Fisika Inti

Bab 8
Fisika Inti dan Radioaktivitas
8.1
Pendahuluan
Sejauh ini inti atom dapat dianggap sebagai partikel yang memiliki massa dan bermuatan positif.
Sifat utama dari atom, molekul dan zat padat semuanya dapat dilihat dari perilaku elektron atomnya.
Struktur elektron suatu atom sudah dipahami sebelum komposisi inti atom diketahui, karena gaya
yang mengikat inti bersama jauh lebih kuat daripada gaya listrik yang mengikat elektron sehingga inti
atom lebih sulit dipahami untuk mengetahui apa yang ada didalamnya.
Perubahan struktur elektron suatu atom yang terjadi ketika ikatan kimiawi pecah menyangkut energi
yang besarnya beberapa elektron volt (eV) tetapi perubahan struktur inti menyangkut energi yang
besarnya MeV, sejuta kali lebih besar.
Satuan massa atom (sma = u)
Massa suatu atom mengacu pada suatu atom netral, bukan pada intinya saja. Jadi yang termasuk dalam
massa suatu atom adalah massa inti, massa elektron orbital, dan energi ikatnya.
1 sma adalah massa
1
12
atom karbon karbon 12
1 sma = 1 u = 1,6604 x 10–27 kg  931,48 MeV
(E = m c2)
Isotop
Atom – atom yang memiliki nomor atom (Z) yang sama
1
2
3
Contoh :
1H
1H
1H
Isoton
Atom – atom yang memiliki jumlah massa yang sama
14
13
Contoh :
7N
6C
Isobar
Atom – atom yang memiliki nomor massa yang sama
14
14
Contoh ;
7N
6C
Muatan dan Massa penyusun atom
Atom bersifat netral. Elektron bergerak mengelilingi inti atom dengan kecepatan tertentu. Inti atom
terdiri dari proton dan neutron yang dikenal dengan nama nukleon (unsur penyusun inti).
Elektron ditemukan oleh J.J Thomson sedangkan muatannya oleh R.A Milikan. Proton ditemukan
oleh Goldstein dan neutron ditemukan oleh James Chadwick (teman Rutherford) yang meraih Nobel
tahun 1935.
Nama
Elektron
Proton
Neutron
simbol
Massa (kg)
-e
p
n
simbol unsur/nuklida
Massa (sma)
Muatan (C)
1.0073
1.0087
–1,6 x 10– 19
+ 1,6 x 10– 19
0
– 31
9,11 x 10
1,6725 x 10– 27
1,6748 x 10– 27
A
Z X
X = nama unsur
A = nomor massa = jumlah proton dan neutron
Z = nomor atom = jumlah proton
8.1.1 Kestabilan Inti
Tidak setiap gabungan neutron dan proton
membentuk inti yang stabil. Pada umumnya inti
ringan (A < 20) mengandung jumlah neutron dan
proton yang hampir sama, sedangkan inti berat
proporsi neutron bertambah besar.
Jumlah
neutron
cenderung
lebih
banyak
dibandingkan dengan jumlah proton, ini karena
gaya tolak antar proton akan menjadi besar untuk
inti yang mengandung 10 proton atau lebih
dibandingkan dengan gaya tarik (gaya inti) antar
nukleon untuk mencapai kestabilan inti.
11
5B
lebih stabil dibandingkan dengan
Jumlah neutron
Inti tak stabil
Inti stabil
50
40
30
20
10
Jumlah proton
10
20
30
40
50
11
6C
Titik – titik yang menggambarkan isotop stabil menentukan suatu daerah kestabilan yang agak sempit.
Untuk bilangan – bilangan massa yang rendah didapatkan NZ  1 . Perbandingan ini akan bertambah
besar dan akan kira – kira mencapai 1,6 untuk bilangan massa yang besar. Kestabilan inti dapat
dipahami berdasarkan sifat alam gaya tarik nuklir dan gaya tolak Coulomb. Sebuah inti dengan terlalu
banyak neutron akan menjadi tidak stabil sebab tidak cukup bagi mereka untuk dipasangkan dengan
proton – proton. Sebaliknya inti dengan terlalu banyak proton akan menghasilkan terlalu banyak gaya
tolak dibandingkan dengan gaya tarik nuklir untuk menjadi stabil. Tidak ada inti dengan nomor massa
yang lebih besar dari 209 yang stabil.
Gaya inti (nuklir) memiliki jangkauan yang terbatas dan terjadi hanya antar nukleon tetangganya.
Gaya tolak Coulomb dari proton menjangkau seluruh proton dalam inti, maka terdapat batas
kemampuan neutron untuk mencegah terpecahnya inti atom. Batas ini dinyatakan dengan isotop
Bismuth 209
83 Bi . Semua inti atom dengan Z > 83 dan A > 209 bertransformasi spontan menjadi inti lebih
ringan melalui pemancaran sebuah atau lebih partikel alfa yang merupakan inti

4
2 He
.
Peluruhan alfa
Peluruhan alfa terjadi karena di dalam inti terlalu banyak nukleon, sehingga
untuk membentuk kestabilan inti atom, dua proton dan dua neutron dilepaskan
dari inti induk dan sinar alfa yang sama dengan inti Helium dipancarkan keluar.
A
A 2
4

Peluruhan alfa
+
Z X
Z  2Y
2 He
Karena partikel alfa terdiri dua proton dan dua neutron peluruhan alfa mereduksi Z dan N dari inti
induk. Jika inti anak yang dihasilkan memiliki rasio neutron/proton yang terlalu besar atau terlalu
kecil, inti itu dapat meluruh lagi ke konfigurasi yang lebih memadai.

Peluruhan beta
Untuk mencapai kestabilan inti karena kandungan neutron terlalu banyak maka
sebuah neutron berubah menjadi proton disertai pelepasan sinar yang
bermuatan negatif yang dikenal dengan sinar beta. Dalam peluruhan beta
negatif, neutron bertransformasi menjadi proton dan elektron. Elektron yang
meninggalkan inti teramati sebagai partikel beta.
1
1
0

Peluruhan beta
+
1 e
0n
1p

Peluruhan gamma
Setelah inti meluruh menjadi inti baru biasanya terdapat energi kelebihan pada
ikatan intinya sehingga seringkali disebut inti dalam keadaan tereksitasi. Inti
yang kelebihan energinya ini biasanya akan melepaskan energinya dalam
bentuk sinar gamma yang dikenal dengan peluruhan gamma, sinarnya ini
adalah foton dan termasuk ke dalam gelombang elektromagnetik yang
mempunyai energi yang sangat besar melebihi sinar X.
A *
A
0
Peluruhan gamma
+

Z X
Z X
0γ

Selain peluruhan di atas sebagai cara suatu inti atom membentuk kestabilan dikenal juga
peristiwa sebagai berikut :

Dalam pemancaran positron proton bertransformasi menjadi neutron dan positron (positif
elektron)
Pemancaran positron

1
1p

1
0n
+
0
1 e
Suatu proses yang berlawanan dengan pemancaran positron adalah penangkapan elektron
kulit terdalam oleh inti atom. Elektron yang diserap oleh proton bertransformasi menjadi
neutron.
0
1
Penangkapan elektron 11 p
+

1 e
0n
8.1.2 Ukuran dan bentuk inti atom
Dari eksperimen Rutherford didapatkan bahwa inti atom mempunyai ukuran berhingga. Dengan
eksperimen untuk menentukan inti atom ternyata didapatkan bahwa volume sebuah inti berbanding
lurus dengan banyaknya nukleon yang dikandungnya. V  43 R 3 A
Jari – jari inti
1
R  Ro A 3
1
R  1,2 A 3
Ro  1,2 x 10–15 m = 1,2 fm = 1,2 fermi
fermi
8.1.3 Energi ikat dan Gaya inti
Energi ikat sebuah inti adalah energi yang diperlukan untuk memecahkan sebuah inti menjadi proton
dan neutron.
unsur ZA X
Energi ikat =
 zm p   A  z  mn  m  c 2
= massa defect x 931 MeV
Energi ikat per nukleon adalah energi ikat inti dibagi dengan jumlah nukelonnya. Semakin besar energi
56
ikat pernukleonnya maka inti akan semakin stabil. Inti 26
Fe yaitu isotop besi mempunyai energi ikat
pernukleon sebesar 8,8 MeV/nukleon adalah inti yang paling stabil.
Pembelahan inti berat yang disebut fissi nuklir melibatkan ratusan juta kali energi per atom lebih
besar dibandingkan pembakaran batu bara atau minyak.
Penggabungan dua buah inti ringan yang menghasilkan inti sedang fusi nuklir juga menimbulkan
energi ikat pernukleon dalam inti berkurang juga sangat efektif untuk memperoleh energi. Reaksi fusi
merupakan sumber energi utama dari matahari dan bintang.
Gaya inti adalah gaya terkuat yang dikenal dan berjangkauan pendek yang mengikat nukleon sampai
berjarak 3 fm. Gaya inti ini 100 kali lebih kuat daripada gaya tolak listrik antar proton. Interaksi antara
proton – proton, proton – neutron, neutron – neutron adalah identik.
Teori Meson Gaya Nuklir
Dalam ikatan kimia terlihat bahwa sebuah molekul saling mengikat dengan pertukaran elektron antara
atom komponennya. Apakah mungkin mekanisme yang serupa bekerja dalam inti dengan nukleon
komponen saling mengikat dengan pertukaran sejenis partikel antara nukleon itu ?
Pendekatan pertama dilakukan oleh Heisenberg yang mengusulkan bahwa elektron dan positron bolak
balik antar nukleon. Sebuah netron memancarkan elektron dan menjadi proton dan proton dapat
menyerap elektron dan menjadi neutron. Pendekatan ini tidak tepat karena ternyata gaya yang
dihasilkan dalam pertukaran elektron dan positron terlalu kecil untuk berperan dalam struktur nuklir.
Pendekatan Hideki Yukawa (1935) menyatakan bahwa terdapat partikel pion (+, –, o) dengan besar
massa antara elektron dan nukleon yang bertanggung jawan atas adanya gaya nuklir. Partikel ini adalah
anggota kelas patikel elementer yang secara kolektif disebut meson. Pion adalah singkatan dari 
meson.
8.2
Radioaktivitas
Penemuan Radioaktivitas
Tahun 1895 Roentgen mendeteksi sinar X dengan fluoresensi yang ditimbulkannya dalam bahan
tertentu. Ketika Henry Becquerel (ahli fluoresensi dan fosforesensi) mempelajari hal kebalikannya
(1896) secara tidak sengaja menemukan bahwa garam uranium dapat menghitamkan pelat foto
walaupun tidak diberi sinar terlebih dahulu. Jadi bahan itu memancarkan sinar dengan sendirinya.
Beberapa waktu kemudian Marie Curie dari Polandia menemukan unsur lain yang juga bahan
radioaktif yakni Polonium dan Radium yang ternyata 1000 x lebih aktif dari uranium.

Rutherford membedakan tiga komponen dalam radiasi
radionuklide yaitu partikel alfa, partikel beta dan sinar
gamma seperti pada gambar.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
radium

x
x

x
Aktifitas radioaktif
Laju perubahan inti atom pembentuknya.
dN
A
  N kejadian/s = Becqurel
dt
1 becquerel = 1 Bq = kejadian/s
1 curie = 1 ci = 3,7 x 1010 Bq
1 curie hampir sama dengan aktivitas 1 gram Radium (ditemukan Marie curie)
Contoh peluruhan radioaktif
238
U  234Th  
Th 
234
Pa  
234

U 

atau
238
atau
234

Th 
234
Th
234
Pa
Dari hasil pengukuran aktivitas radioaktif menunjukkan bahwa aktivitas radioaktif menurun secara
eksponensial terhadap waktu
A  Ao e  t
 = konstanta peluruhan (peluang terjadinya peluruhan)
B
dN   N dt
dN
  dt
N
No

N
t

dN
  dt
N
0
ln N  ln N o  t
 N
 No
ln

   t

N  Noe  t
A = aktivitas radioaktif (Bq)
N = jumlah inti sisa yang belum meluruh (inti)
No = jumlah inti mula – mula (inti)
Waktu Paruh = T = T½
Waktu yang dibutuhkan suatu bahan radioaktif sehingga aktifitas atau jumlah inti/partikel menjadi
setengah dari semula.
A  Ao e  t
1
2
Ao  Ao e  T
1
2
 e  T
T
ln 2 0,693

sehingga


t
A  Ao
12  T
t
dan
N  No
12  T
Penentuan Umur Radiometrik
Dengan menggunakan metode peluruhan radioaktif memungkinkan penentuan umur batuan dan
benda yang mempunyai asal biologis. Karena peluruhan radioaktif berlangsung dengan laju tetap dan
tak bergantung kondisi luar maka rasio antara jumlah nuklide dan nuklide anak stabil dalam benda
yang diselidiki akan menunjukkan umurnya.
Sinar kosmik merupakan inti atomik berenergi tinggi terutama terdiri dari proton yang bergerak
menembus galaksi kita kira – kira 1018 diantaranya sampai ke bumi tiap detik. Ketika memasuki
atmosfer bumi menumbuk inti atom sehingga menimbulkan hujan partikel sekunder. Diantaranya
neutron yang dapat bereaksi terhadap inti hidrogen dalam atmosfer dan membentuk radiokarbon
dengan pemancaran proton.
14
7N
+
Sesaat setelah dihasilkan atom
1
0n
14
6C

14
6C
+
1
1H
menempel pada molekul oksigen dan membentuk CO2 radioaktif.
Tanaman hijau mengambil CO2 supaya tetap hidup sehingga setiap tanaman mengandung karbon
radioaktif. Binatang makan tanaman sehingga binatangpun menjadi radioaktif. Setelah mati binatang
tidak menyerap radiokarbon dan radiokarbon yang dikandungnya terus meluruh menjadi 14N. Setelah
5600 tahun benda ini memiliki setengah jumlah radiokarbon asal. Dengan mengetahui radiokarbonnya
umur suatu benda dapat ditentukan.
Kebanyakan batuan purba umurnya ditentukan dari yang didapatkan pada tanaman hijau dan
dipercaya berumur 3,8 bilyun tahun yang lalu.
Deret Radioaktif
Kebanyakan unsur radioaktif yang ada di alam adalah anggota dari empat deret radioaktif. Penyebab
terdapat empat deret adalah peluruhan alfa mereduksi nomor massa sebuah inti dengan 4.
Deret Thorium A = 4n
1.
148
N
148
232
Th
144
N
237
Np
233
144
Pa
233
U
228
Ra
140
140
228
Ac
138
Th
224
Ra
229
Th
138
228
136
225
Ra
Ra
Fr
134
217
Po
212
130
Pb
At
132
Po
208
Tl
208
Pb

128

126
124
Z
80 82 84 86 88 90 92
Deret Uranium A = 4n + 2
N
238
U
234Th
144
Pa
U

209
Bi
Rn
Po
Pb
Bi
214
Po
128

231
Tl
231
Pa
Ac
210
Bi
124
206
Pb
80 82 84 86 88 90 92
Z
122
227
Th
223
Fr
223
Ra
219
Rn
215
Po
211
Pb
126

Pb
124
U
130
214
210
235
132
214
Tl
N
134
218
210
Deret Actinium A = 4n + 3
136
222
132
4.
Z
227
Ra
134
80 82 84 86 88 90 92
138
226
136
122
Pb
140
234
Th
138
126

209
144
234
230
128
Po
122
148
140
130
213
Tl
124
3.
148
Bi
209
212
122
213
130
212
Bi
126
Ac
221
216
132
225
136
220
134
128
Deret Neptunium A = 4n + 1
2.

211
Bi
211
Po
207
Tl

207
Pb
80 82 84 86 88 90 92
Z