modul 6 kb 4 -...
TRANSCRIPT
MODUL 6 KB 4
DAR 2/Profesional/184/024/2018
PENDALAMAN MATERI FISIKA
MODUL 6 KB 4 : FISIKA INTI DAN RADIOAKTIVITAS
Penulis : Dr. Ign. Edi Santosa, M.Si.
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN
KEMENTERIAN RISET, TEKNOLOGI, DAN PENDIDIKAN TINGGI
2018
-
- iv -
DAFTAR ISI
A. Pendahuluan 1
B. Capaian pembelajaran 1
C. Petunjuk pemakaian 1
D. Materi pembelajaran 2
1 Tenaga ikat inti 2
2 Kestabilan inti 12
3 Reaksi inti 18
4 Proteksi radiasi 28
E. Rangkuman
- v -
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 1 -
A. PENDAHULUAN
Modul Fisika Inti dan Radioaktvitas ditujukan agar mahasiswa menguasai
konsep-konsep dalam Fisika Inti secara mendalam. Materi yang dipelajari
meliputi ekeperimen hamburan sinar alpha yang menjadi dasar penemuan inti,
tenaga ikat inti, kestabilan inti, reaksi inti dan proteksi radiasi. Selain penjelasan,
modul ini juga disertai dengan video agar para mahasiswa dapat langsung melihat
fenomenanya. Untuk mendalami materi contoh soal juga diberikan di bagian
materi ajar. Selanjutnya mahasiswa dapat berlatih soal secara mandiri melalui
bagian tes formatif. Acuan yang diberikan di bagian belakang ditujukan bagi
mahasiswa yang akan mempelajari materi ini lebih lanjut.
Modul ini erat hubungannya dengan modul Teori Atom, dan Teori
Relativitas Khusus. Untuk itu para mahasiswa perlu mempelajari modul-modul
tersebut terlebih dahulu. Pada bagian akhir modul ini juga diseertakan Test
Sumatif, yang juga meliputi materi dalam modul-modul tersebut.
B. CAPAIAN PEMBELAJARAN
Menguasai konsep-konsep teoretis fisika modern (kuantum) secara mendalam
dengan sub capaian pembelajaran
1. menguasai peristiwa hamburan sinar alpha dengan benar
2. menguasai konsep tenaga ikat inti dengan benar
3. menguasai konsep kestabilan inti dengan benar
4. menguasai reaksi inti dengan benar
5. memahami proteksi radiasi dengan benar
C. PETUNJUK PENGGUNAAN
1. Materi dalam modul ini dibagi dalam empat topik yaitu hamburan partikel
alpha, tenaga ikat inti, kestabilan inti dan reaksi inti, serta proteksi radiasi.
2. Untuk dapat memahami materi pada setiap topik, mahasiswa perlu
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 2 -
- mempelajari bahan yang disediakan dalam “buku ajar” yang berupa
uraian materi dan contoh soal
- mendalami materi dalam video yang disediakan
3. Mahasiswa dapat lebih mendalami dan memperkaya materi dari sumber
pustaka / acuan yang digunakan
4. Mahasiswa perlu mengerjakan tes formatif di bagian akhir modul untuk
mengetahui tingkat pemahaman.
5. Pada bagian akhir juga disediakan tes sumatif yang meliputi bahan pada
modul 21, 22, 23 dan 24.
D. MATERI PEMBELAJARAN
1. Tenaga Ikat Inti
1.1. Perkembangan fisika inti
Selamat datang di bagian awal materi fisika inti. Apa yang anda
bayangkan ketika mendengar kata fisika inti. Mungkin anda lebih kenal dengan
fisika nuklir. Mungkin kita langsung teringat dengan bom nuklir, pusat listrik
tenaga nuklir (PLTN). Mungkin juga langsung terlintas di benak kita bagaimana
sebenarnya PLTN tersebut bekerja, apa bahayanya,. Memang benar hal-hal
tersebut terkait dengan fisika inti atau yang juga dikenal sebagai fisika nuklir.
Sebetulnya tak ada masalah apakah kita menggunakan fisika inti atau fisika
nuklir. Tetapi selanjutnya kita akan menggunakan fisika inti. Untuk mengetahui
dan memahami hal-hal yang terkait dengan inti, kita akan mulai dengan
mempelajari ulang perkembangan bidang fisika inti terlebih dahulu.
Radioaktivitas pertama kali diamati oleh Becquerel. Dia meletakan
uranium pada pelat foto yang belum diproses. Ketika pelat foto tersebut diproses
dia melihat adanya citra / gambar. Dari mana datangnya ini? Biasanya citra foto
terbentuk bila pelat film disinari. Karena itu dia memandang bahwa uraniumnya
memancarkan sinar khusus. Kejadian ini menjadi tonggak pertama fisika inti.
Tonggak berikut dilanjutkan oleh dengan Piere Curie, Marie Curie yang berhasil
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 3 -
mengisolasi zat radioaktif yang kemudian dinamai Polonium, yang mengacu pada
tanah kelahiran Marie Curie yaitu Polandia. Pada tahun 1905, Einstein
menyatakan adanya kaitan massa dan tenaga. Hubungan ini nanti diterapkan pada
inti atom untuk mendapatkan tenaga yang sangat besar. Daftar ini dapat
dilanjutkan dengan penemuan inti atom oleh Rutherford pada tahun 1911. Melalui
percobaan hamburan partikel alpha, Rutherford menunjukkan adanya inti atom.
Pengamatan terhadap sinar radioaktif dapat berkembang karena
ditemukannya perangkat deteksinya seperti kamar kabut Wilson dan tabung
Geiger Muller. Selain itu penelitian selanjutnya bahkan dapat menemukan
penyusun inti yaitu proton dan neutron. Reaksi pembelahan inti dipraktekan oleh
Hahn dan Strassmann pada tahun 1939. Melalui proses pembelahan ini diperoleh
tenaga yang sangat besar. Hal ini kemudian diterapkan untuk tujuan
memenangkan perang dengan pembuatan bom nuklir. Sebuah bom yang maha
dahsyat, karena besarnya tenaga yang luar biasa, sehingga menghancurkan sebuah
kota. Penerapan pembelahan inti untuk maksud damai ditunjukkan dalam
pembangkit listrik tenaga nuklir. Perkembangan ini dirangkum di bagian bawah.
1. 1896 H.A Becquerel : menemukan radiokativitas
2. 1898 Piere Curie, Marie Curie : isolasi Radium
3. 1905 Einstein : ekuivalensi massa dan tenaga
4. 1911 Rutherford : penemuan inti atom
5. 1912 Wilson : kamar kabut: jejak sinar radioaktif
6. 1919 Rutherford : transmutasi
7. 1928 Geiger dan Muller : tabung GM: deteksi radiasi
8. 1931 Van de Graaff : accelerator elektrostatik
9. 1932 Chadwick : penemuan neutron
10. 1932 Heisenberg : inti terdiri dari proton dan neutron
11. 1939 Hahn dan Strassmann : penemuan fisi inti
12. 1942 Fermi et al. : reaktor nuklir pertama
13. 1945 : Bom nuklir
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 4 -
1.2. Eksperimen hamburan sinar alpha
Kita sudah membicarakan tentang inti pada modul sebelumnya. Mari kita
lihat sebentar tentang penemuan inti. Seperti yang sudah dibahas di modul 23
Teori Atom, pada tahun 1911, Rutherford bersama Geiger dan Marsden
melakukan eksperimen hamburan sinar alpha. Peralatan yang digunakan meliputi
sumber radioaktif pemancar sinar alpha, keping tipis emas, detektor alpha.
Sumber radioaktif memancarkan sinar alpha. Setelah melalui kolimator sinar
alpha akan terarah ke keping tipis emas. Untuk mengetahui keberadaan sinar
alpha digunakan detektor sintilator. Hasil pengamatannya sangat mengejutkan,
karena ternyata sinar alpha terdeteksi di berbagai tempat, tidak hanya persis pada
arah sinar datang. Bahkan sinar alpha juga terdeteksi berbalik arah.
Bagaimana hal itu dapat dijelaskan? Kalau kita memandang atom seperti roti
kismis, ingat modelnya Thomson, maka kita akan mendapatkan partikel alpha
hanya pada satu tempat saja, sesuai arah sinar alpha datang. Hal ini dapat kita
bayangkan seperti peluru yang ditembakan pada selembar kertas. Tetapi
kenyataannya tidak demikian. Mengapa demikian? Sinar alpha sesungguhnya
adalah inti Helium, sehingga massanya besar sekali, jauh lebih besar dari massa
elektron. Selain itu sebagai inti helium, partikel alpha ini bermuatan positip.
Karena itu Rutherford memandang bahwa muatan positip di dalam atom dan
sebagian besar massa atom mengumpul di inti atom. Inti inilah yang
menghamburkan partikel alpha. Dari hasil eksperimen tersebut selanjutnya
Rutherford menyatakan model atomnya sebagai berikut
Atom terdiri dari inti yang dengan muatan + Ze
dan elektron dengan muatan -Ze yang mengelilingi inti
Model ini sudah lebih baik dari model sebelumnya yang telah dikemukakan oleh
Thomson. Kita tidak akan membicarakan model atom ini lebih lanjut di sini. Hal
ini sudah dibahas dalam modul khusus Teori Atom. Sekarang kita akan lebih
mendalami hal yang terkait langsung dengan inti.
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 5 -
Proses hamburan sinar alpha oleh inti atom ditunjukkan pada gambar 1.1.
Partikel alpha dengan tenaga kinetik K datang mendekati inti dengan parameter b.
Karena inti bermuatan positip dan partikel alpha juga bermuatan positip, maka
partikel alpha akan megalami gaya tolak. Besarnya tolakan akan tergantung pada
jarak antara partikel alpha dan inti. Semakin jauh dari inti (semakin besar nilai b)
gaya tolak semakin kecil. Dari analisa gaya interaksi ini didapatkan bahwa
partikel alpha akan dihamburkan dengan sudut yang nilainya mengikuti
persmaan
beZ
Ko
2
4
2cot
(1.1)
dengan : permitivitas
e : muatan elektron
Gambar 1.1. Hamburan partikel alpha oleh inti atom
Dari hamburan ini dapat diperkirakan ukuran inti dengan menghitung jarak
pendekatan terpendek. Dari analisa parameter hamburan didapatkan bahwa jarak
ini untuk atom emas adalah
mR 14103
b
Inti atom
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 6 -
Jari-jari inti atom tergantung jenis atomnya. Inti dengan nomor massa A
mempunyai jari-jari sebesar
3/1ARR o (1.2)
dengan nilai
mxRo15102,1 (1.3)
1.3. Tenaga ikat inti
Seperti sudah disampaikan di depan, model atom Rutherford menyebutkan
muatan inti sebesar +Ze. Penelitian-penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa
inti mempunyai bagian yang lebih kecil yaitu proton dan neutron. Proton
bermuatan +e, sedang neutron tidak bermuatan. Notasi untuk sebuah inti X adalah
sebagai berikut
𝑋𝑍𝐴 (1.4)
atau lebih lengkap menjadi
𝑋𝑍𝐴
𝑁 (1.5)
dengan
X: nama unsur
A: nomor massa
Z: nomor atom=jumlah proton
N: jumlah neutron
dan jumlah nukleon sebanyak
A = Z + N (1.6)
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 7 -
Contoh untuk inti oksgen dltuliskan
18
8O berarti A=18
Z=8
N = 10
Beberapa kekhususan dari inti
1. Isotop
Inti-inti yang memiliki jumlah proton (Z) sama, tetapi jumlah
neutronnya (N) berbeda
Isotop hidrogen hidrogen :11H
deuterium : d : 21
21H
tritiumH :31
Ketiganya mempunyai 1 buah proton
Isotop karbon dengan 6 buah proton
CCC 146
136
126
Isotop oksigen dengan 8 buah proton:
168O8,
178O9, dan 18
8O10
2. Isotone:
Inti-inti yang memiliki jumlah neutron (N) sama tetapi dengan A dan Z
berbeda
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 8 -
Isotone dengn N=10:
177N10,
188O10, dan 19
9F10
3. Isobar:
Inti-inti yang memiliki A sama, tetapi Z dan N berbeda
Isobar dengan A=18 :
187N11,
188O10, dan 18
9F9
Partikel penyusun inti memiliki nilai besaran seperti massa, muatan dan spin.
Massa dinyatakan dalam satuan amu (atomic mass units) atau u dengan nilai
1 𝑎𝑚𝑢 =1
12( 𝑀 𝐶12 ) = 1,6605 × 10−27 𝑘𝑔
Nilai massa, muatan dan spin untuk proton, neutron dan elektron disajikan dalam
tabel 1 sebagai berikut
Tabel 1. Muatan, massa dan spin penyusun atom
Muatan massa (u) spin (h/2)
Proton e 1,007276 ½
Neutron 0 1,008665 ½
Elektron -e 0,000549 ½
dengan besar muatan e = 1,6022 x 10-19 C
Tenaga ikat (BE) suatu inti X
NAZ X
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 9 -
Inti tersebut bermassa Minti dan terdiri dari Z proton masing-masing bermassa mp
dan N neutron masing-masing bermassa mn. Kalau kita perhatikan baik-baik inti
terdiri dari beberapa muatan positip. Bagaimana mungkin mereka tidak tersebar
karena saling tolak menolak? Semua penyusun inti diikat dengan tenaga ikat
(Binding Energy BE). Besarnya tenaga ikat inti (BE) sama dengan selisih antara
massa inti M dengan massa Z proton dan massa N neutron mengikuti persamaan
𝐵𝐸 = ( 𝑍 𝑚𝑝 + 𝑁 𝑚𝑛 − 𝑀𝑖𝑛𝑡𝑖)𝑐2 (1.7)
Seperti yang sudah kita pelajari pada modul Teori Relativitas Khusus, terdapat
ekuivalensi massa dengan tenaga mengikuti
E = m c2 (1.8)
untuk m = 1 u
tenaganya 𝐸 = 1,6605 × 10−27 𝑘𝑔 × (3 × 108 𝑚/𝑠)2
𝐸 = 1,6605 × 10−27 𝑘𝑔 × (3 × 108 𝑚/𝑠)2
𝐸 = 14,9445 × 10−11 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒
E = 931,502 M eV
Konversi massa dengan tenaga menjadi
1 u = 931,5 MeV/c2 (1.9)
Massa inti juga dapat dinyatakan dalam massa atom X mengikuti persamaan
Minti = Matom AX - Z me (1.10)
dengan: Matom AX : massa atom
me : massa elektron
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 10 -
Kita masukkan persamaan (1.10) ke dalam persamaan (1. 7) menghasilkan
BE = { Z mp + N mn – [ Matom AX - Z me ] } c2 (1.11)
Dengan mengelompokkan
{ Z mp + Z me } = Z Matom (1H)
persamaan (1.11) akan menjadi
BE = { Z Matom (1H) + N mn – Matom AX } c2 (1.12)
Contoh soal 1
Diketahui m(1H) = 1,007825037 u
m(2H) = 2,014101789 u
m (n) = 1,008666258 u
maka tenaga ikat proton dan neutron membentuk inti deuterium adalah
BE = [m(1H) + m(n) – m(2H)] c2
= [2,389506 x 10-3 u ] [931,5 MeV/ u]
= 2,225 MeV
Contoh soal 2
Hitunglah massa dari 3 proton dan 3 neutron yang membentuk
a. 6 buah nukleon yang terpisah
b. 1 inti 4He dan 1 inti 2H
c. 1 inti 6Li
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 11 -
Bila massa
massa 4He = 4,003873 u massa 2H = 2,014735 u
massa 6Li = 6,017021 u massa neutron = 1,008982 u
massa 1H = 1,008142 u
Maka massa untuk soal di atas adalah
a. massa 6 buah nukleon yang terpisah
3 x 1,008142 u + 3 x 1,008982 u = 6,051372 u
b. massa 1 inti 4He dan 1 inti 2H
4,003873 u + 2,014735 u = 6,018608 u
c. massa 1 inti 6Li = 6,017021 u
inti 6Li paling stabil
untuk mengubah 6Li menjadi 1 inti 4He dan 1 inti 2H diperlukan tenaga
E = ( 6,018608 u – 6,017021 u ) c2
= (0,00159 u ) (931,5 MeV/ u)
E= 1,48 MeV
Anda juga dapat mengikuti pembahasan di atas melalui video 1 di bawah.
Jalankan video ini dengan mengklik ikon di bawah.
Video 1. Inti atom
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 12 -
2. Kestabilan Inti
Pada bagian di depan kita sudah membahas penyusun inti dan tenaga yang
mengikatnya. Sekarang kita akan melanjutkannya dengan bagaimana proporsi
penyusun inti akan mempengaruhi sifat inti itu sendiri. Hal ini ditunjukkan dalam
gambar 2.1. Gambar tersebut menunjukkan inti-inti yang stabil. Inti yang stabil
berada pada garis kestabilan. Pada inti yang kecil, garis ini mendekati garis lurus
Z=N. Inti yang tidak stabil berada di area shading, di atas / di bawah garis
kestabilan. Pada kondisi ini inti yang tidak stabil dikarenakan kelebihan proton
atau kelebihan neutron. Agar menjadi inti yang stabil diperlukan konversi proton
menjadi neutron atau sebaliknya.
Inti yang tidak stabil akan meluruh dengan memancarkan sinar radioaktif
yang meliputi:
a. Sinar alpha: - merupakan inti helium
- partikel bermuatan positip
- jangkauan pendek
b. Sinar beta: - elektron
- partikel bermuatan negatif
- jangkauan sedang
c. Sinar gamma: - gelombang elektromagnetik, tenaga tinggi
- jangkauan jauh
Laju peluruhan radioaktif
sebanding dengan cacah inti radioaktif (N)
dan kebolehjadian inti akan meluruh tiap satuan waktu ()
dapat dituliskan menjadi
Ndt
dN (2.1)
tanda minus menunjukkan bahwa nilai N akan berkurang.
He42
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 13 -
Gambar 2.1. garis kestabilan inti
Persamaan (2.1) dapat diselesaikan sebagai berikut
tN
N
tNN
dtN
dN
dtN
dN
tN
N
0
0
0
ln
lnln
0 (2.2)
Akhirnya akan didapatkan
Kestabilan inti stabil
20
100
80
60
20
40
100806040 120
N=Z
Kaya
proton
Kaya
neutron
N
Ztak stabil
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 14 -
teN
N 0
(2.3)
atau
teNN 0 (2.4)
dengan
N0 adalah cacah inti pada saat t=0
Persamaan (2.4) dapat ditunjukkan dengan gambar 2.2. Dari gambar 2.2,
terlihat suatu gejala yang istimewa yaitu bahwa waktu untuk menjadi separuh
jumlah sebelumnya ternyata tetap. Hal ini tidak tergantung pada jumlah
absolutnya. Waktu paro T1/2 menunjukkan selang waktu yang diperlukan
untuk meluruh agar cacahnya menjadi separo cacah semula dari N0 menjadi
N0/2.
Gambar 2.2. Peluruhan inti tidak stabil
0 5 10 15 20 25
0
2
4
6
8
ca
ca
h (
N )
Waktu
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 15 -
Untuk T1/2 berlaku
2/10
0
0
2
TeN
N
teNN
(2.5)
atau
693,02ln
2
1
2/1
2/1
T
Te
(2.6)
Sehingga didapatkan
2ln2/1 T (2.7)
Sedang waktu hidup rata-rata mengikuti
1 (2.8)
Contoh soal 3
Tentukan waktu hidup rata-rata radon jika diketahui waktu parohnya adalah
T1/2 = 3,83 hari
161009,2
83,3
693,02ln
2/1
s
hariT
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 16 -
s61048,01
atau hariT
527,5693,0
2/1
Aktivitas (A) menunjukkan laju peluruhan tiap detik. Atau dapat dituliskan
Ndt
dNAktivitas (2.9)
Aktivitas pada saat t=0 mengikuti persamaan
(2.10)
Sedang aktivitas pada saat t menjadi
teAA 0 (2.11)
Satuan aktivitas adalah
1 becquerel : 1 Bq : 1 peluruhan tiap detik
1 curie : 1 Ci : 3,7 x 1010 peluruhan tiap detik
: 3,7 x 1010 Bq
Anda juga dapat mengikuti proses peluruhan alpha dan peluruhan beta dengan
memperhatikan video 2 dan video 3 di bawah. Jalankan video ini dengan
mengklik ikon di bawah. Anda juga dapat mendownload pada website: PHET.
https://phet.colorado.edu/in/simulation/legacy/alpha-decay
https://phet.colorado.edu/in/simulation/legacy/beta-decay
Video 2. Peluruhan alpha
00 NA
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 17 -
Video 3. Peluruhan beta
3. Reaksi Inti
Kita sudah mempelajari bahwa inti yang tidak stabil akan meluruh dan
memancarkan sinar radioaktif. Pada waktu membahas penemuan inti, sebetulnya
kita sudah menggunakan konsep inti yaitu Rutherford menggunakan inti Helium
untuk menembaki inti emas. Secara tidak langsung sebetulnya kita sudah
memasuki wilayah interaksi inti dengan inti. Apa yang sudah kita dapatkan?
Ternyata inti atom emas mempengaruhi lintasan inti helum (sinar alpha). Apakah
interaksi inti hanya demikian? Mari kita lanjutkan belajar tentang reaksi yang
terjadi di dalam inti.
Seperti halnya pada percobaan Rutherford, inti dapat ditembaki dengan
proton, neutron dan lainnya. Secara umum ketika sebuah inti X ditembaki dengan
partikel a akan dihasilkan inti baru Y dan partikel lain b. Hal ini dinyatakan dalam
diagram berikut
bYXa (3.1)
Persmaan (3.1) dapat dituliskan sebagai
X ( a , b ) Y (3.2)
Sebagai contoh pada tahun 1919 Rutherford membombadir nitrogen dengan sinar
mengikuti
Op 178
147 ),(N
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 18 -
Pada tahun 1930 Cockroft dan Walton menggunakan proton yang dipercepat
dalam reaksi
dapat dituliskan
Seperti contoh-contoh di depan, terdapat berbagai tipe reaksi inti.
Berdasarkan proyektil dan partikel yang dihasilkan dikenal adanya
1. Hamburan
proyektil sama dengan partikel yang teramati keluar
2. a. Pickup reaction
proyektil mendapat tambahan nukleon dari target
b. Stripping reaction
proyektil kehilangan nukleon
3. Compound reaction
proyektil dan target membentuk inti majemuk yang disusul dengan
peluruhan
Heip 42
73L
Hepi 42
73 ),(L
O158
31
21
168 )HH,(O
F189
21
42
168 )HHe,(O
*6430
6329 ZC nup
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 19 -
selanjutnya
Pada reaksi inti berlaku hukum kekekalan berikut
1. Hukum kekekalan tenaga
2. Hukum kekekalan momentum linear
3. Hukum kekekalan jumlah nukleon (jumlah proton dan neutron)
4. Hukum kekekalan momentum angular
5. Hukum kekekalan paritas
Nilai Q pada reaksi inti
Pada reaksi inti berlaku hukum kekekalan tenaga. Untuk reaksi
seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.1 berlaku
(3.3)
Didefinisikan nilai Q sebagai selisih tenaga diam awal dengan tenaga diam akhir
(3.4)
nZnn 10
6330
*6430Z
nnZn 10
10
6230
pnCu 10
6229
bYXa
bbYYaaXX TcmTcMTcmTcM 2222
2
2222
)(
)()(
cmMmMQ
cmcmcmcmQ
bYaX
bYaX
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 20 -
Gambar 3.1. reaksi inti
Nilai Q juga dapat dinyatakan sebagai selisih tenaga kinetik akhir dengan tanaga
kinetik awal
(3.5)
Nilai Q dapat bernilai positip maupun negatip
Perhatikan massa diam masing-masing adalah ma , MX,, mb , MY. Untuk target yang
diam maka kecepatan masing-masing menjadi va , vX= 0, vb , vY
Pada kondisi ini kita dapatkan nilai Q sebesar
(3.6)
a
b
X
Y
abY TTTQ
aXbY TTTTQ
awalakhir
akhirawal
TTatau
mmuntuk
exoergicdisebutQ
0
awalakhir
akhirawal
TTatau
mmuntuk
endoergicdisebutQ
0
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 21 -
Hukum Kekekalan momentum akan memberikan
(3.7)
Selanjutnya akan diperoleh
(3.8)
1.Untuk reaksi exoergic (Q >0)
bila proyektil dengan tenaga sangat rendah, neutron termal, dapat
dinyatakan
sehingga
2.Untuk reaksi endoergic
Pada reaksi ini diperlukan tenaga sebesar –Q. Tenaga minimum proyektil
(Ttreshold) agar reaksi dapat terjadi mengikuti
Contoh soal 4: reaksi inti
a. Tentukan partikel/inti X yang belum diketahui dalam reaksi berikut
cos2cos22 YYbbaa TMTmTm
cos2
11Y
baba
Y
aa
Y
bb
M
TTmm
M
mT
M
mTQ
0aT
Y
Ybb
M
MmTQ
X
Xatresholda
M
MmQT )(
Xi ),d(L63
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 22 -
b. Tentukan partikel/inti X yang belum diketahui dalam reaksi berikut
Yang memenuhi adalah
Sehingga X adalah partikel alpha
c. Tentukan nilai Q dalam reaksi berikut
bila diketahui massa masing-masing sebagai berikut
jawab
HeXi 42
21
63 dL
atauHeadalahX 42
memenuhi yang sehingga
IdTe 12453
12252 ),x(
dITe 21
12453
12252
42 x
OpN 178
147 ),(
MeVQ
uMeVuuuuQ
cmOmmNmQ p
418,1
/5,931]007825,19994,16002603,40031,14[
])()([ 2178
147
uOmupm
umuNm
9994,16)(007825,1)(
002603,4,)(0031,14)(
178
147
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 23 -
Contoh soal 5:
Pada reaksi berikut diketahui nilai Q = -3,9 MeV, tentukan tenaga
neutron terendah yang memungkinkan terjadinya reaksi tersebut
Reaksi Fisi
Pada tahun 1939 Hahn dan Strassmann membombardir uranium dengan
neutron. Reaksi ini menghasilkan inti barium. Dari eksperimen ini diketahui
bahwa
inti berat terbelah menjadi dua bagian
ada pelepasan tenaga yang sangat besar
ada pancaran neutron yang dapat menginduksi pembelahan lain
Reaksi pembelahan ini disebut sebagai reaksi fisi.
Contoh reaksi fisi
OpnF 1919 ),(
MeVMeVT
FM
FMmQT
M
MmQT
tresholdn
n
tresholdn
X
Xa
tresholda
105,419
1919,3)(
)(
)()(
)(
19
19
nBrLaUUn 287147*236235
nKrBaUUn 10
9036
14356
*23692
23592
10 3
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 24 -
Proses reaksi fisi dilukiskan pada gambar 3.2
Gambar 3.2. reaksi fisi.
Tenaga dalam proses fisi
Perubahan tenaga ikat yang terjadi pada pembelahan adalah 0,9 MeV tiap
nukleon. Untuk 235U perubahan tenaga ikatnya sebesar 212 MeV. Tenaga yang
besar ini dapat digunakan pada pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Pada
PLTN reaksi fisi dapat terjadi secara terus menerus, karena reaksi berantai.
Pembelahan inti karena diinduksi dengan neutron dapat berlangsung terus
menerus bila untuk setiap neutron yang datang menginduksi secara rata-rata
dihasilkan satu neutron baru. Hal ini tergantung pada kesetimbangan proses
1. Pembelahan inti uranium yang memancarkan lebih banyak neutron
daripada yang ditangkap
2. Penangkapan neutron oleh inti, tanpa pembelahan
3. Penangkapan neutron oleh material lain: moderator
4. Neutron yang lolos keluar
neutron
termal fisi
ditumbuk
oleh neutron
termal bertenaga
beberapa eV
U-236 Inti majemuk tidak
stabil
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 25 -
Jumlah neutron dalam reaksi berantai dinyatakan dengan faktor multiplikasi
neutron ( k ) yaitu ratio cacah neutron pada satu generasi dengan cacah neutron
generasi sebelumnya
Nilai faktor multiplikasi akan mempengaruhi operasi reaktor
k < 1 : reaktor sub kritis, reaksi berantai berhenti
k = 1 : reaktor kritis, keadaan steady state
k > 1 : reaktor superkritis reaksi berantai divergen, seperti pada bom fisi
Reaksi fisi ini digambarkan dalam video 4 di bawah ini. Silahkan diamati dengan
baik
Video 4. Reaksi fisi
Reaksi Fusi
Berbeda dengan reaksi fisi, pada reaksi fusi terjadi penggabungan inti. Jika
inti-inti ringan bergabung pada reaksi fusi menjadi inti yang lebih berat akan
dihasilkan tenaga yang dipancarkan tiap satuan massa (u) sekitar 1 MeV. Inti
bermuatan, sehingga diperlukan tenaga kinetik awal untuk memperbesar
probabilitas penetrasi pada penghalang Coulomb. Hal ini dapat dipenuhi misalnya
dengan memanaskan reaktan.
Contoh reaksi fusi dan tenaga yang dihasilkan adalah
.
49,5
(MeV) tenaga reaksi
32
21
11 HeHH
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 26 -
Fusi deuterium dan tritium.menghasilkan tenaga sebesar 17.6 MeV. Proses ini
memerlukan suhu 40 million Kelvin untuk mengatasi penghalang Coulomb.
Proses ini diperlihatkan pada gambar 3.3.
Gambar 3.3 Reaksi Fusi
Reaksi fisi dan reaksi fusi digunakan untuk menghasilkan tenaga seperti yang
dapat anda lihat pada video 5 di bawah ini. Silahkan diamati dengan baik
Video 5. Tenaga dari reaksi inti
FUSI
17,59 42
31
21 nHeHH
4,03 11
31
21
21 HHHH
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 27 -
4. Proteksi Radiasi
Radiasi galombang elektromagnetik ada di sekitar kita berupa gelombang
radio, microwave, sinar infra merah, sinar tampak, sinar ultraviolet, sinar X, sinar
gamma. Frekuensi radiasinya bernilai antara 106 Hz sampai 1020 Hz, atau tenaga
satu fotonnya antara 10-9 eV sampai 106 eV. Jenis dan besaran terkait radiasi ini
dapat dilihat pada gambar 4.1.
Dalam pembahasan modul Kuantisasi-Fenomena Kuantum dan modul
Teori Atom, kita sudah mempelajari bahwa radiasi dapat berinteraksi dengan
materi. Pada efek fotolistrik cahaya dapat melepaskan elektron dari permukaan
logam. Cahaya dapat mengeksitasi dan bahkan mengionisasi atom. Sehingga atom
yang semula netral akan berubah menjadi ion yang bermuatan.
Kemampuan radiasi berinteraksi dengan materi tergantung pada
tenaganya. Radiasi yang bertenaga tinggi seperti sinar ultraviolet, sinar X dan
sinar gamma memiliki kemampuan penetrasi dan merusak sangat tinggi. Karena
itu kerberadaan radiasi dapat membahayakan manusia. Penggunaan sinar Rontgen
pada bidang kedokteran misalnya dibatasi. Kita tidak boleh dikenai sinar Rontgen
berulang-ulang dalam selang waktu tertentu. Secara khusus kita akan mempelajari
proteksi dari sinar radioaktif.
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 28 -
Gambar 4.1. Spektrum gelombang elektromagnetik
Seperti yang sudah kita pelajari pada bagian sebelumnya, sumber radioaktif
memancarkan sinar radioaktif seperti sina alpha, sinar beta dan sinar gamma.
Sinar radioaktif tersebut mempunyai tenaga yang tinggi yang dapat kita gunakan
untuk kesejahteraan, namun juga bisa membahayakan diri kita. Untuk itu kita
perlu memahami terlebih dahulu sifat radioaktif, akibat dan batasan keselamatan
terkait sinar radioaktif.
Sumber radioaktif dengan aktivitas A, akan memancarkan sinar radioaktif
ke sekitarnya. Suatu benda yang berjarak d dari sumber akan menerima paparan
radiasi E (exposure) yang bersatuan rontgen ( R ). Laju pemaparan tergantung
pada aktivitas sumber ( A ) dalam satuan mCi, jarak ( d ) dalam cm dan jenis
sumber mengikuti persamaan
(4.1)
2d
AFER
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 29 -
dengan F konstanta tergantung sumber radioaktif dengan satuan (Rcm2) / (jam
mCi), seperti contoh dalam tabel 2
Tabel 2. nilai konstanta F untuk berbagai sumber
Paparan radiasi bersatuan roentgen diterima oleh benda. Dengan paparan ini kita
dapat menentukan dosis ( D ) yang diserap benda dengan satuan rad mengikuti
D = [ c x E (R) ] rad (4.2)
Nilai konstanta c terantung dari jenis benda yang terpapar
untuk tisue tubuh yang lunak c bernilai mendekati satu
secara umum untuk paparan 1 R, dosis yang diterima adalah
D= 0,95 rad
Contoh soal
Hitung dosis yang diserap seorang yang selama 5 jam berada pada jarak 20
cm dari sumber radioaktif 137Cs dengan aktivitas A= 100 m Ci.
Jawab: laju paparan radiasi
Sumber Konstanta F
(Rcm2) / (jam mCi)
137
Cs 3,3
57
Co 13,2
60
Co 13,3
jammR
jamRcm
mCixmCijamcmRER
/825,0
/000825,020
1,0)/(3,3
22
2
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 30 -
Selama 5 jam paparannya sebesar
E = 0, 825 mR /jam x 5 jam = 4,125 mR
Nilai paparan ini memberikan dosis
D = 0,95 x 4,125 mrad = 3,92 mrad
Kerusakan bahan yang terpapar radiasi tergantung pada tenaga yang
terserap. Hal ini tergantung radiasinya. Dosis ekuivalen H dengan satuan sievert
(Sv) atau rem menunjukkan nilai tenaga yang terserap, dinyatakan sebagai
H = Q D (4.3)
dengan Q: faktor kualitas
D dalam Gy atau rad
Satuan H mengikuti satuan dosis D sebagai berikut
H = [ Q x D (rad) ] rem
H = [ Q x D (Gy) ] Sv
dan 1 Sv = 100 rem
Faktor kualitas Q tergantung jenis radiasinya, untuk sinar gamma Q=1 sedang
untuk sinar alpha Q=20.
Contoh soal
Hitung dosis yang diserap ketika seorang terpapar radiasi dari sumber
Cs 137
A= 100 m Ci, berjarak 20 cm
Jawab: Laju paparan sebesar
Dan laju dosisnya adalah
DR= 0,95 × 0,825 mrad/ jam = 0,783 mrad / jam jammR
jamRcm
mCixmCijamcmRER
/825,0
/000825,020
1,0)/(3,3
22
2
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 31 -
Sumber 137Cs memancarkan sinar gamma maka Q=1 dan laju dosis
equivalennya adalah
HR= 1 x 0,783 mrem /jam= 0,783 mrem/ jam
Dalam waktu 1 bulan dosis equivalen menjadi
H = (0,783 mrem /jam) x 720 jam =563,7 mrem= 0,564 rem
Atau H = 0,0056 Sv = 5,6 mSv
E. RANGKUMAN
Inti atom ditemukan pada eksperimen hamburan sinar alpha oleh Rutherford.
Inti terdiri dari proton dan neutron dinyatakan dengan
𝑋𝑍𝐴
𝑁
dengan X: nama unsur
A: nomor massa
Z: nomor atom: jumlah proton
N: jumlah neutron
Massa dinyatakan dalam satuan amu (atomic mass units) atau u dengan nilai
1 𝑎𝑚𝑢 =1
12( 𝑀 𝐶12 ) = 1,6605 × 10−27 𝑘𝑔
Konversi massa dengan tenaga adalah
1 u = 931,5 MeV/c2
Besarnya tenaga ikat inti (BE) sama dengan selisih antara massa inti M
dengan massa Z proton dan massa N neutron mengikuti persamaan
𝐵𝐸 = ( 𝑍 𝑚𝑝 + 𝑁 𝑚𝑛 − 𝑀)𝑐2
Inti yang tidak stabil akan meluruh dengan mengikuti persamaan
teNN
0
Pendalaman Materi FISIKA Modul 24: Fisika Inti dan Radioaktivitas
- 32 -
Untuk menjadi separohnya jumlah semula inti memerlukan waktu selama
waktu paro
2ln2/1 T
Aktivitas (A) menunjukkan laju peluruhan tiap detik, dinyatakan sebagai
NA
Inti dapat bereaksi dengan memenuhi hukum kekekalan
1. Hukum kekekalan tenaga
2. Hukum kekekalan jumlah nukleon (jumlah proton dan neutron)
Pada reaksi fisi, inti berat terbelah menjadi inti lain yang lebih ringan.
Pada reaksi fusi, inti ringan bergabung membentuk inti yang lebih berat
Paparan radiasi dapat membahayakan karena tenaga radiasi yang sangat besar
akan dapat mengubah struktur benda yang dikenainya.
G. DAFTAR PUSTAKA
1. Beiser, A. 2003. Concepts of Modern Physics 6th ed. Boston: McGraw-Hill
2. Bernstein J., Fishbane P.M., Gasiorowicz S. 2000. Modern Physics. Upper
Saddle River: Prentice Hall, Inc.
3. Harris R. 2007. Modern Physics 2nd ed. Addison Wesley.
4. Krane K.S. 2012. Modern physics 3rd ed, Hoboken, NJ: John Wiley &
Sons, Inc.
5. Krane, Keneth S., 1988, “Introductory Nuclear Physics”, New York: John
Wiley.
6. Enge Harald A, 1966: “Introduction to Nuclear Physics”, Reading MA:
Addison Wesley