KEGIATAN. 15
REAKSI INTI
Kita dapat membentuk inti baru dengan menembaki atau membombardir inti stabil alami dengan partikel-partikel seperti elektron. Proses ini disebut reaksi inti. Reaksi inti dapat juga terbentuk oleh peluruhan isotop-isotop tidak stabil. Isotop-isotop yang radioaktif ini disebut radioisotop, yang berbahaya bagi manusia, hewan, dan tumbuhan. Walaupun demikian, radioisotop dapat bermanfaat, misalnya ahli purbakala menggunakan peluruhan radioisotop untuk menentukan umur fosil-fosil yang tertinggal dari manusia atau hewan purbakala. Dalam bidang kedokteran, radiosotop digunakan untuk pengobatan kanker dan penyakit-penyakit lainnya.
Kita akan mempelajari reaksi inti yang disebut reaksi fisi dan reaksi fusi. Reaksi fisi berantai terkendala dalam reaktor atom digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik bagi kesejahteraan umat manusia. Di pihak lain, reaksi fisi berantai tak terkendali dalam bom atom merupakan senjata pemusnah peradaban manusia. Harapan untuk mengatasi kebutuhan energi di masa depan digantungkan pada penemuan reaksi fusi terkendali dalam reaktor atom untuk membangkitkan tenaga listrik.
a. Tujuan
Setelah mempelajari modul ini Anda diharapkan dapat: mengidentifikasi karakteristik kestabilan inti atom.
mengaplikasikan gejala defek massa untuk menentukan energi ikat inti. menganalisis penerapan konsep reaksi inti
Pelajarilah modul ini secara cermat agar tujuan-tujuan tersebut dapat tercapai.
b. Uraian Materi dan Contoh
1. Reaksi Inti
inti atau transmutasi. Perubahan pada inti ini mengakibatkan terjadinya perbedaan dalam nomor massanya, nomor atomnya, ataupun keduanya.
Pada tahap pertama penyelidikan manusia terhadap inti atom, para fisikawan mencoba memanfaatkan partikel radioaktif alam, khususnya partikel alfa untuk membombardir inti sehingga terjadilah reaksi inti. Contoh-contoh reaksi inti jenis ini adalah sebagai berikut.
4 9 12 1
2He 4Be ��� 6C 0n (15.1)
Melalui reaksi inilah Chadwick berhasil menemukan neutron. Contoh reaksi lainnya adalah
4 11 14 1
2He 5B ��� 7N 0n (15.2)
Transmutasi inti pertama kali berhasil dilakukan Rutherford tahun 1919 dengan membombardir inti target yaitu nitrogen dengan partikel alfa dari zat ardioaktif. Sebagai hasilnya diperoleh inti oksigen-17 dan proton.
4 14 14 1
2He 7N ��� 7O 1H (15.3)
Pada perkembangan selanjutnya para fisikawan berhasil mengembangkan alat pemercepat partikel (akselerator partikel) yang pertama kali dikembangkan oleh J. Cockcroft
dan E. Walton ditahun 1930. Dengan akselerator ini sebuah proton yang telah dipercepat ditumbukkan pada inti lithium menghasilkan dua inti helium.
7 1 4 4
3Li 1p ��� 2He 2He (15.4)
2. Hukum Kekekalan pada Reaksi Inti
Perhatikan suatu reaksi inti dengan dengan inti sasaran X yang ditembak dengan sebuah partikel a, menghasilkan inti baru Y dan sebuah partikel b”
a X ���Y b
Reaksi inti seperti ini biasa ditulis dalam bentuk:
,X a b Y
2.1 Hukum Kekekalan Energi dan Hukum Kekekalan Momentum
Suatu reaksi inti harus memenuhi:
(1) hukum kekekalan momentum: momentum sebelum reaksi sama dengan momentum sesudah reaksi.
(2) Hukum kekekalan energi: energi sebelum reaksi sama dengan energi sesudah reaksi.
Hukum kekekalan energi dan momentum berkaitan dengan proses mekanika secara detil dari reaksi inti tersebut. Dalam reaksi inti ini kita sudah harus menggunakan mekanika relativistik. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa jumlah energi total (relativistik) sebelum terjadinya reaksi harus sama dengan jumlah energi total sesudah tumbukan. Energi total partikel adalah jumlah antara energi diam dan energi kinetiknya. Hal ini dapat
Dengan demikian, untuk contoh reaksi di atas harus berlaku.
X x Y y
Adapun hukum kekekalan momentum menyatakan bahwa jumlah momentum sebelum reaksi sama dengan jumlah momentum sesudah reaksi. Hal ini dapat dituliskan
0
y y y y
p m v
Maka hukum kekekalan momentum dapat dituliskan sebagai berikut.
0X X X 0x x x 0Y Y Y 0y y y
m v m v m v m v
Untuk menghitung energi reaksi Q pada reaksi inti di atas, kita akan menggunakan hukum kekekalan energi, tetapi sebelumnya kita tuliskan kembali reaksi inti di atas:
a X ���Y b Q
Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi sebelum reaksi sama dengan energi sesudah reaksi. Sebelum reaksi (ruas kiri), energi dihasilkan oleh inti sasaran X dengan partikel a. Jika X dan a kita sebut reaktan (pereaksi), maka energi sebelum reaksi sama dengan energi reaktan. Sesudah reaksi (ruas kanan), energi dimiliki oleh inti baru Y, partikel baru b, dan energi reaksi Q. Jika Y dan b kita sebut produk (hasil reaksi), maka energi sesudah reaksi sama dengan energi produk ditambah dengan energi reaksi. Sesuai dengan hukum kekekalan maka:
energi sebelum reaksi = hukum sesudah reaksi energi reaktan = energi produk + energi reaksi
energi reaksi = energi reaktan – energi produk
Oleh karena massa 1 sma setara dengan energi sebesar 931 MeV, maka untuk semua massa dalam satuan sma berlaku:
Energi reaktan = (ma + mX) 931 MeV
Energi produk = (mY + mb) 931 MeV
a x
Y b
931Q ��m m m m �� MeV
2.2 Reaksi Eksotermik, Endotermik dan Harga-Q
reaksi energi kinetik partikel-partikel hasil reaksi bertambah besar. Salah satu contoh reaksi seperti ini adalah reaksi fisi dan reaksi fusi yang digunakan sebagai sumber energi nuklir.
Sebaliknya, reaksi endotermik adalah reaksi dengan energi kinetik partikel-partikel sebelum reaksi (termasuk foton bila pada reaksi itu melibatkan foton ) lebih kecil daripada energi kinetik partikel-partikel sesudah reaksi. (atau Q < 0, energi diserap dan disebut reaksi endotermik) Ini artinya sebagian energi kinetik partikel yang bereaksi diubah menjadi massa. Reaksi seperti ini hanya dapat berlangsung bila energi kinetik partikel-partikel yang bereaksi di atas harga tertentu. Harga ini disebut nilai ambang reaksi. Karena adanya hukum kekekalan momentum yang harus dipenuhi, maka pada umumnya nilai ambang energi ini lebih besar dari Q.
CONTOH 15- 1 Energi Reaksi Inti
Jika nitrogen ditembak dengan partikel alfa, maka dihasilkan sebuah inti oksigen dan sebuah proton sesuai dengan reaksi inti berikut.
4 14 14 1
2He 7N ��� 7O 1H
Tentukan energi reaksi yang terlibat dalam reaksi di atas. Diketahui massa-massa diam
4
2He = 4,00260 sma; 14
7N= 14,00307 sma; 17
8O = 16,99913 sma ; 1
1H = 1,007883 sma
Penyelesaian:
Energi reaksi sama dengan energi reaktan dikurangi energi produk. Reaktan adalah partikel-partikel di sebelah kiri anak panah dan produk adalah partikel-partikel-partikel-partikel di sebelah kanan anak panah.
Energi reaktan = ( 4,00260 + 14,00307) 931 MeV = 16763,279 MeV Energi produk = ( 16,99913 + 1,00783) 931 MeV = 16764,48 MeV
Oleh karena energi reaksi bertanda negative, maka reaksi inti ini tergolong dalam reaksi endotermik, yakni reaksi yang menyerap energi selama berlangsung proses reaksi.
2.3. Hukum Kekekalan Nomor Atom dan Nomor Massa
Selain memenuhi hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum, suatu reaksi inti juga harus memenuhi hukum kekekalan nomor atom dan nomor massa sebagai berikut.
(1) Hukum kekekalan nomor atom; jumlah nomor atom sebelum reaksi sama dengan
jumlah nomor atom sesudah reaksi.
(2) Hukum kekekalan nomor massa: jumlah nomor massa sebelum reaksi sama
dengan jumlah nomor massa sesudah reaksi.
Hukum kekekalan jumlah nukleon dapat dinyatakan sebagai jumlah nukleon (proton atau netron) harus sama sebelum dan sesudah reaksi. Adapun hukum kekekalan muatan adalah jumlah muatan inti (jumlah proton) sebelum dan sesudah reaksi inti harus sama.
Perhatikan contoh reaksi secara umum
1 2 3 4
1 2 3 4
A A A A Z X Z x ��� ZY Z y
Berdasarkan hukum kekekalan nukleon, maka harus dipenuhi
1 2 3 4
A A A A
Sedangkan berdasarkan hukum kekekalan muatan (nomor massa atau jumlah proton) maka harus dipenuhi: Jumlah nomor massa sebelum reaksi = 1 + 19 = 20
CONTOH 15- 2 Hukum Kekekalan Nomor Atom dan Nomor Massa
Radium 226
22688Ra
adalah unsur tidak stabil dan memancarkan sebuah partikel . Tentukaninti partikel baru yang terbentuk dengan menyatakan nomor massa dan nomor atomnya.
Penyelesaian:
Peluruahn radium dapat ditampilkan dengan reaksi inti berikut 22688 24
A Z
Ra ��� X He
Jumlah nomor massa sebelum reaksi sama dengan jumlah nomor massa sesudah reaksi: 226 = A + 4
226 - 4 = A
222 = A atau A = 222
Jumlah nomor atom sebelum reaksi sama dengan jumlah nomor atom sesudah reaksi: 88 = Z + 2
88 - 2 = Z
86 = Z atau Z = 86
Inti partikel baru 222
86X , memiliki nomor massa 222 dan nomor atom 86.
3.
Reaksi Fisi dan Reaksi Fisi Berantai
3.1 Reaksi Fisi
Reaksi fisi adalah reaksi pembelahan sebuah inti menjadi dua atau lebih. Dalam reaksi inti ini, massa total produk lebih kecil daripada massa total reaktan. Selisih massa ini akan muncul sebagai energi. Pada atom-atom berat ini akan diikuti dengan pelepasan energi yang cukup besar, dapat mencapai orde 200 MeV per fisi.
Gambar 1 menunjukkan suatu reaksi pembelahan inti dimana 23592U membelah menjadi
inti 141
lambat, menghasilkan suatu inti gabungan 23692U. Inti gabungan tidak stabil ini meluruh dengan
cepat menjadi 14156Ba, 92
36Krdan tiga buah netron sesuai dengan reaksi berikut.
{ { { {
Reaksi ini hanyalah satu dari cukup banyak kemungkinan reaksi yang dapat terjadi ketika inti uranium membelah. Contoh lainnya adalah
{ { { {
Berbagai reaksi menghasilkan sebanyak 5 netron, tetapi rata-rata netron yang dihasilkan setiap satu kali pembelahan adalah 2,5. Perlu diketahui bahwa energi yang dihasilkan oleh satu inti uranium yang membelah kira-kira 208 MeV. Satu MeV setara dengan enerli listrik 4,45 x 10-20
kWh. Kita akan menggunakan data ini untuk menghitung energi yang dihasilkan oleh reaksi berantai yang menghabiskan 1 kg uranium.
3.2 Reaksi berantai
Hal ini menjadi lebih yang istimewa bila partikel yang mendorong terjadinya fisi adalah netron. Ini karena hasil dari fisi biasanya menghasilkan lebih dari satu netron. Dengan demikian, netron hasil reaksi fisi dapat menyebabkan terjadinya sederetan pembelahan inti berikutnya dalam jumlah yang lebih besar.
Dengan rata-rata energi yang dibebaskan 208 MeV per satu pembelahan inti, maka suatu reaksi berantai seperti ini akan mengakibatkan pelepasan energi sangat besar yang tak terkontrol, seperti yang terjadi pada bom atom. Bila reaksi ini dikontrol dengan baik, maka dapat diatur agar laju reaksi fisi yang terjadi bersifat tetap. Reaksi berantai pembelahan inti yang dapat dikendalikan adalah prinsip dasar dari reaktor atom yang digunakan dalam pembangkit tenaga listrik komersial.
3.3 Reaksi Fusi
Dua inti atau lebih dapat bergabung untuk membentuk sebuah inti yang lebih berat. Reaksi penggabungan dua inti ringan atau lebih menjadi sebuah inti yang lebih berat disebut fusi. Dalam reaksi fusi ini, massa inti baru lebih kecil dari jumlah massa inti-inti pembentuknya. Selisih massa ini muncul sebagai energi.
Untuk melakukan penggabungan dua inti atom atau lebih, kita memerlukan energi yang sangat besar. Misalnya, untuk dua inti hidrogen yang akan digabungkan, kedua inti ini harys digerakkan dengan kelajuan yang tinggi untuk mengatasi gaya tolak Coulomb antara dua muatan listrik positif antara proton-proton dalam inti atom. Jadi, tanpa kelajuan yang tinggi ( suhu yang sangat tinggi) kedua inti hidrogen tidak memiliki kesempatan untuk dapat bergabung. Oleh karena reaksi fusi memerlukan suhu yang sangat tinggi, maka reaksi fusi sering juga disebut reaksi termonuklir. Contoh reaksi fusi adalah reaksi yang terjadi pada matahari dan bintang serta pada bom hidrogen.
2 2 3 1
1H 1H ���1H 1H 4 MeV
2 2 3 1
1H 1H ���2He 0n3,3 MeV
2 3 4 1
A. Soal Essay
1. Suatu inti nitrogen 157N bereaksi dengan proton menghasilkan 12
sma = 931 MeV, hitung energi yang dibebaskan pada reaksi
12H 13H ��� 24He 01n
4. Suatu inti 23592U menangkap sebuah netron yng bergerak lambat dan terpisah menjadi
inti barium 14156Ba dn krypton 92
36Kr sambil memancarkan beberapa buah partikel.
Apakah nama partikel yang dipancarkan dan berapa banyak partikel tersebut?
5. Lautan mengandung 1,32 x 1021 kg air. Dari semua isotop hidrogen yang terkandung
dalam air laut ini, 0,0156% massa adalah isotop deuterium
21H . Jika reaksi semuainti deuterium mengalami fusi menjadi helum melalui reaksi:
1. Jika massa inti AX
Z , massa proton, massa neutron, dan laju cahaya di ruang hanya berturut-turut adalah m kg, p kg, n kg, dan c m/s, maka energi ikat inti tersebut adalah
2. Jumlah proton dan neutron yang ada dalam inti 239
93Np adalah . . . .
a. 239 dan 332 d. 93 dan 332 b. 146 dan 239 e. 93 dan 146 c. 93 dan 239
3. Dua buah nuklida dilambangkan sebagai berikut 16
8X dan 178Y . Pernyataan yang tidak
benar adalah . . . .
a. tiap nuklida memiliki 8 proton b. nuklida X memiliki 8 neutron c. nuklida Y memiliki 9 neutron d. kedua nuklida merupakan isotop
e. kedua nuklida memiliki sifat kimia yang berbeda
4. Massa inti 7Li
a. reaksi eksotermik d. reaksi fisi b. reaksi endotermik e. reaksi fusi c. reaksi berantai
6. Reaksi inti berlangsung seperti persamaan berikut.
9 12
2Be 6C X
X pada persamaan di atas adalah ….
a. 11H d.
0 1e
b. 12H e.
1 0n
