Bab 8 Fisika Inti dan Radioaktivitas 8.1
Pendahuluan
Sejauh ini inti atom dapat dianggap sebagai partikel yang memiliki massa dan bermuatan positif. Sifat utama dari atom, molekul dan zat padat semuanya dapat dilihat dari perilaku elektron atomnya. Struktur elektron suatu atom sudah dipahami sebelum komposisi inti atom diketahui, karena gaya yang mengikat inti bersama jauh lebih kuat daripada gaya listrik yang mengikat elektron sehingga inti atom lebih sulit dipahami untuk mengetahui apa yang ada didalamnya. Perubahan struktur elektron suatu atom yang terjadi ketika ikatan kimiawi pecah menyangkut energi yang besarnya beberapa elektron volt (eV) tetapi perubahan struktur inti menyangkut energi yang besarnya MeV, sejuta kali lebih besar.
Satuan massa atom (sma = u) Massa suatu atom mengacu pada suatu atom netral, bukan pada intinya saja. Jadi yang termasuk dalam massa suatu atom adalah massa inti, massa elektron orbital, dan energi ikatnya.
1 sma adalah massa
1 12
atom karbon karbon 12 1 sma = 1 u = 1,6604 x 10–27 kg 931,48 MeV
(E = m c2)
Isotop Atom – atom yang memiliki nomor atom (Z) yang sama 1 2 3 Contoh : 1H 1H 1H Isoton Atom – atom yang memiliki jumlah massa yang sama 14 13 Contoh : 7N 6C Isobar Atom – atom yang memiliki nomor massa yang sama 14 14 Contoh ; 7N 6C
Muatan dan Massa penyusun atom Atom bersifat netral. Elektron bergerak mengelilingi inti atom dengan kecepatan tertentu. Inti atom terdiri dari proton dan neutron yang dikenal dengan nama nukleon (unsur penyusun inti). Elektron ditemukan oleh J.J Thomson sedangkan muatannya oleh R.A Milikan. Proton ditemukan oleh Goldstein dan neutron ditemukan oleh James Chadwick (teman Rutherford) yang meraih Nobel tahun 1935.
Nama Elektron Proton Neutron
simbol
Massa (kg)
-e p n
simbol unsur/nuklida
Massa (sma)
Muatan (C)
1.0073 1.0087
–1,6 x 10– 19 + 1,6 x 10– 19 0
– 31
9,11 x 10 1,6725 x 10– 27 1,6748 x 10– 27 A Z X
X = nama unsur A = nomor massa = jumlah proton dan neutron Z = nomor atom = jumlah proton
8.1.1 Kestabilan Inti Tidak setiap gabungan neutron dan proton membentuk inti yang stabil. Pada umumnya inti ringan (A < 20) mengandung jumlah neutron dan proton yang hampir sama, sedangkan inti berat proporsi neutron bertambah besar. Jumlah neutron cenderung lebih banyak dibandingkan dengan jumlah proton, ini karena gaya tolak antar proton akan menjadi besar untuk inti yang mengandung 10 proton atau lebih dibandingkan dengan gaya tarik (gaya inti) antar nukleon untuk mencapai kestabilan inti. 11 5B
lebih stabil dibandingkan dengan
Jumlah neutron Inti tak stabil Inti stabil
50 40 30 20 10
Jumlah proton 10
20
30
40
50
11 6C
Titik – titik yang menggambarkan isotop stabil menentukan suatu daerah kestabilan yang agak sempit. Untuk bilangan – bilangan massa yang rendah didapatkan NZ 1 . Perbandingan ini akan bertambah besar dan akan kira – kira mencapai 1,6 untuk bilangan massa yang besar. Kestabilan inti dapat dipahami berdasarkan sifat alam gaya tarik nuklir dan gaya tolak Coulomb. Sebuah inti dengan terlalu banyak neutron akan menjadi tidak stabil sebab tidak cukup bagi mereka untuk dipasangkan dengan proton – proton. Sebaliknya inti dengan terlalu banyak proton akan menghasilkan terlalu banyak gaya tolak dibandingkan dengan gaya tarik nuklir untuk menjadi stabil. Tidak ada inti dengan nomor massa yang lebih besar dari 209 yang stabil. Gaya inti (nuklir) memiliki jangkauan yang terbatas dan terjadi hanya antar nukleon tetangganya. Gaya tolak Coulomb dari proton menjangkau seluruh proton dalam inti, maka terdapat batas kemampuan neutron untuk mencegah terpecahnya inti atom. Batas ini dinyatakan dengan isotop Bismuth 209 83 Bi . Semua inti atom dengan Z > 83 dan A > 209 bertransformasi spontan menjadi inti lebih ringan melalui pemancaran sebuah atau lebih partikel alfa yang merupakan inti
4 2 He
.
Peluruhan alfa Peluruhan alfa terjadi karena di dalam inti terlalu banyak nukleon, sehingga untuk membentuk kestabilan inti atom, dua proton dan dua neutron dilepaskan dari inti induk dan sinar alfa yang sama dengan inti Helium dipancarkan keluar. A A 2 4 Peluruhan alfa + Z X Z 2Y 2 He
Karena partikel alfa terdiri dua proton dan dua neutron peluruhan alfa mereduksi Z dan N dari inti induk. Jika inti anak yang dihasilkan memiliki rasio neutron/proton yang terlalu besar atau terlalu kecil, inti itu dapat meluruh lagi ke konfigurasi yang lebih memadai.
Peluruhan beta Untuk mencapai kestabilan inti karena kandungan neutron terlalu banyak maka sebuah neutron berubah menjadi proton disertai pelepasan sinar yang bermuatan negatif yang dikenal dengan sinar beta. Dalam peluruhan beta negatif, neutron bertransformasi menjadi proton dan elektron. Elektron yang meninggalkan inti teramati sebagai partikel beta. 1 1 0 Peluruhan beta + 1 e 0n 1p
Peluruhan gamma Setelah inti meluruh menjadi inti baru biasanya terdapat energi kelebihan pada ikatan intinya sehingga seringkali disebut inti dalam keadaan tereksitasi. Inti yang kelebihan energinya ini biasanya akan melepaskan energinya dalam bentuk sinar gamma yang dikenal dengan peluruhan gamma, sinarnya ini adalah foton dan termasuk ke dalam gelombang elektromagnetik yang mempunyai energi yang sangat besar melebihi sinar X. A * A 0 Peluruhan gamma + Z X Z X 0γ
Selain peluruhan di atas sebagai cara suatu inti atom membentuk kestabilan dikenal juga peristiwa sebagai berikut : Dalam pemancaran positron proton bertransformasi menjadi neutron dan positron (positif elektron)
Pemancaran positron
1 1p
1 0n
+
0 1 e
Suatu proses yang berlawanan dengan pemancaran positron adalah penangkapan elektron kulit terdalam oleh inti atom. Elektron yang diserap oleh proton bertransformasi menjadi neutron. 0 1 Penangkapan elektron 11 p + 1 e 0n
8.1.2 Ukuran dan bentuk inti atom Dari eksperimen Rutherford didapatkan bahwa inti atom mempunyai ukuran berhingga. Dengan eksperimen untuk menentukan inti atom ternyata didapatkan bahwa volume sebuah inti berbanding lurus dengan banyaknya nukleon yang dikandungnya. V 43 R 3 A Jari – jari inti
1
R Ro A 3 1
R 1,2 A 3
Ro 1,2 x 10–15 m = 1,2 fm = 1,2 fermi fermi
8.1.3 Energi ikat dan Gaya inti Energi ikat sebuah inti adalah energi yang diperlukan untuk memecahkan sebuah inti menjadi proton dan neutron. unsur ZA X Energi ikat =
zm p A z mn m c 2
= massa defect x 931 MeV Energi ikat per nukleon adalah energi ikat inti dibagi dengan jumlah nukelonnya. Semakin besar energi 56 ikat pernukleonnya maka inti akan semakin stabil. Inti 26 Fe yaitu isotop besi mempunyai energi ikat pernukleon sebesar 8,8 MeV/nukleon adalah inti yang paling stabil. Pembelahan inti berat yang disebut fissi nuklir melibatkan ratusan juta kali energi per atom lebih besar dibandingkan pembakaran batu bara atau minyak. Penggabungan dua buah inti ringan yang menghasilkan inti sedang fusi nuklir juga menimbulkan energi ikat pernukleon dalam inti berkurang juga sangat efektif untuk memperoleh energi. Reaksi fusi merupakan sumber energi utama dari matahari dan bintang. Gaya inti adalah gaya terkuat yang dikenal dan berjangkauan pendek yang mengikat nukleon sampai berjarak 3 fm. Gaya inti ini 100 kali lebih kuat daripada gaya tolak listrik antar proton. Interaksi antara proton – proton, proton – neutron, neutron – neutron adalah identik.
Teori Meson Gaya Nuklir Dalam ikatan kimia terlihat bahwa sebuah molekul saling mengikat dengan pertukaran elektron antara atom komponennya. Apakah mungkin mekanisme yang serupa bekerja dalam inti dengan nukleon komponen saling mengikat dengan pertukaran sejenis partikel antara nukleon itu ? Pendekatan pertama dilakukan oleh Heisenberg yang mengusulkan bahwa elektron dan positron bolak balik antar nukleon. Sebuah netron memancarkan elektron dan menjadi proton dan proton dapat menyerap elektron dan menjadi neutron. Pendekatan ini tidak tepat karena ternyata gaya yang dihasilkan dalam pertukaran elektron dan positron terlalu kecil untuk berperan dalam struktur nuklir. Pendekatan Hideki Yukawa (1935) menyatakan bahwa terdapat partikel pion (+, –, o) dengan besar massa antara elektron dan nukleon yang bertanggung jawan atas adanya gaya nuklir. Partikel ini adalah anggota kelas patikel elementer yang secara kolektif disebut meson. Pion adalah singkatan dari meson.
8.2
Radioaktivitas
Penemuan Radioaktivitas Tahun 1895 Roentgen mendeteksi sinar X dengan fluoresensi yang ditimbulkannya dalam bahan tertentu. Ketika Henry Becquerel (ahli fluoresensi dan fosforesensi) mempelajari hal kebalikannya (1896) secara tidak sengaja menemukan bahwa garam uranium dapat menghitamkan pelat foto walaupun tidak diberi sinar terlebih dahulu. Jadi bahan itu memancarkan sinar dengan sendirinya. Beberapa waktu kemudian Marie Curie dari Polandia menemukan unsur lain yang juga bahan radioaktif yakni Polonium dan Radium yang ternyata 1000 x lebih aktif dari uranium.
Rutherford membedakan tiga komponen dalam radiasi radionuklide yaitu partikel alfa, partikel beta dan sinar gamma seperti pada gambar.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
radium
x
x
x
Aktifitas radioaktif Laju perubahan inti atom pembentuknya. dN A N kejadian/s = Becqurel dt 1 becquerel = 1 Bq = kejadian/s 1 curie = 1 ci = 3,7 x 1010 Bq 1 curie hampir sama dengan aktivitas 1 gram Radium (ditemukan Marie curie) Contoh peluruhan radioaktif 238 U 234Th
Th
234
Pa
234
U
atau
238
atau
234
Th
234
Th
234
Pa
Dari hasil pengukuran aktivitas radioaktif menunjukkan bahwa aktivitas radioaktif menurun secara eksponensial terhadap waktu A Ao e t = konstanta peluruhan (peluang terjadinya peluruhan)
B
dN N dt dN dt N No
N
t
dN dt N 0
ln N ln N o t N No
ln
t
N Noe t A = aktivitas radioaktif (Bq) N = jumlah inti sisa yang belum meluruh (inti) No = jumlah inti mula – mula (inti) Waktu Paruh = T = T½ Waktu yang dibutuhkan suatu bahan radioaktif sehingga aktifitas atau jumlah inti/partikel menjadi setengah dari semula.
A Ao e t 1 2
Ao Ao e T
1 2
e T
T
ln 2 0,693 sehingga t
A Ao
12 T
t
dan
N No
12 T
Penentuan Umur Radiometrik Dengan menggunakan metode peluruhan radioaktif memungkinkan penentuan umur batuan dan benda yang mempunyai asal biologis. Karena peluruhan radioaktif berlangsung dengan laju tetap dan tak bergantung kondisi luar maka rasio antara jumlah nuklide dan nuklide anak stabil dalam benda yang diselidiki akan menunjukkan umurnya. Sinar kosmik merupakan inti atomik berenergi tinggi terutama terdiri dari proton yang bergerak menembus galaksi kita kira – kira 1018 diantaranya sampai ke bumi tiap detik. Ketika memasuki atmosfer bumi menumbuk inti atom sehingga menimbulkan hujan partikel sekunder. Diantaranya neutron yang dapat bereaksi terhadap inti hidrogen dalam atmosfer dan membentuk radiokarbon dengan pemancaran proton. 14 7N
+
Sesaat setelah dihasilkan atom
1 0n 14 6C
14 6C
+
1 1H
menempel pada molekul oksigen dan membentuk CO2 radioaktif.
Tanaman hijau mengambil CO2 supaya tetap hidup sehingga setiap tanaman mengandung karbon radioaktif. Binatang makan tanaman sehingga binatangpun menjadi radioaktif. Setelah mati binatang tidak menyerap radiokarbon dan radiokarbon yang dikandungnya terus meluruh menjadi 14N. Setelah 5600 tahun benda ini memiliki setengah jumlah radiokarbon asal. Dengan mengetahui radiokarbonnya umur suatu benda dapat ditentukan. Kebanyakan batuan purba umurnya ditentukan dari yang didapatkan pada tanaman hijau dan dipercaya berumur 3,8 bilyun tahun yang lalu. Deret Radioaktif Kebanyakan unsur radioaktif yang ada di alam adalah anggota dari empat deret radioaktif. Penyebab terdapat empat deret adalah peluruhan alfa mereduksi nomor massa sebuah inti dengan 4.
Deret Thorium A = 4n
1. 148
N
148
232
Th
144
N
237
Np
233
144
Pa 233
U
228
Ra
140
140
228
Ac
138
Th
224
Ra
229
Th
138
228
136
225
Ra
Ra
Fr
134 217
Po
212
130
Pb
At
132 Po
208
Tl 208
Pb
128
126
124 Z
80 82 84 86 88 90 92
Deret Uranium A = 4n + 2 N
238
U 234Th
144
Pa U
209
Bi
Rn
Po
Pb Bi 214
Po
128
231
Tl
231
Pa
Ac
210
Bi
124
206
Pb 80 82 84 86 88 90 92
Z
122
227
Th
223
Fr 223
Ra
219
Rn
215
Po
211
Pb
126
Pb
124
U
130
214
210
235
132
214
Tl
N
134
218
210
Deret Actinium A = 4n + 3
136
222
132
4.
Z
227
Ra
134
80 82 84 86 88 90 92
138
226
136
122
Pb
140
234
Th
138
126
209
144
234
230
128
Po
122
148
140
130
213
Tl
124
3.
148
Bi
209
212
122
213
130
212
Bi
126
Ac
221
216
132
225
136
220
134
128
Deret Neptunium A = 4n + 1
2.
211
Bi 211
Po
207
Tl
207
Pb 80 82 84 86 88 90 92
Z
