Fisika Umum (MA 301) Topik hari ini Fisika Atom & Inti
8/14/2007
Fisika Atom
Model Awal Atom Model atom J.J. Thomson
Bola bermuatan positif Muatan-muatan negatif (elektron) yang sama banyak-nya menempel pada bola tersebut
Model “watermelon”
Uji Eksperimental Harapan: 1. Sebagian besar terhambur dengan sudut kecil 2. Tidak terjadi hamburan yang terpantul Hasil: 1. Terhambur dengan sudut kecil dan besar 2. Terjadi hamburan yang terpantul!!!
Uji Eksperimental Lapisan tipis emas
● Berkas partikel alfa
● ● ● ●
● ● ● ● ●
Model Atom Model Rutherford
Model Planet Berdasarkan hasil eksperimen lapisan emas tipis yang ditumbuk berkas alfa Muatan positif terkonsentrasi di pusat atom, dinamakan nukleus Electron mengorbit nukleus seperti planet mengorbit matahari
Kelemahan Model Rutherford Atom mengemisi radiasi elektromagnetik dengan frekuensi karakteristik tertentu
Model Rutherford tidak bisa menjelaskan fenomena ini
Elektron Rutherford mengalami percepatan sentripetal sehingga meradiasikan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang sama
Ini berarti elektron akan kehilangan energi Radius elektron mengelilingi nukleus akan semakin mengecil Elektron akhirnya akan jatuh ke nukleus dengan lintasan spiral Tidak terjadi!!!
Spektrum Emisi Gas bertekanan rendah diberikan beda potensial (dieksitasi) Gas akan mengemisikan cahaya karakteristiknya Ketika cahaya hasil emisi dilewatkan pada spektrometer, deretan garis cahaya tampak teramati
Setiap garis memiliki panjang gelombang dan warna yang berbeda Deretan garis ini dinamakan spektrum emisi
Spektrum Emisi Hidrogen J. J. Balmer memformulaskan spektrum garis Hidrogen
1 1 1 = RH 2 − 2 λ n 2
RH adalah konstanta Rydberg RH = 1.0973732 x 107 m-1
n integer, n = 1, 2, 3, … Garis spektral berkaitan dengan nilai n tertentu
Dikenal dengan Deret Balmer Contoh garis spektral
n = 3, λ = 656.3 nm n = 4, λ = 486.1 nm
Teori Bohr Tentang Atom
Pada tahun 1913 Bohr memberikan penjelasan tentang spektrum atom Model atom yang diajukan menjelaskan mengapa atom stabil
Asumsi Bohr tentang Atom Elektron bergerak melingkar mengelilingi inti karena pengaruh gaya Coulomb
Gaya Coulomb menghasilkan percepatan senntripetal
Hanya orbit elektron tertentu yang stabil
Pada orbit-orbit ini atom tidak mengemisikan energi dalam bentuk radiasi elektromagneti Sehingga energi atom tetap dan mekanika klasik dapat digunakan untuk menjelaskan gerak elektron
Radiasi diemisikan oleh atom apabila “loncat” dari keadaan yang energinya lebih tinggi ke keadaan yang energinya lebih rendah
Proses “loncat” tidak dapat dijelaskan secara klasik
Ei − E f = hf
Asumsi Bohr Lanjutan Tentang elektron yang “loncat”:
Frekuensi yang diemisikan dalam proses “loncat” berkaitan dengan perubahan energi atom Secara umum, frekuensi yang diemisikan tidak sama dengan frekuensi elektron mengorbit
Ei − E f = hf
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
Gelombang de Broglie dalam Atom Hidrogen Dalam contoh ini, tiga panjang gelombang bersesuaian dengan keliling orbit Secara umum, keliling harus sama dengan bilangan integer kali panjang gelombang
2π r = nλ , λ = 1, 2,3,... h tapi λ = , sehingga me v
me vr = nh, n = 1, 2,3,...
Prinsip Korespondensi Bohr Prinsip Korrespondensi Bohr menyatakan bahwa mekanika kuantum cocok dengan fisika klasik ketika perbedaan energi antara tingkat- tingkat terkuantisasi sangat kecil
Serupa dengan Mekanika Newton yang merupakan kasus khusus dari Mekanika Relativistik ketika v << c
Sifat Atom Semua atom tersusun atas inti dan elektron yang mengorbit inti Nomor atom , Z, menyatakan jumlah proton dalam inti, pada atom netral, jumlah elektron sama dengan jumlah proton Nomor neutron , N, menyatakan jumlah neutron dalam inti Nomor massa , A, menyatakan jumlah nukleon dalam inti
A=Z+N Nukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun inti Nomor massa tidak sama dengan massa
Notasi Contoh:
A Z
X 27 13
Dimana X adalah simbol kimia dari unsur
Al
Nomor massa 27 Nomor atom 13 Terdiri dari 13 proton, 14 (27 – 13) neutron dan 13 elektron (atom netral)
Fisika Inti
Fisika Inti; Sejarah 1896 – Lahirnya fisika inti
Becquerel menemukan radioaktivitas dalam uranium
Rutherford menunjukkan tiga tipe radiasi
Alfa (Inti He) Beta (elektron) Gama (foton berenergi tinggi)
1911 Rutherford, Geiger dan Marsden melakukan eksperimen hamburan
Memperoleh informasi tentang muatan inti Gaya Nuklir merupakan gaya jenis baru
1919 Rutherford dan coworkers mengamati reaksi inti pertama kali 1932 Cockcroft dan Walton pertamakali menggunakan pemercepat proton untuk menghasilkan reaksi inti 1932 Chadwick menemukan neutron 1933 Curie menemukan radioaktif buatan 1938 Hahn dan Strassman menemukan fisi nuklir 1942 Fermi membuat reaktor fisi inti yang pertama yang dapat dikontrol
Atom
Mari kita lihat ada apa di dalamnya!
Inti Atom Bermuatan Positif, Apakah hanya ada Proton dalam Inti? Th 1930, W Bothe dan Becker menembaki berilium dg partikel alpha → ternyata ada pancaran radiasi netral yang bisa memukul keluar proton dg energi 5.7 MeV. Kayanya sinar gamma neh… tapi energi sinar gamm~55 MeV (ga mungkin…). Jadi radiasi netral itu apa sebenarnya? 1932 Chadwick mennyatakan pancaran radiasi netral = pancaran partikel neutral yang disebut (neutron) yang massanya~massa proton Sifat-sifat neutron Meluruh jika diluar inti, τ =15,5 menit mn=1,0086654u=1,6748.10-27 kg, mn>mp Spin ½ Bermuatan netral so,… inti atom terdiri dari proton dan neutron
Sifat Inti Semua inti tersusun atas proton dan neutron
Pengecualian inti atom hidrogen
Nomor atom , Z, menyatakan jumlah proton dalam inti Nomor neutron , N, menyatakan jumlah neutron dalam inti Nomor massa , A, menyatakan jumlah nukleon dalam inti
A=Z+N Nukleon adalah nama untuk proton dan neutron penyusun inti Nomor massa tidak sama dengan massa
Notation Contoh:
A Z
X 27 13
Dimana X adalah simbol kimia dari unsur
Al
Nomor massa 27 Nomor atom 13 Terdiri dari 13 proton dan 14 (27 – 13) neutron
Muatan dan massa Muatan: Elektron mempunyai muatan negatif tunggal, -e (e = 1.60217733 x 10-19 C) Proton mempunyai muatan positif tunggal, +e
Sehingga, muatan dari inti adalah Ze
Neutron tidak bermuatan
Membuatnya sulit dideteksi
Massa: Menggunakan atomic mass units, u, untuk menyatakan massa
1 u = 1.660559 x 10-27 kg Berdasarkan definisi bahwa massa satu C-12 adalah tepat 12 u
Massa juga dapat dinyatakan dalam MeV/c2
Dari ER = m c2 1 u = 931.494 MeV/c2
Ringkasan Massa Massa Partikel
kg
u
MeV/c2
Proton
1.6726 x 10-27
1.007276
938.28
Neutron
1.6750 x 10-27
1.008665
939.57
Electron
9.101 x 10-31
5.486x10-4
0.511
Quick problem: protons in your body What is the order of magnitude of the number of protons in your body? Of the number of neutrons? Of the number of electrons? Take your mass approximately equal to 70 kg. An iron nucleus (in hemoglobin) has a few more neutrons than protons, but in a typical water molecule there are eight neutrons and ten protons. So protons and neutrons are nearly equally numerous in your body, each contributing 35 kg out of a total body mass of 70 kg.
1 nucleon 28 N = 35kg ≈ 10 protons −27 1.67 ×10 kg Same amount of neutrons and electrons.
Ukuran Inti Diselidiki pertama kali oleh Rutherford pada percobaan hamburan Diperoleh pernyataan seberapa dekat partikel alfa bergerak mendekati inti sebelum berbalik arah karena gaya tolak Coulomb EK partikel diubah menjadi EP
2e )( Ze ) ( 1 2 q1q2 mv = ke = ke 2 r d
atau
4ke Ze 2 d= mv 2
Untuk emas: d = 3.2 x 10-14 m, dan untuk perak: d = 2 x 10-14 m
Biasa dinyatakan dalam femtometers dimana 1 fm = 10-15 m (juga dinamakan satu fermi)
Ukuran Inti Sejak eksperimen yang dilakukan oleh Rutherford, banyak eksperimen lain yang menyimpulkan sebagai berikut
Kebanyakan inti hampir bulat Jejari reratanya
r = ro A
1 3
ro = 1.2 x 10-15 m
Kerapatan Inti Volume dari inti (asumsinya bola) sebanding dengan jumlah total nukleon Ini memberikan bahwa semua inti memiliki kerapatan yang sama ρ ρ = Ro A1/3 dimana Ro = 1.2 fm
ρatom ~ 103 kg/m3 ρnucleus ~ 1017 kg/m3
Energi Ikat Energi total dari sistem terikat (inti) adalah lebih kecil dari energi kombinasi penyusun nukleon
Perbedaan energi ini dinamakan energi ikat inti Dapat juga dinyatakan sebagai sejumlah energi yang diperlukan untuk memecah inti menjadi proton dan neutron
Energi ikat per nukleon
Kesetabilan Inti Terdapat gaya tolak elektrostatis yang sangat besar antar sesama proton dalam inti
Gaya ini dapat menyebabkan inti hancur
Inti tetap stabil karena adanya gaya yang lain, gaya berjangkauan pendek, dinamakan gaya inti (atau kuat)
Gaya ini merupakan gaya tarik yang bekerja pada semua partikel inti Gaya tarik inti lebih kuat dari pada gaya tolak Coulomb pada jarak dekat dalam inti
Grafik Kesetabilan Inti Inti ringan stabil jika N = Z Inti berat sangat stabil ketika N > Z
Semakin besar jumlah proton, gaya tolak Coulomb semakin besar akibatnya diperlukan lebih banyak nukleon agar inti tetap stabil
Tidak ada inti stabil ketika Z > 83
Isotop Inti dari berbagai atom dapat memiliki jumlah proton yang sama Meskipun memiliki jumlah neutron yang bervariasi
Isotope adalah sebuah unsur yang memiliki Z sama tetapi nilai N dan A berbeda Contoh:
11 6
C
12 6
C
13 6
C 146 C
