modul 6 kb 4 -...

MODUL 6 KB 4

DAR 2/Profesional/184/024/2018

PENDALAMAN MATERI FISIKA

MODUL 6 KB 4 : FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS

Penulis : Dr. Ign. Edi Santosa, M.Si.

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

KEMENTERIAN RISET, TEKNOLOGI, DAN PENDIDIKAN TINGGI

2018

- iv -

DAFTAR ISI

A. Pendahuluan 1

B. Capaian pembelajaran 1

C. Petunjuk pemakaian 1

D. Materi pembelajaran 2

1 Tenaga ikat inti 2

2 Kestabilan inti 12

3 Reaksi inti 18

4 Proteksi radiasi 28

E. Rangkuman

Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas

- 1 -

A. PENDAHULUAN

Modul Fisika Inti dan Radioaktvitas ditujukan agar mahasiswa menguasai

konsep-konsep dalam Fisika Inti secara mendalam. Materi yang dipelajari

meliputi ekeperimen hamburan sinar alpha yang menjadi dasar penemuan inti,

tenaga ikat inti, kestabilan inti, reaksi inti dan proteksi radiasi. Selain penjelasan,

modul ini juga disertai dengan video agar para mahasiswa dapat langsung melihat

fenomenanya. Untuk mendalami materi contoh soal juga diberikan di bagian

materi ajar. Selanjutnya mahasiswa dapat berlatih soal secara mandiri melalui

bagian tes formatif. Acuan yang diberikan di bagian belakang ditujukan bagi

mahasiswa yang akan mempelajari materi ini lebih lanjut.

Modul ini erat hubungannya dengan modul Teori Atom, dan Teori

Relativitas Khusus. Untuk itu para mahasiswa perlu mempelajari modul-modul

tersebut terlebih dahulu. Pada bagian akhir modul ini juga diseertakan Test

Sumatif, yang juga meliputi materi dalam modul-modul tersebut.

B. CAPAIAN PEMBELAJARAN

Menguasai konsep-konsep teoretis fisika modern (kuantum) secara mendalam

dengan sub capaian pembelajaran

1. menguasai peristiwa hamburan sinar alpha dengan benar

2. menguasai konsep tenaga ikat inti dengan benar

3. menguasai konsep kestabilan inti dengan benar

4. menguasai reaksi inti dengan benar

5. memahami proteksi radiasi dengan benar

C. PETUNJUK PENGGUNAAN

1. Materi dalam modul ini dibagi dalam empat topik yaitu hamburan partikel

alpha, tenaga ikat inti, kestabilan inti dan reaksi inti, serta proteksi radiasi.

2. Untuk dapat memahami materi pada setiap topik, mahasiswa perlu


- 2 -

- mempelajari bahan yang disediakan dalam “buku ajar” yang berupa

uraian materi dan contoh soal

- mendalami materi dalam video yang disediakan

3. Mahasiswa dapat lebih mendalami dan memperkaya materi dari sumber

pustaka / acuan yang digunakan

4. Mahasiswa perlu mengerjakan tes formatif di bagian akhir modul untuk

mengetahui tingkat pemahaman.

5. Pada bagian akhir juga disediakan tes sumatif yang meliputi bahan pada

modul 21, 22, 23 dan 24.

D. MATERI PEMBELAJARAN

1. Tenaga Ikat Inti

1.1. Perkembangan fisika inti

Selamat datang di bagian awal materi fisika inti. Apa yang anda

bayangkan ketika mendengar kata fisika inti. Mungkin anda lebih kenal dengan

fisika nuklir. Mungkin kita langsung teringat dengan bom nuklir, pusat listrik

tenaga nuklir (PLTN). Mungkin juga langsung terlintas di benak kita bagaimana

sebenarnya PLTN tersebut bekerja, apa bahayanya,. Memang benar hal-hal

tersebut terkait dengan fisika inti atau yang juga dikenal sebagai fisika nuklir.

Sebetulnya tak ada masalah apakah kita menggunakan fisika inti atau fisika

nuklir. Tetapi selanjutnya kita akan menggunakan fisika inti. Untuk mengetahui

dan memahami hal-hal yang terkait dengan inti, kita akan mulai dengan

mempelajari ulang perkembangan bidang fisika inti terlebih dahulu.

Radioaktivitas pertama kali diamati oleh Becquerel. Dia meletakan

uranium pada pelat foto yang belum diproses. Ketika pelat foto tersebut diproses

dia melihat adanya citra / gambar. Dari mana datangnya ini? Biasanya citra foto

terbentuk bila pelat film disinari. Karena itu dia memandang bahwa uraniumnya

memancarkan sinar khusus. Kejadian ini menjadi tonggak pertama fisika inti.

Tonggak berikut dilanjutkan oleh dengan Piere Curie, Marie Curie yang berhasil


- 3 -

mengisolasi zat radioaktif yang kemudian dinamai Polonium, yang mengacu pada

tanah kelahiran Marie Curie yaitu Polandia. Pada tahun 1905, Einstein

menyatakan adanya kaitan massa dan tenaga. Hubungan ini nanti diterapkan pada

inti atom untuk mendapatkan tenaga yang sangat besar. Daftar ini dapat

dilanjutkan dengan penemuan inti atom oleh Rutherford pada tahun 1911. Melalui

percobaan hamburan partikel alpha, Rutherford menunjukkan adanya inti atom.

Pengamatan terhadap sinar radioaktif dapat berkembang karena

ditemukannya perangkat deteksinya seperti kamar kabut Wilson dan tabung

Geiger Muller. Selain itu penelitian selanjutnya bahkan dapat menemukan

penyusun inti yaitu proton dan neutron. Reaksi pembelahan inti dipraktekan oleh

Hahn dan Strassmann pada tahun 1939. Melalui proses pembelahan ini diperoleh

tenaga yang sangat besar. Hal ini kemudian diterapkan untuk tujuan

memenangkan perang dengan pembuatan bom nuklir. Sebuah bom yang maha

dahsyat, karena besarnya tenaga yang luar biasa, sehingga menghancurkan sebuah

kota. Penerapan pembelahan inti untuk maksud damai ditunjukkan dalam

pembangkit listrik tenaga nuklir. Perkembangan ini dirangkum di bagian bawah.

1. 1896 H.A Becquerel : menemukan radiokativitas

2. 1898 Piere Curie, Marie Curie : isolasi Radium

3. 1905 Einstein : ekuivalensi massa dan tenaga

4. 1911 Rutherford : penemuan inti atom

5. 1912 Wilson : kamar kabut: jejak sinar radioaktif

6. 1919 Rutherford : transmutasi

7. 1928 Geiger dan Muller : tabung GM: deteksi radiasi

8. 1931 Van de Graaff : accelerator elektrostatik

9. 1932 Chadwick : penemuan neutron

10. 1932 Heisenberg : inti terdiri dari proton dan neutron

11. 1939 Hahn dan Strassmann : penemuan fisi inti

12. 1942 Fermi et al. : reaktor nuklir pertama

13. 1945 : Bom nuklir


- 4 -

1.2. Eksperimen hamburan sinar alpha

Kita sudah membicarakan tentang inti pada modul sebelumnya. Mari kita

lihat sebentar tentang penemuan inti. Seperti yang sudah dibahas di modul 23

Teori Atom, pada tahun 1911, Rutherford bersama Geiger dan Marsden

melakukan eksperimen hamburan sinar alpha. Peralatan yang digunakan meliputi

sumber radioaktif pemancar sinar alpha, keping tipis emas, detektor alpha.

Sumber radioaktif memancarkan sinar alpha. Setelah melalui kolimator sinar

alpha akan terarah ke keping tipis emas. Untuk mengetahui keberadaan sinar

alpha digunakan detektor sintilator. Hasil pengamatannya sangat mengejutkan,

karena ternyata sinar alpha terdeteksi di berbagai tempat, tidak hanya persis pada

arah sinar datang. Bahkan sinar alpha juga terdeteksi berbalik arah.

Bagaimana hal itu dapat dijelaskan? Kalau kita memandang atom seperti roti

kismis, ingat modelnya Thomson, maka kita akan mendapatkan partikel alpha

hanya pada satu tempat saja, sesuai arah sinar alpha datang. Hal ini dapat kita

bayangkan seperti peluru yang ditembakan pada selembar kertas. Tetapi

kenyataannya tidak demikian. Mengapa demikian? Sinar alpha sesungguhnya

adalah inti Helium, sehingga massanya besar sekali, jauh lebih besar dari massa

elektron. Selain itu sebagai inti helium, partikel alpha ini bermuatan positip.

Karena itu Rutherford memandang bahwa muatan positip di dalam atom dan

sebagian besar massa atom mengumpul di inti atom. Inti inilah yang

menghamburkan partikel alpha. Dari hasil eksperimen tersebut selanjutnya

Rutherford menyatakan model atomnya sebagai berikut

Atom terdiri dari inti yang dengan muatan + Ze

dan elektron dengan muatan -Ze yang mengelilingi inti

Model ini sudah lebih baik dari model sebelumnya yang telah dikemukakan oleh

Thomson. Kita tidak akan membicarakan model atom ini lebih lanjut di sini. Hal

ini sudah dibahas dalam modul khusus Teori Atom. Sekarang kita akan lebih

mendalami hal yang terkait langsung dengan inti.


- 5 -

Proses hamburan sinar alpha oleh inti atom ditunjukkan pada gambar 1.1.

Partikel alpha dengan tenaga kinetik K datang mendekati inti dengan parameter b.

Karena inti bermuatan positip dan partikel alpha juga bermuatan positip, maka

partikel alpha akan megalami gaya tolak. Besarnya tolakan akan tergantung pada

jarak antara partikel alpha dan inti. Semakin jauh dari inti (semakin besar nilai b)

gaya tolak semakin kecil. Dari analisa gaya interaksi ini didapatkan bahwa

partikel alpha akan dihamburkan dengan sudut yang nilainya mengikuti

persmaan

beZ

Ko

2

4

2cot

(1.1)

dengan : permitivitas

e : muatan elektron

Gambar 1.1. Hamburan partikel alpha oleh inti atom

Dari hamburan ini dapat diperkirakan ukuran inti dengan menghitung jarak

pendekatan terpendek. Dari analisa parameter hamburan didapatkan bahwa jarak

ini untuk atom emas adalah

mR 14103

b

Inti atom


- 6 -

Jari-jari inti atom tergantung jenis atomnya. Inti dengan nomor massa A

mempunyai jari-jari sebesar

3/1ARR o (1.2)

dengan nilai

mxRo15102,1 (1.3)

1.3. Tenaga ikat inti

Seperti sudah disampaikan di depan, model atom Rutherford menyebutkan

muatan inti sebesar +Ze. Penelitian-penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa

inti mempunyai bagian yang lebih kecil yaitu proton dan neutron. Proton

bermuatan +e, sedang neutron tidak bermuatan. Notasi untuk sebuah inti X adalah

sebagai berikut

𝑋𝑍𝐴 (1.4)

atau lebih lengkap menjadi

𝑋𝑍𝐴

𝑁 (1.5)

dengan

X: nama unsur

A: nomor massa

Z: nomor atom=jumlah proton

N: jumlah neutron

dan jumlah nukleon sebanyak

A = Z + N (1.6)


- 7 -

Contoh untuk inti oksgen dltuliskan

18

8O berarti A=18

Z=8

N = 10

Beberapa kekhususan dari inti

1. Isotop

Inti-inti yang memiliki jumlah proton (Z) sama, tetapi jumlah

neutronnya (N) berbeda

Isotop hidrogen hidrogen :11H

deuterium : d : 21

21H

tritiumH :31

Ketiganya mempunyai 1 buah proton

Isotop karbon dengan 6 buah proton

CCC 146

136

126

Isotop oksigen dengan 8 buah proton:

168O8,

178O9, dan 18

8O10

2. Isotone:

Inti-inti yang memiliki jumlah neutron (N) sama tetapi dengan A dan Z

berbeda


- 8 -

Isotone dengn N=10:

177N10,

188O10, dan 19

9F10

3. Isobar:

Inti-inti yang memiliki A sama, tetapi Z dan N berbeda

Isobar dengan A=18 :

187N11,

188O10, dan 18

9F9

Partikel penyusun inti memiliki nilai besaran seperti massa, muatan dan spin.

Massa dinyatakan dalam satuan amu (atomic mass units) atau u dengan nilai

1 𝑎𝑚𝑢 =1

12( 𝑀 𝐶12 ) = 1,6605 × 10−27 𝑘𝑔

Nilai massa, muatan dan spin untuk proton, neutron dan elektron disajikan dalam

tabel 1 sebagai berikut

Tabel 1. Muatan, massa dan spin penyusun atom

Muatan massa (u) spin (h/2)

Proton e 1,007276 ½

Neutron 0 1,008665 ½

Elektron -e 0,000549 ½

dengan besar muatan e = 1,6022 x 10-19 C

Tenaga ikat (BE) suatu inti X

NAZ X


- 9 -

Inti tersebut bermassa Minti dan terdiri dari Z proton masing-masing bermassa mp

dan N neutron masing-masing bermassa mn. Kalau kita perhatikan baik-baik inti

terdiri dari beberapa muatan positip. Bagaimana mungkin mereka tidak tersebar

karena saling tolak menolak? Semua penyusun inti diikat dengan tenaga ikat

(Binding Energy BE). Besarnya tenaga ikat inti (BE) sama dengan selisih antara

massa inti M dengan massa Z proton dan massa N neutron mengikuti persamaan

𝐵𝐸 = ( 𝑍 𝑚𝑝 + 𝑁 𝑚𝑛 − 𝑀𝑖𝑛𝑡𝑖)𝑐2 (1.7)

Seperti yang sudah kita pelajari pada modul Teori Relativitas Khusus, terdapat

ekuivalensi massa dengan tenaga mengikuti

E = m c2 (1.8)

untuk m = 1 u

tenaganya 𝐸 = 1,6605 × 10−27 𝑘𝑔 × (3 × 108 𝑚/𝑠)2

𝐸 = 1,6605 × 10−27 𝑘𝑔 × (3 × 108 𝑚/𝑠)2

𝐸 = 14,9445 × 10−11 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

E = 931,502 M eV

Konversi massa dengan tenaga menjadi

1 u = 931,5 MeV/c2 (1.9)

Massa inti juga dapat dinyatakan dalam massa atom X mengikuti persamaan

Minti = Matom AX - Z me (1.10)

dengan: Matom AX : massa atom

me : massa elektron


- 10 -

Kita masukkan persamaan (1.10) ke dalam persamaan (1. 7) menghasilkan

BE = { Z mp + N mn – [ Matom AX - Z me ] } c2 (1.11)

Dengan mengelompokkan

{ Z mp + Z me } = Z Matom (1H)

persamaan (1.11) akan menjadi

BE = { Z Matom (1H) + N mn – Matom AX } c2 (1.12)

Contoh soal 1

Diketahui m(1H) = 1,007825037 u

m(2H) = 2,014101789 u

m (n) = 1,008666258 u

maka tenaga ikat proton dan neutron membentuk inti deuterium adalah

BE = [m(1H) + m(n) – m(2H)] c2

= [2,389506 x 10-3 u ] [931,5 MeV/ u]

= 2,225 MeV

Contoh soal 2

Hitunglah massa dari 3 proton dan 3 neutron yang membentuk

a. 6 buah nukleon yang terpisah

b. 1 inti 4He dan 1 inti 2H

c. 1 inti 6Li


- 11 -

Bila massa

massa 4He = 4,003873 u massa 2H = 2,014735 u

massa 6Li = 6,017021 u massa neutron = 1,008982 u

massa 1H = 1,008142 u

Maka massa untuk soal di atas adalah

a. massa 6 buah nukleon yang terpisah

3 x 1,008142 u + 3 x 1,008982 u = 6,051372 u

b. massa 1 inti 4He dan 1 inti 2H

4,003873 u + 2,014735 u = 6,018608 u

c. massa 1 inti 6Li = 6,017021 u

inti 6Li paling stabil

untuk mengubah 6Li menjadi 1 inti 4He dan 1 inti 2H diperlukan tenaga

E = ( 6,018608 u – 6,017021 u ) c2

= (0,00159 u ) (931,5 MeV/ u)

E= 1,48 MeV

Anda juga dapat mengikuti pembahasan di atas melalui video 1 di bawah.

Jalankan video ini dengan mengklik ikon di bawah.

Video 1. Inti atom


- 12 -

2. Kestabilan Inti

Pada bagian di depan kita sudah membahas penyusun inti dan tenaga yang

mengikatnya. Sekarang kita akan melanjutkannya dengan bagaimana proporsi

penyusun inti akan mempengaruhi sifat inti itu sendiri. Hal ini ditunjukkan dalam

gambar 2.1. Gambar tersebut menunjukkan inti-inti yang stabil. Inti yang stabil

berada pada garis kestabilan. Pada inti yang kecil, garis ini mendekati garis lurus

Z=N. Inti yang tidak stabil berada di area shading, di atas / di bawah garis

kestabilan. Pada kondisi ini inti yang tidak stabil dikarenakan kelebihan proton

atau kelebihan neutron. Agar menjadi inti yang stabil diperlukan konversi proton

menjadi neutron atau sebaliknya.

Inti yang tidak stabil akan meluruh dengan memancarkan sinar radioaktif

yang meliputi:

a. Sinar alpha: - merupakan inti helium

- partikel bermuatan positip

- jangkauan pendek

b. Sinar beta: - elektron

- partikel bermuatan negatif

- jangkauan sedang

c. Sinar gamma: - gelombang elektromagnetik, tenaga tinggi

- jangkauan jauh

Laju peluruhan radioaktif

sebanding dengan cacah inti radioaktif (N)

dan kebolehjadian inti akan meluruh tiap satuan waktu ()

dapat dituliskan menjadi

Ndt

dN (2.1)

tanda minus menunjukkan bahwa nilai N akan berkurang.

He42


- 13 -

Gambar 2.1. garis kestabilan inti

Persamaan (2.1) dapat diselesaikan sebagai berikut

tN

N

tNN

dtN

dN

dtN

dN

tN

N

0

0

0

ln

lnln

0 (2.2)

Akhirnya akan didapatkan

Kestabilan inti stabil

20

100

80

60

20

40

100806040 120

N=Z

Kaya

proton

Kaya

neutron

N

Ztak stabil


- 14 -

teN

N 0

(2.3)

atau

teNN 0 (2.4)

dengan

N0 adalah cacah inti pada saat t=0

Persamaan (2.4) dapat ditunjukkan dengan gambar 2.2. Dari gambar 2.2,

terlihat suatu gejala yang istimewa yaitu bahwa waktu untuk menjadi separuh

jumlah sebelumnya ternyata tetap. Hal ini tidak tergantung pada jumlah

absolutnya. Waktu paro T1/2 menunjukkan selang waktu yang diperlukan

untuk meluruh agar cacahnya menjadi separo cacah semula dari N0 menjadi

N0/2.

Gambar 2.2. Peluruhan inti tidak stabil

0 5 10 15 20 25

0

2

4

6

8

ca

ca

h (

N )

Waktu


- 15 -

Untuk T1/2 berlaku

2/10

0

0

2

TeN

N

teNN

(2.5)

atau

693,02ln

2

1

2/1

2/1

T

Te

(2.6)

Sehingga didapatkan

2ln2/1 T (2.7)

Sedang waktu hidup rata-rata mengikuti

1 (2.8)

Contoh soal 3

Tentukan waktu hidup rata-rata radon jika diketahui waktu parohnya adalah

T1/2 = 3,83 hari

161009,2

83,3

693,02ln

2/1

s

hariT


- 16 -

s61048,01

atau hariT

527,5693,0

2/1

Aktivitas (A) menunjukkan laju peluruhan tiap detik. Atau dapat dituliskan

Ndt

dNAktivitas (2.9)

Aktivitas pada saat t=0 mengikuti persamaan

(2.10)

Sedang aktivitas pada saat t menjadi

teAA 0 (2.11)

Satuan aktivitas adalah

1 becquerel : 1 Bq : 1 peluruhan tiap detik

1 curie : 1 Ci : 3,7 x 1010 peluruhan tiap detik

: 3,7 x 1010 Bq

Anda juga dapat mengikuti proses peluruhan alpha dan peluruhan beta dengan

memperhatikan video 2 dan video 3 di bawah. Jalankan video ini dengan

mengklik ikon di bawah. Anda juga dapat mendownload pada website: PHET.

https://phet.colorado.edu/in/simulation/legacy/alpha-decay

https://phet.colorado.edu/in/simulation/legacy/beta-decay

Video 2. Peluruhan alpha

00 NA

https://phet.colorado.edu/in/simulation/legacy/alpha-decay

https://phet.colorado.edu/in/simulation/legacy/beta-decay


- 17 -

Video 3. Peluruhan beta

3. Reaksi Inti

Kita sudah mempelajari bahwa inti yang tidak stabil akan meluruh dan

memancarkan sinar radioaktif. Pada waktu membahas penemuan inti, sebetulnya

kita sudah menggunakan konsep inti yaitu Rutherford menggunakan inti Helium

untuk menembaki inti emas. Secara tidak langsung sebetulnya kita sudah

memasuki wilayah interaksi inti dengan inti. Apa yang sudah kita dapatkan?

Ternyata inti atom emas mempengaruhi lintasan inti helum (sinar alpha). Apakah

interaksi inti hanya demikian? Mari kita lanjutkan belajar tentang reaksi yang

terjadi di dalam inti.

Seperti halnya pada percobaan Rutherford, inti dapat ditembaki dengan

proton, neutron dan lainnya. Secara umum ketika sebuah inti X ditembaki dengan

partikel a akan dihasilkan inti baru Y dan partikel lain b. Hal ini dinyatakan dalam

diagram berikut

bYXa (3.1)

Persmaan (3.1) dapat dituliskan sebagai

X ( a , b ) Y (3.2)

Sebagai contoh pada tahun 1919 Rutherford membombadir nitrogen dengan sinar

mengikuti

Op 178

147 ),(N


- 18 -

Pada tahun 1930 Cockroft dan Walton menggunakan proton yang dipercepat

dalam reaksi

dapat dituliskan

Seperti contoh-contoh di depan, terdapat berbagai tipe reaksi inti.

Berdasarkan proyektil dan partikel yang dihasilkan dikenal adanya

1. Hamburan

proyektil sama dengan partikel yang teramati keluar

2. a. Pickup reaction

proyektil mendapat tambahan nukleon dari target

b. Stripping reaction

proyektil kehilangan nukleon

3. Compound reaction

proyektil dan target membentuk inti majemuk yang disusul dengan

peluruhan

Heip 42

73L

Hepi 42

73 ),(L

O158

31

21

168 )HH,(O

F189

21

42

168 )HHe,(O

*6430

6329 ZC nup


- 19 -

selanjutnya

Pada reaksi inti berlaku hukum kekekalan berikut

1. Hukum kekekalan tenaga

2. Hukum kekekalan momentum linear

3. Hukum kekekalan jumlah nukleon (jumlah proton dan neutron)

4. Hukum kekekalan momentum angular

5. Hukum kekekalan paritas

Nilai Q pada reaksi inti

Pada reaksi inti berlaku hukum kekekalan tenaga. Untuk reaksi

seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.1 berlaku

(3.3)

Didefinisikan nilai Q sebagai selisih tenaga diam awal dengan tenaga diam akhir

(3.4)

nZnn 10

6330

*6430Z

nnZn 10

10

6230

pnCu 10

6229

bYXa

bbYYaaXX TcmTcMTcmTcM 2222

2

2222

)(

)()(

cmMmMQ

cmcmcmcmQ

bYaX

bYaX


- 20 -

Gambar 3.1. reaksi inti

Nilai Q juga dapat dinyatakan sebagai selisih tenaga kinetik akhir dengan tanaga

kinetik awal

(3.5)

Nilai Q dapat bernilai positip maupun negatip

Perhatikan massa diam masing-masing adalah ma , MX,, mb , MY. Untuk target yang

diam maka kecepatan masing-masing menjadi va , vX= 0, vb , vY

Pada kondisi ini kita dapatkan nilai Q sebesar

(3.6)

a

b

X

Y

abY TTTQ

aXbY TTTTQ

awalakhir

akhirawal

TTatau

mmuntuk

exoergicdisebutQ

0

awalakhir

akhirawal

TTatau

mmuntuk

endoergicdisebutQ

0


- 21 -

Hukum Kekekalan momentum akan memberikan

(3.7)

Selanjutnya akan diperoleh

(3.8)

1.Untuk reaksi exoergic (Q >0)

bila proyektil dengan tenaga sangat rendah, neutron termal, dapat

dinyatakan

sehingga

2.Untuk reaksi endoergic

Pada reaksi ini diperlukan tenaga sebesar –Q. Tenaga minimum proyektil

(Ttreshold) agar reaksi dapat terjadi mengikuti

Contoh soal 4: reaksi inti

a. Tentukan partikel/inti X yang belum diketahui dalam reaksi berikut

cos2cos22 YYbbaa TMTmTm

cos2

11Y

baba

Y

aa

Y

bb

M

TTmm

M

mT

M

mTQ

0aT

Y

Ybb

M

MmTQ

X

Xatresholda

M

MmQT )(

Xi ),d(L63


- 22 -

b. Tentukan partikel/inti X yang belum diketahui dalam reaksi berikut

Yang memenuhi adalah

Sehingga X adalah partikel alpha

c. Tentukan nilai Q dalam reaksi berikut

bila diketahui massa masing-masing sebagai berikut

jawab

HeXi 42

21

63 dL

atauHeadalahX 42

memenuhi yang sehingga

IdTe 12453

12252 ),x(

dITe 21

12453

12252

42 x

OpN 178

147 ),(

MeVQ

uMeVuuuuQ

cmOmmNmQ p

418,1

/5,931]007825,19994,16002603,40031,14[

])()([ 2178

147

uOmupm

umuNm

9994,16)(007825,1)(

002603,4,)(0031,14)(

178

147


- 23 -

Contoh soal 5:

Pada reaksi berikut diketahui nilai Q = -3,9 MeV, tentukan tenaga

neutron terendah yang memungkinkan terjadinya reaksi tersebut

Reaksi Fisi

Pada tahun 1939 Hahn dan Strassmann membombardir uranium dengan

neutron. Reaksi ini menghasilkan inti barium. Dari eksperimen ini diketahui

bahwa

inti berat terbelah menjadi dua bagian

ada pelepasan tenaga yang sangat besar

ada pancaran neutron yang dapat menginduksi pembelahan lain

Reaksi pembelahan ini disebut sebagai reaksi fisi.

Contoh reaksi fisi

OpnF 1919 ),(

MeVMeVT

FM

FMmQT

M

MmQT

tresholdn

n

tresholdn

X

Xa

tresholda

105,419

1919,3)(

)(

)()(

)(

19

19

nBrLaUUn 287147*236235

nKrBaUUn 10

9036

14356

*23692

23592

10 3


- 24 -

Proses reaksi fisi dilukiskan pada gambar 3.2

Gambar 3.2. reaksi fisi.

Tenaga dalam proses fisi

Perubahan tenaga ikat yang terjadi pada pembelahan adalah 0,9 MeV tiap

nukleon. Untuk 235U perubahan tenaga ikatnya sebesar 212 MeV. Tenaga yang

besar ini dapat digunakan pada pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Pada

PLTN reaksi fisi dapat terjadi secara terus menerus, karena reaksi berantai.

Pembelahan inti karena diinduksi dengan neutron dapat berlangsung terus

menerus bila untuk setiap neutron yang datang menginduksi secara rata-rata

dihasilkan satu neutron baru. Hal ini tergantung pada kesetimbangan proses

1. Pembelahan inti uranium yang memancarkan lebih banyak neutron

daripada yang ditangkap

2. Penangkapan neutron oleh inti, tanpa pembelahan

3. Penangkapan neutron oleh material lain: moderator

4. Neutron yang lolos keluar

neutron

termal fisi

ditumbuk

oleh neutron

termal bertenaga

beberapa eV

U-236 Inti majemuk tidak

stabil


- 25 -

Jumlah neutron dalam reaksi berantai dinyatakan dengan faktor multiplikasi

neutron ( k ) yaitu ratio cacah neutron pada satu generasi dengan cacah neutron

generasi sebelumnya

Nilai faktor multiplikasi akan mempengaruhi operasi reaktor

k < 1 : reaktor sub kritis, reaksi berantai berhenti

k = 1 : reaktor kritis, keadaan steady state

k > 1 : reaktor superkritis reaksi berantai divergen, seperti pada bom fisi

Reaksi fisi ini digambarkan dalam video 4 di bawah ini. Silahkan diamati dengan

baik

Video 4. Reaksi fisi

Reaksi Fusi

Berbeda dengan reaksi fisi, pada reaksi fusi terjadi penggabungan inti. Jika

inti-inti ringan bergabung pada reaksi fusi menjadi inti yang lebih berat akan

dihasilkan tenaga yang dipancarkan tiap satuan massa (u) sekitar 1 MeV. Inti

bermuatan, sehingga diperlukan tenaga kinetik awal untuk memperbesar

probabilitas penetrasi pada penghalang Coulomb. Hal ini dapat dipenuhi misalnya

dengan memanaskan reaktan.

Contoh reaksi fusi dan tenaga yang dihasilkan adalah

.

49,5

(MeV) tenaga reaksi

32

21

11 HeHH


- 26 -

Fusi deuterium dan tritium.menghasilkan tenaga sebesar 17.6 MeV. Proses ini

memerlukan suhu 40 million Kelvin untuk mengatasi penghalang Coulomb.

Proses ini diperlihatkan pada gambar 3.3.

Gambar 3.3 Reaksi Fusi

Reaksi fisi dan reaksi fusi digunakan untuk menghasilkan tenaga seperti yang

dapat anda lihat pada video 5 di bawah ini. Silahkan diamati dengan baik

Video 5. Tenaga dari reaksi inti

FUSI

17,59 42

31

21 nHeHH

4,03 11

31

21

21 HHHH


- 27 -

4. Proteksi Radiasi

Radiasi galombang elektromagnetik ada di sekitar kita berupa gelombang

radio, microwave, sinar infra merah, sinar tampak, sinar ultraviolet, sinar X, sinar

gamma. Frekuensi radiasinya bernilai antara 106 Hz sampai 1020 Hz, atau tenaga

satu fotonnya antara 10-9 eV sampai 106 eV. Jenis dan besaran terkait radiasi ini

dapat dilihat pada gambar 4.1.

Dalam pembahasan modul Kuantisasi-Fenomena Kuantum dan modul

Teori Atom, kita sudah mempelajari bahwa radiasi dapat berinteraksi dengan

materi. Pada efek fotolistrik cahaya dapat melepaskan elektron dari permukaan

logam. Cahaya dapat mengeksitasi dan bahkan mengionisasi atom. Sehingga atom

yang semula netral akan berubah menjadi ion yang bermuatan.

Kemampuan radiasi berinteraksi dengan materi tergantung pada

tenaganya. Radiasi yang bertenaga tinggi seperti sinar ultraviolet, sinar X dan

sinar gamma memiliki kemampuan penetrasi dan merusak sangat tinggi. Karena

itu kerberadaan radiasi dapat membahayakan manusia. Penggunaan sinar Rontgen

pada bidang kedokteran misalnya dibatasi. Kita tidak boleh dikenai sinar Rontgen

berulang-ulang dalam selang waktu tertentu. Secara khusus kita akan mempelajari

proteksi dari sinar radioaktif.


- 28 -

Gambar 4.1. Spektrum gelombang elektromagnetik

Seperti yang sudah kita pelajari pada bagian sebelumnya, sumber radioaktif

memancarkan sinar radioaktif seperti sina alpha, sinar beta dan sinar gamma.

Sinar radioaktif tersebut mempunyai tenaga yang tinggi yang dapat kita gunakan

untuk kesejahteraan, namun juga bisa membahayakan diri kita. Untuk itu kita

perlu memahami terlebih dahulu sifat radioaktif, akibat dan batasan keselamatan

terkait sinar radioaktif.

Sumber radioaktif dengan aktivitas A, akan memancarkan sinar radioaktif

ke sekitarnya. Suatu benda yang berjarak d dari sumber akan menerima paparan

radiasi E (exposure) yang bersatuan rontgen ( R ). Laju pemaparan tergantung

pada aktivitas sumber ( A ) dalam satuan mCi, jarak ( d ) dalam cm dan jenis

sumber mengikuti persamaan

(4.1)

2d

AFER


- 29 -

dengan F konstanta tergantung sumber radioaktif dengan satuan (Rcm2) / (jam

mCi), seperti contoh dalam tabel 2

Tabel 2. nilai konstanta F untuk berbagai sumber

Paparan radiasi bersatuan roentgen diterima oleh benda. Dengan paparan ini kita

dapat menentukan dosis ( D ) yang diserap benda dengan satuan rad mengikuti

D = [ c x E (R) ] rad (4.2)

Nilai konstanta c terantung dari jenis benda yang terpapar

untuk tisue tubuh yang lunak c bernilai mendekati satu

secara umum untuk paparan 1 R, dosis yang diterima adalah

D= 0,95 rad

Contoh soal

Hitung dosis yang diserap seorang yang selama 5 jam berada pada jarak 20

cm dari sumber radioaktif 137Cs dengan aktivitas A= 100 m Ci.

Jawab: laju paparan radiasi

Sumber Konstanta F

(Rcm2) / (jam mCi)

137

Cs 3,3

57

Co 13,2

60

Co 13,3

jammR

jamRcm

mCixmCijamcmRER

/825,0

/000825,020

1,0)/(3,3

22

2


- 30 -

Selama 5 jam paparannya sebesar

E = 0, 825 mR /jam x 5 jam = 4,125 mR

Nilai paparan ini memberikan dosis

D = 0,95 x 4,125 mrad = 3,92 mrad

Kerusakan bahan yang terpapar radiasi tergantung pada tenaga yang

terserap. Hal ini tergantung radiasinya. Dosis ekuivalen H dengan satuan sievert

(Sv) atau rem menunjukkan nilai tenaga yang terserap, dinyatakan sebagai

H = Q D (4.3)

dengan Q: faktor kualitas

D dalam Gy atau rad

Satuan H mengikuti satuan dosis D sebagai berikut

H = [ Q x D (rad) ] rem

H = [ Q x D (Gy) ] Sv

dan 1 Sv = 100 rem

Faktor kualitas Q tergantung jenis radiasinya, untuk sinar gamma Q=1 sedang

untuk sinar alpha Q=20.

Contoh soal

Hitung dosis yang diserap ketika seorang terpapar radiasi dari sumber

Cs 137

A= 100 m Ci, berjarak 20 cm

Jawab: Laju paparan sebesar

Dan laju dosisnya adalah

DR= 0,95 × 0,825 mrad/ jam = 0,783 mrad / jam jammR

jamRcm

mCixmCijamcmRER

/825,0

/000825,020

1,0)/(3,3

22

2


- 31 -

Sumber 137Cs memancarkan sinar gamma maka Q=1 dan laju dosis

equivalennya adalah

HR= 1 x 0,783 mrem /jam= 0,783 mrem/ jam

Dalam waktu 1 bulan dosis equivalen menjadi

H = (0,783 mrem /jam) x 720 jam =563,7 mrem= 0,564 rem

Atau H = 0,0056 Sv = 5,6 mSv

E. RANGKUMAN

Inti atom ditemukan pada eksperimen hamburan sinar alpha oleh Rutherford.

Inti terdiri dari proton dan neutron dinyatakan dengan

𝑋𝑍𝐴

𝑁

dengan X: nama unsur

A: nomor massa

Z: nomor atom: jumlah proton

N: jumlah neutron

Massa dinyatakan dalam satuan amu (atomic mass units) atau u dengan nilai

1 𝑎𝑚𝑢 =1

12( 𝑀 𝐶12 ) = 1,6605 × 10−27 𝑘𝑔

Konversi massa dengan tenaga adalah

1 u = 931,5 MeV/c2

Besarnya tenaga ikat inti (BE) sama dengan selisih antara massa inti M

dengan massa Z proton dan massa N neutron mengikuti persamaan

𝐵𝐸 = ( 𝑍 𝑚𝑝 + 𝑁 𝑚𝑛 − 𝑀)𝑐2

Inti yang tidak stabil akan meluruh dengan mengikuti persamaan

teNN

0


- 32 -

Untuk menjadi separohnya jumlah semula inti memerlukan waktu selama

waktu paro

2ln2/1 T

Aktivitas (A) menunjukkan laju peluruhan tiap detik, dinyatakan sebagai

NA

Inti dapat bereaksi dengan memenuhi hukum kekekalan

1. Hukum kekekalan tenaga

2. Hukum kekekalan jumlah nukleon (jumlah proton dan neutron)

Pada reaksi fisi, inti berat terbelah menjadi inti lain yang lebih ringan.

Pada reaksi fusi, inti ringan bergabung membentuk inti yang lebih berat

Paparan radiasi dapat membahayakan karena tenaga radiasi yang sangat besar

akan dapat mengubah struktur benda yang dikenainya.

G. DAFTAR PUSTAKA

1. Beiser, A. 2003. Concepts of Modern Physics 6th ed. Boston: McGraw-Hill

2. Bernstein J., Fishbane P.M., Gasiorowicz S. 2000. Modern Physics. Upper

Saddle River: Prentice Hall, Inc.

3. Harris R. 2007. Modern Physics 2nd ed. Addison Wesley.

4. Krane K.S. 2012. Modern physics 3rd ed, Hoboken, NJ: John Wiley &

Sons, Inc.

5. Krane, Keneth S., 1988, “Introductory Nuclear Physics”, New York: John

Wiley.

6. Enge Harald A, 1966: “Introduction to Nuclear Physics”, Reading MA:

Addison Wesley

modul 6 kb 4 -...

Documents