BAB I
The Atomic Nucleus
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sejak permulaan abad 19, penelitian mengenai inti atom sudah
mulai dilakukan. Semua ilmuwan berlomba-lomba dalam mencari
kebenaran mengenai struktur atomik yang mampu menjelaskan
keberadaan inti atom sesuai dengan hasil eksperimen yang telah
dilakukan. Sejak abad tersebut, para ilmuwan fisika yang dahulunya
lebih tertarik untuk membahas dan mengkaji fenomena-fenomena alam
yang nampak, kini beralih untuk meneliti hal-hal yang bersifat
mikroskopik.
Secara umum ilmu fisika dibagi menjadi dua bagian utama yaitu
fisika makroskopik yang menjelaskan mengenai fenomena-fenomena alam
yang nampak secara kasat mata dan fisika mikroskopik yang
kebanyakan menelaah fisika atom maupun nuklir. Hukum-hukum fisika
yang bersifat makroskopik sudah ada sejak zaman dulu seperti hukum
Newton tentang gerak yang secara sederhana dapat diamati secara
kasat mata, sedangkan untuk fenomena-fenomena alam dalam skala
atomik baru mulai diteliti sejak tahun 1913 dengan melakukan
berbagai eksperimen yang dilakukan oleh para fisikawan seperti
Thomson, Rutherford, Joliot, Chadwick, dan ilmuwan
lainnya.Permulaan dari fisika nuklir adalah ditemukannya
radioaktivitas oleh H. Becquerel pada tahun 1896. Hingga akhirnya,
eksperimen mengenai atom nuklir terus diteliti sejak tahun 1911
yang diawali oleh Rutherford. Pada tahun 1911, banyak ilmuwan
meneliti berbagai aspek dari inti atom. Hasilnya , meskipun masih
jauh dari harapan yang diinginkan tetapi para ilmuwan terus saja
mempelajari aspek tersebut dengan lebih serius dan kompleks. Adapun
beberapa topik yang dikaji dalam membahas fisika nuklir adalah
sebagai berikut. (1) mempelajari ukuran, massa dan substansi dari
nuklide; (2) Persamaan-persamaan radiasi yang diberikan oleh
beberapa nuklide dalam berbagai kondisi dan interaksi pada saat
terjadinya radiasi tersebut; (3) mempelajari tentang susunan dari
substansi-substansi di dalam inti atom; dan (4) mempelajari tentang
gaya inti yang menyebabkan semua komponen atom dapat menjadi inti
yang mantap.Begitu banyak fenomena mikroskopik yang dapat
dipelajari dalam fisika nuklir sehingga dalam tulisan ini akan
dibahas mengenai teori atom, hipotesis proton-elektron, penemuan
neutron dan hipotesis proton-neutron.1.2 Rumusan Masalah
Adapun masalah yang akan dibahas dalam tulisan ini adalah
sebagai berikut.
1.3.1 Bagaimana perkembangan teori atom?
1.3.2 Bagaimana keberadaan dan kemapanan hipotesis
proton-elektron?
1.3.3 Bagaimana sejarah penemuan neutron?
1.3.4 Bagaimana keberadaan dan kemapanan hipotesis
proton-neutron?
1.3 Tujuan Penulisan
Adapun tujuan penulisan makalah ini adalah sebagai berikut.
1.3.1 Untuk mengetahui perkembangan teori atom.
1.3.2 Untuk menjelaskan keberadaan dan kemapanan hipotesis
proton-elektron.
1.3.3 Untuk menjelaskan sejarah penemuan neutron.
1.3.4 Untuk menjelaskan keberadaan dan kemapanan hipotesis
proton-neutron.1.4 Manfaat Penulisan Manfaat yang diperoleh dari
penulisan makalah ini adalah bagi penulis dan pembaca dapat
memperoleh pengetahuan mengenai teori atom, hipotesis
proton-elektron, penemuan neutron dan hipotesis proton-neutron.1.5
Metode Penulisan
Metode yang digunakan dalam penyusunan makalah ini adalah metode
kajian pustaka, yaitu penulis mengumpulkan berbagai sumber
referensi yang relevan dengan materi yang disajikan dan kemudian
dilakukan pengkajian terhadap materi tersebut. BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Teori Atom
Walaupun ilmuwan pada abad 19 menerima gagasan bahwa unsur-unsur
kimia terdiri dari atom-atom, mereka tidak mengetahui tentang atom
itu sendiri. Penemuan elektron pada tahun 1897 dan adanya
pengetahuan bahwa semua atom mengandung elektron memberikan
pengetahuan yang penting mengenai struktur atomik. Model atom yang
pertama kali dikenal adalah model atom yang ditawarkan oleh Dalton.
Namun model atom Dalton ini tidak mampu bertahan lama dan gagal
dipertahankan untuk menjelaskan model atom sebab tidak memiliki
koreksi yang lengkap untuk menjelaskannya.Kemudian pada tahun 1898,
ahli fisika berkebangsaan Inggris, J.J Thomson, mengusulkan bahwa
atom merupakan bola bermuatan positif serba sama yang mengandung
elektron, hipotesisnya ini dianggap sangat masuk akal. Model atom
yang ia tawarkan dikenal dengan sebutan roti kismis. Disebut
seperti itu karena model atom yang ditawarkan mirip dengan roti
kismis (perhatikan gambar 1).
Thomson juga menyatakan bahwa atom tersusun oleh proton dan
elektron yang mana atom bersifat netral sehingga jumlah proton dan
elektron haruslah sama. Disamping itu ditemukan juga bahwa massa
elektron sangat kecil dan massa proton lebih besar dari massa
elektron serta massa proton memberikan kontribusi yang sangat besar
dari massa atom. Sehingga dikatakan massa atom terpusat pada massa
elektron.
Teori ini bertahan cukup lama karena didukung oleh adanya
penemuan radioaktivitas, Namun akhirnya gagal karena tidak mampu
menjelaskan hasil eksperimen Geiger dan Marsden mengenai peluruhan
partikel alfa, terutama partikel alfa yang terhambur dengan sudut
azimuth besar sampai dengan 180o.
Setelah itu muncullah model atom Rutherford yang sudah mengenal
adanya inti atom, yang mana inti atom didefinisikan sebagai suatu
ruang yang sangat kecil dan sebagai pusat massa inti dan muatan
atom. Adapun model atom Rutherford ditunjukkan pada gambar (2).
Beranjak dari teori atom Rutherford ini kemudian penelitian
mengenai struktur atomik terus dilakukan.2.2 Hipotesis
Proton-Elektron
Sebelum ditemukannya neutron oleh Chadwick pada tahun 1932,
terdapat asumsi dasar bahwa inti atom terdiri dari proton dan
elektron. Pernyataan ini dikenal dengan hipotesis proton elektron
yang menyatakan bahwa:
Atom terdiri dari inti atom, yang mana inti atom tersusun oleh
proton dan elektron.
Inti atom memiliki sejumlah A proton dan A-Z elektron serta
total muatan positif Z.
Sejumlah Z elektron terluar/orbital.
Kenyataannya, hipotesis proton-elektron gagal untuk menjelaskan
terjadinya struktur Hyperfine. Ada tiga hal yang mendukung hal
tersebut yaitu: (1) momentum anguler inti atom, (2) momen magnetik,
dan (3) mekanika gelombang.
2.2.1 Momentum Anguler Inti Atom
Penemuan spektroskop dengan resolusi yang sangat tinggi, yang
mana dengan bantuan alat ini garis spektrum yang sebelumnya
terlihat tunggal ternyata dapat terlihat lebih halus dan kompleks.
Spektroskop dengan resolusi rendah, menunjukkan bahwa transisi dari
3P3S pada sodium adalah berupa garis tunggal. Sedangkan dengan
spektroskop moderate, menunjukkan adanya garis ganda yang lebih
halus pada transisi tersebut yang ditemukan akibat adanya spin
elektron. Akhirnya untuk sodium dikenal dengan nama garis-D yang
bertugas pada transisi 3P-3S Tetapi dengan menggunakan spektroskop
resolusi tinggi, garis-garis spektrum yang terlihat terbagi menjadi
beberapa level (tingkatan-tingkatan), dimana antara level tersebut
jaraknya sangat dekat satu sama lainnya. Antara level tersebut
memiliki perbedaan energi sebesar 10-5 dengan transisi utamanya.
Jenis spektrum garis seperti itu disebut dengan struktur hyperfine
dan ini dapat terjadi karena adanya: (1) efek isotop pada suatu
unsur; dan (2) momentum anguler nuklir.
Isotop merupakan unsur yang memiliki nomor atom (Z) sama Namun
nomor massanya (A) berbeda. Untuk unsur yang tidak memiliki isotop,
formula untuk nilai transisi pada atom adalah sebagai berikut.
dengan: = panjang gelombang yang dihasilkan sebagai akibat
adanya transisi elektron dari tingkatan awal ke tingkatan
akhir.
RM = tetapan Rydberg yang didapat dari:
dengan nilai R = 1,097 x 10-3 A-1
m = massa elektron
M = massa inti atom
Sedangkan untuk unsur yang memiliki dua atau lebih isotop, maka
nilai RM akan berbeda untuk masing-masing isotop, artinya bila
suatu unsur memiliki 2 buah isotop maka unsur tersebut akan
memiliki 2 buah nilai RM yang berbeda yaitu RM1 dan RM2. Sedangkan
untuk unsur yang memiliki tiga buah isotop seperti karbon yaitu
serta hidrogen yaitu: , memiliki 3 buah nilai RM yang berbeda dan
terjadi tiga buah transisi yaitu dari M1M2, M1M3, dan M2M3.
Contoh unsur yang memiliki dua buah isotop adalah Lithium (Li)
yaitu .
Sehingga:
Dengan asumsi bahwa nilai M sangat kecil bila dibandingkan
dengan nilai M1 dan M2, akibatnya nilai R juga sangat kecil.
Hasilnya, untuk unsur yang memiliki dua buah isotop terjadi 1
transisi dari M1M2, dimana transisi itu menghubungkan panjang
gelombang 1 dengan 2. Perbedaan 1-2 memiliki nilai yang sangat
kecil, sehingga menyebabkan garis yang dulunya hanya terlihat
tunggal pecah menjadi garis ganda yang lebih halus dengan adanya
kehadiran isotop tersebut. Dengan kata lain, nilai RM
mengindikasikan bahwa spektrum atom yang tunggal pecah menjadi dua
(dengan struktur yang lebih halus dan tidak tunggal lagi) atau
menghasilkan struktur hyperfine akibat adanya isotop. Efek isotop
pada spektrum garis dalam berbagai unsur terus diteliti dengan
menggunakan spektroskop resolusi tinggi.
Ternyata keberadaan struktur hyperfine tidak mampu dijelaskan
pada semua keadaan dengan menggunakan efek isotop sebab ada unsur
yang tidak mempunyai isotop tetapi mengalami struktur hyperfine.
Sehingga gagallah penjelasan efek isotop tersebut. Kemudian sebagai
solusinya inti atom dianggap seperti elektron yang memiliki
momentum anguler. Nilai momentum anguler nuklir menurut mekanika
gelombang adalah:
h merupakan konstanta planck dan I adalah spin nuklir. Nama spin
nuklir untuk I biasanya disalah artikan, sebab total momentum
anguler inti didukung oleh jumlah vektor momentum anguler orbital
dan momentum anguler spin partikel-partikel yang berada di dalam
inti atom. I merupakan nomor kuantum nuklir, dan nilai maksimum
untuk komponen mmomentum sudut dalam berbagai arah adalah sebesar
I. Setiap atom dengan isotop yang berbeda-beda pada unsure yang
sama memiliki nilai I yang berbeda pula. Seperti atom, inti atom
juga mengalami kuantisasi ruang sebesar 2I+1 pada berbagai arah
orientasi. Orientasi tersebut sama seperti vektor momentum anguler
yang diproyeksikan pada medan magnetik sehingga memiliki nilai
sebagai berikut. Sedangkan vektor momentum anguler atom (F) dapat
dicari dengan menjumlahkan nilai vektor momentum anguler nuklir (I)
dan vektor momentum anguler elektron pada atom (J), yang dapat
dituliskan sebagai berikut.
Bila nilai J dan I diketahui maka dapat ditentukan semua
kemungkinan nilai F yang dihasilkan dari pengkombinasian nilai J
dan I (perhatikan gambar 3). Sehingga dapat memprediksi transisi
yang mungkin terjadi di antara ruang tersebut. Transisi yang
diperbolehkan bila mematuhi aturan berikut: nilai J = 0, 1 tetapi
untuk transisi dari 00 tidak diperbolehkan meskipun nilai J=0.
Banyaknya garis yang terbentuk pada transisi tersebut dapat
ditentukan dengan cara sebagai berikut.
Dengan mengetahui nilai J maka memungkinkan untuk memprediksi
nilai I atau spin nuklir. Disamping itu, ada cara lain untuk
menghitung I yang terbentuk pada struktur hyperfine yaitu dengan
menunjukkan hubungan antara I dan nomor massa (A) sebuah inti atom.
Adapun aturannya adalah sebagai berikut.
Inti dengan nomor massa genap harus memiliki spin bilangan
bulat, sedangkan inti dengan nomor massa ganjil harus memiliki spin
setengah bilangan bulat.
Kenyataannya proton dan elektron merupakan partikel fermi dengan
spin , ini berarti momentum sudutnya . Hasil eksperimen ini
bertentangan dengan hipotesis proton-elektron yang telah dipaparkan
sebelumnya. Pada kondisi tersebut, contohnya nitrogen yang memiliki
nomor massa (A=14) dan nomor atom (Z=7). Menurut hipotesis
proton-elektron, memiliki 14 proton, 7 elektron dan total partikel
dalam inti sebanyak 21 buah.Karena proton an elektron memiliki spin
, maka harusnya memiliki spin setengah bilangan bulat tetapi hasil
eksperimemn menyatakan bahwa memiliki spin (I=1). Contoh lainnya,
deutron yang merupakan inti isotop hidrogen mempunyai nomor atomik
1 dan nomor massa 2, harus ditafsirkan timbul dari kehadiran dua
buah proton dan sebuah elektron. Bergantung dari orientasi partikel
spin deutron harus menjadi atau . Namun, spin deutron menurut
pengamatan ialah 1, ini sangat tidak sesuai dengan hipotesis
terdapatnya elektron nuklir.Hasil yang didapatkan tersebut
menyatakan bahwa hipotesis proton- elektron belum mapan untuk
menjelaskan kemantapan struktur inti atom.
2.2.2 Momen Magnetik
Dengan adanya kontradiksi bahwa hipotesis proton-elektron tidak
mapan untuk menjelaskan spin nuklir atau momentum anguler suatu
atom maka pengujian dialihkan lagi pada momen magnetik inti atom
untuk menguji keberadaan hipotesis proton-elektron. Berdasarkan
garis spektrum yang didapatkan pada atom menyatakan bahwa rotasi
elektron dengan momentum anguler sebesar I menghasilkan momen
magnetik yang disebut Magneton Bohr yang identik dengan nilai pada
elektron atom.
dengan: e = muatan elektron (1,6 x 10-19 C)
me = massa elektron (9,11 x 10-31 kg)
c = kecepatan cahaya (3 x 108 m/s)
Setiap inti atom memiliki muatan dan jika spin I tidak nol, maka
gerakan partikel bermuatan di dalam inti atom seharusnya
menghasilkan momen magnetik terhadap intinya. Muatan yang
terdistribusi pada inti diasumsikan seperti bola yang simetris
sehingga menghasilkan momen dipole. Proton memiliki massa 1836 kali
massa elektron, maka besar momen magnetiknya adalah:
dengan: mp = massa proton (9,11 x 10-31 kg)
= magneton nuklir
c = kecepatan cahaya (3 x 108 m/s)
Magneton nuklir sering digunakan sebagai besaran yang menyatakan
momen magnetik nuklir. Secara fakta, nilai momen magnetik inti atom
seharusnya lebih kecil dari momen magnetik elektron. Contohnya
untuk proton nilai lebih kecil dari magneton Bohr. Bila elektron
berada di dalam inti atom maka seharusnya elektron memiliki momen
magnetik yang sama dengan inti atom. Tetapi hanya proton yang
memiliki momen magnetik sama dengan momen magnetik Bohr sehingga
kecil kemungkinannya elektron berada di dalam inti atom.
Karena nilai sangat kecil maka interaksi antara inti dengan
elektron juga sangat kecil. Ini menjadi sebab didapatkannya
pemisahan yang sangat halus dan kecil pada struktur hyperfine pada
spektrum garis yang dihasilkan. Faktanya, nilai dapat ditentukan
melalui pemisahan struktur hyperfine yang dapat dinyatakan dalam
magneton nuklir. Momen magnetik inti atom dapat ditentukan melalui
persamaan berikut.
dengan: gI = faktor nuklir g, yang tidak sama dengan faktor g
Lande
Faktor ini tidak dapat diprediksi secara komplet karena
kurangnya pengetahuan mengenai jenis partikel yang berada di dalam
inti atom. Perbandingan momen magnetik nuklir, , dalam magneton
nuklir dengan nilai momentum anguler nuklir disebut dengan
gyromagnetik ratio yang disimbolkan dengan , dengan:
Bila momen magnetik inti atom dipengaruhi oleh medan magnetik
dari luar maka perubahan energinya menjadi:
Dengan H merupakan medan magnetik yang diberikan dari luar pada
pusat inti dan merupakan sudut yang dibentuk antara dan H yang
ditentukan berdasarkan gambar 4.
Bila persamaan dan U dikombinasikan maka didapat:
karena I mengalami kuantisasi ruang di dalam medan magnetik luar
maka mI disebut nomor kuantum spin magnetik (gambar 5), maka:
Berdasarkan hasil eksperimen nilai momen magnetik dapat
ditentukan melalui:
Nilai dapat juga ditentukan melalui persamaan: dengan mengetahui
dulu nilai U dan H. Struktur hyperfine dapat terjadi akibat adanya
interaksi antara dengan medan magnetik H yang diberikan pada pusat
inti. Nilai dari medan He dapat berkisar antara 105 sampai 107
gauss untuk berbagai atom. Untuk tujuan tersebut yaitu mencari
nilai , maka dipilih nilai He adalah 106 gauss yang menghasilkan
pemisahan panjang gelombang, , sebesar 1/100.000 dimana nilai ini
berada pada panjang gelombang cahaya tampak. Misalnya diambil
contoh panjang gelombang cahaya tampak sebesar 6000 A yang
menghasilkan energi kuantum sebesar 2 eV atau 3 x 10-12 erg,
seperti hasil perhitungan berikut.
Karena pada pemisahan tersebut memiliki orde 10-5 maka U = 3 x
10-17 erg.Melalui hubungan , dimana nilai He = 106 gauss maka
didapat nilai
. Nilai yang didapatkan ini kira-kira dua kali nilai magneton
nuklir, , dan ini sebanding dengan 1/1.000 nilai magneton Bohr, .
Hasil ini sangat jelas menyatakan bahwa nilai momen magnetik inti
atom hampir sama dengan nilai magneton nuklir bukannya magneton
Bohr, yang menandakan bahwa tidak ada elektron di dalam inti
atom.Kesimpulan: Proton memiliki momen magnetik sekitar 0,15% dari
momen magnetik elektron, sehingga momen magnetik nuklir harus
ber-orde sama seperti elektron jika elektron berada dalam inti
atom. Namun, momen magnetik inti yang teramati hampir sama dengan
momen magnetik proton bukan dengan momen magnetik elektron. Ini
merupakan penyimpangan yang tidak dapat dimengerti jika benar
elektron merupakan unsur penyusun nuklir.2.2.3 Mekanika
GelombangUntuk menguji kemapanan hipotesis proton-elektron maka
dilakukan lagi pengujian dari segi mekanika gelombang. Berdasarkan
mekanika gelombang, panjang gelombang elektron ditentukan melalui
persamaan de Broglie yaitu:
dengan: p, me, dan v berturut-turut merupakan momentum, massa
dan kecepatan elektron. Jika benar elektron berada di dalam inti
atom maka panjang gelombang elektron seharusnya kurang atau sama
dengan diameter inti atom. Menurut prinsip ketidakpastian didapat:
, dimana x dan p menyatakan ketidakpastian posisi dan momentum dari
elektron. Oleh karena radius inti untuk atom yang memiliki nomor
massa 200 adalah 0,6 x 10-12 cm, maka ketidakpastian posisi
elektron adalah . Sehingga ketidakpastian momentum elektron
adalah:
Sedangkan energi elektron dapat ditentukan melalui hubungan
berikut.
Dimana merupakan energi massa diam elektron. Asumsikan bahwa
nilai momentum elektron p tidak lebih besar dari p (sebab nilai p
yang lebih besar akan menyebabkan nilai E yang lebih besar pula).
Substitusikan nilai p ke persamaan (*) sehingga didapat:
Ternyata, energi kinetik elektron yang didapatkan memiliki orde
100, sehingga dapat dipastikan bahwa nilai energi kinetik elektron
akan bertambah besar bila nilai momentum elektron lebih besar dari
nilai p atau (p > p). Sesuai dengan konsep ketidakpastian maka
seharusnya energi kinetik elektron sekurang-kurangnya 20 MeV. Namun
elektron yang terpancar pada peluruhan beta hanya berenergi 2 atau
3 MeV. Satu orde besar lebih kecil dari energi yang seharusnya
dimiliki jika elektron berada dalam inti.
Dari uraian di atas telah jelas menunjukkan bahwa proton yang
memiliki massa lebih besar dari elektron lebih pantas berada di
dalam inti daripada elektron. Oleh karena energi massa diam proton
sebesar 938 MeV, ini menunjukkan bahwa proton yang berada di dalam
inti memiliki energi kinetik sekitar 2-3 MeV, yang mana hasil ini
sesuai dengan hasil eksperimen yang telah didapatkan.
Berdasarkan pengujian terhadap ketiga hal tersebut di atas
yaitu: momentum anguler inti atom, momen magnetik dan mekanika
gelombang didapatkan bahwa hipotesis proton-elektron tidak mampu
menjelaskan keberadaan struktur inti atom yang mantap. Sehingga
gagallah hipotesis proton-elektron untuk menjelaskan keberadaan
inti atom.2.3 Penemuan tentang Neutron
Ketidakmapanan hipotesis proton-elektron dalam menjelaskan
keberadaan struktur inti atom menyebabkan para ilmuwan kembali
mengadakan eksperimen untuk mendapatkan hasil yang lebih memuaskan
dan mapan dalam menjelaskan kemantapan suatu atom. Oleh karena itu,
pada tahun 1920, Rutherford sudah mulai mengidentifikasikan
keberadaan neutron dalam inti atom. Ia menyatakan bahwa neutron
merupakan kombinasi tertutup proton dan elektron. Eksperimen
Rutherford mengenai hal tersebut menjadi cikal bakal bagi penemuan
neutron oleh Chadwik pada tahun 1932.Adapun sejarah penemuan
neutron akan diuraikan sebagai berikut. Pada tahun 1930, fisikawan
Jerman W. Bothe dan H. Becker menembaki berilium dengan partikel
alfa dari sampel polonium dan menemukan bahwa ada pancaran radiasi
yang mampu menembus bahan-bahan dengan mudah. Both dan Becker
meyakinkan bahwa radiasi ini bukan merupakan partikel bermuatan,
dan menganggapnya bahwa radiasi itu ialah sinar gamma (gelombang
elektromagnetik yang panjang gelombangnya sangat kecil). Kemampuan
radiasi untuk menembus timbal yang tebalnya beberapa sentimeter
tanpa terabsorbsi menyatakan bahwa sinar gamma memiliki panjang
gelombang sangat kecil.
Adapun sifat-sifat radiasi tersebut adalah:
a. Memiliki energi yang besar
b. Dapat menembus selembar bahan yang tebal
c. Tidak dapat mengionisasi
d. Tidak dapat menimbulkan jejak pada chamber awan
e. Tidak dipengaruhi oleh medan listrik dan magnetikUntuk sifat
pada point (a) dan (b) menunjukkan bahwa partikel memiliki energi
yang besar sedangkan point (c), (d) dan (e) menunjukkan sifat-sifat
partikel tidak bermuatan. Ketika partikel alfa (memiliki energi
kinetik K sebesar 5,7 MeV) dari polonium ditembakkan pada
berillium, reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.
dimana tanda (*) mengindikasikan bahwa atom karbon tersebut
belum stabil. Partikel alfa dan bergabung membentuk yang
menghasilkan atom karbon stabil dan energi foton sebesar . Besarnya
energi foton yang dihasilkan dapat diketahui melalui perhitungan
sebagai berikut. Cari dulu energi yang dihasilkan akibat adanya
pengurangan massa pada reaksi tersebut.
Jadi, energi foton yang dihasilkan dari reaksi tersebut sebesar
14 MeV, energi ini cukup besar bila dihasilkan dari radiasi
tersebut sehingga sangat tidak mungkin bila energi ini dihasilkan
dari sinar gamma pada unsur radioaktif alamiah.Fisikawan lain pun
tertarik pada radiasi ini, dan sejumlah eksperimen dilakukan untuk
menentukan sifat-sifatnya secara terinci. Dalam salah satu
eksperimen semacam itu, Irene Curie dan F. Joliot mengamati bahwa
jika radiasi tersebut jatuh pada lempengan parafin, bahan yang kaya
hidrogen, protonnya terpukul keluar. Sepintas hal ini tidak
mengejutkan, sinar-X dapat memberikan energinya pada elektron dalam
tumbukan Compton, dan tidak ada alasan mengapa sinar gamma yang
memiliki panjang gelombang kecil tidak dapat memberikan energinya
pada proton dalam proses yang sama.
Curie dan Joliot melakukan eksperimen dengan meletakkan parafin
(materi yang banyak mengandung hidrogen) diantara sumber radioaktif
alamiah yaitu polonium dengan pengionisasi chamber. Hasilnya,
proton terlempar keluar sejauh 40 cm pada chamber tersebut.
Kemudian percobaan ini diujikan lagi pada material yang mengandung
nitrogen, hasilnya mereka menemukan bahwa energi rekoil proton
sampai sekitar 5,7 MeV dan nitrogen sebesar 1,4 MeV.
Berdasarkan gambar di atas, jika radiasi yang tidak diketahui
tersebut diasumsikan sebagai sebuah foton berenergi tinggi sehingga
mengakibatkan adanya tumbukan antara foton dengan inti dan tumbukan
ini diperlakukan sebagai tumbukan Compton. Bila energi foton yang
datang sebesar maka besarnya energi foton yang terhambur akibat
bertumbukan dengan inti bermassa m yaitu dapat ditentukan melalui
persamaan berikut.
dengan adalah sudut yang dibentuk oleh foton terhambur dengan
arah foton datang (lihat gambar 10). Sedangkan energi inti rekoil
bermassa m dapat ditentukan melalui persamaan berikut.
Energi maksimum inti rekoil dapat ditentukan dengan
mensubstitusikan nilai = 180o maka nilai cos = -1. Sehingga
persamaan di atas menjadi:
Oleh karena, energi rekoil proton dan nitrogen telah diketahui
maka sangat mungkin untuk menentukan energi foton datang atau
energi dari radiasi yang tidak diketahui tersebut yaitu .
Berdasarkan persamaan (**), Curie dan Joliot menemukan bahwa energi
foton datang, , yang diperlukan untuk mentransfer energi kinetik
proton (Kp) adalah sebesar 55 MeV. Sedangkan untuk nitrogen adalah
sebesar 90 MeV. Padahal energi dari radiasi yang tidak diketahui
tersebut adalah 12 MeV. Hasil yang didapat ini sangat mengherankan
karena radiasi nuklir yang telah diketahui hingga saat ini tidak
sampai memiliki energi sebesar itu. Pada tahun 1932, James
Chadwick, rekan Rutherford berhasil memberikan penjelasan yang
lebih mantap mengenai radiasi yang tidak diketahui tersebut yang
mampu menjawab teka-teki tersebut. Pada percobaannya, ia tetap
menggunakan asumsi dasar Rutherford yang menyatakan neutron
merupakan kombinasi tertutup proton dan elektron. Chadwick
menganggap bahwa radiasi yang tidak diketahui tersebut merupakan
partikel tidak bermuatan yang memiliki sifat-sifat yaitu: tidak
dapat mengionisasi, tidak dapat menimbulkan jejak pada chamber
awan, dan tidak dipengaruhi oleh medan listrik dan magnetik. Ia
juga menyatakan bahwa radiasi tersebut bukan radiasi kuantum
artinya radiasi tersebut terdiri dari partikel-partikel yang
massanya sebanding dengan massa proton. Dengan mengkombinasikan
data mengenai energi rekoil proton dan nitrogen maka didapatkan
bahwa massa neutron hampir sama dengan massa proton. Massa partikel
tersebut dapat dicari dengan mengganggap bahwa tumbukan yang
terjadi adalah tumbukan berhadapan (head-on) antara partikel
bermassa m1 dengan kecepatan u dengan partikel bermassa m2 yang
diam. Kecepatan kedua partikel setelah bertumbukan adalah u1 dan u2
(perhatikan gambar 12).
Karena tumbukan yang terjadi adalah head-on maka dalam peristiwa
tumbukan tersebut berlaku hukum kekekalan energi dan momentum.
Sehingga:
Substitusi persamaan (2) ke persamaan (1) maka didapat:
Bila persamaan (3) diterapkan pada proton dan elektron maka
didapatkan kecepatan maksimum up dan uN , dengan m1 adalah massa
neutron yang akan disimbolkan dengan m, sedangkan m2 merupakan
massa proton atau nitrogen, yang mana massa proton adala 1 amu dan
nitrogen adalah 14 amu. Sehingga persamaannya akan menjadi sebagai
berikut:
Berdasarkan persamaan (4) dan (5), kita dapart mencari massa
neutron:
Nilai up dan uN yang dicantumkan didapatkan dari hasil
eksperimen. Adapun massa neutron yang didapatkan berdasarkan cara
di atas memiliki kesalahan sebesar 10%. Akan lebih baik bila
menentukan massa neutron melalui reaksi berikut.
Massa neutron yang didapatkan melalui cara ini adalah berkisar
antara (1,005 dan 1,008) amu. Adapun massa neutron yang didapatkan
adalah (1,008982 0,000003) amu.
Dengan menggunakan asumsi bahwa radiasi yang tidak diketahui itu
adalah neutron yang massanya hampir sama dengan proton maka reaksi
antara partikel alfa dengan dapat ditulis menjadi:
Efek pengurangan massa yang terjadi adalah:
bila nilai tersebut dijumlahkan dengan energi kinetik partikel
alfa sebesar 5,3 MeV maka didapatkan energi yang tersedia sebesar
11 MeV. Ini dapat digunakan untuk menghitung energi rekoil atom
lainnya seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.
Bila tumbukan yang terjadi bukan tumbukan head-on, maka energi
kinetik K2 yang ditransfer ke m2 oleh partikel m1 dan energi
kenetik K ditentukan melalui persamaan berikut.
dengan dan adalah sudut yang dibentuk oleh m2 dengan arah awal
partikel m1, dengan mensubstitusikan nilai = 180o maka nilai cos2 =
1. Sehingga energi maksimum rekoil menjadi:
Untuk proton nilai sedangkan nitrogen nilai , maka dan Sehingga
untuk mendapatkan nilai dan nilai maka nilai K haruslah sebesar 5,7
MeV. Sehingga dapat dinyatakan bahwa keberadaan neutron sebagai
partikel tak bermuatan yang memiliki massa hampir sama dengan
proton adalah benar.2.4 Hipotesis Proton-NeutronTelah dibuktikan
sebelumnya bahwa hipotesis proton-elektron mengenai inti atom tidak
mampu menjelaskan hasil-hasil eksperimen yang telah didapatkan.
Kesalahan utamanya terletak pada asumsi yang menyatakan bahwa
elektron berada di dalam inti atom. Sebelum adanya penemuan
neutron, tidak ada alternatif lain untuk menghitung banyaknya
muatan yang terdapat di dalam inti atom kecuali dengan menggunakan
prinsip bahwa adanya sejumlah A-Z elektron di dalam inti yang
menetralisasikan muatan sebesar A-Z proton. Akhirnya, dengan adanya
penemuan neutron mengubah paradigma tersebut. Pada tahun 1932,
Heisenberg menyarankan bahwa ada partikel baru yang disebut neutron
yang menjadi dasar dari semuanya itu. Menurutnya, semua inti atom
tersusun oleh proton dan neutron, dan tidak ada elektron di
dalamnya. Sebagai akibatnya, massa neutron hampir sama dengan
proton, dan tidak bermuatan. Sehingga massa inti atom sama dengan
massa proton ditambah dengan massa neutron yang ada di dalam inti
tersebut, sedangkan muatannya sama dengan total muatan proton yang
ada di dalam inti atom. Nama nukleon diberikan pada proton atau
neutron. Setelah ditemukannya neutron maka hipotesis
proton-elektron digantikan dengan hipotesis proton-neutron yang
menyatakan bahwa:
Atom terdiri dari inti atom, yang mana inti atom tersusun oleh
proton dan neutron. Pada inti atom terdapat Z proton dan A-Z
neutron
Neutron tidak bermuatan sehingga muatan inti sama dengan total
muatan proton yang ada di dalam inti tersebut.
Berikut ini disajikan tabel mengenai sifat proton, neutron dan
elektron.Tabel 1.
Beberapa besaran dari neutron, proton dan elektron
BesaranNeutronProtonElektron
Massa1,008982 amu1,00759 amu1/1837 amu
Muatan0+e-e
Spin1/21/21/2
Momen magnetik-1,9135
+2,7927
-1,0021
Faktor g-3,835,592
Berdasarkan tabel di atas dapat dinyatakan bahwa neutron, proton
dan elektron memiliki spin . Meskipun neutron tidak bermuatan
tetapi ia memilki nilai momen magnetik negatif, ini menandakan
bahwa vektor momen magnetik dan spin neutron berlawanan arah. Model
proton-neutron ini mampu menjelaskan semua hal yang tidak mampu
dijelaskan oleh hipotesis proton-elektron. Contohnya, bila terdapat
A partikel di dalam inti yang masing-masing partikel memilki spin ,
maka secara teori inti dengan nomor massa genap harus memiliki spin
bilangan bulat, sedangkan inti dengan nomor massa ganjil harus
memiliki spin setengah bilangan bulat. Pertama, berdasarkan
hipotesis proton-neutron, untuk memiliki 7 proton, 7 neutron dan 14
partikel di dalam intinya sehingga nitrogen memiliki spin berupa
bilangan bulat. Prediksi ini cocok dengan hasil eksperimen yang
mendapatkan spin adalah 1. Kedua, menurut hipotesis proton-neutron,
tidak ada elektron di dalam ini atom sehingga tidak perlu
mungharapkan momen magnetik inti sama dengan magneton Bohr. Dengan
kata lain, momen magnetik nuklir sama dengan magnetik nuklir. Ini
sesuai dengan hasil eksperimen yaitu . Selain itu, menurut prinsip
ketikpastian Heisenberg karena massa neutron hampir sama dengan
massa proton maka sangat mungkin neutron berada di dalam inti
atom.BAB IIIPENUTUP
3.1 Simpulan
Berdasarkan uraian di atas maka dapat disimpulkan beberapa hal
sebagai berikut.1. Beragamnya pendapat ahli tentang teori atom
terjadi seiring berkembangnya eksperimen para ahli sehingga
memberikan penjelasan yang kurang jelas mengenai inti atom. Dalam
hal ini Rutherford memberikan penjelasan yang lebih jelas tentang
konsep inti atom. Dia berpandangan bahwa sebagian besar massa dan
muatan positif atom terkonsentrasi pada sebuah volume yang sangat
kecil yang dinamakan inti atom, sedangkan ruang yang lainnya di
dalam atom hampir kosong. Dan keseluruhan atom adalah netral.2.
Atom terdiri dari sebuah inti, dengan proton A dan elektron A-Z,
dengan sebuah muatan positif total Z dan inti diasumsikan
dikelilingi oleh elektron Z untuk membentuk atom yang netral.
Hipotesis proton-elektron mengalami kegagalan karena tidak mampu
menjelaskan struktur Hyperfine, ditemukan bahwa inti atom memiliki
momentum sudut atau spin berdasarkan garis Spektrum yang apabila
dihubungkan dengan momen magnet.
3. Ditemukannya Neutron diawali dengan penembakan partikel alpha
terhadap unsur radioaktif dan memiliki sifat memiiki energi yang
besar, dapat menembus selembar bahan yang cukup tebal, tidak dapat
mengionisasi, tidak dipengaruhi oleh medan listrik, dan tidak
menimbulkan jejak pada chamber awan. Neutron merupakan suatu bentuk
interaksi tertutup antara proton elektron. Neutron adalah partikel
yang tidak memiliki muatan. Jika netron dengan kecepatan tinggi
dapat menembus inti atom, ia dapat mengeluarkan proton.
4. Hipotesis proton-neutron pertama kali digunakan oleh
Heisenberg tahun 1932. Heisenberg megemukakan bahwa jumlah total
partikel dasar dalam A dari inti yang berat atomnya mendekati Z dan
jumlah neutron A-Z. Neutron memiliki spin setengah bulat yaitu
1/2h/2(. Sesuai aturan bahwa neutron dan proton akan merupakan
bilangan bulat atau setengah bulat kelipatan dari h/2( sesuai
dengan A genap maupun ganjil.
3.2 SaranMelalui pemahaman mengenai inti atom maka diharapkan
kita sebagai calon pendidik nantinya mampu mentransfer ilmu yang
telah kita miliki kepada anak didik dengan baik. Sehingga sangat
perlu untuk memperdalam lagi pemahaman kita mengenai materi
tersebut.DAFTAR PUSTAKAAllya. . Physics Nuclear. Beiser,
Arthur.1999. Konsep Fisika Modern Edisi Keempat. Jakarta: Penerbit
Erlangga.
Kanginan, Marthen. 2002. Fisika Untuk SMA Kelas XII. Jakarta:
Penerbit Erlangga.
Gambar (1)
-
-
-
+
-
+
+
+
Gambar (2)
+
-
-
-
-
-
-
EMBED Equation.3
I, I-1, I-2, I-3, , -(I-3), -(I-2), -(I-1), -I
F = J + I
F
J
I
Gambar (3)
2I+1 bila I< J
2J+1 bila J< I
Untuk A ganjil, I = EMBED Equation.3
Untuk A genap, I = 0, 1, 2, 3, 4, .....
EMBED Equation.3
H
EMBED Equation.3
Gambar (4)
Gambar (5)
EMBED Equation.3
mI = 3
2
1
0
-1
-2
-3
polonium
Berillium
radiasi
Gambar (6)
polonium
Berillium
timbal
Gambar (7). Partikel alfa yang jatuh pada selaput berillium
menyebabkan adanya pancaran radiasi yang memiliki daya tembus yang
besar sehingga dapat menembus timbal.
radiasi
polonium
Berillium
parafin
Gambar (8). Proton berenergi hingga 5,7 MeV terlempar keluar
bila radiasi tersebut dijatuhkan pada lempengan parafin
radiasi
Proton 5,7 MeV
Gambar (9). Jika radiasi tersebut adalah sinar gamma, maka
energinya sekurang-kurangnya harus sebesar 55 MeV.
Sinar gamma
parafin
55 MeV
Gambar (10). Jika radiasi itu terdiri dari partikel netral yang
massanya hampir sama dengan massa proton, maka energinya tidak
melebihi 5,7 MeV.
Neutron
parafin
5,7 MeV
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
diam
Inti rekoil terhambur
Gambar (11)
diam
m2 u2
Gambar (12)
m1 u1
m1 u
m2
PAGE 14
Created by Widiarini
_1284477466.unknown
_1284482156.unknown
_1284570973.unknown
_1284661872.unknown
_1288961266.unknown
_1288962228.unknown
_1288962290.unknown
_1288961322.unknown
_1284662052.unknown
_1284662151.unknown
_1284662657.unknown
_1284662128.unknown
_1284662037.unknown
_1284572055.unknown
_1284573324.unknown
_1284573360.unknown
_1284573486.unknown
_1284575370.unknown
_1284575707.unknown
_1284573380.unknown
_1284573344.unknown
_1284573094.unknown
_1284573206.unknown
_1284573012.unknown
_1284571377.unknown
_1284571924.unknown
_1284571295.unknown
_1284487270.unknown
_1284563612.unknown
_1284566289.unknown
_1284570016.unknown
_1284566073.unknown
_1284489101.unknown
_1284562162.unknown
_1284562305.unknown
_1284530981.unknown
_1284487288.unknown
_1284487309.unknown
_1284487205.unknown
_1284487230.unknown
_1284482696.unknown
_1284480829.unknown
_1284481909.unknown
_1284481920.unknown
_1284481558.unknown
_1284481803.unknown
_1284480887.unknown
_1284480605.unknown
_1284480621.unknown
_1284479672.unknown
_1284480322.unknown
_1284478154.unknown
_1284456852.unknown
_1284476135.unknown
_1284476937.unknown
_1284477390.unknown
_1284476639.unknown
_1284476794.unknown
_1284475598.unknown
_1284475885.unknown
_1284475429.unknown
_1284475438.unknown
_1284457237.unknown
_1284372163.unknown
_1284447564.unknown
_1284455594.unknown
_1284455922.unknown
_1284449291.unknown
_1284372189.unknown
_1284369675.unknown
_1284369765.unknown
_1284370783.unknown
_1284369030.unknown
_1284361793.unknown
