MODUL XIII DAN XIV FISIKA MODERN FISIKA INTI

Transkripsi

1 MODUL III D IV FISIK MODER FISIK ITI Tujuan Instruksinal Umum: Mahasiswa dapat mnjlaskan tntang Fisika Inti Tujuan Instrruksinal Khusus : Dapat mnjlaskan ttang susunan inti Dapat mnjlaskan tntang Buku Rujukkan :. Giancli Physics. Kan & Strhim Physics 3 rd Editin 3. Sars & manky Univrsity

2 Susunan inti Scara sdrhana inti atm trdiri dari : Prtn : yaitu partikl listrik psitif bsarnya muatannya sama dngan muatan lctrn hanya tandanya brlawanan. utrn : yaitu partikl tak brmuatan listrik, massanya hampir sama dngan prtn yakni kira-kira 836 x massa lctrn. Satu atm sring disimpulkan ; atau = nama unsur dari atm trsbut. = mnyatakan nmr atm = jumlah prthn dalam inti = banyaknya lctrn pada atm ntral (nmr atm ini trltak pada susunan brkala Mndlijf) = mnyatakan nmr massa = jumlah prthn dan nutrn dalam inti. - = mnyatakan jumlah nutrn dalam inti. Cnth : 4 H ama unsur :Hlium mr massanya : 4 mr atmnya : Banyakya prtn atau lctrn Banyaknya ntrn = 4- utrn= ntral Elktrn =ngatif Prtn=psitif Gambar 3.

3 ama Simbul Muatan Massa Pnmu Elktrn - -,6. -9 C,9. -7 kg J.J.Thmsn (9. -3 kg) Prtn P ( H ) +,6. -9 C, kg Gldsatain trn n, kg Chadwick Psitin +,6. -9 C kg ndrsn ( Massa prtn = 836 massa lctrn ) Prtn dan nurn itu brsama disbtu nucln dan mnntukan apa yang disbtu massa inti (). dmikian jumlah massa nukln itu sama dngan massanya inti. Khusus untuk massa inti dittukan satuan massa atmr(sma) atau amu (atmic massa unit) sma = ½ massa atm Partikl-partikl Elmntr ; 6C =,66x -7 kg Disamping lctrn-lktrn sbagi kulit atm, dan prtn srta nurn sbagai inti atm masih diknal pula partikl-partikl lmntr yang alin yang dapat diprlh dalam raksi inti di labratrium yang dilngkapi dngan alat-alat prmrcpat partikl partikl misalya; sikltrn, btatrn, synchrtrn dsbau diprlh di angkasa luar. Bumi kita trus dihujani zarah-zarah yang brasal dari luar ini disbut sinar ksmic pprimr,. Sbagai hasil tumbukan antara sinar ksmic primr dan atm di dalam atmsfr bumi, timbul zarah-zarah lain disbut sinar ksmic skundr, misalnya msn yang dapat pula di labratrium. arah-zarah yang lmntr yang tlah ditmukan adalah :

4 . Ftn. urn : massanya < lctrn dan brsifat ntral 3. Elktrn ngatrn = lctrn ( muatannya juga ngatif. Elktrn psitrn ( 4. ukln : ) : massanya sama dngan massa lctrn, ) : massanya sama dngan ngatrn ttapi muatannya psitif. a. Prtn (p) massanya sama dngan inti hydrgn dan juga brmuatan psitif b. urn (n) : massanya hampir sama dngan prtn ttapi tidak brmuatan (ntral). 5. Msn : massanya diantara lctrn dan massa prtn dapat psitif, ngatif atu ntral. 6. Hyprn : massanya diantara massa prtn dan dutrn ( D ) muatan ps ; ngatif atau ntral. Pmbagiaannya : Hyprn lambda( ) Hyprn sigma ( ) Hyprn i utrin dalam waktu singkat brubah mnjadi ftn. arah-zarah yang lain pun (lctrn, msn, nucln-nukln dan hyprn) dapat brubah mnjadi ftn apabila brgabung dngan anti partiklnya. Pristiwa brubahnya zarah mnjadi nrgi disbut nnihilasi. Sbaliknya pristiwa brubahnya nrgi mnjadi spasang partikl-partikl (partikl dan anti partikl ) disbut Matrialisasi(pmbntukan pasangan = pair prductin) Matrialisasi dapat trjadi jika dalam bntuk ftn brgrak di dkat inti atm.

5 Radiaktif dan dsintgrasi. da inti yang stabil tidak akan brubah tanpa pngaruh dari luar, tapi ada juga inti yang scara spntan (tanpa dirangsang) brubah mnjadi inti yang lain sambil mmancarkan sinar. Inti yang mmancarkan sinar disbut radiaktif sdang zat yang mmpunyai inti-inti yang radiaktif disbut at radiaktif. da tiga macam sinar radiaktif yaitu: Sinar ( ) : yang trdiri atas inti-inti hlium 4 H yaitu trdiri atas prtn dan nutrn jadi brmuatan psitif. mr atm inti yang mmancarkan sinar brkurang sdang massa atm/nmr massa brkurang 4 prnyataan ini ditulis : 4 4 z y H atau z Y 4 cnth U 9Th H atau 9U 9Th sinar : yang trdiri atas lctrn-lktrn yang brasal dari inti (bukan dari awan lctrn) yang trjadi pada pruraian ntrn mnjadi prtn. mr atm inti yang mmancarkan sinar brtambah dngan satu, sdangkan massa atmnya ttap. Prnyataan diatas dinyatakan dngan prsamaan. z Y atau z Y cnth : Th 9Pa - atau 9 Th 34 9 Pa 34 sinar : yang brupa glmbang lctrmagnt dngan panjang glmbang - 3 sampai. jadi hakkatnya sama dngan sinar. inti yang mmancarkan

6 sinar tidak brubah atmnya maupun nmr massanya ialah jumlah nrgi yang trsimpan di dalam inti prnyataan di atas: z atau z rumus di atas hanya sbagai symbl saja ttapi dalam praktk tidak ada unsur radiaktif yang hanya mmancarkan sinar saja ttapi slalu dibarngi sinar atau Pancaran Ktrangan Mungkin - Mungkin - - Tak mungkin. - Tak mungkin. Mungkin -. Mungkin -.. Mungkin - Cnth : a. 93 p 94 Pu - atau p (. ) 94 Pu 39 b Pu 9U H atau P u (. ) 9 U 35 Pristiwa pcahnya inti scara spntan disbut dsintgrasi atau pluruhan. Kmungkinan (prbabilitas) bahwa suatu inti trtntu akan mngalami dsintgrasi dalam satuan waktu disbut ttapan atau knstant dsintgrasi ( ). Kalau pada suatu saat trdapat inti (inti yang blum brdsintgrasi dalam satuan waktu =.. banyaknya inti yang blum brdsintgrasi stlah waktu t kita nyatakan maka prtambahan banyaknya inti d=-. dalam tiap satuan waktu. Shingga dalam waktu dt prtambahan banyaknya inti (sbnarnya pngurangan itulah sbabnya ruas kanan dibri tand ngatif). d d.. dt. dt

7 d. dt ln.t C Mula-mula yaitu ktika t= banyaknya inti yang blum brdsintgrasi = shingga ln C C ln maka ln ln ln ln ln. = banyaknya inti yang blum brdsintgrasi dalam waktu t. = Banyaknya inti yang blum brdsintgrasi mula-mula = knstant dsintgrasi yaitu kmungkinan inti yang mngalami dsintgrasi dalam satuan waktu. Waktu paruh dan aktifitas inti. Waktu paruh = waktu prtngahan (half-lif) = T ialah waktu yang diprlukan supaya banyaknya inti radiaktif yang blum brdsintgrasi tinggal ½ dari smula. dari ktrangan di atas trdapat pnjabaran sbagai brikut ; Untuk t = T Shingga..

8 ln ½ = ln..t ln T ln T lg lg x lg,3 x,4343,693 T,693 Satuan T : dtik,jam, har, tahun abad dan sbagainya. Stlah brintgrasi slama waktu T banyaknya inti yang blum brintgrasi stlah T maka ( ) stlah 3 T maka 4 = ( ) 3 dan strusnya. Jadi stlah brintgrasi slama waktu brintgrasi tinggal t t banayaknya inti yang blum T ( ) t T = inti yang blum brintgrasi stlah t = inti yang mula-mula blum brintgrasi T= waktu paruh T = lama brintgrasi Rumus di atas mnunjukkan hubungan antara dan brlaku juga yang mnunjukkan hubungan antara massa zat radiaktif yang blum brintgrasi (=m) dan massa smula brlaku (m) jadi analg di atas trdapat : m ) m ( t T m m.

9 m = massa yang blum brintgrasi m= massa zat mula-mula T = waktu paruh dan = knstant dsintgrasi. Waktu sjak suatu inti radiaktif ditinjau sampai saat inti itu brintgrasi disbut umur inti. Trnyata inti-inti sjnis pada umumnya mmpunyai umur yang brbda-bda. Umur rata-rata ( = tau) sama dngan kbalikan ttapan pluruhan dirumuskan. = umur rata-rata zat knstant dsintgrasi Banyaknya inti yang brintgrasi dalam waktu t dtik disbut aktivitas = R sbagai satuan aktivitas dapat dipakai. Dsintgrasi/dtik =d/dt ruthrfrd (=rd) = 6 d/dt curi (=C ) =3,7 x 4 rd = 3,7x d/dt Jika pada suatu saat banyaknya inti (atm) unsur radiaktif knstant pluruhan =, maka aktifitas intinya dirumuskan R =. R = aktifitas inti = knstant pluruhan = banyaknya inti Karna banyaknya inti yang brdsintgrasi brbanding lurus dngan yang blum brdsintgrasi, maka analg rumus rdapat pula rumus : R R ). R ( t T

10 R= aktivitas mula-mula R= aktivitas stlah brdsintgrasi slama t dtik R= rat R = aktivitas inti mrupakan laju (rata dari pcahnya inti) t= waktu t Gambar 3. Inti yang mmpunyai nmr atm( ), massa atm dan waktu paruh T trtntu disbut uklida. uklida-nuklida yang mmpunyai dan T yang sama dikatakan idntik uklida-nuklida yang mmpunyai ; a. mr atm yang sama dan massa atm brbda disbtu ISOTOP. b. Massa atm yang sama dan nmr atm yang brbda disbut ISOBR c. Sama banyaknya ntrn (banyak ntrn= = -) ttapi tidak sama banyaknya prtn disbtu ISOTO. d. Slisih yang sama antara banyaknya ntrn dan banyaknya prtn disbut ISODIFER.. mr atm dan massa atm yang sama ttapi waktu paruh yang brbda disbut ismr nuklir.

11 Isbar utrn + Prtn= ukln Istp Prtn Yang sama banyaknya utrn Istn = - utrn - Prtn -=- Isdiafr Gambar 3. 3 Inti yang mmancarkan sinar mlpaskan prtn dan nutrn, maka inti baru yang trbntuk dan inti smula mrupakan isdiafr. Inti yang sinar, satu nutrn brubah mnjadi prtn shingga inti smula dan inti yang baru mrupakan ismr nuklir. Enrgi ikat (Binding Enrgi) Inti-inti atm trdiri dari prtn-prtn dan nutrn yang brkumpul mnjadi satu. Mngingat bahwa tiap-tiap prtn itu brmuatan listrik psitif (+,6x -9 C), maka mnurut hukum Culmb tntunya ada gaya tlak-mnlak ttapi mngapa justru mrka saling brgabung mmbntuk inti atm. Hal ini tiada mungkin jika tanpa adanya apa yang disbut nrgi pngikat inti trsbut. Ssunggunya hukum Culmb hanya brlaku untuk jarak yang rlativ bsar. Kalau jarak cukup pndk gaya tlak tidak ada dan justru mnjadi gaya tarik. Disamping itu yang trpnting adalah adanya nrgi ikatan yang trjadi karna susutnya massa (massa dfct).

12 Fc Fc = gaya Culmb S = jarak S Gambar 3.4 Inti yang trdiri atas prtn dan (-) nutrn mrupakan nrgi ikat sbsar E b. m ( ) m m C p n int i. E b = nrgi ikat C = kcpatan cahaya m p ; massa prtn m n : massa prtn m int i = massa inti H atau D trdiri dari satu prtn dan satu nutrn ttapi trnyata massanya tidak sama dngan jumlah satu prtn dan satu nutrn. H n H m,785,8665,649,4,388 Prbdaan massa sbsar m ini mrupakan massa dfct (pnyusutan massa ) yang diubah mnjadi nrgi pngikata inti dutrn dsb. ama Simbul Massa dalam amu Prtn H,785 utrn n,8665 Dutrn H,4 Tritn H 3 3,649 Hlium 3 H 3,63 Partikl 4 H 4,64 (amu =atmic massa unit =, kg) Drt Radiaktif.

13 Kita tlah tahu zat-zat yang radiaktif mmancarkan sinar-sinar radiaktif, shingga mnjadi zat yang stabil (tak radiaktif lagi). Trnyata diknal 4 drt atau kluarga radiaktif.. Drt URIUM atau drt 4n +, massa atm anggta kluarga uranium dapat dinyatakan sbagai klipatan 4 ditambah.. Drt CTIIUM atau drt 4n Drt THORIUM atau drt 4n. 4. Drt EPTIIUM atau drt 4n +, drt p ini tidak trdapat dalam alam,ttapi dapat dibuat dalam labratrium. Kluarga-kluarga itu dibri nama mnurut istp yang waktu paruhnya trpanjang. Drt Mula-mula khir 4n+ (uranium) 4n +3 (actinium) 4n ( thrium) 4n+ (nptunium) 38 9U 7 89 c 3 9T h p 6 8 P b 7 8 P b 8 8 P b 9 83 B i Priatiwa brubahnya unsur yang satu mnjadi unsur lain baik scara spntan maupun buatan disbut transmutasi. Transmutasi inti scara spntan pada drt uranium (4n+) hingga akhirnya mnjadi unsur yang stabil yaitu 8 P 6 b dapat kita prlihatkan pada grafik di bawah ini.

14 Drt uranium (4n+) Gambar 3.5 Pada grafik di atas : nak panah k kiri bawah mnyatakan pancaran nak panah k kanan mnyatakan pancaran Pancaran tak dapat dinyatakan. Sumbu mndatar mnyatakan nmr atm. Sumbu vrtikal mnyatakan nmr massa. Raksi Inti dan Raktr Inti (Fusi, Fisi dan macam-macam raktr nuklar). Raksi Inti Raksi inti adalah brbda dngan raksi kimia.raksi yang prtama mnyatakan prubahan dalam inti sdang raksi yang kdua (yaitu raksi kimia) mnyatakan prubahan dalam awan lktrn. Pada dasarnya raksi inti ada yang mnyrap kalr dan ada yang mlpaskan kalr. Ttapi kdua-duanya harus brlangsung pada suhu yang sangat tinggi.

15 Pada raksi yang mmrlukan kalr, jumlah massa raksi lbih kcil dari jumlah massa ssudah raksi. Sdangkan pada raksi yang mlpaskan kalr jumlah massa sblum raksi lbih bsar dari jumlah massa stlah raksi. Raksi inti yang tntu mlpaskan kalr ialah :. Fusi (= fussin = pnggabungan = plburan) pnggabungan bbrapa inti ringan. Supaya dapat trjadi fusi harus trdapat suhu yang sangat tinggi. Raksi ini mrupakan sumbr nrgi di matahari dan bintang-bintang. Fusi juga trjadi pada pldakan bm hidrgn. Karna hasil-hasil raksi tidak radiaktif, maka bm H juga disbut bm brsih. Karna blum dapat dikndalikan dngan baik, maka fusi blum dapat dipakai utuk maksud damai. COTOH : a. Raksi dalam bm H H + H 3 H 4 + n + kalr (= nrgi) Di sini hasilnya tidak radiaktif, maka juga disbut bm brsih. b. Raksi di matahari atau di bintang-bintang. D H 4 + kalr. 4 H H kalr. (lihat diktat smstr IV pada lmbar tambahan).. Fisi (= fissin = splyting = pmblahan) yaitu pmblahan inti yang brat mnjadi bagian yang massanya kira-kira sama. Massa bagian- bagian yang trjadi kbanyakam brbanding sbagai 5 : 7. Sblum trjadi fisi biasanya satu nutrn brgabug dngan inti brat itu, sdangkan pada fisi dilpaskan ; 3 atau 4 nutrn baru.

16 utrn-nutrn baru ini mnimbulkan fisi lagi shingga trjadi raksi brantai (chain ractin = ktting racti). Fisi trjadi misalnya pada pldakan bm atm. COTOH : 9U 35 + n 56Ba Kr n + kalr ( raksi bm atm) Ruas kanan prsamaan inti di atas ada bbrapa kmungkinan yaitu : 57La Br n + kalr Sr 94 + n + + kalr 38Sr n + kalr. Hasil raksinya bbrapa radi istp maka bm atm slain brbahaya karna panasnya, juga brbahaya karna radiasi dari hasil-hasil raksinya. Dalam ractr atm Fisi ini dikndalikan. Slain 9 U 35 yang dapat mngalami fisi karna mnangkap nutrn ( atau istilah lain ditmbak dngan nutrn lambat ) ialah 9 U 33 dan 94 Pu 39. Raktr Inti Sudah dikatakan di atas bahwa raksi Fusi blum dapat dikndalikan misalnya untuk maksud-maksud damai. Tmpat untuk mngndalikan raksi Fisi ini disbut ractr inti atau ractr nuklir atau ractr atm. Ractr ini mula-mula dibangun lh ERICO FERMI pada tahun 94. utrn utrn yang dihasilkan lh fisi itu trlalu banyak, shingga supaya tidak mldak harus dikndalikan dngan adanya yang disbut : Mdtatr ialah zat untuk mngurangi tnaga nutrn nutrn itu. Cnth (mdtatr ialah : grafit ( C ), air (H O), air brat (DO ), bryllium (B).

17 Cntrl rd ( = batang pngatur ) ialah batang yang dapat mngurangi jumlah nutrn dan brupa batang baja yang mngandung cadmium ( Cd) atau brium (B) da brmacam-macam jnis ractr yaitu : a..raktr tnaga (pwr ractr = ractr daya) air yang brfungsi sbagai mdratr langsung diuapkan. Uap yang trjadi mjalankan uap yang akhirnya mnggrakkan gnratr. Dapat juga kalr yang trjadi dalam ractr dialirkan k air yang hndak dididihkan dngan prantaraan a + K cair atau dngan udar brtkanan tinggi yang jnuh dngan srbuk grafit. b. ractr pnlitian (rsach ractr) tujuan ractr ini ialah untuk mnghasilkan nutrn. utrn-nutrn ini ialah untuk mnghasilkan radi istp (istp yan gbrsigat radiaktif) buatan. Umpama 6 7C yang mrupakan sumbr sinar dan yang sangat kuat. Sinar yang kuat dapat mnstrilkan makanan, sdang sinar dapat mmvulkanisir kart. Raktr Pngubah (cnvrtr ractr) Dalam ractr ini bahan yang trdapat di alam diubah mnjadi bahan pmbangkit tnaga bagi ractr-raktr yang lain. U Th 3 33 (. ) a P n n u P 9 U 33 a P 33 disini baik Cnth sal : P u maupun 33 9U dapat mngalami fisi.

18 Dalam 6 jam 4 a mmancarkan sinar hingga mnjadi,5 jam brapa prsn yang masih tinggal slama waktu itu. Dikt unsur 4 a T =,5 jam t = 6 jam ( lama brdsintgrasi) sal : = % 4 M g jika waktu paruh 4 4 a M g,683 T,693,5,46 jam,46.6.,46.6. ( misa ln ya,46.6 ),46.6 lg (,46.6).lg lg,39 (,46.6)(,4343) 5,99 5,99 5,99 5,99.% 5,99 6,5%

19