Fisika Atom Dan Fisika Inti
Struktur Atom
TEORI DALTON
Atom merupakan partikel terkecil yang tidak dapat dibagi-bagi.
TEORI THOMSON
Berdasarkan penemuan perbandingan e/m (e = muatan elektron; m = massa elektron), Thomson mengemukakan teorinya"
"Atom mempunyai muatan positif yang terbagi merata ke seluruh isi atom, dan dinetralkan oleh elektron yang tersebar di antara muatan listrik positif → (seperti roti kismis).
TEORI ERNST RUTHERFORD
Rutherford melakukan percobaannya dengan menembakkan partikel a ke arah lempeng emas, sehingga dapat menyimpulkan: Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang berputar pada lintasan-lintasan tertentu →(seperti susunan tata surya).
Bila lintasan elektron dianggap lingkaran, maka energi total elektron:
E = Ek + Ep
E = - k e²/2r
tanda (-) menunjukkan keterikatan terhadap inti (menunjukkan bahwa untuk mengeluarkan elektron diperlukan energi).
r = jari-jari orbit elektron k = 9 x 109 newton.m²/cou
Jadi jika r membesar maka E juga membesar, sehingga elektron pada kulit paling luar memiliki energi terbesar.
Kelemahan teori Rutherford:
1. elektron dapat "runtuh" ke inti atom karena dipercepat dan memancarkan energi. 2. spektrum atom hidrogen berupa spektrum kontinu (kenyataannya spektrum garis).
TEORI NEILS BOHR
Berdasarkan model atom Rutherford dan teori kuantum, Neils Bohr mengemukakan teorinya:
1. Elektron hanya dapat mengelilingi inti atom melalui lintasan-lintasan tertentu saja, tanpa membebaskan energi. Masing-masing lintasan hanya dapat dilalui elektron yang memiliki momentum anguler kelipatan bulat dari h/2π.
m . v . r = n . h/2π
menyerap energi, dan transisi ke lintasan yang lebih rendah jika memancarkan energi foton.
Jari-jari lintasan elektron:
rn = 5.28 x 10-11 n2 meter
n = 1, 2, 3, ... = bilangan kuantum utama
Tingkat-tingkat energi (energi kulit ke-n):
En = - (k e2/2 r n2)= (-13.6/n2) ev
1 eV= 1.6 x 10-19 joule
SPEKTRUM ATOM HIDROGEN (SPEKTRUM GARIS)
Menurut Neils Bohr :
1/λ = R [ (1/nA2) - (1/nB2) ]
∆E = EB - EA = h . c/λ
EB = energi pada kulit n EA = energi pada kulit nA
R = konstanta Rydberg = 1.097 x 107 m-1
∆E = energi yang diserap/dipancarkan pada saat elektron pindah
Gbr. Model Atom Neils Bohr
I. Deret Lyman
terletak pada daerah ultra ungu nA = 1 ; nB = 2, 3, 4, ...
II. Deret Balmer
terletak pada daerah cahaya tampak nA = 2 ; nB = 3, 4, 5. ... ...
III. Deret Paschen
terletak pada daerah infra merah 1 nA=3 ; nB = 4, 5, 6,...
IV. Deret Bracket
V. Deret Pfund
terletak pada daerah infra merah 3 nA = 5 ; nB = 6, 7, 8, ...
Kelemahan Model Atom Bohr:
1. Tidak dapat menerangkan atom berelektron banyak
2. Tidak dapat menerangkan pengaruh medan magnet terhadap spektrum atom (kelemahan ini dapat diperbaiki oleh Zeeman, yaitu setiap garis pada spektrum memiliki intensitas dan panjang gelombang yang berbeda)
3. Tidak dapat menerangkan kejadian ikatan kimia
LUCUTAN GAS
Lucutan gas adalah peristiwa mengalirnya muatan listrik di dalam tabung lucutan gas (tabung Crookes) pada tekanan gas sangat kecil →menghasilkan berkas sinar katoda
PERBANDINGAN MASSA DAN MUATAN ELEKTRON (e/m)
1. Dihitung oleh JJ Thomson:
e/m= 1,7588 x 1011 coul/kg
2. R.A. Milikan menghitung besarnya muatan elektron:
e = 1,6021 x 10-19 coulomb
3. Sehingga massa elektron dapat ditentukan:
me = 9,1091 x 10-31
Laser
PRINSIP TERJADINYA LASER
(a) sistem tak tereksitasi (b) sistem tereksitasi (c) sistem metastabil (d) pancaran rangsangan
Sifat laser : koheren, monokromatik, intensitas tinggi dan pulsanya sejajar.
Penerapan laser : mengukur jarak, alat bedah, gambar 3 dimensi (holografi), mengasah intan, memotong baja.
Struktur Inti Atom
Partikel-partikel pembentuk inti atom adalah proton (1P1) dan netron ( 0n1). Kedua partikel pembentuk inti atom ini disebut juga nukleon.
Simbol nuklida : ZXA atau ZAX dengan
A = nomor massa
Z = jumlah proton dalam inti = jumlah elektron di kulit terluar N = A - Z = jumlah netron di dalam inti atom
Proton bermuatan positif = 1,6 x 10-19 C dan netron tidak bermuatan.
Isoton : Atom-atom unsur tertentu ( Z sama) dengan nomor massa berbeda.
Isoton: kelompok nuklida dengan jumlah netron sama tetapi Z berbeda.
Isobar: kelompok nuklida dengan A sama tetapi Z berbeda.
Massa inti atom selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon-nukleon pembentuknya. Akibatnya ada energi ikat inti.
Contoh: 2p + 2n →2He4 jadi ∆m = m(2p + 2n) - m(2He4)
Energi ikat inti ∆E = ∆m c2→ ∆m = (Z . mp + N . mn) - minti
Dalam fisika inti satuan massa biasa ditulis 1 sma (1 amu) = 1.66 x 10-27 kg = 931 MeV/C2
satuan ∆m :
kg → E = ∆m . c2 (joule) sma → E = ∆m . 931 (MeV)
Stabilitas inti:
Suatu nuklida dikatakan stabil bila terletak dalam daerah kestabilan pada diagram N - Z.
Untuk nuklida ringan (A < 20) terjadi kestabilan bila Z = N (N/Z = 1), sedangkan untuk nuklida dengan Z > 83 adalah tidak stabil.
Contoh:
- massa e+ = 0,0009 x 10-27 kg - massa helium = 6,6466 x 10-27 kg
Jika dalam reaksi ini terbentuk 6,6466 gram helium, hitunglah energi yang dihasilkannya.
Jawab:
Dalam setiap reaksi yang terjadi: 4 1p1→2He4 + 2e+, selalu terbentuk 1 2He4 yang massanya 6,6466 x 10-27 kg. Karena terbentuknya 6,6466 gram 2He4, maka jumlah reaksi yang terjadi (n) adalah:
n = (6,6466 gram) / (6,6466 x 10-27) = 1024 kali reaksi.
Dari rumus Defek massa:
∆m = M(∆p) - M(1 2He4 + 2e+) = 0,042 x 10-27 kg
Jadi energi total reaksi yang dihasilkan:
E = n . ∆m . c2 = 1024 . 0,042 x 10-27 (3.108)2 = 0,378 x 1013 joule
Radioaktivitas
Radioaktivitas adalah peristiwa pemancaran sinar-sinar α, β, γ yang menyertai proses peluruhan inti.
Sinar α : - identik dengan inti atom helium (2He4)
- daya tembusnya kecil tapi daya ionisasinya besar.
Sinar β :
- identik dengan elektron ( le.)
- daya tembus cukup besar tapi daya ionisasinya agak kecil
Sinar γ :
- tidak bermuatan (gelombang elektromagnetik).
- daya tembus paling besar tapi daya ionisasinya kecil (interaksi berupa foto listrik, Compton den produksi pasangan).
Kuat radiasi suatu bahan radioaktif adalah jumlah partikel (α, β, γ) yang dipancarkan tiap satuan waktu.
R = λ N
R = kuat radiasi satuan Curie
1 Curie (Ci) = 3,7 x 1010 peluruhan per detik.
λ = konstanta pelurahan, tergantung pada jenis isotop dan jenis pancaran radioaktif, yang menyatakan kecepatan peluruhan inti.
N = jumlah atom.
Waktu paruh (T ½) adalah waktu yang diperlukan oleh ½ unsur radioaktif berubah menjadi unsur lain.
T½ = ln 2/λ = 0,693/λ ⇒ N = Noe-lt = No(½)-t/T
Jadi setelah waktu simpan t = T½ massa unsur mula-mula tinggal separuhnya, N = ½ No ATAU setelah waktu simpan nT½ ⇒ zat radioaktif tinggal (½)n
Sinar radioaktif yang melewati suatu materi akan mengalami pelemahan intensitas dengan rumus:
I = Ioe-µx
Io = intensitas mula-mula (joule/s.m2)
µ = koefisien serap materi (m-1 atau cm-1) x = tebal materi/bahan (m atau cm )
Bila I = ½ Io maka x = 0,693/µ⇒ disebut HVL (lapisan harga paruh) yaitu tebal keping yang menghasilkan setengah intensitas mula
Jenis detektor radioaktif:
1. Pencacah Geiger(G1M)
untuk menentukan/mencacah banyaknya radiasi sinar radioaktif
2. Kamar Kabut Wilson
untuk mengamati jejak partikel radioaktif
3. Emulsi Film
untuk mengamati jejak, jenis dan mengetahui intensitas partikel radioaktif
4. Pencacah Sintilad
untuk mencacah dan mengetahui intensitas partikel radioaktif.
Transmutasi Inti Dan Piranti Eksperimen Fisika Inti
TRANSMUSI INTI
1. Fisi
Peristiwa pembelahan inti atom dengan partikel penembak, sehingga menghasilkan dua inti baru dengan nomor massa yang hampir sama.
Contoh: Dalam reaktor atom: U235 + n ⇒ Xe140 + Sr94 + 2n + E
Peristiwa penggabungan dua inti atom ringan, menghasilkan inti atom baru yang lebih berat.
Contoh: reaksi di matahari: 1H2 + 1H2 → 2He3 + on1
PIRANTI EKSPERIMEN FISIKA INTI
1. Reaktor Atom
Tempat berlangsungnya reaksi fisi, yaitu penembakan Uranium (U) dengan netron (n), menghasilkan banyak n yang dapat dikendalikan. Bila tidak dikendalikan → terjadi bom atom.
Komponen reaktor :
- batang kendali - moderator - perisai - bahan bakar
2. Siklotron
Tempat pemercepat partikel (proton atau netron). Energi hingga 100 MeV.
3. Betatron
Tempat pemercepat elektron. Energi hingga 300 MeV.
4. Sinkrotron
Tempat pemercepat proton. Energi yang dicapai hingga 500 GeV.
5. Akselerator
Tempat pemercepat proton atau elektron. Energi hingga 10 GeV.
Semua piranti di atas digunakan untuk melakukan transmutasi inti.
Semikonduktor
Hambatan jenis (kebalikan dari konduktivitas listrik) suatu bahan dapat dikelompokkan menjadi:
1. Konduktor ( < 10-6 Ωm)
2. Semikonduktor (10-6 Ωm - 104 Ωm) 3. Isolator ( > 104 Ωm)
Pada bahan semikonduktor, hole (kekosongan) den elektron berfungsi sebagai pembawa muatan listrik (pengantar arus).
Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-atom lain (atom pengotor).
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping). Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole) dan tipe-N
(pembawa muatan elektron).
Komponen semikonduktor:
1. Dioda, dapat berfungsi sebagai penyearah arus, stabilisasi tegangan dan detektor.
2. Transistor, dapat berfungsi sebagai penguat arus/tegangan dan saklar.Transistor terdiri dari dua jenis yaitu PNP dan NPN.
Semikonduktor tipe-P
Gbr. Semikonduktor tipe-P
En = tingkat energi akseptor Eg = celah energi
Gbr. Semikonduktor tipe-N
En = tingkat energi donor
