makalah klp 4

19
Fisika Dasar 5 2.1 Struktur dan Sifat Atom Konsep adanya inti atom pertama kali dinyatakan oleh Rutherford dari hasil serangkaian eksperimennya untuk menguji model atom yang dikemukakan oleh Thomson dengan percobaan yang terkenal dengan nama hamburan Dari eksperimen ini Rutherford menyimpulkan bahwa massa seluruh atom terkumpul pada suatu titik yang disebut inti atom yang bermuatan positif. Muatan positif yang terdapat pada inti atom sama dengan jumlah muatan elektron yang bergerak mengelilingi inti. Partikel yang bermuatan positif dalam inti atom disebut proton. Atom hidrogen biasa hanya mengandung sebuah elektron dan sebuah proton. Dari percobaan Milikan dan Thomson diperoleh bahwa massa elektron sangatlah kecil, sehingga massa proton hanya sedikit lebih kecil daripada massa atom hidrogen Jika inti atom hanya terdiri dari proton maka atom oksigen yang intinya memiliki 8 proton akan memiliki massa kira-kira 8 kali massa atom hidrogen. Tetapi dengan menggunakan spektrometer massa diperoleh bahwa massa atom oksigen kira-kira 16 kali massa atom hidrogen. Pada awal tahun 1920, Rutherford mengusulkan bahwa inti seharusnya mengandung sejumlah partikel netral, di mana massa atom netral ini hampir sama dengan massa proton. Ia menamai partikel ini dengan neutron. Barulah dua belas tahun kemudan fisikawan inggris James Chadwick (1891-1974), pada tahun 1933 berhasil mendemostrasikan kehadiran partikel netral ini. Partikel-partikel α ditembakan pada sasaran berilium. Kemudian memancarkan suatu radiasi tembus yang tak dikenal. Radiasi ini tidak dibelokkan baik oleh medan listrik maupun medan magnetik. Sehingga dapat disimpulkan bahwa secara listrik, partikel-partikel radiasi adalah netral atau tidak bermuatan. Radiasi ini selanjutnya menumbuk lembaran parafin kaya hindrogen dan mengeluarkan proton-proton dari parafin sebagai akibat tumbukan elastis. Proton-proton yang bermuatan positif ini dengan mudah dideteksi oleh kamar ionisasi atau (ionization chamber detector) Dengan menggunakan hukum kekekalan momentum dan energi chadwick mampu membuktikan bahwa massa partikel netral yang menumbuk parafin memiliki massa hampir sama dengan proton, hasil ini persis denngan neutron Rutherford yang telah diprediksi kehadiranya tiga belas lalu. Dengan demikian inti atom terdiri dari sejumlah proton bermuatan positif dan sejumlah neutron tak bermuatan. Proton dan neutron sebagai partikel peyusun inti atom (nukleus) disebut sebagai nukleon. 1. Lambang nuklida Jumlah proton dalam suatu inti atom disebut nomor atom, yang dilambangkan dengan Z. Sedangkan jumlah nukleon (proton dan neutron) dalam inti atom disebut nomor massa, yang dilambangkan dengan A. Jika unsur dilambangkan dengan X, maka inti atom dengan nomor atom tertentu dan nomor massa tertentu disebut nuklida. Sebuah nuklida dilambangkan dengan : 1 Fisika Inti dan Radioaktivitas Z A X

Upload: iketut-suena

Post on 20-Jan-2016

36 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 52.1 Struktur dan Sifat Atom

Konsep adanya inti atom pertama kali dinyatakan oleh Rutherford dari hasil serangkaian eksperimennya untuk menguji model atom yang

dikemukakan oleh Thomson dengan percobaan yang terkenal dengan nama hamburan

Dari eksperimen ini Rutherford menyimpulkan bahwa massa seluruh atom terkumpul pada suatu titik yang disebut inti atom yang

bermuatan positif. Muatan positif yang terdapat pada inti atom sama dengan jumlah muatan elektron yang bergerak mengelilingi inti. Partikel

yang bermuatan positif dalam inti atom disebut proton.

Atom hidrogen biasa hanya mengandung sebuah elektron dan sebuah proton. Dari percobaan Milikan dan Thomson diperoleh bahwa

massa elektron sangatlah kecil, sehingga massa proton hanya sedikit lebih kecil daripada massa atom hidrogen

Jika inti atom hanya terdiri dari proton maka atom oksigen yang intinya memiliki 8 proton akan memiliki massa kira-kira 8 kali massa

atom hidrogen. Tetapi dengan menggunakan spektrometer massa diperoleh bahwa massa atom oksigen kira-kira 16 kali massa atom hidrogen.

Pada awal tahun 1920, Rutherford mengusulkan bahwa inti seharusnya mengandung sejumlah partikel netral, di mana massa atom netral ini

hampir sama dengan massa proton. Ia menamai partikel ini dengan neutron. Barulah dua belas tahun kemudan fisikawan inggris James

Chadwick (1891-1974), pada tahun 1933 berhasil mendemostrasikan kehadiran partikel netral ini.

Partikel-partikel α ditembakan pada sasaran berilium. Kemudian memancarkan suatu radiasi tembus yang tak dikenal. Radiasi ini tidak

dibelokkan baik oleh medan listrik maupun medan magnetik. Sehingga dapat disimpulkan bahwa secara listrik, partikel-partikel radiasi adalah

netral atau tidak bermuatan. Radiasi ini selanjutnya menumbuk lembaran parafin kaya hindrogen dan mengeluarkan proton-proton dari parafin

sebagai akibat tumbukan elastis. Proton-proton yang bermuatan positif ini dengan mudah dideteksi oleh kamar ionisasi atau ( ionization chamber

detector)

Dengan menggunakan hukum kekekalan momentum dan energi chadwick mampu membuktikan bahwa massa partikel netral yang

menumbuk parafin memiliki massa hampir sama dengan proton, hasil ini persis denngan neutron Rutherford yang telah diprediksi kehadiranya

tiga belas lalu.

Dengan demikian inti atom terdiri dari sejumlah proton bermuatan positif dan sejumlah neutron tak bermuatan. Proton dan neutron sebagai

partikel peyusun inti atom (nukleus) disebut sebagai nukleon.

1. Lambang nuklida

Jumlah proton dalam suatu inti atom disebut nomor atom, yang dilambangkan dengan Z. Sedangkan jumlah nukleon (proton dan

neutron) dalam inti atom disebut nomor massa, yang dilambangkan dengan A. Jika unsur dilambangkan dengan X, maka inti atom dengan

nomor atom tertentu dan nomor massa tertentu disebut nuklida. Sebuah nuklida dilambangkan dengan :

Misalkan nuklida dari unsur helium dengan nomor atom 2 dan nmor massa 4 dilambangkan dengan 24 He

. Dari lambang nuklida ZA X

,

kita dapat menentukan jumlah proton dan neutron dalam inti atom dan sekaligus jumlah elektron mengitari inti yaitu sebagai berikut :

Jumlah proton = Z

Jumlah neutron = A-Z

Jumlah elektron = Z untuk aton netral

2. Isotop , Isobar dan Isoton

Isotop didefinisikan sebagai nuklida-nuklida dengan jumlah proton (Z) sama tetapi jumlah neutron berbeda. Misalnya 11 H

12 H

13 H

.

Isobar didefinisikan sebagai nuklida-nuklida dengan jumlah nukleon (A) sama tetapi jumlah proton berbeda. Misalnya 714 N

614 C

Isoton didefinisikan sebagai nuklida-nuklida dengan jumlah neutron yang sama. Misalkan 13 H

24 He

Proton memiliki satu muatan elementer positif yang besarnya sama dengan muatan e elektron (e = 1,6 x 10-19 C). Massa- massa inti dapat

diukur dengan ketelitian tinggi menggunakan spektrometer massa. Massa proton kira-kira 836 kali lebih besar daripada massa elektron,

1Fisika Inti dan Radioaktivitas

ZA X

Page 2: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5tetapi massa proton hampir sama dengan massa neutron. Massa atom ditentukan dengan menggunakan satuan u ( atomic mass unit) yang

didefinisikan sebagai :

1 u =

112 massa isotop karbon-12 ( 6

12 C)

Jadi, massa isotop 612 C

tepat sama dengan 12 u, dengan 1 u = 1,660559 x 10 -27 kg. Satu proton atau satu neutron memiliki massa kira-kira 1

u.

Massa proton = 1,007276 u

Massa neutron = 1,008665 u

Massa elektron = 0,000549 u

3. Kestabilan Inti

Tidak setiap gabungan neutron dan proton membentuk inti yang stabil. Pada

umumnya inti ringan (A < 20) mengandung jumlah neutron dan proton yang

hampir sama, sedangkan inti berat proporsi neutron bertambah besar.

Jumlah neutron cenderung lebih banyak dibandingkan dengan jumlah proton,

ini karena gaya tolak antar proton akan menjadi besar untuk inti yang mengandung

10 proton atau lebih dibandingkan dengan gaya tarik (gaya inti) antar nukleon

untuk mencapai kestabilan inti.

511 B

lebih stabil dibandingkan dengan 611 C

. Titik – titik yang

menggambarkan isotop stabil menentukan suatu daerah kestabilan yang agak

sempit. Untuk bilangan – bilangan massa yang rendah didapatkan

NZ

=1. Perbandingan ini akan bertambah besar dan akan kira – kira

mencapai 1,6 untuk bilangan massa yang besar. Kestabilan inti dapat dipahami berdasarkan sifat alam gaya tarik nuklir dan gaya tolak

Coulomb. Sebuah inti dengan terlalu banyak neutron akan menjadi tidak stabil sebab tidak cukup bagi mereka untuk dipasangkan dengan

proton – proton. Sebaliknya inti dengan terlalu banyak proton akan menghasilkan terlalu banyak gaya tolak dibandingkan dengan gaya tarik

nuklir untuk menjadi stabil. Tidak ada inti dengan nomor massa yang lebih besar dari 209 yang stabil.

2.2 Energi dan Gaya Ikat Inti

Energi yang setara dengan hilangnya massa untuk suatu nuklida tertentu disebut energi ikat inti.Sedangkan menurut Einstein, energi ikat

inti adalah selisih antara massa inti dengan massa penyusun inti yang diubah menjadi energi.

Apabila kita memiliki isotop dengan jumlah proton sebanyak Z dan sejumlah neutron sebanyak (A - Z), maka menurut perhitungan, massa

inti seharusnya sebesar Zmp + (A – Z)mn - mi] dengan mp dan mn masing-masing adalah massa proton dan massa neutron, sedangkan mi adalah

massa inti atom. Akan tetapi berdasarkan hasil pengukuran dengan spektrometer massa diperoleh bahwa massa inti lebih kecil dari jumlah massa

partikel pembentuk inti. Berdasarkan hokum kesetaran massa-energi Einstein, berkurangnyya massa inti atom, yang disebut defek massa, karena

diubah menjadi energy ikat. Defek massa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

∆m = [Zmp + (A – Z)mn - mi]............................................................(1)

Keterangan :

∆ m=defek massa ( sma )

Z=nomor atom

m p=massa proton ( sma )

mn=massa neutron (sma )

2Fisika Inti dan Radioaktivitas

Gambar 1. Kestabilan Inti

Page 3: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5mi=massa inti (sma)

Energi ikat inti dapat dihitung berdasarkan hokum kesetaraan massa-energi Einstein, yaitu:

E = ∆mc2..............................................................................................................(2)

Dengan c adalah kecepatan cahaya (c = 3 x 108 m/s). Untuk keperluan praktis biasanya defek massa (∆m) dinyatakan dalam satuan sma dan

energi (E) dalam satuan MeV dengan kesetaraan 1 sma = 931,5 MeV. Oleh karena itu, persamaan (1 – 2) dapat ditulis menjadi:

E = ∆m x 931,5 Mev/sma....................................................................................(3)

Energi per nukeus adalah energy ikat inti dibagi dengan jumlah nukleusnya. Semakin besar energy pernukleusnya maka inti akan semakin

stabil. Inti Fe2656 yaitu isotp besi mempunya energy ikat nucleon sebesar 8,8 MeV/nukleos adalah inti yang paling stabil.

Pembelahan inti berat disebut flssi nuklir melibatkan ratusan juta energy per atom lebih besar dimbandikan pembakaran batu bara atau

minyak .

Penggabungan dua belah inti ringan yang menghasilkan inti sedangkan fisi nuklir juga menghasilkan energi ikat per nucleon dalam inti

berkurang juga sangat efetif untuk memperoleh energy. Reaksi fisi merupakan sumber energy terbesar di matahari dan bintang.

Gaya ikat inti adalah gaya terkuat yang dikenal dan berjangkauan pendek yang mengikat nulkeon sampai berjarak 3 fm. Gaya inti ini 100

kali lebih kuat dai pada gaya tolak listrik antar proton. Intraksi antara proton – proton, proton - neutron, neutron – neutron adalah identik.

2.2.1 Teori Meson Gaya Nuklir

Dalam ikatan kimia terdapat terlihat bahwa sebuah molekul saling mengikat denga pertukaran dengan pertukaran electron antra

antom komponennya.

Pendekatan pertama dilakukan oleh Heissenberg yang mengusulkan bahwa electron dan positron bolak balik antara neutron. Sebuah

netron memancarkan electron dan menjadi proton dan proton mennghasilkan menyerap electron dan menjadi neutron. Pendekatan ini tidak

tepat karena gaya yang di hasilkan dalam pertukaran electron dengan positron terlalu kecil dalam peranan struktur nuklir.

Pendekatan Hideki Yukawa (1935) yang terkenal dengan teori meson gay nulkir. Menurut Yukawa setip nekleus terus-menerus

memancarkan pion. Jika terdapat nucleon lain didekatnya pion dipancarkan dapat menyeberang bolak –balik ke induknya disertai dengan

pertukaran momentu dengan aksi gaya .

Gaya ini akan tolak-menolak dari jarak yang lebih pendek dari jarak tertentu hal ini agar nucleon dala inti tidak menyatu. Hal ini

dapat mengilustrasikan gaya inti denga dua bolah yang dihubungkan dengan sebuah pegas. Pada jarak yang sang dekat kedua bola akan

saling menolak, tetapi pada saat bola dalam keadan juah bila akan semakin menarik.

2.3 Peluruhan Radioaktif

Peluruhan radioaktif adalah kumpulan beragam proses di mana sebuah inti atom yang tidak stabil memancarkan partikel subatomik

(partikel radiasi). Peluruhan terjadi pada sebuah nukleus induk dan menghasilkan sebuah nukleus anak. Ini adalah sebuah proses acak sehingga

sulit untuk memprediksi peluruhan sebuah atom. Satuan internasional (SI) untuk pengukuran peluruhan radioaktif adalah becquerel (Bq). Jika

sebuah material radioaktif menghasilkan 1 buah kejadian peluruhan tiap 1 detik, maka dikatakan material tersebut mempunyai aktivitas 1 Bq.

Karena biasanya sebuah sampel material radiaktif mengandung banyak atom,1 becquerel akan tampak sebagai tingkat aktivitas yang rendah;

satuan yang biasa digunakan adalah dalam orde gigabecquerels.

Neutron dan proton yang menyusun inti atom, terlihat seperti halnya partikel-partikel lain, diatur oleh beberapa interaksi. Gaya nuklir

kuat, yang tidak teramati pada skala makroskopik, merupakan gaya terkuat pada skala subatomik. Hukum Coulomb atau gaya elektrostatik juga

mempunyai peranan yang berarti pada ukuran ini. Gaya nuklir lemah sedikit berpengaruh pada interaksi ini. Gaya gravitasi tidak berpengaruh

pada proses nuklir.

Interaksi gaya-gaya ini pada inti atom terjadi dengan kompleksitas yang tinggi. Ada sifat yang dimiliki susunan partikel di dalam inti

atom, jika mereka sedikit saja bergeser dari posisinya, mereka dapat jatuh ke susunan energi yang lebih rendah. Mungkin bisa sedikit

digambarkan dengan menara pasir yang kita buat di pantai: ketika gesekan yang terjadi antar pasir mampu menopang ketinggian menara, sebuah

gangguan yang berasal dari luar dapat melepaskan gaya gravitasi dan membuat tower itu runtuh.

Keruntuhan menara (peluruhan) membutuhkan energi aktivasi tertentu. Pada kasus menara pasir, energi ini datang dari luar sistem, bisa

dalam bentuk ditendang atau digeser tangan. Pada kasus peluruhan inti atom, energi aktivasi sudah tersedia dari dalam. Partikel mekanika

kuantum tidak pernah dalam keadaan diam, mereka terus bergerak secara acak. Gerakan teratur pada partikel ini dapat membuat inti seketika

3Fisika Inti dan Radioaktivitas

Page 4: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5tidak stabil. Hasil perubahan akan memengaruhi susunan inti atom; sehingga hal ini termasuk dalam reaksi nuklir, berlawanan dengan reaksi

kimia yang hanya melibatkan perubahan susunan elektron diluar inti atom.

Beberapa reaksi nuklir melibatkan sumber energi yang berasal dari luar, dalam bentuk "tumbukkan" dengan partikel luar misalnya. Akan

tetapi, reaksi semacam ini tidak dipertimbangkan sebagai peluruhan. Reaksi seperti ini biasanya akan dimasukan dalam fisi nuklir/fusi nuklir.

Radioaktivitas pertama kali ditemukan pada tahun 1896 oleh ilmuwan PerancisHenri Becquerel ketika sedang bekerja dengan material

fosforen. Material semacam ini akan berpendar di tempat gelap setelah sebelumnya mendapat paparan cahaya, dan dia berfikir pendaran yang

dihasilkan tabung katode oleh sinar-X mungkin berhubungan dengan fosforesensi. Karenanya ia membungkus sebuah pelat foto dengan kertas

hitam dan menempatkan beragam material fosforen diatasnya. Kesemuanya tidak menunjukkan hasil sampai ketika ia menggunakan garam

uranium. Terjadi bintik hitam pekat pada pelat foto ketika ia menggunakan garam uranium tesebut.

Tetapi kemudian menjadi jelas bahwa bintik hitam pada pelat bukan terjadi karena peristiwa fosforesensi, pada saat percobaan, material

dijaga pada tempat yang gelap. Juga, garam uranium nonfosforen dan bahkan uranium metal dapat juga menimbulkan efek bintik hitam pada

pelat.

Partikel Alfa tidak mampu menembus selembar kertas, partikel beta tidak mampu menembus pelat alumunium. Untuk menghentikan

gamma diperlukan lapisan metal tebal, namun karena penyerapannya fungsi eksponensial akan ada sedikit bagian yang mungkin menembus

pelat metal.

2.3.1 Penemuan Sinar Alpha, Beta dan Gamma

Pada awalnya tampak bentuk radiasi yang baru ditemukan ini mirip dengan penemuan sinar-X. Akan tetapi, penelitian selanjutnya

yang dilakukan oleh Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie, Ernest Rutherford dan ilmuwan lainnya menemukan bahwa radiaktivitas jauh

lebih rumit ketimbang sinar-X. Beragam jenis peluruhan bisa terjadi.Sebagai contoh, ditemukan bahwa medan listrik atau medan magnet

dapat memecah emisi radiasi menjadi tiga sinar. Demi memudahkan penamaan, sinar-sinar tersebut diberi nama sesuai dengan alfabet

yunani yakni alpha, beta, dan gamma, nama-nama tersebut masih bertahan hingga kini. Kemudian dari arah gaya elektromagnet, diketahui

bahwa sinar alfa mengandung muatan positif, sinar beta bermuatan negatif, dan sinar gamma bermuatan netral. Dari besarnya arah

pantulan, juga diketahui bahwa partikel alfa jauh lebih berat ketimbang partikel beta. Dengan melewatkan sinar alfa melalui membran

gelas tipis dan menjebaknya dalam sebuah tabung lampu neon membuat para peneliti dapat mempelajari spektrum emisi dari gas yang

dihasilkan, dan membuktikan bahwa partikel alfa kenyataannya adalah sebuah inti atom helium. Percobaan lainnya menunjukkan

kemiripan antara radiasi beta dengan sinar katode serta kemiripan radiasi gamma dengan sinar-X.

Para peneliti ini juga menemukan bahwa banyak unsur kimia lainnya yang mempunyai isotop radioaktif. Radioaktivitas juga

memandu Marie Curie untuk mengisolasi radium dari barium; dua buah unsur yang memiliki kemiripan sehingga sulit untuk dibedakan.

Bahaya radioaktivitas dari radiasi tidak serta merta diketahui. Efek akut dari radiasi pertama kali diamati oleh insinyur listrik Amerika

Elihu Thomson yang secara terus menerus mengarahkan sinar-X ke jari-jarinya pada 1896. Dia menerbitkan hasil pengamatannya terkait

dengan efek bakar yang dihasilkan. Bisa dikatakan ia menemukan bidang ilmu fisika medik (health physics); untungnya luka tersebut

sembuh dikemudian hari. Efek genetis radiasi baru diketahui jauh dikemudian hari. Pada tahun 1927 Hermann Joseph Muller menerbitkan

penelitiannya yang menunjukkan efek genetis radiasi. Pada tahun 1947 dimendapat penghargaan hadiah Nobel untuk penemuannya ini.

Sebelum efek biologi radiasi diketahui, banyak perusahan kesehatan yang memasarkan obat paten yang mengandung bahan

radioaktif; salah satunya adalah penggunaan radium pada perawatan enema. Marie Curie menentang jenis perawatan ini, ia

4Fisika Inti dan Radioaktivitas

Page 5: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5memperingatkan efek radiasai pada tubuh manusia belum benar-benar diketahui (Curie dikemudian hari meninggal akibat Anemia

Aplastik, yang hampir dipastikan akibat lamanya ia terpapar Radium). Pada tahun 1930-an produk pengobatan yang mengandung bahan

radioaktif tidak ada lagi dipasaran bebas.

Sebuah inti radioaktif dapat melakukan sejumlah reaksi peluruhan yang berbeda. Reaksi-reaksi tersebut disarikan dalam tabel

berikut ini. Sebuah inti atom dengan muatan (nomor atom) Z dan berat atom A ditampilkan dengan (A, Z).

Mode peluruhan Partikel yang terlibat Inti anak

Peluruhan dengan emisi nukleon:

Peluruhan alfa Sebuah partikel alfa (A=4, Z=2) dipancarkan dari inti (A-4, Z-2)

Emisi proton Sebuah proton dilepaskan dari inti (A-1, Z-1)

Emisi neutron Sebuah neutron dilepaskan dari inti (A-1, Z)

Fisi spontanSebuah inti terpecah menjadi dua atau lebih atom dengan inti yang lebih kecil disertai

dengan pemancaran partikel lainnya-

Peluruhan clusterInti atom memancarkan inti lain yang lebih kecil tertentu (A1, Z1) yang lebih besar daripada

partikel alfa

(A-A1, Z-Z1) +

(A1,Z1)

Berbagai peluruhan beta:

Peluruhan betaSebuah inti memancarkan

elektron dan sebuah antineutrino || (A, Z+1)

Emisi positron Sebuah inti memancarkan positron dan sebuah neutrino (A, Z-1)

Tangkapan elektron Sebuah inti menangkap elektron yang mengorbit dan memancarkan sebuah neutrino (A, Z-1)

Peluruhan beta ganda Sebuah inti memancarkan dua elektron dan dua antineutrinos (A, Z+2)

Tangkapan elektron ganda Sebuah inti menyerap dua elektron yang mengorbit dan memancarkan dua neutrino (A, Z-2)

Tangkapan elektron dengan emisi

positron

Sebuah inti menangkap satu elektron yang mengorbit memancarkan satu positron dan dua

neutrino(A, Z-2)

Emisi positron ganda Sebuah inti memancarkan dua positrons dan dua neutrino (A, Z-2)

Transisi antar dua keadaan pada inti yang sama:

Peluruhan gamma Sebuah inti yang tereksitasi melepaskan sebuah foton energi tinggi (sinar gamma) (A, Z)

Konversi internal Inti yang tereksitasi mengirim energinya pada sebuah elektron orbital dan melepaskannya (A, Z)

Peluruhan radioaktif berakibat pada pengurangan massa, dimana menurut hukum relativitas khusus massa yang hilang diubah

menjadi energi (pelepasan energi) sesuai dengan persamaan . Energi ini dilepaskan dalam bentuk energi kinetik dari partikel

yang dipancarkan.

Banyak inti radioaktif yang mempunyai mode peluruhan berbeda. Sebagai contoh adalah Bismuth-212, yang mempunyai tiga.

Inti anak yang dihasilkan dari proses peluruhan biasanya juga tidak stabil, kadang lebih tidak stabil dari induknya. Bila kasus ini

terjadi, inti anak tadi akan meluruh lagi. Proses kejadian peluruhan berurutan yang menghasilkan hasil akhir inti stabil, disebut rantai

peluruhan. Menurut teori Big Bang, isotop radioaktif dari unsur teringan (H, He, dan Li) dihasilkan tidak berapa lama seteleah alam

semesta terbentuk. Tetapi, inti-inti ini sangat tidak stabil sehingga tidak ada dari ketiganya yang masih ada saat ini. Karenanya sebagian

besar inti radioaktif yang ada saat ini relatif berumur muda, yang terbentuk di bintang (khususnya supernova) dan selama interaksi antara

isotop stabil dan partikel berenergi. Sebagai contoh, karbon-14, inti radioaktif yang mempunyai umur-paruh hanya 5730 tahun, secara terus

menerus terbentuk di atmosfer atas bumi akibat interaksi antara sinar kosmik dan Nitrogen.

Peluruhan radioaktif telah digunakan dalam teknik perunut radioaktif, yang digunakan untuk mengikuti perjalanan subtansi kimia di

dalam sebuah sistem yang kompleks (seperti organisme hidup misalnya). Sebuah sampel dibuat dengan atom tidak stsbil konsentrasi tinggi.

Keberadaan substansi di satu atau lebih bagian sistem diketahui dengan mendeteksi lokasi terjadinya peluruhan.Dengan dasar bahwa proses

5Fisika Inti dan Radioaktivitas

Page 6: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5peluruhan radioaktif adalah proses acak (bukan proses chaos), proses peluruhan telah digunakan dalam perangkat keras pembangkit

bilangan-acak yang merupakan perangkat dalam meperkirakan umur absolutmaterial geologis dan bahan organik.

2.3.2 Peluruhan Inti Atom

Jika jumlah proton lebih besar dari jumlah netron (N < P), maka gaya elektrostatis akan lebih besar dari gaya inti, hal ini akan

menyebabkan inti atom berada dalam keadan tidak stabil. Jika jumlah netron yang lebih besar dari jumlah protonnya (N = P) akan membuat

inti berada dalam keadaan stabil. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa inti ataom paling berat yang stabil adalah Bismuth yaitu

yang mempunyai 83 proton dan 126 netron. Inti atom yang mempunyai jumlah proton lebih besar dari 83 akan berada dalam keadaan tidak

stabil. Inti yang tidak stabil ini akan berusaha menjadi inti stabil dengan cara melepaskan partikel bisa berupa proton murni ,

partikel helium yang memiliki 2 proton atau partikel lainnya. Inti atom yang tidak stabil ini memiliki sifat dapat melakukan

radiasi spontan atau mampu melakukan aktivitas radiasi sehingga dinamakan inti radioaktif. Unsur yang inti atomnya mampu melakukan

aktivitas radiasi spontan berupa pemancaran sinar-sinar radioaktif dinamakan unsur (zat) radioaktif. Pemancaran sinar-sinar radioaktif

(berupa partikel atau gelombang elektromagnetik) secara spontan oleh inti-inti berat yang tidak stabil menjadi inti-inti yang stabil disebut

Radioaktivitas. Inti yang memancarkan sinar radioaktif disebut inti induk dan inti baru yang terjadi disebut inti anak.

2.3.3 Jenis Peluruhan

Terdapat tiga jenis peluruhan radioaktif secara spontan yaitu peluruhan sinar alfa (α), peluruhan sinar beta (β) dan peluruhan sinar gamma (γ). Jenis

peluruhanatau jenis radiasi yang dipancarkan dari suatu proses peluruhan ditentukandari posisi inti atom yang tidak stabil tersebut dalam diagram A-Z.

a. Peluruhan sinar Alfa

Pemancaran atau peluruhan partikel alpha adalah bentuk radiasi partikel dengan kemampuan mengionisasi atom sangat tinggi

dan daya tembusnya rendah. Telah diketahui bahwa sinar α tidak lain adalah inti atom ( He24 ),yang mengandung 4 nukleon, yaitu 2

proton dan dua neutron. Ketika sebuah inti memancarkan sinar α. Inti tersebut kehilangan empat nukleon, 2 diantaranya adalah proton.

Sesuai dengan hukum kekekalan nomor massa dan hukum kekekalan nomor atom, maka:

Nomor massa (A) berkurang 4 ,dan

Nomor atom (Z) berkurang 2.

Jika sebuah inti induk X berubah menjadi inti anak yang sambil memancarkan sinar α,maka peluruhannya dapat ditulis sebagai

X−¿ Y + α24

Z−2A−4

ZA

(induk) (anak)

Hukum kekekalan energi juga berlaku pada reaksi inti pemancaran sinar α. Jika massa inti induk adalah massa x, massa inti

anak adalah massa y dan massa sinar α adalah m α ,semuanya dinyatakan dalam u, maka kita dapat menyatakan energi disintegrasi Q,

(dalam satuan MeV) sebagai:

Q=( mX−mY−mα ) x 931 MeV /u…………………………………..(4)

Hampir semua energi kinetik dimiliki oleh sinar α sebab massa partikel α jauh lebih kecil dari massa inti anak, Rn-222 karena

momentum juga harus kekal, maka sinar α akan memiliki kecepatan yang jauh lebih tinggi daripada inti anak. Dapat ditunjukkan

bahwa 98% dari energi disintegrasi Q dibawa sebagai energi kinetik sinar α. Sisanya 2% adalah energi kinetik inti anak.

b. Peluruhan Sinar Beta

Peluruhan Beta adalah merupakan radiasi partikel beta (elektron atau positron) dengan kemampuan ionisasi lebih rendah dari

partikel a. Radiasi beta dapat berupa pemancaran sebuah elektron disebut peluruhan beta minus (ß- ), dan pemancaran positron disebut

sebagai peluruhan beta plus (ß+ ). Peluruhan beta minus (ß- ) disertai dengan pembebasan sebuah neutrino (v) dan dinyatakan dengan

persamaan peluruhan.

Sebuah inti yang meluruh dengan memeancarkan sinar beta tidak akan berkurang nomor massanya tetapi nomor atomnya akan

bertambah satu. Jika sebuah inti induk X berubah menjadi inti anak Y yang sambil memancarkan sinar beta reaksi intinya diberikan

oleh:

X−¿ Y + β+V−10

Z +1A

ZA

6Fisika Inti dan Radioaktivitas

Page 7: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5 (induk) (anak) (neutrino)

Pada peluruhan sinar β ini bukanlah suatu elektron orbital (elektron yang bergerak mengitari inti atom pada suatu orbit tertentu)

melainkan elektron yang diciptakan di dalam inti itu sendiri. Sebagai contoh peluruhan partikel β dari C 14 ,sebagai berikut.

C−¿ C+ e+V−10

714

614

Perhatikan bahwa nomor massa adalah kekal (14 –->14+ 0), demikian juga dengan muatan inti (6 —>7-1). Tampaknya hokum

kekekalan energi tidak dipenuhi oleh peluruhan partikel β.Percobaan yang teliti juga menunjukkan bahwa momentum tidak kekal.

Pada tahun 1930, Wolfgang Pauli mengusulkan suatu solusi bahwa kemungkinan selain partikel beta muncul suatu partikel baru yang

sangat sukar dideteksi selama peluruhan partikel beta.Partikel baru ini dinamai neutrino (diberi lambang v) oleh fisikawan besar Italia,

Enrico Fermi (1901-1954),yang pada tahun 1934 mengerjakan suatu teori terinci mengenai peluruhan partikel beta.Neutrino memiliki

muatan nol dan massa diam nol.

c. Peluruhan Gamma (γ)

Setelah peluruhan alfa dan beta, inti biasanya dalam keadaan tereksitasi. Seperti halnya atom, inti akan mencapai keadaan dasar

(stabil) dengan memancarkan foton (gelombang elektromagnetik) yang dikenal dengan sinar gamma (γ). Dalam proses pemancaran

foton ini, baik nomor atom atau nomor massa inti tidak berubah. Sinar gamma adalah foton-foton (kuanta atau paket energi) yang

memiliki energi sangat tinggi. Seperti hal nya sebuah atom, inti atom itu sendiri dapat berada dalam keadaan tereksitasi. Ketika inti ini

melompat ke keadaan yang lebih rendah atau keadaan dasarnya, inti ini memancarkan sebuah foton. Karena sinar γ tidak memiliki

nomor massa 8 dan nomor atom nol, maka pemancaran sinar γ tidak menyebabkan perubahan nomor massa dan nomor atom pada inti

induk. Dengan kata lain, inti anak sama dengan inti induk, atau tidak terjadi inti baru pada pemancaran sinar γ . Dalam beberapa kasus,

inti dapat tinggal dalam keadaan tereksitasi selama beberapa saat sebelum inti ini memancarkan sinar γ . Inti ini disebut dalam keadaan

metastabil, dan inti ini disebut suatu isomer.

Setelah inti meluruh menjadi inti baru biasanya terdapat energi kelebihan pada ikatan intinya sehingga seringkali disebut inti

dalam keadaan tereksitasi. Inti yang kelebihan energinya ini biasanya akan melepaskan energinya dalam bentuk sinar gamma yang

dikenal dengan peluruhan gamma, sinarnya ini adalah foton dan termasuk ke dalam gelombang elektromagnetik yang mempunyai

energi yang sangat besar melebihi sinar X.

XA Z→ X

A Z+00 γ

Peluruhan gamma (γ) merupakan radiasi gelombang elektromagnetik dengan energi sangat tinggi sehingga memiliki daya

tembus yang sangat kuat. Sinar gamma dihasilkan oleh transisi energi inti atomdari suatu keadaan eksitasi ke keadaan dasar. Saat

transisi berlangsung terjadi radiasi energi tinggi (sekitar 4,4 MeV) dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Sinar gamma bukanlah

partikel sehingga tidak memiliki nomor atom (A=0) maka dalam peluruhan sinar-γ tidak dihasilkan inti atom baru.

2.4 Aktivitas Inti dan Waktu Paruh

Inti atom radioaktif adalah inti yang tidak stabil, yaitu secara spontan memancarkan sinar radioaktif (α, β, γ). Akibat pemancaran sinar ini

menyebabkan jumlah inti makin lama makin berkurang (meluruh). Laju perubahan inti atom radioaktif yang meluruh tiap satu satuan waktu

disebut sebagai aktivitas inti yang besarnya tidak dipengaruhi oleh faktor luar, misalnya tekanan atau suhu melainkan hanya dipengaruhi oleh

banyaknya inti atom radioaktif. Makin banyak inti atomnya, semakin tinggi pula aktivitas inti, sebaliknya makin sedikit inti atomnya, maka

semakin kecil pula aktivitas intinya. Peluruhan menyebabkan inti atom berkurang, sehingga aktivitas intinya pun berkurang sesuai dengan

perubahan waktu.

Misalkan N menggambarkan jumlah inti pada saat tertentu dan dN menggambarkan jumlah peluruhan selama selang waktu dt.

Kebolehjadian persatuan waktu bahwa inti akan meluruh disebut dengan konstanta peluruhan yang diberi lambing λ. Oleh karena itu dapat

dituliskan:

λ=− 1N

dNdt

atau −λN =dNdt …………………………………………………..(5)

tanda negatif (-) di atas menunjukkan bahwa dN selalu negative, hal tersebut menunjukkan penurunan jumlah inti induk.

Aktivitas sampel radioaktif, didefinisikan sebagai laju peluruhan inti induk menjadi inti anak.

7Fisika Inti dan Radioaktivitas

Page 8: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5

A=−dNdt

=λN………………………………………………………………….(6)

Persamaan di atas dapat dituliskan dalam bentuk berbeda jika pada saat t=0 detik terdapat No inti, maka:

∫No

NdNN

=∫t=0

t

−λ dt………………………………………………………………….(7)

lnNNo

=−λt………………………………………………………......................(8)

lnNNo

=ln e−λt

……………………………….…………………………………..(9)

Persamaan tersebut dapat dituliskan dalam bentuk eksponen menjadi:

N=N o e− λt……………………………………………………………………..(10)

Bila persamaan tersebut dikalikan dengan λ maka diperoleh:

λN =λNo e−λt…………………………………………………………………..(11)

Dengan λNo= Ao merupakan aktivitas mula-mula dan λN= A adalah aktivitas pada saat t tertentu. Oleh karena itu akan diperoleh persamaan

untuk aktivitas inti sebagai berikut:

A=Ao e−λt……………………………………………………………………(12)

Dalam bentuk logaritma dapat dinyatankan dengan:

ln A = ln Ao−λt……………………………………………………………….(13)

Keterangan:

N = jumlah inti atom yang tinggal (masih radioaktif)

No = jumlah inti atom mula-mula

λ = tetapan pelurugan ( nilainya tergantung pada jenis inti radioaktif)

t = waktu peluruhan

Ao = aktivitas inti mula-mula

A = aktivitas inti setelah waktu t

Kekuatan suatu sampel radioaktivitas memancarkan radiasi atau aktivitas radiasi dinyatakan dalam Becquerel (Bq) dimana 1 Bq = 1

peluruhan/sekon. atau bisa dinyatakan dengan besaram Curie (Ci), dimana 1 Curie = 3,7 x 10 10 Bq. Becquerel adalah satuan SI yang

didefinisikan pada tahun 1977.

Contoh penerapan radioaktivitas ini adalah penanggalan dengan menggunakan Karbon-14 (14C). Segera setelah atom 14C dibentuk di

atmosfer, ia bereaksi dengan oksigen untuk membentuk molekul CO2 dan dalam bentuk ini 14C masuk ke biosfer (udara sekitar kita). Karena

makhluk hidup secara terus-menerus mempertukarkan CO2 dengan atmosfer, maka perbandingan 14C terhadap 12C di dalam tubuh organism

adalah sama dengan perbandingan keseimbangan dari 14C terhadap 12C di atmosfer. Setelah makhluk mati, pasokan 14C tidak terjadi lagi,

sedangkan 14C yang sudah ada dalam tubuh tetap meluruh dengan umru paruh sekitar 5730 tahun. Sebagai akibatnya, tinggal suatu siklus

arkeologis dapat ditentukan dengan mengukur laju peluruhan 14C yang sekarang ada di dalam suatu cuplikan bahan organic yang ditemukan pada

situs itu.

Selain konstanta peluruhan, peluruhan radioaktif sebuah material biasanya juga dicirikan oleh rerata waktu hidup. Masing-masing atom

"hidup" untuk batas waktu tertentu sebelum ia meluruh, dan rerata waktu hidup adalah rerata aritmatika dari keseluruhan waktu hidup atom-atom

material tersebut. Rerata waktu hidup disimbolkan dengan τ, dan mempunyai hubungan dengan konstanta peluruhan sebagai berikut:

τ=1λ

8Fisika Inti dan Radioaktivitas

Page 9: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5Parameter yang lebih biasa digunakan adalah waktu paruh.Waktu paruh atau biasa disebut sebagai waktu pertengahan (half life) adalah

waktu yang diperlukan sebuah inti radioatif untuk meluruh menjadi separuh bagian dari sebelumnya. Hubungan antara waktu paruh dengan

tetapan peluruhan dapat dinyatakam dari persamaan (9).

Untuk t = T1/2 (waktu paruh) maka N= ½ No sehingga

ln

12

No

No

= ln e−λT 1

2

ln12

=−λT 12

−ln2=−λT 12

sehingga :

…………………………………………………(14)

Hubungan waktu paruh dengan konstanta peluruhan menunjukkan bahwa material dengan tingkat radioaktif yang tinggi akan cepat habis,

sedang materi dengan dengan tingkat radiasi rendah akan lama habisnya. Waktu paruh inti radioaktif sangat bervariasi, dari

mulai 1024 tahun untuk inti hampir stabil, sampai 106 detik untuk yang sangat tidak stabil

Pada umumnya laju peluruhan unsure radioaktif dapat dinyatakan dalam waktu paruh, misalnya selama waktu peluruhan t, maka unsure

yang masih radioaktif tinggal N maka:

Untuk t=T 1/2 banyaknya inti yang masih tinggal adalah

N=12

No

Untuk t=2 T1/2 banyaknya inti yang masih tinggal adalah

N=12 (1 2

No )=(12 )2 No

.

Untuk t=3T1 /2 banyaknya inti yang masih tinggal adalah

N=12 (1 2)2 No=(1 2)3 No

Untuk t=nT 1/2 banyaknya inti yang masih tinggal adalah

N=(12 )n No

Berdasarkan uraian tersebut dapat disimpulkan bahwa hubungan antara inti atom yang tinggal dibandingkan dengan jumlah inti atom

radioaktif mula-mula dapat dituliskan:

N=( 12 )

n

No…………………………………………………………………(15)

Keterangan:

N = jumlah inti yang tinggal

No = jumlah inti mula-mula

n= tT 1/2 dengan t adalah waktu peluruhan dan

T 1/2adalah waktu paruh.

Hubungan antara banyaknya inti yang masih radioaktif dengan waktu peluruhan

dapat dinyatakan pada Gambar 2.

9Fisika Inti dan Radioaktivitas

Gambar 2. Peluruhan Radioaktif

T 12

= ln2λ

atau T12

=0 , 693λ

Page 10: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 52.5 Reaksi nuklir

Reaksi nuklir adalah sebuah proses di mana dua nuklei atau partikel nuklir bertubrukan, untuk memproduksi hasil yang berbeda dari

produk awal. Pada prinsipnya sebuah reaksi dapat melibatkan lebih dari dua partikel yang bertubrukan, tetapi kejadian tersebut sangat jarang.

Bila partikel-partikel tersebut bertabrakan dan berpisah tanpa berubah (kecuali mungkin dalam level energi), proses ini disebut tabrakan dan

bukan sebuah reaksi. Ernest Rutherford adalah orang pertama yang melaporkan melihat reaksi nuklir yang beberapa partikel melewati gas

nitrogen yang diserap dan proton yang dipancarkan.

24 He+ 7

14 N→ 817 O+1

1 H

Dimana 24 He

adalah partikel dan11 H

adalah proton. Reaksi nuklir kadang-kadang ditulis dalam bentuk singkat 714 N ( α , p ) 8

17 O.

Dalam setiap reaksi nuklir, baik muatan listrik dan nomor nukleon itu dikonservasi.

Contoh:

Sebuah Neutron diamati untuk menyerang sebuah inti 816 O

dan deuteron yang dilepaskan. Deuteron adalah isotop hidrogen mengandung satu

proton dan satu neutron (12 H

)

Jawaban:

Kami memiliki reaksi n+ 8

16 O →?+12 H

. Jumlah total nukleon awalnya 16 +1 = 17, dan muatan total 8 +0 = 8, jumlah total yang sama

berlaku untuk sisi kanan reaksi. Oleh karena itu inti produk harus memiliki Z = 7 dan A = 15. Dari tabel periodik, kita menemukan bahwa itu

adalah nitrogen 715 N .

Reaksi dapat ditulis

  816 O(n , d ) 7

15 N, Di mana d mewakili deuterium, 1

2 H.

Energi dan momentum adalah kekal dalam reaksi nuklir, dan ini dapat digunakan untuk menentukan apakah suatu reaksi yang diberikan

dapat terjadi atau tidak. Jika massa total produk kurang dari massa total partikel awal, maka energi akan dilepaskan oleh reaksi dan akan muncul

sebagai energi kinetik dari partikel yang keluar. Tetapi jika massa total produk lebih besar dari massa total reaktan awal, reaksi membutuhkan

energi. Pertimbangkan reaksi nuklir bentuk umum

a+ X→Y +bDimana proyektil partikel atau inti kecil yang menyerang inti X, memproduksi nukleus Y dan partikel b biasanya p, n, . Kami mendefinisikan

energi reaksi atau nilai Q, dalam hal massa yang terlibat, seperti

Q=( M a+M x−M b −Mγ )c2

……………………………………………………(16)

Karena energi adalah kekal, Q adalah sama dengan perubahan energi kinetik

Q=Ekb+Ekγ−Eka−EkX………………………………………………………(17)

Untuk Q> 0, reaksi dikatakan eksotermik atau exoergic: energi dilepaskan dalam reaksi, sehingga Ek total lebih besar setelah reaksi dari

sebelumnya. Jika Q <0, reaksi dikatakan endotermik atau endoergic: energi yang dibutuhkan untuk membuat reaksi terjadi.

2.5.1 Reaksi Fisi

Reaksi Fisi adalah reaksi pembelahan inti atom berat menjadi beberapa inti atom ringan dan partikel elementer, disertai pelepasan

energi yang besar. Inti-inti baru hasil reaksi disebut sebagai fragmen fisi. Penemuan neutron membawa kemajuan baru dibidang fisika inti.

Sifat neutron memungkinkan digunakan dalam reaksi inti tanpa terkena efek gaya elektrostatik/gaya Coloumb.

Enrico Fermi adalah salah satu ilmuwan yang mempelopori penggunaan neutron dalam reaksi inti. Ia menembak inti atom berat

menggunakan neutron berenergi rendah (disebut juga neutron lambat atau neutron termal). Diketahui pula bahwa dalam reaksi ini dihasilkan

sejumlah energi. Pada tahun 1939, sebagai kelanjutan dari eksperimen Enrico Fermi, Otto Hahn dan Fritz Strassman menemukan

10Fisika Inti dan Radioaktivitas

Page 11: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5fenomena baru dalam eksperimen fisika inti. Mereka menemukan elemen-elemen dengan nomor atom Z mendekati 50 sebagai produk (hasil)

reaksi ketika neutron ditembakkan pada inti Uranium. Salah satu elemen produk reaksi inti tersebut adalah Barium.

Fenomena tersebut akhirnya dapat dijelaskan oleh Lise Meitner dan sepupunya Otto Frisch. Mereka menjelaskan bahwa inti Uranium

menangkap neutron dan dalam waktu yang singkat pada inti yang mendapat neutron ini akan terjadi vibrasi yang kuat sehingga akhirnya

akan pecah menjadi dua inti baru yang keduanya berukuran sama. Dalam reaksi ini juga dihasilkan sejumlah besar energ i dan beberapa

neutron. Reaksi terbelahnya inti berat menjadi dua inti baru akibat ditembak menggunakan neutron ini dikenal sebagai reaksi fisi.

Inti atom Uranium-235 ditembak dengan neutron sehingga terbelah menjadi inti atom Xe-235 dan Sr-94 disertai dengan timbulnya 2

neutron yang memiliki energi tinggi. Reaksinya dapat ditulis

92235 U + 0

1 n → 54235 Xe + 38

94 Sr + 2 01 n + Q

Pada inti berat seperti uranium-235, 92235 U

, terlihat bahwa energi ikat per nukleonnya sekitar 7,5 MeV. Jika inti ini terbelah menjadi

dua menjadi inti dengan nomor massa kira-kira setengah dari massa inti uranium semula (A sekitar 235/2 atau misalnya 115). Inti dengan

nomor massa 115 memiliki energi ikat per nucleon sekitar 8,6 MeV. Jadi energinya meningkat sekitar 8,6 MeV - 7,5 MeV = 1,1 MeV. Ini

merupakan energi yang dihasilkan tiap nucleon dari inti U-235. Energi total sebuah inti U-235 adalah (235 nucleon) (1,1 MeV/nucleon) =

260 MeV. Bandingkan energi tersebut dengan energi dari reaksi kimia berupa pembakaran sebuah molekul bensin yang hanya menghasilkan

energi sekitaar 2 eV. Jadi, reaksi fisi nuklir menghasilkan energi sekitar 100 juta kali lebih besar daripada energi reaksi kimia. Hal ini

mendorong dijadikannya nuklir sebagai salah satu energi alternatif yang sangat menjanjikan.

Fakta dihasilkan beberapa neutron sebagai produk reaksi fisi memiliki efek yang sangat penting. Neutron yang dihasilkan tersebut

dapat membelah inti-inti yang lain sehingga terjadi reaksi fisi berikutnya. Reaksi fisi yang sambung menyambung ini dikenal dengan istilah

reaksi berantai (chain reaction). Reaksi fisi berantai ini menghasilkan energi yang sangat besar.

Reaksi fisi berantai yang tak terkendali akan menyebabkan timbulnya energi yang sangat besar dalam waktu relatif singkat, sehingga

dapat membahayakan kehidupan manusia. Reaksi berantai yang tak terkendali terjadi pada Bom Atom. Energi yang timbul dari reaksi fisi

yang terkendali dapat dimanfaatkannya untuk kehidupan manusia. Reaksi fisi terkendali yaitu reaksi fisi yang terjadi dalam reaktor nuklir

(reaktor atom). Dimana dalam reaktor nuklir neutron yang terbentuk ditangkap dan tingkat energinya diturunkan sehingga reaksi fisi dapat

dikendalikan.

11Fisika Inti dan Radioaktivitas

Gambar 3. Proses Penembakan Pada Inti Uranium

Gambar 4. Reaksi Fisi Berantai

Page 12: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5Pada umumnya untuk menangkap neutron yang terjadi, digunakan logam yang mampu menangkap neutron yaitu logam Cadmium atau

Boron. Pengaturan populasi neutron yang mengadakan reaksi fisi dikendalikan oleh batang pengendali yang terbuat dari batang logam

Cadmium, yang diatur dengan jalan memasukkan batang pengendali ke dalam teras-teras bahan bakar dalam reaktor. Dalam reaktor atom,

energi yang timbul kebanyakan adalah energi panas, di mana energi panas yang timbul dalam reaktor ditransfer keluar reaktor kemudian

digunakan untuk menggerakkan generator, sehingga diperoleh energi listrik.

2.5.2 Reaksi Fusi

Reaksi fusi yaitu reaksi penggabungan dua inti atom ringan menjadi inti atom lain yang lebih berat dengan melepaskan energi.

Energi ikat inti lebih besar daripada total energi ikat kedua inti ringan pembentuknya. Karena itu dalam penggabungan dua inti ini, massa

inti baru lebih kecil daripada total massa kedua inti ringan pembentuknya. Defek massa ini muncul sebagai energi fusi. Reaksi inti seperti

ini disebut reaksi penggabungan inti atau reaksi fusi. Untuk melakukan penggabungan dua inti atom atau lebih, diperlukan energi yang

sangat besar. Kedua inti yang akan digabungkan harus dipercepat dengan kecepatan yang sangat tinggi agar bisa mengatasi gaya tolak

Coulomb antara dua muatan positif dari proton-proton inti. Tanpa kecepatan yang sangat tinggi (yang diperoleh dari suhu yang sangat

tinggi) kedua inti tidak akan dapat bergabung. Oleh karena itu, reaksi fusi memerlukan suhu yang sangat tinggi dalam orde ratusan juta

kelvin sehingga reaksi fusi juga sering disebut reaksi termonuklir.

Ada dua syarat untuk mengendalikan fusi:

1. Suhu harus sangat tinggi (dalam orde 108 0C). Pada suhu tertentu disebut suhu pembakaran (ignition temperature), proses fusi akan

berlangsung sendiri.

2. Pada suhu sangat tinggi, semua atom terionisasi habis membentuk suatu plasma (sejenis gas yang disusun oleh partikel-partikel

bermuatan seperti H+ dan elektron-). Plasma panas ini harus ditahan dalam selang waktu yang cukup lama agar tumbukan-

tumbukan antarion dapat menyebabkan fusi. Masalahnya tidak ada wadah fisik yang dapat menampung plasma panas ini.

Selisih massa system mula-mula dengan massa sistem hasil reaksi pada reaksi fusi ini muncul dalam bentuk energy yang dibebaskan

(E = mc2).

Merekayasa hasil fusi tidaklah mudah. Untuk menggabungkan dua inti ringan (misalnya dua proton) menjadi sebuah inti

memerlukan energy yang sangat tinggi. Energy ini akan diberikan pasa proton agar mampu mangatasi gaya tolak elektrostatik antarproton.

Dalam hal ini energy kinetic proton ditingkatkan dengan memberinya suhu yang sangat tinggi, sekitar 107 kelvin. Karena berlangsungnya

reaksi fusi ini memerlukan suhu yang sangat tinggi, reaksi inti ini disebut juga reaksi fusi termonuklir.

Salah satu tempat yang memungkinkan terjadinya reaksi fusi dengan suhu sangat tinggi tersebut adalah inti matahari. Pada

kenyatannya semua bintang menghasilkan energy melalui reaksi fusi terminuklir. Hampir di semua bintang (termasuk matahari), terjadi

reaksi fusi hydrogen untuk menghasilkan helium. Saat ini diperkirakan metahari mengubah 600.000.000 ton hydrogen menjadi helium tiap

detiknya.

Reaksi fusi di matahari dapat terjadi melalui beberapa cara. Yaitu daur proton-proton dan daur karbon-karbon.

Dalam daur proton, terdapat empat proton membentuk satu Helium. Karena matahari tersusun dari hidrogen biasa, maka dua

hidrogen bergabung menjadi satu dutrium, yaitu dengan reaksi

11 H+ 1

1 H→12 H +e++V

Proses ini melibatkan sebuah proton menjadi sebuah neutron, analog dengan proses peluruhan beta.

Setelah diperoleh deuterium, reaksi berikutnya

11 H0+1

2 H0→23 He+γ

Yang disusuli reaksi

23 He1+2

3 He1→24 He2+2 1

1 H0

Sehingga proses keseluruhannya dapat dituliskan, dalam reaksi berikut ini

Energi yang dibebaskan dalam reaksi ini (Q), harus ditambahkan empat elektron pada ruas kiri untuk mendapatkan empat hidrogen

netral. Dan menambahkan empat elektron pada ruas kanan, 2 untuk menteralkan He dan 2 lainnya akan bergabung dengan positron menjadi

sinar gamma. Satu-satunya massa yang tertinggal adalah empat atom hidrogen dan satu atom helium. Sehingga Q yang dibebaskan sebesar

12Fisika Inti dan Radioaktivitas

Page 13: Makalah Klp 4

Fisika Dasar 5Q=(mi−m f )×931 ,5 MeV /u=(4 x 1 ,007825 u−4 ,002603 u )x 931 , 5MeV /u=26 ,7 MeV

Jadi, tiap reaksi membebaskan energi sekitar 26,7 MeV.

Meskipun daur proton sangat mungkin, tapi mungkin bukan sumber utama energi matahari, karena dalam penggabungan dua proton

menjadi deutrium berlangsung sangat lama sebagaimana peluruhan beta. Sehingga daur itu kecil peluangnya. Untuk reaksi yang berpeluang

besar adalah daur karbon.

Dalam daur karbon terlihat bahwa 12C hanya berperan sebagai katalisator, tidak ada karbon yang dihasilkan atau digunakan dalam

reaksi ini. Kehadiran karbon disini memungkinkan deretan reaksi berlangsung pada laju yang lebih besar daripada daur proton.

Reaksi total daur karbon tersebut adalah

4 11 H0+ 2

4 He2

Sehingga nilai energi yang dibebaskan (Q) juga sama.

Hanya saja, tolakan Coulomb antara inti H dengan inti karbon lebih besar dibanding dengan tolakan Coulomb diantara 2 inti H,

maka energi termal yang dibutuhkan otomatis lebih tinggi. Daur karbon menjadi sangat penting pada suhu sekitar 20 x 106 K.

Aplikasi Reaksi Fusi:

- Reaksi Fusi Nuklir pada Bintang (Matahari)

13Fisika Inti dan Radioaktivitas