Pendahuluan Fisika Inti. Oleh: Lailatul Nuraini, S.Pd, M.Pd

(1)

Oleh:

Lailatul Nuraini, S.Pd, M.Pd

Pendahuluan Fisika Inti

(2)



Email:

lailatul.fkip@unej.ac.id



No hp: 085 236 853 668



Terdapat 6 bab. Produk matakuliah berupa bahan

ajar.



Tugas mandiri 20%, tugas terstruktur 40%

(dikumpulkan 2minggu sebelum ujian akhir) dan ujian

40% .



Tidak ada uts dan uas. Hanya kuis.



- membuat lembar penilaian tugas terstruktur.

(3)

*

Struktur dan sifat-sifat inti atom: susunan inti, ukuran

dan bentuk inti atom, momentum sudut dan momen

magnet inti, gaya nuklir (interaksi antar nukleon dalam

inti atom), kestabilan inti atom, energi ikat nuklir, rumus

semi empirik Weiszacker.

*

Radioaktivitas: besaran-besaran dasar radioaktivitas,

peluruhan beruntun, keseimbangan radioaktif,

radioaktivitas buatan.

*

Jenis-jenis radiasi nuklir: peluruhan alpha, peluruhan

beta, peluruhan gamma.

*

Reaksi nuklir: klasifikasi reaksi nuklir, mekanisme reaksi

nuklir, kinematika reaksi nuklir, parameter reaksi nuklir.

*

Partikel elementer: interaksi lepton, muon, hadron,

quark.

(4)

TEORI ATOM

• 1. Teori Atom Dalton

• a. Atom merupakan bagian terkecil yg tidak dapat

dibagi lagi



? Proton,neutron,elektron

• b. Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi atom

unsur lain



dengan reaksi nuklir bisa

• c. Atom bergabung membentuk molekul : senyawa,

unsur

• d. Jumlah massa sebelum reaksi= jumlah massa

sesudah reaksi (hk

lavoisier)

• e. Perbandingan massa unsur yang menyusun suatu zat

adalah tetap

Hukum perbandingan tetap (hk.

(5)

TEORI ATOM

• 2. Teori Atom Thompson: sebuah atom terdiri atas muatan listrik positif yang tersebar merata di seluruh bagian atom. Muatan listrik positif ini dinetralkan oleh elektron yang tersebar merata di seluruh bagian atom.

• Pengujian menembakkan partikel alfa dilakukan oleh geiger dan marsden -- eksperimen hamburan rutherford. Jika thompson

benar harunya seluruh partikel alpha diteruskan, tetapi dari hasil eksperimen sebagian besar diteruskan, ada yang dibelokkan dan bahkan ada yang dipantulkan 90-180 derajat.

• 3. Teori Atom Rutherford: inti atom bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron pada jari-jari tertentu. Muatan listrik positif pada inti atom jumlahnya sama dengan jumlah muatan negatif yang mengelilingi inti sehingga atom bersifat netral. Timbul gaya sentripetal antara elektron dan inti atom.

• 4. Teori Atom Bohr: model atom yang dibangun berdasarkan kulit orbital elektron

(6)

susunan inti, ukuran dan

bentuk inti atom

• Struktur Inti Atom terdiri dari nukleus yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif.

• _𝑍𝐴𝑋

• X= nama unsur

• A = nomor massa (jumlah p+n)

• Z= nomor atom (jumlah p) , A=Z+N

• ISOTOP: Nukleus yang memiliki nomor atom yang sama • ISOTON: nukleus yang memiliki jumlah neutron sama • ISOBAR: nukleus yang memiliki nomor massa sama.

• Dalam nukleus ringan, jumlah neutronnya kira-kira sama dengan jumlah proton. Apabila jumlah nukleon meningkat, bila nukleus stabil maka jumlah neutron menjadi lebih besar daripada jumlah proton. Kelebihan neutron terjadi karena adanya gaya coulomb repulsif proton menjaganya tetap terpisah jauh. Oleh karena itu, materi neutron menjadi lebih rapat ketimbang materi proton dan ketika jumlah nukleon bertambah, terdapat lebih banyak neutrn daripada proton di dalam suatu volume inti tertentu.

(7)

(8)

GAYA YANG BEKERJA PADA

ATOM HIDROGEN

• Gaya Sentripetal Fs =

𝑚𝑣2 𝑟

• Gaya elektrostatik: Fe =

1 4πε₀ 𝑒2 𝑟2

• Fs = Fe , v=

𝑒 4πε₀𝑚𝑟

???

• Energi atom hidrogen

• E= K+V=

1 2

m𝑣

2

-

𝑒2 4πε₀𝑟

= -

𝑒2 8πε₀𝑟

???

(9)

Nukleus sebagai sebuah

bola

• Volume nukleus berbanding lurus dengan jumlah

nukleon A yang berada di dalamnya. V=(

4

3

π

𝑟

0

3)A

• R =𝑟

₀

𝐴

13

darimana?

• Hasil Ekperimen, 𝑟

₀

bergaantung pada sifat inti yang

akan diukur, 𝑟

₀

=1,4 fm

• 𝐸

_𝑐

=

3 5 𝑘𝑍(𝑍−1)𝑒2 𝑅

𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑍 ≫ 𝑚𝑎𝑘𝑎

3 5 𝑘𝑍2𝑒2 𝑅

• 𝑘𝑒

2

= 1,44 MeVfm

(10)

ENERGI IKAT INTI

• Energi Ikat Inti: (Zmp)𝑐

2

+(𝑁𝑚

𝑛

) 𝑐

2

- 𝑀

𝑛𝑢𝑘

𝑐

2

• 𝑀

_𝑛𝑢𝑘

= 𝑀𝑎𝑡𝑜𝑚 − 𝑍𝑚

_𝑒

• Misal

126₅₂

𝑇𝑒

energi ikat inti nya??

(11)

(12)

LATIHAN SOAL

1. Tuliskan simbol isotop dari Mg dengan neutron 12,

simbol isotop helium dg nomor massa 4, serta sebuah

isotop dengan nomor massa 235 dan mengandung 143

neutron?

2. Untuk memisahkan atom hidrogen menjadi sebuah

proton dan elektron diperlukan energi sebesar 1,36eV.

Tentukan jari-jari orbit dan kecepatan elektron dalam

atom hidrogen!

3. Hitunglah energi coulomb untuk

18₈

O

dan

_Lu

71

175

!

4. Hitunglah energi ikat inti

₁₉39

𝐾

!

5. Tentukan jari-jari nukleus

16

_𝑂

𝑑𝑎𝑛 208

_𝑃𝑏

6. Berapakah energi yang dibutuhkan untuk melepaskan

ikatan elektron yang cukup kuat dari

₂₀40

𝐶𝑎?

(13)

POSTULAT BOHR

• Postulat 1: atom hidrogen terdiri atas sebuah elektron

yang bergerak dalam suatu lintasan edar berupa

lingkaran mengelilingi inti atom, gerak elektron tersebut

dipengaruhi oleh gaya tarik coulomb.

• Postulat 2: orbit stasioner elektron dalam atom hidrogen

yang memungkinkan momentum sudut elektron adl

kelipatan bulat dari tetapan planck dibagi 2

π

.

L = mvr = n

ђ

, n=1,2,3...

• Postulat 3: elektron dalam orbit stasioner tidak

memancarkan energi elektromagnetik

• Postulat 4: jika elektron melompat dari lintasan ke-i

menuju lintasan ke-f, maka menghasilkan foton dg

frekuensi v =

𝐸𝑖 −𝐸𝑓

(14)

MODEL ATOM BOHR

• Deret spektral meliputi:

• Deret Lyman

• Deret Balmer

• Deret Paschen

• Deret Bracket

• Deret Pfund

•

1 λ

= R (

1 𝑛𝑙2

-

1 𝑛𝑢2

)

(15)

Gaya Ikat Inti Atom

• Telah diketahui bahwa inti atom terdiri atas proton dan neutron, padahal antara proton dan neutron adalah bermuatan positif dan netral. Menurut hukum Coulomb, hal tersebut akan menimbulkan gaya elektrostatis, yaitu berupa gaya tolak menolak. Akan tetapi mengapa proton-proton tersebut dapat menyatu di dalam inti atom.

• Sebenarnya dalam inti atom terdapat interaksi gaya gravitasi dan gaya elektrostatis, akan tetapi gaya gravitasi dapat diabaikan terhadap gaya elektrostatis. Jadi pasti ada gaya lain yang menyebabkan proton-proton dalam inti atom dapat menyatu. Gaya yang menyebabkan nulkeon bisa bersatu di dalam inti disebut gaya ikat inti. Gaya gravitasi menyebabkan gaya tarik-menarik antarmassa nukleon, yaitu proton dengan proton, proton dengan neutron, atau neutron dengan neutron, sedangkan gaya elektrostatis menyebabkan gaya tolak-menolak antara muatan proton dan proton. Gaya ikat inti lebih besar dibandingkan gaya gravitasi dan gaya elektrostatis.

• Gaya ikat inti bekerja antara proton dengan proton, proton dengan neutron, atau neutron dengan neutron. Gaya ikat inti bekerja pada jarak yang sangat dekat sampai dengan jarak pada diameter inti atom (10-15_m)

(16)

Kestabilan inti atom

• Dalam pita kestabilan, ditemukan bahwa

kestabilan suatu inti

atom ditentukan oleh perbandingan jumlah neutron dan

proton.

Plot jumlah neutron terhadap jumlah proton dari

semua isotop yang sudah dikenal, baik isotop stabil maupun

isotop radioaktif disebut

peta isotop

. Sementara,

pita

kestabilan adalah

Isotop-isotop stabil yang terletak dalam

suatu daerah berbentuk pita.

(17)

Dalam kestabilan inti radioaktif, terdapat 3 jenis nuklida:

• Nuklida ringan (Z ≤ 20)

Nuklida ini mempunyai jumlah proton kurang dari 20. Nuklida ini tidak stabil jika perbandingan neutron dan protonnya = n : p = 1 : 1.

Contohnya 5B10, 7N14, 10Ne20

• Nuklida sedang (Z antara 21-83)

Nuklida ini mempunyai jumlah proton antara 20 sampai 83. Maka, inti beratnya dengan syarat 1 < n : p < 1,6 ; atau n : p < 1 serta n : p > 1,6. Contohnya 45Rh103 dan 83Bi209

• Nuklida berat (Z > 83)

Nuklida ini dimulai pada unsur yang punya nomor atom (proton) dari 84 hingga seterusnya. Unsur dalam kategori nuklida berat seluruhnya tidak ada yang stabil sehingga radioaktif. Contohnya, seluruh deret aktinida dan sebagian deret lantanida bersifat nuklida berat

(18)

Letak nuklida dalam pita kestabilan

• Suatu nuklida bisa memiliki proton > neutron, begitu juga sebaliknya. Nah,

karena adanya grafik pita kestabilan, maka nuklida yang tidak stabil terbagi atas 3 jenis:

1) Nuklida-nuklida di atas pita kestabilan

Syaratnya: nuklida-nuklidanya punya jumlah neutron (n) > proton (p). Karena jumlah neutron lebih besar, maka untuk mencapai kestabilan harus mengurangi jumlah neutronnya melalui:

a) Memancarkan sinar beta

Akibat memancarkan sinar beta, maka neutronnya berkurang dan protonnya bertambah. Contohnya:

𝑛

0 _—_{> 1p1 + -1e0}

6C14 —> 7N14 + -1e0 [Unsur C memiliki proton 6 dan neutron (14-6) 8, maka neutron > proton]

b) Melepaskan neutron

Contohnya:

2He5 —> 2He4 + 0n1

2) Nuklida-nuklida di bawah pita kestabilan

Syaratnya: nuklida-nuklidanya punya jumlah neutron (n) < proton (proton). Karena jumlah proton lebih banyak maka harus dikurangi dengan cara:

a) Melepaskan positron

Contohnya:

1p1 —> 0n1 + +1e0

6C10 –> 5B10 + +1e0 [Unsur C punya proton 6 dan neutron 4, maka proton > neutron]

(19)

b) Menangkap elektron

Dalam hal ini, elektron orbital, yaitu dari kulit K, diserap oleh inti. Elektron

tersebut bergabung dengan proton membentuk neutron. Kekurangan

elektron pada kulit K kemudian diisi oleh elektron dari kulit luar. Nah,

perpindahan elektron dari kulit luar ke kulit K disertai pemancaran enetrgi

berupa sinar X. Contohnya:

1p1 + -1e0 —> 0n1 + 0X0

37Rb81 + -1e0 —> 36Kr81 + 0X0

4Be7 + -1e0 —> 3Li7 + 0X0

3) Nuklida-nuklida di tepi atas kanan pita kestabilan (Z > 83)

Nuklida-nuklida ini menstabilkan unsurnya sendiri dengan memancarkan sinar

alfa atau inti helium. Contohnya:

92U235 —> 90Th231 + 2He4 [Terlihat bahwa unsur uranium memiliki nomor

atom 90, berarti Z > 83]

(20)

• Dalam kestabilan inti, terdapat suatu istilah “Bilangan

Ajaib”.

Bilangan ajaib adalah

nuklida dengan jumlah proton

atau neutron sebanyak 2,8,20,28,50, dan 82. Jadi, unsur-unsur

bilangan ajaib pasti selalu stabil alias tidak radioaktif.

Contoh:

1. 2He4 = proton 2 dan neutron 2 = termasuk bilangan ajaib

2. 8O16 = proton 8 dan neutron 8 = termasuk bilangan ajaib

---



MODEL KULIT

(21)

• 60% dari inti stabil mempunyai Z genap dan N

genap. Inti ini disebut inti genap-genap.

• Jika inti memiliki Z genap dan N ganjil disebut inti

―ganjil

-

genap‖

• Hanya 5 buah inti yang mempunyai z ganjil dan N

ganjil disebut inti

―ganjil

-

ganjil‖

yaitu: 2H1, 6Li3,

12 Be5, 14N7, 180Ta73

(22)

MODEL-MODEL INTI

• MODEL TETESAN CAIRAN: wieszacker menyebutkan

bahwa sifat inti berhubungan dengan ukuran,

massa dan energi ikat inti yang mirip dg tetesan

cairan. Kerapatan tetesan cairan adalah konstan,

ukurannya sebading dengan jumlah partikel atau

molekul di dalam cairan, penguapan panas atau

energi ikatnya berbanding lurus dengan massa

atau jumlah partikel yang membentuk tetesan.

(23)

• Energi volume

Ev adalah energi volume sebuah inti dan berbanding lurus

dengan A. Ev = a

₁

A

• Energi permukaan

: Energi ini sangat penting untuk energi

ringan karena sebagian besar dari nukleon berada pada

permukaan. Karena sistem alamiah cenderung untuk

berevolusi menjadi konfigurasi dengan energi potensial

minimum, inti cenderung mengambil konfigurasi dengan

energi ikat maksimum. Jadi inti harus menunjukkan efek

tegangan permukaaan seperti tetesan-cairan dalam ruang

tanpa gaya eksternal bentuknya harus seperti bola, karena

bola memiliki luas permukaan minimum untuk suatu volume

tertentu.

(24)

• Energi coulomb

Gaya tolak listrik antara setiap pasang proton dalam inti

memberi kontribusi dalam pengurangan energi ikat. Energi

coulomb Ec sebuah inti sama dengan kerja yang harus

dilakukan untuk membawa Z proton dari tak terhingga ke suatu

tempat menjadi kumpulan berbentuk bola yang ukurannya

sama dengan ukuran sebuah inti.

Ket: energi coulomb negatif karena energy itu timbul dari efek

yang menentang kemantapan inti.

(25)

• A genap, Z genap, N genap (-)

• A gasal, Z gasal, N gasal (+)

• A gasal,



N genap, Z gasal dan N gasal, Z genap

(26)

MODEL KULIT

• Model kulit inti: berasumsi bahwa nukleon bergerak

di dlaam suatu rata-rata potensial osilator

harmonik.

V=1/2 k

𝑅

2

= 1/2m

ω

2

𝑅

2

• Momentum anguler orbital: I =

𝑙(𝑙 + 1)ђ

L= bilangan kuantum momentum anguler orbital

nilainya= 0,1,2,3,...

Nukleon memiliki spin tunggal s=1/2 (bil.kuantum spin),

jika l>0 maka terbagi menjadi dua orbital. Total

bilangan kuantum momentum anguler j adalah j=l+s

atau j=l-s.

(27)

Momen magnetik inti

• Jika suatu inti merupakan suatu untai tertutup melingkupi

luasan A yang dialiri arus listrik i

• Momentum magnetik:

μ

= i A

• i=

𝑒 2π𝑟/𝑣

=

𝑒𝑣 2π𝑟

• μ

= i A =

𝑒𝑣 2π𝑟

π𝑟

2

₌

𝑒𝑣𝑟 2

,

momentum sudut orbital L =mvr, maka:

μ

=

𝑒𝑣𝑟

2

μ

=

𝑒 2𝑚

Lz ,



Lz=

𝑚

𝑙

ђ

maka

μ

=

𝑒 2𝑚

𝑚

𝑙

ђ

,

𝑚

𝑙

=bilangan kuantum

magnetik orbital.

Untuk elektron

β

=

𝑒

ђ

2𝑚

= 0,92932.

10

−23

_{(besaran magneton bohr)}

μ

=

β

𝑚

_𝑙

Untuk proton

𝑒

ђ

2𝑚_𝑝

=

β

= 5.050.

10

(28)

• MODEL GAS FERMI

Diasumsikan bahwa inti terdiri dari gas dengan proton dan

neutron bebas yang bergerak didalam ruang terbatas sebesar

volume inti. Pada level terendah/terdekat dg inti memiliki tingkat

energi fermi yang besar.

• Energi fermi

Ef=

𝑝2𝑓

2 𝑚

• Besar volume untuk keadaan ruang momentum sebesar:

V=

4π

3

𝑝3

𝑓