Struktur Inti Atom. Atom yang memiliki Z sama tetapi A berbeda disebut Isotop (isotope) Contoh. Hidrogen Deuteriumon Tritium

Struktur Inti Atom

Massa Atom 99,9 % terdapat dalam inti yang terdiri dari proton (muatan = e +) massa

energi 938,28 Mev dan netron (muatan =0) massa energi 929,57 Mev sedangkan

elektron berada di kulit atom.

Nomor massa ( A ) Proton ( Z )

Netron A - Z

Sifat kimia dari atom lebih banyak ditentukan oleh Z

bukan A. Sifat kimiawinya identik jika Z nya sama.

Struktur Inti Atom

Atom yang memiliki Z sama tetapi A berbeda disebut Isotop (isotope)

Contoh .

Hidrogen 

Deuteriumon  Tritium 

Soal.

Tuliskan minimal 4 isotop yang lainnya

Struktur Inti Atom

Soal.

Tuliskan minimal 4 isotop yang lainnya Carbon

Uranium

Oksigen

Helium

dll

Struktur Inti Atom

Kerapatan inti atom tergantung netron dan proton dapat dituiskan 

Maka jari-jari atom akan sebanding dengan akar pangkat sepertiga nomor massa



Ro = 1,2 10

^-15

meter = 1,2 fm

Struktur Inti Atom

Soal Latihan (oleh-oleh S1 sem3 reg Adan B)

1. Hitunglah jari-jari inti dari karbon (A=12), Germanium (A=70), Bismuth (A=209)

2. Hitunglah kerapatan inti atom karbon dan massa total inti atom karbon (A=12).

Massa diam elektron (m_e) = 9,1 10^-31 kg Massa diam proton (m_p) = 1,67 10^-27 kg

Struktur Inti Atom

Jawab

1. Carbon R= 1,2 fm. (A)^1/3 = 1,2 .(12)^1/3 = 2,7 fm Germanium R= 1,2 fm.(A)^1/3 = 1,2 .(70)^1/3 = 4,9 fm Bismuth R= 1,2 fm. (A)^1/3 = 1,2 .(209)^1/3 = 7,1 fm 2. kerapatan inti atom karbon dan massa total inti atom

karbon (A=12).

Struktur Inti Atom

Energi total inti atom hidrogen 

Secara umum dituliskan 

m(atom) = m(inti atom) + Z m (elektron) +energi ikat elektron total

Binding energy (energi ikat)

Strukrur Inti Aatom

Contoh

Deuterium memiliki massa atom = 2,014102 u, massa atom hidrogen (m

_p

)= 1,007825 u, massa netron(m

_n

)1,008665 u. Berapakah energi total ikat inti atom deuterium?

Jawab.

B = (1,008665 u + 1,007825 u - 2,014102 u )

= 0,002388 u = 0,002388 u . 931,5 Mev/u.

B = 2,224 Mev

Struktur Inti Atom

Soal..

Hitunglah energi ikat total ( B ) dari a.

b.

Struktur Inti Atom

Jawab.

P = 26

N = 56 – 26 = 30 m

_Fe

= 55,8447 u

B = (30 .1,008665 u + 26 . 1,007825 u - 55,8447 u)

= 30,25995 + 26,20345- 55,8447

= 56,4634- 55,8447

= 0,6187u

= 0,6187 u . 931,5 Mev/u.

= 576,31905 Mev

Struktur Inti Atom

Jawab.

P = 92

N = 238 – 92 = 146 m

_U

= 238,02891u

B =(146. 1,008665 u + 92 . 1,007825 u - 238,02891 u)

= (147,26509 + 92,7199 - 238,02891) u

= 1,95608 . 931,5 Mev/u.

= 1822,08852 Mev

= 1822,08852 .1,6 10^-13 Joule

= 2,915 10^-10 Joule

= 0,2915 nJ = 291,5 pJ

Gaya Inti Atom

1. Lebih besar dibanding gaya elektromagnet, grafitasi, dan gaya lain disebut juga strong force

2. Jangkauan sangat pendek 10^-15 m = 1 fm 

penambahan nukleon kerapatan inti tidak berubah

energi ikat per nukleon tetap

3. Tidak tergantung jenis nukleon gaya inti n-p = n-n = p – p

4. Selang waktu hadirnya energi

5. Jarak tempuh yang dicapai partikel x = c ∆t

6. Energi diam yang diperlukan partikel mc² = 200 Mev (jangkauan 1 fm)

Radioaktif

Suatu zat radioaktif (radioactive

substance) didefinisikan sebagai sesuatu zat yang memiliki sifat untuk

mengemisikan radiasi secara spontan.

Radioaktif

Semua inti atom stabil N = Z  berat N > Z dan tidak ada inti stabil dengan A=5 atau 8 .

Contoh Helium stabil

Radioaktif

Peluruhan radioaktif Peluruhan alfa

Peluruhan beta

Peluruhan gamma

Peluruhan Radioaktif

Satuan peluruhan  1curie = 3,7 10

¹⁰

peluruhan per detik

Biasanya dinyatakan dalam mCi, atau μCi Orde peluruhan  10

²³

untuk cuplikan 1 Ci

memiliki probabilitas 10

^-13

Aktifitas peluruhan α = λ N N = jumlah inti radioaktif λ = probabilitas peluruhan

Tanda minus menunjukan N menurun terhadap

bertambahnya waktu. –dN/dt

Peluruhan Radioaktif

Aktifitas peluruhan peluruhan per satuan waktu

Maka

ln N = - λt + c

Peluruhan Radioaktif

Aktifitas peluruhan

Meluruhkan separoh maka λt ½ = ln 2

Waktu paruh

Radioaktif

Latihan soal hal 363

λ. = 0,693/T = 2,97 10

^-6

s

^-1

Probabilitas tiap detik 2,97 10

^-6

N = m/M 6,02 10

²³

= 3,04 10

¹⁵

Ao = λ.N =9,03 10

⁹

peluruhan/detik = 0,244 Ci

A = Ao e

^-λt

=1,5 10

⁹

peluruhan/detik

Hukum kekekalan Peluruhan

1. Kekekalan Energi = X akan meluruh menjadi X’ yang lebih ringan m_NX C² = m_NX’ C² + m_N x C² + Q (Q=kelebihan energi) (X’ +x = massa diam m_N massa inti)

2. Kekekalan momentum linear Px’ + Px = 0

3. Kekekalan momentum sudut (momentum sudut spin s dan momentum sudut orbital L ) L= r. P ( s_X = s_x’ + s_x +L_z )

4. Kekekalan muatan elektrik = muatan elektrik sebelum dan sesudah peluruhan tetap  dilihat nomer atom.

5. Kekekalan nomor massa jumlah nomor massa A tidak berubah dalam peluruhan  dilihat nomer massa

Peluruhan Alfa

Energi yang terbebaskan  energi kinetik α dan partikel anak X’ Q = m (X) - m (X’) - mα c²

Q= K_X’ + K _α

Momentum liniernya P_X’ = P _α Maka hasil energi kinetik α

K _α = (A-4) Q/A Soal

Hitunglah …

Peluruhan Alfa

Soal

1. Hitunglah Energi kinetik peluruhan alfa yang dipancarkan oleh atom Ra meluruh menjadi Rn Ra =226,025406

Rn = 222,017574 α. = 4,002603

Peluruhan Alfa

Soal

1. Hitunglah Energi kinetik peluruhan alfa yang dipancarkan oleh atom Ra

Jawab.

Ra  Rn + α Ra =226,025406 Rn = 222,017574

α. = 4,002603

Q = 226,025406 - 222,017574 - 4,002603 = 4,871 Mev K α. = (A-4).Q/A = 4,785 Mev

Latihan Soal

Latihan soal

Hitunglah energi kinetik partikel alfa yang dipancarkan dalam peluruhan alfa dari

²²⁶

Ra!

Jawab

Q = m Ra – m Rn – m α

Q = (226,025406 – 222,017574 – 4,002604) u

= 0,005226 X 931,5 Mev

= 4,87 Mev

K

_α

= (A-4)Q/A  (226-4) 4,87/226 = 4,783 Mev

Peluruhan Beta

Untuk peluruhan betta moner massa tetap  Energi yang terbebaskan  n  p +e + v

Peluruhan dapat terjadi dalam inti atom Z dan N meluruh ke inti atom lain  Z + 1 dan N-1

Sehingga Q = ( m ^AX) - m ^AX’) c²

Latihan Soal

Latihan soal

Inti

²³

Ne meluruh ke inti

²³

Na dengan

memancarkan beta negatif. Hitunglah energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan?

Jawab

Q = m Ne – m Na

Q = (22,994466 – 22,989770) 931,5 Mev

= 4, 374 Mev

Peluruhan Gamma

E = E

_awal

- E

_akhir

 100 keV – MeV

Usia paruh eksitasi inti 10

^-9

sampai 10

^-12

sekon.

Latihan Soal

Latihan soal

Inti ¹²N meluruh beta ke suatu keadaan eksitasi dari ¹²C yang sudah itu meluruh ke keadaan dasarnya dengan

memancarkan sinar gamma 4,43 Mev . Hitunglah energi kinetik maksimum partikel beta yang dipancarkan?

Jawab

Massa C dalam keadaan tereksitasi

m C = (12,00000 + 4,43/931,5 ) = 12,004756 u Q = (m N - m C – 2m_e ) 931,5 Mev

Q = (12,08613 – 12,004756 – 2 X 0,000549 ) 931,5 Mev

= 74,77 Mev

Rarioaktifitas Alam

Sebagian besar unsur radioaktif alam memiliki waktu paruh dalam orde hari atau tahun << umur bumi +- 4,5 10⁹ th  sedikit unsur yang teramati meluruh dengan orde waktu

paruh = umur bumi. Sbg latar belakang natural radioactivity.

Proses radioaktif mengubah A jadi A-4 (peluruhan alfa) A tetap peluruhan beta dan gamma.

Sinar X

Panjang gelombang sinar X +- 0,01 s/d 10 nm.

Energinnya +- 100 eV s/d 100 keV dan reaksi

terhadap materi dan inti atom

Sinar X

Pembuatan sinar X

Tabung hampa udara ( vakum ) ada filamen panas, katode, dan anode ( logam target ). Elektron dari filamen panas secara emisi termionik, dipercepat ke anode ( target ) V oltase tinggi (kV.) Elektron berenergi tinggi menumbuk target logam, sinar x akan dipancarkan oleh target.

Sinar X

1. Jika potensial antara anode dengan katode

dinaikkan daya tembus sinar x lebih besar dan

panjang gelombang lebih kecil.  energi kinetik elektron meningkat.

2. Jika filamen panas diperbesar maka katode

dibuat lebih panas  elektron yang dikeluarkan

lebih banyak  sinar x mempunyai intensitas

lebih tinggi.

.

Sinar X

Sifat-sifat sinar x

1. Sinar x merambat menurut garis lurus

2. Sinar x dapat menghitamkan pelat pemotret

3. Daya tembus sinar x bergantung jenis bahan  kayu beberapa cm, pelat aluminium setebal 1 cm, besi,

tembaga, dan khususnya timah hitam setebal beberapa mm bahkan tidak ditembus sama sekali

4. Sinar x tidak dapat terlihat oleh mata manusia . 5. Sinar x dapat dipancarkan ketika sinar katode

menumbuk zat padat.

Sinar X

kegunaan sinar x

a. Dalam bidang kedokteran, sinar x digunakan untuk membantu dokter diagnosis suatu penyakit atau

kelainan dari bagian dalam tubuh

b. Dalam bidang industri, sinar x digunakan untuk menemukan cacat pada las atau keretakan logam c. Dalam bidang pengetahuan, misalnya fisika seperti

mempelajari pola-pola difraksi pada kristal zat padat

Sinar X

Bahaya sinar x

Energi yang dimiliki sangat tinggi, sehingga sinar x

memiliki efek yang besar pada jaringan hidup  sinar x dosis tinggi dapat menyebabkan kanker dan cacat lahir

Reaksi Fisi Nuklir

Reaksi pembelahan

Pembelahan uranium sekali pembelahan menghasilkan energi 200 Mev

Baik U²³⁸ maupun U²³⁵ dapat dibelah dengan netron cepat hanya U²³⁵ yang dapat dibelah dengan netron

lambat  membelah menjadi > 100 macam isotop selain kripton dan barium. Jumlah Atom berkisar 34 sampai 58 Selain melepas netron juga beta dengan penambahan

energi 15 Mev.

Reaksi fisi

uranium adalah salah satu atom berat.

Reaksi fisi

Reaksi Fisi Nuklir

Reaksi pembelahan fisi uranium berlangsung berantai jika lambat dan dapat dikendalikan dalam reaktor. Jika

berlangsung cepat tak terkendali menjadi Bom nuklir.

Contoh

Pada suatu reaktor pembangkit listrik 3000 Mwatt. Berapa kali terjadi reaksi fisi?

Jawab

3000 Mwatt setiap detik energinya 3000 Mjoule.

Sekali fisi 200 MeV.

Reaksi Fisi Nuklir

200 Mev  2 10⁸ x 1,6 10^-19 = 3,2 10^-11 J

Jika 3 10⁹ Joule  = 0,94 10²⁰ reaksi pembelahan Setiap atom uranium U235  massa 235 x 1,6 10^-27 kg = 3,9 10^-25 kg

 Banyaknya 0,94 10²⁰ x 3,9 10^-25 kg = 37 mg

Berikut

jumlah energi nuklir yang bisa dihasilkan per kg materi:

 Fisi nuklir:

Uranium-233: 17,8 Kt/kg = 17800 Ton TNT/kg Uranium-235: 17,6 Kt/kg = 17600 Ton TNT/kg Plutonium-239: 17,3 Kt/kg = 17300 Ton TNT/kg

 Fusi nuklir:

Deuterium + Deuterium: 82,2 Kt/kg = 82200 Ton TNT/kg Tritium + Deuterium: 80,4 Kt/kg = 80400 Ton TNT/kg Lithium-6 + Deuterium: 64,0 Kt/kg = 64000 Ton TNT/kg

Dahsyatnya Bom Nuklir

foto diambil tertanggal 3 Juli 1970 oleh seorang tentara Perancis Fangataufa.

Code bom ini Canopus, kekuatan 914 kt. Bom ini dihasilkan oleh Perancis (CMIIW)

Oleh

Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

operasi Upshot-Knothole, di Nevada Proving Ground antara Maret 17 and Juni 4, 1953, mengetes bom jenis beru yang menggunakan teori fission dan fusion. Rumah dalam gambar terletak 3500 kaki dari pusat

ledakan, kameranya sendiri dilindungi lapisan setebal 2 inchi, hanya butuh 2,6 detik saja dari awal bom tersebut meldak sampai ledakannya

menghancurkan rumah tersebut Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

1 Juli 1946, di Pulau Marshall, ledakan berbentuk jamur/cendawan di Samudra Pasifik Utara, ledakan pertama dari 2 ledakan dalam operasi

Crossroads. Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

uji coba bom Bravo yang terburuk dalam sejarah US karena bencana yang disebabkan oleh radiasinya. Kesalahan tersebut terjadi karena US

salah menganalisa keadaan cuaca sehingga terjadi bencana radiasi

tersebut. Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

bom Trinity adalah ujicoba bom atom 1 oleh US, 16 Juli 1945, dilakukan 35 miles tenggara Socorro, New Mexico, sekarang White Sands Missile Range. Saudaranya, The Fat Man yang menggunakan konsep dan design

serupa, adalah bom yang dijatuhkan di Nagasaki. Kekuatan bom ini

“hanya” 20 kiloton dan merupakan bom pertama yang memulai Zaman

Atom atau Atomic Age. Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

bom BADGER adalah bom berkekuatan 23 kiloton, ditembakkan pada April 18, 1953 di Nevada Test Site, bom ini merupakan bagian dari

Operation Upshot-Knothole. Oleh

Dahsyatnya Bom Nuklir

bom atom Hiroshima dan Nagasaki oleh US bom pertama Little Boy 6 Agustus 1945, bom kedua “The Fat Man”

Nagasaki 9 Agustus 1945. kematian 200.000 jiwa.

Oleh

Hasil ledakan bom nuklir di Hiroshima

Dahsyatnya Bom Nuklir

The Fat Man 5 ton dan tinggi 10,6 kaki. ( Nagasaki )

Oleh

Little Boy 4-5 ton dan tinggi 9 kaki (Hirosima )

Oleh

diambil 1 milisekon setelah ledakan bom, duri runcing di bawah ledakan , suhunya 20.000 Kelvin, 3,5 kali panas

permukaan matahari

Oleh

Tanggal/Waktu Miniatur Dimensi Pengguna Komentar

terkini 14:37, 8 November 2009 781×804 (121 KB) Fastfission (fix fonts, metadata)

23:59, 25 Juli 2006 781×804 (127 KB) Fastfission (convert text to outlines..)

20:20, 25 Juli 2006 781×804 (120 KB) Fastfission

(A simple graphic showing comparative nuclear fireball diameters for a number of different tests and warheads. From largest to smallest, the sizes are: *w:Tsar Bomba— 50 Mt — 2.3 km

*w:Castle Bravo— 15 Mt — 1.42 km *w:W59warhea)

Reaksi Fusi

Reaksi penggabungan dua inti ringan menjadi inti berat.

Reaksi Fusi

Contohnya adalah penggabung 2 deutron energi yang dibebaskan 3,2 MeV atau 0,8 Mev per nukleon.

Reaksi Fusi

Gaya elektrostatik antara 2 deutron yag jari-jari +- 1,3 fm jarak antara keduanya = 3 fm maka energinya +- 0,5 Mev.

 memerlukan energi kinetik (K = 0,5 Mev ) untuk memicu reaksi fusi. Dapat dilakukan dengan

mempercepat deutron(K) atau membuat panas (Q).

• orde arus deutron dari akselerator mikro ampere daya total 4 watt per nuleon.

•Memanaskan dengan energi 5 10¹² joule  memerlukan suhu 10⁹ K .

Reaksi Fusi

Reaksi fusi pada Matahari

Energi yang terbebaskan Q = (m_i - m_f) c²

= ( 4 m_p – m_He) 931,5 Mev

= (4 1,007825 – 4,002603) 931,5 Mev

= 26,7 Mev

Reaksi Fusi

Daya matahari sampai bumi 1,4 10³ W/m² jarak rata-rata bumi dan matahari 1,5 10¹¹ m. Maka energi matahari akan tersebar keseluruh permukaan berupa selimut bola ( 28 10²² m² maka energinya akan 4 10²⁶ Watt

Lithium-6 + Deuterium -> Helium-4 + Helium-4

6Li + D -> ⁴He + ⁴He ⁶Li + D -> 2 ⁴He isotop helium-4 ( partikel alfa ) ditulis dg simbol α

Jadi, bisa juga ditulis:

6Li + D -> α + α atau:

6Li(D,α)α (bentuk yang dipadatkan)

Contoh Reaksi Fusi

massa isotop Lithium-6 : 6,015122795 massa isotop Deuterium : 2,0141017778

massa isotop Helium-4 : 4,00260325415

Lithium-6 + Deuterium  Helium-4 + Helium-4

6,015122795 + 2,0141017778  4,00260325415 + 4,00260325415 8,0292245728  8,0052065083

Massa yang hilang: 8,0292245728 - 8,0052065083 = 0,0240180645 u

(0,3%) (dibulatkan) E = mc²

E = mc²

= 1u x c²

= 1,660538782×10⁻²⁷ kg x (299.792.458 m/s)²

= 149241782981582746,248171448×10⁻²⁷ Kg m²/s²

= 149241782981582746,248171448×10⁻²⁷ J

= 931494003,23310656815183435498209 ev

= 931,49 Mev

(dibulatkan) Jadi, massa 1u = 931,49 Mev

Reaksi Fusi

Energi kinetik yang dibutuhkan ini setara dengan temperatur sekitar 20-30 juta derajat

Fisika Dasar III

Oleh

Tenes Widoyo MPd

Daftar Pustaka

1. Fisika Holliday & Resnick Jilid I

2. Baequni , Fisika Modern/ struktur muatan 3. Fisika Modern Kenneth Krane

4. Phisics international edition James S Walker 5. Sears Zemansky Fisika untuk Universitas 3

Disampaikan pada mata kuliah fisika dasar III STT Migas Balikpapan Tahun pembelajaran 2012/2013 semester gasal.