SIFAT-SIFAT INTI ATOM
Atom adalah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif, dan neutron yang bermuatan netral (kecuali pada inti atom Hidrogen-1, yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Sekumpulan atom demikian pula dapat berikatan satu sama lainnya, dan membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif dan disebut sebagai ion. Atom dikelompokkan berdasarkan jumlah proton dan neutron yang terdapat pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron menentukan isotop unsur tersebut.
Sifat- sifat inti yakni
a. Tidak Bergantung pada waktu:
1. Muatan inti (electric charge)
Model atom Rutherford dapat menerangkannya melalui spektrum sinar – x yang diukur oleh Moseley (1913) dari data Moseley tersebut ternyata muatan inti adalah Ze dan Z yang merupakan nomor atom, sedang e = muatan elektron = 4,80298 x 10^-10 esu = 1,602189 x 10^-19 C
2. Massa inti (mass)
· Salah satu hipotesis dalton (18030 ialah bahwa atom-atom suatu unsur adalah identik.
· Prout (1819) menyarankan bahwa semua unsur terbuat dari hidrogen, sehingga massanya dapat dituliskan sebagai:
C = bilangan bulat
· Dari penyelidikan yang teliti, ternyata C bukanlah bilangan bulat, sehingga hipotesis Prout dianggap tidak benar.
· Crookes(1886) menyarankan kembali ide Prout. Alasan bahwa C bukan bilangan bulat adalah karena suatu unsur mungkin terdiri dari beberapa campuran (isotop). Contoh: Cl mempunyai berat atom 35,46 karena terdiri dari 3 isotop, masing-masing 34,35, dan 36.
· Karena kemudian inti diketahui terdiri dari proton dan neutron, maka dapat dituliskan:
Z dan N adalah jumlah proton dan neutron di dalam inti, MN = massa neutron
3. Jari -jari (radius)
Sampai sekarang, belum ditemukan cara langsung untuk menentukan jari-jari inti. Pada umumnya ada dua cara yang digunakan untuk menentukan jari-jari inti yang hasilnya berbeda, karena definisi jari-jari inti dalam kedua cara tersebut berbeda. Jika dianggap bulat, maka jari-jarinya:
a. Cara nuklir Dengan cara ini diukur jari-jari gaya inti (nuclear force radius) yang didefinisikan sebagai jarak dari pusat inti ke jarak jangkauan gaya inti. Jangkauan gaya inti lebih panjang sedikit dari ukuran inti. Cara-cara yang masuk dalam kategori ini : -Hamburan partikel alfa dengan hasil
b. Cara elektromagnetik Jari-jari yang diukur ialah jari-jari muatan inti. Percobaan yang termasuk kategori ini: -Hamburan elektron dengan hasil
4. Momentum sudut (angular momentum)
· Momentum sudut suatu unti atom dapat ditunjukkandari hyperfine-structure splitting garis-garis spektrum suatu atom.
· Pauli menerangkan hyperfine-structure splitting ini dengan anggapan bahwa inti mempunyai momentum sudut, sehingga terjadi gandengan antara momentum sudut inti dengan momentum sudut total dari elektron.
· Sebagaimana yang telah kita ketahui, inti terdiri dari A nukleon, yang masing-masing mempunyai momentum sudut orbital dan spin. :
· Jadi total vektor momentum sudut, apabila dipakai gandengan L S, ialah
Panjang vektor momentum sudut inti:
I ialah bilangan kuantum momentum sudut total inti, atau biasa disebut spin inti.
Dari (1):
I = (l+s), (l+s-1),...|l-s|
Maka jumlah harga I yang mungkin:
(2s+1) untuk s < l
(2l+1) untuk l < s
5. Momen magnetik (electromagnet momentum)
Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi dengan momentum sudut suatu objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku seperti ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ), dengan elektron, proton, dan neutron semuanya memiliki spin ½ ħ, atau "spin-½". Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain memiliki spin juga memiliki momentum sudut orbital, manakala inti atom memiliki momentum sudut pula oleh karena spin nuklirnya sendiri.
Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini. Namun, kontribusi yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh karena elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang dapat ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap.[70]
Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.
Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.
6. Momen listrik
· Momen listrik inti pertama kali dijelaskan oleh Schuler Schmidt pada tahun 1935 pada byperfine struktur Eu-151 dan Eu 153.
· Momen kuardrupol menunjukkan adanya pendistribusian inti yang tidak simetris bola.
· Kosep multipol listrik dapat dijelaskan berdasarkan teori potensial listrik.
b. Sifat-sifat inti yang bergantung pada waktu
1. Peluruhan radioaktif
Setiap unsur mempunyai satu atau lebih isotop berinti tak stabil yang akan mengalami peluruhan radioaktif, menyebabkan inti melepaskan partikel ataupun radiasi elektromagnetik. Radioaktivitas dapat terjadi ketika jari-jari inti sangat besar dibandingkan dengan jari-jari gaya kuat (hanya bekerja pada jarak sekitar 1 fm).
Bentuk-bentuk peluruhan radioaktif yang paling umum adalah:
· Peluruhan alfa, terjadi ketika suatu inti memancarkan partikel alfa (inti helium yang terdiri dari dua proton dan dua neutron). Hasil peluruhan ini adalah unsur baru dengan nomor atom yang lebih kecil.
· Peluruhan beta, diatur oleh gaya lemah, dan dihasilkan oleh transformasi neutron menjadi proton, ataupun proton menjadi neutron. Transformasi neutron menjadi proton akan diikuti oleh emisi satu elektron dan satu antineutrino, manakala transformasi proton menjadi neutron diikuti oleh emisi satu positron dan satu neutrino. Emisi elektron ataupun emisi positron disebut sebagai partikel beta. Peluruhan beta dapat meningkatkan maupun menurunkan nomor atom inti sebesar satu.
· Peluruhan gama, dihasilkan oleh perubahan pada aras energi inti ke keadaan yang lebih rendah, menyebabkan emisi radiasi elektromagnetik. Hal ini dapat terjadi setelah emisi partikel alfa ataupun beta dari peluruhan radioaktif.
Jenis-jenis peluruhan radioaktif lainnya yang lebih jarang meliputi pelepasan neutron dan proton dari inti, emisi lebih dari satu partikel beta, ataupun peluruhan yang mengakibatkan produksi elektron berkecepatan tinggi yang bukan sinar beta, dan produksi foton berenergi tinggi yang bukan sinar gama
Tiap-tiap isotop radioaktif mempunyai karakteristik periode waktu peluruhan (waktu paruh) yang merupakan lamanya waktu yang diperlukan oleh setengah jumlah sampel untuk meluruh habis. Proses peluruhan bersifat eksponensial, sehingga setelah dua waktu paruh, hanya akan tersisa 25% isotop
2. Reaksi inti
Reaksi inti merupakan peristiwa perubahan suatu inti atom sehingga berubah menjadi intiatom lain dengan disertai munculnya energi yang sangat besar. Agar terjadi reaksi inti diperlukan partikel lain untuk menggoyahkan kesetimbangan inti atom sehingga kesetimbangan inti terganggu. Akibatnya inti akan terpecah menjadi dua inti yang baru. Partikel yang digunakan untuk mengganggu kesetimbangan inti yaitu partikel proton atau neutron. Di mana partikel proton atau neutron yang berenergi ditembakkan pada inti targetsehingga setelah reaksi terjadi akan terbentuk inti atom yang baru disertai terbentuknya partikel yang baru. Inti target dapat merupakan inti atom yang stabil, sehingga setelah terjadi reaksi menyebabkan inti atom menjadi inti yang tidak stabil yang kemudian disebut isotop radioaktif. Jadi reaksi inti dapat juga bertujuan untuk mendapatkan isotop radioaktif yang berasal dari inti stabil.
Reaksi inti sangat berbeda dengan reaksi kimia, karena pada dasarnya reaksi inti ini terjadi karena tumbukan (penembakan) inti sasaran (target) dengan suatu proyektil (peluru). Secara skematik reaksi inti dapat digambarkan :
Contoh reaksi inti antara lain adalah 7N14 + 2He4 → 8O17 + 1H1 yaitu inti atom Nitrogen ditembak dengan partikel (2He4) menjadi inti atom Oksigen dengan disertai timbulnya proton (1H1), inti atom oksigen yang terbentuk bersifat radioaktif.
Hukum Fisika Dalam Reaksi Inti
Dalam reaksi inti juga berlaku hukum-hukum Fisika seperti yang terjadi pada peristiwa-peristiwa Fisika yang lainnya antara lain berlaku :
§ hukum kekekalan momentum,
§ hukum kekekalan energi,
§ hukum kekekalan jumlah muatan (nomor atom),
§ hukum kekekalan jumlah nukleon (nomor massa).
Sehingga momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti sebelum reaksi dan sesudah reaksi harus sama.
Energi reaksi inti yang timbul diperoleh dari penyusutan massa inti, yaitu perbedaan jumlah massa inti atom sebelum reaksi dengan jumlah massa inti atom sesudah reaksi. Menurut Albert Einstein dalam kesetaraan antara massa dan energi dinyatakan bahwa energi total yang dimiliki oleh suatu massa sebesar m adalah E = mc2. Apabila semua massa inti atom dinyatakan dalam sma (satuan massa atom), maka energi total yang dimiliki massa sebesar 1 sma setara dengan energi sebesar 931 MeV (1 sma = 1,66 × 10-27 kg, c = 3 × 108 m/s dan 1 eV = 1.6 × 10-19 Joule) Misalnya suatu reaksi inti dinyatakan menurut persamaan :
A + a → B + b + Q
Besarnya energi yang timbul dapat dicari dengan persamaan :
Q = {(mA + ma) – (mB + mb)} × 931 MeV
dengan :
(mA + ma) = jumlah massa inti atom sebelum reaksi
(mB + mb) = jumlah massa inti atom sesudah reaksi
Q = energi yang timbul selama reaksi terjadi
Jenis Reaksi Inti
Dalam reaksi inti jika diperoleh Q > 0, maka reaksinya dinamakan reaksi eksoterm yaitu selama reaksi berlangsung dilepaskan energi sedangkan jika Q < 0, maka reaksinya dinamakan reaksi indoterm yaitu selama reaksi berlangsung diperlukan energi. Reaksi inti dibedakan menjadi dua, yaitu reaksi fisi dan reaksi fusi.
a. Reaksi Fisi
Reaksi fisi yaitu reaksi pembelahan inti atom berat menjadi dua inti atom lain yang lebih ringan dengan disertai timbulnya energi yang sangat besar. Misalnya inti atom uranium-235 ditembak dengan neutron sehingga terbelah menjadi inti atom Xe-235 dan Sr-94 disertai dengan timbulnya 2 neutron yang memiliki energi tinggi. Reaksinya dapat dituliskan :
92U235 + 0n1 → 54Xe235 + 38Sr94 + 20n1 + Q
Dalam reaksi fisi yang terjadi akan dihasilkan energi kira-kira sebesar 234 Mev. Dalam reaksi fisi ini timbul -baru yang berenergi tinggi. Neutron-neutron yang timbul akan menumbuk inti atom berat yang lain sehingga akan menimbulkan reaksi fisi yang lain. Hal ini akan berlangsung terus sehingga semakin lama semakin banyak reaksi inti yang dihasilkan dan dalam sekejab dapat timbul energi yang sangat besar. Peristiwa semacam ini disebut reaksi fisi berantai. Reaksi fisi berantai yang tak terkendali akan menyebabkan timbulnya energi yang sangat besar dalam waktu relatif singkat, sehingga dapat membahayakan kehidupan manusia. Reaksi berantai yang tak terkendali terjadi pada Bom Atom. Energi yang timbul dari reaksi fisi yang terkendali dapat dimanfaatkannya untuk kehidupan manusia. Reaksi fisi terkendali yaitu reaksi fisi yang terjadi dalam reaktor nuklir (Reaktor Atom). Di mana dalam reaktor nuklir neutron yang terbentuk ditangkap dan tingkat energinya diturunkan sehingga reaksi fisi dapat dikendalikan.
Pada umumnya untuk menangkap neutron yang terjadi, digunakan logam yang mampu menangkap neutron yaitu logam Cadmium atau Boron. Pengaturan populasi neutron yang mengadakan reaksi fisi dikendalikan oleh batang pengendali yang terbuat dari batang logam Cadmium, yang diatur dengan jalan memasukkan batang pengendali ke dalam teras-teras bahan bakar dalam reaktor. Dalam reaktor atom, energi yang timbul kebanyakan adalah energi panas, di mana energi panas yang timbul dalam reaktor ditransfer keluar reaktor kemudian digunakan untuk menggerakkan generator, sehingga diperoleh energi listrik.
b. Reaksi Fusi
Reaksi fusi yaitu reaksi penggabungan dua inti atom ringan menjadi inti atom lain yang lebih berat dengan melepaskan energi. Misalnya penggabungan deutron dengan deutron menghasilkan triton dan proton dilepaskan energi sebesar kira-kira 4,03 MeV. Penggabungan deutron dengan deutron menghasilkan inti He-3 dan neutron dengan melepaskan energi sebesar 3,3 MeV. Penggabungan triton dengan triton menghasilkan inti He-4 dengan melepaskan energi sebesar 17,6 MeV, yang reaksi fusinya dapat dituliskan :
1H2 + 1H2 → 1H3 + 1H1 + 4 MeV
1H2 + 1H2 → 2He3 + 0n1 + 3,3 MeV
1H3 +1 H3 → 2He4 + 0n1 + 17,6 MeV
Agar dapat terjadi reaksi fusi diperlukan temperatur yang sangat tinggi sekitar 108 K, sehingga reaksi fusi disebut juga reaksi termonuklir. Karena untuk bisa terjadi reaksi fusi diperlukan suhu yang sangat tinggi, maka di matahari merupakan tempat berlangsungnya reaksi fusi. Energi matahari yang sampai ke Bumi diduga merupakan hasil reaksi fusi yang terjadi dalam matahari. Hal ini berdasarkan hasil pengamatan bahwa matahari banyak mengandung hidrogen (1H1). Dengan reaksi fusi berantai akan dihasilkan inti helium-4. Di mana reaksi dimulai dengan penggabungan antardua atom hidrogen membentuk deutron, selanjutnya antara deutron dengan deutron membentuk inti atom helium-3 dan akhirnya dua inti atom helium-3 bergabung membentuk inti atom helium -4 dan 2 atom hidrogen dengan melepaskan energi total sekitar 26,7 MeV, yang reaksinya dapat dituliskan:
1H1 + 1H1 → 1H2 + 1e0 + Q1
1H2 + 1H2 → 2H3 + γ + Q2
2H3 + 2H3 → 2He4 + 2 1H1 + Q3
Reaksi tersebut dapat ditulis:
4 1H1 → 2He4 + 2 1e0 + Q
No comments:
Post a Comment