Fisika Umum MA 301 Topik hari ini Topik

(1)

Fisika Atom & Inti

6/13/2010 6/13/2010

(2)

(3)

Model Awal Atom

Model atom J.J. Thomson

Bola bermuatan positif Bola bermuatan positif Muatan

Muatan--muatan negatif muatan negatif (elektron) yang sama (elektron) yang sama banyak

banyak--nya menempel nya menempel banyak

banyak--nya menempel nya menempel pada bola tersebut

pada bola tersebut

(4)

Uji Eksperimental

Harapan:

1. Sebagian besar terhambur

dengan sudut kecil

2. Tidak terjadi hamburan yang hamburan yang terpantul

Hasil:

1. Terhambur dengan sudut kecil dan besar

(5)

Uji Eksperimental

●

● Berkas

Lapisan tipis emas

●

(6)

Model Atom

Model Rutherford Model Rutherford

Model Planet Model Planet

Berdasarkan hasil Berdasarkan hasil

eksperimen lapisan emas eksperimen lapisan emas tipis yang ditumbuk berkas tipis yang ditumbuk berkas tipis yang ditumbuk berkas tipis yang ditumbuk berkas alfa

alfa

Muatan positif Muatan positif

terkonsentrasi di pusat terkonsentrasi di pusat atom, dinamakan

atom, dinamakan nukleusnukleus

Electron mengorbit nukleus Electron mengorbit nukleus seperti planet mengorbit seperti planet mengorbit matahari

(7)

Kelemahan Model Rutherford

Atom mengemisi radiasi elektromagnetik dengan

frekuensi karakteristik tertentu

Model Rutherford tidak bisa menjelaskan fenomena ini Model Rutherford tidak bisa menjelaskan fenomena ini

Elektron Rutherford

mengalami percepatan sentripetal

Elektron Rutherford

mengalami percepatan sentripetal

sehingga

meradiasikan gelombang elektromagnetik

dengan frekuensi yang sama

Ini berarti elektron akan kehilangan energi Ini berarti elektron akan kehilangan energi

Radius elektron mengelilingi nukleus akan semakin mengecil Radius elektron mengelilingi nukleus akan semakin mengecil

Elektron akhirnya akan jatuh ke nukleus dengan lintasan spiral Elektron akhirnya akan jatuh ke nukleus dengan lintasan spiral

(8)

Spektrum Emisi

Gas bertekanan rendah diberikan beda potensial (dieksitasi) Gas bertekanan rendah diberikan beda potensial (dieksitasi) Gas akan mengemisikan cahaya karakteristiknya

Gas akan mengemisikan cahaya karakteristiknya

Ketika cahaya hasil emisi dilewatkan pada spektrometer, deretan garis Ketika cahaya hasil emisi dilewatkan pada spektrometer, deretan garis cahaya tampak teramati

cahaya tampak teramati

Setiap garis memiliki panjang gelombang dan warna yang berbeda Setiap garis memiliki panjang gelombang dan warna yang berbeda Deretan garis ini dinamakan

(9)

Spektrum Emisi Hidrogen

J. J. Balmer memformulaskan spektrum garis Hidrogen J. J. Balmer memformulaskan spektrum garis Hidrogen

R

R_H_H adalah konstanta adalah konstanta Rydberg Rydberg



Garis spektral berkaitan Garis spektral berkaitan dengan nilai n tertentu dengan nilai n tertentu

Dikenal dengan

Dikenal dengan Deret Balmer Deret Balmer

Contoh garis spektral Contoh garis spektral

(10)

Teori Bohr Tentang Atom

Pada tahun 1913 Bohr memberikan penjelasan tentang

spektrum atom

Model atom yang diajukan menjelaskan mengapa atom

stabil

(11)

Asumsi Bohr tentang Atom

Elektron bergerak melingkar Elektron bergerak melingkar

mengelilingi inti karena pengaruh gaya mengelilingi inti karena pengaruh gaya Coulomb

Coulomb

Gaya Coulomb menghasilkan Gaya Coulomb menghasilkan percepatan senntripetal

percepatan senntripetal

Hanya orbit elektron tertentu yang Hanya orbit elektron tertentu yang stabil

stabil

Pada orbit

Pada orbit--orbit ini atom tidak orbit ini atom tidak Pada orbit

Pada orbit--orbit ini atom tidak orbit ini atom tidak

mengemisikan energi dalam bentuk mengemisikan energi dalam bentuk radiasi elektromagneti

radiasi elektromagneti

Sehingga energi atom tetap dan Sehingga energi atom tetap dan

mekanika klasik dapat digunakan untuk mekanika klasik dapat digunakan untuk menjelaskan gerak elektron

menjelaskan gerak elektron

Radiasi diemisikan oleh atom apabila Radiasi diemisikan oleh atom apabila “loncat” dari keadaan yang energinya “loncat” dari keadaan yang energinya lebih tinggi ke keadaan yang energinya lebih tinggi ke keadaan yang energinya lebih rendah

lebih rendah

Proses “loncat” tidak dapat dijelaskan Proses “loncat” tidak dapat dijelaskan secara klasik

secara klasik i f

(12)

Asumsi Bohr Lanjutan

Tentang elektron yang “loncat”:

Frekuensi

Frekuensi yang diemisikan dalam proses “loncat” berkaitan yang diemisikan dalam proses “loncat” berkaitan dengan perubahan energi atom

dengan perubahan energi atom Secara umum,

Secara umum, frekuensi yang diemisikan frekuensi yang diemisikan tidak samatidak sama dengan dengan frekuensi elektron mengorbit

frekuensi elektron mengorbit

−

=

i f

(13)

Ukuran Relatif Atom

Diameter orbit elektron dalam model atom Bohr ditentukan oleh Diameter orbit elektron dalam model atom Bohr ditentukan oleh muatan listrik yang terdapat pada inti atom

muatan listrik yang terdapat pada inti atom

Tinjau atom hidrogen, jika muatan listrik positif pada inti dibuat dua Tinjau atom hidrogen, jika muatan listrik positif pada inti dibuat dua kalinya, maka gaya yang dialami elektron menjadi duakalinya,

kalinya, maka gaya yang dialami elektron menjadi duakalinya,

sehingga elektron akan tertarik dan orbitnya akan mengecil menjadi sehingga elektron akan tertarik dan orbitnya akan mengecil menjadi setengah kali orbit semula.

setengah kali orbit semula. Tapi, ini tidak terjadi.Tapi, ini tidak terjadi.

Penambahan muatan positif di inti mengakibatkan adanya Penambahan muatan positif di inti mengakibatkan adanya Penambahan muatan positif di inti mengakibatkan adanya Penambahan muatan positif di inti mengakibatkan adanya

penggandengan elektron lain untuk berada di orbit yang pertama. penggandengan elektron lain untuk berada di orbit yang pertama. Penambahan elektron ini membuat atom menjadi netral.

Penambahan elektron ini membuat atom menjadi netral. Atom yang sekarang bukan lagi

Atom yang sekarang bukan lagi HidrogenHidrogen, melainkan , melainkan HeliumHelium

Penambahan proton selanjutnya dalam inti, akan menarik elektron Penambahan proton selanjutnya dalam inti, akan menarik elektron kedalam orbit yang lebih dekat dengan inti, dan selanjutnya, akan kedalam orbit yang lebih dekat dengan inti, dan selanjutnya, akan ada lagi penggandengan elektron lain (ketiga) untuk mengorbit ada lagi penggandengan elektron lain (ketiga) untuk mengorbit diorbit ke dua, penambahan elektron ini membuat atom menjadi diorbit ke dua, penambahan elektron ini membuat atom menjadi netral. Atom yang sekarang bukan lagi

(14)

Jika proses penambahan proton dalam inti berlanjut terus, maka Jika proses penambahan proton dalam inti berlanjut terus, maka akan dihasilkan berbagai jenis unsur

akan dihasilkan berbagai jenis unsur

Ketika muatan inti bertambah terus, elektron baru terus Ketika muatan inti bertambah terus, elektron baru terus

ditambahkan pada orbit terluar, orbit yang dalam akan mengalami ditambahkan pada orbit terluar, orbit yang dalam akan mengalami

penyusutan

penyusutan karena semakin kuatnya gaya tarik oleh intikarena semakin kuatnya gaya tarik oleh inti Ini berarti,

Ini berarti, unsur yang berat tidak selalu memiliki diameter yang unsur yang berat tidak selalu memiliki diameter yang lebih besar dari pada unsur yang ringan

lebih besar dari pada unsur yang ringan

Contoh, diameter atom uranium sekitar tiga kali diameter atom Contoh, diameter atom uranium sekitar tiga kali diameter atom

Ukuran Relatif Atom

Contoh, diameter atom uranium sekitar tiga kali diameter atom Contoh, diameter atom uranium sekitar tiga kali diameter atom hidrogen, padahal massa uranium lebih besar 238 kali dari massa hidrogen, padahal massa uranium lebih besar 238 kali dari massa hidrogen

hidrogen

Tiap unsur memiliki orbit elektron yang berbeda

Tiap unsur memiliki orbit elektron yang berbeda--beda, artinya jaribeda, artinya jari--jari orbit atom sodium akan sama untuk atom

jari orbit atom sodium akan sama untuk atom--atom sodium yang lain atom sodium yang lain dan tentu saja berbeda untuk unsur yang lain

(15)

Gelombang de Broglie

Salahsatu postulat Bohr adalah momentum sudut

elektron adalah terkuantisasi,

tapi tidak ada penjelasan

mengapa pembatasan tersebut terjadi

de Broglie mengasumsikan bahwa elektron orbit akan

stabil hanya jika

kelilingnya sama dengan bilangan

integer kali panjang gelombang

(16)

Gelombang de Broglie dalam Atom

Hidrogen

Dalam contoh ini, tiga panjang Dalam contoh ini, tiga panjang gelombang bersesuaian dengan gelombang bersesuaian dengan keliling orbit

keliling orbit

Secara umum, keliling harus Secara umum, keliling harus sama dengan bilangan integer sama dengan bilangan integer kali panjang gelombang

kali panjang gelombang kali panjang gelombang kali panjang gelombang

tapi , sehingga

2 π

r

=

n

λ λ

,

=

1, 2, 3,...

e

h

m v

λ

=

,

1, 2, 3,...

e

(17)

Mekanika Kuantum

Dualisme cahaya, sebagai partikel dan sebagai

gelombang

Erwin Schrodinger memformulasikan persamaan

matematis yang menjelaskan bagaimana gaya luar

mempengaruhi gelombang (mirip Hk. Newon)

Probabilistik

(18)

Prinsip Korespondensi Bohr

Prinsip

Prinsip Korrespondensi

Korrespondensi

Bohr menyatakan bahwa

mekanika kuantum cocok dengan fisika klasik ketika

perbedaan energi antara tingkat

perbedaan energi antara tingkat--tingkat terkuantisasi

tingkat terkuantisasi

sangat kecil

Serupa dengan Mekanika Newton yang merupakan kasus Serupa dengan Mekanika Newton yang merupakan kasus Serupa dengan Mekanika Newton yang merupakan kasus Serupa dengan Mekanika Newton yang merupakan kasus khusus dari Mekanika Relativistik ketika v << c

(19)

Sifat Atom

Semua atom tersusun atas inti dan elektron yang mengorbit inti Semua atom tersusun atas inti dan elektron yang mengorbit inti

Nomor atom

Nomor atom , Z, menyatakan jumlah proton dalam inti, pada atom netral, , Z, menyatakan jumlah proton dalam inti, pada atom netral, jumlah elektron sama dengan jumlah proton

jumlah elektron sama dengan jumlah proton

Nomor neutron

Nomor neutron , N, menyatakan jumlah neutron dalam inti, N, menyatakan jumlah neutron dalam inti

Nomor massa

Nomor massa , A, menyatakan jumlah nukleon dalam inti, A, menyatakan jumlah nukleon dalam inti

A = Z + N A = Z + N

Nukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun inti Nukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun inti Nomor massa tidak sama dengan massa

Nomor massa tidak sama dengan massa

Notasi Notasi

Contoh: Contoh:

Nomor massa 27 Nomor massa 27 Nomor atom 13 Nomor atom 13

Terdiri dari 13 proton, 14 (27

Terdiri dari 13 proton, 14 (27 –– 13) neutron dan 13 elektron (atom netral)13) neutron dan 13 elektron (atom netral)

X

A

Z

Dimana X adalah simbol kimia dari unsur Dimana X adalah simbol kimia dari unsur

Al

(20)

(21)

Fisika Inti; Sejarah

1896

1896 –– Lahirnya fisika intiLahirnya fisika inti

Becquerel menemukan radioaktivitas dalam uranium Becquerel menemukan radioaktivitas dalam uranium

Rutherford menunjukkan tiga tipe radiasi Rutherford menunjukkan tiga tipe radiasi

Alfa (Inti He) Alfa (Inti He) Beta (elektron) Beta (elektron)

Gama (foton berenergi tinggi) Gama (foton berenergi tinggi)

1911

1911 Rutherford, Geiger dan Marsden melakukan eksperimen hamburanRutherford, Geiger dan Marsden melakukan eksperimen hamburan

1911

1911 Rutherford, Geiger dan Marsden melakukan eksperimen hamburanRutherford, Geiger dan Marsden melakukan eksperimen hamburan

Memperoleh informasi tentang muatan inti Memperoleh informasi tentang muatan inti

Gaya Nuklir

Gaya Nuklir merupakan gaya jenis barumerupakan gaya jenis baru

1919

1919 Rutherford dan coworkers mengamati reaksi inti pertama kali Rutherford dan coworkers mengamati reaksi inti pertama kali

1932

1932 Cockcroft dan Walton pertamakali menggunakan pemercepat proton Cockcroft dan Walton pertamakali menggunakan pemercepat proton untuk menghasilkan reaksi inti

untuk menghasilkan reaksi inti

1932

1932 Chadwick menemukan neutronChadwick menemukan neutron

1933

1933 Curie menemukan radioaktif buatanCurie menemukan radioaktif buatan

1938

1938 Hahn dan Strassman menemukan fisi nuklirHahn dan Strassman menemukan fisi nuklir

1942

(22)

Atom

(23)

Inti Atom

Bermuatan Positif,

Apakah hanya ada Proton dalam Inti?

Th 1930, W Bothe dan Becker menembaki berilium dg partikel alpha Th 1930, W Bothe dan Becker menembaki berilium dg partikel alpha →→

ternyata ada pancaran radiasi netral yang bisa memukul keluar proton ternyata ada pancaran radiasi netral yang bisa memukul keluar proton dg energi 5.7 MeV.

dg energi 5.7 MeV.

Kayanya sinar gamma neh… tapi energi sinar gamm~55 MeV (ga Kayanya sinar gamma neh… tapi energi sinar gamm~55 MeV (ga mungkin…). Jadi radiasi netral itu apa sebenarnya?

mungkin…). Jadi radiasi netral itu apa sebenarnya?

1932 Chadwick mennyatakan pancaran radiasi netral = pancaran 1932 Chadwick mennyatakan pancaran radiasi netral = pancaran partikel neutral yang disebut (neutron) yang massanya~massa proton partikel neutral yang disebut (neutron) yang massanya~massa proton

Sifat

Sifat--sifat neutronsifat neutron

Meluruh jika diluar inti,

Meluruh jika diluar inti, ττ =15,5 menit=15,5 menit m

m_n_n=1,0086654u=1,6748.10=1,0086654u=1,6748.10--2727 _{kg, m}_{kg, m} n

n>m>mpp

Spin ½ Spin ½

Bermuatan netral Bermuatan netral

so,… inti atom terdiri dari

(24)

Sifat Inti

Semua inti tersusun atas proton dan neutron Semua inti tersusun atas proton dan neutron

Pengecualian inti atom hidrogen Pengecualian inti atom hidrogen

Nomor atom

Nomor atom , Z, menyatakan jumlah proton dalam inti, Z, menyatakan jumlah proton dalam inti

Nomor neutron

Nomor neutron , N, menyatakan jumlah neutron dalam inti, N, menyatakan jumlah neutron dalam inti

Nomor massa

Nomor massa , A, menyatakan jumlah nukleon dalam inti, A, menyatakan jumlah nukleon dalam inti

A = Z + N A = Z + N

Nukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun inti Nukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun inti Nukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun inti Nukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun inti Nomor massa tidak sama dengan massa

Nomor massa tidak sama dengan massa

Notation Notation

Contoh: Contoh:

Nomor massa 27 Nomor massa 27 Nomor atom 13 Nomor atom 13

Terdiri dari 13 proton dan Terdiri dari 13 proton dan 14 (27

14 (27 –– 13) neutron13) neutron

X

A

Z

Dimana X adalah simbol kimia dari unsur Dimana X adalah simbol kimia dari unsur

Al

(25)

Muatan dan massa

Muatan:

Elektron mempunyai muatan negatif tunggal,

Elektron mempunyai muatan negatif tunggal, --e (e (e = 1.60217733 x 10e = 1.60217733 x 10--1919 _C_C₎₎

Proton mempunyai muatan positif tunggal, +e Proton mempunyai muatan positif tunggal, +e

Sehingga, muatan dari inti adalah Ze Sehingga, muatan dari inti adalah Ze

Neutron tidak bermuatan Neutron tidak bermuatan

Membuatnya sulit dideteksi Membuatnya sulit dideteksi Membuatnya sulit dideteksi Membuatnya sulit dideteksi

Massa:

Menggunakan

Menggunakan atomic mass units,atomic mass units, u, untuk menyatakan massau, untuk menyatakan massa

1 u = 1.660559 x 10

1 u = 1.660559 x 10--2727 _kg_kg

Berdasarkan definisi bahwa

Berdasarkan definisi bahwa massa satu Cmassa satu C--12 adalah tepat 12 u12 adalah tepat 12 u

Massa juga dapat dinyatakan dalam MeV/c Massa juga dapat dinyatakan dalam MeV/c22

Dari E

Dari E_R_R = m c= m c22

(26)

Ringkasan Massa

Massa

Partikel kgkg uu MeV/cMeV/c22

Proton 1.6726 x 101.6726 x 10--2727 _1.007276_1.007276 _938.28_938.28

Neutron 1.6750 x 101.6750 x 10--2727 _1.008665_1.008665 _939.57_939.57

(27)

Ukuran Inti

Diselidiki pertama kali oleh Diselidiki pertama kali oleh Rutherford pada percobaan Rutherford pada percobaan hamburan

hamburan

Diperoleh pernyataan seberapa Diperoleh pernyataan seberapa dekat partikel alfa bergerak

dekat partikel alfa bergerak

mendekati inti sebelum berbalik mendekati inti sebelum berbalik arah karena gaya tolak Coulomb arah karena gaya tolak Coulomb arah karena gaya tolak Coulomb arah karena gaya tolak Coulomb EK partikel diubah menjadi EP EK partikel diubah menjadi EP

2

Biasa dinyatakan dalam

Biasa dinyatakan dalam femtometersfemtometers dimana 1 fm = 10dimana 1 fm = 10--1515 _m_m

(28)

Ukuran Inti

Sejak eksperimen yang

dilakukan oleh

Rutherford, banyak

eksperimen lain yang

menyimpulkan sebagai

berikut

Kebanyakan inti hampir Kebanyakan inti hampir bulat

bulat

Jejari reratanya Jejari reratanya

rr_o_o = 1.2 x 10= 1.2 x 10--1515 _m_m 3 1

o

A

(29)

Kerapatan Inti

Volume dari inti (asumsinya bola) sebanding dengan

jumlah total nukleon

Ini memberikan bahwa semua inti memiliki kerapatan yang

sama

ρρρρρρρρ

ρρ

= R

= R A

A

1/3 1/3

_{dimana R}

_{dimana R = 1.2 fm}

_{= 1.2 fm}

ρρ

= R

_o_o

A

1/3 1/3

_{dimana R}

o

= 1.2 fm

ρρ

_atom_atom

~ 10

33

kg/m

33

(30)

Energi Ikat

Energi total dari sistem

terikat (inti) adalah lebih

kecil dari energi kombinasi

penyusun nukleon

Perbedaan energi ini Perbedaan energi ini Perbedaan energi ini Perbedaan energi ini

dinamakan energi ikat inti dinamakan energi ikat inti

Dapat juga dinyatakan Dapat juga dinyatakan sebagai sejumlah energi sebagai sejumlah energi yang diperlukan untuk yang diperlukan untuk

memecah inti menjadi proton memecah inti menjadi proton dan neutron

dan neutron

(31)

Kesetabilan Inti

Terdapat

Terdapat gaya tolak elektrostatisgaya tolak elektrostatis yang sangat besar antar sesama yang sangat besar antar sesama proton dalam inti

proton dalam inti

Gaya ini dapat menyebabkan inti hancur Gaya ini dapat menyebabkan inti hancur

Inti tetap stabil karena adanya gaya yang lain, gaya berjangkauan Inti tetap stabil karena adanya gaya yang lain, gaya berjangkauan pendek, dinamakan

pendek, dinamakan gaya inti (atau kuat) gaya inti (atau kuat)

pendek, dinamakan

pendek, dinamakan gaya inti (atau kuat) gaya inti (atau kuat)

Gaya ini merupakan

Gaya ini merupakan gaya tarikgaya tarik yang bekerja pada semua partikel intiyang bekerja pada semua partikel inti Gaya tarik inti lebih kuat dari pada gaya tolak Coulomb pada jarak dekat Gaya tarik inti lebih kuat dari pada gaya tolak Coulomb pada jarak dekat dalam inti

(32)

Grafik Kesetabilan Inti

Inti ringan stabil jika

Inti ringan stabil jika N = ZN = Z

Inti berat sangat stabil ketika

Inti berat sangat stabil ketika N > ZN > Z

Semakin besar jumlah proton, gaya Semakin besar jumlah proton, gaya tolak Coulomb semakin besar

tolak Coulomb semakin besar akibatnya diperlukan lebih banyak akibatnya diperlukan lebih banyak nukleon agar inti tetap stabil

nukleon agar inti tetap stabil nukleon agar inti tetap stabil nukleon agar inti tetap stabil

Tidak ada inti stabil ketika

(33)

Isotop

Inti dari berbagai atom dapat memiliki jumlah proton yang

sama

Meskipun memiliki jumlah neutron yang bervariasi

Isotope

Isotope adalah sebuah unsur yang memiliki Z sama tetapi nilai N dan adalah sebuah unsur yang memiliki Z sama tetapi nilai N dan

Isotope

Isotope adalah sebuah unsur yang memiliki Z sama tetapi nilai N dan adalah sebuah unsur yang memiliki Z sama tetapi nilai N dan A berbeda

A berbeda

Contoh: Contoh:

C

11

6 C

14

6 C

13

6 C

(34)

(35)

Radioaktivtas; Sejarah

1896

1896: : BecquerelBecquerel secara tak sengaja menemukan secara tak sengaja menemukan kristal uranilkristal uranil mengemisikan mengemisikan radiasi pada plat fotoe.

radiasi pada plat fotoe.

1898

1898:: Marie and Pierre Marie and Pierre CurieCurie menemukan menemukan poloniumpolonium (Z=84) dan (Z=84) dan radiumradium (Z = 88), (Z = 88), Dua unsur baru radioaktif

Dua unsur baru radioaktif

1903

1903:: BecquerelBecquerel and the and the Curie’sCurie’s menerima menerima Nobel prizeNobel prize fisika dalam hal fisika dalam hal

1903

1903:: BecquerelBecquerel and the and the Curie’sCurie’s menerima menerima Nobel prizeNobel prize fisika dalam hal fisika dalam hal mempelajari radioaktivitas.

mempelajari radioaktivitas.

1911

1911:: Marie Marie CurieCurie menerima menerima Nobel prizeNobel prize (kedua) kimia untuk penemuan (kedua) kimia untuk penemuan polonium dan radium.

polonium dan radium.

1938

1938:: Hahn (1944 Nobel prize) and StrassmannHahn (1944 Nobel prize) and Strassmann menemukan menemukan fissi intifissi inti -- Lisa Lisa Meitner memerankan peranan penting

Meitner memerankan peranan penting

1938

1938: : Enrico Enrico FermiFermi menerima menerima Nobel prizeNobel prize fisika dalam hal memproduksi unsur fisika dalam hal memproduksi unsur radioaktif baru melalui irradiation neutron, dan bekerja dengan reaksi inti

(36)

Radioaktivtas

Radioaktivitas

adalah emisi radiasi secara spontan

Eksperimen menunjukkan bahwa radioaktivitas

merupakan hasil peluruhan atau desintegrasi inti yang

tidak stabil

Tiga jenis radiasi yang dapat diemisikan

Partikel Alpha Partikel Alpha

Merupakan inti

Merupakan inti 44_He_He

Partikel Beta Partikel Beta

Partikel dapat berupa elektron atau positron Partikel dapat berupa elektron atau positron

Sebuah positron adalah

Sebuah positron adalah antipartikelantipartikel dari elektrondari elektron Sama seperti elektron kecuai muatannya +e Sama seperti elektron kecuai muatannya +e

Sinar Gamma Sinar Gamma

(37)

Perbedaan Jenis Radiasi

Jenis Radiasi Muatan/Massa

alfa α = Inti He (2p + 2n) +2q/4m_p

(38)

α

β

γ

Kemampuan Daya Tembus

α

β

(39)

Bahaya Radioaktif

Bahaya Radioaktif –

– Diluar Tubuh

Diluar Tubuh

Alpha

Gamma Gamma

Beta

ββββ

γγγγ

(40)

αααα

Beta Alpha

Bahaya Radioaktif

Bahaya Radioaktif –

– Didalam Tubuh

Didalam Tubuh

β

dan

γ

kurang berbahaya

dibanding

αααα

karena memiliki

energi yang cukup untuk keluar

dari tubuh

(41)

Proses Radiasi

Proses Radiasi: Peluruhan Alpha

: Peluruhan Alpha

Inti

Inti IndukInduk meluruh menjadi meluruh menjadi inti anakinti anak plus sebuah partikel plus sebuah partikel alphaalpha

Sebelum

Sesudah

αααα

induk

anak

226

88

Ra

222

86

Rn

Terjadi karena inti terlalu besar, peluruhan alfa dapat mereduksi ukuran inti Terjadi karena inti terlalu besar, peluruhan alfa dapat mereduksi ukuran inti

Energi disintegrasi Q

Energi disintegrasi Q muncul sebagai energi kinetikmuncul sebagai energi kinetik (= energi ikat negatif)

(= energi ikat negatif)

Partikel

Partikel αα paling ringan membawa energi kinetik paling besarpaling ringan membawa energi kinetik paling besar Mengapa? Kekekalan momentum!

Mengapa? Kekekalan momentum!

(42)

Proses Radiasi

Proses Radiasi:

:

Peluruhan

ββ

–

(Emissi e

–

))

Inti

Inti IndukInduk meluruh menjadi meluruh menjadi inti anakinti anak plus plus

elektron

dan dan

anti

anti--neutrino

neutrino

Anti

Anti--neutrinoneutrino adalah partikel ke 3 yang menjelaskan range energi kinetik adalah partikel ke 3 yang menjelaskan range energi kinetik elektron

elektron

Jika atom (Z) memiliki massa lebih besar dari pada atom

tetangganya (Z+1), maka peluruhan

ββ

––

_{mungkin terjadi}

tetangganya (Z+1), maka peluruhan

ββ

––

_{mungkin terjadi}

Neutron bebas

Neutron bebas dapat meluruh menjadi sebuah proton

dapat meluruh menjadi sebuah proton..

tt_1/2_1/2 = 10.8 menit, Q = 939.57 = 10.8 menit, Q = 939.57 –– (938.28 + 0.511) = 0.78 MeV(938.28 + 0.511) = 0.78 MeV

( )

(

)

2

1

*electron mass included in daughter nucleus

(43)

Proses Radiasi

Peluruhan ββ dari dari 1414_{C digunakan untuk}_{C digunakan untuk}

menentukan umur suatu bahan organik menentukan umur suatu bahan organik

14

14_C_C→→ 1414_{N + e}_{N + e}–– ₊₊νν e e

Ketika

Ketika organisme hiduporganisme hidup, sinar cosmic , sinar cosmic menghasilkan

menghasilkan 1414_C_C _{di atmosfir yang memberikan}_{di atmosfir yang memberikan}

nilai perbandingan

nilai perbandingan 1414_C/_C/1212_{C konstan dalam gas}_{C konstan dalam gas}

CO

Ketika organisme tsb meninggalorganisme tsb meninggal, , 1414_{C tidak lagi}_{C tidak lagi}

diabsorpsi, akibatnya nilai perbandinagn

diabsorpsi, akibatnya nilai perbandinagn 1414_C/_C/1212_C_C

menu

menurunrun terhadap waktuterhadap waktu

Waktu paruh t

Waktu paruh t_1/2_1/2 dari dari 1414_{C = 5760 tahun}_{C = 5760 tahun}

Pengukuran umur dari bahan dengan mencari Pengukuran umur dari bahan dengan mencari aktivitas per satuan massa dari

aktivitas per satuan massa dari 1414_C_C

Sangat efektif untuk

Sangat efektif untuk 1,000 sampai 25,0001,000 sampai 25,000 tahun tahun lalu

(44)

Proses Radiasi

Proses Radiasi:

:

Peluruhan

ββ

+

(Emisi Positron)

Inti

Inti Induk

Induk

meluruh menjadi

inti anak

plus

positron

dan

neutrino

..

Proton bebas

Proton bebas tidak dapat meluruh menjadi sebuah neutron

tidak dapat meluruh menjadi sebuah neutron

melalui emisi positron

Neutron bebas meluruh menjad sebuah proton Neutron bebas meluruh menjad sebuah proton Neutron bebas meluruh menjad sebuah proton Neutron bebas meluruh menjad sebuah proton

Proton terikat

Proton terikat dalam inti kadang

dalam inti kadang--kadang dapat mengemisikan

kadang dapat mengemisikan

sebuah positron karena efek energi ikat inti

( )

(

)

2

1

*explicitly add electron/positron masses

(45)

Proses Radiasi

Proses Radiasi:

:

Penangkapan Elektron

Inti induk

menangkap

elektron

dari orbitalnya sendiri dan

mengubah sebuah proton inti menjadi sebuah neutron

Jika atom (Z) memiliki massa yang lebih besar dari

tetangganya, maka penangkapan elektron memungkinkan

terjadi

Catatan: Jika perbedaan massa antara atom (Z) dan tetangganya (Z

Catatan: Jika perbedaan massa antara atom (Z) dan tetangganya (Z––1) 1) lebih besar dari 2m

lebih besar dari 2m_e_e, maka peluruhan positron juga mungkin terjadi , maka peluruhan positron juga mungkin terjadi

( )

(

)

2

1

*added electrons on both sides cancel

(46)

Proses Radiasi

Proses Radiasi: Peluruhan Gama

: Peluruhan Gama

Dalam peluruhan gama, sebuah Dalam peluruhan gama, sebuah keadaan tereksitasi inti meluruh ke keadaan tereksitasi inti meluruh ke sebuah keadaa yang energinya lebih sebuah keadaa yang energinya lebih rendah melalui

rendah melalui emisi fotonemisi foton

Transisi inti seperti ini

Transisi inti seperti ini analog dengan analog dengan transisi atom

transisi atom, tetapi dengan energi foton , tetapi dengan energi foton yang lebih tinggi

yang lebih tinggi yang lebih tinggi yang lebih tinggi

λλ = 1240 eV nm / Mev = = 1240 eV nm / Mev = 1010––33 _nm_nm_..

Emisi sinar

Emisi sinar γ γ biasanya mengikuti biasanya mengikuti

peluruhan beta atau alfa (lihat gambar) peluruhan beta atau alfa (lihat gambar)

Waktu hidup rata

Waktu hidup rata--ratanya sangat singkatratanya sangat singkat

(47)

Proses Radiasi

Proses Radiasi: Radioaktif Alam

: Radioaktif Alam

Tiga deret

Tiga deret inti radioaktif terjadi secara alami inti radioaktif terjadi secara alami

Dimuali dengan isotop radioaktif (U, Th) dan berakhir pada isotop Dimuali dengan isotop radioaktif (U, Th) dan berakhir pada isotop PbPb..

Deret keempat dimualai dengan sebuah unsur yang tidak ditemukan di alam Deret keempat dimualai dengan sebuah unsur yang tidak ditemukan di alam ((237237_Np)._Np).

Isotop radioaktif lain yang meluruh secara alami

(48)

Deret Peluruhan

232

232 _Th

_Th

Deret dimulai dari Deret dimulai dari

232 232_Th_Th

Prosesnya melalui Prosesnya melalui peluruhan alfa dan peluruhan alfa dan beta

beta

Berakhir pada Berakhir pada Berakhir pada Berakhir pada isotop stabil

(49)

Kurva Peluruhan

Kurva Peluruhan memenuhi Kurva Peluruhan memenuhi persamaan

persamaan

Waktu paruh juga merupakan Waktu paruh juga merupakan

0

t

N

=

N e

−λ

Waktu paruh juga merupakan Waktu paruh juga merupakan parameter yang penting

parameter yang penting

Waktu paruh definisikan Waktu paruh definisikan sebagai waktu yang

sebagai waktu yang

dibutuhkan inti sehingga dibutuhkan inti sehingga jumlahnya menjadi

(50)

QUICK QUIZ

What fraction of a radioactive sample has decayed after two half-lives have elapsed?

(a) 1/4 (b) 1/2 (c) 3/4

(d) not enough information to say (d) not enough information to say

(c). At the end of the first half-life interval, half of the original sample has decayed and half remains. During the second half-life interval, half of the remaining portion of the sample decays. The total fraction of the

sample that has decayed during the two half-lives is:

₁

_{1 1}

₃

2 2 2

4  

+

 

=

(51)

Karakteristik Sinar

Karakteristik Sinar--X

X

Ketika sebuah logam Ketika sebuah logam ditembaki oleh elektron ditembaki oleh elektron –– elektron berenergi tinggi, elektron berenergi tinggi, sinar

sinar--x diemisikanx diemisikan

Spektrum sinar

Spektrum sinar--x terdiri dari x terdiri dari Spektrum sinar

Spektrum sinar--x terdiri dari x terdiri dari spektrum kontinu yang lebar spektrum kontinu yang lebar dan

dan deretan garis tajamderetan garis tajam

Garis

Garis--garis yang muncul garis yang muncul bergantung pada logam bergantung pada logam Garis

Garis--garis tersebut garis tersebut dinamakan

dinamakan karakteristik karakteristik sinar

(52)

Penjelasan Karakteristik Sinar

Penjelasan Karakteristik Sinar--X

X

Tinjauan struktur atom lebih detil dapat digunakan untuk

menjelaskan karakteristik sinar

menjelaskan karakteristik sinar--x

x

Elektron penembak menumbuk elektron dalam logam target Elektron penembak menumbuk elektron dalam logam target yang berada di kulit dalam

yang berada di kulit dalam

Jika energinya cukup, elektron akan dipindahkan dari atom Jika energinya cukup, elektron akan dipindahkan dari atom Jika energinya cukup, elektron akan dipindahkan dari atom Jika energinya cukup, elektron akan dipindahkan dari atom target

target

Kekosongan yang tercipta akibat elektron yang hilang diisi oleh Kekosongan yang tercipta akibat elektron yang hilang diisi oleh elektron yang berasal dari tingkat energi lebih tinggi

elektron yang berasal dari tingkat energi lebih tinggi

Proses transisi yang terjadi disertai emisi foton yang energinya Proses transisi yang terjadi disertai emisi foton yang energinya sama dengan perbedaan dua tingkat enrgi tersebut

(53)

Reaksi Inti

Struktur inti dapat berubah oleh penembakan dengan

partikel yang energetik

Perubahannya dinamakan

Perubahannya dinamakan reaksi intireaksi inti

Sama seperti paluruhan inti, nomor atom dan nomor

massa harus sama dikedua ruas persamaan

(54)

Problem

Which of the following are possible reactions?

(55)

Nilai Q

Energi juga harus kekal dalam reaksi inti

Energi yang dibutuhkan untuk menyeimbangkan sebuah

reaksi inti dinamakan nilai

Q dari reaksi

Reaksi

Reaksi exothermicexothermic

Reaksi

Reaksi exothermicexothermic

Terjadi pengurangan massa dalam reaksi Terjadi pengurangan massa dalam reaksi Terjadi pelepasan energi

Terjadi pelepasan energi

Q is positive Q is positive

Reaksi

Reaksi endothermicendothermic

Terjadi peningkatan massa dalam reaksi Terjadi peningkatan massa dalam reaksi

Energi dibutuhkan, dalam bentuk energi kinetik partikel penumbuk Energi dibutuhkan, dalam bentuk energi kinetik partikel penumbuk

(56)

Energi Ambang

Agar momentum dan energi kekal, patikel penumbuk harus memiliki Agar momentum dan energi kekal, patikel penumbuk harus memiliki energi kinetik minimum, dinamakan aanergi ambang

energi kinetik minimum, dinamakan aanergi ambang

Q

M

m

1 KE

_min













+

=

m : massa partikel penumbuk m : massa partikel penumbuk M : Massa partikel target

M : Massa partikel target

Jika energi partikel penumbuk kurang dari ini, reaksi tidak dapat Jika energi partikel penumbuk kurang dari ini, reaksi tidak dapat terjadi

(57)

(58)

Fisi

Fisi::

Neutron menumbuk

Neutron menumbuk inti inti 235235_U_U _{untuk membentuk keadaan tereksitasi}_{untuk membentuk keadaan tereksitasi}

yang meluruh menjadi dua inti yang lebih ringan (plus neutrons) plus yang meluruh menjadi dua inti yang lebih ringan (plus neutrons) plus ENERGY!

ENERGY! Contoh:

Contoh: 235235_U_U ₊₊_n_n →→ 9292_{Kr +}_{Kr +}142142_{Ba +}_{Ba +}_2n_2n ₊_{+ 180 MeV}_{180 MeV}

((238238_{U tidak berfisi!)}_{U tidak berfisi!)}

235_{U tidak akan}

berfisi tanpa ditumbuk oleh

(59)

Fisi

Fisi: Reaksi Berantai

: Reaksi Berantai

Menggunakan neutron

Menggunakan neutron daridari proses fisi untuk menginisiasi proses fisi proses fisi untuk menginisiasi proses fisi yang lain!

yang lain!

1942

1942: Fermi membuat reaktor fisi inti yang pertama yang dapat dikontrol: Fermi membuat reaktor fisi inti yang pertama yang dapat dikontrol

Untuk

Untuk bom nuklirbom nuklir, , memerlukan

memerlukan lebih dari lebih dari satu

satu neutron dari peristiwa neutron dari peristiwa fisi pertama yang

fisi pertama yang

menyebabkan peristiwa menyebabkan peristiwa menyebabkan peristiwa menyebabkan peristiwa kedua (1 g U dapat

kedua (1 g U dapat

melepaskan energi sama melepaskan energi sama dengan sekitar 20000 ton dengan sekitar 20000 ton TNT)

TNT)

Untuk

Untuk Pembangkit daya Pembangkit daya nuklir

nuklir, memerlukan , memerlukan kurang kurang dari satu

dari satu neutron yang neutron yang menyebabkan peristiwa menyebabkan peristiwa kedua

(60)

QUICK QUIZ

In the first atomic bomb, the energy released was equivalent to

about 30 kilotons of TNT, where a ton of TNT releases an energy of 4.0 × 109 _{J. The amount of mass converted into energy in this event}

(61)

Reaktor Nuklir

Sebuah

Sebuah reaktor nuklir reaktor nuklir adalah sebuah sistem yang didisain untuk adalah sebuah sistem yang didisain untuk terjadinya reaksi berantai yang terkendali

terjadinya reaksi berantai yang terkendali

Konstanta Reproduksi

Konstanta Reproduksi K, didefinisikan sebagai jumlah rataK, didefinisikan sebagai jumlah rata--rata rata

neutron dari tiap peristiwa fisi yang akan menyebabkan peristiwa fisi neutron dari tiap peristiwa fisi yang akan menyebabkan peristiwa fisi lain

lain

Nilai maksimum K dari uranium fisi adalah 2.5 Nilai maksimum K dari uranium fisi adalah 2.5

Dalam kenyataan, K lebih kecil dari nilai ini Dalam kenyataan, K lebih kecil dari nilai ini

(62)

Desain Dasar Reaktor

Elemen

Elemen bahan bakarbahan bakar terdiri atas terdiri atas uranium

uranium

Material moderator

Material moderator (air dan grafit) (air dan grafit) digunakan untuk memperlambat digunakan untuk memperlambat neutron

neutron

Batang kendali

Batang kendali digunakan untuk digunakan untuk mengabsorpsi neutron

mengabsorpsi neutron mengabsorpsi neutron mengabsorpsi neutron

Ketika K = 1, reaktor dikatakan Ketika K = 1, reaktor dikatakan

kritis kritis

Reaksi berantai terkendali Reaksi berantai terkendali

Ketika K < 1, reaktor dikatakan Ketika K < 1, reaktor dikatakan

subkritis subkritis

Reaksi berhenti Reaksi berhenti

Ketika K > 1, reaktor dikatakan Ketika K > 1, reaktor dikatakan

superkritis superkritis

(63)

Energi Termonuklir (Fusi Inti)

Reaksi eksotermik dasar dalam bintang (merupakan sumber dari hampir Reaksi eksotermik dasar dalam bintang (merupakan sumber dari hampir semua energi dalam semesta) adalah

semua energi dalam semesta) adalah fusi inti hidrogen fusi inti hidrogen menjadimenjadi inti inti helium

helium

Terjadi dua deretan proses: Terjadi dua deretan proses:

Siklus

Siklus protonproton--proton,proton,

merupakan tumbukan langsung proton

merupakan tumbukan langsung proton--proton menghasilkan inti lebih berat yang proton menghasilkan inti lebih berat yang diikuit dengan tumbukan antara inti

diikuit dengan tumbukan antara inti--inti itu sehingga menghasilkan inti heliuminti itu sehingga menghasilkan inti helium

Siklus

Siklus karbon,karbon,

merupakan sederetan proses dimana inti karbon menyerap proton berturut

merupakan sederetan proses dimana inti karbon menyerap proton berturut--turut turut merupakan sederetan proses dimana inti karbon menyerap proton berturut

(64)

Reaksi fusi yang dapat berlangsung sendiri hanya dapat terjadi pada Reaksi fusi yang dapat berlangsung sendiri hanya dapat terjadi pada kondisi temperatur dan tekanan yang sangat tinggi,

kondisi temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, agar inti yang ikut dalam agar inti yang ikut dalam proses tsb mempunyai energi cukup

proses tsb mempunyai energi cukup untuk berreaksi walaupun dicegah oleh untuk berreaksi walaupun dicegah oleh gaya tolak listrik, dan reaksinya terjadi cukup kerap untuk mengimbangi

gaya tolak listrik, dan reaksinya terjadi cukup kerap untuk mengimbangi pelepasan energi ke sekelilingnya.

pelepasan energi ke sekelilingnya.

Energi yang dilepas

Energi yang dilepas ketika terjadi fusi inti ringan menjadi inti berat disebut ketika terjadi fusi inti ringan menjadi inti berat disebut

energi termonuklir energi termonuklir