Energi Ikat Inti dan Konsep Cacat Massa

FISIKA NUKLIR
BASIC NUCLEAR PHYSICS
ATOM
SIFAT–SIFAT INTI.
ATOM = INTI ATOM + ELEKTRON
Bagian terkecil suatu materi yang masih
memiliki sifat dasar materi tersebut.
PROTON
INTI ATOM
1. NUKLIDA
2. NUKLIR
NUKLEON
NEUTRON
PROTON
CHADWICK
 + Be  Li + n
MMNNMMnNNnN
N
Lambang Inti Atom :
A
ZX N
atau X-A
dengan: X = jenis inti
Z = nomor proton (Jumlah proton)
A = nomor massa (Jumlah nukleon)
N = (A-Z) = jumlah neutron
Contoh cara menulis:
4 He , 14 N , 16 O atau 4He, 14N, 16O atau He-4, N-14, O-16
2
8 8
2
7 7
isotop → sifat kimia sama (Z sama), sifat nuklir berbeda
O-16, O-17, O-18 → isotop, Z sama (8)
U-235, U-238 → isotop, Z sama (92)
isoton → N sama
Isobar → A sama
isomer → A, N, Z sama, tenaga beda, misal 14N dan 14N*
Muatan
 Proton mempunyai muatan positif, +e
 Elektron mempunyai muatan negatif, -e
 Neutron tidak bermuatan
 Susah dideteksi
 Muatan elementer (e )= 1.602 177 33 x 10-19 C
Massa Inti(“1 + 1 ≠ 2”)
 Masa inti m ≈ Zmp + Nmn
 Satuan massa inti:
 Karena mudah diperoleh dan dimurnikan sebagai standar, secara
internasional disetujui digunakan massa satu atom isotop C-12 (6
proton, 6 neutron, 6 elektron) = 12 u (unified mass unit)
 1 mole atom C-12=12 gr=NA atom C-12
 1 atom C-12=12/NA gr=12 u
 Jadi 1 u = 1/NA=1.660 559 x 10-27 kg,
Ingat: Bilangan Avogadro NA = 6,0221367 × 1023 mol-1
Massa Inti
 u disebut satuan massa atom (sma)
 Massa proton mp = 1,0077276470 u
 Massa neutron mn = 1,008 665 u
 Massa elektron me = 0,00054857 u
 Dari E = mc2
 me = 0,51099906 MeV/c2 = 9,1093897× 10-31 kg.
 mp = 938,27231 MeV/c2 =1,672631
 1 u = 931,494 MeV/c2 atau MeV
× 10-27 kg.
Ringkasan massa
Massa
Partikel
kg
u
MeV/c2
Proton
1.6726 x 10-27 1.007276
938.28
Neutron
1.6750 x 10-27 1.008665
939.57
Electron
9.109 x 10-31
5.486x10-4 0.511
Massa Inti
massa neutron mn = 1,008 665 u, massa proton mp =
1,007 276 u
→ mn + mp = 2,015 941 u, 1 u = 931,5 MeV/c2
Inti-atom deuterium → deuteron, terdiri dari 1 proton
dan 1 neutron
→ md = 2,013 552 u < mn + mp
mn + mp − md = 0,002 389 u = 2,225 MeV/c2 ≈ 0,2% mp
→ Energi ikat inti deuteron
Tenaga ikat elektron dalam atom H 13,6 eV ≈ 0,003 %
me
Tenaga ikat molekul hidrogen (H2) 4 eV ≈ 0,0000004 %
(mp + me)
UKURAN INTI DAN ATOM:
 Ukuran jerjari inti= 10-14- 10-15 m, femto meter (10-15 m)=1
Fermi
 Ukuran jejari atom= 10-9- 10-10 m, nano meter(10-9
m),Angstrom(10-10 m)
KERAPATAN INTI
A/V ~ tetap, A = jumlah nukleon, V = volume inti atom. Jika
inti-atom berbentuk bola → V = (4π/3) R3 → R3 ~ A
→ R ~ A1/3 → ruji inti R = Ro A1/3 → Ro = 1 - 4,5 fm
(tergantung jenis eksperimen),
biasa diambil Ro = 1,2 × 10-15 m
Ruji 27Al R = 1,2 × 10-15 m × 271/3 = 3,6 × 10-15 m
Ruji 216Ra R = 1,2 × 10-15 m × 2161/3 = 7,2 × 10-15 m
→ dengan 8× jumlah nukleon ruji 216Ra 2× ruji 27Al
Rapat massa materi inti
ρm = m/V = (A × 1u)/(4π/3)R3 = (A × 1u)/(4π/3)
Ro3A = (1u)/(4π/3)Ro3
≈ (1,6×10-27 kg)/{4×(1,2×10-15)3} m3 = 2×1017 kg/m3
Jika volume inti V = 1 cm3, maka massa inti m =
ρmV = 2 × 1017/ (1 × 106) kg = 2 × 1011 kg = 200
juta ton!!!
Energi Ikat Inti dan Konsep Cacat Massa
Mengapa Proton dan Neutron Terikat Membentuk Inti Atom
?
Apa yang mengikat proton dan neutron ?
Bagaimana dengan gaya Coulomb antar proton?
FAKTA : JUMLAH MASSA NUKLEON PADA KEADAAN BEBAS
TIDAK SAMA DENGAN MASSA NUKLEON KETIKA MEMBENTUK
INTI
md < mn + mp
Energi ikat (B=binding energy)
Untuk inti-atom massa m dan tenaga ikat B berlaku
m = Zmp + Nmn – B/c2
Dengan massa atom
M = Zmp + Nmn + Zme – B/c2
B = (Zmp + Nmn + Zme – M)c2
B = {ZM(1H) + Nmn – M(AZXN)}c2
Contoh: B(4He) = 2M(1H) + 2mn – M(4He) = 28,30 MeV
Defek massa korelasi dengan energi ikat inti. Perbedaan
energi antara energi inti dengan energi penyusun inti
(nukleon) disebut energi ikat. Juga bisa dipandang sebagai
energi yang diperlukan untuk memisahkan inti menjadi
proton dan neutron
PERBEDAAN MASSA PENYUSUN INTI DAN INTI DISEBUT
PENYUSUTAN MASSA ATAU CACAT MASSA atau
DEFEK MASSA
(AX) =(M(AX) – A)c2 , A=N+Z
dalam satuan u: M(AX) = A + Δ(AX)
Contoh:
M(4He) = 4 + 2,424 MeV / (931,5 MeV/u) = 4,002 602 u
B(4He) = 2M(1H) + 2mn – M(4He)
= 2{AH + Δ(H)} + 2{AH + Δ(n)} – {AHe + Δ(He)}
= 2{1 + Δ(H)} + 2{1 + Δ(n)} – {4 + Δ(He)}
= 2 Δ(H) + 2 Δ(n) – Δ(He)
= 2 × 7,289 MeV + 2 × 8,071 MeV – 2,424 MeV
= 28,30 MeV
Perbedaan antara energi inti dengan energi
penyusun inti (nukleon) disebut energi ikat. Juga
bisa dipandang sebagai energi yang diperlukan
untuk memisahkan inti menjadi proton dan neutron
Tenaga pemisahan (S) untuk melepas satu
neutron (neutron separation energy) dari
4He → 3He + n
S(4He → 3He + n)
= M(32He) + mn – M(42He) = 20,58 MeV
Pada Tabel ada dua penyajian (dalam satuan u=sma):
•Massa atom
•Cacat massa atom
Spin Inti dan Momen magnet spin
 Proton atau neutron mempunyai spin intrinsik : 1/2
 Momentum angular orbit inti I(I+1) (I=bilangan
kuantum spin inti, bulat atau ganjil)
 p= gp Is N sedangkan n= gn Is N
 Magneton Inti (satuan momen magnet spin inti)
N=(eh)/(4mp)=5.05x10-27 J/T analogi dengan
elektron B = 9.274 x 10-24 J/T
 Momen Magnetik secara eksperimen proton 2.7928
n sedangkan neutron -1.9135 n
Momentum Angular Spin Inti
PR-1
 1. Jelaskan bagaimana
cara menentukan
besarnya massa suatu atom
 2. Jelaskan bagaimana cara menentukan
besarnya jejari inti atom
 3. Jelaskan bagaimana cara menentukan
besarnya moment magnet inti atom (proton).