k. Nilai skalar momentum sudut inti memenuhi :I=(i(i+I))Dengan i menyatakan bilangan kuantum momentum sudut total inti.

MOMEN MAGNETIKSetiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenaldengan nama spin. Spin beranalogi denganmomentum sudut suatu objek yang berputarpada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku seperti ini.Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (), dengan elektron, proton, danneutron semuanya memiliki spin , atau "spin-". Dalam atom, elektron yangbergerak di sekitar inti atom selain memiliki spin juga memiliki momentum sudutorbital, manakala inti atom memiliki momentum sudut pula oleh karena spin nuklirnyasendiri.

Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukanoleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini. Namun, kontribusi yang terbesartetap berasal dari spin. Oleh karena elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yaknitiada dua elektron yang dapat ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasanganelektron yang terikat satu sama lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satuberspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akansaling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapaatom berjumlah elektron genap.Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang takberpasangan menyebabkan atom tersebut bersifatferomagnetik. Orbital-orbital atom disekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai

ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebutsebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun


16/18

berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopisyang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom denganmomen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan.Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketikadiberikan medan magnet.

Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karenakesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalahmungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spintersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagaihiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansimagnetik.Di dalam inti atom nukleon dapat dianggap menjalani gerak orbital. Untuk proton,hubungan antara momen magnetik Mp dengan momentum sudut orbital proton Lpmemenuhi :M_lp=(e/2m_p ) L_pKomponen momen magnetik proton dalam arah sumbu z memenuhi :

M_lpz=(e/2m_p ) L_pzDengan L_pz= m_1 . Nilai skalar besaran momen magnetik sudut orbital proton dalamarah sumbu z dapat dinyatakan :M_lpz=(e/2m_p ) m_l=m_l _NDengan _N adalah magneton nuklir.Karena selain menjalani gerak orbital proton juga mengalami gerak spin, maka hubunganantara momen magnetik spin proton Msp dengan momentum sudut spin proton Spmemenuhi :M_sp=g_s (e/2m_p ) S_pSelanjutnya nilai skalar momen magnetik sudut spin proton dalam arah sumbu z :

M_spz=g_s (e/2m_p ) m_s=g_s m_s _NDengan cara yang sama hubungan antara momen magnetik sudut spin dan momentumsudut spin untuk neutron memenuhi :M_sn=g_s (e/2m_n ) S_nSelanjutnya nilai skalar momen magnetik sudut spin neutron dalam arah sumbu z :M_snz=g_s (e/2m_n ) m_s=g_s m_s _NDengan 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 berartibahwa 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 _N IMomen magnetik nuklir dalam arah sumbu z :M_lz=g_l _N I_z=g_l _N m_l Dengan g_l adalah tetapan giromagnetik nuklir, I_z adalah m_l ,m_l adalahbilangan kuantum spin nuklir.

MOMENT LISTRIK INTISebuah quadrupole atau kuadrapol adalah salah satu dari urutan konfigurasi-untuk biayamisalnya-listrik atau arus, atau gravitasi massa yang bisa eksis dalam bentuk yang ideal,

tetapi biasanya hanya bagian dari ekspansi multipole dari struktur yang lebih kompleksmencerminkan berbagai perintah kompleksitas.


17/18

Momen kuadrupol inti pertama kali dideteksi oleh Schuler dan Schmidt pada tahun 1935pada saat mereka menjelaskan hyperfine structure splittingEu^151 danEu^153. Muatan di titik (x,y,z)adalah q, sehingga momen dipol listrik didefinisikan sebagaiberikut :P_x=_iq_i x_i

P_y=_iq_i y_iP_z=_iq_i z_iMomen kuadrupol listrik merupakan tensor dengan enam komponen sebagai berikut :P_xx=_iq_i x_i^2P_yy=_iq_i y_i^2P_zz=_iq_i z_i^2P_xy=_iq_i x_i y_iP_xz=_iq_i x_i z_iP_yz=_iq_i y_i z_iUntuk distribusi muatan di dalam inti kontinu dan uniform maka momen dipol listrikinti dapat dinyatakan :P_x=(r ) xdP_y=(r ) ydP_z=(r ) zdDemikian pula momen koadrupol listrik inti dapat dinyatakan :P_xx=(r ) x^2 dP_yy=(r ) y^2 dP_zz=(r ) z^2 dP_xy=(r ) xydP_yz=(r ) yzd

P_xz=(r ) xzdPada umunya inti-inti yang berbeentuk tidak bulat (lonjong) hanya mempunyai momenkuadrupol saja. Momen kuadrupol listrik sebuah inti atom memenuhi :Q=4/5 ZR^2= (b-a)/RR=(b+a)/2Dengan a dan b masing-masing meyatakan setengah sumbu panjang dan setengahsumbu pendek ellipsoid.Sebuah distribusi umum muatan listrik dapat dicirikan oleh muatan bersih, denganmomen dipol nya, saat quadrupole dan momen orde tinggi. Sebuah kuadrapol dasardapat 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 tidakbola simetris, itu akan memiliki momen quadrupole.Quadrupole dan ketertiban multipol tinggi tidak penting untuk karakteristik bahandielektrik. Bidang Dipole jauh lebih kecil dari bidang biaya terisolasi, tetapi dalamdielektrik mana tidak ada biaya gratis, efek dipol yang dominan. Tidak ada keadaanseperti mendukung efek quadrupole, karena mereka harus timbul dari jumlah molekulyang sama sebagai efek dipol. Scott mengatakan bahwa efek quadrupole makroskopiklebih kecil dari efek dipol sekitar rasio dimensi atom dengan jarak pengamataneksperimental.

Contoh paling sederhana dari sebuah quadrupole listrik terdiri dari bolak muatan positif


18/18

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 saatquadrupole penataan dalam diagram tidak dapat dikurangi menjadi nol, terlepas dari

mana kita menempatkan asal koordinat. Potensi listrik dari muatan listrik quadrupolediberikan oleh :

makalah fisika inti

Documents